基于工程问题的高柔结构不确定性AMD鲁棒控制系统研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:rsbgrc
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在强风作用下,由于高柔结构的振动过大,往往造成结构层间位移及舒适度等性能指标不满足相关规范的要求。为此,通常采用附加阻尼器、耗能减振材料等方式以满足高柔结构预期的减振效果及舒适度要求。其中,主动质量阻尼器的控制技术(ActiveMassDamper/Driver,AMD)因其良好的性能而备受青睐,但因噪声信号、结构参数的不精确性、时变时滞及传感器故障信号等不确定性因素的影响,其在高柔结构振动控制中的应用受到一定程度的限制。因此,本文重点研究了上述不确定性因素的影响,并基于改进的低维系统和状态观测系统,提出了相应的鲁棒控制系统。主要开展的工作如下:  基于改进均衡截断法的低维模型构建。在减维过程中,经典均衡截断法因舍弃结构高阶阻尼比及高阶振型模态等信息,从而导致低维模型精度降低。为此,本文基于计及高阶振型信息的改进均衡截断法提出了相应的低维模型,并以传递函数、模型维数及控制效果等为指标,对比分析了低维模型与原模型的差异。进而,基于保性能控制算法设计了低维控制系统的最优增益,以十层框架结构的数值模型和四层钢框架的试验模型为例,验证了该控制器的有效性。  带有鲁棒滤波器的状态观测系统构建。首先针对AMD控制系统全状态向量不易直接测得的问题,设计了以结构质点层加速度响应为输入的全状态观测器。其次,针对观测系统中加速度传感器更易引入测量噪声的问题,提出了卡尔曼滤波器和基于线性矩阵不等式(LinearMatrixInequality,LMI)的鲁棒滤波器等两种设计方法。相比于卡尔曼滤波器,基于LMI的鲁棒滤波器由于考虑了增益矩阵的优化设计,从而更好地保证了AMD控制参数的稳定性。  基于区域极点配置算法的时滞补偿控制系统分析。理论推导了时变时滞对单、多自由度控制系统的极点及稳定性的影响。在增益的计算过程中,利用区域极点配置算法对不确定结构参数及时变时滞这两种不利因素进行了补偿。数值分析与试验结果表明了该补偿算法有效地提高了不确定时滞系统的性能及稳定性;另外,经区域极点配置补偿后,时滞系统的闭环极点分布在期望区域内,该算法放宽了极点配置范围,系统性能比运用极点配置时滞补偿方法更具优势。  考虑高阶控制系统与结构之间耦合作用(Control-StructureInteraction,CSI)效应的保性能控制系统优化。AMD控制系统中时滞的时变性主要源于CSI效应。为了分析CSI效应的影响,本文建立了三类不同的控制系统。再以考虑高阶CSI效应的控制系统模型为对象,对其影响机理进行了分析,影响因素包括了控制电压输入频率、结构参数及控制增益。最后,针对CSI效应引起的时变时滞,提出了基于保性能控制算法(GuaranteedCostControl,GCC)的时滞补偿控制器,以试验结构为例进行了验证,结果表明本文设计的保性能时滞补偿控制器能有效减小CSI效应的影响。  基于状态观测的主动故障容错系统分析。针对加速度传感器可能出现故障甚至失效的情况,本文提出了故障检测器(FaultDetectionandIsolation,FDI)设计方法,将故障信号的诊断与隔离问题转化为H2/H∞控制问题,利用LMI求解出动态最优的故障检测器,对传感器中存在的故障进行了诊断与隔离。进而,通过状态观测器,利用隔离信号进行状态估计,计算系统控制力,完成了主动故障容错控制(FaultTolerantControl,FTC)。结果表明FTC系统不仅保证了AMD控制参数稳定,还较好地控制了结构的动力响应,控制效果与无故障控制系统基本相当。
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