基于压电材料的空间钢结构振动模糊控制理论与试验研究

论文摘要

空间钢结构以其新颖的结构形式、优雅的建筑造型和强大的跨越能力而得到快速发展。但是由于这种结构具有自身形式多样,造型复杂多变,杆件和节点数目繁多等特点,目前对这种结构的研究一般都集中在静力性能方面,而对其动力灾变分析和减震控制方面的研究尚不多见。同时,由于大跨空间网格结构模型复杂,难以精确建模,且大跨空间钢结构属于本身刚度较小的柔性结构,在风或地震等动力作用下容易出现疲劳破坏,结构的动力响应也比较敏感,如何采用经济、可靠的振动控制手段以减少风或地震的灾害损失就显得非常必要。为此本文以模糊控制法,即不需要建立精确的模型、具有人工智能的方法,来进行大跨空间钢结构振动控制,很好地实现了其的抗风减振目的,控制效果明显。本文系统地介绍了压电材料的基本特性和压电方程,压电驱动器的特性以及模糊控制的原理和结构,全面阐述了模糊控制系统工作的的基本原理和特点及其适用范围,并将压电驱动杆件集成于结构的关键部位进行大跨空间钢结构的振动控制。同时,进一步根据模糊控制的基本原理,提出了一种适合大跨空间钢结构模糊控制的模糊控制器设计方法和工作原理,利用SIMULINK工具箱建立了结构振动控制的分析与计算流程,并用模糊逻辑工具箱进行了网壳结构的模糊建模分析。为了验证理论分析的有效性和正确性,进行了空间钢结构模型结构的振动台试验。根据理论分析和数值模拟结果,设计并制作了两个不同的空间钢结构模型,对其节点配重和主元控制杆件的位置进行了优化,并对主元控制杆件集成于较优部位的空间钢结构模型结构进行了振动台试验,通过对实验数据进行了全面分析与计算,得出了一般压电主元控制杆件的振动控制规律。试验结果表明,理论分析与试验数据吻合较好,空间钢结构振动控制效果良好。为此,本文研究不仅具有重要的理论意义,而且也具有广阔的工程应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 结构振动控制研究
• 1.2.2 模糊控制算法
• 1.2.3 压电材料的特性与发展
• 1.2.4 压电材料的研究与应用
• 1.2.5 压电智能结构的振动控制研究
• 1.3 本文的主要工作
• 2 压电理论及作动器
• 2.1 引言
• 2.2 压电材料的压电方程
• 2.2.1 对压电材料的假定
• 2.2.2 压电方程
• 2.3 压电作动器
• 2.3.1 压电片
• 2.3.2 压电堆作动器
• 2.3.3 压电元件主要性能
• 2.4 压电主元控制杆件静力控制理论分析
• 2.5 本章小结
• 3 模糊控制理论和方法
• 3.1 引论
• 3.2 模糊控制系统与模糊控制器
• 3.2.1 模糊控制系统的特点
• 3.2.2 一般模糊控制系统的基本结构
• 3.2.3 结构模糊控制系统的工作原理
• 3.3 模糊控制器
• 3.3.1 模糊控制器的组成
• 3.3.2 模糊控制器的结构设计
• 3.4 本章小结
• 4 控制系统建模及仿真
• 4.1 引论
• 4.2 连续时间状态方程及其求解
• 4.2.1 状态方程
• 4.3 参数的确定
• 4.3.1 控制力位置矩阵D
• 4.3.2 阻尼矩阵C
• 4.4 结构的模糊控制建模及仿真
• 4.4.1 模型尺寸参数
• 4.4.2 建模及分析
• 4.5 本章小结
• 5 空间结构振动智能控制振动台试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 空间结构模型振动智能控制振动台试验
• 5.2.1 压电主元杆件基本性能试验研究
• 5.2.2 空间钢结构智能稳定控制振动台试验研究
• 5.3 试验结果及分析
• 5.3.1 主要试验结果
• 5.3.2 试验结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士期间发表的论文