结构主动控制的鲁棒策略研究

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结构的主动控制是近年来结构抗震学科领域内的一个研究热点,涉及到结构振动理论、自动控制理论、液压控制理论、信号处理和计算机技术等很多学科,是一个多学科交叉的前沿研究领域,受到国内外研究人员的重视。基于目前大多数结构主动控制方法鲁棒性差的特点,本文针对结构质量阻尼基准(AMD Benchmark)问题,将鲁棒控制方法引入结构主动控制领域,提出了切实可行的方法,旨在将主动鲁棒控制方法更好的应用到实际工程当中。  本文首先详细地介绍了结构主动控制的研究概况、国内外的研究现状以及主动控制的AMD Benchmark问题,然后对论文的研究意义和主要研究内容做了介绍。  针对已建立的AMD Benchmark试验系统,论文在第二章中详细地介绍了试验系统的装置和工作原理,并对液压系统动力机构特性进行了分析。由于振动台的激振系统固有频率比较低,阻尼比很小,所以满足不了试验的要求。为实现地震台加速度频宽的扩展和系统稳定性的提高,论文在第三章中采用三状态控制策略对振动台控制器进行了设计,准确的复现了加速度的输入波形。  为了给AMD Benchmark结构鲁棒控制策略的研究提供一个精确的数学模型,论文的第四章结合有限元分析方法与实测的方法对AMD Benchmark受控结构系统进行了建模。本文采用ANSYS有限元软件对被控对象结构进行数值模拟,分析结构的模态并导出结构的模型参数。由于在有限元法建模的过程中没有考虑传感器、作动器等对模型的影响,只是获得了系统粗略的模态信息。试验系统辨识的过程将所有的结构子系统,包括传感器和作动器等作为一个整体处理,更符合实际情况,最后通过模型的对比和验证,选择了系统辨识模型作为面向控制的结构系统模型。  在第五章,论文主要进行了AMD Benchmark结构鲁棒控制策略的研究。文中首先讨论了结构参数不确定性和结构不确定性的描述方法,并采用了虚拟回路增益的处理方法描述由参数变化引起的模型不确定性。随后,还从一般的状态空间模型推导出反映模态频率参数的不确定性模型。最后,本文利用控制和结构奇异值H∞μ分析方法,对带有不确定性的主动质量阻尼器结构系统进行控制器的设计以及系统性能分析。文中详细阐述了权函数的选取方法和控制与H∞μ分析的求解方法,并通过试验验证了控制器的有效性和鲁棒性。  同时,文中还针对主动控制结构的线性二次型Gauss最优控制(Linear Quadratic Gaussian,简称LQG)控制方法的不足之处,对美国Notre Dame大学的AMD Benchmark模型进行回路传函恢复(Loop Transfer Recovery,简称LTR)鲁棒控制策略的研究,提出了改进的LQG/LTR控制策略方法,并通过仿真验证了控制器的有效性和鲁棒性。  
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