回转式振动控制装置参数优化设计及鲁棒性研究

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土木工程结构在地震、风等动力荷载作用下会产生结构振动,影响结构的安全性和舒适性,给结构造成损伤甚至破坏。通过研究表明,在结构上安装主动质量阻尼器(AMD)能够有效降低动荷载作用下结构的振动响应。目前,AMD仍存在着作动器复杂、占地空间大、维护成本高以及质量块行程受限等问题,制约了AMD的应用与推广。针对这些问题,本文将“回转”运动的概念,引入到直线电磁驱动的AMD装置,将直线轨道改进为回转轨道,提出一种电磁驱动的回转式振动控制装置(RVCD)。RVCD利用惯性质量在轨道上做回转运动为结构提供主动控制力,从而减小土木工程结构在服役过程中受到外界干扰时的振动响应。回转式振动控制装置构造简单,惯性质量由电磁直接驱动且无行程限制。本文基于回转式振动控制装置,主要开展了以下的研究工作:(1)基于拉格朗日方程建立了结构/RVCD耦合系统的力学模型。首先对方程进行了无量纲化处理,针对该欠驱动系统中位移和转角的耦合问题,引入了一种全局坐标变换,对系统的状态变量关于控制输入进行了解耦,将其转化为一种具有结构特征的级联系统,降低了控制器的设计难度。基于Simulink验证了所搭建模型的准确性。(2)基于滑模控制算法设计了该非线性系统的控制器,并证明了滑模控制器的稳定性,采用双曲正切函数对系统抖振进行了处理。针对滑模控制算法中众多参数的选取问题,建立了一个单自由度结构进行了数值仿真,从能量角度建立了参数优化的目标函数,采用布谷鸟算法对目标函数进行优化。与无控结构对比,采用布谷鸟算法优化后的RVCD控制时结构的位移、加速度响应以及各项能量分量明显降低,验证了优化后的RVCD具有良好的减振效果。通过与粒子群算法优化参数及未优化参数进行比较,布谷鸟算法搜寻到的目标函数值最小,证明了所采用布谷鸟算法得到算法参数更优。(3)为验证结构/RVCD控制系统的鲁棒性,分别从不同外部激励、装置物理参数以及结构自身特性三个方面对该系统进行了仿真与研究,通过与传统直线AMD和TMD进行对比,验证了结构/RVCD控制系统在不同外部激励作用下优异的减振效果,且该装置对物理参数(质量比和半径)和结构自身参数具有良好的鲁棒性,RVCD在AMD质量块行程受限时更具有优势。
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