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    一种 基于 流变 阻尼 限幅 最优 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201410171379.2

    申请日:

    2014.04.25

    公开号:

    CN103942394A

    公开日:

    2014.07.23

    当前法律状态:

    终止

    有效性:

    无权

    法律详情: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20140425授权公告日:20170215终止日期:20170425|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20140425|||公开
    IPC分类号: G06F17/50 主分类号: G06F17/50
    申请人: 郑州大学
    发明人: 黄亮; 王博; 徐伟; 张威; 赵振军
    地址: 450000 河南省郑州市高新技术开发区科学大道100号
    优先权:
    专利代理机构: 北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙) 11350 代理人: 汤东凤
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410171379.2

    授权公告号:

    |||||||||

    法律状态公告日:

    2018.05.18|||2017.02.15|||2014.08.27|||2014.07.23

    法律状态类型:

    专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种基于磁流变阻尼器限幅最优的方法,该基于磁流变阻尼器限幅最优的方法包括以下步骤:结合磁流变阻尼器特性和渡槽结构的特殊性,将控制律修改为:uc=U(f)*H{(fc-f)f};采用力与相对速度滞回环上部交点对应的力作为表征,以0.1v递增电压进行模拟,得到力与电压的离散关系。本发明通过针对磁流变阻尼器特性,结合渡槽结构的特殊性,对控制律做出改进,采用力与相对速度滞回环上部交点对应的力作为表征,以0.1v递增电压进行模拟,得到力与电压的离散关系,方法简单,操作方便,在原有基础上做出改变,较好的解决了现有的限幅最优算法导致某些低幅度振动时,仍然有较大的控制电压加载,控制力的改变幅度会比较大,有可能会加大局部的地震响应的问题。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种基于磁流变阻尼器限幅最优的方法,其特征在于,该基于磁流变阻尼器限幅最优的方法包括以下步骤:
    结合磁流变阻尼器特性和渡槽结构的特殊性,将控制律修改为:
    uc=U(f)*H{(fc-f)f}
    采用力与相对速度滞回环上部交点对应的力作为表征,以0.1v递增电压进行模拟,得到力与电压的离散关系。

    2.  如权利要求1所述的基于磁流变阻尼器限幅最优的方法,其特征在于,将离散点进行拟合,最后将U(f)表示为:
    U(f)=(af+b)*H{af+b}
    式中,a,b为力与电压的关系参数。

    3.  如权利要求1所述的基于磁流变阻尼器限幅最优的方法,其特征在于,该基于磁流变阻尼器限幅最优的方法限幅最优控制的方法为:
    在n个自由度的结构上添加r个控制器,则地震动一致输入下的结构半主动控制系统运动方程为:
    MX··(t)+CX·(t)+KX(t)=BsU(t)+MH0X··g(t)]]>
    X(t0)=X0
    X·(t0)=X·0]]>
    式中,M、C和K分别是结构n×n维的质量、阻尼和刚度矩阵; X(t)、和分别是结构n维的位移、速度和加速度向量;是地震动加速度时程;U(t)是r×1维控制力向量;H0是n×1维地震动加速度位置矩阵;Bs是n×r维半主动控制阻尼器位置矩阵;
    引入状态向量Z=XX·,]]>则结构的运动方程表示为状态方程:
    Z·(t)=AZ(t)=BU(t)+HX··g(t)]]>
    Z(t0)=Z0
    Y=C{Z·(t)-HX··g(t)}+v(t)]]>
    其中,A=0I-M-1K-M-1C,B=0M-1Bs,H=0H0,]]>C=[0 I],Y为观测输出,为绝对加速度以作为反馈,v(t)为测量噪声;
    定义系统的性能目标函数为:
    J=∫0[ZTQZ+UTRU]dt]]>
    其中,Q和R为权矩阵,使性能目标函数取最小值,可以求得反馈增益G=R-1BTP,是r×2n维状态反馈增益矩阵;P是2n×2n维矩阵,可由Riccati矩阵代数方程求解;
    由于反馈为绝对加速度,所以需要引入状态估计向量代替状态向量Z,使得对于输出反馈问题保持最优,状态估计向量由Kalman滤波器产生:
    Z~·(t)=AZ~(t)+BU(t)+L[Y(t)-Y~(t)]]]>
    式中滤波器增益L可表示为:
    L=P1CTV-1
    V=E[v(t)vT(t)]为测量噪声协方差矩阵,E[·]表示数学期望,P1为下式的解:
    AP1+P1AT+N-P1CTV-1CP1=0
    式中,N=E[w(t)wT(t)]为输入噪声协方差矩阵,Kalman滤波器使状态估计误差的渐进协方差达到最小。

    说明书

    说明书一种基于磁流变阻尼器限幅最优的方法
    技术领域
    本发明属于磁流变阻尼器技术领域,尤其涉及一种基于磁流变阻尼器限幅最优的方法。
    背景技术
    目前,南水北调水利工程是为缓解我国华北及西北地区水资源缺乏的现状而兴建的大型水利工程,渡槽结构作为南水北调输水工程中的重要组成部分,是南水北调中线工程上应用较多的主要交叉建筑物之一,而中线工程的输水线路穿越我国地震高烈度区域,线路许多区段的抗震设防烈度达到8度,整个工程输水总干渠共有渡槽49座,累计长度达到5520m,流量达500m3/s,一旦发生地震,全线输水将要中断,且其临近京广、京九等重要铁路干线,可能导致严重的次生灾害,因此输水工程的抗震安全性非常重要。
    目前Dyke针对磁流变阻尼器提出的限幅最优算法得到了较为广泛的应用,其控制律可以描述为:
    uc=umaxH{(fc-f)f}
    式中,H{·}为Heaviside阶跃函数,该式意义在于,若MR产 生的阻尼力fc等于主动控制力f,则保持当前电压不变;若fc小于f,则将施加电压调至最大值以促使MR提供的控制力匹配期望值;其他情况下将电压设为零。
    但是,该算法在最大电压设定时存在一定的主观性,并且在实际控制中只有两档电压可调,即零值和最大值,这样将导致某些低幅度振动时,仍然有较大的控制电压加载,这样的话控制力的改变幅度会比较大,有可能会加大局部的地震响应。
    发明内容
    本发明实施例的目的在于提供一种基于磁流变阻尼器限幅最优的方法,旨在解决现有的限幅最优算法导致某些低幅度振动时,仍然有较大的控制电压加载,控制力的改变幅度会比较大,有可能会加大局部的地震响应的问题。
    本发明实施例是这样实现的,一种基于磁流变阻尼器限幅最优的方法,该基于磁流变阻尼器限幅最优的方法包括以下步骤:
    结合磁流变阻尼器特性和渡槽结构的特殊性,将控制律修改为:
    uc=U(f)*H{(fc-f)f}
    采用力与相对速度滞回环上部交点对应的力作为表征,以0.1v递增电压进行模拟,得到力与电压的离散关系。
    进一步,将离散点进行拟合,最后将U(f)表示为:
    U(f)=(af+b)*H{af+b}
    式中,a,b为力与电压的关系参数。
    进一步,该基于磁流变阻尼器限幅最优的方法限幅最优控制的方法为:
    在n个自由度的结构上添加r个控制器,则地震动一致输入下的结构半主动控制系统运动方程为:
    MX··(t)+CX·(t)+KX(t)=BsU(t)+MH0X··g(t)]]>
    X(t0)=X0
    X·(t0)=X·0]]>
    式中,M、C和K分别是结构n×n维的质量、阻尼和刚度矩阵;X(t)、和分别是结构n维的位移、速度和加速度向量;是地震动加速度时程;U(t)是r×1维控制力向量;H0是n×1维地震动加速度位置矩阵;Bs是n×r维半主动控制阻尼器位置矩阵;
    引入状态向量Z=XX·,]]>则结构的运动方程表示为状态方程:
    Z·(t)=AZ(t)=BU(t)+HX··g(t)]]>
    Z(t0)=Z0
    Y=C{Z·(t)-HX··g(t)}+v(t)]]>
    其中,A=0I-M-1K-M-1C,B=0M-1Bs,H=0H0,]]>C=[0 I],Y为观测输出,为绝对加速度以作为反馈,v(t)为测量噪声;
    定义系统的性能目标函数为:
    J=∫0[ZTQZ+UTRU]dt]]>
    其中,Q和R为权矩阵,使性能目标函数取最小值,可以求得反馈增益G=R-1BTP,是r×2n维状态反馈增益矩阵;P是2n×2n维矩阵,可由Riccati矩阵代数方程求解;
    由于反馈为绝对加速度,所以需要引入状态估计向量代替状态向量Z,使得对于输出反馈问题保持最优,状态估计向量由Kalman滤波器产生:
    Z~·(t)=AZ~(t)+BU(t)+L[Y(t)-Y~(t)]]]>
    式中滤波器增益L可表示为:
    L=P1CTV-1
    V=E[v(t)vT(t)]为测量噪声协方差矩阵,E[·]表示数学期望,P1为下式的解:
    AP1+P1AT+N-P1CTV-1CP1=0
    式中,N=E[w(t)wT(t)]为输入噪声协方差矩阵,Kalman滤波器使状态估计误差的渐进协方差达到最小。
    本发明提供的基于磁流变阻尼器限幅最优的方法,通过针对磁流变阻尼器特性,结合渡槽结构的特殊性,对控制律做出改进,采用力与相对速度滞回环上部交点对应的力作为表征,以0.1v递增电压进行模拟,得到力与电压的离散关系,方法简单,操作方便,在原有基础上做出改变,较好的解决了现有的限幅最优算法导致某些低幅度振 动时,仍然有较大的控制电压加载,控制力的改变幅度会比较大,有可能会加大局部的地震响应的问题。
    附图说明
    图1是本发明实施例提供的基于磁流变阻尼器限幅最优的方法流程图;
    图2是本发明实施例提供的控制力与电压的离散关系示意图。
    图3、图4分别为渡槽结构在ElcentroNS地震波输入下中跨跨中和右跨跨中的时程响应示意图。
    具体实施方式
    为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
    下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
    如图1所示,本发明实施例的基于磁流变阻尼器限幅最优的方法包括以下步骤:
    S101:结合磁流变阻尼器特性和渡槽结构的特殊性,修改控制律;
    S102:采用力与相对速度滞回环上部交点对应的力作为表征,以0.1v递增电压进行模拟,得到力与电压的离散关系。
    本发明的具体步骤为:
    第一步,结合磁流变阻尼器特性和渡槽结构的特殊性,将控制律 改为:
    uc=U(f)*H{(fc-f)f}
    其中,U(f)为表征电压与力的连续函数;H{·}为Heaviside阶跃函数.
    第二步,采用力与相对速度滞回环上部交点对应的力作为表征,以0.1v递增电压进行模拟,得到力与电压的离散关系,如图2所示。
    主动控制力,通过半主动控制律u=k(fc,f)的计算,得出半主动控制律的结果,结果输出到磁流变阻尼器,最后输出半主动控制力。
    从图2中可以看出,线性关系较为明显,将离散点进行拟合,最后将U(f)表示为:
    U(f)=(af+b)*H{af+b}
    式中,a,b为力与电压的关系参数。
    本发明的限幅最优控制的方法为:
    在n个自由度的结构上添加r个控制器,则地震动一致输入下的结构半主动控制系统运动方程为:
    MX··(t)+CX·(t)+KX(t)=BsU(t)+MH0X··g(t)]]>
    X(t0)=X0
    X·(t0)=X·0]]>
    \*MERGEFORMAT (1)
    式中,M、C和K分别是结构n×n维的质量、阻尼和刚度矩阵; X(t)、和分别是结构n维的位移、速度和加速度向量;是地震动加速度时程;U(t)是r×1维控制力向量;H0是n×1维地震动加速度位置矩阵;Bs是n×r维半主动控制阻尼器位置矩阵。
    引入状态向量Z=XX·,]]>则结构的运动方程可以表示为状态方程:
    Z·(t)=AZ(t)=BU(t)+HX··g(t)]]>
    Z(t0)=Z0          \*MERGEFORMAT (2)
    Y=C{Z·(t)-HX··g(t)}+v(t)]]>
    其中,A=0I-M-1K-M-1C,B=0M-1Bs,H=0H0,]]>C=[0 I],Y为观测输出,此处为绝对加速度以作为反馈,v(t)为测量噪声。
    定义系统的性能目标函数为
    J=∫0[ZTQZ+UTRU]dt,\*MERGEFORMAT---(3)]]>
    其中,Q和R为权矩阵。使性能目标函数取最小值,可以求得反馈增益G=R-1BTP,是r×2n维状态反馈增益矩阵;P是2n×2n维矩阵,可由Riccati矩阵代数方程求解。
    由于反馈为绝对加速度,所以需要引入状态估计向量代替状态向量Z,使得对于输出反馈问题保持最优,状态估计向量由Kalman滤波器产生:
    Z~·(t)=AZ~(t)+BU(t)+L[Y(t)-Y~(t)]]]>
    \*MERGEFORMAT (4)
    式中滤波器增益L可表示为
    L=P1CTV-1  \*MERGEFORMAT (5)
    V=E[v(t)vT(t)]为测量噪声协方差矩阵,E[·]表示数学期望,P1为下式的解
    AP1+P1AT+N-P1CTV-1CP1=0 \*MERGEFORMAT (6)
    式中,N=E[w(t)wT(t)]为输入噪声协方差矩阵。Kalman滤波器使状态估计误差的渐进协方差达到最小。
    如图3和图4所示,是本发明实施例的减震效果示意图,通过图3和图4可以看出,本发明具有很好的减震性能。
    图3和图4分别为渡槽结构在ElcentroNS地震波输入下中跨跨中和右跨跨中的时程响应,图中X方向坐标time为时间轴,单位为秒,Y方向坐标轴Displacement为位移响应,单位为米,Z方向坐标Velocity为速度响应,单位为米/秒,图中曲线的虚线部分代表的是渡槽在未加控制装置时的时程响应,图中曲线的实线部分代表的是渡槽结构在本控制方案下的时程响应,从实线和虚线的对比来看,有以下特点:
    1、在地震波输入极大值范围内(5-10s与15-20s两个时间段),实线(控制方案)数值要显著小于虚线(无控)数值,说明控制方案对地震响应的峰值有较好的控制效果。
    2、在地震波输入值较小的范围内,实线的数值包络于虚线数值之内,说明控制方案也具有一定的效果,控制效果平稳,未出现放大效应。
    图3和图4分别为渡槽结构在ElcentroNS地震波输入下中跨跨中和右跨跨中的时程响应,图中X方向坐标time为时间轴,单位为秒,Y方向坐标轴Displacement为位移响应,单位为米,Z方向坐标Velocity为速度响应,单位为米/秒,图中曲线的虚线部分代表的是渡槽在未加控制装置时的时程响应,图中曲线的实线部分代表的是渡槽结构在本控制方案下的时程响应,从实线和虚线的对比来看,有以下特点:
    1.在地震波输入极大值范围内(5-10s与15-20s两个时间段),实线(控制方案)数值要显著小于虚线(无控)数值,说明控制方案对地震响应的峰值有较好的控制效果。
    在地震波输入值较小的范围内,实线的数值包络于虚线数值之内,说明控制方案也具有一定的效果,控制效果平稳,未出现放大效应。
    以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的?;し段е?。

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