主动张弦梁结构闭环控制算法与实现策略研究

发布时间：2020-06-24 14:38

【摘要】：张弦梁结构是一类刚柔杂交结构,具有外形优美、受力方式明确,能够最大化利用刚柔材料的特点,且加工施工方便,应用前景广阔。本文在张弦梁结构中引入主动控制过程,使之成为能够根据外界环境变化主动调整自身形态的主动张弦梁结构。为实现这一目的,本文从寻优算法改进、结构单、多目标优化控制以及结构最优控制量预测几个方面进行了深入研究与探讨。本文首先采用大空间随机搜索的遗传算法来求解主动张弦梁结构的优化问题。针对传统遗传算法局部收敛能力差的缺点,提出了一种改进的遗传算法——梯度遗传算法,即通过在遗传算法中引入一个梯度下降算子,提高遗传算法的局部搜索能力、收敛速度以及搜索精度,实现全局寻优。其次,结合作动器的刚度方程,推导了考虑作动单元耦合的张弦梁结构有限元公式,并基于灵敏度分析法,建立了线性范围内的结构内力及位移控制优化模型。利用ANSYS有限元软件进行结构的几何非线性分析,编写MATLAB和ANSYS联合优化的计算程序,利用梯度遗传算法进行求解,实现结构的单目标非线性控制。然后,根据决策者对不同目标的控制要求,研究了主动张弦梁结构综合考虑结构内力与位移等指标的多目标优化问题,建立了基于目标优先级的张弦梁结构多目标模糊优化模型,并利用基于目标满意度序的两步式模糊优化算法来求解此模型,实现对结构的多目标控制。最后,根据求得不同荷载工况下的最优控制量,选取能够反映结构所受荷载情况的受力状态信息,建立受力状态信息与最优控制量的对应关系,以此作为训练样本,形成指定优化目标下用于结构闭环控制的神经网络。在外界环境改变时,通过该网络来预测新的受力状态信息所对应的最优控制量。主要研究了训练样本的产生机制,并分析了样本数量、样本种类等因素对神经网络预测性能的影响;采用粒子群算法优化BP神经网络,使得改进的神经网络能够跳出局部最优解;针对反应结构受力状态信息的数据缺失问题,利用k近邻算法进行数据补充再预测,解决主动张弦梁结构对于缺失采集数据时的控制问题。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU399
【图文】：

温度场分布,吊桥,结构主动控制

１．２．１．１结构主动控制的概念逡逑结构主动控制起源于古埃及，公元前３００年，Ａｌｅｘａｎｄｒｉａ利用用蒸汽驱动的装置来打逡逑开石门。随后例如吊桥（图１．１）等单自由度的主动控制结构也得以应用。随着机械化的逡逑进步，工业革命后，活动的体育场等多自由度主动控制结构应运而生，在控制规模和控制逡逑精度上都有较大的难度。逡逑图１．１重建后的吊桥逡逑Ｙａｏ［３］首先将结构主动控制引入土木工程中，并将其应用于高层建筑中，增强高层建筑逡逑抵抗风暴的能力。结构主动控制可定义为：将传感器和作动器引入结构，使其可根据外界逡逑条件变化来改变结构的响应［４］。逡逑传感系统和作动系统的发展是结构能进行主动控制的前提，随着科技的进步，智能材逡逑料的研究以及传感作动系统的发展使得结构主动控制得以实现。逡逑传感器是传感系统的主要构件，负责采集外界的环境信息以及结构的响应。目前，在逡逑土木工程领域，越来越多功能各异的传感器被应用于工程实际。梅宇佳借助温度传感器，逡逑分析了国家体育场结构在不同情况下的温度场分布，研究了结构在温度荷载作用下的受力逡逑性能；孙斌［６］研发了邋一套无线风速风压传感系统

张拉整体,三棱柱,模型实验

Ｃｈｏｉ邋等对电流变流体进行初步研究，结果表明利用电流变流体驱动器可获得动逡逑态可协调的智能复合材料。潘继［１｜］将Ｌ型悬臂桁架的部分构件替换为压电材料作动器，研逡逑究结构的振动控制问题（图１．２）。逡逑ｉｋｉｉ逦媂逡逑（ａ）实验模型逦（ａ）三棱柱张拉整体实验模型逡逑逦？逡逑（ｂ）压电作动器逦（ｂ）邋Ｌｉｍ－ｔｅｃ作动器逡逑图丨．２悬臂桁架模型控制实验逦图１．３三棱柱张拉整体模型实验逡逑机械作动器是通过机械传动装置来实现作动器的伸长缩短。ＡｖｎｅｒｌＭ用机械伸缩杆代逡逑替结构中的压杆，对三层张拉整体结构进行调控。李莎［１３］对Ｇｅｉｇｅｒ索穹顶结构进行模型逡逑试验，将结构中所有单元均设计为可调长度的单元，研究结构在外荷载作用下形状恢复情逡逑况。孙凤先［１４］设计了一个含主动构件的三棱柱张拉整体结构模型（图１．３），研究了荷载逡逑作用下结构的位移及强度控制优化问题，研究发现，通过调节主动构件可以实现对结构的逡逑３逡逑

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