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原文传递斜拉索-磁流变阻尼器减振控制算法及系统开发

论文题名：	斜拉索-磁流变阻尼器减振控制算法及系统开发
关键词：	斜拉索;磁流变阻尼器;非脆弱控制;滑模控制;多性能约束;逆向模型;DSP芯片;斜拉桥
摘要：	由车辆行驶、风雨等未知外力引起的有害振动已成为影响斜拉索桥梁安全性的重要问题。拉索作为斜拉桥的主要受力构件，极易在未知载荷作用下发生振动。因此，减少和抑制斜拉索振动，有效控制拉索振动幅值和时间，对于提高桥梁结构的稳定性和安全性具有重要实际意义。　　斜拉索减振控制主要集中在磁流变阻尼器半主动控制上，国内外学者在控制算法方面取得一系列研究成果，但减振控制器的稳定可靠性及快速响应性仍然存在一定问题。本文为抑制斜拉索振动幅值和时间，提高减振控制系统的稳定性及快速响应性，分别在斜拉索减振控制算法优化设计、磁流变阻尼器动力学逆向建模及减振控制系统开发方面开展研究工作。　　（1）开展斜拉索-磁流变阻尼器非脆弱减振控制研究。以抑制振荡幅值和缩短收敛时间为目标，针对斜拉索-磁流变阻尼器耦合系统的外部扰动和减振控制器参数不确定性问题，提出一种多性能指标约束下的非脆弱减振控制算法。基于线性矩阵不等式(LMI)理论，利用H∞性能指标来抑制外部扰动，并以区域极点配置表征减振控制快速性与稳定性，以方差表征小振幅和振动速度。通过MATLAB中LMI工具箱对多LMI约束和线性目标函数的凸优化问题进行求解，给出多性能指标约束的非脆弱减振控制器设计形式。以浙江省某跨海大桥C22（长索）、C13（短索）号斜拉索为实例进行仿真验证。结果表明，该方法设计的减振控制器在不同随机扰动下，能够使得不同拉索振动状态的振荡幅值最大减少79.19%，收敛时间最大缩短79.70%。　　（2）开展斜拉索-磁流变阻尼器滑模非脆弱减振控制研究。为提高斜拉索-磁流变阻尼器减振控制系统稳定性，在非脆弱减振控制算法基础上，利用保性能指标来保证系统渐近稳定且具有一定上界指标，并将非脆弱状态反馈控制与滑模控制相结合，提出一种多指标约束的滑模非脆弱减振控制算法，并以浙江省某跨海大桥C22（长索）、C13（短索）号斜拉索为实例进行仿真验证。结果表明，该算法不仅使减振控制系统具有较优的保性能上界指标J?及较小的抗扰性能指标γ，还使不同拉索的振荡幅值最大减少66.67%，收敛时间最大缩短16.67%，具有良好的稳定性和减振效果。　　（3）开展泄漏工况下磁流变阻尼器动力学逆向建模研究。针对阻尼器磁流变液泄漏和不同振动频率、电流等工况，提出一种利用RBF神经网络的磁流变阻尼器动力学逆模型建模方法。通过搭建磁流变阻尼器试验平台，结合泄漏（泄漏量占总量的3%左右）工况下力学特性数据，分析磁流变阻尼器的非线性阻尼滞回特性。利用BP神经网络、RBF神经网络构建磁流变阻尼器动力学逆模型，从样本集中随机产生训练集和测试集，进行2次运行测试，并对逆向模型误差精度及拟合效果进行比较分析。结果表明，在磁流变液泄漏量3%左右、环境温度20℃、正弦激励频率1-2Hz、振幅10mm、电流0-1A测试工况下，采用RBF神经网络建立的磁流变阻尼器动力学逆模型与BP神经网络建立的磁流变阻尼器动力学逆模型相比，其精度误差平均减少73.44%，具有良好的模型拟合精度。　　（4）设计开发以DSP芯片为核心的减振控制系统并开展试验验证。基于斜拉索-磁流变阻尼器减振控制的物理机制，对减振控制系统进行软硬件开发。硬件设计上，选用处理复杂信号速度较快的TMS320F28335DSP芯片作为中央处理器，以及扩展JTAG通讯接口、数据采集与处理、控制信号输出等功能部件组成控制板模块；结合电源控制模块、信号转换模块、信号放大与调理模块，实现控制输出信号转换和调理。软件设计上，开展减振控制算法的仿真分析，结合泄漏工况磁流变阻尼器动力学逆向模型，设计半主动控制系统的SIMULINK程序，经在环测试（SIL）后导出C/C++语言代码，下载到CCS5.5软件中，通过调试工具送入DSP芯片中。在实验室斜拉桥振动试验平台上开展载荷激励下DSP减振控制器响应试验，对比分析磁流变阻尼器半主动控制工况与无阻尼、磁流变阻尼器未响应工况的减振控制效果。结果表明，在同样大小激励作用下，磁流变阻尼器未响应工况下的加速度较无阻尼工况最大减少50%，最大位移值降低73.33%；而斜拉索-磁流变阻尼器半主动控制工况下的加速度较无阻尼工况、磁流变阻尼器未响应工况最大分别减少86.67%、75%，最大位移值分别降低80%、33.33%，且在收敛时间方面与理论减振控制算法的误差约为7.69%，证明开发以DSP芯片为核心的减振控制系统是有效可行的。
作者：	时云飞
专业：	船舶与海洋工程
导师：	冯志敏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	宁波大学
学位年度：	2020