空间杆系结构动力稳定性光-电主动控制研究

本课题拟针对大跨空间结构以及生命线高耸结构在强地震和强/台风作用下的动力失稳破坏的灾变特点，建立空间杆系结构动力失稳安全状况评定体系；在积极跟踪并参考国内外光伏电可再生能源研究的最新研究成果和动态，研究小区域光伏电离网结构供能、贮能技术；开发响应迅速、性能优良的的压电传感/驱动控制装置；研究智能控制策略与算法，开发智能控制器的软硬件系统，建立有效的空间杆系结构健康监测及动力失稳光-电（光伏电-压电驱动）主动智能控制系统。项目力图为全面监控结构的动力稳定状况，研究空间杆系钢结构在服役期间的动力失稳演化规律，建立一整套空间杆系钢结构动力稳定性灾变监测与保护理论及有效的工程应用方法，填补当前该领域中的一些空缺，提高和改善空间杆系钢结构的与强动力灾害的能力，以保证其必需的抵御动力失稳的抗灾可靠性和适用性，为确保空间杆系结构为主要结构形式的大工程结构以及生命线结构的安全可靠提供理论和技术支撑。

课题针对大跨空间结构以及生命线高耸结构在强地震和强/台风作用下的动力失稳破坏的灾变特点，建立空间杆系结构动力失稳安全状况评定体系，研究小区域光伏电离网结构供能、贮能技术，并建立了有效的空间杆系结构健康监测及动力失稳光-电主动智能控制系统。.在研期间，首创设计制作了一种可以将拉力转化为压力的压电主动杆件，通过杆件本身受力的主动控制来调节结构的动力稳定性能。并且在简谐荷载作用下时考虑了阻尼、纵向共振及压电驱动力对于动力失稳区域的影响。从而得出压电主元杆件对于结构对于结构稳定控制起到的改善作用。从弹性体系的一般情况出发，应用理论推导了其在参数荷载下的动力失稳区域的计算方法。并结合动力学得出了网壳结构在地震作用下的主要动力不稳定区域及影响因素。推导了结构动力稳定性判定准则结构的能量变化、刚度矩阵正定性及动力稳定性三者之间的关系；并基于能量变化定义了适用于弹性结构的动力稳定判定准则。利用ANSYS和MATLAB软件进行算例分析，验证了结构动力稳定度判定准则的正确性和可行性，为对压电智能结构进行动力稳定主动控制提供了理论基础。.研究了风荷载的基本特征，生成了设计风速下的风荷载时程样本。基于线性二次型经典最优控制算法作为控制策略，编写了LQR控制算法程序，并对输电塔架结构进行了风振响应主动控制的动力时程计算。建立以现代控制理论为基础的状态空间模型，分析了线性二次型经典最优控制律的基本原理，并编写了其主动控空制算法程序，对球面网壳结构风振主动控制进行模拟仿真，得到无控、受控下球面网壳结构的风振响应。.基于自抗扰控制器对压电杆系结构进行模拟仿真，证明自抗扰控制技术在结构振动控制中同样拥有良好的控制性能。应用遗传算法和控制器设计的分离性原理——只有高性能的ESO、NLSEF模块，才有高品质的控制器——对ESO模块和NLSEF模块的参数进行分步整定。并依据整定后的参数，对杆系结构模型进行simulik仿真，仿真结果表明，自抗扰控制器对于结构振动系统拥有良好的控制性能。在不考虑控制能量消耗的情况下，对结构的控制效果非常好。.研究了光伏发电系统的工作原理及组成，设计了可以应用到压电智能结构中的独立光伏发电系统，并且进行了太阳能光伏电池的实验研究，分析了如何利用光伏电的供能技术对结构进行有效的主动控震，以及如何将独立光伏发电系统应用到智能结构中，实现对结构的主动控制。