自适应非线性悬吊质量摆减振控制的研究

The Suspended Mass Pendulum Damper (SMPD) has the advantages of simple theory, easy installation and great control performance. A lot of scholars have conducted the research about SMPD and applied it in engineering practice. However, there are still following serious limitations on the current research about SMPD. The nonlinearity under large amplitude and spatial vibration of pendulum are neglected for passive SMPD. Although adaptive SMPD can improve the control performance, the sensors and actuators will bring the problems of stability and reliability. This proposal will conduct the thorough research focused on the shortcomings of current research on SMPD. Some key mechanical problems of geometric non-linear and spatial vibration for SMPD will be solved, including the determination of the damping matrix of the system and the solution of nonlinear vibration equation. The streamline support will be designed to compensate the influences of large amplitude nonlinearities and spatial vibration of SMPD, which will achieve the objective of passive adaptive control. Considering the large amplitude nonlinearities, spatial vibration and parametric uncertainties, the method of optimal design for SMPD will be developed. Finally, the shaking table test will be performed to verify the correctness of proposed theory.

悬吊质量摆减振控制体系原理简单、安装方便、减振效果好，许多学者对其进行了研究，并将之应用于工程实践。然而，目前关于悬吊质量摆减振控制体系的研究，仍存在着如下严重不足：被动式悬吊质量摆忽略了摆的大振幅非线性和空间振动特性对减振性能的影响；自适应悬吊质量摆尽管能够提高减振性能，但是传感器和作动器又会带来系统的可靠性和稳定性问题。本项目针对悬吊质量摆减振控制体系研究中存在的不足，开展深入细致的研究，首先从理论上解决悬吊质量摆大振幅几何非线性及空间振动中的关键力学问题，包括体系阻尼矩阵的确定方法和非线性振动方程的求解；考虑到摆的大振幅非线性和空间振动特性，通过设计流线型支座来消除摆的大振幅非线性和空间振动对减振性能的影响，达到被动式自适应减振的目的；考虑悬吊质量摆的大振幅几何非线性、空间振动特性以及结构参数的不确定性，研究悬吊质量摆体系的参数优化设计方法。最后通过振动台实验验证理论分析的正确性。

本项目针对悬吊质量摆减振控制体系研究中存在的不足，开展了深入细致的研究。考虑悬吊质量摆大振幅几何非线性的影响，建立非线性悬吊质量摆-结构的运动方程，并分析摆长等参数对其减振效果的影响。研究了地震作用下非线性悬吊质量摆对输电塔的减振效果，同时说明了考虑大振幅非线性的必要性，提出了大振幅非线性悬吊质量摆减振控制的分析理论。考虑悬吊质量摆空间振动的情况，提出其空间计算模型，建立空间悬吊质量摆-结构的运动方程，并分析其振动特性及空间振动对其减振效果的影响。研究了地震作用下空间悬吊质量摆对输电塔的减振效果，提出了空间悬吊质量摆减振控制的分析理论，并通过振动台试验验证了其理论分析的正确性。针对悬吊质量摆因摆角非线性及空间振动特性造成频率失调的问题，提出了一种被动式自适应悬吊质量摆，提出了其理论计算模型，并分析了其周期的稳定性。研究了地震作用下被动式自适应悬吊质量摆对高层结构的减振效果，并与传统的悬吊质量摆进行对比，提出了被动式自适应悬吊质量摆的设计方法与分析理论，并通过振动台试验验证理论分析的正确性。利用等效线性化和虚拟激励法对悬吊质量摆的运动方程进行简化，采用基于梯度的优化算法，对悬吊质量摆减振系统进行了优化设计，提出了高耸结构利用悬吊质量摆减振控制的优化设计方法。最终建立起了高耸结构利用悬吊质量摆减振控制的更为完善的理论、技术和方法。