随机空间结构动力失稳性能及主动模糊控制研究

For the phenomenon of the space truss steel structures prone to dynamic instability when subjected to dynamic loads, such as earthquake or wind, considering the uncertainty effect of structure parameters and randomness load, deduce the mathematical model of stochastic sturcutre, then establish the criteria of dynamic instability of the structure based on fuzzy interval parameters. By the use of piezoelectric stack characterized by high-speed responsibility, high efficiency and stable performance, design a new type of driving level,which is simple, reliable, and a large displacement and big driving force for two-way. Through the static/dynamic properties and driving performance test, get voltage-gain function and stable working frequency range with electromechanical coupling. Optimal design will been conducted considering the coupling of structural parameters, external load with control law, and gain. Design a fuzzy logic control law which is not only independent of the accurate mathematical model and capable to solve the complex nonlinear control problem, but also stability and robustness, consider the error through intelligent integral, then realize an active control over the multi-input-multi-output system which is strong real-time, and high coupling, through experiment to test and verify the theories and methods. Buid up a complete active control theory and technology of dynamic instability for space truss steel structure on the basis of fuzzy theory. The research not only has important theoretical significance, but also has the broad application prospect of engineering.

针对空间杆系钢结构在地震/风等动力荷载作用下容易发生动力失稳破坏的现象，考虑结构参数不确定性及荷载随机性的影响，推导随机结构数学模型，建立基于模糊参数区间的结构动力失稳评估方法；以响应速度快、效率高、性能稳定的压电堆为核心，设计制作简单可靠、具有大位移和大驱动力输出的双向受力压电主动杆件，通过静/动力特性及驱动性能测试，得到主动杆件具有机电耦合效应的电压-增益函数和稳定工作频段；进行考虑结构自身参数、外部荷载及控制律、增益相互耦合的优化研究；设计不依赖精确数学模型，能够较好解决复杂结构非线性控制问题且具有稳定性、鲁棒性的模糊逻辑控制律，通过直接引入误差的智能积分环节，实现对强实时性、多耦合性的多输入-多输出结构系统的主动控制，并进行试验验证。提出一套基于模糊理论、较为完整且适用性强的空间杆系钢结构动力失稳主动控制理论与技术。项目的研究不仅具有重要的理论意义，而且也具有广阔的工程应用前景。

本项目用具有区间值隶属函数的区间因子表征结构参数的不确定性，基于区间数学和区间值模糊集合的相关理论，建立结构系统振动与稳定统一方程，将所求解的未知量进行分解，解决耦合模态非线性相互作用具有的复杂且不直观的问题，在保持系统解的拓扑结构不变的条件下减少结构系统的自由度。推导空间杆系钢结构的静力位移、动力响应、单元应力和动力失稳区间的求解公式，得到考虑不确定性的空间杆系钢结构动力失稳判别方法。运用新型智能材料——压电堆，设计可以将拉力转化为压力，适合于土木结构应用的大位移、大驱动力压电主动杆件，并对其动/静力特性和驱动性能进行测试，推导了相关有限元方程。综合考虑结构参数和控制律、增益之间的耦合性，基于遗传算法这一高效的全局化优化工具，以主动杆件的数量、位置、增益为变量，以所测量的反馈信号、模态控制力、作动器驱动力为约束条件，以减小或避免结构动力失稳为适应度函数，建立模态控制力能量、作动器作动力能量的自相关矩阵和测量信号的能量自相关矩阵，通过最低耗能准则确定传感器/作动器的数目、位置以及增益大小。对于本项目中时变性强、非线性突出及多输入-多输出等复杂控制系统，基于不依赖精确数学模型同时具有较强的鲁棒性与适应性的模糊控制理论，考虑直接引入误差的智能积分输入的非线性控制系统，针对动力失稳破坏，通过引入量化因子，改进非线性主动控制策略，设计出具有对结构复杂性、非线性、不确定性能够进行有效控制的控制律。通过振动台试验，深入研究主动控制系统在实现过程中的敏感性、鲁棒性、可实施性、精确度和控制效果等。并将试验结果与理论分析结果和相关震害进行对比，以验证所提理论分析模型的正确性和可靠性。本项目的开展可以为确保空间结构的安全可靠提供科学的理论和技术依据，值得进一步的深入研究和开发应用。