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    基于滾軸支座基礎智能隔震結構的非光滑主動控制

    劉彥輝 黃襄云 黃小芳 王清

    劉彥輝, 黃襄云, 黃小芳, 王清. 基于滾軸支座基礎智能隔震結構的非光滑主動控制[J]. 工程科學學報, 2019, 41(8): 1092-1102. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.015
    引用本文: 劉彥輝, 黃襄云, 黃小芳, 王清. 基于滾軸支座基礎智能隔震結構的非光滑主動控制[J]. 工程科學學報, 2019, 41(8): 1092-1102. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.015
    LIU Yan-hui, HUANG Xiang-yun, HUANG Xiao-fang, WANG Qing. Nonsmooth active control method for base-smart isolated structures with roller bearings[J]. Chinese Journal of Engineering, 2019, 41(8): 1092-1102. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.015
    Citation: LIU Yan-hui, HUANG Xiang-yun, HUANG Xiao-fang, WANG Qing. Nonsmooth active control method for base-smart isolated structures with roller bearings[J]. Chinese Journal of Engineering, 2019, 41(8): 1092-1102. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.015

    基于滾軸支座基礎智能隔震結構的非光滑主動控制

    doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.015
    基金項目: 

    國家自然科學基金資助項目 51778163

    國家重點研發計劃重點專項資助項目 2016YFE0127600

    廣州市屬高校科研項目重點資助項目 1201610135

    廣東省教育廳創新團隊資助項目 2016KCXTD016

    詳細信息
      通訊作者:

      劉彥輝, E-mail: Liuyanhui2012@163.com

    • 中圖分類號: TU352.12

    Nonsmooth active control method for base-smart isolated structures with roller bearings

    More Information
    • 摘要: 以滾軸支座基礎隔震結構作為受控結構研究對象, 在該隔震結構的隔震層施加主動控制裝置, 形成智能隔震體系, 以控制隔震層的位移, 提高結構的安全性. 在智能隔震結構中引入非光滑控制算法, 基于隔震層位移和速度反饋, 提出了智能隔震結構的非光滑控制算法, 進一步根據Lyapunov穩定理論, 推導了在非光滑控制下智能控制閉環系統的全局有限時間穩定性. 結合一棟六層滾軸支座基礎隔震結構, 進行了非光滑主動控制算法下和LQG主動控制算法下的地震響應控制仿真分析. 結果表明, 智能隔震結構可有效控制結構的位移, 與被動隔震結構相比較上部結構的地震響應有一定程度的減小, 同時提出的非光滑控制算法與LQG控制算法相比較具有更好的控制效果, 相比LQG控制算法通過較少的反饋量即可實現反饋控制, 且非光滑控制算法具有良好的穩定性.

       

    • 圖  1  一維簡化模型

      Figure  1.  Simplified one-dimensional model

      圖  2  滾軸支座單元和滾動示意圖. (a) 滾軸支座單元; (b) 滾軸支座滾動

      Figure  2.  Unit and roll of roller bearing: (a) unit of roller bearing; (b) roll of roller bearing

      圖  3  滾軸支座力學模型

      Figure  3.  Roll diagram of roller bearing

      圖  4  實際結構有限元模型

      Figure  4.  Finite element model of the actual structure

      圖  5  滾軸支座布置圖

      Figure  5.  Diagram of roller bearing arrangement

      圖  6  智能隔震結構簡化模型

      Figure  6.  Simplified model of smart-isolated structure

      圖  7  LK0676波時程曲線

      Figure  7.  Time history curve of LK0676 wave

      圖  8  LK0714波時程曲線

      Figure  8.  Time history curve of LK0714 wave

      圖  9  人工波時程曲線

      Figure  9.  Time history curve of artificial wave

      圖  10  反應譜對比

      Figure  10.  Comparison of response spectrum

      圖  11  LK0676波作用下結構隔震層響應曲線對比. (a) LK0676波作用下隔震層位移曲線對比; (b) LK0676波作用下隔震層加速度曲線對比

      Figure  11.  Curve comparison of structural isolation layer response under LK0676 wave: (a) curve comparison of isolation layer displacement under LK0676 wave; (b) curve comparison of isolation layer acceleration under LK0676 wave

      圖  12  LK0714波作用下結構隔震層響應曲線對比. (a) LK0714波作用下隔震層位移曲線對比; (b) LK0714波作用下隔震層加速度曲線對比

      Figure  12.  Curve comparison of structural isolation layer response under LK714 wave: (a) curve comparison of isolation layer displacement under LK714 wave; (b) curve comparison of isolation layer acceleration under LK714 wave

      圖  13  人工波作用下結構隔震層響應曲線對比. (a) 人工波作用下隔震層位移曲線對比; (b) 人工波作用下隔震層加速度曲線

      Figure  13.  Curve comparison of structural isolation layer response under artificial wave: (a) curve comparison of isolation layer displacement under artificial wave; (b) curve comparison of isolation layer acceleration under artificial wave

      圖  14  LK0676波作用下上部結構層間位移峰值

      Figure  14.  Inter-story displacement peak of superstructure under LK0676

      圖  15  LK0676波作用下加速度峰值

      Figure  15.  Peak acceleration under LK0676

      圖  16  LK0714波作用下上部結構層間位移峰值

      Figure  16.  Inter-story displacement peak of superstructure under LK0714

      圖  17  LK0714波作用下加速度峰值

      Figure  17.  Peak acceleration under LK0714

      圖  18  人工波作用下上部結構層間位移峰值

      Figure  18.  Inter-story displacement peak of superstructure under artificial wave

      圖  19  人工波作用下加速度峰值

      Figure  19.  Peak acceleration under artificial wave

      圖  20  三種波作用下結構隔震層底部剪力曲線. (a) LK0676波作用下結構隔震層底部剪力曲線; (b) LK0714波作用下結構隔震層底部剪力曲線; (c) 人工波作用下結構隔震層底部剪力曲線

      Figure  20.  Bottom shear force of structural isolation layer under three waves: (a) bottom shear force of structural isolation layer under; (b) bottom shear force of structural isolation layer under LK0714 wave; (c) bottom shear force of structural isolation layer under artificial wave

      圖  21  LK0676波用下控制力曲線

      Figure  21.  Curve of control force under LK0676 wave

      圖  22  LK0714波作用下控制力曲線

      Figure  22.  Curve of control force under LK0714 wave

      圖  23  人工波作用下控制力曲線

      Figure  23.  Curve of control force under artificial wave

      圖  24  基礎隔震結構和智能隔震結構復位曲線

      Figure  24.  Reset curve of base-isolated structure and smart-isolated structure

      表  1  MATLAB模型與ETABS模型周期

      Table  1.   Period of MATLAB model and ETABS model

      振型號 MTALB周期/s ETABS周期/s
      1 1.160 1.209
      2 0.436 0.422
      3 0.275 0.235
      4 0.218 0.182
      5 0.187 0.142
      6 0.180 0.116
      下載: 導出CSV

      表  2  三條波分別作用下的隔震層響應峰值

      Table  2.   Peak values of isolation layer responses under three different waves

      控制策略 LK0676波 LK0714 人工波
      位移/
      mm
      速度/
      (m·s-1)
      加速度/
      (m·s-2)
      位移/
      mm
      速度/
      (m·s-1)
      加速度/
      (m·s-2)
      位移/
      mm
      速度/
      (m·s-1)
      加速度/
      (m·s-2)
      隔震 120.65 0.49 2.24 110.58 0.54 2.12 91.92 0.49 1.87
      LQG 43.57 0.37 2.06 48.92 0.36 1.93 36.48 0.24 1.63
      非光滑 40.10 0.32 1.48 39.56 0.27 1.59 29.44 0.21 1.25
      下載: 導出CSV

      表  3  隔震層底部剪力峰值

      Table  3.   Peak value of bottom shear force in the isolation layer

      控制策略 剪力峰值/(103 kN)
      LK0676波 LK0714波 人工波
      隔震 9.602 9.098 8.029
      LQG 8.910 8.317 7.107
      非光滑 6.678 6.903 5.672
      下載: 導出CSV
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    • [1] Zhou F L. Seismic Control in Engineering Structures. Beijing: Seismological Press, 1997

      周福霖. 工程結構減震控制. 北京: 地震出版社, 1997
      [2] Ou J P. Structural Vibration Control-Active, Semi-active and Intelligent control. Beijing: Science Press, 2003

      歐進萍. 結構振動控制: 主動、半主動和智能控制. 北京: 科學出版社, 2003
      [3] Wang J W, Yang Y F, Qian Y H. Design of controller for torsion vibration device based on pole assignment method. Exp Technol Manage, 2014, 31(7): 86 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYJL201407025.htm

      王佳偉, 楊亞非, 錢玉恒. 基于極點配置方法的扭轉振動裝置控制器設計. 實驗技術與管理, 2014, 31(7): 86 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYJL201407025.htm
      [4] Tong S W, Tang H P. Research on approximate discrete instantaneous optimal control algorithm and optimization of the actuator positions. J Vib Eng, 2016, 29(5): 920 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDGC201605021.htm

      童少偉, 唐懷平. 近似離散瞬時最優控制及作動器位置優化研究. 振動工程學報, 2016, 29(5): 920 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDGC201605021.htm
      [5] Yang J N, Wu J C, Kawashima K, et al. Hybrid control of seismic-excited bridge structure. Earthquake Eng Struct Dyn, 1995, 24(11): 1437 doi: 10.1002/eqe.4290241103
      [6] Yang J N, Wu J C, Agrawal A K. Sliding mode control for seismically excited linear structures. J Eng Mech, 1995, 121(12): 1386 doi: 10.1061/(ASCE)0733-9399(1995)121:12(1386)
      [7] Rosier L. Homogeneous Lyapunov function for homogeneous continuous vector field. Syst Control Lett, 1992, 19(6): 467 doi: 10.1016/0167-6911(92)90078-7
      [8] Kawski M. Stability and nilpotent approximations//Proceedings of the 27th IEEE Conference on Decision and Control. Austin, 1988: 1244
      [9] Hermes H. Asymptotically stabilizing feedback controls. J Differential Equations l, 1991, 92(1): 76 doi: 10.1016/0022-0396(91)90064-G
      [10] Wang S. Study on Non-smooth Control Algorithm for Smart Base Isolated Benchmark Building[Dissertation]. Guangzhou: Guangzhou University, 2016

      王思. 基于Benchmark智能隔震結構的非光滑控制算法的研究與分析[學位論文]. 廣州: 廣州大學, 2016
      [11] Ma K M. Design of continuous non-smooth attitude control laws for spacecraft. J Astronautics, 2012, 33(6): 713 doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2012.06.005

      馬克茂. 航天器連續非光滑姿態控制律設計. 宇航學報, 2012, 33(6): 713 doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2012.06.005
      [12] Ma K M. Non-smooth design and implementation of high-precision guidance laws. J Ball, 2013, 25(2): 1 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DDXB201302003.htm

      馬克茂. 高精度制導律的非光滑設計與實現. 彈道學報, 2013, 25(2): 1 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DDXB201302003.htm
      [13] Wang J H, Wang Q, Ma K M. Non-smooth controller design for permanent magnet synchronous motors. Comput Simul, 2016, 33(3): 227 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSJZ201603050.htm

      王建暉, 王清, 馬克茂. 一種永磁同步電機非光滑控制器設計. 計算機仿真, 2016, 33(3): 227 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSJZ201603050.htm
      [14] Li S H, Ding S H, Du H B, et al. Theory and Application of Non-smooth Control. Beijing: Science Press, 2013

      李世華, 丁世宏, 都海波, 等. 非光滑控制理論與應用. 北京: 科學出版社, 2013
      [15] Li H N, Li Z X, Qi A, et al. Structure Vibration and Control. Beijing: China Architecture & Building Press, 2005

      李宏男, 李忠獻, 祈皚, 等. 結構振動與控制. 北京: 中國建筑工業出版社, 2005
      [16] Jiang H B, Li C X, Ma S D, et al. Path tracking control of automatic parking for intelligent vehicle based on non-smooth control strategy. J Jiangsu Univ Nat Sci Ed, 2017, 38(5): 497 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSLG201705001.htm

      江浩斌, 李臣旭, 馬世典, 等. 智能車輛自動泊車路徑跟蹤的非光滑控制策略. 江蘇大學學報: 自然科學版, 2017, 38(5): 497 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSLG201705001.htm
      [17] Yang C. Research on Buck Type DC-DC Converter Control System Based on Finite-time Control Technique[Dissertation]. Hefei: Hefei University of Technology, 2017

      楊晨. 基于有限時間控制技術的Buck型DC-DC變換器控制系統研究[學位論文]. 合肥: 合肥工業大學, 2017
      [18] Wang Q, Wang J H, Ma K M, et al. Nonsmooth control algorithm for structural vibration control and its applications. Earthquake Eng Eng Dyn, 2016, 36(5): 207 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DGGC201605025.htm

      王清, 王建暉, 馬克茂, 等. 結構振動控制的非光滑控制算法及其應用. 地震工程與工程振動, 2016, 36(5): 207 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DGGC201605025.htm
      [19] Ma K M. Design of non-smooth guidance law with terminal line-of-sight constraint. J Ball, 2011, 23(2): 14 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DDXB201102005.htm

      馬克茂. 帶有終端視線約束的非光滑制導律設計. 彈道學報, 2011, 23(2): 14 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DDXB201102005.htm
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    圖(24) / 表(3)
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    出版歷程
    • 收稿日期:  2018-07-27
    • 刊出日期:  2019-08-01

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