结构控制理论及应用

滑模变结构控制理论及其算法研究与进展一、本文概述滑模变结构控制理论，作为一种独特的非线性控制方法，自其诞生以来，就因其对系统参数变化和外部干扰的强鲁棒性，以及易于实现的优点，在控制工程领域引起了广泛的关注和研究。

本文旨在对滑模变结构控制理论及其算法的研究进展进行综述，分析其基本原理、特性、设计方法以及在实际应用中的表现，以期为后续研究提供有益的参考。

文章首先回顾了滑模变结构控制理论的发展历程，从最初的滑动模态概念提出，到后来的各种改进和优化算法的出现，展示了该理论在理论和实践上的不断进步。

接着，文章将详细介绍滑模变结构控制的基本原理和特性，包括滑动模态的存在条件、滑动模态的稳定性分析、以及滑模面的设计等。

在此基础上，文章将重点探讨滑模变结构控制算法的研究进展，包括各种新型滑模面设计、滑动模态优化方法、以及与其他控制策略的融合等。

文章还将对滑模变结构控制在各类实际系统中的应用进行案例分析，以展示其在实际工程中的有效性和潜力。

文章将总结滑模变结构控制理论及其算法的研究现状，分析当前研究中存在的问题和挑战，并对未来的研究方向进行展望。

希望通过本文的综述，能为滑模变结构控制理论的发展和应用提供有益的启示和参考。

二、滑模变结构控制理论基础滑模变结构控制（Sliding Mode Variable Structure Control，简称SMVSC）是一种特殊的非线性控制方法，其理论基础主要包括滑模面的设计、滑模运动的稳定性分析以及控制算法的实现。

滑模变结构控制的核心思想是在系统状态空间中构建一个滑动模态区（即滑模面），并设计控制策略使得系统状态在受到扰动或参数摄动时，能够在有限时间内到达并维持在滑模面上滑动，从而实现对系统的有效控制。

滑模面的设计是滑模变结构控制的关键。

滑模面需要满足一定的条件，如可达性、存在性和稳定性等，以确保系统状态能够到达滑模面并在其上滑动。

一般来说，滑模面的设计需要综合考虑系统的动态特性、控制目标以及约束条件等因素。

科技・ 探索・ 争鸣
Ｓ ｃ 科 ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＆ 技 Ｔ ｅ ｃ ｈ 视 ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ 界 Ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ
结构主动控制的研究与应用
王 猛
（ 上海海事大学 ， 中国 上海 ２ ０ １ ３ ０ ６ ）
【 摘 要】 科 学技术的发展 以及工作环境 变得复杂恶劣对结构与产品的动 态性能要求越来越 高 ， 传 统的被动控制技术难 以满足现如今应 用
【 关键词】 发展现状 ； 主动控制 ； 发展 趋势
１ 振 动 主 动控 制 研 究 现 状
２ Ｏ 世纪 ５ ０ 年代末 ． 由美 国科学家率先提 出了振动 主动控制技术 的研究报告 ． 进人 ２ ０ 世纪７ Ｏ 年代振动主动控制才进入广泛 的探索 阶 段． ２ Ｏ世纪 ８ ０年代 ．现代控制理论——尤其是随着信 号处理技术的 成熟 ． 振动主动控制技术得 到蓬勃发展 发展到 ２ ０世纪 ９ Ｏ年代 ． 振动 主动控制技术 已 日 趋成熟 ． 其研究对象 己经从简单 的线性 系统发展到 复杂的非线性系统 ． 控制系统从简单 的单输入单输 出发展 到多输人多 输 出系统 ． 控制方法也在不 断改进 ． 已成功应用 于航空 航天结构振动 控制 、 土木 工程结构抗震 、 车辆结 构隔震 以及其他机械设 备振动控制 等 领域 ， 并 且后来 出现 的模糊控 制 、 神经 网络控制 等智 能控制新型方 法也已在振动 主动控制 中得到应用
２ 结构 主动 控 制 在 各 领 域 的应 用
形状 记忆合金是一种材料 ． 它在较低 的温度（ 或 马氏体 的） 条件 下 ， 塑性成形并消除外部应力 ， 当加热时能够恢 复最初（ 记忆） 形状 。 文献［ １ １ 对磁控形状记忆合金材料进行 了磁力学性能试 验研 究 ． 建立了预加压 力一 磁场一 应变等磁力学本构模型 ： 结果表 明 ． 研发 的磁控 形状 记忆合 金主动控制系统 可有效控制 网壳结构的地震 响应 。 转子的振动控制一直是机械工程领域较重要 的研究领域 ， 文献［ ２ ］ 建立 了主动 弹支干摩擦阻尼器在线控制 转子突加不平衡 振动响应的 方法 ， 在对实 际转 子系统参数未知或掌 握不准确的情况下 ． 仅根据所 显 。 测转子 的特速和振动信号． 利用连续增益调度ｆ Ｇ ｓ Ｐ １ ） 控制方法 ． 对转子 文献Ｉ １ １ １ 对于难 于确定 Ｌ ＯＲ算法中加权矩 阵 Ｑ的问题 ， 提 出了一 系统突加不平衡响应实施在线控制 种用遗传算法优化权重矩阵的方法 ， 并达 到了全局最优的 目的。 最后 ， 文献ｆ ３ １ 压电智能材料 以其优 良的机 电耦合特性 被越来越多 的应 在 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ ／ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ 环境下 ． 采取模拟 三 自由度建筑结构 ． 研究 其在 用 于航 空 、 航天结构的振动 主动控制 当 中， 首先分 析了压电材料 的应 Ｅ Ｉ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｏ地震波下的动态响应 ． 并给这种控制方法 的有效性 的证 据和 用 和配置 ．最后对振动主动控 制技术算法 的研究现状进行 了分析 ． 总 实用性 。 结 了主动控制发展趋势和急需发展 的关键技术 文献［ １ ２ １ 提出了将结构模块化 的有限元方法。 通过这种方法 ， 悬架 在航 空航 天工程 领域中 ， 对 于大 柔性结构 （ 如空 间站 、 大型天线 、 智能结构离散成许 多单 元 自然杆和压 电致 动器与纵 向调 整索杆 单元 太 阳能 电池板 、 光学系统等） 的振动控制 已受到广泛重视 ， 已成 为振动 的一般形式 ． 包含 了驱动 电源的主动杆单元 。 ’ 主动控制最活跃 的领域 研究的中心问题是提高结构的模态阻尼与减 少外扰 的影响 新型智能材料及主动结构 的出现 ． 为 大柔性结 构的振 ３ 主 动 控 制技 术 的 展 望 动 主动控制开辟 了新的途径 现有 的振动 主动控制技术的发展虽然取得了一些成果 ． 但是还有 文献 『 ４ ］ 针对大柔性 空间珩架结构 的振动主动控制问题 ， 提出一种 些理论和技术问题需要进一步的研究和探索。 根部测控一体 化方案 ．即采用 Ｃ Ｃ Ｄ相机 在珩架 根部 对和架振动进行 （ １ ） 研究智能主动控制算法 ． 如连续分布系统 的控制方法 、 存在非 非接触式测量和采用 Ｓ ｔ ｅ ｗ ａ ｒ ｔ 六杆并联平 台固连在柔 性精架根部作为 线性特性和结构的时变不确定性系统 的控制方法。 随着系统 越来越 复 主动设备进行振 动控制 。 文献『 ５ １ 针对航天器在进行姿态机动时挠性附 杂， 传 统控 制算 法受到很 大限制 ． 需要 发展智 能控制技 术 ， 如 神经 网 件的主动振动控制 问题 ． 提 出一种基于 自适应鲁棒方法和 Ｈ。 。理论相 络、 模糊控制 等． 而智能控制技术 在振动主动控制 中亦 尚有许多 问题 结合的控制方案 。 亟待解决 在土木工程领域 ． 对于高层 建筑及大跨 度桥梁 等 为保证 结构完 （ ２ ） 要实 现更 精确的控制 ． 开 发高精度 、 智 能化 传感器 、 作动器 和 整性与其他要 求（ 如建筑 中人的舒适性等） ， 都要对随机性外 载（ 如风 、 集成化传感作动部件 已成必然之势 ． 而压 电材料具有正逆压 电耦合 效 地震等） 引起 的响应进行 控制 近 年来 研制的主动式有 阻尼动力吸振 应． 这使得其 既可作为感知外部 环境变化的传感器 ． 又可作为对外部 器取得了很好 的减振效果 由于 巨型土木工程振 动控制 系统大都属于 环境变化作 出迅速反应调整结 构 自 身适应能力 的致动器 ． 压 电材料 是 时滞的非定常线性 系统 ． 需用实时辨识技术 进行在线建模 ． 因此土木 发展 的趋势 。 工程结构振动 自适应控制技术 尚需深入研究和探讨 。 （ ３ ） 结构控制一体化优化 技术 ， 即将传 感器 、 作动器 、 控 制器等有 文献『 ６ １ 为研究扰动影响下梁式结构动力学 响应 与主动控制 ， 基于 机地与结构集成 主动改变结构 自身剐度和阻尼分布 ． 自适应实现振 Ｔ ｉ ｍ ｏ ｓ ｈ ｅ ｎ ｋ ｏ梁理论 ． 采用行波方法建立悬臂梁结构的动力学模 型并获 动控制的 目 标。 智 能结构设计应综合结构设计 ， 传感 器、 作动器设计及 得扰动下 的精确动力学响应及结构 中传播 的功率流 。文献『 ７ ］ 研究 表 其配置 、 控制器设计 等环节联合进行。这种智能结构在航空 、 航天 、 建 明． 主动控制效 果与结构参数 和布置位置关 系密切 ， 而与地震波关 系 筑等工程中有着广泛 的应用前景 。 不大 ： 通过控制作用 ． 结构各 层的位移和加速度 特别是响应剧 烈的峰 值 得到了很大程度 的抑制 ： 主动控制时 ， 基 于遗传算法 的优化 可以高 【 参考文献】 效 的实现全局优化 ， 而避免陷入局部优化 。 ［ １ ］ 翁光远， 王社 良 磁控形状记忆合金 主动控制 系统及试验研究叫ｌ 振动与 冲击 ． 机 械工 程领域 ． 对 于精密 、 超精密机床 以及精密测量仪器 和电子 ２ ０ １ ３ ， ３ ２ （ １ ） ： ４ ３ — ４ ７ ． （ 下转第 １ ８ ５页）

结构振动控制技术的原理和应用摘要：结构的振动控制是一个应用领域相当广泛的问题，不仅产生振动的根源的种类繁多，而且消除和降低振动的方法也很多，所谓的结构振动控制是指通过某种方法使结构的动力响应控制在工程所容许的范围内，不至对结构和设备造成损害，对人造成不适。

关键词：结构振动；控制技术；原理；应用1被动控制所谓的被动控制，它是指的一种无需借助任何外来能源，只要在结构的某部位添加一个子系统，或者是通过对于结构之中的某些构件的结构体系进行适当的处理，从而使得整个结构体系的动力特性发生改变。

如果采用被动控制的方式，其主要的优势就在于构造较为简单，而且其造价也相对低廉，在使用的过程中，保养和维护都十分的容易，应用该方式不需要其它的能源支持，所以在实际的建筑工程中这种方式已经开始得到运用。

被动控制又可以分成隔震、吸振和耗能三种控制形式。

1.1基础隔震所谓的基础隔震，就是指的通在上部结构和基础之间设置专门的隔震消能装置，使得地震能量在向上传输的过程中能够被吸收，有效地减轻上部结构的振动。

基础隔震能够降低结构的振动频率，但只能对高频地震波产生效果，因此不适用于高层建筑，主要被应用在短周期的中低层建筑与刚性结构上。

1.2吸振隔震而吸收隔震则是指的在主体结构之上附加一个吸振器子系统，通过这个子系统来对于振动的能量进行吸收，从而有效地减少主结构的振动。

就吸振器而言，它自身也是一个小型的振动系统，其主要是由质量系和弹簧系所构成的，其质量系能够产生惯性力，而这一惯性力可以作为控制力，然后再利用弹簧系使得这一个控制力作用到主结构之上。

一般情况下，吸振器都是配合粘滞阻尼器共同进行使用的。

其中，被动协调质量阻尼器（TMD）、摆式质量阻尼器等是质量系为固体的阻尼器，其中的TMD已经被广泛应用在高层建筑和桥梁上。

而摆式质量阻尼器则主要是用来对于高层建筑的振动加以控制，一般摆式质量阻尼器可以分为摆锤式、环状式以及倒置式集中类型。

当然，除了固体质量系的阻尼器之外，液体质量系的阻尼器也非常常见，比如说调谐液体阻尼器（TLD）、液压阻尼系统（HDS）、油阻尼器、质量泵等。

课程论文题目：调频质量阻尼器在桥梁结构中的实际应用姓名：专业：教师：时间：调频质量阻尼器在桥梁结构中的实际应用摘要：本文针对大跨度钢筋混凝土箱型拱桥的车振响应分析以及被动减振控制问题展开，对桥梁结构振动被动控制原理与方法进行了研究，并对调谐质量阻尼器（TMD）的设计原理及制作技术进行了探讨。

在理论分析的基础上，本文对四川金沙江通阳大桥（上承式钢筋混凝土箱型拱桥）进行了有限元仿真分析，用ANSYS对通阳大桥分别进行模态分析和移动荷载响应时程分析，研究了通阳大桥的动力特征及其在行车荷载作用下的响应特性；然后加入TMD系统，以加速度和动位移为控制目标，计算验证TMD系统对拱桥减振控制的有效性。

关键词：拱桥，TMD,动力特性，有效性Tuned Mass Dumper in practical applications of bridge structureAbstract：This thesis mainly deals with studies on the principle and method of passived vibration control of long-span reinforced concrete box-typed arch bridges,the design principle and the process technology of TMD(Tuned Mass Damper) at the same time.Based on theory analiyse,this thesis study the vibration response of long-span reinforced concrete box-typed arch bridges.With the establishment of the finite element modal of Shichuan Tong Y ang arch bridge（long-span reinforced concrete box-type arched bridge）, studies on the dynamic behaviors of Tong Y ang arch bridge and its response character under random load are made specifically in ANSYS.The validity of TMD on arched bridge’s vibration control is also verified though ANSYS analyze.Key words: arched bridge,TMD, dynamic characteristics, effectiveness1.引言随着交通事业的发展，汽车载重量和运行速度不断提高，桥梁结构却日趋轻型化，因此车辆荷载对桥梁的动力作用问题越来越为工程界所关注。