結(jié)構振動主動控制

前言

結(jié)構振動的主動控制是利用外部能源，在結(jié)構物受到外部激勵而發(fā)生振動的過程中，瞬時施加控制力或瞬時改變結(jié)構的動力特性，以迅速衰減和控制結(jié)構振動反應的一種減振技術。結(jié)構振動主動控制作為固體力學、自動控制、計算機、材料與測試技術等多學科的交叉，是振動控制領域內(nèi)的一項高新技術，對其研究具有重要的理論意義和實用價值，是目前振動工程領域研究的熱點之一。本書根據(jù)作者為力學、土木工程、海洋工程、交通等專業(yè)的本科生及研究生講授的“結(jié)構動力學”和“結(jié)構振動主動控制”，以及作者20余年的研究成果與體會整理成冊，以饗讀者。與國內(nèi)同類著作相比，本書的體系和內(nèi)容主要突出結(jié)構振動主動控制方法、力學基礎和建模思想，具有舉一反三的啟迪作用，有助于對振動主動控制理論的理解和掌握。在編寫過程中，力求突出以下特色：1.以結(jié)構振動主動控制設計方法為主線貫穿始終，先建立概念、鋪墊基礎，再奔主題，最后論述應用。2.在剖析常用模型的基礎上，給出了實現(xiàn)過程的實例。3.概念清晰、推理嚴密、邏輯性強、便于自學。4.基礎理論與實踐應用并重，同時結(jié)合振動主動控制技術的發(fā)展趨勢，融入相關前沿領域，具有啟迪和延拓性。5.結(jié)構緊湊、層次分明、重點突出、適用面寬，可作為工科結(jié)構類專業(yè)的研究生教材。本書總體布局、寫作大綱由周星德提出和撰寫。本書第一、二章由姜冬菊執(zhí)筆，第三、四、五、六章由周星德執(zhí)筆。書中圖形繪制及排版由研究生蔣揚、王玉、竺啟澤、劉謙敏完成。我們的研究工作得到了“十一五”國家科技支撐計劃、江蘇省自然科學基金、河海大學理科基金等項目的支持。此外，在寫作過程中得到了河海大學工程力學系張子明教授的指教和幫助，以及夫人劉克翠、女兒周子言的大力支持，在此一并表示衷心地感謝。近年來，結(jié)構振動主動控制技術發(fā)展很快，由于作者水平有限，書中難免掛一漏萬，衷心歡迎讀者批評指正。

內(nèi)容概要

本書針對振動主動控制技術的常用方法和最新研究進展展開論述，共分六章進行介紹。第一章主要介紹振動主動控制系統(tǒng)的組成、感知材料與傳感元件、驅(qū)動材料與控制裝置及振動主動控制模型研究中的幾個問題。第二章主要介紹單自由度和多自由度系統(tǒng)的振動、非線性系統(tǒng)的動力分析和振動主動控制系統(tǒng)模型。第三章主要介紹目前流行的一些控制方法，包括極點配置法、 線性二次型最優(yōu)控制法、次優(yōu)控制法、能量控制法及預測控制法。第四章重點介紹一些新的控制方法，如改進的LQG控制法、多點同時最優(yōu)控制法、含任意時滯預測控制法和分數(shù)階控制法。第五章介紹非線性結(jié)構振動控制法和基于LMI的魯棒控制法。第六章包含模型降階和基準建筑物兩部分內(nèi)容：在模型降階部分，重點介紹了近年來出現(xiàn)的線性和非線性模型降階方法；在基準建筑物部分，詳細介紹了第三代基準建筑物模型，并且對基準程序的使用方法進行了詳細介紹。    本書可作為高等院校工程力學專業(yè)及其相關專業(yè)的研究生、高年級本科生的學習用書，也可供土木建筑、水利工程、交通、海洋工程等有關領域工作的科技人員參考。

書籍目錄

前言第一章  緒論  1.1  振動主動控制系統(tǒng)的組成  1.2  感知材料與傳感元件  1.3  驅(qū)動材料與控制裝置  1.4  振動主動控制模型研究中的幾個問題  參考文獻第二章  預備知識  2.1  單自由度系統(tǒng)的振動    2.1.1  運動方程    2.1.2  無阻尼自由振動    2.1.3  有阻尼自由振動    2.1.4  簡諧荷載作用下的無阻尼受迫振動    2.1.5  簡諧荷載作用下的有阻尼受迫振動    2.1.6  周期荷載作用下的響應    2.1.7  一般荷載作用下的響應  2.2  多自由度系統(tǒng)的振動    2.2.1  運動方程    2.2.2  自由振動    2.2.3  模態(tài)的正交關系    2.2.4  多自由度系統(tǒng)的動力響應  2.3  非線性系統(tǒng)的動力分析    2.3.1  Wilson-θ法    2.3.2  Newmark-β口法  2.4  振動主動控制系統(tǒng)模型    2.4.1  線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程    2.4.2  線性定常系統(tǒng)的可控性    2.4.3  線性定常系統(tǒng)的可觀性    2.4.4  Lyapunov穩(wěn)定性分析方法  參考文獻第三章  控制器設計方法  3.1  極點配置法    3.1.1  基于狀態(tài)反饋的極點配置法    3.1.2  基于輸出反饋的極點配置法  3.2  線性二次型最優(yōu)控制法    3.2.1  線性二次型最優(yōu)調(diào)節(jié)器    3.2.2  線性二次型Gauss控制算法  3.3  次優(yōu)控制法    3.3.1  次優(yōu)控制方程    3.3.2  次優(yōu)控制的控制律設計方法  3.4  能量控制法    3.4.1  Rayleigh概率分布    3.4.2  動力反應的能量    3.4.3  控制力的大小與方向  3.5  預測控制法    3.5.1  連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程的離散化    3.5.2  無時滯預測控制法    3.5.3  考慮時滯預測控制法  參考文獻第四章  改進的控制器設計方法  4.1  改進的LQG控制法    4.1.1  廣義LQG控制法    4.1.2  LQG-α控制法  4.2  多點同時最優(yōu)控制法  4.3  含任意時滯預測控制法    4.3.1  狀態(tài)方程離散    4.3.2  外部激勵為離散形式的積分方法    4.3.3  含時滯的廣義預測控制  4.4  分數(shù)階控制法    4.4.1  分數(shù)階微積分的定義與性質(zhì)    4.4.2  分數(shù)階微分的濾波器近似及應用    4.4.3  含分數(shù)階的PID控制器    4.4.4  分數(shù)階多自由度系統(tǒng)最優(yōu)控制  參考文獻第五章  非線性和魯棒控制器設計方法  5.1  非線性結(jié)構振動控制法    5.1.1  非線性建筑結(jié)構振動的最優(yōu)控制法    5.1.2  基于線性化的非線性結(jié)構振動控制法  5.2  魯棒控制法    5.2.1  H2和H∞控制問題    5.2.2  基于LMI的魯棒控制方法    5.2.3  基于LMI的多目標控制法  參考文獻第六章  模型降階和基準建筑物  6.1  平衡降階法    6.1.1  基于狀態(tài)方程的降階方法    6.1.2  基于運動方程的降階方法  6.2  Schur降階法  6.3  Pade降階法  6.4  非線性系統(tǒng)的經(jīng)驗模型降階法    6.4.1  經(jīng)驗可控性和可觀性格拉姆矩陣    6.4.2  采用平衡截斷的模型降階法  6.5  基準建筑物    6.5.1  第三代基準建筑物    6.5.2  程序釋疑  參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：此處主要討論模型研究的幾個問題。理想化模型與實際結(jié)構之間差異的存在勢必影響結(jié)構控制的精確性，甚至影響結(jié)構控制的穩(wěn)定性和可行性。解決好這些問題是保證控制系統(tǒng)正常發(fā)揮作用的必要條件，具有非常重要的現(xiàn)實意義。1.土－結(jié)構相互作用近40年來的研究結(jié)果表明，土一結(jié)構相互作用對地震激勵下結(jié)構響應主要有以下幾方面的顯著影響：減少共振頻率；通過波輻射耗散能量；改變結(jié)構基礎的運動。在地震活躍區(qū)的結(jié)構設計分析時，考慮土一結(jié)構相互作用非常重要，但是目前絕大部分結(jié)構振動控制研究都忽略這種效應，即把地基作為剛性來處理。2.時滯現(xiàn)象結(jié)構振動控制中，傳感器測量、處理器計算、信號傳輸、作動器驅(qū)動等需要一定的時間，導致出現(xiàn)控制力滯后于測量信號的時滯現(xiàn)象。時滯的影響及時滯補償?shù)闹匾砸呀?jīng)在試驗中得到證實。時滯不僅減弱振動控制系統(tǒng)性能，并可能導致控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，尤其在考慮高模態(tài)控制情況下，時滯效果更為明顯。目前的三類時滯補償方法都存在局限性，有待進一步完善：①理論型補償。時滯系統(tǒng)描述為偏微分方程，在線計算量大，設計繁瑣，Tayor級數(shù)截斷的簡化算法也只能用于較小時滯的情況，基于Pade假定不必增加在線計算，但需要引入作動器的反饋迭代步驟。②相空間補償。通過反饋增益修正，使真實系統(tǒng)和理想系統(tǒng)具有相同的主動剛度和主動阻尼，它對系統(tǒng)的頻率要求比較嚴格，否則會導致失穩(wěn)。③時域補償。用運動補償設計（用Tayor展開更新系統(tǒng)狀態(tài)）和動力補償設計（用系統(tǒng)動力方程的在線解）預測響應，受系統(tǒng)噪聲的影響很大。在離散時域采用理想控制增益，可以解決觀測溢出導致的小阻尼模態(tài)不穩(wěn)定問題。3.控制物理限制以ATMD（active tuned mass damper）為例，ATMD系統(tǒng)所能提供的輔助質(zhì)量沖程長度和控制力的最大值，在實際應用中受到經(jīng)費、空間和電力動力設備的限制。線性控制理論缺乏適應性，強激勵下可能因為沖程長度或控制力的物理限制導致整個系統(tǒng)停頓，而弱激勵下能輸出控制力又得不到充分利用。

編輯推薦

《結(jié)構振動主動控制》是由科學出版社出版的。

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