[发明专利]用于三层链型结构振动无线分布式控制系统及方法

说明书

本发明涉及结构振动无线分布式控制技术领域，一种用于三层链型结构振动无线分布式控制系统及方法，其中方法包括以下步骤：(1)建立三层链型结构的系统状态方程，(2)将该三阶系统解耦为两个二阶系统，(3)对三层链型结构系统分布式子系统的控制律求解。本发明只需采集结构的局部状态信息即可进行相应子系统的无线主动控制，降低信息采集难度和通信复杂度；每个子系统仅计算二维模型的计算量，降低了运算复杂度；每个子系统的控制律可进行单独调节相比于集中控制更加灵活，且对局部刚度变化敏感；每个子系统可以独立运行相比于无线集中控制大大提高了系统稳定性，降低因部分硬件故障而造成整个系统瘫痪的风险。

技术领域

本发明涉及一种用于三层链型结构振动无线分布式控制系统及方法，属于结构振动无线分布式控制技术领域。

背景技术

对于大型、复杂的土木工程结构而言，传统的无线集中控制策略已初显弊端，因为随着结构自由度的增加，需要采集和集中处理的状态信息也随之增加，这会使信息传递和控制运算变得复杂，这在无线通信环境恶劣和控制器硬件持续工作的情况下，系统的可靠性和稳定性都会降低。此外，在局部结构因损伤等原因导致自身刚度减小时，基于局部状态信息反馈的分布式控制更容易做出有效反应来降低损伤结构的层间位移，而基于全局状态信息反馈的集中控制无法快速做出有效反应。因此，研究无线分布式振动控制技术对大型、复杂的土木结构振动控制技术的应用意义深远。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种用于三层链型结构振动无线分布式控制系统及方法。该方法将三层链型系统快速分解为去耦合的二阶子系统，使子控制系统仅考虑本层及相邻层的状态信息，降低运算复杂度和系统瘫痪概率。

为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种用于三层链型结构振动无线分布式控制系统，包括三层弹簧钢架、振动台及三脚钢架，所述三层弹簧钢架上设置有第一、二、三层弹簧钢架，所述三层弹簧钢架的底部及三脚钢架分别通过螺纹紧固在振动台上，确保三层弹簧钢架和三脚钢架与振动台无相对运动，三角钢架与三层弹簧钢架处于同一水平线上并保持30-40cm的水平距离；所述第一、二、三层弹簧钢架上分别安装有第一、二、三个主动质量阻尼器，并分别与功率放大器输出端相连，所述三角钢架上分别通过热熔胶固定有第一、二、三个激光位移传感器，且与三层弹簧钢架侧平面相互垂直，以便采集三层弹簧钢架各层的水平位移信息，所述第一、二、三个激光位移传感器的模拟信号通过铜导线分别与安装在三脚钢架上的第一、二、三个无线传输节点的输入端口相连，以便将位移信息通过无线方式发送出去，所述第一、二、三个无线传输节点通过WIFI无线模块发送给第四、五、六个无线传输节点，完成无线收发功能；所述第四、五、六个无线传输节点分别与第1、2、3个FPGA控制器输入端相连，所述第1个FPGA控制器输出端、输入端分别与第2个FPGA控制器输入端、输出端相连，所述第2个FPGA控制器输出端、输入端分别与第3个FPGA控制器输入端、输出端相连，用于将接收到的三层弹簧钢架的位移信息进行处理产生控制信号，并通过铜导线与功率放大器输入端相连，用于将控制信号放大到三个主动质量阻尼器中的直流电机额定工作电压范围内。

所述一种用于三层链型结构振动无线分布式控制系统中的解耦方法，包括以下步骤：

步骤1：建立三层链型结构的系统状态方程，具体包括以下子步骤：

(a)设每一层链型结构的质量为M_i＝1,2,3，通过扫频实验获得三层链型结构的角频率向量ω＝[ω₁ ω₂ ω₃]，其中ω₁表示基频、ω₂表示二阶频率、ω₃表示三阶频率；

(b)根据公式|K-ω²M|＝0求解各层链型结构的刚度量K，其中：

M＝diag(M₁,M₂,M₃) (1)