磁致伸缩作动器在空间结构主动控制中应用的理论研究

摘要:从磁致伸缩材料的定义及性能出发,介绍了磁致伸缩作动器的设计原理及结构模型,阐述并论证了其在模糊控制作用下应用于空间结构主动控制中的可行性。数值结果表明,采用这种方法对减小在地震作用下结构的加速度和位移起到较好的控制效果。

关键词:磁致伸缩 模糊控制 空间结构 主动控制

1.引言

近年来,各种新型智能材料及元件的研发成功,现代控制理论在土木工程结构振动控制领域的借鉴和发展,为空间结构主动振动控制的研究和应用提供了新的思路。

所谓磁致伸缩效应,可定义为磁性体(如金属Ni、Fe等)由于其磁化状态的改变而导致其在长度、体积或形状上发生相应变化的现象。磁致伸缩材料(简称GMM)是一种具有双向可逆换能效应的新型功能材料,利用其正效应可制作执行器(GMA ),利用其逆效应可制作传感器。

为了有效的利用GMA作动杆对空间结构进行主动控制,本文对GMA作动杆的性能及构造进行分析,并采用现代实验力学、材料科学和信号采集与处理方法,通过外加磁场来改进和提高材料的传感与控制性能。

2.实验装置和控制技术

2.1GMA作动杆总体结构设计

此GMA作动杆包括外套、探测线圈、偏置线圈、激励线圈、线圈骨架、GMM元件、作动杆、连接杆、预压碟簧和调节螺母等。电磁线圈绕在GMM元件上,并通过外套引出电源线,改变电磁线圈的通电电流后,由偏置线圈、激励线圈提供叠加磁场,单层探测线圈用于测量磁场的大小。当激励线圈通以电流信号时产生磁场,GMM元件产生伸长变化且伸长效应通过作动杆输出给作动对象,断掉电流信号后磁场消失,GMM元件恢复原来形状,完成此作动杆的作动效应。

2.2模糊控制技术及算法

模糊控制器是模拟人类控制特征的一种语言型控制器,它在某种程度上体现了人的思维方式。但客观世界中并没有现成的控制规则,它需要设计者跟据控制器的结构,从大量的观察和实验数据中提取,从而形成一系列有模糊条件语句描述的语言控制规则。模糊控制器的结构由以下四部分组成:

(1)规则库( If-then规则集) 将实验数据和观察结构或专家描述的成功控制经验量化;

(2)推理机(也称模糊推理模块) 模仿专家等人为的决策,对怎样最好地控制对象的知识做出解释和应用;

(3)模糊化接口 用于将控制器的输入转换成一种信息,使推理机使用规则库中的规则产生模糊结论;

(4)反模糊化接口 将模糊结论转换为确定实数输出。

模糊控制器在输入和输出之间起着非线性映射作用,其输入输出都是确定的实数值,而不是模糊集合。在主动控制中,控制力或作动器的控制参数需要瞬间精确的确定,因此,为了解决该问题,作者通过实验将模糊控制技术应用到了空间结构主动控制中。

3. 磁致伸缩作动器在结构中应用的理论分析

磁致伸缩作动器一般装设于结构的柱间支撑、梁柱节点和桁架下弦杆等变形部位,当结构因受到地震波的作用产生振动而发生变形时,模糊控制器通过对地震信息的模糊采取,并反模糊为电流,从而达到对GMM杆件位移输出的控制。

作者用MATLAB语言编制了相关程序,对加有磁致伸缩作动器的一个三层钢筋混凝土框架结构在模糊逻辑全态控制下进行了分析。其中结构的各参数为:第一至第三层各层高度h分别为3.9m,3.3m和3.3m;质量m分别为23150Kg,19730 Kg,17583 Kg;刚度分别为1.648×107N/m,2.147×107N/m,2.147×107N/m;各层作动器的安放数目为1,0,0;地震波采用400gal El Centro波,时间步长为0.02s。

图一:顶层有空加速度反应 图二:顶层无控加速度反应

4. 结 论

本文应用模糊控制理论,对安装有磁致伸缩作动器的空间结构在地震作用下进行了研究,得出以下结论:

(1)磁致伸缩材料由于其自身的特点,正被广泛应用于各种元器件的开发,从而运用于工程实践中。

(2)本文提出了一种磁致伸缩作动器的设计理论和方法,并对其设计参数及数学模型进行了可操作性的验证。

(3)通过图一和图二可看出模糊控制是一种有效的结构主动控制策略,它通过作动器有效地控制了结构的地震反应,减小了结构顶层的加速度,取得了很好的控制效果。

参考文献:

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