索-梁耦合结构的分岔反控制研究_王志搴.pdf
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1、斜拉索是斜拉桥主要的支撑单元,是斜拉桥的重要组成部分.本文研究了控制增益参数G对索-梁耦合结构的振动控制.利用文献已得到的索-梁耦合结构的面内非线性运动微分方程,根据离散法,对其进行分离变量法处理,进而得到索-梁耦合结构的单自由度和两自由度模态方程.不同于以往的研究,本文假设索(梁)的左支撑点即坐标原点处是可以沿纵向方向自由移动的,则索的动态应变会发生改变,进而改变其模态方程一次项系数,通过这一规律可以在理论上转换得到一套状态控制反馈准则,并根据F l o q u e t稳定性理论,将上述方程转换为H i l l方程形式.然后通过摄动法,得到运动微分方程的稳定解.最后对索-梁耦合结构的单自由度
2、和两自由度系统进行了数值分析计算,通过改变反馈控制增益系数,可以实现系统的反控制.而设计者可以通过这些复杂现象的参数变化范围设计选择合适的参数,尽量使得系统能在工程师所能控制的安全范围内振动.这种控制策略保持了系统的平衡,并且可以应用于在期望位置处具有最优稳定性的退化倍周期分岔.研究表示,无论结构是单自由度还是两自由度系统,反馈控制增益系数的变化能明显有效地改变系统的共振情形下的幅值.通过适当调整控制参数,能在预先指定的参数位置创建原系统的稳定倍周期运动,并能改变倍周期运动的范围.研究发现,控制增益参数G的常数项和一次项都对索-梁耦合系统的控制起着重要作用,说明假定的状态控制反馈准则在理论上具
3、有一定的参考性.关键词 索-梁耦合结构,离散法,反馈控制器,倍周期分岔中图分类号:O 3 2 2;TH 1 1 3文献标志码:AS t u d yo nB i f u r c a t i o nI n v e r s eC o n t r o l o fC a b l e-S t a y e dB e a m*W a n gZ h i q i a n(C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g,C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yo fF o r e s t r ya n dT e c h n o
4、l o g y,C h a n g s h a 4 1 0 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t C a b l e i st h em a i ns u p p o r t i n ge l e m e n to fc a b l e-s t a y e db r i d g ea n da ni m p o r t a n tp a r to fc a b l e-s t a y e db r i d g e.I nt h i sp a p e r,t h ev i b r a t i o nc o n t r o l o f c a b l eb e a mc
5、o u p l i n gs t r u c t u r ew i t hc o n t r o l g a i np a-r a m e t e rGi s s t u d i e d.T h en o n l i n e a r i n-p l a n ed i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s o fm o t i o no f c a b l eb e a mc o u p l e ds t r u c-t u r e so b t a i n e d i nt h e l i t e r a t u r e a r eu s e d.A c
6、c o r d i n g t o t h ed i s c r e t em e t h o d,t h e ya r e t r e a t e db y t h em e t h-o do f s e p a r a t i o no fv a r i a b l e s,a n dt h e nt h es i n g l ed e g r e eo f f r e e d o ma n dt w od e g r e eo f f r e e d o m m o d a l e-q u a t i o n so f c a b l eb e a mc o u p l e ds t r
7、 u c t u r e sa r eo b t a i n e d.D i f f e r e n t f r o mp r e v i o u ss t u d i e s,t h i sp a p e ra s-s u m e s t h a t t h e l e f t s u p p o r tp o i n to ft h ec a b l e(b e a m),n a m e l yt h eo r i g i no ft h ec o o r d i n a t e,c a nm o v ef r e e l ya l o n gt h el o n g i t u d i
8、n a ld i r e c t i o n,a n dt h e nt h ed y n a m i cs t r a i no ft h ec a b l ew i l lc h a n g e,t h e r e b yc h a n g i n gt h ep r i m a r yc o e f f i c i e n to f i t sm o d a l e q u a t i o n.T h r o u g ht h i s r u l e,as e t o f s t a t e c o n t r o l f e e d b a c kc r i t e r i ac a
9、nb eo b t a i n e d i nt h e o r y,a n da c c o r d i n gt oF l o q u e ts t a b i l i t yt h e o r y,t h ea b o v ee q u a t i o nc a nb ec o n v e r t e d i n t oH i l l e q u a t i o nf o r m.T h e nt h es t a b l es o l u t i o no f t h ed i f f e r e n t i a l e q u a t i o no fm o t i o ni so
10、b-第4期王志搴:索-梁耦合结构的分岔反控制研究t a i n e db yp e r t u r b a t i o nm e t h o d.F i n a l l y,n u m e r i c a l a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o na r ec a r r i e do u t f o r t h es i n g l ed e g r e eo f f r e e d o ma n dt w od e g r e eo f f r e e d o ms y s t e m so f c a b l eb e a mc o u p l
11、 i n gs t r u c t u r e.B yc h a n g i n gt h ef e e d b a c kc o n t r o l g a i nc o e f f i c i e n t,t h e i n v e r s e c o n t r o l o f t h e s y s t e mc a nb ea c h i e v e d.T h ed e s i g n e r c a ns e-l e c t a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s t h r o u g ht h ep a r a m e t e rv
12、a r i a t i o nr a n g ed e s i g no f t h e s ec o m p l e xp h e n o m e n a,s ot h a t t h es y s t e mc a nv i b r a t ew i t h i nt h es a f er a n g ec o n t r o l l e db yt h ee n g i n e e ra sf a ra sp o s s i b l e.T h i sc o n t r o l s t r a t e g ym a i n t a i n s t h eb a l a n c eo f
13、 t h e s y s t e ma n dc a nb ea p p l i e d t od e g e n e r a t ep e r i o dd o u b l i n gb i-f u r c a t i o nw i t ho p t i m a l s t a b i l i t ya t t h ed e s i r e dp o s i t i o n.T h e r e s e a r c hs h o w s t h a tw h e t h e r t h es t r u c t u r e i sas i n g l ed e g r e eo f f r e
14、 e d o ms y s t e mo r a t w od e g r e eo f f r e e d o ms y s t e m,t h e c h a n g eo f t h e f e e d b a c kc o n t r o lg a i nc o e f f i c i e n t c a ne f f e c t i v e l yc h a n g e t h ea m p l i t u d eo f t h es y s t e mi nt h ec a s eo f r e s o n a n c e.B yp r o p e r l ya d j u s t
15、 i n gt h e c o n t r o l p a r a m e t e r s,a s t a b l ep e r i o dd o u b l i n gm o t i o no f t h eo r i g i n a l s y s t e mc a nb e c r e a t e da tt h ep r e s e tp a r a m e t e rp o s i t i o n s,a n dt h er a n g eo fp e r i o dd o u b l i n gm o t i o nc a nb ec h a n g e d.T h ec o n
16、c l u s i o ns h o w s t h a tb o t ht h ec o n s t a n t t e r ma n dt h ep r i m a r yt e r mo f t h ec o n t r o l g a i np a r a m e t e rGp l a ya n i m p o r-t a n t r o l e i n t h e c o n t r o l o f t h e s y s t e m.I t s h o w s t h a t t h e a s s u m e ds t a t e c o n t r o l f e e d b
17、 a c kc r i t e r i o n i so f c e r-t a i nr e f e r e n t i a l v a l u e i nt h e o r y.K e yw o r d s c a b l e-s t a y e db e a m,d i s c r e t em e t h o d,f e e d b a c kc o n t r o l l e r,p e r i o dd o u b l i n gb i f u r c a t i o n引言斜拉索具有刚度小、阻尼小、质量小的特点,即使在微小的外激励作用下也极易发生大幅值振动,随着斜拉桥技术的迅猛发
18、展,其跨径日益增长,斜拉索的长度也持续增大,使其更易产生大幅值的参数共振,而半主动控制是目前应用于斜拉索参数振动的热门控制方式,因此对其振动响应的控制研究已成为相关领域研究人员关注的热点问题.另外,由于索-梁耦合模型在动力学行为上的某些特殊性,使得非线性耦合项在其力学性能中起着重要作用1.基于上述原因,一些平时关注较少的非线性现象也应得到研究者的重视2.值得注意的是,根据以往的研究,当远离共振时,索-梁耦合结构并不是绝对安全的2,3,因此,弹性柔性结构依旧要引起研究者的重点关注,复杂的非线性现象也可能发生在远离共振的区域4,5.如果研究人员重视这些以往并没有关注的动力学现象,设计者可以通过这些
19、复杂现象的参数变化范围设计选择合适的参数,尽量使系统在工程师所能控制的安全范围内振动6,7.分岔控制是指设计一个控制器来抑制或减少给定非线性系统的某些现有的分岔动力学现象,从而获得一些理想的动力学行为8,9.与直接控制相反,分岔反控制是指通过适当的参数控制,在具有首选特性的期望位置创建特定分岔1 0.在不改变原有系统周期解的情况下,研究者将在原微分系统中应用反馈控制方法来推导原差分系统的控制增益,并在实际实施过程中实现系统的反控制1 1,1 2.这种控制策略不仅保持了系统的平衡结构,并且可以应用于在期望位置处具有最优稳定性的退化倍周期分岔1 3,1 4.研究表示,通过适当地调整控制参数,能在预
20、先指定的参数位置处,创建研究者需要的原系统的稳定倍周期运动1 5.与已有文献研究不同,本文假定索(梁)的左支撑点(即坐标原点)安装于滑轨上,是可以沿纵向方向自由移动.索(梁)的左支撑点的自由移动会导致索-梁连接点处连接条件发生变化,改变索的动应变的常数项.根据分离变量法可以知道,索的动应变里的常数项与模态函数一次项q前面系数有关联.作者尝试将索(梁)的左支撑点沿纵向方向的自由移动,在理论上转换为一套状态控制反馈准则,进而对结构进行振动控制.本文在分岔反控制方面的工作是基于以下观察结果,即在某些应用中,向很小的分支引入新的分支可能是有利的系统输出,而系统的分岔特性可以通过各种反馈控制方法进行修正
21、.因此使用反馈控制方法的好处是,开环系统的所有平衡点都得到了保留.1 索-梁耦合结构分岔反控制研究1.1 索-梁耦合结构模型本文以斜拉索与B e r n o u l l i-E u l e r梁组成的耦77动 力 学 与 控 制 学 报2 0 2 3年第2 1卷合系统作为简化的研究模型,根据模型可以做出如下假设:(1)不计索的抗弯刚度及抗剪刚度;(2)近似认为索的重力垂度曲线是抛物线;(3)索的轴向应变足够小;(4)索的变形本构关系服从虎克定律且各点受力均匀;(5)索只承受拉力作用.图1为索-梁组合结构模型,图中实线表示索-梁组合结构的动态构型.斜拉索与梁在一端铰接,坐标原点位于索(梁)的左支
22、撑点.图1 静动态构型下索-梁结构模型F i g.1 T h ec a b l e-s t a y e db e a ms t r u c t u r em o d e lu n d e r s t a t i ca n dd y n a m i cc o n f i g u r a t i o n1.2 索-梁耦合结构分岔反控制索和梁的运动微分方程可以由H a m i l t o n变分原理推 导 得 到,具 体 公 式 推 导 见 文 献 2.通 过G a l e r k i n离散,可以将索-梁结构面内位移表示成状态空间函数形式.假设位移函数可以表示为:v(x,t)=nm=1qm(t)m
23、(x)(1)其中对于第m阶模态,m=(c(x),b(x)T,可以得到一系列常微分方程,则结构第m阶面内运动微分方程为如下形式:q m-qm+qm+C2q2m+C3q3m=Pc o s(c t)(2)其中,C2、C3表达式见文献2,1 0.假定索(梁)的左支撑点即坐标原点处安装于滑槽上(相当于可动铰支座),可以沿纵向方向自由移动,索(梁)的左支撑点如图1放大处理所示.因此假设索(梁)的左支撑点在t时刻的纵向位移为z(t).索(梁)的左支撑点的自由移动,导致索-梁连接点处的连接条件发生了改变,影响了索的动应变表达式,即索的动应变的常数项发生了改变,而索的动应变里的常数项恰好体现在索的运动方程频率项
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