基于健康自监测磁流变执行器的自适应振动控制研究

Due to natural or human influence, structures usually will violently vibrate. As a result, there are huge casualties and loss of property. The magnetorheological (MR) damping technology is an effective may to reduce the damage of the vibration. However, the performance of MR actuators will be reduced and even fail during the service for their own or environmental reasons. If the problem is not dealt with in time, a disastrous consequence may appear. Therefore, the project will propose a kind of health self-monitoring technology of MR actuators and an adaptive vibration control method in civil engineering. A new design method of the MR actuator with health self-monitoring will first be proposed. We will then study the integrated technology for multi-parameter sensor based on the piezoresistance principle. On the basis of the health factor of the MR actuator, a partial fault model will be formulated. The reason of the health declination of the actuator will be analyzed and a fault prediction model based on information fusion will be proposed. The nonlinear dynamic model with a partial fault of the actuator will be formulated by the vibration theory and experimental method. The affection of the partial fault on the system dynamic behavior will be analyzed by the theory of nonlinear dynamics. The human adaptive sliding fault tolerant control strategy with multimode will be proposed. At last, the proposed actuator and control strategy will be validated by the actual vibration experiment. The research results will provide the theoretical and technical foundation for the long-term stable service of MR actuators.

自然或人为因素引起的土木结构剧烈振动，常常会造成重大的人员伤亡和财产损失，采用磁流变阻尼技术是增强结构抗震能力的有效途径。由于自身或环境原因，磁流变执行器在服役期间会出现性能衰退甚至失效，如不采取措施可能会造成灾难性后果。为此，项目以大型土木结构工程为背景，研究磁流变执行器健康自监测技术和自适应振动控制方法。包括：探索具有健康自监测能力的磁流变执行器结构设计原理；研究基于压阻原理的多参数传感器集成技术；建立基于磁流变执行器健康因子的部分故障模型，研究执行器健康衰退规律和基于信息融合的故障预测模型；利用振动理论和试验方法，建立执行器部分故障结构非线性动力学模型；运用非线性动力学理论分析执行器部分故障对系统动力学行为的影响，进而研究基于Lyapunov理论的多模型仿人滑模自适应容错控制方法；最后用模型试验考查执行器和控制策略的有效性。研究结果将为磁流变执行器的长期可靠运行奠定理论和技术基础。

自然或人为因素引起的土木结构剧烈振动，常常会造成重大的人员伤亡和财产损失，采用磁流变阻尼技术是增强结构抗震能力的有效途径。由于自身或环境原因，磁流变执行器在服役期间会出现性能衰退甚至失效，如不采取措施可能会造成灾难性后果。为此，项目以大型土木结构工程为背景，研究磁流变执行器健康自监测技术和自适应振动控制方法。研究内容包括：通过理论分析和实验方法研究了磁流变液在磁场激励下单链向多链过渡的机理及其影响因素；为适应极端或特殊环境（如应用于高速冲击、温度变化极大、行程要求较大，对安装尺寸要求较高）应用，开展了面向高速冲击环境、具有高扭矩密度要求和更宽温度适应能力的磁流变执行器的设计理论和方法研究，提出了一种可大幅提高输出阻尼力矩的磁流变液螺旋流动新型工作模式，理论和试验证明有效性；为实现磁流变执行器自身状态的感知能力，研究了基于压阻原理的磁流变执行器阻尼力和加速度传感器集成技术，提出将温度传感器集成于在磁流变执行器内部，数据无线传输的方案；建立了考虑磁流变执行器部分故障的系统动力学模型，分析表明，随着磁流变执行器工作时间的增加，温度降缓慢上升，表现为磁流变阻尼力参数慢变的过程，导致系统控制性能缓慢下降；基于Lyapunov稳定性理论，设计了可对磁流变执行器部分故障进行估计的滑模观测器，分析表明观测器可精确预测故障的大小；基于仿人智能控制理论和方法，设计了具有分层递阶的仿人智能控制器，通过数值仿真分析验证了仿人智能控制器能通过重新调整控制策略，补偿磁流变执行器部分故障对系统控制性能的影响；搭建了硬件在回路仿真试验系统和缩尺三层钢框架结构振动试验系统，模拟了不同激励下，磁流变执行器出现部分故障的振动控制情况，试验结果表明控制算法能够降低磁流变执行器部分故障对系统的影响，改善控制性能。研究结果为磁流变执行器在土木结构工程中长期可靠运行奠定了一定的理论和技术基础。