CN115217235B - 一种圆壳结构智能减振系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种圆壳结构智能减振系统，包括：圆壳结构和控制组件；所述控制组件包括拉索、驱动器、传感器和控制器；所述传感器设置在所述圆壳结构上；所述拉索环箍设置在所述圆壳结构上；所述驱动器与所述拉索相连；所述控制器接收所述传感器传递的信息并产生相应的控制信号；所述驱动器接收所述控制信号并根据所述控制信号控制所述拉索箍紧或放松。本发明的圆壳结构智能减振系统通过将拉索环箍于圆壳结构，利用传感器获取结构的振动信息以及外部荷载信息，通过控制器给驱动器施加信号，以改变环箍拉索对圆壳结构的紧箍力，从而实现对圆壳结构的减振控制。

Description

一种圆壳结构智能减振系统及方法
技术领域
本发明涉及结构工程及智能控制领域，具体而言，涉及一种圆壳结构智能减振系统及方法。
背景技术
圆壳结构广泛应用于各种工程领域，主要涉及土木工程、海洋工程、航空航天工程以及化学工业等前沿领域。圆壳结构在其使用寿命期间可能会遭受风荷载、水流荷载以及其他复杂面荷载作用下产生过度振动问题，过度的振动不仅会导致工作人员的极度不舒适，还会降低结构的寿命，甚至严重时会导致结构及其构件的破坏，从而导致人员伤亡和经济损失。
长久以来，学者们对于圆壳结构在复杂荷载作用下的过度振动一直备受关注，并针对该问题进行了研究，但是很多学者在进行改善圆壳结构在复杂荷载作用下的振动的相关研究时，均从圆壳结构自身出发，通过改变结构的使用材料增加结构的刚度以及增设加劲横纵肋等方法来减小结构的振动，减振效果不是很理想。
对于拉索在结构减振技术中的研究和应用十分广泛，但其控制对象多数集中传统的桁架、高柔的悬臂结构等，但鲜有学者提出将拉索运用于圆壳结构及其扩展结构进行减振控制。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种圆壳结构智能减振系统，该减振系统通过将拉索环箍于圆壳结构，利用传感器获取结构的振动信息以及外部荷载信息，通过控制器给驱动器施加信号，以改变环箍拉索对圆壳结构的紧箍力，从而实现对圆壳结构的减振控制，解决上述背景技术中存在的技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种智能减振方法，该方法通过智能控制模型对结构进行分析，并根据传感器获取的结构的振动信息以及外部荷载信息产生控制信号，通过驱动器改变环箍拉索对圆壳结构的紧箍力，实现了对圆壳结构的减振控制。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种圆壳结构智能减振系统，包括：圆壳结构和控制组件；所述控制组件包括拉索、驱动器、传感器和控制器；所述传感器设置在所述圆壳结构上；所述拉索环箍设置在所述圆壳结构上；所述驱动器与所述拉索相连；所述控制器接收所述传感器传递的信息并产生相应的控制信号；所述驱动器接收所述控制信号并根据所述控制信号控制所述拉索箍紧或放松。
优选的，所述圆壳结构内侧或外侧沿横截面布置有加强肋板，所述拉索安装在所述加强肋板上。
优选的，所述圆壳结构为圆锥壳体、喇叭形壳体、带肋圆柱壳、带肋圆锥壳体或带肋喇叭形壳体。
优选的，所述驱动器为伺服电机或液压伺服系统。
优选的，所述传感器包括用于获取所述圆壳结构振动信息的加速度传感器和用于获取所述圆壳结构外部荷载信息的压力传感器。
优选的，所述控制器与所述驱动器间设置有功率放大器，所述控制器的控制信号经所述功率放大器放大后传送到所述驱动器中。
本发明还提供了一种上述的圆壳结构智能减振系统的智能减振方法，包括以下步骤：
S1、分析所述圆壳结构在外荷载下的动力特征，将所述拉索安装在动力响应大的位置上；
S2、建立所述拉索的变形与所述拉索施加在所述圆壳结构上荷载的转换关系；
S3、根据外部荷载条件建立智能控制模型并将所述智能控制模型输入到所述控制器中；
S4、获取前馈信息和反馈信息并根据前馈信息和反馈信息控制所述拉索施加在所述圆壳结构上荷载。
优选的，所述步骤S2中的转换关系为：
其中，P为所述拉索施加在所述圆壳结构上荷载，R为所述圆壳结构的横截面半径，r为所述拉索的截面半径、L为所述拉索的有效长度、E为所述拉索的弹性模量。
优选的，所述根据外部荷载条件建立智能控制模型包括：当外部条件随时间变化且荷载所包含的频段宽时，通过圆壳结构上的反馈信息，编写对结构进行实时控制的智能控制算法；
当外部荷载条件所包含的频段窄时，荷载所对应的频段包含圆壳结构的部分极点，通过从外部荷载获取前馈信息，以及圆壳结构的原极点信息，编写对结构进行极点重新配置的智能控制算法。
优选的，所述反馈信息为所述圆壳结构的状态信息；所述前馈信息为圆壳结构的外部荷载特征。
本发明还提供了一种终端，包括处理器、存储器及通信总线；所述通信总线用于实现处理器和存储器之间的连接通信；所述处理器用于执行存储器中存储的一个或者多个计算机程序，以实现如上所述的智能减振方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个计算机程序，所述一个或者多个计算机程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的智能减振方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的圆壳结构智能减振系统通过将拉索环箍于圆壳结构，利用传感器获取结构的振动信息以及外部荷载信息，通过控制器给驱动器施加信号，以改变环箍拉索对圆壳结构的紧箍力，从而实现对圆壳结构的减振控制，解决上述背景技术中存在的技术问题。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的圆壳结构智能减振系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的拉索设置于圆壳结构内侧时的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的拉索设置于圆壳结构外侧时的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的智能减振方法的流程图。
其中：
1-圆壳结构； 2-控制器；
3-计算机； 4-功率放大器；
5-驱动器； 6-拉索；
7-加速度传感器； 8-压力传感器；
9-滑轮。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。
实施例
参阅图1-3所示，本实施例提供了一种圆壳结构智能减振系统，包括：圆壳结构1和控制组件；控制组件包括拉索6、驱动器5、传感器和控制器2；传感器设置在圆壳结构1上；拉索6环箍设置在圆壳结构1上；驱动器5与拉索6相连；控制器2接收传感器传递的信息并产生相应的控制信号；驱动器5接收控制信号并根据控制信号控制拉索6箍紧或放松。
本实施例的智能减振系统用于解决圆壳结构在复杂荷载作用下的过度振动问题。其中，圆壳结构1可为横截面均为圆形的壳体结构或者横截面均为圆形且内侧或外侧沿其横截面布置有加强肋板的壳体结构的壳体结构，如圆锥壳体、喇叭形壳体、带肋圆柱壳、带肋圆锥壳体、带肋喇叭形壳体等；拉索6可根据实际工况条件环箍设置在圆壳结构1的内侧或外侧，且当圆壳结构1内侧或外侧沿横截面布置有加强肋板时，拉索6安装在加强肋板上。当安装于圆壳结构1内侧时，如图2所示，可通过在圆壳结构1内侧沿其横截面阵列设置多个滑轮9，通过滑轮9对拉索6进行安装，此时驱动器5和控制器2均设置于圆壳结构1内侧。当安装于圆壳结构1外侧时，如图3所示，也可通过在圆壳结构1外侧沿其横截面阵列设置多个滑轮9，通过滑轮9对拉索6进行安装。
本实施例中，驱动器5为伺服电机或液压伺服系统。
本实施例中，传感器包括用于获取圆壳结构1振动信息的加速度传感器7和用于获取圆壳结构1外部荷载信息的压力传感器8。
本实施例中，控制器2与驱动器5间设置有功率放大器4，控制器2的控制信号经功率放大器4放大后传送到驱动器5中。另外，驱动器5还连接有计算机3以用于将预定控制程序输入到驱动器5中。
如图4所示，本实施例还提供了一种应用上述智能减振系统的智能减振方法，包括以下步骤：
S1、分析圆壳结构1在外荷载下的动力特征，将拉索6安装在动力响应大的位置上；
S2、建立拉索6的变形与拉索6施加在圆壳结构1上荷载的转换关系；
具体转换关系为：
其中，P为拉索6施加在圆壳结构1上荷载，R为圆壳结构1的横截面半径，r为拉索6的截面半径、L为拉索6的有效长度、E为拉索6的弹性模量。
S3、根据外部荷载条件建立智能控制模型并将智能控制模型输入到控制器2中；
其中，根据外部荷载条件建立智能控制模型包括：当外部条件随时间变化且荷载所包含的频段宽时，通过圆壳结构1上的反馈信息，编写对结构进行实时控制的智能控制算法；
该对结构进行实时控制的智能控制算法包括以下步骤：
建立环箍拉索圆柱壳系统的状态方程：
Y(t)＝C0Z(t)+D0F(t)+B0U(t)
其中，Z(t)∈R2n为2n维的状态向量；U(t)为p维控制力向量；F(t)为r维环境干扰向量；Y(t)为m维输出向量；A为2n×2n维状态矩阵；B为2n×p维控制力位置矩阵；D为2n×r维环境干扰(外部输入)矩阵；C0为m×2n维输出矩阵；D0为m×r维干扰输出矩阵；B0为m×p维控制力输出矩阵；
定义系统二次型性能泛函：
其中Q和R为控制参数，R＝βI；α和β为待定系数；I为单位矩阵，K结构的刚度矩阵为，M为结构的质量矩阵；
由Matlab中的自带函数lqr求连续状态方程的控制力状态反馈增益矩阵：
G＝lqr(A，B，Q，R)
通过调整Q和R的形式和大小，即可获得控制效果和控制力综合最优的主动控制力。
当外部荷载条件所包含的频段窄时，荷载所对应的频段包含圆壳结构1的部分极点，通过从外部荷载获取前馈信息，以及圆壳结构1的原极点信息，编写对结构进行极点重新配置的智能控制算法。
智能控制算法配置完成后，通过计算机3编译，输入到控制器2中。
S4、获取前馈信息和反馈信息并根据前馈信息和反馈信息控制拉索6施加在圆壳结构1上荷载。
其中，反馈信息为圆壳结构1的状态信息；前馈信息为圆壳结构1的外部荷载特征。
当圆壳结构1受到外部荷载作用时，传感器将反馈信息和前馈信息发送到控制器2中，控制器2产生控制信号并发送到驱动器5，驱动器5驱动拉索6抵抗外部荷载，从而起到减振的目的。
本实施例还提供了一种终端，包括处理器、存储器及通信总线；通信总线用于实现处理器和存储器之间的连接通信；处理器用于执行存储器中存储的一个或者多个计算机程序，以实现如上的智能减振方法。
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有一个或者多个计算机程序，一个或者多个计算机程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上的智能减振方法。
总之，本发明的圆壳结构智能减振系统通过将拉索环箍于圆壳结构，利用传感器获取结构的振动信息以及外部荷载信息，通过控制器给驱动器施加信号，以改变环箍拉索对圆壳结构的紧箍力，从而实现对圆壳结构的减振控制，解决上述背景技术中存在的技术问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种圆壳结构的智能减振方法，其特征在于，圆壳结构的智能减振装置包括有圆壳结构和控制组件；所述控制组件包括拉索、驱动器、传感器和控制器；所述传感器设置在所述圆壳结构上；所述拉索环箍设置在所述圆壳结构上；所述驱动器与所述拉索相连；所述控制器接收所述传感器传递的信息并产生相应的控制信号；所述驱动器接收所述控制信号并根据所述控制信号控制所述拉索箍紧或放松；
所述圆壳结构内侧或外侧沿横截面布置有加强肋板，所述拉索安装在所述加强肋板上；
所述传感器包括用于获取所述圆壳结构振动信息的加速度传感器和用于获取所述圆壳结构外部荷载信息的压力传感器；
所述控制器与所述驱动器间设置有功率放大器，所述控制器的控制信号经所述功率放大器放大后传送到所述驱动器中；
所述智能减振方法包括以下步骤：
S1、分析所述圆壳结构在外荷载下的动力特征，将所述拉索安装在动力响应大的位置上；
S2、建立所述拉索的变形与所述拉索施加在所述圆壳结构上荷载的转换关系；
S3、根据外部荷载条件建立智能控制模型并将所述智能控制模型输入到所述控制器中；
S4、获取前馈信息和反馈信息并根据前馈信息和反馈信息控制所述拉索施加在所述圆壳结构上荷载；
一种终端，包括处理器、存储器及通信总线；所述通信总线用于实现处理器和存储器之间的连接通信；所述处理器用于执行存储器中存储的一个或者多个计算机程序，以实现上述的智能减振方法；
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个计算机程序，所述一个或者多个计算机程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述的智能减振方法。
2.根据权利要求1所述的智能减振方法，其特征在于，步骤S2中的转换关系为：
；
其中，P为所述拉索施加在所述圆壳结构上荷载，R为所述圆壳结构的横截面半径，r为所述拉索的截面半径、L为所述拉索的有效长度、E为所述拉索的弹性模量。
3.根据权利要求1所述的智能减振方法，其特征在于，所述根据外部荷载条件建立智能控制模型包括：当外部条件随时间变化且荷载所包含的频段宽时，通过圆壳结构上的反馈信息，编写对结构进行实时控制的智能控制算法；
当外部荷载条件所包含的频段窄时，荷载所对应的频段包含圆壳结构的部分极点，通过从外部荷载获取前馈信息，以及圆壳结构的原极点信息，编写对结构进行极点重新配置的智能控制算法。
4.根据权利要求1所述的智能减振方法，其特征在于，所述反馈信息为所述圆壳结构的状态信息；所述前馈信息为圆壳结构的外部荷载特征。
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