[發明專利]一種結構振動主動控制系統參數空間的精細分析方法

有效

• 申請號: 202010979892.X
• 申請日: 2020-09-17
• 公開（公告）號: CN112182861B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 張瑩瑩;鄭遠廣
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/11;G06F119/14;G06F111/10
• 代理公司: 重慶市信立達專利代理事務所(普通合伙) 50230
• 代理人: 陳炳萍

1.一種結構振動主動控制系統參數空間的精細分析方法，所述方法以現代結構振動控制工程領域中含多時滯主動控制系統模型為研究對象，研究狀態信息和控制參數的優化組合，闡述混合時滯效應，其特征在于：所述方法研究以下幾個方面的內容：

1)研究內容之一：求得參數空間的精細結構圖，闡述各項控制性能指標在參數空間中的分布規律以及隨控制參數的變化規律，研究狀態信息和控制參數的優化組合，具體流程如下：

A.提出有效的搜索方式和算法，求得各項控制性能指標在參數空間中的分布數據，建立聯合圖理論，通過聯合圖實現分布數據的可視化；

B.對聯合圖進行精細分析，求得參數空間的精細結構圖，求得各項控制性能指標與各個控制參數之間的相關度，闡述各項控制性能指標在參數空間中的分布規律以及隨控制參數的變化規律；

C.對于給定的控制目標和要求，確定最少的狀態信息組合，使得僅采用這些狀態信息進行控制設計，既能獲得滿意的控制效果，又能降低控制過程的復雜性和控制代價；

2)研究內容之二：闡述不同的時滯組合對各項控制性能指標的影響規律，揭示有利于提高控制效果的時滯組合的形式和特征，具體流程如下：

A.闡述含時滯后參數空間精細結構圖的新特征，揭示不同時滯組合對各項控制性能指標的影響規律，闡明控制設計中的混合時滯效應；

B.考察哪些控制性能指標可以通過時滯組合進行優化，揭示有利于提高控制效果的時滯組合的形式和特征；

C.給出一些基本準則，對于給定的控制目標和要求，依照這些準則確定有利于提高控制效果的時滯組合；

3)研究內容之三：以帶主動質量阻尼器的建筑結構模型為實驗平臺，驗證理論方法的有效性，具體流程如下：

A.建立含多時滯反饋控制系統的數學模型，求得參數空間的精細結構圖；從精細結構圖中，選擇適當的狀態信息組合和控制參數值進行實驗，驗證在實驗中的控制效果；

B.對于給定的控制目標和要求，依據提出的基本準則，確定最佳時滯組合進行實驗，考察在實驗中利用混合時滯提高控制效果的可行性；

所述擬采取的研究方案：

1)解決關鍵科學問題之一的研究方案：通過對參數空間進行變體積區域劃分和采用胞映射搜索代表點法，求得各項控制性能指標在參數空間中的分布數據，具體的研究方案和技術路線如下：

A.依據各項控制性能指標在參數空間不同區域中的變化率大小，把整個參數空間劃分成若干個大小不同的小區域；

B.在每個小區域中，用多步胞映射搜索算法求得所有的非劣解點；把這些非劣解點作為該區域中的代表點，把各項控制性能指標在這些代表點上的值作為它們在該區域中的分布值；

C.把所有小區域中的代表點對應到的各項控制性能指標值合并成整個數據集，該數據集就是各項控制性能指標在參數空間中的分布數據；

2)解決關鍵科學問題之二的研究方案：構建聯合圖，通過聯合圖把各項控制性能指標的分布數據可視化，具體的研究方案和技術路線如下：

A.選取三個與控制性能指標相關度較大的參數，用它們對應的三個坐標構成基礎坐標系，把全體代表點投影到該基礎坐標系中，得到代表點圖，基礎坐標系的選取應使得全體代表點投影在其中時盡可能避免重疊，若代表點過于密集，可適當精簡每個小區域中的代表點數；

B.在每幅代表點圖中，分別用代表點的幾何尺度和顏值標識一個其它維度上的參數值或控制性能指標值，得到的圖稱為擴維代表點圖，每幅擴維代表點圖可以標識代表點對應到的其它兩個維度上的參數值或控制性能指標值，這樣由多個擴維代表點圖就可以標識代表點對應到的所有維度上的參數值和控制性能指標值；

C.把標識某項控制性能指標的擴維代表點圖和標識參數值的擴維代表點圖組合構成聯合圖，該聯合圖以幾何直觀的形式給出了該項控制性能指標在參數空間中的分布，即實現了該項控制性能指標的分布數據的可視化，類似地，用相應的聯合圖實現其它項控制性能指標的分布數據的可視化；

3)對研究內容之一的研究方案：

A.基于Lagrange方程建立時滯主動控制多層建筑結構系統的數學模型，通過變體積區域劃分和采用胞映射搜索代表點法，求得各項控制性能指標在參數空間中的分布數據，通過聯合圖實現該分布數據的可視化；

B.對聯合圖進行精細分析，求得參數空間的精細結構圖，具體步驟為：首先，在標識控制性能指標分布的擴維代表點圖中，找到性能指標由大到小連續變化的路徑，把路徑經過的區域中的代表點擬合成有向曲線，得到描繪控制性能指標在擴維代表點圖中由大到小變化的有向圖，其次，在標識控制參數分布的擴維代表點圖中添加上同樣的有向曲線，得到對應的描繪控制參數變化的有向圖，最后，把描繪各項控制性能指標變化的有向圖和對應的描繪控制參數變化的有向圖組合構成有向聯合圖，這些有向聯合圖描繪了各項控制性能指標在參數空間中的分布特點以及隨控制參數的變化過程，稱為參數空間的精細結構圖；

C.在精細結構圖中，分別考察各項控制性能指標隨控制參數的變化過程，求得各自的變化幅度，變化幅度較大的控制參數與該項控制性能指標的相關度也較大，變化幅度較大的增益系數對應的狀態信息與該項性能指標的相關度也較大，對比分析控制參數的變化幅度，揭示不同的狀態信息和控制參數對各項控制性能指標的影響規律，闡述各項控制性能指標在參數空間中的分布規律；

D.對于給定的控制目標和要求，找到每個關聯性能指標對應的所有相關度較大的狀態信息，從中依據相關度的大小順次選擇所有滿足限制條件的狀態信息，這些狀態信息組合就是最佳組合，用這些狀態信息進行控制設計，可以有效地控制關聯性能指標值，實現控制目標，對每個關聯性能指標，僅選擇一個相關度較大的狀態信息，所得到的狀態信息組合是實現控制目標所需要的最少狀態信息組合，僅用這些狀態信息進行控制設計，既可以實現控制目標，又能降低控制設計的復雜性和控制代價；

4)對研究內容之二的研究方案：

A.把含時滯和不含時滯的精細結構圖進行比較分析，揭示含時滯后精細結構圖的新特征，在精細結構圖中，分別把描繪各項控制性能指標變化的有向圖與對應的描繪時滯變化的有向圖對照分析，揭示不同的時滯組合對各項控制性能指標的影響規律，闡述混合時滯效應；

B.在精細結構圖中，分別考察各項控制性能指標隨時滯的變化過程，求得各自的變化量，變化量為正的時滯有利于優化該項控制性能指標，變化量為負的時滯不利于優化該項控制性能指標，當某項控制性能指標從大到小變化時，若對應的所有時滯的變化量均非正，則該項控制性能指標不能通過時滯組合進行優化，否則可以通過適當的時滯組合進行優化；

C.對于給定的控制目標，找到對于全部關聯性能指標，變化量總為正的時滯，這些時滯組合就是可以有效地提高控制效果的最佳時滯組合，總結有利于提高控制效果的時滯組合的形式和特征，提出一些基本準則，對于給定的控制性能指標和要求，依照這些基本準則確定有利于提高控制效果的時滯組合；

5)對研究內容之三的研究方案:

A.購買相關實驗設備，與PC電腦連接搭建實驗平臺，基于Lagrange方程建立含時滯反饋控制系統的數學模型，求得參數空間的精細結構圖；

B.依據精細結構圖，采用不同的狀態信息組合和控制參數值修改Simulink模塊中的控制模塊運行實驗，驗證理論方法求得的狀態信息組合和控制參數值在實驗中的控制效果，在控制器中引入適當的時滯組合進行實驗，考察在實驗中利用混合時滯提高控制效果的可行性。