[發明專利]基于PSO算法的摩擦擺半主動隔震系統及控制方法

在審

• 申請號: 202110432938.0
• 申請日: 2021-04-22
• 公開（公告）號: CN113110102A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 李曉東;閆鵬亮;任杰;弓耀云;楊林;楊歡;閆胤積
• 申請（專利權）人: 蘭州理工大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02;E04B1/98;E04H9/02
• 代理公司: 蘭州振華專利代理有限責任公司 62102
• 代理人: 董斌

基于PSO算法的摩擦擺半主動隔震系統及控制方法，減隔震部分包括上柱、下柱、電磁鐵、壓力傳感器、位移傳感器、基礎、摩擦擺支座、控制部分，摩擦擺支座由上蓋板、下蓋板、滑動曲面、滑塊、限位塊構成；控制部分是基于PSO智能算法的控制單元。控制方法的步驟為：地震時，結構發生響應，摩擦擺工作，壓力、位移傳感器接受信號，將信息傳輸給控制部分；控制部分中的計算機數據處理器對信息經過PSO?LQR智能算法計算后得到最優控制力；將最優控制力通過控制信號傳輸到控制電源開關器，進而來調節電源，控制電磁鐵工作，使摩擦擺支座安全工作。引入了PSO算法來對LQR控制器的參數進行優化選取，保證系統既能夠高效的運行又可以得到最優解，最終達到全局最優控制。

技術領域

本發明屬于建筑結構領域，涉及到地震的半主動減隔震技術。

背景技術

地震是一種具有極強破壞力的自然災害，據統計，地球上每年約發生500多萬次地震,地震能造成大量的人員傷亡以及建筑物的倒塌對人類的生命和財產都會造成巨大的損失。但當前的科技水平尚無法預測地震的到來,我們只能采取一些措施,比如安裝減隔震裝置,將地震產生的危害盡量降低到最小。由于近年來摩擦擺支座的不斷發展，使得越來越多的建筑結構中使用了摩擦擺支座，從而來減少地震造成的危害。 但隨著摩擦擺隔震支座投入使用，關于摩擦擺隔震支座的一些問題也隨著暴露出來，從實際的使用過程中反映出的問題有：豎向抗拔能力不足、摩擦系數多變以及自復位能力不足等問題。

近些年，智能的半主動控制裝置已經在振動領域獲得越來越多的關注。半主動控制方法既能減少對外界能量的依賴，又有優于被動控制的效果，只需要少量的能量調節便可實現主動最優控制。控制算法是半主動控制系統的核心，它直接決定了控制系統的控制效果。現有的常用的振動控制算法主要包括H∞控制、滑模控制、最優控制、模糊控制等。其中，LQR控制是一種適用性很強的最優控制，其最大的優點是可得到狀態線性反饋的最優控制律，易于構成閉環最優控制，其性能指標物理意義明確，因此被廣泛運用于振動控制中。

LQR控制模型中，Q和R的選取直接影響著最后的控制效果，但Q和R的選取無規律可循。到目前為止，學者們就如何確定最佳的Q與R矩陣以及獲得全局最優控制力進行了多年研究。現有一種復雜雙層磁懸浮精密隔振系統，將遺傳算法引入到LQR控制模型中，求得最佳的Q與R矩陣，仿真結果表明該系統隔振效果優良。但遺傳算法編程復雜，考慮參數多，而粒子群算法是一種對鳥類覓食的行為進行建模和仿真的群智能全局優化算法，該算法具有優化性能良好，收斂速度快等優點，在函數優化問題求解領域得到廣泛的應用。能夠取得比遺傳算法更好的優化效果。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于PSO算法的摩擦擺半主動隔震系統及控制方法。

本發明是基于PSO算法的摩擦擺半主動隔震系統及控制方法，基于PSO算法的摩擦擺半主動隔震系統，由摩擦擺減隔震部分和控制部分組成，摩擦擺減隔震部分包括上柱1-1、下柱1-2、電磁鐵1-3、壓力傳感器1-4、位移傳感器1-5、基礎1-6、摩擦擺支座2、控制部分3，摩擦擺支座2是一種用在地震中的減隔震裝置，是由上蓋板2-1、下蓋板2-2、滑動曲面2-3、滑塊2-4、限位塊2-5構成；控制部分3是一種基于PSO智能算法的控制單元；摩擦擺支座2的下蓋板2-2與下柱1-2固定連接，下柱1-2與基礎1-6相連接，摩擦擺上蓋板2-1與上柱1-1相連接，用于地震時通過摩擦擺支座2工作來消耗地震能量，并會有信號傳出；壓力傳感器1-4和位移傳感器1-5分別安裝在摩擦擺支座的滑動塊2-4上，地震作用下當摩擦擺工作時壓力傳感器1-4和位移傳感器1-5能接收到信號，并將信息數據傳輸到控制部分3；控制部分3能對傳感器傳來的信息數據進行處理分析，經過PSO-LQR智能算法計算后得到最優控制力，然后反饋給電磁鐵，從而控制電磁鐵1-3工作；兩個電磁鐵1-3分別放入上蓋板2-1和下蓋板2-2中，當控制部分3判斷電磁鐵1-3工作時，能通過相吸或相斥來增大或減小上部結構的重量M，進而能夠控制摩擦擺支座2的切向力F和位移X。

本發明的基于PSO算法的摩擦擺半主動隔震系統的控制方法，其步驟為：