一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法技术

本发明专利技术公开了一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法，具体步骤包括：考虑弧形钢闸门的结构特点，建立能反映原型弧形钢闸门动力特性的简化模型；根据该简化模型构建弧形钢闸门主动控制的控制方程；应用LOR算法建立作动器数量及位置的优化布置模型；求解该优化模型，确定作动器的优化布置方案。本发明专利技术提出的方法可以减小弧形钢闸门流激振动主动控制中作动器布置的盲目性，提高主动控制系统的性能，保证弧形钢闸门的安全运行。保证弧形钢闸门的安全运行。保证弧形钢闸门的安全运行。

【技术实现步骤摘要】
一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法


[0001]本专利技术属于水利工程
，涉及一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法。

技术介绍

[0002]水工弧形钢闸门的振动问题是水利工程领域被重点关注的课题，由于荷载的多样性，弧形钢闸门的振动形式也具有多样性，振动机理复杂。目前在工程实践中，一般通过优化闸门的水力条件及结构动力特性使弧形闸门的低频区避开脉动水压力的高能区来避免闸门的共振问题，但是上述方法并不是对所有形式的振动都是有效的，比如以某种形式存在的参数振动及自激振动，很难通过以上方法减振。而且对于已经服役的弧形钢闸门，也很难改变闸门的水力边界及结构动力特性。
[0003]目前，通过对弧形钢闸门施加作动器的主动控制技术逐渐应用于弧形钢闸门的振动控制中，是弧形钢闸门减振研究的热点研究问题。主动控制的原理是在闸门振动响应反馈的基础上，通过控制器中的主动控制算法确定最优主动控制力，然后给作动器发出指令，由作动器给闸门施加主动控制力，主动地调节结构的特征参数(质量、阻尼和刚度)以适应外部动荷载，达到抑制振动的目的。对于弧形钢闸门的主动控制系统，作动器是主动控制力的施加机构，作动器的数量和位置的优化布置对主动控制具有重要影响，在达到预期控制效果的前提下，应布置尽可能少的作动器，使结闸门结构更加简洁，不恰当的作动器布置将直接影响弧形钢闸门主动控制系统的性能。
[0004]目前对弧形钢闸门流激振动的主动控制技术的研究尚处于理论研究和数值模拟阶段，尤其是作动器在弧形闸门上的布置位置和布置数量仍具有盲目性，尚未提出有效合理的作动器布置方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法，具有减小弧形钢闸门流激振动主动控制中作动器布置的盲目性，提高主动控制系统的性能，保证弧形钢闸门的安全运行的特点。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法，具体按照以下步骤实施：
[0007]步骤1、根据弧形钢闸门的结构特点，建立反映弧形钢闸门动力特性的简化模型；
[0008]步骤2、根据简化模型构建弧形钢闸门主动控制的控制方程；
[0009]步骤3、建立作动器数量及位置的优化布置模型；
[0010]步骤4、求解优化模型，确定作动器的优化布置方案。
[0011]本专利技术的特点还在于：
[0012]步骤1具体按照以下步骤实施：
[0013]步骤1.1、应用有限元软件分析弧形钢闸门的动力特性，根据闸门的结构特点，对
不同的构件选用合适的单元进行模拟，获得闸门的自振频率及振型；
[0014]步骤1.2、考虑面板的影响，将面板质量分配在主横梁上，忽略曲梁曲率的影响，以直梁代替曲梁，通过结构简化建立弧形钢闸门的空间框架简化模型，采用动力刚度法分析该简化模型的动力特性，获得简化模型的自振频率及振型；
[0015]步骤1.3、比较弧形钢闸门及其简化模型的动力特性，以二者相近为原则调整简化模型，最终建立反映弧形钢闸门动力特性的简化模型。
[0016]步骤2具体按照以下步骤实施：
[0017]步骤2.1、建立弧形钢闸门流激振动主动控制的二阶动力微分方程：
[0018][0019]式中，M、C和K分别为简化模型的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，阻尼采用瑞利阻尼；在形成有限元特征矩阵M、C和K时，采用的形函数为满足构件自由振动微分方程的精确形函数；和X(t)分别为加速度、速度和位移向量；F(t)为激振荷载，D
s
为激振荷载的作用位置矩阵；U(t)为作动器施加的控制力向量，B
s
为作动器的位置矩阵；
[0020]步骤2.2、由式(1)推导弧形钢闸门流激振动主动控制的一阶状态方程：
[0021][0022]式中，I为单位矩阵，I为单位矩阵，
[0023]步骤3具体按照以下步骤实施：
[0024]步骤3.1、建立目标函数：
[0025]采用LQR算法的二次型性能指标J作为作动器优化布置问题的目标函数：
[0026][0027]式中，R＝βI分别为状态向量Z(t)和控制力向量U(t)的权矩阵，α和β为待定参数。
[0028]根据LQR算法的最优控制原理，对应的最优控制力U(t)为：
[0029]U(t)＝
‑
GZ(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0030]式中，G＝R
‑1B
T
P为最优反馈增益矩阵，P由下式确定：
[0031]‑
PA
‑
A
T
P+PBR
‑1B
T
P
‑
Q＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0032]步骤3.2、确定约束条件：
[0033]约束条件需要满足状态方程(2)，并且根据作动器布置的结构位置确定位置矩阵B
s
的取值范围
[0034]步骤3.3、建立优化布置模型：
[0035]在状态方程的约束下确定使性能指标J取最小值的位置矩阵B
s
，建立优化数学模
型：
[0036][0037]式中，为B
s
的取值范围。
[0038]步骤4具体按照以下步骤实施：
[0039]步骤4.1、根据弧形钢闸门的振动特点，确定弧形钢闸门布置作动器的构件及布置的数量；
[0040]步骤4.2、选择性能指标J作为适应度函数，采用遗传算法求解优化模型，确定作动器的布置位置；
[0041]步骤4.3、对反馈增益矩阵G进行极小化设计；
[0042]步骤4.4、确定作动器的优化布置方案。
[0043]本专利技术的有益效果是：本专利技术一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法可以减小弧形钢闸门流激振动主动控制中作动器布置的盲目性，提高主动控制系统的性能，保证弧形钢闸门的安全运行。
附图说明
[0044]图1是本专利技术一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法的流程图；
[0045]图2是本专利技术一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法中某弧形钢闸门的简化模型图；
[0046]图3是本专利技术一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法中某弧形钢闸门承受激振荷载的时程曲线；
[0047]图4是本专利技术一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法中某弧形钢闸门的作动器布置图。
具体实施方式
[0048]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0049]本专利技术一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法中，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
[0050]步骤1、根据弧形钢闸门的结构特点，建本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、根据弧形钢闸门的结构特点，建立反映弧形钢闸门动力特性的简化模型；步骤2、根据简化模型构建弧形钢闸门主动控制的控制方程；步骤3、建立作动器数量及位置的优化布置模型；步骤4、求解优化模型，确定作动器的优化布置方案。2.根据权利要求1所述的一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：步骤1.1、应用有限元软件分析弧形钢闸门的动力特性，根据闸门的结构特点，对不同的构件选用合适的单元进行模拟，获得闸门的自振频率及振型；步骤1.2、考虑面板的影响，将面板质量分配在主横梁上，忽略曲梁曲率的影响，以直梁代替曲梁，通过结构简化建立弧形钢闸门的空间框架简化模型，采用动力刚度法分析该简化模型的动力特性，获得简化模型的自振频率及振型；步骤1.3、比较弧形钢闸门及其简化模型的动力特性，以二者相近为原则调整简化模型，最终建立反映弧形钢闸门动力特性的简化模型。3.根据权利要求1所述的一种用于水工弧形钢闸门振动控制的作动器优化布置方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：步骤2.1、建立弧形钢闸门流激振动主动控制的二阶动力微分方程：式中，M、C和K分别为简化模型的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，阻尼采用瑞利阻尼；在形成有限元特征矩阵M、C和K时，采用的形函数为满足构件自由振动微分方程的精确形函数；和X(t)分别为加速度、速度和位移向量；F(t)为激振荷载，D
s
为激振荷载的作用位置矩阵；U(t)为作动器施加的控制力向量，B
s
为作动器的位置矩阵；步骤2.2、由式(1)推导弧形钢闸门流激振动主动控制的一阶状态方程：式中，I为单位矩阵，I为单位矩阵，4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘计良，司政，李炎隆，刘云贺，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：