[发明专利]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

权利要求书

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，

4.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3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、建立目标函数：

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：

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。

根据LQR算法的最优控制原理，对应的最优控制力U(t)为：

U(t)＝-GZ(t) (4)

式中，G＝R^-1B^TP为最优反馈增益矩阵，P由下式确定：

-PA-A^TP+PBR^-1B^TP-Q＝0 (5)

步骤3.2、确定约束条件：

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

步骤3.3、建立优化布置模型：

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：

式中，为B_s的取值范围。

5.根据权利要求4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4具体按照以下步骤实施：

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；

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；

步骤4.3、对反馈增益矩阵G进行极小化设计；

步骤4.4、确定作动器的优化布置方案。