一種結(jié)構(gòu)amd主動控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)AMD主動控制器，包括處理器核心電路、控制器電源電路、存儲器電路、以太網(wǎng)接口電路、RS232通訊電路、LCD及觸摸屏電路、傳感器信號輸入電路、控制輸出電路，首先初始化，設(shè)置被控結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)和控制目標(biāo)給定值，并將被控結(jié)構(gòu)狀態(tài)劃分為M個模糊等級；然后通過位移傳感器和速度傳感器獲得被控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)；接下來計算被控結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量xi在模糊集合上的隸屬度根據(jù)被控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)數(shù)據(jù)得到對應(yīng)的滑模面參數(shù)s；計算自適應(yīng)模糊滑?？刂坡?。本發(fā)明根據(jù)模糊系統(tǒng)的萬能逼近特性，構(gòu)建一個變論域的自適應(yīng)模糊系統(tǒng)f(x)來逼近結(jié)構(gòu)的非線性特性，從而實(shí)現(xiàn)了不依賴于精確數(shù)學(xué)模型的非線性結(jié)構(gòu)自適應(yīng)模糊滑?？刂啤?br> 【專利說明】—種結(jié)構(gòu)AMD主動控制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于建筑結(jié)構(gòu)振動的AMD主動控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)構(gòu)AMD主動控制過程中，由于結(jié)構(gòu)工程的復(fù)雜性,如結(jié)構(gòu)性能的時變性、材料的離散性、不同的施工方法等，造成結(jié)構(gòu)振動控制中存在大量的不確定因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制建模時通常沒有考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的效應(yīng)，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對于計算模型來說具有不確定性，另外一方面，計算好的模型在實(shí)際情況中遇到地震、風(fēng)震作用力時強(qiáng)度和剛度會發(fā)生退化，實(shí)際模型與計算模型會存在偏差，實(shí)際控制效果不是很理想。因此如何設(shè)計ー種不依賴于結(jié)構(gòu)計算模型的控制方法一直就是結(jié)構(gòu)AMD主動控制領(lǐng)域中研究的ー個重要課題。
[0003]目前結(jié)構(gòu)AMD主動控制采用的控制方法有兩種，其ー是使用基于傳遞函數(shù)模式的頻域分析法；其ニ是使用基于狀態(tài)方程模式的時域分析法。這兩種控制方法的共同點(diǎn)都是基于模型的控制。
[0004]在實(shí)際結(jié)構(gòu)AMD主動控制中，由于模型的不確定性和時變性，基于模型的控制方法缺乏自適應(yīng)性，難以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)振動的有效控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是要提供ー種新型的結(jié)構(gòu)AMD主動控器及自適應(yīng)模糊滑模控制方法。該控制器采用位移傳感器和速度傳感器檢測結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，并通過模擬量信號采集電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量存儲在控制器中；自適應(yīng)模糊滑?？刂品椒ǜ鶕?jù)被控結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，自動調(diào)節(jié)自適應(yīng)律，自動計算輸出控制カ；該控制器根據(jù)自適應(yīng)模糊滑模控制方法計算得到的結(jié)果，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出模擬信號，控制AMD作動器輸出控制力。具體技術(shù)方案如下:一種結(jié)構(gòu)AMD主動控制器包括處理器核心電路(I)、控制器電源電路(2)、存儲器電路
(3)、以太網(wǎng)接ロ電路(4)、RS232通訊電路(5)、IXD及觸摸屏電路(6)、傳感器信號輸入電路
(7)、控制輸出電路(8)，其中:
[0006]處理器核心電路(I)分別與所述的控制器電源電路(2)、存儲器電路(3)、以太網(wǎng)接ロ電路(4)、RS232通訊電路(5)、IXD及觸摸屏電路(6)、傳感器信號輸入電路(7)以及控制輸出電路(8)相連；
[0007]處理器核心電路(I)的A/D轉(zhuǎn)換接ロ和傳感器信號輸入電路(7 )相連接，讀取結(jié)構(gòu)的位移和速度信號，并將采集到的信號通過內(nèi)部存儲器接ロ存儲在存儲器電路(3)中；在處理器核心電路(I)的控制下，運(yùn)行存儲在存儲器電路(3)中的自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴ǔ绦虻玫叫枰敵龅目刂屏縐，通過信號控制輸出電路(8)輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)對AMD作動器的控制；
[0008]控制器電源電路(2)用來為處理器核心電路(I)、存儲器電路(3)、以太網(wǎng)接ロ電路(4)、RS232通訊電路(5)、IXD及觸摸屏電路(6)、傳感器信號輸入電路(7)、控制輸出電路(8 )供電；[0009]所述的處理器核心電路(I)由處理器、處理器電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、JTAG電路構(gòu)成，連接關(guān)系屬于公知技木。
[0010]存儲器電路(3)用來存放處理器核心電路(I)運(yùn)行的程序代碼和運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)；
[0011]以太網(wǎng)接ロ電路(4)用來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接；
[0012]RS232通訊電路(5)用來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信連接；
[0013]IXD及觸摸屏電路(6)用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置；
[0014]傳感器信號輸入電路(7)用來米集結(jié)構(gòu)的位移和速度信號的放大,在處理器核心電路(I)的控制下，實(shí)現(xiàn)信號采集，其信號和處理器核心電路(I)的相應(yīng)的接ロ連接；
[0015]控制輸出電路(8)用來將處理器核心電路(I)計算得到的控制量轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號，實(shí)現(xiàn)對AMD作動器的控制，其信號和處理器核心電路(I)的相應(yīng)的接ロ連接。
[0016]所述的自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴ǎ幸韵虏襟E:
[0017]步驟1:初始化，
[0018]設(shè)置被控結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)Xd =〔xd，xd) =(0,0)1+，設(shè)置被控結(jié)構(gòu)的控制目標(biāo)給定
值Xs= (0，0)T，被控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)用X=〔x,x) eR2表示，其中，X表示被控結(jié)構(gòu)的位移，x表示被控結(jié)構(gòu)的加速度；將被控結(jié)構(gòu)狀態(tài)劃分為M個模糊等級；
[0019]步驟2:讀取被控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，被控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)通過位移傳感器和速度傳感器獲得;
[0020]步驟3:計算步驟2得到的被控結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量Xi在模糊集合Aj上的隸屬度其中，i=l、2，j=l, ? ?.，M，M表示被控結(jié)構(gòu)狀態(tài)劃分的模糊等級，模
糊集合表示結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量在模糊等級j上的模糊集合，選用三角函數(shù)作
為隸屬函數(shù)，Xi/a (Xi)表示選用三角函數(shù)計算結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量Xi的隸屬度；
[0021]步驟4:將步驟2得到的被控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)數(shù)據(jù)代入滑模面函數(shù)，得到對應(yīng)的滑模面參數(shù)s,計算公式如下:
[0022]S = C1X+ X ,其中:x為被控結(jié)構(gòu)的位移量，x為結(jié)構(gòu)的加速度，C1為大于0小于等于I的常量；
[0023]步驟5:計算自適應(yīng)模糊滑?？刂坡?，計算公式如下:
[0024]u = -C, X- f(x I ^)-(D + tj)$gnk)?
[0025]其中0=(71,…，yYW*可以調(diào)整的參數(shù)，0〈/1，.0uAj (Xi/^f(Xj))
[0026]I (X) = ^1(X),..., lM(x))T,其中-

EnUA—和!,傘J





J = I[0027]Xi為被控結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量，n=2,
[0028]AJ為結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量在模糊等級j上的模糊集合，
[0029]^aJ (Xi /^( \))為被控結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量Xi在模糊集合Al上的隸屬度，
[0030]Xi/a (Xi)表示選用三角函數(shù)計算結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量Xi的隸屬度；[0031 ]自適應(yīng)模糊滑模控制律推導(dǎo)過程如下:
[0032]5.1)首先構(gòu)建ー個變論域的自適應(yīng)模糊系統(tǒng)f(x)逼近被控結(jié)構(gòu)的非線性特性，
M Ii
EyjTluA-
f(x)-，其中:Ai表示被控結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量在模糊等
腿1V(xi,?(xi)) 1
級j上的模糊集合，表示被控結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量Xi在模糊集合Al
上的隸屬度，Xi/a (Xi)表示選用三角函數(shù)計算結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量Xi的隸屬度，7」_為可以調(diào)整的參數(shù)，0〈ゲ≤I。
[0033]5.2)取自適應(yīng)率 9=(71,-,yM)T,0<yJ^ 10



XlU4,(x, Za(Xi))
[0034]I (X) = (I1U),...,其中 f-’ 自適應(yīng)模糊系統(tǒng)


幼 U', (XiM(X1))
f (X)表達(dá)式化簡為f (X I 0 ) = 0 T I (X)。
[0035]5.3)根據(jù)誤差確定滑模面函數(shù)s = ?+/(*I備f、x10yu(t)-(D+fj)§m(s) *其中:s為S的二階導(dǎo)數(shù)；CO為定義的結(jié)構(gòu)最小逼近誤差，理想情況下等于0，可假設(shè)
為任ー小的實(shí)數(shù)，0 /為最優(yōu)模糊系統(tǒng)參數(shù)，ぎr = argmin sup^\f(x|#)|-f(x10)，
理想情況下$ =0 ；由5.2)可知f(x| 0)=9Tl (x)，在控制律最優(yōu)的情況下有:
f(x\0})= (0})T辦 ? 即/(*I ff*f )=(0})1 古0) = OX^(X) = Oa
[0036]根據(jù)前面論述，在控制律最優(yōu)的情況下，根據(jù)誤差確定滑模面函數(shù)為:
?s = —/lz|句—wひ)—fi? +的sgn(s) o
[0037]5.4)由滑模面函數(shù)= + 6 =+ = ^ + 1 和5.3)中根據(jù)誤差確定滑模面函數(shù)/レ|6>)-w(0-(D + /;)sgn(,り?可得C1 X+ X = -f(x 10)-1i(f) -(D + rj)sgn(s);其中x為x的4階導(dǎo)數(shù),約等于0 ;故有:，進(jìn)ー步可
得控制律w(f)j#)-(D +Wsgn(J)0[0038]綜上,得到自適應(yīng)模糊滑?？刂坡桑? = -e,x_/(.r|め-(D+ysgn(s)*其中:u為輸
出控制力，D為外界干擾カ的上界，n為一大于0的常數(shù)；再利用步驟5.2)中得到的變論域的自適應(yīng)模糊系統(tǒng)f(x I 0)=9Tl (x)替代結(jié)構(gòu)的非線性特性，從而計算得到控制率。
[0039]步驟6、跳轉(zhuǎn)至步驟2，循環(huán)執(zhí)行。
[0040]有益.效果[0041]本發(fā)明根據(jù)模糊系統(tǒng)的萬能逼近特性，構(gòu)建ー個變論域的自適應(yīng)模糊系統(tǒng)f(x)來逼近結(jié)構(gòu)的非線性特性，從而實(shí)現(xiàn)了不依賴于精確數(shù)學(xué)模型的非線性結(jié)構(gòu)自適應(yīng)模糊滑?？刂?。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0042]圖1結(jié)構(gòu)振動控制總體框圖，
[0043]圖2控制器硬件框圖，
[0044]圖3模糊控制變論域示意圖，
[0045]圖4算法流程圖，圖示說明了控制算法實(shí)現(xiàn)的流程。
[0046]圖5軟件流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047]結(jié)構(gòu)振動控制總體結(jié)構(gòu):
[0048]結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。圖中AMD主動控制器為本發(fā)明所述的控制器。AMD主動控制器根據(jù)傳感器采樣得到的狀態(tài)反饋信息，控制AMD作動器出力，實(shí)現(xiàn)對被控結(jié)構(gòu)的振動控制。
[0049]參照圖1，結(jié)構(gòu)AMD主動控制器是整個控制系統(tǒng)的核心。傳感器反饋通道，即模擬量輸入通道，把結(jié)構(gòu)的實(shí)時位移和速度信號通過傳感器信號輸入電路，實(shí)時采集反饋到控制器。對于結(jié)構(gòu)振動控制，理想的情況是控制對象位移和速度都為0，整個的控制過程也是在努力實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，因此，給定為零?？刂破鲝慕o定量和實(shí)時的反饋量得到誤差，依據(jù)事先設(shè)定好的控制算法，經(jīng)過推理計算得到輸出，然后控制AMD作動器出力，進(jìn)而推動AMD運(yùn)動以達(dá)到減震效果。
[0050]AMD主動控制器硬件部分:
[0051]參照圖2，AMD主動控制器硬件由LPC3250處理器核心電路(I)、控制器電源電路
(2)、存儲器電路(3)、以太網(wǎng)接ロ電路(4)、RS232通訊電路(5)、IXD及觸摸屏電路(6)、傳感器信號輸入電路(7)及控制輸出電路(8)構(gòu)成。LPC3250處理器核心電路與所述的控制器電源電路、存儲器電路、以太網(wǎng)接ロ電路、RS232通訊電路、IXD及觸摸屏電路、傳感器信號輸入電路以及控制輸出電路相連。控制器電源電路(2)與LPC3250處理器核心電路連接，為LPC3250處理器供電；處理器核心電路(I)的A/D轉(zhuǎn)換接口和傳感器信號輸入電路(7)相連接，讀取結(jié)構(gòu)的位移和速度信號，并將采集到的信號通過內(nèi)部存儲器接ロ存儲在存儲器電路(3 )中；在LPC3250處理器核心電路的控制下，運(yùn)行存儲在存儲器電路(3 )中的自適應(yīng)模糊滑模控制算法程序，經(jīng)過計算處理，得到需要輸出的控制量，通過信號控制輸出電路
(8)實(shí)現(xiàn)對AMD作動器的控制；
[0052]存儲器電路(3)用來存放LPC3250處理器核心電路(I)運(yùn)行的程序代碼和運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)接ロ電路(4)用來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，其信號和LPC3250處理器核心電路(I)的相應(yīng)的接ロ連接；RS232通訊電路(5)用來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信連接，IXD及觸摸屏電路(6)用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；傳感器信號輸入電路(7)用來實(shí)現(xiàn)位移傳感器和速度傳感器的信號放大，在LPC3250處理器核心電路(I)的控制下，實(shí)現(xiàn)信號采集；控制輸出電路(8)用來將LPC3250處理器核心電路(I)計算得到的控制量轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號，實(shí)現(xiàn)對AMD作動器的控制，控制量的計算由處理器執(zhí)行自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴▽?shí)現(xiàn)。
[0053]自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴ú糠?
[0054]安裝在被控結(jié)構(gòu)上的位移傳感器和速度傳感器用來檢測被控結(jié)構(gòu)的位移和速度，位移傳感器和速度傳感器連接到控制器的傳感器信號輸入電路(7)，處理器核心電路
(I)實(shí)現(xiàn)對信號的采樣、計算和轉(zhuǎn)換，得到結(jié)構(gòu)的位移和加速度狀態(tài)變量I參考
圖1，結(jié)構(gòu)振動的控制目標(biāo)是:當(dāng)被控結(jié)構(gòu)在受到地震等外界作用カ時，主動控制器通過驅(qū)動AMD作動器出力，反作用在被控結(jié)構(gòu)體上達(dá)到防震目的，因此被控結(jié)構(gòu)的控制目標(biāo)給定
值Xs=(0，0);誤差狀態(tài)變量
【權(quán)利要求】
1.一種結(jié)構(gòu)AMD主動控制器，其特征在于:包括處理器核心電路(I)、控制器電源電路(2)、存儲器電路(3)、以太網(wǎng)接ロ電路(4)、RS232通訊電路(5)、IXD及觸摸屏電路(6)、傳感器信號輸入電路(7)、控制輸出電路(8)，其中: 處理器核心電路(I)分別與所述的控制器電源電路(2)、存儲器電路(3)、以太網(wǎng)接ロ電路(4)、RS232通訊電路(5)、IXD及觸摸屏電路(6)、傳感器信號輸入電路(7)以及控制輸出電路(8)相連； 處理器核心電路(I)的A/D轉(zhuǎn)換接ロ和傳感器信號輸入電路(7 )相連接，讀取結(jié)構(gòu)的位移和速度信號，并將采集到的信號通過內(nèi)部存儲器接ロ存儲在存儲器電路(3)中；在處理器核心電路(I)的控制下，運(yùn)行存儲在存儲器電路(3)中的自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴ǔ绦虻玫叫枰敵龅目刂屏縐，通過信號控制輸出電路(8)輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)對AMD作動器的控制； 控制器電源電路(2)用來為處理器核心電路(I)、存儲器電路(3)、以太網(wǎng)接ロ電路(4)、RS232通訊電路(5)、IXD及觸摸屏電路(6)、傳感器信號輸入電路(7)、控制輸出電路(8)提供電源； 存儲器電路(3)用來存放處理器核心電路(I)運(yùn)行的程序代碼和運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)； 以太網(wǎng)接ロ電路(4)用來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接； RS232通訊電路(5)用來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信連接； IXD及觸摸屏電路(6)用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置； 傳感器信號輸入電路(7)用來采集結(jié)構(gòu)`的位移和速度信號的放大，在處理器核心電路(I)的控制下，實(shí)現(xiàn)信號采集，其信號和處理器核心電路(I)的相應(yīng)的接ロ連接； 控制輸出電路(8)用來將處理器核心電路(I)計算得到的控制量轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號，實(shí)現(xiàn)對AMD作動器的控制，其信號和處理器核心電路(I)的相應(yīng)的接ロ連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴?，其特征在于:含有以下步驟: 步驟1:初始化， 設(shè)置被控結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)Xd =I XdsXdj =(0，0)T，設(shè)置被控結(jié)構(gòu)的控制目標(biāo)給定值Xs= (O，0)T，被控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)用X = (X,xj e R2表示，其中，X表示被控結(jié)構(gòu)的位移，x表示被控結(jié)構(gòu)的加速度；將被控結(jié)構(gòu)狀態(tài)劃分為M個模糊等級； 步驟2:讀取被控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，被控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)通過位移傳感器和速度傳感器獲得； 步驟3:計算步驟2得到的被控結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量Xi在模糊集合Aj上的隸屬度其中，i=1、2，j=i,...，M，M表示被控結(jié)構(gòu)狀態(tài)劃分的模糊等級，模糊集合~表示結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量在模糊等級j上的模糊集合，選用三角函數(shù)作為隸屬函數(shù)a (X)，Xi/a (Xi)表示選用三角函數(shù)計算結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量中的第i個分量Xi的隸屬度； 步驟4:將步驟2得到的被控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)數(shù)據(jù)代入滑模面函數(shù)，得到對應(yīng)的滑模面參數(shù)s,計算公式如下:S = C1X+ X ,其中:X為被控結(jié)構(gòu)的位移量，X為結(jié)構(gòu)的加速度，C1為大于O小于等于I的常量； 步驟5:計算自適應(yīng)模糊滑?？刂坡?，計算公式如下:
U = -c, x-f(x I 沒)-(D + g)sgn(s)， 其中:u為輸出控制力， C1為一大于O小于等于I的常數(shù)， D為外界干擾カ的上界， n為一大于O小于等于I的常數(shù)， X表示被控結(jié)構(gòu)的位移狀態(tài)變量， X表示被控結(jié)構(gòu)的加速度狀態(tài)變量； f (X I 0 ) = 0 T I (X), 其中0=(y\…，ゲゲゴ為可以調(diào)整的參數(shù)，O〈/≥1，




n



uA, (Xi Za(Xl)) I(X) = U1(X),..., lM(x))T,其中 I—辦)=^-



uA； (Xi/Qr(X1))




i=i sgn ( ?)為標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)， 步驟6、跳轉(zhuǎn)至步驟2，循環(huán)執(zhí)行。
【文檔編號】G05B13/04GK103499923SQ201310423384
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】陳雙葉, 張微敬, 陳亞偉, 孫炎珺 申請人:北京工業(yè)大學(xué)