【摘要】：張弦梁結(jié)構(gòu)是一類剛?cè)犭s交結(jié)構(gòu),具有外形優(yōu)美、受力方式明確,能夠最大化利用剛?cè)岵牧系奶攸c(diǎn),且加工施工方便,應(yīng)用前景廣闊。本文在張弦梁結(jié)構(gòu)中引入主動(dòng)控制過程,使之成為能夠根據(jù)外界環(huán)境變化主動(dòng)調(diào)整自身形態(tài)的主動(dòng)張弦梁結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)這一目的,本文從尋優(yōu)算法改進(jìn)、結(jié)構(gòu)單、多目標(biāo)優(yōu)化控制以及結(jié)構(gòu)最優(yōu)控制量預(yù)測幾個(gè)方面進(jìn)行了深入研究與探討。本文首先采用大空間隨機(jī)搜索的遺傳算法來求解主動(dòng)張弦梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題。針對(duì)傳統(tǒng)遺傳算法局部收斂能力差的缺點(diǎn),提出了一種改進(jìn)的遺傳算法——梯度遺傳算法,即通過在遺傳算法中引入一個(gè)梯度下降算子,提高遺傳算法的局部搜索能力、收斂速度以及搜索精度,實(shí)現(xiàn)全局尋優(yōu)。其次,結(jié)合作動(dòng)器的剛度方程,推導(dǎo)了考慮作動(dòng)單元耦合的張弦梁結(jié)構(gòu)有限元公式,并基于靈敏度分析法,建立了線性范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移控制優(yōu)化模型。利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的幾何非線性分析,編寫MATLAB和ANSYS聯(lián)合優(yōu)化的計(jì)算程序,利用梯度遺傳算法進(jìn)行求解,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的單目標(biāo)非線性控制。然后,根據(jù)決策者對(duì)不同目標(biāo)的控制要求,研究了主動(dòng)張弦梁結(jié)構(gòu)綜合考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移等指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化問題,建立了基于目標(biāo)優(yōu)先級(jí)的張弦梁結(jié)構(gòu)多目標(biāo)模糊優(yōu)化模型,并利用基于目標(biāo)滿意度序的兩步式模糊優(yōu)化算法來求解此模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)控制。最后,根據(jù)求得不同荷載工況下的最優(yōu)控制量,選取能夠反映結(jié)構(gòu)所受荷載情況的受力狀態(tài)信息,建立受力狀態(tài)信息與最優(yōu)控制量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以此作為訓(xùn)練樣本,形成指定優(yōu)化目標(biāo)下用于結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在外界環(huán)境改變時(shí),通過該網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測新的受力狀態(tài)信息所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)控制量。主要研究了訓(xùn)練樣本的產(chǎn)生機(jī)制,并分析了樣本數(shù)量、樣本種類等因素對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測性能的影響;采用粒子群算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),使得改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠跳出局部最優(yōu)解;針對(duì)反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)缺失問題,利用k近鄰算法進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充再預(yù)測,解決主動(dòng)張弦梁結(jié)構(gòu)對(duì)于缺失采集數(shù)據(jù)時(shí)的控制問題。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU399
【圖文】：

１．２．１．１結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的概念逡逑結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制起源于古埃及，公元前３００年，Ａｌｅｘａｎｄｒｉａ利用用蒸汽驅(qū)動(dòng)的裝置來打逡逑開石門。隨后例如吊橋（圖１．１）等單自由度的主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)也得以應(yīng)用。隨著機(jī)械化的逡逑進(jìn)步，工業(yè)革命后，活動(dòng)的體育場等多自由度主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，在控制規(guī)模和控制逡逑精度上都有較大的難度。逡逑圖１．１重建后的吊橋逡逑Ｙａｏ［３］首先將結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制引入土木工程中，并將其應(yīng)用于高層建筑中，增強(qiáng)高層建筑逡逑抵抗風(fēng)暴的能力。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制可定義為：將傳感器和作動(dòng)器引入結(jié)構(gòu)，使其可根據(jù)外界逡逑條件變化來改變結(jié)構(gòu)的響應(yīng)［４］。逡逑傳感系統(tǒng)和作動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展是結(jié)構(gòu)能進(jìn)行主動(dòng)控制的前提，隨著科技的進(jìn)步，智能材逡逑料的研究以及傳感作動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展使得結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制得以實(shí)現(xiàn)。逡逑傳感器是傳感系統(tǒng)的主要構(gòu)件，負(fù)責(zé)采集外界的環(huán)境信息以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。目前，在逡逑土木工程領(lǐng)域，越來越多功能各異的傳感器被應(yīng)用于工程實(shí)際。梅宇佳借助溫度傳感器，逡逑分析了國家體育場結(jié)構(gòu)在不同情況下的溫度場分布，研究了結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下的受力逡逑性能；孫斌［６］研發(fā)了邋一套無線風(fēng)速風(fēng)壓傳感系統(tǒng)

Ｃｈｏｉ邋等對(duì)電流變流體進(jìn)行初步研究，結(jié)果表明利用電流變流體驅(qū)動(dòng)器可獲得動(dòng)逡逑態(tài)可協(xié)調(diào)的智能復(fù)合材料。潘繼［１｜］將Ｌ型懸臂桁架的部分構(gòu)件替換為壓電材料作動(dòng)器，研逡逑究結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制問題（圖１．２）。逡逑ｉｋｉｉ邐媂逡逑（ａ）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦姡ǎ幔┤庵鶑埨w實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湾义线�？逡逑（ｂ）壓電作�?dòng)器邐（ｂ）邋Ｌｉｍ－ｔｅｃ作動(dòng)器逡逑圖丨．２懸臂桁架模型控制實(shí)驗(yàn)邐圖１．３三棱柱張拉整體模型實(shí)驗(yàn)逡逑機(jī)械作動(dòng)器是通過機(jī)械傳動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器的伸長縮短。ＡｖｎｅｒｌＭ用機(jī)械伸縮桿代逡逑替結(jié)構(gòu)中的壓桿，對(duì)三層張拉整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。李莎［１３］對(duì)Ｇｅｉｇｅｒ索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型逡逑試驗(yàn)，將結(jié)構(gòu)中所有單元均設(shè)計(jì)為可調(diào)長度的單元，研究結(jié)構(gòu)在外荷載作用下形狀恢復(fù)情逡逑況。孫鳳先［１４］設(shè)計(jì)了一個(gè)含主動(dòng)構(gòu)件的三棱柱張拉整體結(jié)構(gòu)模型（圖１．３），研究了荷載逡逑作用下結(jié)構(gòu)的位移及強(qiáng)度控制優(yōu)化問題，研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)主動(dòng)構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的逡逑３逡逑

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