CN107975014A - 用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置，包括闸门主框架和安装在闸门主框架上的若干作动器，闸门主框架包括平行设置的两个纵梁和两个主横梁，两个纵梁和两个主横梁组成一个矩形，在纵梁和主横梁的四个连接处，分别连接有四个支臂，在每个支臂上分别设置有一个作动器。可以通过在支臂上布置压电堆作动器对参数振动进行主动控制。本发明还公开了利用该控制装置进行的控制方法，包括步骤1，信号采集，步骤2，计算位移和速度，步骤3，计算处理得到最优控制电压，步骤4，将最优控制电压转换成控制力矩M，利用该控制力矩对弧形闸门的参数振动进行主动控制。

Description

用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置及控制方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，涉及一种用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置，本发明还涉及利用该主动控制装置进行的控制方法。

背景技术

水工弧形钢闸门是水工建筑物中运用最为广泛的闸门形式之一，其安全可靠地运行是大坝安全泄洪的重要保障。弧形钢闸门的振动问题是普遍存在的，已经有某些水利工程的弧形钢闸门因发生严重振动而破坏，造成了严重的经济损失。

弧形钢闸门的参数振动是近年来学术界和工程界关注的热点，对闸门的危害在特定条件下远超其他类型的振动，目前对弧形钢闸门参数振动问题的研究主要集中在求解弧形钢闸门的动力不稳定区域、探讨闸门发生参数共振的条件和动力失稳的判定上，尚无对参数振动控制方法的研究，尤其对于正在运行的弧形钢闸门更是很难通过优化结构设计方案或水力条件来改善动力稳定性。因此，弧形钢闸门参数振动的控制方法还有待进一步深入研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置，可以通过在支臂上布置压电堆作动器对参数振动进行主动控制。

本发明所采用的技术方案是，一种用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置，包括闸门主框架和安装在闸门主框架上的若干作动器，闸门主框架包括平行设置的两个纵梁和两个主横梁，两个纵梁和两个主横梁组成一个矩形，在纵梁和主横梁的四个连接处，分别连接有四个支臂，在每个支臂上分别设置有一个作动器。

本发明的特点还在于，

在每个纵梁的下方平行设置有两个弦杆，两个弦杆均与纵梁平行，且两端分别固定连接于两个支臂上，两个支臂的一端与上方的主横梁和纵梁的连接处固定，另一端均固定在支铰上。

作动器设置在支臂分别与两个弦杆的固定点之间的一段上。

作动器，包括固定在支臂上的上横梁和下横梁。

上横梁和下横梁共同构成一个II形的固定结构，II形结构焊接在支臂上。

在下横梁的两端分别固定一个压电堆作动器，压电堆作动器上安装有力传感器，力传感器通过螺栓与上横梁固定连接。

本发明的另一目的是提供该装置的控制方法。

本发明的另一技术方案是，一种利用上述控制装置进行控制的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，由加速度传感器进行信号采集，加速度传感器设置在支臂上，测得支臂2的振动反应信号，

步骤2，步骤1中测量的数据传输至A/D转换卡，将数字信号输入到控制器内，并由控制器计算出位移和速度，

步骤3，将步骤2中得到的数据，在控制器中进行进一步的计算和处理后，得到压电堆作动器的最优控制电压，具体计算方法为，

利用公式(1)，进行计算，

式中，M、C、K和S∈R^n×n分别为空间主框架的质量矩阵、阻尼矩阵、弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵，阻尼采用瑞利阻尼；

X(t)∈Rⁿ分别为加速度、速度和位移向量；t表示时间，

P₀+P_tcosθt＝P为参数荷载，施加在主梁节点处并指向支臂，其中P₀为时均压力，P_t为脉动压力幅值，θ为脉动压力主频率；

B_s∈R^n×m为主动控制力的位置矩阵，

K_m∈R^m×m为对角矩阵，其对角线元素由压电堆作动器所采用的压电材料参数，U(t)∈R^m为压电堆作动器装置的控制电压向量；

根据主动控制的最优控制原理，最优控制电压的计算公式为：

U(t)＝-GZ(t)

G为最优反馈增益矩阵，为求得的已知量，

步骤4，将步骤3中计算出的控制电压向量U(t)数据经由D/A转换卡后，再通过低通滤波器，最后输入到驱动电源，从而在作动器的左右两边分别产生大小相同、方向相反的最优控制力F，从而使作动器形成控制力矩M，利用该控制力矩对弧形闸门的参数振动进行主动控制。

本发明的有益效果是，通过应用提出的弧形钢闸门参数振动主动控制方法，可以有效减小弧形钢闸门参数振动的动力响应，远离动力不稳定区域，使其能够安全可靠地运行。

附图说明

图1是弧形钢闸门主框架的结构示意图；

图2是参数振动主动控制的作动器布置位置示意图；

图3是控制方法中涉及的各个模块之间的示意图。

图中，1.作动器，2.支臂，3.纵梁，4.主横梁，5.弦杆，6.支铰，7.上横梁，8.螺栓，9.力传感器，10.压力堆作动器，11.下横梁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置，如图1所示，包括闸门主框架和安装在闸门主框架上的若干作动器1，

闸门主框架包括平行设置的两个纵梁3和两个主横梁4，两个纵梁3和两个主横梁4组成一个矩形，在纵梁和主横梁的四个连接处，分别连接有四个支臂2，在每个支臂2上分别设置有一个作动器1。在每个纵梁3的下方平行设置有两个弦杆5，两个弦杆5均与纵梁平行，且两端分别固定连接于两个支臂上，两个支臂2的一端与上方的主横梁和纵梁的连接处固定，另一端均固定在支铰6上。

两个弦杆的长度不同。

在支臂2分别与两个弦杆5的固定点之间的一段上，设置有作动器1，

作动器1的结构，如图2所示，包括固定在支臂2上的上横梁7和下横梁11，上横梁7和下横梁11共同构成一个II形的固定结构，与支臂2连接在一起，在下横梁11的两端分别固定一个压电堆作动器10，压电堆作动器10上安装有力传感器9，力传感器通过螺栓8与上横梁固定连接。II形结构焊接在支臂上。

本发明中的作动器1的工作过程为，在使用时先在压电堆作动器上预加电压，然后在右边进行增加电压产生拉力F，左边进行减小电压产生压力F，从而形成控制力矩M，从而对支臂的参数振动变形进行主动控制。

本发明利用上述的装置进行控制的方法，如图3所示，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，由加速度传感器进行信号采集，加速度传感器设置在支臂上，测得支臂2的振动反应信号，

步骤2，步骤1中测量的数据传输至A/D转换卡，将数字信号输入到控制器内，由控制器计算出位移和速度。

步骤3，将步骤2中得到的数据，在控制器中进行进一步的计算和处理后，得到压电堆作动器的最优控制电压，具体的计算方法为，

利用公式(1)，进行计算，

式中，M、C、K和S∈R^n×n分别为空间主框架的质量矩阵、阻尼矩阵、弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵，阻尼采用瑞利阻尼；质量矩阵、阻尼矩阵、弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵这几个矩阵是常量矩阵，只要一个结构给定，那么就可以用有限元法求得矩阵的具体表达形式，瑞利阻尼为常量，只要一个结构给定，就默认是个常量，

X(t)∈Rⁿ分别为加速度、速度和位移向量；t表示时间。

P₀+P_tcosθt＝P为参数荷载，施加在主梁节点处并指向支臂，其中P₀为时均压力，P_t为脉动压力幅值，θ为脉动压力主频率；参数载荷是作用在闸门上的荷载，对于给定的结构，作用在其上的荷载就是确定的。

B_s∈R^n×m为主动控制力的位置矩阵(作动器的分布位置矩阵)，

K_m∈R^m×m为对角矩阵，其对角线元素由压电堆作动器所采用的压电材料参数(压电应变常数、压电材料厚度及面积、压电材料弹性模量等)，

U(t)∈R^m为压电堆作动器装置的控制电压向量。

根据主动控制的最优控制原理，最优控制电压的计算公式为：

U(t)＝-GZ(t)

G为最优反馈增益矩阵，为求得的已知量，

步骤4，将步骤3中计算出的控制电压向量U(t)数据经由D/A转换卡后，再通过低通滤波器，最后输入到驱动电源，从而在作动器的左右两边分别产生大小相同、方向相反的最优控制力F，从而使作动器形成控制力矩M，利用该控制力矩对弧形闸门的参数振动进行主动控制。

Claims (7)

1.一种用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置，其特征在于，包括闸门主框架和安装在闸门主框架上的若干作动器(1)，所述的闸门主框架包括平行设置的两个纵梁(3)和两个主横梁(4)，所述的两个纵梁(3)和两个主横梁(4)组成一个矩形，在纵梁和主横梁的四个连接处，分别连接有四个支臂(2)，在所述的每个支臂(2)上分别设置有一个作动器(1)。

2.根据权利要求1所述的用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置，其特征在于，在所述的每个纵梁(3)的下方平行设置有两个弦杆(5)，所述的两个弦杆(5)均与纵梁平行，且两端分别固定连接于两个支臂上，所述的两个支臂(2)的一端与上方的主横梁和纵梁的连接处固定，另一端均固定在支铰(6)上。

3.根据权利要求1所述的用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置，其特征在于，所述的作动器(1)设置在所述的支臂(2)分别与两个弦杆(5)的固定点之间的一段上。

4.根据权利要求1所述的用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置，其特征在于，所述的作动器(1)，包括固定在支臂(2)上的上横梁(7)和下横梁(11)。

5.根据权利要求4所述的用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置，其特征在于，所述的上横梁(7)和下横梁(11)共同构成一个II形的固定结构，所述的II形结构焊接在支臂上。

6.根据权利要求4所述的用于水工弧形钢闸门参数振动主动控制的装置，其特征在于，在所述的下横梁(11)的两端分别固定一个压电堆作动器(10)，所述的压电堆作动器(10)上安装有力传感器(9)，所述的力传感器通过螺栓(8)与上横梁固定连接。

7.一种利用权利要求1中所述的装置进行控制的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，由加速度传感器进行信号采集，所述的加速度传感器设置在支臂上，测得支臂2的振动反应信号，

步骤2，步骤1中测量的数据传输至A/D转换卡，将数字信号输入到控制器内，并由控制器计算出位移和速度，

步骤3，将步骤2中得到的数据，在控制器中进行进一步的计算和处理后，得到压电堆作动器的最优控制电压，具体计算方法为，

利用公式(1)，进行计算，

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式中，M、C、K和S∈R^n×n分别为空间主框架的质量矩阵、阻尼矩阵、弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵，阻尼采用瑞利阻尼；

所述的X(t)∈Rⁿ分别为加速度、速度和位移向量；t表示时间，

所述的P₀+P_tcosθt＝P为参数荷载，施加在主梁节点处并指向支臂，其中P₀为时均压力，P_t为脉动压力幅值，θ为脉动压力主频率；

所述的B_s∈R^n×m为主动控制力的位置矩阵，

所述的K_m∈R^m×m为对角矩阵，其对角线元素由压电堆作动器所采用的压电材料参数，U(t)∈R^m为压电堆作动器装置的控制电压向量；

根据主动控制的最优控制原理，最优控制电压的计算公式为：

U(t)＝-GZ(t)

G为最优反馈增益矩阵，为求得的已知量，

步骤4，将步骤3中计算出的控制电压向量U(t)数据经由D/A转换卡后，再通过低通滤波器，最后输入到驱动电源，从而在作动器的左右两边分别产生大小相同、方向相反的最优控制力F，从而使作动器形成控制力矩M，利用该控制力矩对弧形闸门的参数振动进行主动控制。