Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0110

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0110
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Название доклада
Исследование и разработка комплекса научно-технических решений микроволнового зондирования для активного управления колебаниями зданий и сооружений
Докладчик
Баландин Дмитрий Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основная цель данного исследования состоит в разработке комплекса научно-технических решений в области активного управления колебаниями зданий и сооружений.
В ходе выполнения исследования решаются следующие задачи:
1. Разработка математических моделей высотных сооружений, подверженных действию динамических нагрузок.
2. Разработка алгоритмов управления колебаниями сооружений по принципу обратной связи на основе информации от измерительных устройств.
3. Создание экспериментального образца микроволнового датчика смещения (ЭО МДС) и проведение его экспериментальных испытаний.
4. Разработка и создание аппаратно-программного комплекса сбора и обработки данных о деформациях элементов конструкций в реальном времени для формирования сигналов управления в системе активного гашения колебаний зданий и сооружений.
5. Разработка конструктивно-технологических принципов создания интегральной схемы микроволнового датчика смещения (ИС МДС), обеспечивающих миниатюризацию перспективного аппаратно-программного комплекса.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность проблем управления колебаниями в строительстве непрерывно возрастает в связи с увеличением размеров пролетов конструкций, применением высокопрочных материалов, ужесточением технологических и санитарных требований. В настоящее время усилия ученых стран Западной Европы, США, Японии, Китая, направлены на координацию и углубление фундаментальных исследований в области теории систем активного управления колебаниями, вовлечение новейших инновационных решений из смежных областей. Данное исследование посвящено вопросам активного гашения колебаний строительных конструкций при действии динамических нагрузок и созданию опережающего научно-технического задела в этой области. При выполнении настоящего исследования основное внимание уделено направлениям, связанным с созданием концепции нового поколения сенсорных систем мониторинга и с разработкой новых робастных алгоритмов оптимального гашения колебаний строительных конструкций с учетом неполной информации о действующих возмущениях и параметрах математической модели.
Описание исследования

Проблема снижения колебаний конструкций и механизмов стоит достаточно давно и все более усложняется при переходе к большим скоростям, частотам и нагрузкам. К настоящему времени предложено значительное число технических решений, направленных на снижение вибраций, тем не менее, задача синтеза систем, обеспечивающих эффективную виброзащиту и обладающих ограниченными габаритами, остается актуальной до сих пор. Задачу виброзащиты объектов с точки зрения фундаментальных исследований целесообразно представлять как задачу автоматического управления. В качестве функциональной схемы виброзащиты некоторой конструкции (например, высотное здание, мост или башенный кран), подверженной внешним нагрузкам (например, сейсмическим, ветровым или техногенным) удобно рассмотреть схему, согласно которой на конструкцию действуют внешние возмущения, приводящие ее, как правило, в колебательное движение, с учетом измеренных характеристик которого, управляющее устройство формирует по принципу обратной связи дополнительные силовые воздействия на конструкцию, снижающие в конечном счете уровень ее колебаний. По такому принципу организовано большинство известных систем виброзащиты или систем гашения колебаний конструкций и механизмов.

Отличительной особенностью данного исследования является изучение задач активного гашения колебаний с единых позиций постановки и решения проблем управления динамическими объектами, функционирующими в условиях неопределенности воздействий и параметров объекта. Именно, непредсказуемость сейсмических и ветровых воздействий, а также сложность в точном задании параметров математической модели колебаний конструкции создают значительные трудности в нахождении законов и алгоритмов управления, а также оценки показателей качества виброзащиты. Другой важной отличительной чертой исследования является разработка принципиально новых измерительных устройств, позволяющих получать в реальном масштабе времени данные о деформированном состоянии строительной конструкции и использовать их в контуре обратной связи для формирования управляющих воздействий. 

Данное научное исследование носит комплексный и междисциплинарный характер и включает следующие основные разделы.

1.Теоретические исследования, связанные с созданием математических моделей строительных конструкций и синтезом законов управления этими объектами с учетом неопределенности действующих возмущений и параметров математической модели конструкции; нахождение предельных возможностей управления по гашению колебаний конструкции по различным показателям качества.

2. Разработка концепции принципиально новых измерительных устройств – датчиков деформации и смещения, позволяющих в реальном времени измерять деформации конструкции в различных ее узлах.

3. Разработка (на основе созданных моделей и синтезированных законов) новой системы управления строительными конструкциями по принципу обратной связи с использованием преимуществ разработанных датчиков.

4. Компьютерные и экспериментальная верификация эффективности разработанной системы; практическая оценка показателей качества гашения колебаний конструкций; сопоставление с полученными теоретическими результатами.

Основные подходы и методы для решения исследовательских задач сформировались в результате выполнения ряда научных проектов в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского (ННГУ).  В ННГУ в течение последних 15 лет активно ведутся исследования в области фундаментальной теории управления и ее приложений к задачам управления механическими системами. Для исследования таких задач применяются современные методы теории управления, базирующихся на решении линейных матричных неравенств. Теория линейных матричных неравенств позволяет универсальным образом для широкого класса динамических систем строить законы управления в форме обратной связи, в том числе и для объектов с неточно известными внешними воздействиями и параметрами самого объекта (в этом случае используется термин «робастное» управление). При разработке измерительных устройств используется метод микроволновой интерферометрии, который применим для контроля не только вибраций, но и статических, а также динамических процессов деформации, представляющих значительную опасность для целостности элементов конструкций зданий, инженерных сооружений и технологического оборудования.

 

 

Результаты исследования

1. Разработана математическая модель многоэтажного здания в виде линейной системы упруго-связанных материальных точек с учетом дифференциальных уравнений, описывающих  динамику гасителя колебаний. Разработан алгоритм обратной связи и проведен анализ его работы. В качестве базового используется алгоритм гибридного управления, включающего пассивную часть (пружины и демпфера) и контур активного управления, формируемого на основе информации от измерительных устройств. При формировании активного управления используется информация о смещении этажей относительно друг друга. На основе результатов численного моделирования проведен анализ на предмет оптимального места размещения гибридного гасителя, микроволновых датчиков смещения (МДС) и их количества. Разработан алгоритм поиска оптимальных параметров обратной связи с использованием методов решения линейных матричных неравенств и поисковых методов оптимизации. 
2. Определена структура экспериментального стенда аппаратно-программного комплекса (ЭС АПК) в составе следующих основных технических компонентов: макеты МДС – 3 шт., контрольные датчики смещения – ФМК-301 – 3 шт., генератор сигналов синхронизации – 1 шт., сервер локальной сети Ethernet 100 общего назначения – 1 шт.; вспомогательные технические компоненты: кабельные сети для разводки информационных сигналов, синхронизации, питания, источники питания. 
3. Реализован алгоритм обработки и преобразования сигналов микроволнового датчика смещения в экспериментальном стенде аппаратно-программного комплекса и проведена отладка его подпрограмм. Выполнено математическое моделирование разработанных вариантов структурной диаграммы ИС МДС. Проанализированы результаты математического моделирования структурной диаграммы ИС МДС. В рамках выбранного технологического процесса создаются принципиальные схемы ключевых элементов ИС МДС. 

Результаты исследований доложены на Европейской конференции по управлению (Ольборг, Дания, 29 июня - 1 июля 2016 года), XIII Международной конференции "Устойчивость и колебания нелинейных систем управления" (Москва, ИПУ РАН, 1-3 июня 2016 года), Двадцатой научной конференции по радиофизике (Нижний Новгород, ННГУ, 12 мая 2016 года), X Всероссийской научной конференции "Нелинейные колебания механических систем" (Нижний Новгород, ННГУ, 26-29 сентября 2016 года).

 

Практическая значимость исследования
Результаты исследовательского проекта, представляемые в данном докладе, предназначены для предприятий строительной индустрии - проектных институтов и строителей объектов в зонах повышенной сейсмической активности, высотных сооружений и сложных объектов транспортной инфраструктуры (мосты, путепроводы, тоннели), а также для предприятий радиоэлектронной отрасли, которые смогут начать производство перспективных аппаратно-программных комплексов, реализующих как полную систему активного управления колебаниями строительных конструкций, так и отдельных ее компонентов (микроволновые датчики смещения).