空间柔性结构的变结构控制器设计

2024-04-07

空间柔性结构的变结构控制器设计（通用12篇）

篇1：空间柔性结构的变结构控制器设计

空间柔性结构的变结构控制器设计

对于一类由中心刚体和挠性臂构成的.空间柔性结构,采用变结构控制理论设计了空间柔性结构控制器,并证明了闭环系统的稳定性.所设计的控制律可在控制柔性结构位置的同时有效抑制其高频振动,仿真结果验证了所提出方法的有效性.

作者：万海轶作者单位：北京航空航天大学第七研究室,北京,100083刊名：科技创新导报英文刊名：SCIENCE AND TECHNOLOGY INNOVATION HERALD年，卷(期)：“”(10)分类号：V24关键词：空间柔性结构振动控制变结构控制稳定性分析

篇2：空间柔性结构的变结构控制器设计

柔性空间结构时间-燃料多目标优化控制研究

针对柔性航天器的rest-to-rest机动问题,研究了基于最小时间-最少耗能的多目标优化开环控制问题.提出了空间柔性结构最小时间-最少耗能的`多目标优化控制模型;然后采用非支配排序进化求解算法(NSGA-II),对某柔性结构进行了多目标优化控制的分析设计;通过典型算例证明了本文算法的正确性和有效性,并可应用于柔性航天器姿态机动控制器的分析设计之中.

作者：刘泽明张青斌丰志伟杨涛 LIU Ze-ming ZHANG Qing-bin FENG Zhi-wei YANG Tao 作者单位：国防科技大学航天与材料工程学院,长沙,410073刊名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS年，卷(期)：201031(3)分类号：V412.4+2关键词：多目标优化柔性航天器姿态机动 Multiobjective optimization Flexible spacecraft Attitude maneuvers

篇3：地下空间结构裂缝控制与防水设计

近十多年来,伴随着国内城市化进程的加快,基础设施建设、商品住宅建设飞速发展,随着钢筋混凝土结构的长大化和复杂化,混凝土结构裂缝问题显得尤为突出,结构裂缝出现机率大大增加,有些已危及结构的安全性和耐久性,有的地下工程裂缝渗漏已影响其使用功能。一方面,商品混凝土广泛应用,其组成复杂,材料性质波动大,且普遍采用掺合料和外加剂,使混凝土具有较高的收缩变形;而对利益的最大追求,使有些建设单位在建筑物构造设计上往往偷工减料;对施工进度的追求,则使某些施工单位往往不重视规范对施工养护等方面的严格规定;这些都是造成裂缝大量出现的重要原因。另一方面,客观上,设计和施工人员实际上也缺乏有效的指导,尤其缺乏切实可行的材料控制措施,这已成为当前混凝土结构裂缝控制的最大瓶颈。

地下空间结构包括各类指挥所工程、大型地下商场、大型地下车库、地下医院、公路隧道、高层住宅、别墅等的地下室工程和水池等给排水及环境工程等建设项目。考虑到此类工程的抗渗防裂性能对其正常使用及运转有着至关重要的作用,地下空间的结构设计必须重视裂缝的控制。本文主要探讨在地下空间结构设计中如何有针对性地避免破坏性裂缝的产生,并阐述对相关问题的认识与在设计中可以采用的构造措施。

2 地下混凝土结构裂缝的成因

钢筋混凝土结构在受力状态下出现裂缝是一种普遍存在的现象,如混凝土因荷载作用下的拉应力、或是温度收缩引起的拉应力等而出现的裂缝等。一般来说,在普通的钢筋混凝土结构中要求完全避免出现裂缝,是不现实也是完全没有必要的。钢筋混凝土结构出现裂缝是不可避免的,在保证结构安全和耐久性的前提下,裂缝是人们可接受的材料特征。

钢筋混凝土结构在受力时,只有产生一定量的形变,才能发挥钢筋的作用。混凝土的受拉形变往往伴随着裂缝的产生,当裂缝宽度控制在不影响结构件的受力性能、使用性和耐久性时,这些裂缝是正常的结构裂缝,无须处理;而过大宽度的裂缝,就会影响到结构的安全、适用和耐久性,这种裂缝可称为破坏性裂缝。破坏性裂缝一旦出现,必须进行相应的处理。针对地下空间结构的防渗漏的功能要求,有关钢筋混凝土地下结构设计的规范、规程对裂缝控制有具体的规定。

结构裂缝产生的原因很复杂,根据国内外的调查资料,引起裂缝有两大类原因,一种由外荷载(如静、动荷载)的直接应力和结构次应力引起的裂缝,其机率约20%;一种是结构因温度、膨胀、收缩、徐变和不均匀沉降等因素由变形变化引起的裂缝,其机率约80%。裂缝发生与材料、设计、施工和维护有关,为了在地下空间结构设计中做好裂缝控制工作,有必要先对地下空间结构中易发生破坏性裂缝的各种情况作一了解。

2.1 荷载作用造成的裂缝

地下混凝土结构荷载裂缝是由于结构物受到外荷载(各种恒、活载;水、土压力;地基反力等)作用下,导致混凝土内部产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度,使混凝土产生裂缝。

此种裂缝多为楔形裂缝,可分为弯曲裂缝、剪切裂缝、扭转裂缝。由于混凝土是典型的脆性材料,抗裂强度很低,因此,在设计中,荷载裂缝主要通过设置受力钢筋加以控制。

对地下结构来说,设计时一般容易由下列因素造成:各种工况下的水位变化、地质资料、水温及气温等各种环境参数等的基础资料有误或设计中遗漏某种极端工况;结构建模有缺陷,造成内力计算值与实际受力状况有较大偏差;设计中对一些内力和变形控制点、应力集中点把握不准,或忽视次要构件对内力分配的影响;计算不细致或漏算;构造措施不当等。

另外,除设计应考虑的工况外,其他由于施工不当、周边环境的突发因素或因擅自改变使用条件等原因造成的荷载变化,本文不作论述。

2.2 混凝土收缩和温湿差变形造成裂缝

2.2.1 温差收缩

水泥水化是个放热过程,其水化热为165J/g～250 J/g,随混凝土水泥用量提高,其绝热温升可达50℃～80℃。研究表明,当混凝土内外温差10℃时,产生的冷缩值εc=△T/α10/110-5=0.01%,如温差为20℃～30℃时,其冷缩值为0.02%～0.03%,当其大于混凝土的极限拉伸值时,则引起结构开裂。混凝土在其硬化期间放出的大量水化热,使得混凝土结构内部的温度不断上升,以致在结构表面引起拉应力;在其后期的降温收缩过程中,又由于受到支座及周边混凝土的约束而在混凝土结构中出现拉应力。因此,地下工程结构中的混凝土早期收缩裂缝主要出现在裸露表面,混凝土硬化后的收缩裂缝出现在结构件的中部附近较多。

由于环境温度的变化,会使混凝土构件产生热胀冷缩,这种由气候变化产生的温差,在地下工程结构设计中称为中面季节温差。而混凝土结构温度分布不均,也会在结构内产生温度应力。影响混凝土结构温度分布的外部因素包括接触媒介的温度、风速和结构方位朝向。内部因素主要有混凝土的导热系数、水化热、结构形状、是否有铺装层、结构表面颜色等。

中面季节温差产生的温度应力一般可通过设置伸缩变形缝或在混凝土中添加外加剂,以及采用设置加强带、后浇带等措施解决,此类方法一般还能同时消减水化热的影响。壁面温(湿)差一般由于池壁两侧接触的介质具有不同的温度和湿度,从而形成的壁面温差和湿差,使得温(湿)度较低一侧的结构受拉,从而产生裂缝。这种壁面温(湿)差应作为一种荷载作用,在结构设计中应进行相应的结构裂缝验算。

2.2.2 塑性收缩

混凝土初凝之前出现泌水和水分急剧蒸发,引起失水收缩,此时骨料与水泥之间也产生不均匀的沉缩变形,它发生在混凝土终凝之前的塑性阶段,故称为塑性收缩。其收缩量可达1%左右。在混凝土表面上,特别在抹压不及时和养护不良的部位出现龟裂,宽度达1mm～2mm,属表面裂缝。水灰比过大,水泥用量大,外加剂保水性差,粗骨料少,振捣不良,环境温度高,表面失水大等都能导致混凝土塑性收缩而发生表面开裂现象。

2.2.3 自生收缩

密封的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低,称为自干燥。自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生负压,因而引起混凝土的自生收缩。高水灰比的普通混凝土(OPC)由于毛细孔隙中贮存大量水分,自干燥引起的收缩压力较小,所以自生收缩值较低而不被注意。但是,低水灰比的高性能混凝土(HPC)则不同,早期强度较高的发展率会使自由水消耗较快,以至使孔体系中的相对湿度低于80%。而HPC结构致密,外界水泥很难渗入补充,在这种条件下开始产生自干收缩。研究表明,龄期2个月水胶比为0.4的HPC,自干收缩率为0.01%,水胶比为0.3的HPC,自干收缩率为0.02%。HPC的总收缩中干缩和自收缩几乎相等,水胶比越小自收缩所占比例越大。由此可知,HPC的收缩性与OPC完全不同,OPC以干缩为主,而HPC以自干收缩为主。问题的要害是:HPC自收缩过程开始于水化速率处于高潮阶段的头几天,湿度梯度首先引发表面裂缝,随后引发内部微裂缝,若混凝土变形受到约束,则进一步产生收缩裂缝。这是高标号混凝土容易开裂的主要原因之一。

2.3 由于材料质量和构造不良造成的裂缝

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂所组成。要避免地下结构产生破坏性裂缝,混凝土用料是否适当及材料质量能否保证,起着重要的作用。因用料不当或材料质量有问题而造成的裂缝,即便经修复后能满足正常使用,但往往仍留有隐患,所以一定要注重事前的防范。有研究表明,水泥加水后变成水泥硬化体,其绝对体积减小。每100g水泥水化后的化学减缩值为7mL～9mL,如混凝土水泥用量为350kg/m3,则形成孔缝体积约25 L/m3～30L/m3之巨。这是混凝土抗拉强度低和极限拉伸变形小的根本原因。研究表明,每100g水泥浆体可蒸发水约6mL,如混凝土水泥用量为350kg/m3,当混凝土在干燥条件下,则蒸发水量达21L/m3。毛细孔缝中水逸出产生毛细压力,使混凝土产生“毛细收缩”。由此引起水泥砂浆的干缩值为0.1%～0.2%;混凝土的干缩值为0.04%～0.06%。而混凝土的极限拉伸值只有0.01%～0.02%,故易引起干缩裂缝。

2.4 减水剂的影响造成的裂缝

人们发现,自上世纪80年代中期推广商品(泵送)混凝土以来,结构裂缝普遍增多,这是为什么呢?除了与混凝土的水泥用量和砂率提高有关外,人们忽视了减水剂引起的负面影响。例如,过去干硬性及预制混凝土的收缩变形约为4×10-4～6×10-4,而现在泵送混凝土收缩变形约为6×10-4～8×10-4,使得混凝土裂缝控制的技术难度大大增加。研究表明,在混凝土配合比相同情况下,掺入减水剂的坍落度可增加100mm～150mm,但是它与基准混凝土的收缩值相比,却增加120%～130%。所以,在《混凝土减水剂》(GB138076-97)中规定掺减水剂的混凝土与基准混凝土的收缩比≤135%。研究表明,掺入不同类型的减水剂混凝土的收缩比是不相同的,一般是:木钙减水剂>萘磺酸盐减水剂>三聚氰胺减水剂>氨基磺酸减水剂>聚丙烯酸减水剂。这说明,商品混凝土浇筑的结构开裂机率大与减水剂带来负面影响有关。其机理尚不清楚。

以上是从水泥混凝土物理化学特性分析其各种收缩现象,早期塑性收缩会导致结构出现表面裂缝,混凝土进入硬化阶段后,混凝土水化热使结构产生温差收缩和干燥收缩(包括自干收缩),这是诱发裂缝的主要原因。近十年大量使用商品混凝土,开裂增加,除与单方混凝土水泥和掺合料用量增加外,减水剂增加混凝土收缩值变形的负面影响也是一个重要因素。

有关地下工程结构的节点等细部构造要求在相应的规范、规程中有规定。设计时应注意使地下结构的整体满足结构选型及布置的合理性外,同时还应保证所采用的结构的计算模型与实际受力状态一致,这就需要通过构造措施来实现。如果设计采用的构造措施不当或缺失,就会使结构实际受力情况与计算模型不符,从而难免在结构中形成薄弱部位以致产生破坏性裂缝。

3 地下空间结构设计中的裂缝控制

王铁梦先生将设计构造上的措施归纳为两大类:“抗”与“放”。“抗”的原则是通过提高混凝土结构的抗拉强度和极限拉伸,来抵抗混凝土干缩和温度变形;“放”的原则是通过创造混凝土结构自由变形的条件,来释放混凝土干缩和温度变形。两大原则并不对立,可以“抗拉兼施”。

在结构设计上,“抗”的原则通常体现在对混凝土构件进行适当增加的配筋———其精髓为“细筋密布”,也就是说,在同样配筋率的条件下,尽可能用细直径的钢筋,使钢筋的间距密一些,增加混凝土结构的极限拉伸,从而抵抗混凝土干缩和温度变形。“放”的原则通常体现在留设变形缝上,可设置伸缩缝、收缩后浇带、沉降后浇带等。

根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB 50069–2002)[2]要求,裂缝控制通过抗裂度验算、裂缝开展宽度验算和构造措施来实现。

对轴心受拉或小偏心受拉构件,应按不出现裂缝控制进行抗裂度验算。此时,构件的抗裂性能主要由混凝土抗拉强度和构件受拉截面大小决定。对受弯或大偏心受拉(压)构件,应按限制裂缝宽度控制,在水池设计中以此类工况最多。

规范[2,3]推荐的裂缝宽度验算公式如下:

式中,ωmax为最大裂缝宽度,mm;Φ为裂缝间受拉钢筋不均匀系数,0.4～1.0;σsq为纵向受拉钢筋应力,N/mm2;Es为钢筋弹性模量,N/mm2;c为混凝土保护层厚度,mm;d为纵向受拉钢筋直径,mm;ρte为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率;ν为纵向受拉钢筋表面系数;α1、α2为按受弯或大偏心受拉(压)情况所采用的系数;ftk为混凝土轴向抗拉强标准值,N/mm2。

设计时,一般先根据强度计算结果初步确定配筋,然后进行裂缝宽度验算。在地下室与水接触的结构中,最大裂缝宽度一般应控制在0.2mm或0.25mm。运用上述公式进行验算时,可归纳出一些在相同配筋率下有利于裂缝控制的因素。例如,采用直径较细的钢筋,或较高抗拉强度的混凝土等。

下面,根据分析裂缝成因来探讨如何在设计中采取恰当的措施以控制裂缝的发生和发展。

3.1 荷载作用裂缝的控制

荷载作用裂缝的控制,就是要求在设计时对结构各部位可能产生最大拉应力的截面进行计算分析,使之满足裂缝控制的要求。故,应在结构设计的基础资料的收集使用中做到完整、准确。这是因为:地下水位和土层情况的不同,会使地下室外墙的设计水土压力产生很大变化;基础持力层的不同可能直接影响基础结构形式和沉降变形情况;气象资料,决定了温(湿)度应力计算的可靠性。

在掌握了全面可靠的荷载作用基础资料后,就需要对结构建立正确的计算模型和选择合理的荷载组合,以确保其内力及变形的计算值与工程的实际工作情况一致。一般而言,此设计阶段的主要问题如下。

1)基础梁、板计算时采用的地基假定是否合理。目前,计算地基反力的三种假定[4](地基反力直线分布假定、文克尔假定、半无限弹性体假定)的计算结果出入较大,所以,应根据各假定的适用条件,采用与实际情况最为接近的理论进行计算。

2)支座假定是否合理。地下室顶板、壁板、底板连接部位的支承条件决定了各构件的支座假定,采用合理的支座假定才能据此计算出正确的内力分布。

3)荷载最不利组合是否选择正确。一般比较容易疏漏的是施工、检修阶段的荷载组合。

4)极端温(湿)差出现的部位及取值是否有误等。

设计时,一般应首先根据结构方案进行初步的荷载和内力计算。通过对计算结果的分析来进一步调整结构受力体系,尽量使地下结构的各部位都能做到结构合理、受力明确、经济可靠。然后对整体结构所有结构件进行详细的力学计算,得到在各个起控制作用的工况下各控制断面的内力设计控制值。在截面配筋设计中,应区分各构件是否需进行裂缝控制设计,若需进行裂缝控制设计,则应根据其受力性质分别进行抗裂度验算或裂缝开展宽度验算。通过调整配筋率、钢筋规格、混凝土标号或构件截面尺寸,来达到裂缝控制。

3.2 混凝土收缩和温湿差造成裂缝的控制

由于混凝土干缩和温度效应的复杂性,不论是手算还是弹性有限元分析的结果,与结构的时间情况均有较大的误差。计算结果可作为设计的参考,但不可以盲目依赖。结合以往的实际工程经验,在设计上采取构造措施,对控制混凝土结构的干缩和温度裂缝效果比较显著。

此类裂缝的控制首先应根据规范规定,严格掌握混凝土配比及其用料的品种规格和级配,同时对混凝土灌筑和养护提出设计要求。另外,对超长基础可采取设伸缩缝、掺添加剂和设加强带、后浇带等措施。

下面讨论超长基础的裂缝控制。根据现行规范[2,3]要求,现浇钢筋混凝土在基底为土基时,应每隔20m(地面式)或30m(地下式或有保温措施)设一道伸缩缝,当为岩基时减为15m和20m,当为装配整体式时可加长5m～10m。按此构造,一般能解除中面季节温差产生的温度应力,并消减混凝土收缩的影响。

伸缩缝的设置将结构完全切断,然而在具体设计中,有时会由于功能使用而难以做到,从而采用完全或不完全收缩缝来替代。这样做实现了伸缩缝的部分功能,在实际应用中一般也是有效的,但对于混凝土在温度作用下的伸展问题并未解决,而这有可能造成混凝土局部压碎的现象。因此,采用收缩缝除了在构造上应将表面开槽嵌填密封胶外,更重要的是设缝位置应尽量避开构件的主要受压区和应力集中区。

由于变形缝的设置需要采取严密的构造措施来保证,对节点处理、施工及材料等都有相当高的要求,其中任何一个环节的问题,都会造成较严重的后果。规范规定,当有经验时,可在混凝土中施加可靠的外加剂或设后浇带,减少其收缩变形,从而放宽伸缩缝的最大间距限制。在一些超长大体积混凝土的设计中,已开始越来越多地采用掺加添加剂、增设加强带、后浇带的方法,以减少或取消伸缩缝。

掺加添加剂主要是为了增强混凝土的均匀密实性能并消减混凝土自身结硬过程中的收缩变形。当混凝土的均匀密实性提高后,一旦混凝土因受力变形而开裂时,出现的裂缝较为细密,由此起到控制裂缝宽度的目的。

由于市场上各品牌型号的添加剂的性能和实际效果各不相同,同时规范中也明确了应以可靠经验作为采用依据,所以设计中应根据生产方提供的产品参数及使用方法,结合已有工程应用实例,针对具体项目协同生产方通过试配检测来确定采用型号、用量和做法。采用添加剂后,伸缩缝的设置间距可有效加大,但并不是可以无限增大。在超过现有添加剂产品的能力范围后,如果要求进一步加大伸缩缝间距或者不设缝,设计就应结合其他措施的采用以考虑其可能性。

抗裂防水剂类添加剂一般用在加强带处。如前所述,在混凝土收缩和温度应力最大处增设加强带来对超长地下室进行分割。在加强带处,一般用通过增加混凝土强度和抗裂防水剂类添加剂的掺量,同时在加强带内增配温度钢筋,来提高此处混凝土的膨胀率和抗拉强度,消除混凝土内累积的拉应力。

很多设计中采用了后浇带,规范也允许在设置后浇带后加大伸缩缝最大间距。实际上,纯粹从后浇带的意义上理解,其作用是相当有限的,因为后浇带只能解决混凝土初期收缩的应力和变形问题,而无法解决混凝土后期收缩应力和中面季节温差产生的温度应力。但是,后浇带两侧为贯通的施工缝,且其中设有止水带,实际上也可看作是设了两条构造不完整的不完全收缩缝。因此,即使经验证明后浇带能取代伸缩缝,也不说明是因为后浇带起的作用,而是因后浇带的设置而形成了收缩缝。

3.3 材料质量和构造不良造成裂缝的控制

在现行规范[3]中,对结构的材料作了相应的规定,设计时应注意遵守并针对具体项目提出更为明确和严格的要求。

首先,浇筑混凝土不应使用过期水泥或由于受潮而结块的水泥,否则将由于水化不完全而降低混凝土的抗渗性和强度。

其次,水灰比越大则混凝土中多余水分蒸发后形成的毛细孔也就越多,这些孔隙是造成混凝土开裂的主要原因。砂石粒径不均匀、级配不良、粗骨料粒径过大且含量过高、含泥量过高,都会降低混凝土的和易性和密实度,易使裂缝产生和发展。

另外,混凝土中采用的外加剂也应满足一定的要求,以免影响混凝土的抗裂性。

在保证材料质量的同时,结构各部位的构造是否合理可靠,同样对控制裂缝至关重要。设计时,首先要通过合理的构造措施来保证结构实际受力状态与整体计算模型的一致性,然后针对各个构件、节点,都应按其在结构体系中的作用,分别采用相应的构造做法。合理、细致的细部构造设计,能起到控制裂缝的作用。对于影响到整个结构体系的问题,一定要从确定结构方案起,就考虑好相应的构造措施。理想的计算模型必须有可靠且可行的构造措施来保证,而当难以实施相应的构造措施时,应调整计算模型使之符合实际受力情况。

4 结论

综上所述,从完整准确收集相关的基础资料开始,到采用合理的结构受力体系、准确细致的分析计算、全面可靠的结构截面设计与构造措施,直至最后的复核出图,对实现设计全过程的裂缝控制都非常重要。同时,设计中也要对材料的使用和施工养护提出明确要求,以避免由此引发裂缝。在设计中只有尽可能多地考虑到裂缝可能产生的因素,并通过各种措施消除隐患,才能最大限度地避免产生破坏性的裂缝。

摘要：钢筋混凝土地下空间结构的渗漏多由裂缝开始。裂缝的预防和控制,是钢筋混凝土地下空间结构设计中的要点。论文介绍了裂缝的成因及设计中控制裂缝的方法和设计构造措施。

关键词：裂缝成因,地下空间结构裂缝,裂缝预防和控制,防水设计

参考文献

[1]张雄.混凝土结构裂缝防治技术[M].北京:化学工业出版社,2007.

[2]GB 50069—2002给水排水工程构筑物结构设计规范[S].

[3]CECS138—2002给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].

[4]《给水排水工程结构设计手册》编委会.给水排水工程结构设计手册(第二版)[K].北京:中国建筑工业出版社,2007.

篇4：探析柔性臂结构和控制系统设计

关键词：柔性臂；结构和控制；系统设计

由于柔性机械臂系统建模的复杂性，要精确地建立其数学模型是非常困难的，因此，柔性臂系统建模中将不可避免地同时存在模型和参数的不确定性，通过比较不同控制策略的效率，或者通过减小如顶端负载等系统参数的不确定性，来寻求合适的控制器。同时，如何在主动控制系统中辅以被动控制也仍将是今后柔性机械手控制的研究内容之一。

一、结构和控制系统综合最优设计的研究现状

柔性臂结构和控制系统综合最优设计，是涉及结构动力学、最优化方法、控制理论、计算机与测试技术等多门学科的非常复杂的研究课题。当前，研究热点集中于柔性机器人系统，其典型结构为柔性机械臂。绝大多数的研究集中于建模和对柔性机械臂控制规律上，主要是将其作为均匀梁进行研究，希望建立更准确或更适合的数学模型，在此基础上采用更好的控制策略，以达到理想的控制性能，在这方面的研究的确取得了不少成果。但多数的研究还是或多或少地忽略了系统结构设计和控制器设计在学科领域的交叉和融合，很少涉及到对柔性机械臂本身结构的研究以及结构对控制效果的影响。柔性结构的振动控制技术已成为机械工程、土木工程和航天技术等领域的研究热点。在机械工程领域，采用主动控制技术消除机器人臂在末端位置处的振动。随着机器人臂从刚性向柔性的发展，带来了更为突出的、不容忽视的振动问题。在土木工程领域，由于高层建筑和大跨度桥梁的出现，为保证结构的完整性与其它要求如建筑中人的舒适性等，都要对由随机性外载荷如风等引起的振动响应进行控制。在航天工程领域，也存在大量的柔性结构，如空间站、大型天线、太阳能电池板、光学系统等，其模态频率密集、阻尼小，这类结构在太空运行时，一旦受到外界干扰，其大幅度的自由振动要延续很长时间，由于柔性的影响可能导致控制系统性能变差甚至引起失效。

二、柔性机械臂研究存在的难点与不足

1.实时控制和建模效率之间的矛盾

对于实时控制应用，复杂的动态模型难以执行，但从控制器效率方面来考虑，则模型必须足够精确，因此柔性机械臂的建模效率和控制精度存在着矛盾。计算扭矩模型所获得的曲线中当模型没有不确定因素时无误差，但是当不确定因素增加时系统的误差增加，最后使系统变得不稳定。采用基于简化模型的控制器时所获得的曲线中系统随不确定因素的增加而性能逐渐变差。

2.子系统相互依赖性导致的控制器设计和建模的祸合效果难以体现

目前对柔性机械臂的研究主要集中在对柔性机械臂的结构包括形状、机械性能等进行优化，或者集中在寻求各种不同的控制策略，从而使系统中相关组件之间的祸合效果在系统设计过程中难以得到体现。柔性机械臂系统是复杂非线性无穷维系统。传统的柔性机械臂设计一般忽略了系统结构设计和控制器设计在学科领域的交叉和融合，即一个机械臂被设计成串行的驱动系统，测量系统，再到控制系统的结构，设计方案达成了一定的最佳解决方案，但柔性机械臂的潜在性能很少被充分认识到，不能从根本上克服结构系统和控制系统独立设计带来的内部矛盾。

三、结构和控制系统设计的建模方法

1.柔性臂结构动力学建模方法

向量力学和分析力学的理论及方法在柔性机械臂动力建模中得到充分利用。柔性机械臂动力学方程的建立主要是利用方程和一方程这两个最具代表性的方程。另外比较常用的还有变分原理、虚位移原理以及方程的方法。而柔性体变形的描述，是柔性机械臂系统建模与控制的基础，因此，首先选择一定的方式描述柔性体的变形，同时变形的描述与系统动力学方程的求解关系密切。1）Lagrange方程或Hamilton原理。由Lagrange方程或Hamilton原理出发，求出能量函数或函数，以能量的方式建模，可以避免方程中出现内力项，适用于比较简单的柔性体动力学方程。2）Newton-Euler公式。应用质心动量矩定理写出隔离体的动力学方程，在动力学方程中出现相临体间的内力项，其物理意义明确，并且表达了系统完整的受力关系但是这种方也存在着方程数量大、计算效率的低等缺点。不过许多模型的规范化形式最终都是以该种模型出现，并且该方法也是目前动力学分析用于实时控制的主要手段。

2.柔性机械臂控制系统的建模方法

对柔性机械臂的控制一般有如下方式：1）特征结构配置法，特征结构配置法根据线性系统的动态响应由其闭环特征解决定的性质，使相应的控制律的设计直接满足闭环特征值和特征向量的预定要求，进而改善系统的动态特性。特征结构配置包括特征值配置和特征向量配置两部分。2）最优、次优控制法，最优控制是满足一定条件的反馈控制，其兼顾响应与控制两方面的要求使性能指标达到最优。因为控制器的设计一般建立在降阶模型的基础上，所以应用最优控制理论设计的控制器作用于实际结构时，系统性能都是次优的。3）模态控制法，根据振动理论，系统或结构的振动可以在模态空间来考察，无限自由度系统在时间域内的振动通常可以用有限自由度系统在模态空间内足够近似来描述。这样，无限自由度系统的振动控制可转化为模态空间内少量几个模态的振动控制，这种方法称为模态控制法，其具体分为模态耦合控制法和独立模态空间控制法。

四、结语

综上，柔性机械臂的建模和控制近年来有了很大的发展，各种控制理论方法都被应用到柔性机械臂的控制中，计算机的发展也为各种理论的实现提供了先决条件。智能控制策略在柔性机械臂控制中的应用将是今后柔性机械臂控制方法研究的重点。其中，长手臂、大负载和多自由度空间柔性机械臂智能控制算法的研究更应受到重视。当前，柔性机械臂理论和应用应着重考虑在对更复杂和更一般形式的机械臂进行研究的同时，柔性机械臂的动力学研究必须对控制的实现提供更有效的帮助

参考文献：

[1] 崔玲丽，张建宇，高立新，肖志权柔性机械臂系统动力学建模的研究[J].系统仿真学报， 2007，19（6）：1205-1208.

篇5：空间柔性结构的变结构控制器设计

大型空间柔性结构基于H2范数的模型降阶

本文给出一种简单易算的大型空间柔性结构的`模态缩减法.分析了小阻尼条件下全系统及各阶模态子系统传递函数H2范数的特点,进而定义了系统模态重要度序列,据此序列给出了在H2范数度量下的最优降阶系统.仿真算例表明,基于H2范数的模态缩减法明显优于普通的模态截断方法.

作者：张青斌秦子增作者单位：国防科技大学航天与材料工程学院,长沙,410073刊名：振动与冲击 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK年，卷(期)：21(1)分类号：V214.3关键词：模态缩减 H2范数

篇6：空间柔性结构的变结构控制器设计

机动目标拦截的变结构制导律设计与实现

考虑目标机动和弹体动态特性.研究了导弹末制导律设计与实现问题.在切换函数的设计中应用增广比例导引的思想对目标的.逃逸机动进行补偿;设计了变结构制导律,使得导弹的实际横向加速度具有增广比例导引的形式,来减弱弹体动态特性对制导精度的影响.在制导律实现过程中,应用高增益观测器对视线变化率进行了估计,同时通过将观测器进行二次扩张,实现了对目标机动加速度及其变化率的快速估计.最后进行了数值仿真验证,仿真结果说明了方法的有效性.

作者：马克茂马杰作者单位：哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨,150080刊名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS年，卷(期)：31(6)分类号：V448.13关键词：末制导机动目标拦截变结构制导律

篇7：空间柔性结构的变结构控制器设计

汽轮发电机调速器是控制汽轮机输出机械功率的关键设备,是汽轮发电机组控制的重要内容[1~2]。汽轮发电机调速系统是一个非线性对象,油动机及电液转换器等部件都含有非线性环节,而且汽轮机的运行工况不断变化,有些参数也会随着工况的变化而变化,研究性能优良的调速控制器对于改善电力系统的暂态稳定性十分重要[3~4]。

模糊控制具有不依赖于精确数学模型、便于融合专家经验、鲁棒性强等优点,在工业领域得到了广泛应用[5]。本文提出了用于汽轮机调速器的变结构模糊智能控制器(VSFLC)。考虑到传统的二维模糊控制器在性质上类似于比例-微分控制器,缺乏积分环节,易造成稳态误差,本文采取变结构模糊控制策略。当控制误差较大时,采用二维模糊控制器,当误差接近于零时,将误差的累积考虑进来,设计三维模糊控制器。所研究的VSFLC具有易于实现、操作性强、鲁棒性强、控制精度高等优点。

1 汽轮机调速器结构与数学模型

1.1 汽轮机调速器结构

目前国内外大容量汽轮发电机组普遍采用中间再热器的汽轮机结构,其结构模型如图1所示。图中的数字1到9表示蒸汽先后流经的设备。来自锅炉的蒸汽经过主汽门1、高压调节门2进入高压缸3做功。做功后的蒸汽经过再热器4再热后,通过中间截止门5和中间调节门6进入中压缸7做功。中压缸出口蒸汽再经过低压缸8做功后进入凝汽器9。对汽轮机调速器的连续控制是通过汽门开度控制器经电液转换器及中间滑阀带动油动机进而控制高压调节汽门来实现的。由于油动机、电液转换器等多个部分都存在非线性环节,因而汽轮机调速器是一个典型的非线性对象。

1.2 汽轮机调速控制模型

在研究汽轮机调速器控制中,假设机组采用了性能优良的励磁控制器,使得发电机轴暂态电势恒定,即E'q看作一个常量。这样,考虑汽门调节动态的单机无穷大系统的数学模型可表示为[6]:

各个变量的具体含义详见文献[6]。汽轮机调速器就是通过改变uH的大小来调节输入机械功率,从而达到稳定功角δ、维持频率f的目标。设对象输出量y为功角δ,即y=δ。然而根据式(1),可得到:

根据式(2)可以将变量PH、ω由变量δ来表示,在此变换之后便有:

这样,变量的三阶导数显含输入,通过一定的控制量就可以使得输出量(功角)满足实际需求。

2 变结构模糊控制器设计

2.1 控制器结构

汽轮机调速器是一个典型的非线性时变对象,而且还存在参数变化、外界扰动等因素的影响。而模糊控制器的最大优点是不依赖于被控对象的数学模型,能够克服非线性等因素的影响,对调节对象的参数变化具有较强鲁棒性。所提出的变结构模糊控制器(VSFLC)的结构如图2所示,δd为功角的期望值,δ为功角实际值,依据误差e=δd-δ来调整VSFLC的输出控制量。

2.2 模糊化

2.3 模糊控制规则

当E和EC不全是Z时,根据专家经验,总结出二维模糊控制器的控制规则如表1所示。当E和EC都是Z时,根据变结构策略,此时为三维模糊控制规则表,如表2所示,此时控制量U的论域为{ZNB、ZNM、ZNS、ZZ、ZPS、ZPM、ZPB},可以看作二维模糊控制器的控制规则中论域{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}中对应变量乘上一个相应的收缩系数k。

根据表1和表2的控制规则,按式(4)、(5)进行模糊推理

采用如式(6)所示的加权平均法[5],对每个模糊子集进行去模糊化,得出对应于每组E、EC的U。

式中〈〉为取整运算。

2.4 控制器参数的混沌优化

在VSFLC设计中,参数ke、kec、kei和ku的取值将直接影响到VSFLC的性能和效果,本文采用混沌优化算法[7]来优化这4个参数。混沌优化算法无需计算目标函数导数,全局搜索能力强。这里选用式(7)所示的混沌映射模型:

而VSFLC参数的优化问题可以描述为:

其中表示采样数据个数,Gi(i=1,2,3,4)表示参数ke、kec、kei和ku,f(Gi)为优化目标函数。混沌优化算法实现VSFLC参数优化的步骤描述如下:

Step 2通过式(9)混沌变量xi,n+1引入到式(8)优化变量中:

其中ci,di为放大倍数。

Step3利用混沌变量进行迭代搜索。令,计算相应的性能指标fi(k)。

Step 4如果经过Step 3的若干步迭代搜索,目标值保持不变,则按照式(10)进行二次载波:

3 仿真分析

采用单机无穷大汽门控制功角系统来进行仿真研究,参数值为:ω0=314.159,D=5,H=8,CM=0.7,CH=0.3,Cm0=0.82,THΣ=0.398。仿真条件为:在t=0s时,功角的期望值发生0.1rad的阶跃下降,在时,发电机功角的期望值发生0.05rad的阶跃上升。图4描述了不同调速控制器的响应曲线,图中虚线为传统的PID控制器(PID),图中实线为变结构模糊控制器(VSFLC)。为了研究控制器的鲁棒性,还研究了参数发生变化时的阶跃响应。仿真条件不变,而变量值由0.398变化到0.45。图5描述了参数值变化后的动态响应曲线。由图4、图5可见,在VSFLC的作用下,对象获得了较好的动态品质,功角较快地稳定在期望值,振荡时间短、超调量小、振荡幅度小,即使参数值发生了变化,也能表现出较好的调节性能。

4 总结

本文针对汽轮机调速器控制,提出了一种变结构模糊控制器。当误差较大时,采用普通的二维模糊控制器,当误差接近于零时,将误差的累积考虑进来,设计三维模糊控制器。该控制器具有易于实现、操作性强、鲁棒性强、控制精度高等优点。仿真实验表明该智能控制器的实际效果良好。

参考文献

[1]Ibraheem,Kumar P,Khatoon S.Overview of power system operational and control philosophies.International Journal of Power and Energy Systems,2006,26(1):1-11.

[2]孙元章,焦晓红,申铁龙.电力系统非线性鲁棒控制[M].北京:清华大学出版社,2007,21-27.

[3]Borules H,Colledani F,Houry M P.Robust continuous speed governor control for small-signal and transient stability.IEEE Transaction on Power Systems,1994,9(3):1218-1225.

[4]周双喜,朱凌志,郭锡玖,王小海.电力系统电压稳定性及其控制[M].北京:中国电力出版社,2004,7-14.

[5]章卫国,杨向忠.模糊控制理论与应用[M].西安:西北工业大学出版社,2004.

[6]席在荣,程代展.多机非线性系统分散汽门H控制器[J].电力系统自动化,.2002,26(21):7-11.

篇8：空间柔性结构的变结构控制器设计

关键词：反射镜；柔性支撑；人工神经网络；优化设计

中图分类号： TH 703文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.06.010

引言

反射镜作为空间相机的关键部件，其支撑技术是空间相机工程应用的关键。为保证成像质量，必须对反射镜面型精度及其动态特性特别是一阶频率都有较高要求[1]。支撑结构设计问题一般具有不可重复的高度非线性特点，变量很多而且关系复杂，很难用确切的数学、力学模型来描述。一般工程中都需要依靠有限元分析来进行结构优化设计，但是结构选型和设计的重复性工作，需要大量结构分析的计算量，仅靠输入参数进行有限元计算来得到最优结构的方法显然是不现实的。

人工神经网络在处理这个问题方面有着传统方法无法比拟的优越性，神经网络对输入节点没有限制，它适合解决结构工程中诸多影响因素的问题，神经元中的激活函数本身可以选用非线性函数，它能处理非常复杂的非线性问题，因此神经网络在结构工程中的应用是可行的。现利用人工神经网络的高度非线性逼近能力来对空间反射镜支撑结构进行优化设计，构造一个网络虚拟函数对结构参数与结构响应之间的非线性关系进行模拟，通过有导师的学习方法不断优化虚拟函数，最终找到一个从结构参数到结构响应之间的非线性映射，再从此非线性映射结果中找出使输出结果最优的输入解。

1反射镜支撑结构设计

优化的反射镜尺寸为210 mm，厚度20 mm。反射镜轻量化后的结构见图1（文中沿用此坐标系）。

基于反射镜挠性安装的原理，文中采用背部周边挠性支撑方式，定位原理如图2所示。三个只提供径向柔性的结构按等边三角形组合作用形成对反射镜的支撑，每个单独的柔性结构在轴向是刚性的[2]，这样组合限制了反射镜的轴向（z向）平移和在镜面平面内的两向转动（绕x、y轴），每个单独的柔性结构在切向是刚性的，这样组合限制了反射镜沿x、y轴的平移和绕镜面法向z轴的转动。

为符合上面的定位原理，综合考虑几何尺寸、工艺性能和重量等要求，设计的柔性支撑结构如图3所示。为使柔性结构在轴向提供足够的刚度并避免反射镜沿其法线方向平移，柔性结构在轴向要有一定的高度。这样即使由于温度变化引起了反射镜的径向伸缩运动，也不会在反射镜内产生应力[3]。为了充分适应反射镜的温度变形，应谨慎选取柔性结构的径向厚度和切向的长度，从而既使反射镜面形达标，又能保证反射镜组件的动态刚度特性。

该柔性支撑结构主要提供径向柔性和切向刚性、轴向刚性，如图4所示。

篇9：柔性工装的结构设计与应用研究

关键词：柔性工装,模块化设计,快速换装,数据管理

1 概述

我们提到的柔性工装结构设计从实用角度看包含三方面内容:一是工装元件能够灵活重组, 元件、组件、合件能够重复分解和有机拼装, 实际应用中实现预定的功能, 重组后实现特定结构的柔性化;二是柔性工装的结构设计, 这里引进模块化设计理念, 需要预先建立数据库包括标准建库、模块元件库、单元模块库, 利用设计软件根据实际用途灵活快速组装设计, 完成柔性工装的图纸预设计, 可以在产品本工序未加工前实现工装按计划组装;三是工装在设备之间的换装, 要实现柔性快速换装, 这就要求在设备上增加快换接口达到同一工装能够快速在不同设备之间换装, 不同工装在同一设备上实现快换, 以达到换装的柔性化, 这就需要进一步研究被加工零件与工装之间快速定位夹紧与换装。

2 柔性工装的结构设计研究

2.1 柔性工装结构设计的概念

我们提到的柔性工装结构是由标准件基础件、合件、功能组件、单元模块等按照特定功能拼装而成, 能够满足工艺要求, 并能快速拆分重组的工装结构。要求元件具有很好的互换性和较高的精度及耐磨性, 可以根据机床工作台的尺寸和不同零件的加工要求选用所需要的元件、功能组件组装成各种工装结构, 组装灵活方便, 适应范围广。

2.2 柔性工装结构设计方法

近年来, 高科技的普及和专业软件的开发, 虚拟装配的应用, 为柔性工装结构设计数据管理提供优越的条件。为此我们研究柔性工装结构设计。从2005年开始我们应用在UG平台上开发的组合工装结构设计kbe系统 (西安易博开发) 。它以UG系统为平台并与UG实现无缝集成。既可由用户选择系统提供的标准件、组件来进行虚拟装配, 也可用系统提供的知识库 (kbe) 功能进行智能化选择标准件和组件进行虚拟装配 (采用保定向阳厂生产的槽系中系列组合夹具元件) 。

3 柔性工装的模块化结构设计研究与探索

近年来, 我们研究模块化设计, 把组合工装结构设计思路用于专用工装结构设计, 以提高设计速度和准确性, 为以后的工装专业化设计、制造打好基础。因此, 我们同样需要建立模块库, 作为模块化设计的基础。

如何建立模块库, 建成一个什么样子, 什么样的要素可以作为模块, 需要我们认真研究。

研究表明, 在工装典型结构中, 能够实现特定功能, 并且应用过程中拓扑结构相对固定的组合或单元体称为模块。我们需要筛选不同种类工装结构, 找出常用的典型结构, 进一步拆分单元体, 按照模块定义找出能够称为模块的部分, 经专家论证后作为模块结构。将这些模块归类、参数化建模, 并制定模块分类和命名原则, 按照工装专业建库, 将参数化模块模型分类入库, 添加属性和预览图。

工装模块化程度提高, 亦给工装制造带来方便, 如果工装制造部门预先准备部分模块元件, 工装制造时, 如果直接能够应用的省去制造时间, 能够实现快速反应, 节省成本。

4 工装与设备的柔性快速换装

研究柔性工装的结构设计方法, 我们采用了基于UG平台的kbe设计工具及基于UG的工装模块化设计系统, 组合工装结构制造采用标准件、元件、组件实现结构拼装;模块化工装制造, 是在模块元件、单元模块实现高度系列化、标准化、通用化的前提下, 已经储备足够数量的库存情况下采用标准件、模块元件、单元模块进行拼装;工装的结构设计与制造实现快捷方便, 我们进一步需要研究工装实际应用过程中与设备的快速换装问题。

对于工装与设备的柔性快速换装, 我们需要在设备平台上设置快换接口, 经研究试验, 2005年到2008年间我们引进瑞典的system3R“零点定位系统”。

换装的思路是, 将基准平台安装在设备工作台面上, 拉直其中两定位孔, 将其固定在设备工作台上作为设备附加工作台, 找正基准孔位置并存储其位置坐标值, 找正基准平台顶面高度坐标并存储, 利用基准平台上开设的100±0.005mm的矩阵孔, 使基准平台上任何一定位孔坐标已知;在工装底座上对应位置仅需加工对应两孔, 每次将工装安装在基准平台对应位置上, 通过计算就能很快知道工装按安装的具体位置, 不用打表找正, 方便快捷, 重复定位精度高。

对于组合夹具基础板要求定制两个或多个定位孔, 以满足工装快速换装。

5 柔性工装实际应用

结合本集团公司生产特点, 我们将研究的柔性工装结构设计与制造应用与新机研制, 并结合当前技术领域推行的工艺工装一体化进程, 推广组合工装结构设计与拼装, 推广工装结构模块化设计与制造, 已经逐步扩展到各生产线。

下面是几组柔性工装结构实际应用的实例。该工装是采用组合夹具元件拼装的用于测量直线度, 采用双向顶尖定位, 球型销支撑结构。该工装用于车床加工内径和端面, 采用外径和底面定位, 压板压紧结构。

结语

在换装方面, 我们尚需继续研究被加工零件与工装之间快速定位夹紧与换装。能够解决目前存在的问题, 早日实现工程化应用。

工装结构模块化设计的不断探索将为工装设计与制造带来新的理念与方向。科技要创新, 思路要拓宽, 我们要为今天的制造业发展走出新的路子。

参考文献

[1]机械工程手册/机械工程手册编辑委员会编.机械工程手册第1卷, 基础理论 (一) [M].北京:机械工业出版社, 1982.

[2]韩荣第, 王扬, 张文生.现代机械加工新技术[M].北京:电子工业出版社, 2003.

篇10：大跨度空间钢结构施工控制的浅述

【关键词】大跨度；钢结构；施工

一、大跨度空间钢结构的发展现状

近年来，随着人们需求的不断增加，各类大型建筑的功能也逐渐丰富，以北京鸟巢为例，不仅要建设各种类型的比赛场地，还要设置相应的观众席、运动员休息室以及大空间的后勤基地。因此，建筑物的规模不断扩大，功能日益丰富。从国内大型建筑的发展现状看，跨度达 120mm 以上的超大规模建筑不在少数，并且大都采用了新材料和新设计技术，出现了诸如空间网格结构、张力结构等富有特色的现代化大跨度建筑。从行业发展角度看，大跨度空间钢结构已经成为近代以来发展速度最快的建筑形式之一，并且随着建筑施工技术的不断优化，在未来相当一段时间内还有着更为广泛的应用，发展潜力巨大。大跨度空间钢结构施工技术的优劣，在很大程度上成为衡量一个国家建筑技术水平高低的重要因素。

对于国内大跨度空间钢结构施工来说，虽然经过多年的研究积累了较为丰富的理论基础，但是实践经验相对缺乏：硬件方面，无论是在前期钢结构的规划设计还是中期的施工操作，都存在部分的瑕疵和疏漏；软件方面，专业水平强、综合能力高的高素质人才数量不足，难以弥补大跨度空间钢结构施工人才的缺口，理论和知识创新能力稍弱，对国外施工技术的依赖性较强。目前，国外空间钢结构的最大跨度已达 200m 左右，给国内建筑单位和科研机构带来了更大的压力，因此，我们必须结合国内建筑基础，由“中国制造”向“中国创造”转变，研发独具中国特色的大跨度空间钢结构施工技术。

二、施工中应重点考虑的问题

（一）设计与制造技术的应用

随着科学技术在各个领域的应用，建筑工程设计通常也采用计算机制图工具，提高设计的科学性和精准度。如 CAD 技术和 CAM技术在钢结构施工建设中起辅助作用，它的运用为建筑提供三维空间和立体感，实现了图文之间的转换，减少设计的误差，提高工作效率。

（二）厚板及管结构的全位置焊接技术

在大跨度空间钢结构施工中，保证钢材间的高质量焊接对于提升整体结构稳定程度有关键性影响，直接决定了空间钢结构的使用年限。现代大跨度空间钢结构设计时，为了尽可能体现结构的多样化，往往采用不同类型、不同尺寸的钢材，这就给焊接带来了较高的难度。除此之外，在大跨度空间钢结构施工时，需要面临来自外界环境的多重因素影响，例如温度变化、风速、湿度等，都会给焊接质量产生影响。为了解决上述问题，必须有针对性的采用焊接工艺，确保每个焊头的施焊均匀和母材的充分融合。

（三）结构形式多样化

传统大跨度空间钢结构功能单一，因此结构形式就会受到固化。随着建筑理论的不断发展，大跨度空间钢结构形式也多样化发展。如以生物仿生学为设计基础奥运会鸟巢建筑、以泡沫理论为基础水立方等。将大跨度空间钢结构设计理念与现代技术结合起来，不仅使结构外观丰富多样，给人以眼前一亮，也满足了现代人的审美情趣，而且结构形式更加科学、合理。

（四）空间钢结构的跨度大，钢材等级要求高

在科技进步和经济发展的不断推动下，建筑行业建筑理论不断更新，为了满足人们对于建筑的需求，建筑空间钢结构跨度向更大范围扩展开来。虽然建筑空间横向扩展会使建筑内部功能丰富，但由此带来建筑压力也会不断增加，在这样的情况下，保证建筑空间框架安全、提高钢结构荷载能力成了保证建筑质量的关键所在。因此，相关审查委员会制定严格建筑安全审查标准，要求大跨度建筑要选择高强度、高质量的优质钢材，并且定期要对钢结构进行检验，确保及时发现钢结构问题及时解决，起到防患于未然的作用。

三、大跨度空间钢结构的应用

（一）张拉整体结构

张拉整体结构大致为三棱柱或四棱柱构成的基本单元，如果把所有基本单元的节点进行联接，则能够构成双层张拉整体结构，这一自应力网格体系大多是通过被连接的棱柱体单元具备的单独受压刚性杆以及持续张拉的柔性索而构成，其中敷设的膜材可选用遮光挡雨的类别，总体刚度以单元间的自平衡预应力为根本。

（二）弦支弯顶结构

把以上张拉整体结构上层柔性索变成具备刚性的单层球面网壳，在弹性的支撑方面能够提升单层网壳的稳定性以及结构刚度，因为上层属于刚性，能够把膜材取消运用常规的夹芯板进行取代，在提升建筑物室内保温性能以及隔热性能的状态下，可以大面积节约工程造价的成本。

（三）预应力网格结构

在工作中，透过技术人员把当前预应力技术与空间网格结构相融合，则能够打造出预应力网格结构。通常状态下，在空间网格结构内施加预应力的方式有以下两类：首先，在空间网格结构四周设定相关的预应力索或在下弦平面中设定预应力索，如此则可以结合为预应力网格结构；其次，在空间网格结构创建当中施加预应力，透过适宜的协调而变为预应力网格结构。

（四）预应力张弦梁与弦析架结构

张弦梁结构属于上弦抗弯受压构件与下弦受拉钢索而构成，在工程内体现出受压撑杆相互衔接的自平衡结构体。弦析架结构属于受压撑杆持续上端抗弯受压拱式析架与下端构成，在工程内体现为受拉钢索而构成的自平衡结构体。这两类结构的用钢量有所增加，施工难度有所提升。

（五）对角线布索体外预应力平板型网架

对角线布索体外预应力平板型网架最初使用在前苏联，通过前苏联的建筑举例，在1977年的福尔日思科的某一商业中心，建筑面积在72mx17m。我国某空间结构厂在1993年运用同等原理以及布索形式创建对角线布索体外预应力平板型网架，以此展现出对角线布索体外预应力平板型网架的优势，而不足之处则为预应力结构体系并不完善，构造十分艰难。

四、预应力大跨度空间钢结构的展望

（l）最大的跨度可以为400一500m，跨度在200一300m之间尤为普遍；（2）当前应当持续完善并提升应用斜拉网格结构、预应力乃至弓式预应力钢结构以及张弦梁结构；（3）应当结合承建单位的力量，一同研发并推广索弯顶结构，在短时间内尤其应当争取创建我国首幢索弯顶；（4）探索预应力空间钢结构全新的材质、工艺、结构、节点，极力进行创新；（5）处理并未解决的预应力空间钢结构抗震、抗风、结构优化、结构控制等方面的问题；（6）由于普遍运用在公共性窗口建筑的预应力大跨度空间钢结构，能体现出一个地区乃至国家的建筑水平。

五、结语

综上所述，工程师与建筑师对于工程项目的创建当中，需要有效结合，将各类先进技术运用其中，如此才可打造出全新的预应力空间钢结构，以便符合当前社会的发展所需，加快建筑行业的健康化发展，使社会经济能够可持续运行。

参考文献：

[1]薛宇轩，胡燕昊.大跨度空间及其钢结构工程实现问题探讨[J].科技资讯，2011（10）：131-133.

[2]叶杭锋，刘北辰.关于现代大跨度空间钢结构施工技术的研究[J].中国水运（下半月），2013（4）：164-165.

篇11：空间柔性结构的变结构控制器设计

在工业和民业用电器使用中, 必须通过一种称为电源转换器或连接器将电源与使用电器连接后, 电器开始工作, 使用后切断连接。我们习惯把与电源连接的结构称为插座, 与电器连接的结构称为插头。随着科技的快速发展, 这种电源插头插座的结构各种各样, 尤其在工业和军工电气电路连接中, 为满足不同条件下使用更是种类繁多。虽然连接器的结构和设计越来越科学, 但是在其使用中还是存在一点缺陷和不足, 本人曾经参与了连接器的结构设计, 历时一年开发、设计制造了几种产品, 经过鉴定和使用到目前为止, 同类产品中可以说是比较科学完美的。

二、原结构的设计原理

该结构设计示意图, 如图1所示为两个相同的半圆体1组对成一个内孔圆柱形的插座, 在其外径稍紧配合一段长度合适的弹簧2, 使两个半圆体与其成为一体, 圆柱孔可插接的圆柱体为插头。两个半圆体的结构设计如图2所示。由于两件组对后里孔外圆都为非正圆, 插入一个与半圆体内径相同的圆柱体后, 里孔扩张成圆孔, 外径增大, 弹簧的内径也随之变大, 使弹簧产生径向缩紧力。如弹簧弹力不失效, 则对插入的插头圆柱体始终有一径向力, 使之必须有一定的插拔力才能可靠连接或切断连接。因为该弹簧对插头的径向力不大, 插头与插座的插接和拔出非常柔和, 没有足够的插拔力又不能互相连接或分离。

三、柔性连接结构的特点

该柔性连接结构利用了弹簧径向尺寸微小变大会产生不大的径向收缩力的特性, 改变了弹簧的常规使用方法。该结构可设计为强、弱电线路连接器, 其主要特点是:1.接触好, 连接可靠。2.接触电阻小, 低功耗, 不发热, 节省电能。3.抗震动, 几乎不会发生断路。4.使用安全, 寿命长。

四、原结构的设计改进

原结构在产品开发设计中, 零件1半圆体在加工制造中存在一定的问题, 制造工序多, 加工工艺复杂, 难度大。冲压半圆中间凸出的0.2 mm加工工艺中, 不但冲压模的0.2 mm加工比较困难, 而且冲压件由于凸出0.2 mm而使半圆体的半圆产生变形。再有为使弹簧定位冲压两个凸点, 同样冲模制造难, 而且冲头磨损快, 使用效率不高, 又一次增加了半圆体的变形。两次变形后, 半圆体的内径变得不规则, 两件组对后的内孔插入插头, 在圆柱面产生局部点接触或线接触, 这样导致与插头的圆周接触面减少, 增大了接触电阻, 浪费电能, 连接处发热, 影响使用效果。因此本人对原结构件1半圆体进行了设计改进, 如图3所示。取消半圆体中间部分的0.2 mm凸起, 定位弹簧的两个凸点由原冲压改为在外圆面上点焊, 工艺简单、易操作、不变形, 不但降低了加工制造成本, 而且设计原理和功能没有改变, 经过试验使用效果更好一些。

五、柔性连接结构的应用