基于波前计算和波速反馈法的心颤控制研究

激发系统中波的控制研究具有现实意义。以心肌中的心颤为例，膜势电信号的传播被缺陷阻断，可导致心肌表面膜势电信号螺旋波态和湍流态的产生。项目组采用场主动分布的方法（即反馈）研究波的控制问题：一得出刺激频率和生成的靶波频率之间的函数关系，并用此高频靶波消除螺旋波；二提出闭环反馈控制原理，用波段长度作为反馈量，实现了对波段伸缩的有效控制；三利用装有“吸引子”的动态反馈窗，引导螺旋波的波头按任意轨迹行走，监控并有效地避开缺陷区；四作用在两个相邻区域上不同相位的共振周期场，发现在边界处的漂移是两者共振直线运动的合成；五在适当的频率、手征和幅值条件下，旋转电场可定扎漫游中的螺旋波，阻止多普勒效应引起的螺旋波的破缺。六得出神经元之间的变概率长程关联可导致螺旋波的产生，最后我们期望实验技术的发展能为我们的理论提供实现的可能。

心颤是心脏猝死的最主要原因，当心脏严重受损时，如心肌纤维化、心肌缺血、电解质紊乱等，均易引起心颤。心肌膜电位在心脏解剖障碍区的传导阻滞，促使心电信号螺旋波在该处形成涡核中心，植入抗心动过速起搏器技术，可以部分消除涡核在该处的定扎，但仍然缺乏有效性，且对其生理机制也未完全阐明。本项目采用等高线追踪和光滑化算法，通过计算电信号传播的波阵面曲率场和波速场，对高频波前链在障碍区边缘的定扎和去定扎问题，受障碍区内外的激励性、障碍区尺度大小和边界效应等制约因素的影响进行研究，揭示消除心颤时所需电极的刺激频率和障碍区的特性之间的内在联系。本项目还提出了采用波前段的弧长、波速场以及波尖位置相关的空间梯度反馈场这三种方法，分别对稳定波前段、控制螺旋波波尖在障碍区的吸附和反射等问题进行研究，试图探索比靶波消除螺旋波更有效的控制方法，从而为电生理学家和心脏医学家防治心颤提供理论支持。

基于经典机翼-副翼气动力模型，建立了主动翼板-流线型箱梁的气动力模型，并基于Roger有理函数近似实现了气动力的时域化，可用于主动控制计算中。通过理论分析表明，主动翼板运动相位需要和主梁运动方向相反才能获得有效的颤振控制。当主动翼板设置为次优控制律时，控制效果及鲁棒性比最优控制律更佳，响应时间显著缩短，并能确保颤振的主动控制。 CFD数值计算表明，当前翼板扭转运动方向与主梁的扭转方向相反，后翼板扭转运动方向与主梁扭转方向相同时，颤振控制效果良好。在此情况下，随着翼板相对于主梁的扭转速度增加，主梁的最大扭转角度有减小的趋势。 较没有安装气动翼板的情况，颤振临界风速提高到1.6倍以上。同时，气动翼板的长度过小或过大，颤振主动控制效果不好。当气动翼板长度为主梁宽度的10-15%时，颤振主动控制效果较好。 基于可编程控制系统，研发了主动翼板在流线型箱梁颤振控制上的风洞试验系统。试验结果表明，在主动控制面振幅在扭转振幅权重为0.9竖向权重0.1的情况下运动时，在试验中未出现发散现象。翼板与主梁运动间的相位差是影响主动翼板控制效率的重要因素，当翼板运动相位差领先主梁扭转运动相位差约70°时，振动控制效果最佳，此时颤振临界风速可提升至1.7倍以上。 风洞试验表明，在主动翼板抑振颤振时，主梁竖弯和扭弯运动之间的相位差将出现变化。在颤振临界状态下，两者之间相位将逐渐过渡到翼板未工作的初始相位（扭转落后于竖向运动）附近一个稳定的相位上。在颤振振幅逐渐增大的情况下，主动翼板工作将使得竖向振动逐渐落后于扭转运动。 2100433B

颤振稳定性是制约超大跨度桥梁发展的关键因素之一。本项目研究通过主动控制气动翼板的技术途径，提高超大跨度桥梁颤振稳定性的理论、方法与技术可行性。首先利用CFD数值模拟和风洞试验，寻求箱型主梁-主动翼板流固耦合系统的合理气动布局--主动翼板设置位置、特征尺寸；在非定常气动力影响因素研究的基础上，建立流固耦合系统非定常气动力非线性数学模型及参数识别方法，进而建立包含主动翼板的桥梁非线性气动弹性系统的控制律；基于现代控制理论建立桥梁非线性气动弹性系统主动控制的控制算法，研究系统的鲁棒性，并通过节段模型风洞试验进行验证；最后，将方法拓展到三维，建立基于主动翼板的超大跨度桥梁颤振主动控制分析方法，并对拟定的超大跨度悬索桥算例实现颤振主动控制的数值仿真。本项目的目的是对基于主动翼板的桥梁颤振主动控制开展原理性及先导性研究并初步形成理论体系，为今后超大跨度桥梁颤振主动控制奠定理论基础。

控制系统最基本的结构形式是由受控系统和实现反馈控制规律的反馈环节所构成的反馈控制系统。在古典控制理论中，反馈信号一般取自输出信号，反馈形式为输出反馈，而在现代控制理论中，基本反馈形式就是状态反馈。状态反馈是将系统的任何一个状态按照一定的比例反馈到输入端，与系统的参考输入进行综合形成控制律，作为受控系统的控制输入。

状态反馈控制是现代控制理论的一种特色。 一个系统的状态变量可以展现其整个系统的内部特性而不需要知道系统的内部结构。 所以相对于传统的输出反馈控制， 状态反馈控制能够更优秀更有效的控制系统， 使其稳定正常工作。 然而由于状态变量是不能直接由系统外部直接测量得到的， 这让状态反馈技术在实现的过程中相对于输出反馈复杂。状态反馈变量不会影响原系统的能控性， 但是可能会改变系统的能观性只要原系统是能控的， 则一定能够通过选着适当的反馈增益矩阵 K 用状态反馈来任意移植闭环系统的极点。这一点传统的输出反馈控制是不能做到的。