（机械设计及理论专业论文）基于bingham模型的磁流变半主动隔振.pdf

摘要 摘要 磁流变液是一种新型智能材料，和传统的阻尼液以及电流变液相比较它具 有非常明显的优点，是一种有着广泛应用前景的新产品，目前已经在卡车司机 座椅、机车抗蛇行减振器、工程结构中得到了定的研究和应用，但是将其应 用于半主动隔振系统的研究还未见报导。 本文正是在这样一种背景下首先对采用磁流变阻尼器的半主动隔振系统进 行了研究，研究内容和主要结果有以下几个方面： ( 1 ) 第一章综述了半主动控制的研究现状，总结了半主动控制系统近几十年 的研究进展和所取得的成果，讨论了存在的问题和目前的研究难点，并对今后 的发展趋势进行了分析； ( 2 ) 第二章在m t s 机上进行了磁流变阻尼器动态特性试验，主要讨论磁流变 液的试验方法和磁流变液的实验力学模型； ( 3 ) 第三章研究了半主动隔振系统的动力学特性。本章采用b i n g h a m 塑性模 型研究了单自由度磁流变隔振系统的主共振，在被动控制时利用平均法得到了 系统的理论解，且对理论解进行了数值验证。并研究了各参数对主共振的影响： 在半主动控制时利用s i m u l i n k 对系统进行数值仿真； ( 4 ) 本文的最后一部分设计了实现半主动隔振系统的测控系统。在这一章中 研究的半主动控制规律主要是开关控制，并且以被动控制和半主动控制作为对 比。 最后，在结束语中指出了本文所取得的成果和创新之处，以及可能存在的 问题和今后的研究方向。 关键词：m r 阻尼器，半主动控制，隔振，仿真 a b s t r a c t j _ 十一一一一 a b s t r a e t t h em a g n e t o - r h e o l o g i c a lf l u i di san e wt y p eo fs m a r tm a t e r i a l c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a ld a m p i n gf l u i da n dt h ee l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i di th a sm a n ym e r i t s ， i n c l u d i n gt h eh i g hs h e a r i n gs t r e n g t h ，i n s e n s i t i v i t yt ot h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r ea n d e n v i r o n m e n t ，l o wp o w e rr e q u i r e m e n t ，a n da d e q u a t e l yf a s tr e s p o n s er a t e ，e r e s ot h a ti t c o u l db r o a d l yb eu s e di ne n g i n e e r i n g ，s u c ha sa u t o m o b i l e ，l o c o m o t i v ea n ds t r u c t u r e e n g i n e e r i n g b u ta c c o r d i n gt o t h ea u t h o r sk n o w l e d g e ，i th a sn o tb e e nu s e di n s e m i a c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m i nt h ed i s s e r t a t i o nam a g n e t o - r h e o l o g i c a ld a m p e ri sf i r s t l ya p p l i e dt ov i b r a t i o n i s o l a t i o ns y s t e m ，a n dt h er e s e a r c hc o n t e n ta n dm a i nr e s u l t si n c l u d e ： ( 1 ) i nt h ef i r s tc h a p t e rt h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n ds t a t e o f - t h e a r t o ft h e s e m i a c t i v ec o n t r o la r es u m m a r i z e d m o r e o v e r , t h ea c h i e v e m e n t s ，e x i s t i n g p r o b l e m s ，d i f f i c u l t i e sa n df u t u r ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n so ft h es e m i a c t i v ec o n t r o la r e a l s od i s c u s s e d ( 2 ) t h es e c o n dc h a p t e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho nt h ed y n a m i c a lp r o p e r t i e so f m rd a m p e rb ye x p e r i m e n ti nm t s ，w h i c hi st h eb a s i so fe s t a b l i s h i n gt h ed y n a m i c a l m o d e lo fm rd a m p e r ( 3 ) t h ed y n a m i c a lb e h a v i o ro fs e m i a c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mw i t hm r d a m p e ri sp r e s e n t e di nt h et h i r dc h a p t e r , w h e r et h eb i n g h a mm o d e li su s e dt od e s c r i b e m a g n e t o - r h e o l o g i c a lf l u i d ( m r f ) d a m p i n gf o r c e t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o n f o rt h e s i n g l e d e g r e e o f - f r e e d o mm rd a m p e rs y s t e mi np r i m a r yr e s o n a n c ei s o b t a i n e d t h r o u g ht h ea v e r a g i n gm e t h o d ，a n dt h er e s u l t sa r ev e r i f i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ee f f e c t so fa l ls y s t e mp a r a m e t e r so nt h ea m p l i t u d e f r e q u e n c yc u r v e sa r ea l s o s t u d i e d ，t h e nt h es e m i a c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mi sr e s e a r c h e db yn u m e r i c a l m e t h o db a s e do ns i m u l i n k ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt ov i b r a t i o nc o n t r 0 1 ( 4 ) i nt h el a s tc h a p t e rt h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e so fs e m i a c t i v ec o n t r o lv i b r a t i o n i s o l a t i o na r ed e s i g n e d i nt h i ss e c t i o nt h es e m i a c t i v ec o n t r o ll a wi n c l u d e s s e m i a c t i v e “0 1 1 一o f f ，a n dt h ep a s s i v ec o n t r o la n do p t i m a lc o n t r o la r ea l s or e s e a r c h e d a b s t r a c t t oc o m p a r ew i t ht h es e m i a c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n a tl a s tt h em a j o rr e s u l t so b t a i n e da n dc o n t r i b u t i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o na r eg i v e n i nt h ec o n c l u s i o nt h ep r o b l e m su n s o l v e da n dd e v e l o p i n gd i r e c t i o n si nf u t u r ef o r t h es e m i a c t i v es u s p e n s i o n sa r ea l s od i s c u s s e d k e y w o r d s ：m rd a m p e r ，s e m i a c t i v ec o n t r o l ，v i b r a t i o ni s o l a t i o n ，s i m u l a t i o n y 8 5 0 4 0 5 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盈拯i i i日期：碰：墨! j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规 定，即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：l 导师签名：藿歪丝盘日期：丝遄 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 大型结构在使用中要承受各种动态载荷，例如地震、大风、海啸、移动车 辆、高速旋转或往复运动的机器。这些外部扰动都要给结构带来极大的影响。 一个成功的结构就要消除这些因素的影响，保证结构的安全性。经济条件的制 约，可靠性的要求，以及结构所承受动载的不确定性等等都是对设计者的巨大 挑战。在前二、三十年中有关工程结构振动的隔振方面的研究得到了长足的发 展。从理论到实验乃至于实际结构都充分证明各种抗振设计的合理性。近年来 现代控制理论引入到大型工程结构的振动控制中，使得振动控制由传统的被动 隔振抗振设计发展到主动隔振。 在过去i o 年的时间里，用于土木工程等抗振的主动隔振技术受到了大量的 关注。这种结构保护系统能够动态地改变结构晌应，使结构的安全性和可靠性 得以提高。但是由于投资效益、可靠性和动力需求等原因，这种技术目前并没 有完全被工程界所接受。 相反，人们对被动隔振装置做了广泛和深入的研究，如基底隔震。钢件非 弹性阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、液体阻尼器、调制质量阻尼器和调 制液体阻尼器等都用于被动隔振装置降低动态载荷对结构振动的影响，这种观 点己经为大家所普遍认同l jj 。但是被动隔振装置有其局限性，它不能根据结构用 途和载荷情况的不同而改变其自身特性。 另一种隔振的方法是半主动隔振。半主动隔振装置既有被动隔振装置的可 靠性，又具有主动隔振装置的多用性和适应性。根据现今公认的定义，半主动 隔振装置是一种可控的，但不能向受控制系统输入能量的装置。它包括电流变 和磁流变阻尼器、可变小孔液体阻尼器、可控摩擦隔震器和阻尼器以及变刚度 装置等。和主动隔振装置不同，半主动隔振装置不会破坏系统的稳定性，并且 在工作状态下大多只需要很小的动力。最新的研究表明，半主动阻尼器能有效 降低结构在不同强度地震下的振动响应，并取得和主动隔振系统相近的隔振效 果f 2 j l 。基于上述理由，如今人们在半主动隔振装筲的研制和应用上做了大量的 第一章绪论 研究工作。因此一种适用于工程应用的磁流变半主动隔振系统将有着非常广阔 的应用前景。 2 0 世纪8 0 年代术，主动隔振进人第二个发展阶段，即半主动隔振和智能隔 振。半主动隔振分为变刚度和变阻尼两种隔振类型。智能隔振是高科技在工程 中的应用，它是以智能材料为主导，由智能材料调节器根据“感觉神经”测得 的结构振动状态，自我调节智能材料结构构件的参数( 或施加控制力) ，减小结构 的动力反应。除在调节参数( 或旌加控制力) 的手段上采用智能材料以外，智能控 制与普通的半主动或主动隔振是一样的。由于智能材料调节器是通过改变外加 电场或磁场的强度来调整智能材料的状态，因此它的构造并不复杂，实现也不 太困难，但在变化速率方面却远远大予常规的半主动骗振或主动隔振，使得“智 能隔振”结构几乎没有时滞，这是它的旺盛生命力所在。磁流变 ( m a g n e t o r h e o l o g i c a l ) 流体作为智能材料的一种，具有强度高、粘度低、能量需 求小、温度稳定性好、对通常在制造过程中引起的杂质不敏感等特点，在磁场 作用下，能够在瞬间从牛顿流体变为剪切屈服应力较高的粘塑性体，且这种转 变连续、可逆，因此由其制成的可调阻尼器机构简单、响应快、动态范围大、 耐久性好、阻尼力大，可实现对工程结构风振和地震反应的半主动隔振。因此 磁流变阻尼器隔振装置被广泛研究。 基于磁流变半主动隔振是近年来才提出的，具有广阔的应用前景。本课题 的目的就在于针对隔振面临的难题和发展方向，利用m r 智能阻尼器这种最新 发展起来的半主动隔振装置，对工程结构等进行振动半主动隔振。 1 2 振动控制的发展及研究现状 结构控制是研究控制结构反应( 位移、速度或加速度) 的设计理论和应用技 术，控制系统的基本元素为传感器、处理器( 也称控制器) 和作动器。传感器感受 外部激励及结构反应的变化信息，处理器接受这些信息并依据一定的控制算法 计算所需控制力，作动器则产生所需的控制力并作用到结构上，从而实现对结 构的控制f 4 、引。 1 2 1 结构控制方法 依据是否需要外界能源，结构控制可分为被动控制、主动控制、半主动控 第一章绪论 制和混合控制四类。被动控制也称无源控制，它不需要外部输入能量，仅通过 控制系统改变结构系统的动力特性达到减轻动力响应的目的。而主动控制的过 程则依赖于外界激励和结构响应信息，并需要外部输入能量，提供“控制力”。 半主动控制也利用结构响应或外界激励信息，但仅需要输入少量能量以改变控 制系统形态，达到改变结构动力特性从而减轻响应的目的。混合控制( 也称杂交 控制) 指的是上述三类控制的混合应用，在结构上同时施加主动和被动控制，整 体分析其响应，既克服纯被动控制的应用局限，也减小控制力，进而减小外部 控制设备的功率、体积、能源和维护费用，增加系统的可靠性。 依据控制调整方式的不同，结构控制还可以分为开环控制( 仅由外界荷载变 化调整，被动控制多为此种控制) 、闭环控制( 即反馈控制，依据结构当前反应值 和估计值调整) 、开闭环控制( 能同时感受外界荷载和结构反应的变化，理想地控 制结构振动，但工程实现困难) 。 1 21 1 被动控制 被动控制不需要外部提供能量，它依靠结构与控制系统内部改变结构的动 力特性得以控制，是振动控制的经典方法。具体地，被动控制是通过改变结构 的阻尼c 、刚度k 和质量m ，采用隔振、吸振和耗能等技术来减小结构吸收的 能量，达到减振的目的。 ( 1 ) 隔振技术。所谓隔振是在振源与系统之间采取一定措施，安置适当制振、 隔振器材来隔离振动的直接传递，其实质是在振源与系统之间附加一个子系统 ( 隔振器) 。从能量的观点来看，隔振是改变振源对系统激励的能量频谱结构， 以减小通过频率的能量抑制振动。在建筑物基底设置柔性装置，可以减弱震源 对结构的动力作用。主要形式有橡胶整块、柔性桩基( 或桥墩) ，以及支座产品， 如滚珠及滚轴支座、钢筋混凝土短柱支座等。采用与基础滑移隔震同类的装嚣 还有无粘结钢板橡胶叠层装置、变截面铅芯橡胶装置，这些装置有的已批量生 产试用，有的还在研究实验中，如高阻尼铁氧体橡胶系统、滞变一摩擦基底支座 等。 增加了基底隔震层后，一个自由度的剪切型框架体系变为n + 1 个自由度，其 运动方程为 删+ 瞄荆+ k o 皇+ 南黝= 嚣珈( 1 - 1 ， 式中，m o 、c o 、 p 基底隔震层的质量、粘滞阻尼系数和侧移剐度： 第章绪论 m 、c 、肛一原体系的质量、阻尼和刚度矩阵。 出于结构和基底在阻尼项和刚度项上的耦合，使传给结构的加速度明显减 小。从上式出发，可讨论隔震支座的设计和系统的隔震性能。工程实践和试验 已证明上述装置的隔震效果，但地震导致的结构与地基问的位移较大，难以复 位，需辅以限位装置。材料的老化问题也必须加以考虑。 ( 2 ) 吸振技术。吸振技术是在主体结构上附加吸振器子系统，用以减小主结 构的振动。吸振器是包括质量系和弹簧系的小型振动系统，以质量系产生的惯 性力作为控制力，通过弹簧系作用于主结构。地震作用下，子系统与主结构共 同振动吸收部分地震能量，保护主体结构。常与粘滞阻尼器联合使用，并以阻尼 器命名。 从策略上讲，吸振技术是将输入到结构的能量引向特别设置的机构和元件 加以吸收和耗散，以保护主体结构的安全。这比传统的依靠结构本身及其节点 的延性耗散能量相比显然是前进了一步。但是耗能元件往往与主体结构是不能 分离的，而且常常是主体结构的一个组成部分，也不能完全避免主体结构出现 弹塑性变形，因此它还不能完全脱离延性结构的概念。从另一方面考虑。吸振 也可以看作是增加结构阻尼的方法。目前已开发出许多类型的阻尼器。 吸振器原理可用两自由度的、底层横梁上受简谐荷载作用的剪切型框架体 系的受迫振动来说明。体系稳态振动响应( 振幅) 为 式中，d o = ( k l + k 2 0 2 川1 ) ( 女2 0 2 研2 ) 一 ：。 由式( 1 2 ) 可见，当k ：m ，= 臼2 时，下层( 主结构) 质量m l 的位移为零，则上 层( 吸振器) 质量胛2 的位移幅值为：e = 一户k ，。也就是说，合理设计( 在主结 构l 安装吸振器，使其频率接近干扰力频率) 可以消除( 或减小) 主结构m ，的振 动，从而保证主结构的安全。 调谐质量阻尼器( t m d ) 和调谐液动阻尼器( t l d ) 是利用二次系统吸引主体 结构的振动能量从而使主体结构减振的方法。这方面的研究和分析工作已经做 4 芦岛 第一章绪论 得较多1 7 “，但试验研究和工程应用还不是很多。日本s h i m i z u 公司在9 0 年代初 已研究丌发了应用于高层建筑的集成式t m d 。这种阻尼器在强震作用下具备一 定的制动和保护能力。该公司同时开发了可用于高塔和高楼的分层式t l d ，已 用于高1 0 6i t i 的横浜海运塔和直径3 8 2m 、高1 4 9 4m 的圆筒形旅馆。f = = | 本 k u m a g a l g u m t 公司也开发了这两种阻尼器，在形式上与s h i m i z u 公司产品有所 不同【m l 。为了拓宽可能调谐的频率范围，采用质量和刚度稍有不同的组合t m d 或m t m d 的方案和设计方法也己提出i “。在t m d 的实际应用方面我国研 究者曾在电视塔和加层房屋方面进行了分千厅和方案设计，此外还对t m d 和基础 隔震的组台应用方法进行过探讨。如果将t l d 中储液容器改成u 形管道也能起 到同样的减振效果，这样就产生了一种新的液动阻尼器，也就是t l c d ，近几年 来这方面的研究也相当活跃。t m d 、t l d 和t l c d 的减振效果主要取决于主次 结构的质量比、频率比和阻尼比。在被动控制方面，除了t m d 和t l d 以外， 刘季等在9 0 年代初研究开发的液压质量控制系统( h m s ) 【l3 1 ，在减小底层柔性结 构的地震反应方面也是很有效的，后来他们在该系统中省去了质量块，使整个 系统更加简化，但仍有较好的减振效果，此外，在被动控制中，附加智能控制 的设想也已提出。t m d 、t l d 和h m s 的简单实用，所需费用也比较低今后 可以在已有成就的基础上结合各类结构的特点，开发新型实用的机构，发展定 型产品，研究配套的设计计算方法和构造措施，扩大其在实际工程中的应用， 充分发挥减振效果。 ( 3 ) 耗能技术。耗能技术是将结构的某些部件设计成耗能构件或安装一些耗 能器来消耗振动能量。目前广泛应用的耗能器主要有两类，一类是与速度相关 的粘弹型阻尼器，用于复杂结构效果明显；另一类是与金属屈服以及摩擦有关 的滞变型阻尼器，如钢梁阻尼器( 利用塑性大变形耗能) 和铅芯阻尼器( 利用铅金 属的循环挤压吸收能量) ，摩擦阻尼器主要利用元件间的摩擦耗散能量，通过松 紧节点螺栓，调节板间压力来控制摩擦力。美国前纽约世界贸易中心、匹兹堡 钢铁大厦等工程己应用了这些技术。我国也已开发研制了多种耗能器并进行了 动力试验。在结构上安装耗能装置后，将使结构的刚度、阻尼发生改变。 121 2 主动控制 所谓主动控制就是应用现代控制技术，对输入结构振动的反应实现联机实 时观测跟踪乃至预测，再按照分析计算结果应用伺服加力装置( 作动器或执行器) 一5 一 第一章绪论 对结构施加控制力，实现自动调节。使结构在地震和其它动力作用下的响应控 制在允许的范围以内，达到保护结构和设备免遭损伤的目的i l “，主动控制是 种高技术手段，理论上讲是很有效的，对于尺度和载荷都很大的土建结构来讲， 由于消耗很大的能源。现实意义不是很大，但对保护设备、设旌的安全和减轻 由于设备破坏引起的次生灾害方面则是很有效的。在土建结构中常用的主动控 制方法是在结构中适当的位置上应用作动器拖动附加质量块( a m d ) 或在结构内 部( 例如房屋楼层之间) 安装作动器与弹性元件( 拉索或杆件) 施加控制力。日本 鹿岛公司建的第一栋主动控制房屋用的就是a m d 系统。我国在土建结构主动控 制方面的研究主要集中在分析、设计方法和模型试验【l “，以及控制系统的计算 和优化设计的研究等方面。主要涉及控制律的选择和时间延迟补偿、反馈方式 和参数、结构系统识别与预测方法、参数的不确定性、系统的鲁棒性和可靠度 等【i “。为了进一步改善控制的效果，人工智能技术在结构地震反应控制中的应 用同益受到重视，如模糊数学方法、遗传算法，神经网络技术、联想记忆系统 等。在结构控制中常用的作动器( 或执行器) 有液压作动器与伺服驱动马达，但 近年来对电流变、磁流变、压电和形状记忆型作动器等也已开始研究。主动控 制技术为建造更安全的抗震建筑提供了新的途径。但是机构复杂、建设和维护 费用昂贵，这些都限制了其在土建结构中的实际应用。 主动控制主要有主动调谐质量阻尼系统( a m d ) 和主动锚索控铝i j ( a t s ) t t l 。主 动调谐质量阻尼系统是利用传感器时刻监测结构反应( 位移、速度或加速度) ，并 根据卡提闭环控制理论，计算机接受传感器信息并瞬时改变状态矢量和反馈矢 量得出控制力，接着电液伺服装置将最优控制力旌加于结构，以控制其运动和 变形。主动锚索控制是利用传感器把结构的反应传给计算机，计算机进行优化 分析计算出所需要的控制力，驱动液压伺服系统，该系统通过锚索对结构施加 控制力，从而有效地减小结构反应。该装置已被应用到实际结构中，用于控制 风振反应。 1 21 3 半主动控制 半主动控制是一种主动变结构参数( 如阻尼) 而非系统控制力的系统。其优点 是能耗小，但又可收到与主动控制相接近的效果。半主动控制兼有被动控制和 主动控制的优点。它具备主动控制的效果又只需q t i d , 的电能通过调节和改变结 构的性能，减小地震反应i l ，因此比较适合于改善工程结构的抗震没防。孔流 一6 第章绪论 量可调油阻尼器是应用机电控制阀门调节阻尼器中流体的流动阻力达到根据需 要改变阻尼的目的【1 9 。刘季、孙作玉1 2 0 】应用国产的电液伺服阀发展了变阻尼半 主动控制系统，提出了两个油路设计方案，应用m a t l a b 开发了控制算法和相 应的分析设计软件，为这一技术的实际应用提供了依据。一些初步研究表明混 合控制与半主动控制的性能大大优于被动控制，甚至可达到或超过主动控制的性 能，并在稳定性与适用性方面要优于后者，因此成为当前研究的一个热点。 12 14 混合控制 混合控制是主动控制与被动控制的结合。混合控制利用了两种控制方法各 自的优点，拓宽了控制系统的应用范围。实际上，混合控制需提供较小的控制 力就可有效地控制结构，特别是在强烈地震作用下，混合控制更显示出其优越 性。这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过 被动控制系统大量耗散振动能量，又可以利用主动控制系统来保证控制效果， 比单纯的主动控制能节省大量的能量，因此有着良好的工程应用价值。世界上 第一个安装混合质量阻尼器r ( h m d ) 控制系统的建筑是只本东京清水公司技术研 究所的七层建筑( 1 9 9 1 年) 2 m 引。我国的南京电视塔采用了主动质量阻尼系统 ( a m d ) 与调谐液体阻尼系统( t l d ) 相结合的混合控制体系来控制结构的风振反 应【2 ”。目前混合控制装置主要有以下几种：( 1 ) 主动质量阻尼系统( a m d ) 与调谐 质量阻尼系统( t m d ) 或调谐液体阻尼系统( t l d ) 相结合的混合控f 6 t j 2 5 , z 6 j ；( 2 ) 主动 控制与阻尼耗能相结合的混合控制；( 3 ) 主动控制与基础隔振相结合的混合控制 等【2 ”。 1 2 2 各种振动控制方法的优缺点比较 总的说来，被动控制理论研究较为充分，工程应用也比较广泛，但从本质 上来看，被动控制与传统抗震抗风的方法并无太大的区别，只不过在被动控制 中，人们采用一些特殊的构件或器件作为结构抗震抗风的替代物。由于不能根 据实际的外部扰动( 如地震5 f 口n , 荷载) 的变化对结构进行实时调整，故其有效控制 域较窄，控制效果不太理想。 从理论上来看，主动控制的效果最好，其减振效果基本不依赖于外部扰动 的特征，故控制效果明显优于被动控制。但它面临着两个严重的问题：首先是 通常土木结构的质量很大，困此需要输入的控制力及能量也很大，丽在灾害到 7 第一章绪论 量可调油阻尼器是应用机电控制阀门调节阻尼器中流体的流动阻力达到根据需 要改变阻尼的目的。刘季、孙作i 1 2 0 j 应用国产的电液伺服阀发展了变阻尼半 主动控制系统，提出了两个油路设计方案，应用m a t l a b 开发了摔制算法和相 心的分析设计软件，为这一技术的实际应用提供了依掘。一些初步研究表明混 合控制与半主动控制的性能大大优于被动控制，甚至可达到或超过主动控制的性 能，并在稳定性与适用性方面要优于后者，因此成为当前研究的一个热点。 12 14 混合控制 混合控制是主动控制与被动控制的结合。混合控制利用了两种控制方法各 自的优点，拓宽了控制系统的应用范围。实际上，混合控制需提供较小的控制 力就可有效地控制结构，特别是在强烈地震作用下，混合控制更显示出其优越 性。这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过 被动控制系统大量耗散振动能量，又可以利用主动控制系统来保证控制效果， 比单纯的主动控制能节省大量的能量，因此有着良好的工程应用价值。世界上 第一个安装混合质量阻尼器( h m d ) 控制系统的建筑是开本东京清水公司技术研 究所的七层建筑( 1 9 9 1 年) 1 2 ”。我国的南京电视塔采用了主动质量阻尼系统 f a m d ) 与调谐液体阻尼系统( t l d ) 相结合的混合控制体系米控制结构的风振反 应畔】。目前混合控制装置主要有以下儿种：( 1 ) 主动质量阻尼系统( a m d ) 与调谐 质量阻尼系统( t m d ) 或调谐液体阻尼系统( t l d ) 相结合的混合控伟4 【2 5 , z 6 1 ；( 2 ) 主动 控制与阻尼耗能相结合的混合控制；( 3 ) 主动控制与基础隔振相结合的混合控制 等 2 ”。 122 各种振动控制方法的优缺点比较 总的说柬，被动控制理论研究较为充分，工程应用也比较广泛，但从本质 上来看，被动控制与传统抗震抗风的方法并无太大的区别，只不过在被动控制 中，人们采用一些特殊的构件或器件作为结构抗震抗风的替代物。由于= = f 、= 能根 据实际的外部扰动( 如地震和风荷载) 的变化对结构进行实时调整，故其有效控制 域较窄，控制效果小太理想。 从理论上来看，主动控制的效果最好，其减振效果基本不依赖丁外部扰动 的特征，故控制效果明显优于被动控制。但它面临着两个严重的问题：首先是 通常土木结构的质量很大，困此需要输入的控制力及能量也很大，衙存火害到 通常土木结构的质量很大，困此需要输入的控制力及能量也很人，衙存灾害到 7 第一章绪论 来之时，其能源系统基本瘫痪，故现阶段实现起来有一定的困难；其次，由于 输入能量很大，对控制和传感及作动系统的要求相当高，否则可能造成结构被 控制力所破坏的尴尬局面，故主动控制的可靠性和鲁棒性还有待进一步提高。 混合控制方法同时采用了主动控制和被动控制两套系统，综合考虑可行性 及控制效果，混合控制要优于主动控制和被动控制，但目前的研究和工程应用 并不多，笔者认为主要有以下几个缺点：首先，必须在同一种结构上设置两套 控制系统，其经济效益不佳；其次，具体采用哪两种主动、被动控制装置，以 及如何设计其分工与合作关系，使其控制效果达到最优，迄今为止研究还不够 充分：最后，目前主动控制部分本身发展也很不成熟，故大大影响了混合控制 的发展。 半主动控制是最近十多年才发展起来的一种新型控制方法，它集主动控制 与被动控制特征于一身，具有被动控制的可靠性，同时又保持了主动控制的灵 活性，而不会出现在主动控制过程中有可能出现的模态溢出和控制发散等情况。 其中变阻尼系统由于其构造与应用简单、控制效果好而引起了人们更多的兴趣 和关注，本文亦是以变阻尼系统为研究背景，磁流变阻尼器就是一种典型的阻 尼可控装置。下面，介绍磁流变阻尼器的研究进展。 1 3 磁流变液的特点、应用状况及磁流变阻尼的力学模型 磁流变液1 28 j 是一种新型的智能材料，是由载液( 矿物油，如硅油) 、离散的 可极化的分散粒子以及表面活化剂组成的悬浊液，其英文名称为 m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d s ，简称m r f 。磁流变液的工作是通过离散在基液中的 可磁化粒子实现的。粒子的平均直径约为1 1 0i l m ，无磁场作用时，粒子自由 分散在载液中，m r f 的粘度较小。当有磁场作用时，这些粒子相互吸引沿磁力 线形成粒子链，从而产生了抗剪切应力的作用，其粘度增大，因此可以通过控 制磁场来控制其阻尼力。 1 3 1 磁流变液的特点及应用状况 和另一种智能材料一电流变液例以及传统阻尼液相比，磁流变液 3 0 , 3 1 具有 限常明娃的优点，如：化学稳定性好，磁流变液不易为制造或应用过程中通常 存在的化学杂质所影响，而且原材料无毒，环境安全，与多数设备兼容；抗剪 8 第一章绪论 切强度高，比电流变液大一个数量级：反应速度快，反应时问大约为0 1 lm s ； 所需能量少，采用1 2 2 4v 电压即可，而电流变液通常需要l 5k v 的高电压； 工作温度范围宽，可达一4 0 1 5 0 ，而电流变液的工作温度范围较小：对现 有液压系统的兼容性好，由于磁流变液粒子的尺寸较小，无磁场作用时其流动 特性和工作特性与传统液压油没有多大区别，因此磁流变液可以代替普通液压 油在现有液压系统中使用。 目前，磁流变液 3 2 , 3 3 1 在汽车制造业、测量技术行业、机加工行业、机器人工 业、结构工程等领域具有潜在的巨大的商业应用价值，在其中一些领域甚至出 现了成品。美国在1 9 9 5 年的电磁流变体国际会议上展示了三种磁流变产品：车 座位减振器，可直接代替普通减振器，使卡车座位振幅减少2 0 5 0 ：磁流变 刹车，这种刹车已经用在可以程控的健身练习设备上：主动型减振器，可使汽 车在正弦型道路上的行驶速度提高5 0 7 5 。另外，磁流变阻尼器还可用于制 作制动器和离合器，已在自行车式和台阶登攀式健身机上得到了应用：在抛光 装置中用于工件精密加工，这是一种磁场辅助的流体动力抛光技术，其加工对 象主要是非磁性材料；在旋转装置中用于密封，通过磁场控制密封间隙中的磁 流变液粘度可以达到密封的目的；利用磁流变液相变迅速、屈服强度大的特点， 可将磁流变液用于制造柔性夹具。磁流变液除了在机械装置中得到的广泛应用 外，在建筑结构减振方面已经取得实际应用，在医疗方面也有一定的应用前景。 1 3 2 磁流变阻尼器的力学模型 磁流变阻尼液具有非常明显的滞后非线性特性，这一点从磁流变液的示功 图和力一速度曲线可以看出来。最简单的拟合方法是采用双线性模型 6 0 1 ，可以 包括低速时的高阻尼特性和高速时的阻尼饱和特性。或者采用粘性阻尼力与库 仑阻尼力的和近似表示唧j 。目前国内外应用最多的是b o u t - w e n 模型1 3 4 1 ，即采用 两个微分方程和一个代数方程所描述的模型。该模型的特点是非常精确，对磁 流变阻尼在低速和高速时的拟合都比较好，对磁流变阻尼器在拉伸和压缩过程 中的非对称性考虑得比较好，和实验数据相当接近：缺点是应用困难，很难进 行解析分析。一般采用数值方法处理，而且计算速度很慢。关新春和欧进萍p “ 提出了一种修正的b o u c w e n 模型，将磁流变阻尼力看作粘性阻尼力与b o u c w e n 滞后阻尼力之和的形式，其拟合效果较好，但是应用仍然不方便。因此，必须 寻求一种能准确描述磁流变阻尼特性，而又使用方便的模型。 第一章绪论 1 4 控制算法和控制策略的研究现状及优化 1 41 控制算法和控制策略的研究现状 控制策略是研究控制器输入与输出间的关系，它是振动控制中的核心问题， 是控制器设计的基础，而控制领域中的自动调节理论和现代控制理论则为控制 策略的设计奠定了理论基础。 从控制域的角度看，控制策略可分为频域和时域两类。频域控制是在实频 或复频域内进行，它需要系统的传递函数或传递矩阵模型，适合单输入一单输 出( 或多输出) 关系系统，但工程实际中大量存在的是多输入一多输出系统，故频 域控制受到很大限制，而时域控制策略由于不受其限制而成为了设计控制策略 的主流方法。 时域控制策略的种类较多，目前应用最多的有极点配置法和最优控制方法， 极点配置法是一种传统的控制方法，它通过反馈控制作用来改变系统的特征值 和特征向量，使极点处于所要求的位置，从而改变系统的静、动态品质，此法 要求在实际使用时能建立较精确的模型否则很难取得理想的控制效果。 最优控制策略是基于最优控制理论的一种控制方法，它兼顾了响应与控制 两方面相互矛盾的要求使其性能达到最优，当系统存在各种随机干扰与外干扰 时，称其为随机最优控制。它将外干扰看成为一种随机过程。当系统只存在各 种确定性外干扰时，则称之为确定最优控制，通常采用的确定性最优控制有经 典最优控制及瞬时最优控制。其中经典最优控制以系统的状态和控制输入的二 次型泛函为控制目标，通过求解r i c e a t i 方程得到最优控制，数值分析的试验和 结果表明，这种算法是有效的，但忽略了外加干扰，因此并不是严格的最优控 制。为得到能考虑事先未知的外加干扰，y a n g 对经典线性最优控制算法进行了 改进，提出了瞬时最优控制算法，并且采用瞬时二次型函数代替原来的泛函作 为控制目标，求解时无需求解r i c c a t i 方程，并且该方法鲁棒性能好，具有时间 步进性，可推广用于非线性、时变结构系统。s b a b a 也提出了类同的方法 数字优化控制，它将时变系统在每一时间段进行优化控制。 模态控制是另一种主要控制策略，主要有模态耦合控制法与独立模态空 1 = l j 控制法两种。在实际结构中，由于模态截断将引起控制溢出和观测溢出，从而 影响系统的性能或导致残余模念的不稳定。 一1 0 第一章绪论 8 0 年代初发展起来的自适应控制，主要用于受控对象及其参数存在较严重 不确定性的情况。s o b e l k 等提出了简化自适应控制法，b a 卜k a l l a i 将其应用于振 动控制，它是一种模型参考自适应控制。马扣根提出了基于超稳定的振动自适 应控制方法，保留了简化自适应控制的优点，又符合振动控制。为了在干扰可 测的情况下更好的消除振动，又发展了前馈自适应控制策略。在某些情况下， 系统建模较为困难，甚至粗略的模型也不易获取，近来发展起来的模糊控制、 神经网络控制、学习控制等智能控制策略能有效解决这类黑箱问题，这类控制 的自适应性、鲁棒性及其自学习功能都相当良好，是一类前景看好的控制策略。 目前设计出的控制策略种类很多，除了以上介绍的几种控制策略，还有预 测实时控制、界限状态控制等，其发展总趋势是计算过程由离线、静态向在线、 动态、实时方向发展。然而各种算法都有其自身的优缺点，在实际应用时，应 从具体的实际情况出发，选择恰当的控制策略。结构工程的振动控制同于多输 入一多输出问题，易在时域上进行控制，其中最优控制策略在结构控制中研究 和应用最为广泛，本文的研究也将采用最优控制策略。 1 4 2 控制算法和控制策略的优化 对于模型已知的线性时不变系统，可根据控制理论确定主动控制的控制律。 在半主动控制系统中，无法产生主动力，只能调节系统中某个环节的刚度、惯 性以及阻尼特性。例如，可控阻尼器只能产生阻尼力。因此，应用最优控制理 论设计半主动控制策略的方法有两类。一是应用有约束双线性最优控制原理直 接确定半主动控制策略p ”j ，其推导过程和计算方程较为复杂。二是先根据最 优控制理论确定主动控制的控制律，然后由耗能原理设计半主动控制策略。当 要求产生主动力时，令半主动控制力为零，而在耗能阶段，半主动控制力等于主 动控制律要求的控制力【4 0 “j 。最常用的控制设计手段是线性化控制。l q r ( l i n e a r q u a d r a t i cr e g u l a t o r ) 方法通过使某一二次目标函数最小化，得到对于某一确定系 统的优化控制器。在某种意义上就是要使结构响应和控制力越小越好，甚至趋 于零。改变二次目标函数中对结构响应和控制力所加的权函数q 和r ，实际上 是最小结构响应和最小控制力之间的一个折中。实际设计l q r 是一个不断尝试 的过程。在一定条件下设计一种性能指标，从而得到优化控制力，如果结构响 应4 i 能满足要求，再重新设计性能指标直至设计达到要求。 列：随机激励与l q r 相对应的优化控制方法是l q g ( l i n e a rq u a d r a t i c 第一章绪论 g a u s s i a n ) 。它由l q r 和k a l m a n b u o y 优化滤波组合而成，y a n g 和y a o 4 3 1 用l q g 作控制器，并将外部激励看作白噪声，对其在结构控制中的应用进行研究。然 而在实际设计情况，地震信号不是白噪声，而且地面加速度测量信息有助于结 构控制设计。y a n g l 4 4 】等针对这点提出三种相应的瞬时优化控制法( i n s t a n t a n e o u s o p t i m a lc o n t r 0 1 ) ，即闭环、开环和闭开环控制。在每个时间步长用线性规划l q r 进行优化计算，取时间为变量的二次性能指标函数j ( t ) 为 j ( t ) = z ( t ) q z ( t ) + u 1 ( t ) r u ( t )( 1 3 ) z 为状态向量，w 砂为控制力向量，q ，r 为权函数矩阵。在运动方程的约 束下对j ( o 取最小值得到优化的状态向量和控制向量，然而上述方法没有保证控 制系统的稳定性。s b a b a l 4 5 1 提出了类同的方法，称为数字优化控制( d i g i t a l o p t i m a lc o n t r 0 1 ) 。它是将时变系统在每一时间段进行优化控制。 严格说，很多结构都是一个连续体，有无限多个自由度。即使简化为离散 系统，一般说来仍有很多个自由度。无论从经济角度，还是从数据处理、在线 计算的角度，对所有自由度状态的计算和反馈都是不实际的。只能对有限自由 度状态进行控制反馈。一种方法是观测器和补偿器法。从有限的结构响应的测 量，通过观测器重建整个状态空间，补偿器则对输出修正反馈，形成控制力。 补偿器还可以保证系统的稳定性。但由于观察器、补偿器本身及重建的复杂性 使控制不利于实时进行。另一种方法是直接输出反馈( d i r e c to u t p u tf e e d b a c k 、。 即测量的输出直接乘以与时间无关的反馈增益，得到控制力。由于输出信息有 限，这种方法没有完全状态反馈效果好，但简单方便，容易在实际中执行。 c h u n 9 1 4 6 1 在此基础上提出了优化直接输出反馈( o p t i m a l d i r e c t o u t p u t f e e d