磁流变阻尼器半主动控制算法的改进.pdf

2 0 0 4年 1月 沈 阳 建 筑 工 程 学 院 学 报 自 然 科 学 版 第 2 0 卷 第 1期 J o u r n a l o f S h e n y a n g A r c h a n d C i v E n g Un i v N a t u r a l S e i e n c e J a n 2 0 0 4 Vo 1 20 No 1 磁流变阻尼器半主动控制算法的改进 宁 欣 阎 石 王 丰 沈阳建 筑工程学 院土 木工 程学院 辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 摘要 以改进 以往控制算法 中对 加速度 的控制 为 目的 克 服某些 算法控 制 下结构 加速度 反 应增大 的 弊 端 提 出了转换开关控制算法 结合一座 在底 层安装 一磁 流变阻尼器的 4层框架结构的算例 对在 4种 不同 的地 震波 E l C e n t r o 波 T a f t 波 K o b e 波 C a p e 波 作用下 未加控制 P a s s i v e On P a s s i v e 一 f f L QR 转换开 关 O n 一 f f 控 制状 态下的结构反应进行 了计算 并就 结构顶点位移 反应 加速 度反应进 行 了减振率 的对 比分 析 可看 出该 算法在位 移控制方面与 其他控 制算法控制 效果相近 但在 加速度 控制方 面却优 于其他 算法 说明 了转换开关控制算法的可行性 及有效性 关键 词 磁流 变阻尼器 半主动控 制算法 比较分析 控制效果 中图分类号 T U3 1 1 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 2 0 2 1 2 0 0 4 0 1 0 0 0 4 0 3 半主动控制 的关键在于控制算法的选取 为了 使磁流变液 以下称为 MR 阻尼器达到较好的半主 动控制的效果 国内外的学者提出了很多控制算法 目前常用的有 I QR P a s s i v e On P a s s i v e O f f 控制算 法 在这三种算法中 P a s s i v e O n和 P a s s i v e O f f 最易 于实现 但对 加 速度 反应 的控制 不稳 定 在 某些地 震 波作用下会加大结构加速度 反应 而 I QR控 制算 法在阻 尼 器 的 出力 范 围 内对 结 构 反 应控 制 效 果 不 佳 为 了改进这些算法中对加速度的控制效果 笔者 提 出了一种控制算法 转换开关控制算法 根据 结构的速 度反应趋势 使 阻尼 器在 P a ssi v e O n和 P a s s i v e O f f 两种控制在状态下转换 以达到减振效 果 1 MR阻尼器计算模型 MR在无磁场 作用时表现出牛顿流体 的特性 剪切应力与剪切速率呈线性关系 在不同的外加磁 场的作用下 MR也表现出不同的剪切屈服强度 这 种 MR的力学性 能可 以用 B I NG HA M 流体 模型来 描 述 若采用常用的剪切阀式 MR阻尼器 阻尼 出力 的关 系式如 下 s n g t f s g n t 1 式中 第一项为粘 滞阻尼力 它与装置 的几何尺寸 收稿 日期 2 0 0 3 0 3 0 8 基金项 目 辽 宁省科学技术 基金 2 0 0 1 1 0 2 0 0 3 作者简介 宁欣 1 9 7 9一 女 硕士研究生 MR材料参数 装置剪切速率 有关 与 外加 电流无 关 第二项为库仑阻尼力 其中的剪切屈服应力是外 加 电流的函数 第三项为摩擦阻尼力 是与外加电流 无关的常数 可由实验测得 刀 为流体的表观粘度 z 为活塞长度 缸为缸体内径 s为活塞的有效面积 s 7 r 一d 4 d为活塞轴径 h为活塞与缸体 的间隙 矗 0 为 0 8 到 1的修正系数 r 为剪切屈服应 力 是电流的函数 厂为活塞与缸体 间的摩擦力 由 实验得出 S g n 为符号函数 t 为活塞相对于缸体 的速 度 2 半主动控制转换开关算法 作为控制算法既要做 到减振效果明显 又要容 易实现 在评价算法 的好坏时通常从两方面出发 安全性 即以结构最大位移作为结构安全性的标志 是舒适度 即以结构 的最大加速度作为结构舒适 度 的标 志 以往常用两种被动控制算法 P a s s i v e On 和 P a s s i v e O f f P a s s i r e On即在整个控制结构的过程中 不 依据外部结构反 应 而将 阻尼器的 电流调到最大 P a ssi v e O f f 则是将 阻尼器的电流调 到最小 这两种 控制算法虽然控制 的效果好 但这种无反馈的控制 有时未能对结构进行有效的调节 甚至会加大加速 度反应 基于这种情况 从第二种评价方式 出发 以 减小加速度为建立算法的 出发点 笔者提 出了以下 算 法 维普资讯 第 1 期 宁欣等 磁流变阻尼器半主动控制算法的改进 5 结构反应 的加速 度与速度和位移有关 在以往 的研 究 中可 发 现 以往常采 用 的控制 算 法一I QR P a ssi v O n P a s s i v e Of f对减 小 位移 都是 非 常有 效 的 但在某些地震波作 用下对加速度 的控制效果不 佳 现在要做的就是减小速度 在速度与位移都减小 的情况下 加速度就得到了控制 于是产生了转换开 关算法 f F I1 当 x t 王 t 0时 F I F 当 0 时 2 式中的阻尼器状态以速度为反馈进 行调节 当 速度不断增大时 使阻尼器达到最大位置 当速度不 断减小时 把阻尼器 出力调 整到 P a s s i v e O f f 状态 在工程应用中 只需要记录前一时刻的速度以及此 时的速度就可以对阻尼器进行调节 使之达到很好 的控制效果 3 算例分析 为了说明笔者提出的控制策略的有效性 对底 部安放一个 MR阻尼器 的结构进行 了地 震反应分 折 在 E 1 C e n t r o波 T a f t 波 K o b e波 C a p e波 的 作 用下 对 无控制 即结构 自由振动 F r e e L QR算 法 P a s s i v e O n P a s s i v e O f f以及所提 出的转 换开关 算法 On O f f 进行了比较分析 3 1 结构参数与磁流变阻尼器参数 选取某一座在底层安装一个 MR阻尼器的 4层 框架结构 如图 1所示 结构参数的选取见表 1 MR 阻尼器设计参数选取见表 2 图 1 4层框架结构示意 图 表 1 结 构参 数的选取 3 2 结构体系的运动方程 在地震作用下 个 自由度受控体系的运动方 程 为 t c t Ky t E u t F g t 3 表 2 MR阻 尼器 的设计参 数 式 中 M C K 分别 为受控体系的 维质 量矩阵 阻尼矩阵 刚度矩阵 Y t 为结构相对于地 面的位移反应 向量 其中 F MI J为单位列向量 t 为输入地面加速度 H t 为 维控制力向量 7 n为所加的控制器数 目 E 为 维控制装置 位置矩阵 设 状 态 向 量 t 则 式 3 所 对 应 的 状 态 方程 为 A x t B u t 瞄 t 4 一 r 0 J 厂 O 其中 A 一 M t K M l t c j B vM 一 E j r O 圩 l M t j 式中 t 为状态反应 向量 A 为系统矩阵 B 和 H 分别 表示控制装置和外激 励在状态空间中的 位置矩阵 I 为 维单位矩 阵 3 3 结果与分析 在结构振 动过程中 应用半主动转换开关控制 算法对其进行控制 此种算法的控制效果用减振率 来表 示 减振率 无控结构反应 I 一I 受控结构反应 无控结构反应 j 1 0 0 表 3列出了无控制算法 I QR算法 P a s s i v e O n 算法 P a ssi v e 0f f 算法及转换开关算法控制下结构 在 4种地震波作用下顶层位移加速度反应及减振效 果 括号 内为减振率 从表 3中可看出无论是哪种控制方法都对位移 有很好的控制能力 但就加速度反应控制来讲 有些 控制算 法就 失效 了 例 如 P a ssi v e O n在 T a f t波和 K o b e 波作用下就对地震加速度有放大作用 这种控 制算法是不稳定的 I QR这种主动控制算法在出力 允许的情况下对结构控制效果明显 但在阻尼器的 出力范围内对地震反应控制效果却欠佳 在 C a p e 波 作用下就是如此 P a s s i v e 0 f f 控制 效果总的来看还 是不错的 但在 Ko b e波作用下对加速度 的控制就 维普资讯 6 沈 阳 建 筑 工 程 学 院 学 报 自 然 科 学 版 第 2 O卷 4 结论 1 与两种被动控制算法相 比 转换开关算法充 分利用了阻尼器的能力 除了便于应用到实际中的 特点之外 还克服了被动控制在某些时候 会加剧加 速 度 反应的 缺点 2 与 I QR算法相 比 转换开关算法的 出力极 限不会超过阻尼器的最大限值 并且能得到 比 I QR 更好的控制效果 因为 I QR在某些时候若要 得到 较好的控制效果 出力非常大 从结果中看出转换开 关法 在 位移控 制方 面 和加 速 度控 制 方 面 都优 于 I Q R算法 3 转换开关算法是一种简单易行 且控制效果 好的算法 可以用于结构的半主动控制 参考文献 1 2 3 4 5 6 张春巍 欧进 萍 结构磁流变阻尼半主动控制的开关 算 法与仿真分 析 J 世 界地 震工 程 2 0 0 3 1 9 1 3 7 4 3 徐龙河 周云 李 忠献 半主动 磁流变阻 尼控制 算法 的 比较与分析 J 世界地震工程 2 0 0 0 1 6 3 9 5 1 0 0 杨飚 关新 春 欧进 萍 可调滞 回模 型的磁流变 阻尼 器 及其 试 验 J 地 震 工 程 与 工 程 振 动 2 0 0 2 2 2 2 1 1 5 1 20 杨广 强 S p e n c e r B F S a i n M K 等 足尺 磁流 变阻 尼 器的建模及动态特性 J 地 震工程与工程振 动 2 0 0 1 2 1 4 8 2 3 L a u r a M J a n s e n a n d S h i r l e y J Dy k e s e mi a c t i v e c o n t r o l S t r a t e g i e s f o r MR Da mp e r C o mp a r a t i v e S t u d y J J E n g r g Me c h AS C E 2 0 0 0 1 2 6 8 7 9 5 8 0 2 阎石 陈克用 利用悬挂水箱减振控制 参数分析 J 沈 阳建筑工程学 院学 报 自然科学版 2 0 0 3 1 9 3 1 6 一16 4 I m pr o v e m e n t o f t h e p r e s e nt s e m i a c t i v e c o nt r o l a l g o r i t h m u s i n g M R da m p e r NI NG Xi n Y AN S h i W ANG F e n g S h e n y a n g Ar c h i t e c t u r e a n d Ci v i l E n g i n e e rin g Un i v e r s i t y S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 Ch i n a A b s t r a c t A semi a c t i v e c o n t r o l a l g o ri t h m wa s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r t O i mp r o v e t h e c o n t r o l e f f e c t o f a c c e l e r a t i o n Th e c o n t r o l alg o r i t h m LQR P AS S I VE oN a n d P AS S I VE OF F we r e n o t e f f e c t i v e i n a c c e l e r a t i o n con t r o 1 S o me t i mes t h e c o n t r o 1 a l g o ri t h m wi l l i n c r e a s e t h e r esp o n se o f a c c e l e r a t i o n To p r o v e t h e e f f e C t o f t h i s alg o ri t h m t h e r esp o n s e o f a f o u r s t o r y f r a me s t r u c t u r e i n s t r u c t e d wi t h o n e M R d a mp e r a t t h e b o t t o m fl o o r wi t h t h e f o