半主動(dòng)控制的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

趙有澤

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是20世紀(jì)60年代控制理論在結(jié)構(gòu)工程中加以應(yīng)用而形成的一門交叉學(xué)科,主要研究在風(fēng)或地震等動(dòng)力荷載作用下減小結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)、改善結(jié)構(gòu)性能的技術(shù)途徑、裝置和方法,以及各種控制算法等。目前,結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域正處在蓬勃發(fā)展的階段。

1 振動(dòng)控制概述[1-4]

土木工程振動(dòng)控制一般按是否有外界輸入能量可將其分為主動(dòng)控制與被動(dòng)控制兩大類,以及由這兩種方式結(jié)合而進(jìn)一步形成的半主動(dòng)控制和混合控制。

被動(dòng)控制是最早研究和使用的結(jié)構(gòu)控制方式,具有無(wú)需外部能源、易于實(shí)現(xiàn)的突出優(yōu)點(diǎn),因而在工程中獲得廣泛的應(yīng)用。但控制效果受到一定限制,對(duì)復(fù)雜多變的外部環(huán)境的適應(yīng)能力較差。常用的被動(dòng)控制方式有:1)基礎(chǔ)隔振;2)消能構(gòu)件減振體系;3)耗能器減振;4)吸振器減振。

結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制首先由美國(guó)普渡大學(xué)的J.T.P.YAO教授于1972年提出,確定了結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制研究的開始。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制主要的控制方式有:主動(dòng)調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(AMD:Active Mass Damper),主動(dòng)錨索控制,脈沖控制,空氣動(dòng)力擋風(fēng)板等。

半主動(dòng)控制是一種根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)或動(dòng)荷載的信息來(lái)實(shí)時(shí)改變結(jié)構(gòu)的參數(shù)(如阻尼、剛度等),以減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的控制方式。目前已有一定研究的半主動(dòng)控制方式主要為主動(dòng)變剛度和主動(dòng)變阻尼控制。

混合控制是將主動(dòng)控制與被動(dòng)控制同時(shí)施加在同一結(jié)構(gòu)上的振動(dòng)控制方式,是一種充分利用主動(dòng)、被動(dòng)控制優(yōu)點(diǎn)、克服各自缺點(diǎn)的策略,與半主動(dòng)控制不同,混合控制可以根據(jù)不同控制裝置的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)特性,將幾種控制裝置同時(shí)安裝于結(jié)構(gòu)上(同時(shí)設(shè)置主、被動(dòng)控制系統(tǒng)),通過(guò)合理設(shè)計(jì)主動(dòng)控制準(zhǔn)則以盡可能減小能量需要,提高系統(tǒng)的可靠性,具有控制效果好,造價(jià)低,易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),因而具有廣闊的應(yīng)用前景?；旌峡刂葡到y(tǒng)主要有以下幾種:1)AM D與TMD相組合的控制系統(tǒng);2)主動(dòng)控制與耗能裝置相結(jié)合的控制系統(tǒng);3)主動(dòng)控制和基礎(chǔ)隔振相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)等。

2 半主動(dòng)控制研究現(xiàn)狀[5-7]

半主動(dòng)控制一般分為半主動(dòng)隔振系統(tǒng)、主動(dòng)變剛度控制系統(tǒng)、主動(dòng)變阻尼控制系統(tǒng)以及主動(dòng)變剛度變阻尼控制系統(tǒng)四種。下面主要簡(jiǎn)述變剛度和變阻尼控制系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)變剛度控制是通過(guò)探測(cè)并預(yù)見地震的特性或利用變剛度控制裝置來(lái)改變結(jié)構(gòu)的附加剛度,從而改變結(jié)構(gòu)的剛度,使結(jié)構(gòu)的周期避開地震的卓越周期,建立一種所謂的非共振狀態(tài),從而達(dá)到減少結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)的目的。從能量轉(zhuǎn)換的角度而言,主動(dòng)變剛度控制是通過(guò)剛度元件的變形將結(jié)構(gòu)部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為剛度元件的彈性應(yīng)變能,同時(shí)阻尼元件消耗部分結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量,達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。1990年日本學(xué)者Kobori等首先提出了結(jié)構(gòu)主動(dòng)變剛度控制的概念,并提出了一種“主動(dòng)變剛度系統(tǒng)”(AVS),如圖1所示,且提出了結(jié)構(gòu)主動(dòng)變剛度非共振算法。應(yīng)用該主動(dòng)變剛度系統(tǒng),1990年建成了世界上第一幢采用半主動(dòng)控制的建筑物——東京鹿島技術(shù)研究所大樓。另一種變剛度系統(tǒng)是由Richter提出的“能量消散約束”裝置(EDR),該裝置在加載和卸載時(shí)可以提供不同的剛度。第三種變剛度裝置是Nagarajaiah和Mate 1998年提出的半主動(dòng)連續(xù)變剛度的調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(SCVS-TMD:Tuned Mass Damper with Semi-active Continuous Variable Stiffness),美國(guó)Bufalo地震研究中心的梁鐘等研究者開發(fā)結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng),該系統(tǒng)僅僅應(yīng)用簡(jiǎn)單的兩態(tài)開關(guān)控制支撐或繩索的連接和脫離,試驗(yàn)和理論分析均表明效果很好。國(guó)內(nèi)劉季、李敏霞和歐進(jìn)萍等學(xué)者1998年及之后進(jìn)行了一系列有關(guān)結(jié)構(gòu)主動(dòng)變剛度控制的研究工作,研究開發(fā)了足尺主動(dòng)變剛度控制裝置,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置具有良好性能,可提供480 kN的控制力,達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

變阻尼系統(tǒng)由Hovat首先提出,可變阻尼器裝置原理圖見圖2。他對(duì)應(yīng)用可變阻尼器控制結(jié)構(gòu)的電液伺服閥振動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,得到了變阻尼控制效果與主動(dòng)控制接近的Active Variable Damper——AVD結(jié)論。

1994年Syman和Constantinous等研制開發(fā)了粘滯流體變阻尼控制器,在地震或風(fēng)荷載作用下,該阻尼器中的活塞和缸體就會(huì)在結(jié)構(gòu)的帶動(dòng)下產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),此時(shí)液壓油在活塞的作用下由可變阻尼器液壓缸的一腔通過(guò)旁通管路和節(jié)流閥流入另一腔,由于液壓油在流經(jīng)旁通管路和節(jié)流閥時(shí)有壓力損失,因而產(chǎn)生了阻尼力,如圖2所示。

通過(guò)改變節(jié)流閥的開口大小可以確定阻尼力的大小,該阻尼器又稱為可變孔徑阻尼器。第二種變阻尼裝置是Akbay等提出可變摩擦阻尼器,這種阻尼器用一個(gè)摩擦桿與結(jié)構(gòu)的支撐剛性連接,通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)距離來(lái)確定摩擦面上的阻尼力。還出現(xiàn)了基于被動(dòng)控制裝置的、可調(diào)節(jié)隔板孔洞的柱形液體阻尼器(TLCD)。

3 半主動(dòng)控制策略及算法[8,9]

目前半主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的控制算法主要是基于主動(dòng)控制的算法,并盡量使半主動(dòng)控制力跟蹤或?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)最優(yōu)控制力為原則的,具體的控制算法有振型控制、瞬時(shí)最優(yōu)控制、滑動(dòng)模態(tài)控制等。同時(shí),還有基于頻率分析的預(yù)測(cè)算法、STFT等。Yamada,K.,Kobori,T.等人提出了一種變結(jié)構(gòu)剛度結(jié)構(gòu)反應(yīng)控制的預(yù)測(cè)算法,且該方法已經(jīng)在一棟3層樓房的地震作用下的測(cè)試中被證實(shí)是可行的。Pnevmatikos等則提出了前饋?zhàn)儎偠戎鲃?dòng)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可以在地震波到達(dá)建筑物之前發(fā)出警報(bào),提示系統(tǒng)通過(guò)改變自身的剛度以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)自振頻率,避免與地震波發(fā)生共振,從而達(dá)到減小地震作用的目的。J.N.Yang,Wu.J.C等學(xué)者將變結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用在地震作用下建筑結(jié)構(gòu)的變剛度系統(tǒng)中,根據(jù)滑動(dòng)模態(tài)控制法(SMC)設(shè)計(jì)了半主動(dòng)控制系統(tǒng)的控制律。該方法非常適用于非線性和時(shí)變結(jié)構(gòu)。

4 半主動(dòng)控制實(shí)用性研究的發(fā)展方向

當(dāng)前,結(jié)構(gòu)振動(dòng)半主動(dòng)控制應(yīng)用開發(fā)還存在著有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題,即未來(lái)半主動(dòng)控制實(shí)用性的主要發(fā)展方向:1)設(shè)計(jì)功能更強(qiáng)、實(shí)用性更好、價(jià)格低廉的半主動(dòng)控制裝置,提高其加工工藝,制定其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn);2)進(jìn)一步研究智能材料和結(jié)構(gòu)在半主動(dòng)控制中的應(yīng)用;3)基于隨機(jī)振動(dòng)理論的結(jié)構(gòu)時(shí)變和非線性半主動(dòng)控制的研究;4)控制系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性、耐久性和經(jīng)濟(jì)論證,這是結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵;5)多維地震動(dòng)半主動(dòng)控制技術(shù)的研究,控制由于剛度、質(zhì)量的不均勻分布而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng);6)更成熟、更穩(wěn)定、魯棒性更強(qiáng)的半主動(dòng)控制律的研究;7)半主動(dòng)控制的時(shí)滯處理方法以及傳感器與振動(dòng)器的數(shù)量及位置最優(yōu)化研究;8)半主動(dòng)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,受控結(jié)構(gòu)體系的室內(nèi)地震模擬試驗(yàn)研究,建立標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)程和評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的指標(biāo);9)與半主動(dòng)控制在線監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)識(shí)別和控制計(jì)算相關(guān)的人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊理論的研究;10)結(jié)構(gòu)振動(dòng)半主動(dòng)控制系統(tǒng)商業(yè)軟件的開發(fā)和與現(xiàn)有抗震設(shè)計(jì)程序接口問(wèn)題的研究;11)由于設(shè)置控制裝置所產(chǎn)生的控制力,引起半主動(dòng)控制部位局部受力問(wèn)題的研究。

5 半主動(dòng)控制待解決的問(wèn)題

半主動(dòng)控制還有一些問(wèn)題亟待解決:更先進(jìn)、可靠、易于維護(hù)的半主動(dòng)控制裝置的開發(fā);建立更符合實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型,避免對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的估計(jì)偏差;對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的可靠識(shí)別;控制器的分布位置優(yōu)化;時(shí)滯的考慮;結(jié)構(gòu)非線性效應(yīng)等。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是一種全新的、積極主動(dòng)的結(jié)構(gòu)對(duì)策,半主動(dòng)控制因其具有的所需外加能源極小、裝置簡(jiǎn)單、不易失穩(wěn)且減振效果接近主動(dòng)控制的特點(diǎn),而具有很大的應(yīng)用潛力。

[1]歐進(jìn)萍.結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制——主動(dòng)、半主動(dòng)和智能控制[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[2]張志涌.精通matlab[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[3]劉晶波,杜修力.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4]武田壽一.建筑物隔振防振與控振[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998.

[5]顧仲權(quán).振動(dòng)主動(dòng)控制[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[6]歐進(jìn)萍,吳 波.被動(dòng)耗能減振系統(tǒng)的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].地震工程與工程振動(dòng),2001(30):26-27.

[7]歐進(jìn)萍,關(guān)新春.土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的研究與發(fā)展[J].地震工程與工程振動(dòng),2001(25):32-34.

[8]沈亞鵬,王 健.建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].力學(xué)進(jìn)展,2002(20):44-46.

[9]謝凌志,于建華.結(jié)構(gòu)半主動(dòng)控制的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].四川建筑,2002(32):33-35.