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    變剛度半主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

    2013-03-25 06:34:48閆超
    機(jī)械工程師 2013年4期
    關(guān)鍵詞:半主動(dòng)控制算法控制技術(shù)

    閆超

    (上海海事大學(xué),上海201306)

    1 引言

    結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制概念于1972年由美國(guó)教授T P Yao[1]提出。如今,結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論和實(shí)踐的研究都已經(jīng)取得了很大的成果。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法可分為主動(dòng)控制、被動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制[2]。半主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)通過測(cè)量結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)和外載荷相關(guān)信息,根據(jù)之前設(shè)定好的控制規(guī)律,經(jīng)由控制器來改變結(jié)構(gòu)參數(shù),以達(dá)到降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的目的,因此該技術(shù)屬于參數(shù)化控制技術(shù)。與主動(dòng)控制技術(shù)相比,半主動(dòng)控制技術(shù)只需要少量的外部能量就能實(shí)現(xiàn)接近于主動(dòng)控制的效果。由于省去了施加控制力的結(jié)構(gòu)裝置,使得半主動(dòng)控制技術(shù)節(jié)約了控制成本,并且易于控制。相比于被動(dòng)控制技術(shù),半主動(dòng)控制技術(shù)的控制效果更加可靠,減振效果更佳。半主動(dòng)控制技術(shù)兼具主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn),且裝置簡(jiǎn)單、穩(wěn)定,耗能小,因而具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

    半主動(dòng)控制技術(shù)主要是通過控制改變剛度和阻尼這兩個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制目的。目前,半主動(dòng)控制有半主動(dòng)變剛度控制和半主動(dòng)變阻尼控制兩種。Kobori于1980年代提出了主動(dòng)變剛度控制系統(tǒng)(AVS)的概念[3]。本文主要就變剛度半主動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行論述。

    2 變剛度控制原理和控制系統(tǒng)

    半主動(dòng)變剛度振動(dòng)控制技術(shù)作用原理是通過變剛度裝置改變結(jié)構(gòu)的附加剛度,從而避免結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自振頻率與振源的振動(dòng)頻率接近或相同,以實(shí)現(xiàn)不發(fā)生共振的目的,最終保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。從能量轉(zhuǎn)換的角度來說,結(jié)構(gòu)主動(dòng)變剛度控制是通過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變形能,然后通過剛度元件釋放其吸收的彈性變形能(實(shí)際轉(zhuǎn)換為伺服系統(tǒng)的熱能),同時(shí)阻尼元件消耗部分結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量[4]。

    半主動(dòng)變剛度系統(tǒng)由附加剛度部件、機(jī)械裝置和控制器三部分組成,如圖 1 所示[5]。

    根據(jù)附加剛度部件是否連接,可變剛度系統(tǒng)可產(chǎn)生ON和OFF兩種狀態(tài)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)通過接收到的載荷信號(hào),根據(jù)事先設(shè)定好的控制規(guī)律輸出控制命令給機(jī)械裝置,也就是選擇可變剛度系統(tǒng)的狀態(tài),來實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的有效控制。

    劉季和李敏霞[6,7]研究開發(fā)了電液式可變剛度半主動(dòng)控制系統(tǒng),并使用該裝置進(jìn)行了地震反應(yīng)的半主動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。主動(dòng)變剛度控制系統(tǒng)還應(yīng)用于日本Kajima研究所的三層鋼結(jié)構(gòu)建筑,效果良好。彭凌云、周錫元、閆維明[8]提出一種具有變剛度特征的管式變摩擦阻尼器,該阻尼器的主要部件包括套筒和裝于其內(nèi)并可來回移動(dòng)的摩擦環(huán)。在結(jié)構(gòu)中安裝這種阻尼器,可以使系統(tǒng)具有半主動(dòng)變剛度的特征。潘法超、李杰和劉宏欣[9]針對(duì)加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),研究了變剛度加強(qiáng)層高層建筑抗震效果。

    圖1 可變剛度系統(tǒng)示意圖

    3 變剛度半主動(dòng)控制算法[2,10-12]

    控制算法是變剛度半主動(dòng)控制的關(guān)鍵組成部分??刂扑惴ǖ暮脡闹苯雨P(guān)系到減振效果?,F(xiàn)總結(jié)了以下幾種控制算法:

    (1)Bang-Bang控制算法(也稱為ON/OFF控制算法)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的層間相對(duì)速度和位移同號(hào)時(shí),即結(jié)構(gòu)背離平衡點(diǎn)的方向振動(dòng)時(shí),變剛度控制系統(tǒng)給結(jié)構(gòu)附加剛度;當(dāng)結(jié)構(gòu)的層間相對(duì)速度和位移反號(hào)時(shí),即結(jié)構(gòu)從遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)的位置向平衡點(diǎn)振動(dòng)時(shí),變剛度控制系統(tǒng)不給結(jié)構(gòu)附加剛度。

    Bang-Bang控制算法是變剛度控制算法中應(yīng)用最為廣泛的一種算法。世界上唯一的變剛度控制系統(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用,于1994年由非共振控制算法修改為開關(guān)控制算法。

    (2)脈沖開關(guān)控制算法(也稱為重設(shè)置開關(guān)位置控制算法)。將變剛度控制系統(tǒng)一直保持ON的狀態(tài),當(dāng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)滿足一定條件時(shí),瞬間將控制裝置置于OFF狀態(tài),使存儲(chǔ)在剛度元件中的彈性變形能瞬間釋放給電液伺服閥,瞬間再將變剛度控制裝置置于ON狀態(tài)。

    脈沖開關(guān)控制算法可以減少伺服閥開關(guān)次數(shù),延長(zhǎng)變剛度控制系統(tǒng)的壽命,但對(duì)電液伺服閥的響應(yīng)速度要求很高。

    (3)模態(tài)能量轉(zhuǎn)換控制算法??紤]到結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)比低階模態(tài)具有更大的模態(tài)阻尼比,可以消耗更多的結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量,從而抑制結(jié)構(gòu)的反應(yīng)或使結(jié)構(gòu)的反應(yīng)衰減更快。根據(jù)上述觀點(diǎn)確定變剛度控制系統(tǒng)ON/OFF兩種狀態(tài)的切換準(zhǔn)則。該方法可以限制結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng),加快振動(dòng)能量的耗散速度。

    (4)非共振控制算法。根據(jù)結(jié)構(gòu)反應(yīng)和觀測(cè)的地震輸入,分析地震輸入的頻譜特性和結(jié)構(gòu)的頻譜特性,以確定變剛度控制系統(tǒng)ON/OFF的切換動(dòng)作,使結(jié)構(gòu)變剛度控制系統(tǒng)的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離振源的輸入頻率,從而使結(jié)構(gòu)的反應(yīng)避開共振反應(yīng)區(qū)域。

    此外,還有滑動(dòng)模態(tài)控制理論[13]等。

    4 結(jié)論

    變剛度半主動(dòng)控制技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn),如今已成為振動(dòng)控制技術(shù)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。隨著新型功能材料和控制技術(shù)的發(fā)展,新的減振控制策略一定會(huì)不斷跟進(jìn)。以下總結(jié)了變剛度半主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)存在的一些問題:(1)常規(guī)變剛度控制系統(tǒng)抑振頻帶窄,適用范圍具有局限性[14]。變剛度控制裝置一般可調(diào)頻帶范圍較窄,沒有足夠?qū)挼目烧{(diào)頻帶,使得控制效果不夠明顯。(2)很多需要減振的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和非平穩(wěn)的激勵(lì)環(huán)境,這些非線性的環(huán)節(jié)迫切需要提出更加先進(jìn)可靠的半主動(dòng)控制策略。因此,基于人工智能的控制策略,如模糊控制等技術(shù)需要得到更進(jìn)一步的發(fā)展。(3)建立更加符合實(shí)際的結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型,是解決變剛度半主動(dòng)控制的前提。(4)變剛度半主動(dòng)控制技術(shù)在應(yīng)用中需要用到很多硬件,如信號(hào)測(cè)量與放大環(huán)節(jié)、控制器等配置。相關(guān)硬件質(zhì)量和相應(yīng)的系統(tǒng)集成也是需要關(guān)注的問題。

    變剛度半主動(dòng)振動(dòng)控制經(jīng)濟(jì)可靠,所需維護(hù)費(fèi)用小,具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值,將具有非常廣闊的前景。

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