變剛度半主動振動控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

閆超

（上海海事大學(xué)，上海201306）

1 引言

結(jié)構(gòu)振動控制概念于1972年由美國教授T P Yao［1］提出。如今，結(jié)構(gòu)振動控制理論和實踐的研究都已經(jīng)取得了很大的成果。結(jié)構(gòu)振動控制方法可分為主動控制、被動控制、半主動控制和混合控制［2］。半主動振動控制技術(shù)通過測量結(jié)構(gòu)的振動反應(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)，以達到降低結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的目的，因此該技術(shù)屬于參數(shù)化控制技術(shù)。與主動控制技術(shù)相比，半主動控制技術(shù)只需要少量的外部能量就能實現(xiàn)接近于主動控制的效果。由于省去了施加控制力的結(jié)構(gòu)裝置，使得半主動控制技術(shù)節(jié)約了控制成本，并且易于控制。相比于被動控制技術(shù)，半主動控制技術(shù)的控制效果更加可靠，減振效果更佳。半主動控制技術(shù)兼具主動控制和被動控制的優(yōu)點，且裝置簡單、穩(wěn)定，耗能小，因而具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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

2 變剛度控制原理和控制系統(tǒng)

半主動變剛度振動控制技術(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頻率接近或相同，以實現(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)主動變剛度控制是通過剛度元件的變形將結(jié)構(gòu)部分振動能量轉(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（實際轉(zhuǎn)換為伺服系統(tǒng)的熱能），同時阻尼元件消耗部分結(jié)構(gòu)振動能量［4］。

半主動變剛度系統(tǒng)由附加剛度部件、機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，根據(jù)事先設(shè)定好的控制規(guī)律輸出控制命令給機械裝置，也就是選擇可變剛度系統(tǒng)的狀態(tài)，來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)振動的有效控制。

劉季和李敏霞［6，7］研究開發(fā)了電液式可變剛度半主動控制系統(tǒng)，并使用該裝置進行了地震反應(yīng)的半主動振動控制實驗。主動變剛度控制系統(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)具有半主動變剛度的特征。潘法超、李杰和劉宏欣［9］針對加強層結(jié)構(gòu)的特點，研究了變剛度加強層高層建筑抗震效果。

圖1 可變剛度系統(tǒng)示意圖

3 變剛度半主動控制算法［2，10-12］

控制算法是變剛度半主動控制的關(guān)鍵組成部分。控制算法的好壞直接關(guān)系到減振效果。現(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)的層間相對速度和位移同號時，即結(jié)構(gòu)背離平衡點的方向振動時，變剛度控制系統(tǒng)給結(jié)構(gòu)附加剛度；當(dāng)結(jié)構(gòu)的層間相對速度和位移反號時，即結(jié)構(gòu)從遠(yuǎn)離平衡點的位置向平衡點振動時，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，瞬間將控制裝置置于OFF狀態(tài)，使存儲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)，延長變剛度控制系統(tǒng)的壽命，但對電液伺服閥的響應(yīng)速度要求很高。

（3）模態(tài)能量轉(zhuǎn)換控制算法。考慮到結(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的切換動作，使結(jié)構(gòu)變剛度控制系統(tǒng)的振動頻率遠(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，還有滑動模態(tài)控制理論［13］等。

4 結(jié)論

變剛度半主動控制技術(shù)具有諸多優(yōu)點，如今已成為振動控制技術(shù)研究的前沿?zé)狳c。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不斷跟進。以下總結(jié)了變剛度半主動振動控制技術(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)的激勵環(huán)境，這些非線性的環(huán)節(jié)迫切需要提出更加先進可靠的半主動控制策略。因此，基于人工智能的控制策略，如模糊控制等技術(shù)需要得到更進一步的發(fā)展。（3）建立更加符合實際的結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，是解決變剛度半主動控制的前提。（4）變剛度半主動控制技術(shù)在應(yīng)用中需要用到很多硬件，如信號測量與放大環(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。

變剛度半主動振動控制經(jīng)濟可靠，所需維護費用小，具有很強的應(yīng)用價值，將具有非常廣闊的前景。

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