半主動控制的國內外研究現狀

趙有澤

結構振動控制是20世紀60年代控制理論在結構工程中加以應用而形成的一門交叉學科,主要研究在風或地震等動力荷載作用下減小結構動力響應、改善結構性能的技術途徑、裝置和方法,以及各種控制算法等。目前,結構振動控制領域正處在蓬勃發展的階段。

1 振動控制概述[1-4]

土木工程振動控制一般按是否有外界輸入能量可將其分為主動控制與被動控制兩大類,以及由這兩種方式結合而進一步形成的半主動控制和混合控制。

被動控制是最早研究和使用的結構控制方式,具有無需外部能源、易于實現的突出優點,因而在工程中獲得廣泛的應用。但控制效果受到一定限制,對復雜多變的外部環境的適應能力較差。常用的被動控制方式有:1)基礎隔振;2)消能構件減振體系;3)耗能器減振;4)吸振器減振。

結構主動控制首先由美國普渡大學的J.T.P.YAO教授于1972年提出,確定了結構主動控制研究的開始。結構主動控制主要的控制方式有:主動調頻質量阻尼器(AMD:Active Mass Damper),主動錨索控制,脈沖控制,空氣動力擋風板等。

半主動控制是一種根據結構的振動反應或動荷載的信息來實時改變結構的參數(如阻尼、剛度等),以減小結構反應的控制方式。目前已有一定研究的半主動控制方式主要為主動變剛度和主動變阻尼控制。

混合控制是將主動控制與被動控制同時施加在同一結構上的振動控制方式,是一種充分利用主動、被動控制優點、克服各自缺點的策略,與半主動控制不同,混合控制可以根據不同控制裝置的特點及結構動力反應特性,將幾種控制裝置同時安裝于結構上(同時設置主、被動控制系統),通過合理設計主動控制準則以盡可能減小能量需要,提高系統的可靠性,具有控制效果好,造價低,易于實現等優點,因而具有廣闊的應用前景。混合控制系統主要有以下幾種:1)AM D與TMD相組合的控制系統;2)主動控制與耗能裝置相結合的控制系統;3)主動控制和基礎隔振相結合的混合控制系統等。

2 半主動控制研究現狀[5-7]

半主動控制一般分為半主動隔振系統、主動變剛度控制系統、主動變阻尼控制系統以及主動變剛度變阻尼控制系統四種。下面主要簡述變剛度和變阻尼控制系統。

結構變剛度控制是通過探測并預見地震的特性或利用變剛度控制裝置來改變結構的附加剛度,從而改變結構的剛度,使結構的周期避開地震的卓越周期,建立一種所謂的非共振狀態,從而達到減少結構的振動反應的目的。從能量轉換的角度而言,主動變剛度控制是通過剛度元件的變形將結構部分振動能量轉化為剛度元件的彈性應變能,同時阻尼元件消耗部分結構振動能量,達到減小結構振動的目的。1990年日本學者Kobori等首先提出了結構主動變剛度控制的概念,并提出了一種“主動變剛度系統”(AVS),如圖1所示,且提出了結構主動變剛度非共振算法。應用該主動變剛度系統,1990年建成了世界上第一幢采用半主動控制的建筑物——東京鹿島技術研究所大樓。另一種變剛度系統是由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年提出的半主動連續變剛度的調頻質量阻尼器(SCVS-TMD:Tuned Mass Damper with Semi-active Continuous Variable Stiffness),美國Bufalo地震研究中心的梁鐘等研究者開發結構參數實時調節系統,該系統僅僅應用簡單的兩態開關控制支撐或繩索的連接和脫離,試驗和理論分析均表明效果很好。國內劉季、李敏霞和歐進萍等學者1998年及之后進行了一系列有關結構主動變剛度控制的研究工作,研究開發了足尺主動變剛度控制裝置,通過試驗驗證了該裝置具有良好性能,可提供480 kN的控制力,達到了設計的要求。

變阻尼系統由Hovat首先提出,可變阻尼器裝置原理圖見圖2。他對應用可變阻尼器控制結構的電液伺服閥振動反應進行了研究,并進行了數值模擬計算,得到了變阻尼控制效果與主動控制接近的Active Variable Damper——AVD結論。

1994年Syman和Constantinous等研制開發了粘滯流體變阻尼控制器,在地震或風荷載作用下,該阻尼器中的活塞和缸體就會在結構的帶動下產生相對運動,此時液壓油在活塞的作用下由可變阻尼器液壓缸的一腔通過旁通管路和節流閥流入另一腔,由于液壓油在流經旁通管路和節流閥時有壓力損失,因而產生了阻尼力,如圖2所示。

通過改變節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,這種阻尼器用一個摩擦桿與結構的支撐剛性連接,通過調節滑動距離來確定摩擦面上的阻尼力。還出現了基于被動控制裝置的、可調節隔板孔洞的柱形液體阻尼器(TLCD)。

3 半主動控制策略及算法[8,9]

目前半主動控制結構的控制算法主要是基于主動控制的算法,并盡量使半主動控制力跟蹤或實現主動最優控制力為原則的,具體的控制算法有振型控制、瞬時最優控制、滑動模態控制等。同時,還有基于頻率分析的預測算法、STFT等。Yamada,K.,Kobori,T.等人提出了一種變結構剛度結構反應控制的預測算法,且該方法已經在一棟3層樓房的地震作用下的測試中被證實是可行的。Pnevmatikos等則提出了前饋變剛度主動控制系統,該系統可以在地震波到達建筑物之前發出警報,提示系統通過改變自身的剛度以調節結構自振頻率,避免與地震波發生共振,從而達到減小地震作用的目的。J.N.Yang,Wu.J.C等學者將變結構理論應用在地震作用下建筑結構的變剛度系統中,根據滑動模態控制法(SMC)設計了半主動控制系統的控制律。該方法非常適用于非線性和時變結構。

4 半主動控制實用性研究的發展方向

當前,結構振動半主動控制應用開發還存在著有待進一步研究的問題,即未來半主動控制實用性的主要發展方向:1)設計功能更強、實用性更好、價格低廉的半主動控制裝置,提高其加工工藝,制定其產品標準;2)進一步研究智能材料和結構在半主動控制中的應用;3)基于隨機振動理論的結構時變和非線性半主動控制的研究;4)控制系統的可行性、穩定性、耐久性和經濟論證,這是結構主動控制技術推廣應用的關鍵;5)多維地震動半主動控制技術的研究,控制由于剛度、質量的不均勻分布而產生的扭轉振動;6)更成熟、更穩定、魯棒性更強的半主動控制律的研究;7)半主動控制的時滯處理方法以及傳感器與振動器的數量及位置最優化研究;8)半主動控制系統的試驗研究,受控結構體系的室內地震模擬試驗研究,建立標準試驗規程和評價系統性能的指標;9)與半主動控制在線監測、系統識別和控制計算相關的人工智能、神經網絡及模糊理論的研究;10)結構振動半主動控制系統商業軟件的開發和與現有抗震設計程序接口問題的研究;11)由于設置控制裝置所產生的控制力,引起半主動控制部位局部受力問題的研究。

5 半主動控制待解決的問題

半主動控制還有一些問題亟待解決:更先進、可靠、易于維護的半主動控制裝置的開發;建立更符合實際的建筑結構數學模型,避免對結構參數的估計偏差;對結構參數的可靠識別;控制器的分布位置優化;時滯的考慮;結構非線性效應等。

6 結語

結構振動控制是一種全新的、積極主動的結構對策,半主動控制因其具有的所需外加能源極小、裝置簡單、不易失穩且減振效果接近主動控制的特點,而具有很大的應用潛力。

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