振動半主動控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與前景展望

李展 鄭蘇

摘 要：在過去三十年左右的時間里，振動控制系統(tǒng)受到了廣大研究者的普遍關(guān)注。這種保護(hù)系統(tǒng)可以用來降低自然災(zāi)害對土木工程建筑的損害。文章通過對結(jié)構(gòu)振動控制的概述，介紹了半主動控制裝置的理論基礎(chǔ)及其在實際機械或土木工程中的應(yīng)用，并對半主動控制技術(shù)未來的發(fā)展方向做了展望。

關(guān)鍵詞：半主動控制；主動變剛度（阻尼）；磁流變阻尼器；電流變阻尼器

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機器設(shè)備的轉(zhuǎn)速和功率不斷變大，剛度減小，對其穩(wěn)定性的要求也提高，振動問題也就日益突出，機械振動不僅影響飛行器、船舶的壽命，還會影響機械設(shè)備的使用性能，因而如何對其采取控制和預(yù)防措施成了工程領(lǐng)域的重要課題。

半主動控制技術(shù)的控制效果接近于主動控制，而且只需要輸入少量的能量即可實現(xiàn)，因而被認(rèn)為是目前最具前景的結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)。文章主要介紹幾種主要半主動控制系統(tǒng)的工作機理、應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，并闡述了半主動控制技術(shù)目前存在的問題和發(fā)展方向。

1 半主動控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1.1 主動變剛度控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)主要是在變剛度控制裝置的作用下，使振動物體的附加剛度發(fā)生變化，從而使受控結(jié)構(gòu)的固有頻率不斷發(fā)生變化，有效地避免共振的情況，達(dá)到減振的目的。在這個過程中，結(jié)構(gòu)的能量發(fā)生了變化，經(jīng)歷了振動能量的吸收、消耗與釋放這一過程。

日本學(xué)者Kobor i[1]利用主動變剛度系統(tǒng)做了振動臺模型試驗和原型結(jié)構(gòu)試驗，驗證了這種控制系統(tǒng)的裝置可以改變物體動力參數(shù)，且僅需要極少的外界能量，就可以得到十分明顯的減振效果。在國內(nèi)，李敏霞和劉季[2]等學(xué)者在這方面做了深入的研究，制作了類似的主動變剛度控制裝置，并進(jìn)行了一個40t足尺的主動變剛度裝置的性能試驗，該實驗主要研究了電液伺服閥在Passive-on和Passive-off狀態(tài)下主動變剛度控制裝置的力學(xué)性能。楊潤林，閆維明[3]等提出了一種新型的半主動變剛度（ISAVS）控制系統(tǒng)，并通過數(shù)值模擬驗證了它的有效性。

1.2 主動變阻尼控制系統(tǒng)

變阻尼系統(tǒng)由Hovat首先提出[4]，它是通過主動調(diào)節(jié)變阻尼裝置，使其阻尼力變化至接近或等于主動控制力，得到的振動控制效果也和主動控制接近。主動變阻尼控制裝置是基于黏滯流體阻尼器，附加可控伺服閥而形成的一種智能阻尼器，它通過控制流體能量，從而實現(xiàn)在控制一種或?qū)追N激勵引起的振動。

Feng和Shinozuka[3]振動工程中橋梁振動的問題設(shè)置了一種變孔徑油阻尼器。Kobor i[6]等提出了一種半主動流體阻尼器，并進(jìn)行了模擬實驗，實驗表明該阻尼器可以有效減小振動過程中結(jié)構(gòu)的峰值加速度和位移。1998年在日本應(yīng)用半主動變阻尼控制系統(tǒng)，建成的Kajima-Shizuoka建筑物，在實際小地震中顯示了很好的控制效果。我國學(xué)者孫作玉[7]研究了把一種主動變阻尼振動控制系統(tǒng)應(yīng)用于高聳建筑的減振，并進(jìn)行了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)控制試驗研究。

1.3 可控流體阻尼系統(tǒng)

可控流體阻尼系統(tǒng)包括磁流變阻尼器和電流變阻尼器，其中的工作介質(zhì)電（磁）流變也是一種可控流體，是用不導(dǎo)電（磁）的母液和分散在其中的固體電解質(zhì)顆粒或帶有磁性的顆粒添加一些穩(wěn)定劑制成的懸浮液。在電（磁）場的作用下兩相電（磁）流變液的顆粒會形成一條類似纖維狀的鏈，橫架于電（磁）場的正負(fù)兩極板之間，這樣兩相電（磁）流變液在電（磁）場的作用下就能產(chǎn)生“固化”現(xiàn)象。

磁流變阻尼器由于性能穩(wěn)定等優(yōu)點，其應(yīng)用比電流變阻尼器更加廣泛，目前的研究也集中在對磁流變阻尼器的研究上。汪志昊和陳政清[8]基于振動能量回收技術(shù)構(gòu)建了由旋轉(zhuǎn)式永磁直流電機與只需較小能量供給的MR阻尼器集成的自供電MR阻尼器減振系統(tǒng)，并定性分析了自供電MR阻尼器被動控制的減振機理。

2 半主動控制的研究方向與應(yīng)用前景[9]

為了解決目前半主動控制系統(tǒng)存在的問題，未來研究的方向應(yīng)包括以下方面：（1）設(shè)計功能更強、更實用、更經(jīng)濟的半主動控制裝置， 提高其加工工藝， 制定其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；（2）開發(fā)更成熟穩(wěn)定、魯棒性更強的控制律，增強半主動控制效果；（3）半主動控制傳感器、作動器的數(shù)量、布局情況優(yōu)化設(shè)計；（4）半主動時滯效應(yīng)的分析研究；（5）開展如何將智能材料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動半主動控制技術(shù)；（6）將半主動控制和其它結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)相結(jié)合；（7）廣泛開展與半主動控制在線監(jiān)測、系統(tǒng)識別和控制計算相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論等人工智能技術(shù)的研究。

3 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)振動控制是一種全新的、積極主動的結(jié)構(gòu)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(wěn)且減振效果接近主動控制的特點，而具有很大的應(yīng)用潛力。文章重點討論分析了各個半主動控制系統(tǒng)的原理，并指出了今后的發(fā)展方向，為后續(xù)研究工作的進(jìn)一步深入展開提供參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1]Yao TJP. Conception of Structure Control[J].Journal of Structure Division，1972，98（7）1567-1574.

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

[3]楊潤林，閆維明，周錫元，等. 結(jié)構(gòu)新型半主動連續(xù)變剛度控制的研究[J].四川建筑科學(xué)研究， 2007（2）：127-130.

[4]Hrovat D，Pinhas Barak，Michael Rabins.Semi-activeversus passiveor active tuned mass dampers for structural control[J].Journal of ergineering medianics，1983，109（3）：691-705.

[5]趙有澤.半主動控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].山西建筑，2010，36（17）：50-51.

[6]Kobori T，Takahashi M，NasuT，etal. Seismic response controlled structure with active variable stiffness system[J].Earthquake engrg and struct dyn，1993，22（11）：925-941.

[7]孫作玉.變阻尼半主動結(jié)構(gòu)控制[D].哈爾濱：哈爾濱建筑大學(xué)，1998.

[8]汪志昊，陳政清.基于振動能量回收的自供電MR阻尼器集成與試驗研究[J].振動與沖擊，2013，32（12）：88-94.

[9]蒙文流，韋樹英.半主動控制的研究現(xiàn)狀及其工程應(yīng)用[J].廣西科學(xué)院學(xué)報，2008，24（3）：231～237.