磁流變阻尼器智能基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的模糊控制*

鄧 林

(黃山學(xué)院建筑工程學(xué)院，安徽黃山245041)

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)通過在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置剛度較小的隔震層，使結(jié)構(gòu)自振周期延長，變形集中在隔震層位置，從而減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)［1］。因為結(jié)構(gòu)的變形集中在隔震層位置，為了增加結(jié)構(gòu)的阻尼，通常需要在隔震層位置布置一定的阻尼裝置，本研究將一種新型的智能控制裝置磁流變(MR)阻尼器和基礎(chǔ)隔震技術(shù)相結(jié)合，利用MR阻尼器可變阻尼的特點，改善了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的性能。

1 系統(tǒng)組成

MR阻尼器是一種新型半主動控制裝置，通過改變控制電流或電壓，可以產(chǎn)生連續(xù)可變的阻尼力，且具有出力大，能耗低的特點［2］。根據(jù)MR阻尼器的這一特點，將MR阻尼器布置在隔震層位置，系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)的運動方程為

其中

M、C、K分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣，Γ為阻尼器的位置矩陣。令狀態(tài)變量，則上述運動方程可以寫成狀態(tài)方程形式為

其中

圖1 MR阻尼器基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)組成

圖2 Bouc-Wen模型

2 MR阻尼器控制算法

MR阻尼器的力學(xué)性能受外加磁場、位移幅值和激勵頻率等因素影響，其動態(tài)阻尼力呈現(xiàn)強非線性關(guān)系。為模擬MR阻尼器的力學(xué)行為，必須建立精確的力學(xué)模型，本文采用修正的Bouc-Wen模型［3］，該模型由一個Bouc-Wen單元和一個線性阻尼單元并聯(lián)組成，如圖2所示，其阻尼力可以表示為

其中滯變位移z由下式?jīng)Q定

系統(tǒng)的控制效果很大程度上取決于阻尼器的控制算法，即如何根據(jù)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的大小來改變控制電流或電壓，從而產(chǎn)生所需的阻尼力。由于MR阻尼器強非線性的特點，傳統(tǒng)的優(yōu)化控制算法難以應(yīng)用于MR阻尼器控制系統(tǒng)。模糊控制技術(shù)是模糊邏輯和控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它不需要建立被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實際系統(tǒng)輸入輸出的數(shù)據(jù)，參考專家知識，就可以對系統(tǒng)進行實時控制，具有設(shè)計簡單、易于實現(xiàn)、控制效果好等優(yōu)點。針對地震作用的特點，所設(shè)計的模糊控制器輸入為隔震層位移和速度，輸出為MR阻尼器的控制電流，隸屬函數(shù)選用三角形隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)的形狀如圖3～圖5所示。參考有關(guān)文獻［4－5］，所制定的模糊控制規(guī)則見表1，解模糊方法采用重心法，得到的模糊推理曲面見圖6.

圖3 速度輸入隸屬函數(shù)

圖4 位移輸入隸屬函數(shù)

圖5 輸出電壓隸屬函數(shù)

圖6 模糊輸出曲面

表1 模糊控制規(guī)則

3 仿真分析

為驗證MR阻尼器控制系統(tǒng)的減震控制效果，對1個三層隔震結(jié)構(gòu)［6］進行了仿真分析，分析比較了3種不同的控制方案，分別為被動—開、被動—關(guān)及模糊控制。對結(jié)構(gòu)輸入EI－Centro波，進行地震響應(yīng)時程分析，得到各層的層間位移和加速度峰值見表2。

表2 層間位移和加速度響應(yīng)峰值

觀察表中數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)模糊控制方案的減震效果明顯好于被動開和被動關(guān)方案。模糊控制方案的隔震層位移和加速度反應(yīng)略大于兩種被動控制方案，但上部結(jié)構(gòu)的位移和加速度都明顯小于被動方案，采用模糊控制器能夠更充分的發(fā)揮MR阻尼器可調(diào)阻尼的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

MR阻尼器是一種具有可調(diào)阻尼的智能控制裝置，本研究將MR阻尼器應(yīng)用于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了符合MR阻尼器特點的模糊控制器，通過研究，可以得以下結(jié)論:

(1)在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)中設(shè)置MR阻尼器可以減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，提高基礎(chǔ)隔震的減震效果。

(2)通過模糊控制技術(shù)，可以充分發(fā)揮MR阻尼器可調(diào)阻尼的特點，仿真分析結(jié)果表明，模糊控制系統(tǒng)的控制效果明顯優(yōu)于被動控制系統(tǒng)。

(3)模糊控制器的控制效果依賴于隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則，如何針對不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來設(shè)計和優(yōu)化模糊控制器有待進一步研究。

［1］ Kelly JM，Konstantinidis D.Mechanics of rubber bearings for seismic and vibration isolation［M］.John Wiley＆ Sons，Chichester，UK，2011.

［2］ 李忠獻，周云.磁流變阻尼器的構(gòu)造設(shè)計及其阻尼力性能的試驗研究［J］.地震工程與工程振動，2003，23(1):128－132.

［3］ Jansen L M，Dyke S J.Semiactive control strategies for MR dampers:comparative study［J］.Journal of Engineering Mechanics，2000，126(8):795 －803.

［4］ 楊潤林.結(jié)構(gòu)模糊振動控制的研究［D］.北京:中國建筑科學(xué)研究院，2002.

［5］ 王剛，歐進萍.結(jié)構(gòu)振動的模糊建模與模糊控制規(guī)則提取［J］.地震工程與工程振動，2001，21(2):130－135.

［6］ Wongprasert N，Symans M D.Numerical evaluation of adaptive base－isolated structures subjected to earthquake ground motions［J］.Journal of engineering mechanics，2005，131(2):109 －119.