結構振動控制發展概述

田曉強

(華北理工大學 河北 唐山 063210)

前言

地震是一種嚴重威脅人類安全及損壞財產的自然災害，地震具有突發性和不可預測性，會對社會產生很大的影響。傳統的抗震設計是通過加強結構的強度和結構構件的塑性變形能力抵抗地震力，其方法主要是通過加強加大空間剛度,設置剪力墻、圈梁、構造柱，改善支撐體系，改進節點構造，提高建筑材料的強度、延性等措施，使建筑物整體性增大，抗震性能得到提高。

土木工程振動控制概念在1972年由美籍華裔學者姚治教授首次提出[1]，一直到現在，也還是國內外研究的熱題。結構振動控制發展為一門獨立的學科，其總體上可以劃分為為四個鄰域：被動控制、主動控制、半主動控制和智能控制[2]。

一、被動控制

被動控制就是指依靠結構自身或者在結構上安裝的裝置來達到隔震、消能減震的的目的。被動控制主要應用為基礎隔震，吸能減震以及耗能減震。這樣的結構不需要從外部輸入能量，完全依靠結構自身調節，在造價上相對比較便宜而且易于施工。因而被動控制成為結構振動控制鄰域中應用和研究比較廣泛的控制方法。

李洪發[3]開展了大型撓性空間桁架結構動力學研究，提出了阻尼被動振動控制方案,并進行了仿真計算，研究結構顯示在共振區內減振效果明顯，衰減迅速，證明了阻尼被動控制在大型撓性空間桁架振動控制上的有效性。

范雪梅[4]在被動控制抗震技術基礎上，設計了一種剪切型阻尼器—鉛阻尼器,并且對該鉛阻尼器進行了性能試驗研究,給出了鉛阻尼器的耗能特點及計算模型，計算結果顯示出鉛阻尼能產生較強的耗能控制力，顯著改善了結構薄弱層的抗震能力，減弱了傳至砌體結構上的地震作用，達到了對結構振動控制的目的。

王海飆，王龍鳳[5]從全壽命費用對隔震建筑和傳統抗震建筑進行經濟性分析,對初始造價、檢查維護費和失效損失費列出了費用差異較大的指標，并給出計算公式，在社會效益和環境效益方面做了定性分析，實例分析結果表明，隔震建筑比傳統抗震建筑更經濟,更適合社會的發展。

二、主動控制

結構主動控制是將自動控制科學技術與結構工程科學技術相結合，實現減輕結構振動的目的。主動控制可以根據人們的期望來調節對于結構的控制效果。主動控制在控制過程中需要輸入很大的外部能量，用來抵消地震對于結構的影響，這也是區別于被動控制一個很重要的點。

袁樹清，趙玉成，許慶余等[6]利用壓電材料作為傳感器和作動器，建立了柔性四連桿機構振動主動控制實驗系統；通過理論分析和實驗研究建立了控制系統的模型；根據控制系統的特點，采用了內模控制策略，并在具體實施中，增加了參數辨識環節，使得控制器對于機構轉速變化具有魯棒性。將控制方案實施到柔性四連桿機構振動主動控制實驗之中，取得了滿意的控制效果。

張書揚，張順琦，李靖等[7]根據一階剪切變形假設建立壓電智能結構機電耦合靜力學平衡方程，用最小二乘的思想計算薄壁結構產生預定目標形變的最優靜電壓值。此外，為使結構變形快速穩定，減少驅動變形產生的額外振動，建立智能壓電結構動力學模型，采用PID控制策略，實現對形狀控制的主動振動抑制。最后以一多壓電致動器懸臂梁為例，進行形狀與振動控制仿真，得到良好控制效果。

宋雪健，鄭賓，陳曄等[8]根據壓電智能結構的特點，針對一類由懸臂梁、傳感器和壓電作動器構成的壓電智能梁系統的振動主動控制進行了研究。利用壓電方程建立了壓電智能梁系統的狀態空間模型，采用線性二次最優控制(LQR)對智能梁的振動進行了主動控制。

仿真和實驗結果表明：多種群遺傳算法比簡單遺傳算法具有更快的收斂速度，且遺傳代數少，能夠有效避免陷入局部最優解。基于多種群遺傳算法的LQR振動主動控制算法對壓電智能梁的振動主動控制具有可行性和穩定性，相對基于簡單遺傳算法的LQR振動主動控制算法達到穩定的時間短且具有更好的控制效果。

三、半主動控制

半主動控制介于主動與被動控制之間，屬于參數控制，控制過程依賴結構反應及外部的激勵信息，通過少量的能量而改變結構的剛度或者阻尼系數來減少結構的反應。半主動控制結合了主動控制與被動控制的優點，控制過程中不需要大量的外部能量，只是需要一部分控制力來調節結構的特性來減少結構的反應，整個系統可以實現主動最優控制力。

李敏霞，劉季[9]成功完成了五層框架(1:4模型)的變剛度半主動結構振動控制的模擬地震振動臺試驗，這也是國內第一個變剛度半主動結構振動控制的試驗。試驗結果表明，提出的變剛度半主動結構振動控系統的總體設計是合理可行的，并且多工況實驗得重復性好，控制的魯棒性好。

孫作玉，何玉敖[10]提出結構振動的變阻尼半主動遺傳控制算法，采用遺傳控制算法直接在控制力解空間經行全局尋優，從而實現了結構振動的變阻尼半主動最優控制。且通過實例仿真，結果顯示變阻尼半主動遺傳控制算法，控制效果明顯，是一種有效的結構振動控制策略。

周福霖，譚平等[11]提出了半主動變剛度·阻尼控制系統，設計了控制裝置，推到了控制系統的運動方程，提出了基于預測控制的瞬時最優控制算法，并且完成了結構模型振動臺對比試驗。結果表明該系統及其控制算法是十分有效的。

王亮，黃真，周岱[12]對地震波作用下配置磁流變阻尼器的的兩層框架結構進行數值分析，根據離散時間狀態下的Newmark-β時域積分方法預測結構響應值，通過在一定范圍內尋找適當的控制力參數使目標函數最優。析結果表明基于Newmark-β預測算法的結構振動響應半主動控制優于基于全局最優解的經典反饋控制系統，控制效果明顯、魯棒性好。

四、智能控制

結構智能控制包括智能算法和采用智能驅動或智能阻尼裝置的兩類控制。采用諸如模糊控制、神經網絡控制和遺傳算法等智能控制控制算法為標志的結構智能控制。它與主動控制的主要差別是不需要精確的結構模型、采用智能控制算法去惡惡的輸入或輸出反饋與控制增益的關系，而控制力還是需要很大的外部能量輸入下的作動器來實現。

彭云鵑[13]將神經網絡控制應用到帶裙房高層建筑結構地震反應控制中，分析了受地震波激勵的帶裙房高層建筑結構模型的運動方程及其狀態空間形式方程，研究了MR單阻尼器耦聯結構的地震反應模型和MR阻尼器數學模型,討論了帶裙房高層建筑的神經網絡控制原理及其控制器的設計。并且究了BP神經網絡的改進學習算法,分析了神經網路訓練樣本的產生,確定了神經網絡模型，利用MATLAB/Simulink工具實現了改進的BP神經網絡訓練算法，并給出了訓練結果。仿真結果表明神經網絡控制是一種簡單、有效的控制方法，可以有效地減小帶裙房高層建筑結構在地震波激勵下的加速度和位移響應，減震效果十分明顯。

鄒鵬[14]結合半主動控制將模糊控制理論引入結構振動控制領域，通過對結構的分析，采用模糊控制策略結合半主動控制算法控制磁流變阻尼器的作用力輸出。由模糊控制、LQR控制及無控下的輸出曲線和控制量曲線比較可知，本文研究的模糊控制與半主動控制系統有著良好的控制性能。

徐康[15]使用磁流變阻尼器為控制設備，將模糊邏輯控制方法應用于磁流變阻尼器的控制。模糊控制方法不依賴于精確模型、調節簡單，該方法能有效控制MR智能阻尼器，利用Matlab及Simulink軟件包建立了地震作用下結構的動力反應仿真分析模型。仿真結果表明:振動控制效果明顯，自適應神經網絡模糊控制是一種很好的控制方法。

五、小結

近些年來，土木工程中的結構控制問題一直都是熱點，一直都被國內外學者重點研究，而且越來越多的建筑當中都在應用，例如北京大興國際機場航站樓采用了先進的組合隔震技術，設置1232個橡膠隔震支座和彈性滑板支座，大幅度提高航站樓結構的抗震性能。基礎隔震技術就是屬于結構地震反應中的被動控制范疇，用改變結構的支承條件的方法來減小地震能量向結構的傳遞。

半主動控制和混合控制方法可以滿足不同的設防要求，對地面運動和結構本身不確定性的適應能力更強，可以提高結構在地震作用下的安全性，引入智能元件以后，效果會更好，因此是值得重視的新領域。所以這方面的內容希望以后廣大學者可以繼續深入研究。