结构半主动控制研究中存在的若干问题_杨润林

第28卷第4期2007年8月

文章编号:1000-6869(2007) 04-0064-12

建　筑　结　构　学　报

Journal of Building Structures

Vol . 28, No . 4Aug . 2007

结构半主动控制研究中存在的若干问题

杨润林, 闫维明, 周锡元

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(1. 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京100083;

2. 北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室, 北京100022)

摘要:近年来, 半主动控制系统在国内外受到了诸多关注, 取得了很大的研究进展, 但是仍然存在明显的不足之处。本文

提出了半主动控制系统研究过程中有待解决的若干关键问题。首先综述了各种半主动控制装置和对应控制律设计的研究现状, 然后分析了它们各自的优缺点。此外, 也就足尺控制系统研发、控制律设计、控制装置优化和时滞补偿等半主动控制系统中的共性问题进行了分析, 并给出了相应的建议。研究指出:常规变刚度控制系统抑制振动频带窄, 并且不利于结构的加速度反应控制; 粘性变阻尼控制与被动阻尼控制相比仅在结构远离共振时才有意义。关键词:土木工程; 振动控制; 半主动控制; 控制装置; 控制算法中图分类号:TU352. 11　O328　　文献标识码:A

Key problems in semiactive structural control

YANG Runlin , YAN Weiming , ZHOU Xiyuan (1. College of Civil and Environmental E ngineering , University of Science and Technology B eijing , Beijing 100083, China ;

2. Beijing Key Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit ,

Beijing University of Technology , Beijing 100022, China )

A bstract :In recent years , considerable attention has been paid to research and development of semiacitve structural control systems , and great progress has been made . However , the latest researc h results show that there still exist significant limitations for engineering application . Some key pr oblems in developing the semiacitve control system are presented in this paper . First , a detailed revie w of semiactive control systems is provided including the recent advanc es in design of both control devices and control algorithms . The semiactive systems which are reviewed include variable stiffness systems , variable fluid dampers , ma gnetorheological da mpers , tuned mass dampers and tuned liquid dampers . Next , their advantages and limitations are also discussed . In addition , some suggestions for design of full -scale control devices and control algorithms , placement optimization of control devices and compensation of time delay are also given . It is pointed out that :(1) the traditional variable stiffness system can only adjust the frequency of the structure within a narr ow frequency band , and may be negative for the acceleration response control of the structur e ; (2) only far from the resonance may the variable dampers be effective for seismic response c ontrol of structures as compared to the passive dampers .

Keywords :civil engineering ; vibration control ; semiactive control ; control device ; control algorithm

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0　引言

以基础隔震体系和动力吸振器的思想出现为标

志, 结构(振动) 控制最初的研究工作可以向上追溯至十九世纪末期。在二十世纪初期结构振动控制技术即初步取得了一些研究成果, 解决了机械、海运、航空、军

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50508003) 。作者简介:杨润林(1971—　) , 男, 陕西富平人, 副教授。

收稿日期:2006年9月

工和土木等工程领域的若干技术难题。尽管如此, 直到1972年结构控制的概念才由Yao [1]首次正式提出。历经三十余年的理论研究、试验验证和工程实践, 结构控制技术无论是在控制装置还是控制律(算法) 设计两个主要研究方面均已取得了长足的进步, 现已成为土木工程领域的研究热点之一。然而另一方面也必须注意到, 它仍处于一个发展的“瓶颈”期。这主要表现为:一方面迄今为止最为可行的控制装置(或系统) 不外乎基础隔震、阻尼耗能和半主动控制这几种控制方案, 它们均有不足之处; 而另一方面, 理论上由于结构建模、材料本构关系和荷载作用的复杂性, 如何选择设计一个正确、简易的控制律仍是一个没有很好解决的问题。

目前, 按照控制系统是否需要输入外部能量及其大小, 通常可将结构控制分为三类, 即被动控制、半主动控制和主动控制。迄今为止, 结构振动控制技术以被动控制的研究最为成熟, 并且在实际工程中的应用最为广泛。特别是, 基础隔震体系和耗能阻尼器的应用已经开始步入了规范化和产业化的阶段, 并在实际工程中取得了显著的经济效益。尽管被动控制装置具有发展历史长、构造简单和单个成本低廉等优点, 但是由于缺乏外部能源, 因此存在控制效果有限和调节性差等缺点。同时, 单个被动控制装置成本虽然较低, 但所需数量往往很多而导致总的控制成本仍然很高。主动控制系统用传感器测量被控结构每一瞬时的运动状态信息, 然后输入给控制器按照既定的控制算法计算出适当大小的控制作用, 最后交由作动装置执行实现相应的控制功能。作为一种先进的控制思想, 主动控制在能源供应充分的情况下, 控制效果是很显著的, 然而, 一个大功率的外部能源现实中通常很难提供, 即使能够提供, 在地震出现的情况下也无法确保能源供应不发生中断。除受制于能源供应以外, 主动控制系统通常技术复杂, 可靠性和稳定性也较难保证。根据对世界范围内现有的实施主动控制的建筑物跟踪调查, 统计结果[2]显示在地震作用下相当一部分主动控制系统实际上并没有运作, 未能发挥出所期望的控制功能。半主动控制的出发点与被动控制相同, 即通过改变主体结构的动力特性减振, 只不过半主动控制可以根据反馈信息选择较优的动力特性参数(如刚度和阻尼等) , 而被动控制则无此调节功能。半主动控制无需外部直接施加控制力, 通常仅需提供极小功率能源用以调整结构的动力参数。它利用受控结构的振动能量来

产生控制力, 其控制效果高于被动控制, 接近于主动控制。因此, 半主动控制技术在三者中性价比最高。

与被动控制和主动控制相比, 半主动控制技术具有耗能小、稳定性好和动力可调潜力大等优点, 因此近年来引起了国内外学者的广泛关注, 成为了结构振动控制研究领域最为活跃的前沿分支之一, 得以迅速发展。与主动控制一样, 半主动控制主要包括两个方面的研究内容, 即控制装置设计和控制律设计。目前已研制出的半主动控制系统主要有变刚度(AVS ) 控制系统、可变阻尼器(AVD ) 、磁/电流变(MR /ER ) 阻尼器和半主动动力吸振器等[3]。同时, 许多研究者也对半主动控制律或控制算法进行了研究。本文将结合不同的半主动控制系统, 首先简要介绍目前控制装置和控制律设计的研究现状, 然后重点探讨现存的主要问题。

1　变刚度控制系统

变刚度控制属于参数控制, 在外部激励的情况下, 它通过布置在结构层间的附加刚度装置实时调整结构的刚度, 由此改变结构的动力特性, 使结构控制系统的自振频率远离输入地震动的卓越频率, 以达到减轻结构振动的目的。1. 1　控制装置研究现状

在地震作用下, 结构物的动力反应与结构的刚度有关, 然而并非刚度越大, 结构物动力反应就一定越小。基于此, Kobori 提出了主动变刚度(AVS ) 控制系统, 并率先进行了相应的理论和试验研究。从能量输入的角度来看, 尽管这种变刚度控制系统最初被称之为主动变刚度控制系统, 但实际上属于半主动控制的范畴。1990年, 日本鹿岛研究所的三层钢结构办公楼在世界范围内首次应用了这种变刚度控制系统, 在经受了实际的中小地震作用检验后, 显示了很好的控制效果。

目前, 对于半主动变刚度控制系统的研究一般都是基于Kobori 提出的控制装置进行。图1为该装置安装于单层框架结构的示意图。该装置主要由工作液缸、控制旁路、液缸内液体、活塞杆和附加刚性支撑等元件组成, 其中控制旁路设有可以通断的控制阀门。当阀门关闭时, 旁路被切断, 工作液体无法由此通过, 控制装置向受控结构提供一个附加刚度。如果不考虑液缸内液体的可压缩性, 则该附加刚度等于支撑的刚

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[4-5]

度; 如果考虑液缸内液体的可压缩性, 则该附加刚度等于支撑刚度与缸内液体刚度串联后的等效刚度。当阀门开启时, 旁路保持畅通, 如果不考虑液缸内液体的阻尼作用, 则受控结构的振动与装置的振动互相独立; 否则, 受控结构的振动与AVS 装置的振动互相耦合。由图1可知, 这种控制装置并不直接向受控结构提供大量的外部能量, 仅需极小的能量开启或关闭控制旁路中的可控阀门, 进而调节受控结构的频率特性, 以达到抑制结构振动的目的

。

的速度与位移方向相同时, 结构的层间位移有继续增大的趋势, 这对于结构是不利的。相应地, AVS 装置的阀门应处于关闭状态, 让支撑向受控结构提供附加刚度; (2) 当位移与速度的方向相反时, 结构的层间位移有减小趋势, 这对于结构是有利的。相应地, AVS 装置不应限制这种趋势, 故阀门应打开, 使油路畅通。Young 等[10]通过将刚度控制项近似为等效线性阻尼, 采用脉宽调整法建立了相应的控制律。Yang 等分别采用变结构控制理论、滑模控制和静态输出反馈控制设计了相应的控制律。Andrade [12]通过预测控制理论解决了变刚度控制系统可能存在的时滞问题。Liang 等研制开发了一种实时结构参数修改系统, 其中也可实现变刚度控制的功能。

国内, 周福霖和闫维明等[15-16]提出了一种瞬时最优控制律, 并与符号控制律进行了数值分析对比, 结果表明:瞬时最优控制律的控制效果要稍好于符号控制

[13-14]

[11]

图1　安装于单层框架上的传统半主动变刚度控制系统

Fig . 1　Single -storey frame structure with traditional

semi -active variable stiffness control system

律, 但符号控制律仅根据受控结构位移和速度反应的符号进行控制, 与系统参数及外界激励的信息无关, 具有更好的鲁棒性。同时, 提出了多自由度半主动变刚度控制体系的主振型控制律。理论和试验研究表明, 当结构的反应以某个振型为主时, 主振型控制律都可以获得很好的控制效果。特别地, 当结构反应以第一振型为主时, 第一振型控制律控制效果尤为显著。何玉敖等[17]采用多模态优化的方法研究了结构的变刚度半主动控制问题。多模态优化控制的开关切换与瞬时最优控制接近。采用多模态优化控制律对结构进行在线控制, 可取得和瞬时最优控制相当的控制效果, 但在线计算时间显著缩短, 较仅对单一模态进行控制可以取得更好的控制效果。吴波等采用拟振型分解法研究了结构变刚度半主动控制, 并研究了相应的实用抗震设计方法。数值分析结果表明, 拟振型分解法可以较好地确定变刚度半主动控制结构的各层最大相对位移和各层层间最大位移。1. 3　存在的问题

Kobori 提出的半主动变刚度控制系统, 能够在结构的反应过程中实时调整结构的固有频率, 防止最不利的共振现象发生。在满足一定的条件下, 这一控制系统可以取得明显的控制效果。然而, 从目前的研究现状看, 仍然存在下述问题:

(1) 常规变刚度控制系统抑振频带窄, 适用范围具有局限性

[18]

这种传统半主动变刚度控制系统的原理在于:AVS 控制系统能够根据受控结构的不同运动状态而使其仅取上限刚度值或下限刚度值, 通过持续在这样两个离散的上下极限值之间进行非连续瞬时切换, 可以使得受控结构远离共振状态, 从而达到减振的目的。Kobori 等对这种控制系统进行的振动台模型试验和原型结构试验均表明

[4-5]

:这种控制系统的装置尽管比较

简单, 而且也仅需很少的外部能量用以改变结构的动力参数, 但其控制效果是很明显的。

国内刘季等[6]提出了一种变刚度控制系统, 系统的快速锁定装置可处于ON /OFF 两种状态:当处于ON 状态时, 结构增加了附加刚度; 当处于OFF 状态时, 结构去除附加刚度。该系统同Kobori 提出的系统相似, 并完成了相应的模拟地震振动台试验。李敏霞

[7]

针对

大型渡槽进行了足尺变刚度控制的试验研究。文献[8]探讨了在基础层同时采用隔震橡胶支座和变刚度控制装置进行连续变刚度控制的问题。1. 2　控制律研究现状

Yamada 等[9]从控制结构层间位移的角度出发, 提出了一种适用于传统AVS 控制系统的开关控制律, 即符号控制律:(1) 当受控结构在外部激励下其动力反应

变刚度控制系统从动力学避免共振的角度出发, 理论上可以取得很好的控制效果, 但事实上由于结构的层间刚度一般较大, 即使每层均补充变刚度装置, 可以调整的频带宽度仍是极其有限的, 仅能在很小的频带范围内改变结构的周期, 因此减振效果会受到极大限制。

为阐明这一问题, 不失一般性, 选用图2所示的加速度反应谱值S a 加以说明。假设T 0为结构的固有周期, 未引入外部附加刚度; T 1为引入外部附加刚度后对应的结构周期。由于结构刚度增加后周期将减小, 因此T 1

。

制位移反应略大于开关控制, 但加速度反应却远优于开关控制。由此可见, 采用连续控制有可能在位移反应和加速度反应之间取得某种折中效果, 使得二者均保持在可接受的范围之内, 可以优先考虑。

2　变阻尼控制

除变刚度控制系统以外, 变阻尼控制系统也是半主动控制系统的一个经典范例。变阻尼控制系统通过布置在结构层间的附加阻尼装置实时调整结构阻尼, 由此改变结构的动力特性, 以达到减轻结构振动的目的。2. 1　控制装置研究现状

在地震作用下, 除刚度以外, 阻尼也是影响结构物动力反应的一个重要因素。变阻尼控制系统要求在结构合适的部位安装变阻尼装置, 通过实时改变装置的阻尼特性以提供适度的阻尼力, 控制结构的动力反应。尽管变阻尼装置在形式上各有不同, 但以图3所示的变孔径油阻尼器最为典型。这种可变阻尼器(AVD ) 利用旁路中的调孔阀根据需要调节开孔率, 从而调整粘性油对活塞的运动抗力。由于活塞与结构连接, 因此可以将这种抗力通过活塞传递给结构。这种变孔径油阻尼器主要给安装的结构提供额外的粘性阻尼, 而增加的刚度几乎可以忽略不计

。

图2　变刚度控制系统的有效频带Fig . 2　Effective frequency band of semiactive

variable stiffness control system

(2) 开关控制不利于抑制结构的加速度反应在地震激励作用下, 如果采用开关控制策略, 变刚度控制系统抑制结构的位移反应通常效果比较好, 但是对加速度反应的抑制则不理想, 甚至是完全不利的。究其原因, 在于这种双态控制系统在控制作用与结构瞬时状态之间实现的是一种粗略匹配而非连续的精确匹配, 导致不能充分发挥控制系统的效率。根据文献[8]的研究成果可知, 变刚度控制系统如果采用符号控制律, 尽管可以有效抑制结构的位移反应, 但是大多数情况下对于加速度反应则是不利的; 相反, 尽管连续控

图3　变孔径油阻尼器示意

Fig . 3　Schematic of variable -orifice damper

AVD 由Hr ovat 等[19]首先提出并应用可变阻尼器对结构的风振控制问题进行了系统研究, 通过数值仿

真分析, 发现可以得到与主动控制接近的效果。Feng 和Shinozuka [20]首先进行了将变孔径油阻尼器应用于桥梁抗震的研究工作, 随后Sack 和Patten 等也进

[23]

行了类似的试验研究。Loh 等研究了三层结构在地震作用下的半主动变阻尼控制。Symans 等[24-25]研制开发了粘滞流体变阻尼装置, 通过应用LQR (线性二次

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[21-22]

状态调节器) 控制和滑模控制等算法, 分别针对一个单层框架和一个三层框架进行了试验研究。Kurata 和Kobori 等[26]提出了一种半主动流体阻尼器, 将其安装在一个3层模型结构上并进行了振动台试验, 结果表明, 顶层的峰值加速度和位移均减小了30%～50%。1998年在日本建成的Kajima -Shizuoka 建筑物, 应用了半主动变阻尼控制系统, 在实际地震作用下显示出了良好的控制效果。国内, 孙作玉和李惠等分别研制开发了半主动变阻尼控制装置, 并进行了相应的结构控制试验研究。2. 2　控制律研究现状

变阻尼控制律以bang -bang 控制应用最为广泛, Feng 、Sack [21]和Setareh [31]等均以其为基础进行了相

[20]

[27-28]

[29]

[30]

利的, 变阻尼控制的效果不能超越对应被动上限阻尼

的控制效果, 这种情况下难以成立; 相反, 柔性结构增加阻尼比不可能对位移和加速度反应控制均是有利的, 这种情况下变阻尼控制有可能通过调整阻尼比使二者同时得以改善。由此, Sadek 等得出这样的结论:对于采用变阻尼控制的柔性结构(周期在1. 5s 以上) , 同时取得位移峰值和加速度峰值的减小是有可能的; 而对于刚性结构(周期在1. 5s 以下) , 采用变阻尼控制则是值得怀疑的。

文献[35]在此基础上, 从理论分析和数值计算两方面证明了粘性变阻尼控制成功与否并非仅仅取决于结构的周期(柔性结构或刚性结构) , 而主要取决于结构周期与激励主周期的比值。在这一比值大于1. 4时, 结构位移和加速度反应受阻尼变化影响的趋势是不一致的, 导致了被动阻尼控制不能同时兼顾两个指标, 而变阻尼控制则可以适度牺牲位移和加速度指标两者中的某一个的控制效果为代价而换取两者同时得以改善。根据定性分析和数值结果验证, 得出了两条结论:(1) 变阻尼控制系统的效果依赖地面运动特性, 与无控状况相比通常可显著减小结构的动力反应, 但与被动阻尼控制相比仅在结构远离共振时才有意义。(2) 在结构动力反应远离共振的情况下, 变阻尼控制虽可同时取得位移峰值和加速度峰值的减小, 但是此时结构反应较小, 实施控制的必要性已大为降低。

综上所述, 变阻尼控制仅与无控状况进行控制效果对比是不合理的, 同时也需要与对应的被动上限阻尼控制进行效果对比。通常, 仅在结构周期与激励主周期的输入比值满足一定条件的特殊情况下, 粘性变阻尼控制才有效果。因此, 在应用时必须同时考虑结构的动力参数、输入地震动类型和频谱特性等多种因素的影响, 然后加以判断取舍。

应的研究。Sadek 等[32]针对变阻尼控制进行了系列研究, 在研究过程中除采用L QR 算法以外, 还设计了两个控制律, 即可以考虑加速度反应的修正LQR 算法以及位移-加速度联合控制律。国内, 孙作玉等[33]利用多输入多输出动态递归神经网络模型预测结构的响应, 然后利用遗传控制算法进行变阻尼控制力寻优, 以此为思路设计了相应的变阻尼控制律。2. 3　存在的问题

尽管已有的研究证明, 粘性变阻尼控制系统可以有效地抑制结构在地震激励下动力反应, 然而近年来的研究显示仍需要对其控制性能重新认识。Symans 等[24-25]、Sadek 等[32]和文献[34]的研究工作显示, 半主动粘性变阻尼控制系统尽管可以取得一定的控制效果, 但是对于单纯的变阻尼控制存在一定争议, 仅在极少数情况下才能达到控制的目的。

Symans 等研制开发了一个半主动流体阻尼器, 通过应用L QR 控制和滑模控制等算法, 分别针对一个单层框架和一个三层框架进行了试验研究。试验结果显示, 尽管应用变阻尼控制与无控相比, 结构反应得到了显著改善; 但是与采用阻尼上限的被动阻尼控制相比, 结构反应并未进一步改善。为了研究变阻尼控制的实际效果, Sadek 等[32]对6个不同周期(0. 2～3s ) 的单自由度系统进行了试算。选用多达20条的地震波作为地震输入, 结构的阻尼比分别取为0. 05和0. 40。平均汇总以后的数据显示对于刚性结构, 增加阻尼比可以同时取得峰值位移和峰值加速度的减少, 而对于柔性结构增加阻尼比虽然可以减小位移峰值但相应的加速度峰值却有所增加。即刚性结构增加其阻尼比总是有3　磁流变阻尼器

磁流变(MR ) 阻尼器和电流变(ER ) 阻尼器均属于可控流体阻尼器。可控流体阻尼器分别使用磁流变或电流变工作液作为工作介质, 除活塞以外不包含其它可运动元件。电/磁流变液最重要的特性在于通过调整电/磁场的强度, 可以使电/磁流变液由自由流动或粘性流动的液体在毫秒级的时间范围内转变为半固体。这种连续、可逆的液固转换可以迅速大幅度地改

变工作介质的屈服强度, 在极短的时间内完成阻尼力的调谐。

相比较而言, 磁流变阻尼器比电流变阻尼器更有优势。这是因为磁流变液相比电流变液具有屈服强度高而粘性相近、屈服强度变化受温差影响小和性能更稳定等优点。因此, 目前可控流体阻尼器的研究以磁流变阻尼器为主。图4为MR 阻尼器的工作示意图

。

阻尼器的滞回特性。在Wen 的研究基础上, Spencer 等[36]提出了修正的Bouc -Wen 模型, 可以更加精确地描述MR 阻尼器的力学行为。

Dyke 等[37]提出了一种基于加速度反馈的次最优控制律。此外, 滑模控制、随机控制、LQG 控制、神经网络控制和模糊控制也被用于设计MR 阻尼器的控制律。国内, 瞿伟廉等[45]基于修正的Bingham 模型, 采用模糊半主动控制律对升船结构进行了仿真分析。李宏男等[46]研究了磁流变阻尼器作为控制装置的结构平移-扭转耦联地震反应的半主动智能控制问题, 所设计的控制律主要思路是:首先采用微种群遗传算法优化控制信号, 以获得系统输出与控制信号之间的数值对应关系; 然后通过训练神经网络把这些知识储存于神经网络的权值之中, 在此基础上执行神经网络控制。

图4　磁/电流变阻尼器示意Fig . 4　Schematic of MR /ER damper

3. 3　存在的问题

磁流变阻尼器由于反应迅捷, 动力调谐连续而且可逆, 因此目前颇受关注, 但是这种半主动智能控制装置与传统的粘性变阻尼控制一样仍然有类似的问题, 即与对应的控制电流始终处于最大值时的被动控制效果相比, 半主动控制策略并未能进一步改善控制效果[47]。

3. 1　控制装置研究现状

Spencer 等和Dyke 等针对MR 阻尼器进行了包括控制机理、参数设计和理论建模等内容在内的系列研究。在理论研究的基础上, 同时也研制设计了相应的MR 阻尼器, 并应用于一座三层框架模型结构以控制其地震反应, 试验验证了MR 阻尼器的可行性和有效性。国内, 欧进萍、李忠献和瞿伟廉等较早进行了这方面的理论和试验研究, 并分别设计开发出了不同形式的MR 阻尼器。

1997年, 美国Lord 公司研制开发出能耗22W 、最大出力可达20t 的足尺MR 阻尼器。2001年, 在日本东京Nihon -Kagaku -Miraikan 展览馆内的第3层和第5

层之间设置了两个最大阻尼力为30t 的磁流变阻尼器。2002年, 我国湖南省岳阳市洞庭湖大桥采用了足尺MR 阻尼器用以控制斜拉索由风雨激励引起的振动。

3. 2　控制律研究现状

在控制律设计的过程中, 通常首先需要考虑建立MR 阻尼器的力学模型。Stanway 等[41-42]提出的Bingham 模型由一个库仑摩擦单元和一个粘性阻尼单元并联而成, 最初用于描述ER 阻尼器的力学行为, 但通过参数的不同取值也可应用于描述MR 阻尼器的力学行为。在此基础上, Gamota 等[43]给出了一种扩展的Bingham 模型, 由Bingham 模型和一个线性固体模型串连而成。Wen [44]提出了一种Bouc -Wen 模型, 可以反映

[38-40]

[36]

[37]

4　半主动调谐质量阻尼器

根据传统动力吸振器理论, 在主系统上设置一个子系统, 通过将子系统的频率调谐至主系统欲控频率

附近, 并设定合理的质量比和阻尼比等主要参数, 即可通过引发子系统的振动有效地转移并耗散输入主系统的振动能量。

被动质量调谐阻尼器(TMD ) 源自动力吸振器理论, 由Fra m 在1909年提出, 邓哈陀[48]对此进行了开拓性的研究。T MD 由辅助质量-弹簧-阻尼三部分元件组成, 附加于主结构之上。根据传统动力吸振理论, 通过合理设计T MD 的质量比、频率比和阻尼比等参数, 在动力反应过程中, 结构的部分振动能量将会转移到TMD 上, 从而可以达到保护结构的目的。由于TMD 缺乏调节性, 因此在其基础上发展出现了半主动质量调谐阻尼器(SAT MD ) , 以进一步提高结构控制效果(图5) 。

SATMD 最常见的研究情况是将常规TMD 的阻尼元件用在一定范围内可以连续变化的阻尼元件替代,

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输入下SAT MD 作用于单自由度系统上阻尼力的性质, Setareh [51-52]提出了类似于开关控制的两级控制策略, 即将阻尼分为大小两个档次, 阻尼力与结构运动方向相反采用高档次的大阻尼, 阻尼力与结构运动方向相同采用低档次的小阻尼。这两种方法的不足之处在于确定瞬时阻尼时, 未能充分结合结构的运动过程加以考虑, SATMD 的控制效果还可进一步提高。在优化控制的基础上, Pinkaew 等选定了一个二次型形式的性能指标, 通过约束条件下函数求极值的理论求得阻尼参数的瞬时优化值, 以期使半主动控制的阻尼取值尽可能逼近主动控制的结果, 并重点讨论了单自由度

图5　设有SATMD 的多层剪切型结构Fig . 5　Multi -storey shear structure with SATMD

[53]

在谐波激励下的控制效果。这种方法可以分为两步,

即首先求得主动控制情况下的阻尼值, 然后进一步通过计算确定半主动控制情况下的阻尼值。由于这一方法针对的是谐波作用下的单自由度系统, 因此其适用范围有限。欧进萍和黄斌等[54-55]考虑采用磁流变阻尼器作为阻尼调整元件, 前者采用LQR 算法研究了结构地震反应控制问题, 后者采用滑模控制(SMC ) 算法研究了结构风振控制问题。文献[56]提出了一种离复位控制策略, 在此基础上设计SATMD 的控制律, 经与Setareh 的研究方法对比分析, 显示可以取得更好的控制效果。4. 3　存在的问题

SATMD 的控制效果受地面运动的特性影响极为明显, 在有些情况下控制效果极不明显甚至完全没有控制效果, 特别是对于短周期的冲击型地震动采用吸振器类控制系统很难取得好的控制效果, 控制系统的“触发性”也相对较差[57]。触发性指从结构地震反应的控制时程曲线来看, 结构位移或加速度等反应在数值上开始小于无控数值, 这时可以认为控制系统开始被触发进而发挥控制作用。从控制过程开始到受控反应数值首次小于无控反应数值的这段时间, 简称为触发时间。显然, 控制系统触发时间越长, 越被动。

然后由测量的结构反应按给定的算法实时确定其瞬时阻尼值, 进而对结构动力反应予以控制。SATMD 研究的另一种情况是采取可变刚度元件替代常规TMD 中的恒值刚度元件, 然后由测量的结构反应按给定的算法实时确定其瞬时刚度值, 继而实现对结构的控制功能

[49]

。由于目前的研究主要以前者为主, 因此如非特

殊说明, 以下论述主要以采用变阻尼元件的SATMD 为主。

4. 1　控制装置研究现状

SATMD 较早的研究可以追溯至1983年。Hr ovat 提出了这样的构想:对于常规的TMD 采用时变阻尼元件(如变孔径油阻尼器和磁流变阻尼器) , 即可形成SAT MD 。相对于TMD , 在同样的条件下SATMD 可以大幅度提高结构动力控制效果, 减少复合系统对TMD 调谐频率比、质量比等相关参数的依赖, 从而使得选择较小的附加质量成为可能, 同时也具有较宽的共振抑制频带; 与主动质量调谐阻尼器(ATMD ) 相比, SATMD 相对构造简单, 仅需要小部分的能量用以操纵控制阀调节阻尼参数, 就可以获得AT MD 大部分的控制效果。从性价比的角度而言, SAT MD 是最为理想的。

4. 2　控制律研究现状

基于模态理论, Ab é[50]以一使用SATMD 的单自由度系统为控制对象, 通过摄动分析可以求得附加阻尼器阻尼比的近似解析解, 并给出了相应的控制算法。不过, 此种方法在未知激励存在不确定性因素的情况下, 在具体实施过程中很难实现。此外, 根据谐波激励[19]

5　半主动U 型液体调谐阻尼器

液体调谐阻尼器(TLD ) 与质量调谐阻尼器(TMD )

一样, 均源于动力吸振器理论。TLD 通常由盛有浅层液体的刚性容器组成, 附加于结构之上。液体作为附加质量, 恢复力由重力作用产生。液体的冲击作用可以吸收外部能量, 并且通过粘性液体运动、碎波以及人

工添加的金属网和悬浮颗粒物的阻尼作用耗散之。单个的TLD 与TMD 一样仅能控制结构的单一模态, 一般主要用于控制结构的一阶模态。

尽管TLD 与TMD 控制原理相同, 但是其动力分析过程远较后者复杂。为便于进行理论分析和设计, 在TLD 的基础上衍生出了一种U 型液体调谐阻尼器(TLCD ) , 由Sakai 等[58]在1989年首次提出。TLCD 属于被动控制, 其构造为一内部充液(通常是水) 的U 形管状刚性容器, 水平管道中部设有预留孔。通过调谐管内液柱的振动频率至接近或等于结构的固有频率并选定适度的液力阻尼, 然后附于结构之上, 则结构的部分运动能量将传递给液体, 引起液柱的振动, 从而改善结构的动力状态。

为进一步提高控制效果, 相应地出现了一种对应于TLCD 的半主动控制装置, 即半主动U 型液力调谐阻尼器(SATLCD ) , 控制简图如图6所示。SATLCD 可以根据既定算法, 实时调整开孔率, 以适应不同时刻阻尼的需要, 并保留了TLCD 的主要优点。理论分析和试验研究显示这种控制系统能在被动控制的基础上进一步减少结构的振动反应

。

般在0. 05～2. 5s 范围之间变动, 因此只有当液柱的全长L ≤3m 时才有可能在此范围内取值, 满足调谐比(吸振器和结构的频率比) 的要求; 但是另一方面欲取得满意的减振效果, 吸振器和结构的质量比μd 要求L 又不能太小。同时满足M d 和T d 的要求是很困难的。

Hitchcock 等[60]研究了一种在TLCD 基础上发展起来的LCVA , 尝试克服这一不足之处, 但是仍不能从根本上有效解决这一问题。Sun 等利用重泥水作为TLD 工作液体, 研究开发的重泥水TLD 已被成功应用于抑制高速公路桥中钢管高桥墩在施工时的风振反应, 取得了理想的控制效果。该装置采用的液体材料重泥水具有高粘性、高比重的特性, 可以考虑借鉴设计SATLCD 、TLCD 的工作液体。

5. 2　控制律研究现状

Haroun 等[62]提出把阻尼视为一种假想的“控制作用”, 采用瞬时最优控制的算法以确定瞬时液力阻尼系数, 但实际上由于阻尼有限的取值范围导致无法取得按算法所确定的理想数值, 影响了控制效果。Yalla 等[63]根据激励的类型和水平, 讨论了间接迭代和直接推导两种算法, 这两种方法的不足在于事先需要对激励类型做出判断, 然后才能加以使用。李宏男等[64]通过对液力阻尼采用等效线性化技术, 然后采取“仅激励起第一振型而不激励起第二振型”的假定, 设计提出了相应的控制算法。文献[59]、[65]分别采用模糊控制和离复位控制策略, 研究了SATLCD 的半主动控制问题。

[61]

图6　SATLCD 控制简图

Fig . 6　Control schematic of SATLCD

5. 3　存在的问题

如前所述, SATLCD 主要用于风振控制, 很少用于结构地震反应控制。这主要是因为盛液容器的液柱质量与振动周期皆依赖液柱长度, 然而在地震反应控制当中二者对液柱长度的要求往往不一致, 使其陷入一种两难的境地。因此, 除非在装置构造上或液体材料上做出大的革新, 否则SATLCD 在抗震领域的应用将受到极大的限制。

5. 1　控制装置研究现状

根据动力吸振理论, 在TLCD 或SATLCD 的设计过程中, 盛液容器的液柱质量M d 必须大于某一临界数量级(一般为主结构质量或欲控模态对应广义质量的1%) 且液柱的振动周期T d 需接近激励主周期才有可能抑制结构的动力反应。假设液体的密度、容器横截面积、液柱全长、重力加速度分别用ρ、A 、L 和g 表示, 则有

M d =ρA L 　和　T d =2π2g

依据上式不难发现, SATLCD 、TLCD 用于风振控制

是适宜的, 而用于结构地震反应控制则是很难成立的。这是因为:一方面由于结构地震反应谱的卓越周期一

[59]

6　半主动控制研究中的共性问题

半主动控制由于较被动控制和主动控制性价比最高, 因此近年来受到了高度的关注, 在理论研究和工程应用上都取得了一些新的研究成果。但是另一方面,

除不同半主动控制系统独有的问题有待进一步深入探

71

讨以外, 仍存在一些共性问题亟待进一步深入研究。

(1) 足尺半主动控制系统的研究问题。尽管半主动控制系统目前已有少数工程实例, 但迄今的研究基本上仍以理论和试验研究为主。与机械工程和航空领域的被控对象而言, 建筑结构普遍存在体积大、质量大和控制力需求大等特点, 如果实际控制系统出力不足, 就不能满足土木工程抗震的需要。如果控制系统出力满足需要, 前述变阻尼控制装置和MR 阻尼器存在的问题就有可能在一定程度上得以克服。目前, 绝大多数半主动控制装置的出力远不能满足实际建筑结构振动控制的需求。

(2) 研究新的具有针对性的半主动控制律。除对某一具体控制系统专行设计的控制律以外, 目前通用的一种设计方法是借鉴主动控制律的计算结果从而设计相应的半主动控制律, 即首先将半主动控制力视为一种可由主动控制算法确定的“主动控制力”, 然后使半主动控制装置向受控结构提供的半主动控制力尽可能地逼近按照主动控制途径分析计算得到的瞬时控制作用力。由于半主动控制系统中控制装置的参数和力学特性决定了实际控制力的方向和大小, 不能完全跟踪最优控制力, 因此实际上就降低了控制的有效性和可信度。采取这种途径设计控制律忽略了两方面因素的影响:一方面是在控制力求解时未考虑其约束方程, 而在求解后再考虑约束条件, 整个求解次序与理论求解次序刚好相反; 另一方面, 半主动控制系统中的控制力通常与位移和速度等状态量相关联, 是一种假想的“控制力”, 与主动控制系统中由外部直接施加的控制力性质是不同的, 必须考虑状态方程与约束方程的耦合求解问题, 而实际求解过程未能考虑这一点。

(3) 半主动控制系统控制装置的优化设置问题。对于半主动控制系统, 其控制装置的优化设置问题就是在某一种优化准则下寻找控制装置最优的布置位置, 确定其最佳的布置数目, 同时选取最优的控制参数, 使得各个控制器均能最大限度地发挥控制作用, 从而获得最佳布置方案。目前, 控制装置的优化设置研究大多局限于被动控制。例如, 通过将结构模拟作一均匀剪切杆, Ashour 通过增加结构的一阶阻尼比进行阻尼器位置优化; Zhang 等[67]采取的策略是使阻尼器经受最大的相对位移和速度; Wu 等

[68]

[66]

分析、线性二次状态调节器的优化解、梯度法、极点配

置、遗传算法研究了这一问题。相反, 半主动控制装置这方面的研究工作则相对较少[74]。与被动控制系统不同, 半主动控制装置中的刚度和阻尼等动力参数可根据既定控制律随时间调整, 进而会影响到控制系统的效果, 因此半主动控制系统优化设置问题还与选定的控制律有关。半主动控制装置的优化设计包括装置参数、数目和位置等多个目标, 需要同时考虑进行多目标优化设计。在未来优化设计研究的过程中, 如何合理确定优化准则和考虑地震动输入不确定性的影响将是两个关键性的因素。

(4) 半主动控制系统的时滞问题。时滞现象是结构控制过程中经常遇到而且必须加以解决的重要问题。半主动控制系统中时滞问题的研究可以借鉴对应主动控制系统的研究成果。在一个控制系统中, 它可能由软件计算、硬件系统响应、机械摩擦和执行机构动作等多个任务耗时引起。出现时滞会严重降低系统稳定性, 恶化系统控制效果。欲避免或减小时滞, 需要从引起时滞的各个环节考虑, 应尽量减小完成各个环节所需占用的时间。例如, MR 阻尼器反应时间仅为毫秒数量级, 从执行机构动作这一环节来说是很有利的。除此之外, 时滞问题也可以考虑从控制律设计的角度加以补偿。例如, 可以采用状态估计的方法预估控制系统未来几个步长时间内的运动状态量, 然后提前进行预测控制, 在一定程度上可以消除时滞的影响。

7　结语

本文以几个主要的半主动控制系统为例, 分别从控制装置和控制律设计两个方面阐述了半主动控制系统的最新进展。然而另一方面, 通过对各个半主动控制系统的考察也发现, 半主动控制技术目前的研究仍然存在着许多不足之处。鉴于此, 本文重点讨论分析了各个半主动控制系统目前研究过程中存在的若干关键问题, 并提出了半主动控制研究当中一些重要的共性问题, 为后续研究工作的进一步深入展开提供参考价值。

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(上接第57页)

　　(3) 在阻尼器支撑倾斜角度上, 选取α=45°～60°

会取得良好的减震效果。对于本文的30m ×24m 网架, 建议采用b =4. 5m , 确定b 值后, 设定α=45°～60°来确定阻尼器支撑点的竖向位置h 值。

(4) 在阻尼器与网架的连接点位置上, 选择下弦节点连接方式比选择上弦节点连接方式的控制效果要好。

(5) 在阻尼器布置数量上, 一般来说布置数量越多, 结构的减震控制率越高, 但随着阻尼器布置数量的增加, 减震率增加幅度明显变小, 显然设置太多的阻尼器是不经济的。对于30m ×24m 网架, 建议采用沿纵向共布置4个阻尼器(每边2个阻尼器) 的方案。

结合作者提出的粘弹性阻尼器在网架结构减震控制中的参数优化方法

[8]

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75