结构振动控制技术综述

结构振动控制技术综述
课程名称：工程振动与检测
姓名: X X X
学号:X X X
指导教师: X X X
完成日期：2015年1月20日
结构振动控制技术综述
XXX
（XXXX大学土木工程系，南京 210094）
摘要本文对结构振动控制领域的研究、应用以及发展做出了综合评述。

文中首先指出了近年来结构振动控制发展的概况，再根据结构振动控制的分类介绍了被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制，然后介绍了振动控制的控制理论并应用实例，最后提出了一些未来结构振动控制发展所需要解决的问题。

关键词振动控制调谐质量阻尼器（TMD）主动质量阻尼器(AMD)
Summary About Structural Vibration Control Technology
Zhang lifeng
(Department of Civil Engineering, Nanjing University of Since and Technology,
Nanjing 210094, China)
Abstract This article reviews recent research，applications and progress in the field of structural vibration control.firstly,it points out recent development overview of structural vibration control and then introduces passive control, active control, semi-active control and hybrid control.After that ,it introduces the theory and applications of structural vibration control.Finally,some question needed be solved about structural vibration control are asked.
Keyword structural vibration control t uned mass damper active mass damper
1 前言
近十几年来，结构振动控制的研究在国内外都十分的活跃，其研究成果和在抗风抗震中的应用具有重大的意义。

过去人们所用的传统抗震设计是通过增强结构本身的抗震性能来抵御地震作用，即用结构本身储存和消耗地震能量，以满足结构抗震设防标准，小震不坏，中震可修，大震不倒。

而这种抗震方式缺乏自我调节能力，在不确定的地震作用下，很可能不能满足安全性的要求；另一方面在满足设计要求的情况下．结构构件的尺寸可能需做得很大，这样既给建筑布置带来一定的困难，在经济上又要增加相当多的投资[1]。

而与传统的抗震设计相比，结构振动控制突破了传统的结构设计方法，即使仅依靠改变结构自身性能（例如增加结构的刚度、阻尼，改变质量分布等）来抵抗环境荷载（例如强风与强震）的方法发展为由结构—抗风抗震振动控制系统主动地控制结构的动力反应。

结构振动控制为现存抗风抗震能力和耐久性不足建筑的修复和改造提供了可行的和彻底的解决方
法；也为未来建筑结构基于性态的抗震设计提供了可行的方法[2]。

2 结构振动控制的分类
根据是否需要外界能源，结构控制一般可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。

2.1 被动控制
被动控制是无外加能源的控制，其控制力是控制装置随结构一起振动变形，因装置自身的运动而被动产生的[3]。

被动控制又可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸能减震技术三大类。

基础隔震技术是指在建筑物或构筑物基底设置控制机构来隔离地震能量向上部结构传输，使结构振动减轻，防止地震破坏。

目前研究开发的基础隔震技术主要有：夹层橡胶垫隔震、摩擦滑移隔震、滚珠及滚轴隔震、支撑式摆动隔震和混合隔震等[4]。

吸能减震技术是在主体结构中附加子结构，使结构的振动发生位移，即使结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配，从而达到减小结构振动的目的。

目前主要的被动控制振动装置有：(1)调谐质量阻尼系统(TMD)；(2)调谐液体阻尼系统(TLD)；(3)质量泵；(4)液压一质量控制系统(HMS)}(5)空气阻尼器。

2.1.2 常用的被动控制系统
目前在众多的被动控制技术中，应用最多最广泛的是调谐质量阻尼系统(TMD)和调谐液体阻尼系统(TLD)。

调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper)是一个由弹簧、阻尼器和质量块组成的振动系统，一般支撑或悬挂在结构上，其简化计算模型如图一[5]。

TMD对结构进行振动控制的机理是：当结构在外激励作用下产生振动时，带动TMD系统一起振动，TMD系统产生的惯性力反作用到结构上，调谐这个惯性力，使其对主结构的振动产生调谐作用，从而达到减少结构振动反应的目的。

调频液体阻尼器（Tuned Liquid Damper)则是利用固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动侧压力来提供减振力的。

在地震或风荷载作用下，TLD中的液体将会摇晃并在液体表面形成波浪，晃动的液体和波浪对TLD 箱壁产生动压力差，同时液体运动也将引起惯性力。

由动压力差和液体惯性力二者共同作用，从而形成TLD 的减振作用[]。

其原理图如图二
2.2 主动控制
主动控制是应用先进的控制技术，对输入地震动和结构反应进行联机实时观测跟踪和预测，再按照分析计算结果，应用伺服加力装置对结构施加控制力，实现自动调节，使结构在地震和其它动力作用下的响应控制在允许的范围以内，达到保护结构和设备免遭损伤的目的。

主动控制系统主要由传感器、运算器和施力作动器三部分组成。

理论上讲，主动控制是很有效的一种减振手段，但对于尺度和载荷都很大的土建结构来讲，由于消耗很大的能源，现实意义不是很大。

对保护设备、设施的安全和减轻由于设备破坏引起的次生灾害方面则是
很有效的。

目前主动控制系统主要有：（1）主动质量阻尼系统(AMD)；（2）主动拉索系统(ATS)；（3）主动支撑系统(ABS)；（4）主动可变刚度系统(AVSS)等。

2.2.1 常用的主动控制系统
主动质量阻尼器(Active Mass Damper)是现代最为流行的一种主动控制技术，其控制系统包括质量阻尼刚度装置、驱动装置和液压源以及计算机及控制系统。

其原理是将结构响应的反馈和结构中关键位置处的激励的前馈，经计算机分析处理向驱动器(连接质量块和结构)发送适当的信息，再由驱动器对抗质量块从而产生惯性控制力并施加于结构实现振动控制。

主动质量阻尼器简化示意图如图三。

2.3 半主动控制
半主动控制是有少量外加能源的控制，其控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调整自身的参数，从而起到调节控制力的作用。

半主动控制兼有被动控制和主动控制的优点。

它具备主动控制的效果又只需很小的电能通过调节和改变结构的性能减小地震反应，因此比较适合于改善工程结构的抗震设防[6]。

现有的半主动控制技术有；半主动隔震装置、半主动TMD、半主动力触动器、半主动变刚度装置(AVS)、半主动变阻尼装置以及电流变(ER)和磁流变(MR)阻尼器等。

2.3.1 常用的半主动控制
半主动控制技术种类繁多，这里简要介绍半主动变刚度阻尼器和电流变(ER)和磁流变(MR)阻尼器。

变刚度半主动控制系统(AVS)是应用液压元件改变刚性支撑和大梁的连接条件，随时调节层间刚度，避免共振。

该系统能耗比较低，所配备的备用电源在市电停止供应时尚可工作3 分钟。

在变刚度半主动控制系统中，结构的层间水平刚度可以在其最大值和最小值之间跳跃或随意调节。

跳跃式的调节方式相应于一种开关控制，由于其机构简单，受到了广泛的重视。

在设计以上变刚度系统时通常应使与上限和下限刚度值相对应的结构自振频率复盖强震地面运动的优势频率范围。

通过实时的变刚度控制不仅可以避免共振，同时还能增加阻尼。

电流变(ER)和磁流变(MR)阻尼器的特点是能够通过控制电场和磁场在几毫秒时间内使阻尼器中的流变体实现自由流动、粘滞流动和半固态的交替变化，由于不需要伺服阀，从而避免了机械元件的不可靠性和特别的维护要求[7]。

磁流变阻尼器示意图如图四。

图四磁流变阻尼器示意图
相比而言磁流变阻尼器有着更好的前景。

如因如下：（1）磁流变元件中有导磁性能的固体颗粒使阻尼的控制变得非常简单和可靠。

（2）在磁流变阻尼器中可以应用矿物油、合成油、乙二醇甚至水作为媒体，但其中应含20% ~40%的比较纯净的碳酰铁粒子，这些碳酰铁粒子悬浮在媒质中，磁流变元件中的磁流体在制造和使用过程中对纯度和环境均无特殊要求，换句话说就是对污染是不太敏感的。

（3）由于磁化机制不受表面活化剂和添加剂的化学变化影响，这种磁流变阻尼器对于抗御磁流体中的粒子和液体分离和保持元件的稳定工作也是很有利的。

2.4 混合控制
混台控制是在结构上同时应用被动控制和主动控制，或者是同时应用不只一种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装置的长处，克服它们的弱点，以获得更好的控制效果．目前提出的混合控镧方法主要有：同时采用AMD和TMD的混合控制系统、主动控制和基础隔震相结台的混合控制系统以及主动控制和耗舱装置相联合的混合控制
系统。

混合控制隔振结构兼具被动控制体系和主动控制体系二者的优点，其抗振性能优良，是极具潜力的新一代隔振系统。

3 结构振动控制的控制理论
结构振动控制中的控制理论繁多，本文就对一般性的控制理论与控制算法在结构控制中的建模以及应用进行总结。

3.1 结构振动控制中建模问题
建模的目的是建立结构及控制系统在外部动态载荷作用下的动力响应模型，为了尽量真实地描述整个系统的行为，通常工程师的建摸方法有两种：一是根据牛顿力学原理建立系统的数学模型，但对于复杂的结构．这类模型往往维数较高，因此这种建模方法多用于系统动力学响应分析与对闭环系统的性能评价方面；另一种途径则是利用系统的输与输出数据采用控制中的系统辩识算法辨识出系统模型。

如果辫识算法不同，则得到的描述模型也有所不同。

3.2 控制理论
最优控制算法在结构振动控制中发展和应用已经十分成熟，在此基础上又衍生出了许多改进的算法，这里我们就介绍一些最优控制的改良控制理论以及其他的控制理论。

3.2.1 混合最优控制
混台最优控制通过被动控制可以在一个给定的范围内改变结构的质量，刚度和阻尼等参数．进而改变结钩的动力学特性，而基于结构原始参数，按照某一准则，可以设汁出具有理想闭环系统性能的控制器。

在保证上述理想闭环系统动态特性前提下，再同步进行控制器与结构参数重新设定，就有可能同时优化结构与控制参数[12]，在同样的控制效果下最小化控制所需的能量，即实现“被动与主动控制的最优混合”，得到性能与结构参数满足给定约束的最小能量控制器如果通过这种优化得到的主动控制器所需能量为零，则对应的最优控制是被动控制．这种最优混合问题可化为凸二次规划问题，数值解的收敛速度快并能保证全局最优解[11]。

3.2.2 可行控制
通常的输出或输人约束下的最优控制是在L2范数约束下将通常最优控制中的某一标量
性能函数最小化，而可行性控制是对输出和输入同时施加可行性约束。

但并不是最小化某个标量性能指标，从这一意义上说，这里的可行控制不是最优的，但是优点在于易于求得数值解，如利用MA TLAB的LMI软件工具箱，则控制器的设计问题可以化为线性矩阵不等式的约束问题。

3.2.3 随机控制
在结构模型中，结构动力学特性与外部作用力通常存在着不确定性。

此外对结构响应输出测量时，由于柔性结构动力学特性是无穷维的，分散点测量无法对状态进行完全观测，而且存在传感器噪声因此对结构控制中一些问题的研究需要随机控制理论。

3.2.4 模糊控制
模糊技术也在结构控制中得到了应用。

例如利用模糊推理规则改进神经元网络控制器；使用模糊逻辑确定可变阻尼器的最优阻尼值；在TMD结构中，通过模糊规则控制能量在结构中的流动；使用类似的方法控制液压执行器等等。

3.2.5 鲁棒控制
首先要说明控制系统的一个鲁棒性是指控制系统在某种类型的扰动作用下，包括自身模型的扰动下，系统某个性能指标保持不变的能力。

而对于建筑结构，当有一个小扰动时，实际模态可能发生很大的变化，基于模态控制的方法对此无能为力．因此在结构控制设计中必须考虑鲁棒性问题。

目前H∞等鲁棒控制器设计方法在结构振动控制中得到了很多应用[8]。

4 结构振动控制的应用实例
结构振动控制在世界范围内都有着广泛的应用并且取得了良好的效果。

应用在台北101大楼的振动控制系统就是TMD系统。

101大楼总高度502 m，共100层，在87层的一个房间内挂有一个端部带阻尼的大复摆，可减振40％～60％(风振或地震)。

再例如阿联酋28层七星级大酒店，为了抵抗地震和风振，该酒店在弧形支撑杆内安装了单自由度摆动的TMD系统，从而实现了减振。

借鉴单个TMD系统所提出的多调谐质量阻尼器（MTMD）在应用中也有着明显的效果,典型案例就是上海青浦电视塔[21]，其高168m，在离地面137.5m的一段悬挂11个质量摆，这11个质量摆的自振周期分别为0．398 Hz～0．487 Hz，它们组成的频带与风激励所产生的电视塔振动频带基本吻合，经测试发现，电视塔天线端位移被控制效果为20.3%，塔楼加速度响应最大值控制效果为36.4%。

混合控制技术近些年来也得到了设计师们的重视，在日本，已建成的20 多栋主动控制
房屋绝大多数采用混合控制方式，其中最高的是1993 年建成的横浜三菱重工界碑塔(Land Mark Tower)[17]，共70 层296m 高，其结构为钢结构( 其中有部分是劲性混凝土) ，在顶层用了两个吊重通过伺服马达加控制力，这也是日本最高的建筑之一。

在国内比较著名的采用混合控制的建筑就是南京电视塔，南京电视塔本来从用TMD系统，后来为更好的控制其在强风和地震中的相应，东南大学土木系与美国布法罗纽约州立大学地震工程研究中心合作，在其原有的TMD基础上改进使其成为混合控制系统。

5 我国结构振动控制的发展及未来
我国对结构振动控制的研究始于20世纪80年代初。

1980年王光远院士在国内率先对高耸结构风振控制的研究现状做了综合评述，指出了在土木工程中应用结构振动控制的广阔前景[9]，成为我国结构振动控制研究的奠基人。

自此之后，国内一些大专院校和科研院所相继开展了结构振动控制的研究。

经过广大学者近20年的努力，目前我国的研究水平已进入世界先进行列，有些研究成果已在实际工程中陆续得到了应用。

现在，结构振动控制已形成一门新兴的学科。

这门学科是研究结构动力反应控制的理论、方法与技术的综合性学科，是土木工程的高科技领域。

结构控制的发展虽然为抗震设计和抗震加固提供了一条崭新的途径，克服了传统结构“硬碰硬”式的抗震设计方法，还具有概念简单、减震机理明确、减震效果显著，安全可靠的特点，但该技术仍处于研究和试点的阶段。

仍有许多许多问题亟待解决：（1）从控制器设计角度的建模与模型简化：由于结构系统维数高，含有未建模动态特性及参数不确定性等．研究面向低阶鲁棒控制器设计的辨识方法及模型简化技术等问题是具有实际意义的，同时对于含智能材料的结构，由于材料的强非线性。

对材料与结构问的非线性相互作用的辨识也需进一步研究[10]
（2）结构控制中的非线性控制：重点研究带有滞回环及饱和的非线性控制问题，这类问题本身在控制界一直有着广泛的兴趣，另外智能控制如模糊控制等在非线性结构控制中会有很好的应用前景，也值得深入探讨。

（3）结构控制中的混合控制：不同类型的控制算法集成的研究即混含控制方式是目前控制界极受关注的向题。

在结构控制中研究主动与被动控制间的最优混合，是具有实际意义的方向。

此外，利用一些主动控制算法进行结构设计参数的优化同题也值得进一步研究。

（4）许多结构控制问题对于可靠性要求很高，而在正常条件下又无法对整个闭环系统进行实现证实控制方案的正确性，例如为提高建筑物的抗震能力而设计的结构控制器却难以
证实其方案的正确性，探讨结构控制的实验证实方案是十分重要的问题。

6 结论
随着现代工业的发展和工程技术的进步，结构向大型化、柔性化发展，与此同时结构的工作环境变得更加多样化复杂化．这样就导致振动问题日益突出，与此同时，具有安全、适用、可靠、节省造价等优点的结构振动控制的出现让研究人员找到了合适的方向，结构振动控制也成为十分重要的而且具有挑战性的课题。

可以预见，在研究人员的努力下，结构振动控制技术将成为21世纪建筑减震防灾的重要手段和方法，为减轻地震对人类造成的危害作出巨大贡献。

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