结构振动的直驱式AMD控制系统建模及数值分析

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振 动 工 程 学 报
第 21 卷
第 4 期
刘军龙, 等: 结构振动的直驱式AMD 控制系统建模及数值分析
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第 21 卷
和层刚度分别为m i=4 ×10 5 kg 和 k i =2 ×105 kN m ( i=1,2 ) 。 结构阻尼矩阵按 Rayleigh 阻尼由前二阶 振型阻尼比确定, 结构前二阶振型阻尼比 Φ 1= Φ 2= 5◊ 。 结构的第一和第二阶自振频率分别是 13 18197 rad s 和 36 11803 rad s。地震输入采用 4 条实际地 震加速度记录时程: El Centro 地震动、 Hachinohe 地震动、 地震输入 Northridge 地震动、 Kobe 地震动。 峰值均为 200 gal , 其时程曲线见图 5。
[1] 王正良. 微机电液控制技术 [M ]. 大连: 大连理工大学
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摘要: 针对传统伺服阀控液压作动主动质量驱动控制系统 (Active Mass Driver , AMD ) 存在的能源效率低等问题 提出基于无阀作动器的直驱式DAMD (Direct driving Active Mass Driver ) 控制系统。 首先分析了直驱式容积控制作 动器的组成和控制原理及其用于 AMD 控制系统的策略; 其次基于电机学、 流体动力学原理推导建立了 DAMD 控 制系统的转速2驱动力关系模型, 给出了以泵的转速 ( 伺服电机的驱动电压) 为输入量、 系统主动控制力为输出量的 系统转速2力关系模型, 建立了受控结构2 DAMD 控制系统的状态方程。最后以顶部设置DAMD 控制系统的两层剪 切型框架结构为例, 进行地震荷载输入下 DAMD 主动控制的数值分析, 计算结果表明直驱式容积控制作动器能够 满足各种结构地震响应主动控制典型工况的出力需求, 能够有效地减轻结构的反应, 在一定范围内可以代替传统 的AMD 控制系统, 实现结构振动的主动控制。 关键词: 结构振动控制; 地震响应主动控制; AMD 控制; 直驱式容积控制; 力2转速模型 中图分类号: TU 352.1 文献标识码: A 文章编号:1004 24523 ( 2008 ) 04 20323 206
27 16%～ 33 13%, 加 速 度 的 控 制 效 果 为 28 18%～
图 5 数值分析采用的地震动波形
34 13%; Hachinohe 地震动作用下其位移的控制效
311 系统设计及计算模型
果 为 24 186%～ 32 145%, 加 速 度 的 控 制 效 果 为
23 106%～ 37 168%; Northridge
传递效率更高。 通过理论分析和数值分析, 得到以下 结论: ( 1 ) 基 于 电 机 学 和 流 体 动 力 学 理 论, 建 立 了
DAMD 控制系统的转速2驱动力数学模型; 进一步
推导了结构2 DAMD 控制系统的状态方程, 并且将 电机的转速作为系统的唯一控制参数; ( 2) 通过对两层剪切型结构地震作用响应分析,
出版社,1993.
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2908 180 kN m , ca =30 1197 kN ・s m 。DAMD
2 e =6 × 10 Pa ; D p =2 × 10 m ;Β 3 8 -6
子
-3 系统参数: A p =0 1012 m ; Κ =V Β e; V =1 156 × 10
m
3
rad ; C t =3 ×
10
-11
(m
3
s) Pa 。
312 系统地震反应DAMD 控制分析
表 1 列出了AMD 控制系统控制下的各楼层位 移和加速度反应峰值。 结构在地震作用下的各层位 移和加速度时程如图6 所示, 在此仅列出在4 条地震 波作用下的顶层位移和加速度时程。 DAMD 控制系 统驱动力及泵转速时程曲线如图 7 所示。 仿真分析 结果表明, DAMD 控制系统可以有效地减小结构的 地震反应, El Centro 波作用下其位移的控制效果为
地震动作用下其位
在主动控制作动器不发挥作用时, 系统还可发 挥被动TMD 的作用。 设系统作为被动TMD 的质量 为 m a , 自 振 频 率 Ξa = ka m a , 阻 尼 比 Φ a = ca ( 2m a Ξa ) 。TMD 系统的自振频率和阻尼比应满足以
移的控制效果为 19 142%～ 27 164%, 加速度的控制 效果为20 167%～ 29 143%; Kobe 波作用下其位移的 控制效果为24 12%～ 30 122%, 加速度的控制效果为
引 言
液压技术在工业中的应用虽然已经有 100 多年 的历史了, 但是液压控制技术的形成与发展却只有 几十年的历史, 特别是在二战期间和战后, 由于军事 工业的需要, 重量轻、 尺寸小、 反应迅速和负载刚度 大的液压系统得到了很大的发展, 特别是控制理论、 计算机技术、 电子技术和液压基础理论的研究和发 展, 为液压技术注入了新的活力, 因而在航天、 军事 [1] 和民用工业上得到了广泛的应用 。 直驱式容积控制伺服系统是交流伺服电机技术 和液压技术相结合的产物, 是近 10 余年学科交叉相 结合的技术成果。 这种伺服系统具有电动机控制的 灵活性和液压大出力的双重优点。 在一定场合下, 可 以代替使用伺服阀的传统电液伺服系统[2] 。 1997 年, 日本福山制铁所运用直驱式容积控制伺服系统 改造连铸设备, 节能效果明显, 改造后的电费仅为改 造前的 18 ‰[3,4] 。1997 年, 美国Moog 公司将该系统 应用于 F 218 战斗机的作动系统; 其改进系统在 2001 年引用于 F 235 战斗机中[5] 。 1998 年, 日本第一电气 株式会社研制了装有此系统的 100 t 精密锻压机, 其 静止精度为 0103 mm , 还获得了用作飞机作动系统 的美、 英、 日三国的专利[6] 。
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主动质量驱动 阻尼器 (AMD ) 能够对控制系统 进行合理设计, 控制作用可以大范围调整, 其以良好 的控制效果和低廉的控制代价成为目前研究与应用 最为广泛的一种控制方法[7～ 10] 。 现有的AMD 控制 系统绝大多数是液压驱动或者是伺服电机马达驱动 的主动控制系统[11] 。 其中, 传统的液压系统由于构 造复杂、 所占空间大、 能源利用效率低, 需要定期换 油, 维护成本高, 运行时噪声大, 污染环境等问题在 一定程度上限制了液压驱动 AMD 控制系统的应 用。 电机虽然对液压驱动作了一些改进, 但由于它需 要借助于机械传动部件 ( 如齿轮、 或丝杠、 或皮带) 等 中间环节, 仍存在诸如响应慢、 控制精度低、 行程受 限等问题。 由于直驱式容积控制伺服系统具有节能 高效、 体积小、 调速范围宽、 控制精度高等优点, 研究 利用直驱式容积控制伺服系统代替传统的液压系统 或伺服电机作为AMD 主动控制系统的驱动系统具 有深远的意义和光明的前景。
第 21 卷第 4 期 2008 年 8 月
振 动 工 程 学 报
Journal of Vibration Engineering
Vol.21No .4 Aug .2008
结构振动的直驱式AMD 控制系统建模及数值分析
刘军龙1 , 张春巍1 , 欧进萍1,2
( 1. 哈尔滨工业大学土木工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150090;2. 大连理工大学土木水利学院, 辽宁 大连 116024 )
下最优关系[8,14,15] , 按结构第一自振频率计算。 Ξa Βa = = Ξ0 Λ 2 Φ a = 1+ Λ
1-
Λ 14 ( 1+
Λ 4
Λ) 1-
Λ 2
( 15 )
其中 Λ 为AMD 系统与结构的质量比, 设 Λ=4 ◊ 。 则可得 TMD 系统的参数为: m a =3 12 ×10 4 kg , k a =
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图 6 结构顶层位移和加速度反应时程
图 7 控制力和泵转速时程
4 结 论
本文针对传统伺服阀控液压驱动主动质量驱动 控制系统驱动器存在的能源效率低等问题提出基于 无阀作动器的直驱式DAMD 控制系统, 与传统的液 压 驱 动 或 旋 转 电 机 驱 动 AMD 控 制 系 统 相 比,
DAMD 控制系统具有液压出力大和电机控制灵活
28 163%～ 37 134% 。
表 1 结构地震最大反应和控制效果 工况 无控
DAMD 控制 El Centro 地震动 最大层间位移 mm 最大加速度 (m ・ s-2 ) 底层 顶层 底层 顶层 18 181 13 160 27 166% 10 15 7 33 13% 41127 21937 28 18% 51604 31675 34 13% Hachinohe 地震动 最大层间位移 mm 最大加速度 (m ・ s-2 ) 底层 顶层 底层 顶层 17 152 12 101 24 186% 10 1818 61188 32 145% 21262 11553 23 106% 31692 21291 37 168%
控制效果
Northridge 地震动
Kobe 地震动
工况
最大层间位移 mm 底层 顶层
12 1741 9122 27 164%
最大加速度 (m ・ s-2 ) 底层
21729 21165 20 167%
最大层间位移 mm 底层
22 123 16 185 24 12%
最大加速度 (m ・ s-2 ) 底层
21508 11790 28 163%
顶层
41574 31228 29 143%
顶层
12 151 8173 30 122%
顶层
41036 21771 37 134%
无控
DAMD 控制
20 191 16 185 19 142%
控制效果
Leabharlann Baidu
第 4 期
刘军龙, 等: 结构振动的直驱式AMD 控制系统建模及数值分析
1 直驱式容积控制作动器的组成、 特点
直驱式容积控制作动器的组成如图 1 所示。 这 种 系统在国外又被称为无阀系统 ( 指无电液伺服 阀) , 是用交流伺服电机直接驱动可双向转动的定量 泵, 定量泵直接驱动液压油缸。 通过调节伺服电动机
收稿日期:2007 209 228; 修订日期:2008 204 208 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50608026 ) ; 科技支撑计划 ( 2006BAJ 03B 06 ) 和 973 计划 ( 2007CB714204 ) 资助项目
DAMD 控制系统能有效地减轻结构的反应, 对位移
相结合的特点, 从而使该新型系统的能量损耗更小、
的控制效果达 19.4% ～ 33.3%, 对加速度的控制效
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第 21 卷
果达 20.7% ～ 37.7%, 结果表明该系统在一定范围 内可以代替传统的AMD 控制系统, 实现结构振动 的主动控制。 参考文献: