现代结构振动控制理论综述

现代结构振动控制理论综述及评析

1．前言

所谓结构振动控制(以下称为结构控制) 是指采用某种措施使结构在动力载荷作用下的响应不超过某一限量，以满足工程要求。这是一门最近30年发展起来的新兴学科,是综合控制论、计算机、结构振动理论与新材料科学等学科前沿的工程设计新技术。其目的就是要采取一定的控制措施，减轻和抑制结构在地震、强风及其它动力荷载作下的动力反应，增强结构的动力稳定性,提高结构抵抗外界振动的能力，以满足结构的安全性、适用性、舒适性的要求。

2．结构振动控制的发展

早期的控制手段无一例外都是被动控制,因其构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持, 其中最主要的就是基础隔震技术。20世纪60年代叠层橡胶垫的应用使基础隔震技术进人了实用化时代。由于隔震技术的发展历史比较长, 因此它是目前应用比较广泛且成熟的一项结构控制技术, 已被应用到石油储运和石油化工等领域中。

现代控制技术的发展。现代结构控制技术是在1972年作为一个概念由美籍华人科学家姚治平提出的, 这标志着结构控制技术作为一种新兴的理论开始走上历史舞台, 并且逐步形成了一门新兴的边缘学科。

经典控制论虽然能够解决一些简单的结构控制问题, 但却未在土木工程中得到大规模应用, 因为它针对的是一种单输人单输出的系统, 而土木工程是具有其特殊性的, 其中一点是工程结构往往是多自由度多输出的。故而结构控制的重大飞跃还在等待更新的控制理论的出现。

20世纪70年代至今, 随着计算机技术的迅速发展和不断进步, 以及系统工程和系统论的进一步研究, 许多科学家和科技工作者进一步提出了大系统理论、人工智能学说、神经网络、模糊识别与模糊控制论等理论和技术, 使自动化技术的控制理论从“第二代控制理论”现代控制理论转向了以智能控制理论为基础的“第三代控制理论”智能控制理论。这一理论也正在向结构控制理论中映射, 并产生了一些阶段性的成果如结构模糊控制理论、结构智能控制理论等。

3．结构振动控制的分类及评析

结构振动控制根据所采取的控制措施是否需要外部能量可分为被动结构振动控制、主动结构振动控制、混合结构振动控制、半主动结构振动控制。

3.1被动结构振动控制

被动结构振动控制是一种无外加能源控制, 其控制力是控制装置与结构相互运动产生的。因其构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持等优点而引起了广泛关注。许多被动控制技术已日趋成熟，并已在实际工程中得到应用。被动控制总体上可分为消能减振、基础隔震和被动调谐控制等三类。

（1）消能减振。传统抗震设计方法主要依靠结构延性耗散地震输入能量，但这样会使结构遭到破坏。解决这一问题的方法之一就是在结构中的某些部位设置耗能元件或耗能结构，并利用这些装置吸收、消耗地震输入能量，来达到减小结构地震反应的目的，在工程控制界将这种方法称为消能减振。消能减振装置主要有:金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘性液体阻尼器、耗能支撑、耗能隔震墙等。

（2）隔震。隔震是指在建筑结构地面以下部分设置隔震装置减少地震动输入结构能量从而减小结构振动响应的一种措施。目前，研究和应用较为广泛的隔震装置主要有夹层橡胶垫隔震装置、滑动式隔震装置、粉粒垫层隔震装置、铅塞滞变阻尼器隔震装置、钢滞变阻尼器隔震装置、基底滑移隔震装置、悬挂基础隔震装置和复合隔震装置等。

（3）被动调谐。被动调谐技术主要包括被动调频质量阻尼器（TMD）、调频液体阻尼器（TLD）、液压-质量振动控制系统（HMS）和悬吊质量子系统等。这类技术的共同点都是使地震输入结构的能量部分转移到附加的子系统上，从而达到减小主体结构振动响应的目的。

3.2主动结构振动控制

主动结构振动控制是一种需要外界提供能量的结构控制技术, 其工作原理是传感器监测结构的动力响应和外部激励, 将监测的信息送人计算机, 计算机根据给定的控制律算出所需施加的力, 通过电信号驱动, 施加给结构所需的控制力,从而达到控制结构振动响应的目的。

目前最常见的主动控制装置有：

（1）主动质量阻尼控制系统（AMD）。主动质量阻尼控制系统（AMD）是在被动调谐质量阻尼器（TMD）的基础上增加量测控制和驱动机构而形成的一种主动控制系统。

（2）主动拉索控制系统（ATS）。主动拉索控制系统是在拉索上安装电液伺服系统，并在结构中设置传感器。传感器把测到的结构反应传给控制器，控制器则按预先设定的控制算法得出控制力，再通过电液伺服系统施加给拉索。

主动控制研究涉及的另一方面是控制算法的研究, 目前主动控制的算法有优化控制模式、极点配置控制模式、独立摸态控制模式、瞬时优化控制模式、界限状态控制模式、预测实时控制模式、自校正控制模式、模型参考自适应控制模式、模糊状态控制模式、人工智能神经网络控制模式等。

3.3半主动控制

半主动控制是利用控制机构来调节结构体系参数, 减小振动响应。主要包括：

（1）可变刚度系统（A VS）。可变刚度系统工作原理是可变刚度装置使受控结构的刚度按给定的控制律实时调节, 远离共振状态, 达到减振的目的。可变刚度控制装置一般由支撑和设置于支撑与受控结构间的电液伺服系统所组成。这是一种频变的控制方法。试验研究表明, 能有效地控制结构体系内部刚度分布。

（2）可变阻尼系统（A VD）。可变阻尼系统是通过可调附加阻尼来减小受控结构反应峰值，从而达到减振目的。这是一种非频变的减震方法。研究表明，当需要同时减小长周期结构的相对位移反应和绝对加速度反应时，可采用变阻尼半

主动控制。

（3）可变刚度／阻尼控制系统（A VS/D）。其实质是实时调节控制装置的刚度和阻尼。这一系统将A VS控制和A VD 控制有机结合起来，既具有A VS系统主动避开地震卓越频率，又具有A VD系统削减反应峰值，对较宽频带内的外界激励均具有非频变减震性能的优点。

（4）可变液体阻尼控制系统（ER/MR）。电/磁流变流体在外加电场/磁场作用下可以在毫秒级的瞬间由牛顿流体转变为粘塑性体，而且转变过程是可逆的。以这种材料制成的阻尼器具有反应迅速、阻尼力大而且连续可调等优良性能。

3.4混合控制

将主动控制与被动控制结合起来或采用其它复合控制方式通常称为混合控制。混合控制可以增强被动控制系统的控制能力并能减小主动控制系统的能量需求。混合控制最常用的形式有两种：用作动器拖动调谐质量阻尼器(HMD)和混合隔震系统。

3.5特点评析

除被动控制外，其它三种控制方式中的控制力全部或部分地根据反馈信号按照某种事先设计的控制律实时产生。

在被动控制中,控制力不是由反馈产生的。其主要优点是成本低，不消耗外部能量，不会影响结构的稳定性；缺点是对环境变化的适应力与控制效果不如其它方案。主动控制就其控制结构振动响应的有效性而言, 是一种理想的控制系统。但是, 由于主动控制需要巨大的能源才能有效地驱动结构, 造价高, 限制其在结构工程中应用和发展, 另外, 控制体系的稳定性尚有待理论分析和实际论证。考虑以上因素, 目前半主动控制和混合控制是国际上结构控制研究的热点。混合控制用主动控制来补充和改善被动控制性能，减小了全主动控制方案中对能量的要求。半主动控制中通常包含某种对能量需求很低的可控设备，如可变节流孔阻尼器等，作用时所需的外部能量通常比主动控制小得多。一些初步研究表明混合控制与半主动控制的性能大大优于被动控制,甚至可达到或超过主动控制的性能,并在稳定性与适用性方面要优于后者。

4．现代结构主动振动控制中的控制方法

就主动振动控制的应用来看，控制方法主要有以下几种：

4.1独立模态空间法

基本思想是把具有分布参数特征的弹性体离散化为模态序列，通过控制振动的主动模态对弹性体进行控制。由于振动的各个模态是耦合的，耦合模态控制法计算量大，很难用于实际工作系统。

4.2极点配置法(特征结构配置)

极点配置法包括特征值和特征向量配置。系统的特征值决定系统的动态特性，特征向量影响系统的稳定性。根据对被控系统动态品质的要求，确定系统的