结构主动变刚度_阻尼控制系统及其优化设计_谭平

假设图 2(a)中地面输入的加速度较小 而主动
变刚度·阻尼装置中阻尼器尚未屈服 , 且阻尼器的弹
一般而言 , 一个控制系统的减振控制效果取决 于 3 个方面 :①所采用的控制律 ;②控制装置的参数 设计 ;③控制装置的位置与数量 。本文中笔者介绍 了主动变刚度·阻尼控制装置的构成 , 研究了该控制 系统的减振控制机理及其特有的反应放大功能 , 建 立了该控制系统的运动方程 。为优化主动变刚度· 阻尼控制系统的控制效果 , 笔者从具有时间步进特 性的主动瞬时最优控制算法出发推导了控制系统中 各主动变刚度·阻尼装置的开关控制律 , 并深入研究 主动变刚度·阻尼装置中各参数之间的相互关系及 优化设计主动变刚度·阻尼装置的参数 ;基于遗传算 法(G A)提 出了 对不 同数 目的 主动 变刚 度·阻 尼装 置 进行空间位置优化的方法 。 为了验证主动变刚度· 阻尼优化设计的结果 , 本文中以某 12 层建筑结构为 例 , 对主动变刚度·阻尼系统的减振控制效果及位置 优化进行了计算机仿真分析 。
当阀门开启时 , 主动变刚度·阻尼装置具有阻尼 器的反应放大功能 , 如图 2(a)所示 。设结构位移为 y , 液缸的支撑位移为 y t , 下部活塞相对于液缸的位 移为 Δ1 =y -yt 。 当上 、下 2 个活塞 的面积比为 β 时 , 若忽略液缸内液体的可压缩性 , 可得到上部活塞 相对于液缸的位移 Δ2 =βΔ1 , 主动变刚度·阻尼装置 中阻尼器两端的相对位移为 ye =(1 +β)y1 。与图 2 (b)所示普通耗能阻尼器相比 , 主动变刚度·阻尼装 置中阻尼器两端的相对位移放大了 1 +β 倍 , 且上 、 下 2 个活塞面积比 β 越大 , 相对位移放大得就越多 。
βF1 , 因此主动变刚度·阻尼装置对结构提供的控制
力合力为 F =F1 +F2 =(1 +β)F1 (ye , ﹒y e)=(1 +
β)2 F1 (y 1 , ﹒y 1 ), 即主动变刚度·阻尼装置具有独特的
双液缸设计 , 相当于(1 +β)2 个如图 2(b)所示的普
通耗能阻尼器的阻尼器并联后与支撑串联 。
值得注意的是 , 主动变刚度·阻尼的双液缸装置 不仅可以放大位移 , 同时还可以放大速度反应 , 因此
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建筑科学与工程学报 2007 年
图 2 主动变刚度·阻尼装置的反应放大原理 Fig.2 Response Amplif ication Principle of AVS·D Device
1 工作原理
1 .1 减振控制机理 图 1 为主动变刚度·阻尼装置安装于结构上的
示意图 。 主动变刚度·阻尼装置由水平抗侧力构件 (图 1 中支撑)、阻尼器 、双液缸-活塞系统 、导杆与阀 门等组成 。整个主动变刚度·阻尼控制系统还包括 测量采集系统 、控制计算机和外加能源 。
主动变刚度·阻尼装置通过双液缸之间阀门的 切换可实现 2 种工作状 态 :当阀门 关闭时 , 油 路堵 塞 , 由于液缸内的黏滞性液体几乎不能被压缩 , 此时
来自百度文库2 参数优化
由于阀门开启时主动变刚度·阻尼装置具有阻
尼器两端的反应放大功能 , 因此实际工程应用中应
合理设计控制装置的参数 , 使阻尼器两端的反应最
大 。 笔者以常见的金属滞回阻尼器为例 , 阐述主动
变刚度·阻尼装置的参数优化过程 。
设阻尼器对结构的作用力为 F1 , 根据双液缸中
压强相等原理 , 下部活塞杆对结构的作用力为 F2 =
第 24 卷 第 2 期 2007 年 6 月
建筑科学与工程学报
Journal of A rchitecture and Civil Engineering
Vol .24 No .2 June 2007
文章编号 :1673-2049(2007)02-0006-07
结构主动变刚度·阻尼控制系统及其优化设计
Structural Active Variable Stiffness ·Damping Control System and Its Optimal Design
T AN Ping , Z H OU Fu-lin
(K ey Labora to ry of Ear thquake Eng ineering and A pplied T echnique of G ua ng do ng P rovince , G uang zhou 510405 , G uangdong , China)
Abstract :Aut ho rs i nt roduced a new semiactive co ntro l sy st em , active va riable st iff ness ·damping (AVS ·D)sy st em , w ho se com po si tio n and wo rk principle w ere described .T he AVS ·D sy st em w as capable of amplifying t he inter st ory drif t and veloci ty and made dampers di ssipate m ore energy .In this study , the cont rol law o f t he AVS ·D sy st em w as derived based on an i nstant aneous perf orming index . T o optim ally utilize t he AVS ·D co nt rol devices and economically improve the co ntro l pe rf o rm ance , genetic algo ri thm (GA)w as used t o desig n the multiple device locatio n .Nume rical simulati on i ndicates that t he AVS ·D sy st em is a new semiact ive cont ro l system w it h hig h perf ormance and t he proposed inst ant aneous cont rol law of the AVS ·D sy st em i s qui te ef fective .T he pro po sed pro cedure o f optimizi ng the placement of AVS ·D devices is high ef ficient , w hi ch can make the m ost advantage o f AVS ·D system . Key words :semiactive co nt rol ;active variable stif fness ·damping cont rol ;optim al design ;cont ro l algorit hm ;genet ic algo ri thm
图 1 主动变刚度·阻尼控制装置 Fig.1 AVS·D Control Device
阻尼器因其两端没有相对运动而不起作用 , 主动变 刚度·阻尼装置通过其水平抗侧力构件向受控结构 提供 附 加 刚 度 , 这 与 Kobri 提 出 的 主 动 变 刚 度 (A V S)装置的作用相似[ 4] , 主要通过改变受控结构 刚度的变频机制减 振 , 即变刚 度状态 ;当阀门开启 时 , 油路畅通 , 液缸与结构之间产生相对运动 , 从而 使阻尼器工作 , 此时阻尼器向受控结构提供附加阻 尼 , 这又有主动变阻尼控制的特点 , 且主动变刚度· 阻尼装置主要通 过阻尼机制减 振 , 即变阻 尼状态 。 作为开关控制型半主动控制装置 , 主动变刚度·阻尼 装置可通过阀门的开关动作来控制油路 , 实现不同 的控制方式 。当阀门始终闭合时 , 主动变刚度·阻尼 装置仅向 受控结构 提供附加 的抗侧刚 度 , 即 Passive-off 控制 。 当 阀 门开 启 时 , 油 路 始终 畅 通 , 即 P assive-o n 控制 。根据既定的开关控制律主动地控 制阀门的动作时 , 系统实现半主动控制 , 即主动变刚 度·阻尼控制 。单个主动变刚度·阻尼装置半主动控 制是通过主动地控制阀门的切换 , 从 2 种工作状态 中选择一种较优的工作状态 , 向受控结构提供附加 刚度或阻尼 , 从而使受控结构的动力反应尽可能小 , 以达到减振的目的 。 1 .2 反应放大原理
主动变刚度·阻尼系统中的阻尼器可以是黏滞阻尼 器 、滞回阻尼器或黏弹性阻尼器等 。通过调整上 、下 2 个活塞的面积比 , 将结构与液缸的运动差异放大 , 可以在很大程度上解除传统耗能减振控制装置中阻 尼器对结构层间位移与层间速度反应的依赖性 , 使 该系统在小震或常遇风荷载作 用下就开始发 挥作 用 , 极大地增强了阻尼器的耗能减振效果 。
作者简介 :谭 平(1973-), 男 , 湖南常德人 , 研究员 , 工学博士 , 博士后 , E-mail :ptan @gzh u .edu .cn 。
第 2 期 谭 平 , 等 :结构主动变刚度·阻尼控制系统及其优化设计
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研究 , 部分研究较成功的结构控制技术已应用到实 际工程中 , 并在多个国家制定了相应的应用规范与 规程 。半主动控制因综合了主动控制与被动控制的 优点 , 既具有主动控制效果好 、适用范围广的特点 , 又具有被动控制成本低 、可靠性高的优点而受到广 泛关注[ 1-2] 。 笔者提出了一种新型开关控制型的半 主动控制系统 ———主动变刚度·阻尼控制系统[ 3] , 该 系统充分地利用了变频与阻尼 2 种减振机制 , 将主 动变刚度控制(A VS)与主动变阻尼控制(AVD)有 机地结合起来 , 它既具有主动变刚度控制使受控结 构能动地避开外激励卓越频率的优点 , 又具有主动 变阻尼控制削减受控结构动力反应峰值及对较宽频 带内的外界激励具有非频变减振性能的优点 。该控 制系统所需外部电源极少 , 可电池化 , 因此具有较好 的工程应用前景 。为了能充分发挥主动变刚度·阻 尼控制系统的减振控制效果 , 对该控制系统进行进 一步的优化设计是非常必要的 。
谭 平 , 周福霖
(广东省地震工程与应用技术重点实验室 , 广东 广州 510405)
摘要 :介绍了一种新型开关控制型的半主动控制系统 ———主动变刚度·阻尼(AVS ·D)系统的装置 组成及其减振控制机理 , 阐述了该系统所特有的反应放大原理 , 建立了该控制系统的运动方程 。基 于瞬时最优控制的思想推导了该控制系统的开关控制律 。为了充分发挥该控制装置的作用 , 优化 了主动变刚度·阻尼装置的参数设计 , 并基于遗传算法研究了主动变刚度·阻尼装置在结构中的空 间位置优化方法 。计算机仿真分析结果显示 , 主动变刚度·阻尼系统是一种性能非常优越的半主动 控制系统 , 所推导的瞬时最优半主动开关控制律是很有效的 。对不同数目的主动变刚度·阻尼装置 进行位置优化 , 结果表明 , 所提出的位置优化方法对于优化多个主动变刚度·阻尼装置的位置是相 当高效的 , 可以最大限度地发挥该控制系统的性能 。 关键词 :半主动控制 ;主动变刚度·阻尼控制 ;优化设计 ;控制算法 ;遗传算法 中图分类号 :T U318 文献标志码 :A
0 引 言
结构振动控制理论与技术是近几十年发展起来
的土木工程结构抵抗地震或强风等环境荷载的新对 策 。目前各国学者已经提出了各种被动 、主动 、半主 动和混合的控制策略 , 并进行了大量的理论和试验
收稿日期 :2007-04-21 基金项目 :国家科技部重大基础研究前期研究专项项目(2004CCA 03300);广州市科技攻关计划项目(2004Z1-E0051)