磁流變阻尼器的擬負(fù)剛度控制及實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)方法.pdf

1、磁流變阻尼半主動(dòng)控制能夠取得與主動(dòng)控制相當(dāng)?shù)目刂菩Ч?，卻不需要大量的能源輸入，在很長一段時(shí)間內(nèi)是結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究的熱點(diǎn)。擬負(fù)剛度控制方法的控制力由阻尼力和“負(fù)剛度”控制力組成，其中，阻尼力部分可由磁流變阻尼器出力中的粘滯阻尼力部分實(shí)現(xiàn)，“負(fù)剛度”控制力可以通過調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)。磁流變阻尼器為速度相關(guān)型控制裝置且具有非常強(qiáng)的非線性特性，擬動(dòng)力試驗(yàn)和地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等試驗(yàn)方法均很難滿足檢驗(yàn)磁流變阻尼控制系統(tǒng)性能的要求。作為檢

2、驗(yàn)磁流變阻尼控制系統(tǒng)性能的一種重要手段，實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)方法引起了很多學(xué)者的關(guān)注。但是，對實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)來說，很難在一個(gè)時(shí)間步長內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的計(jì)算、驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的速度以及對試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)的反力進(jìn)行測量和反饋。通常，實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)中存在的時(shí)滯會(huì)引起試驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確甚至系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)時(shí)滯補(bǔ)償方法的研究具有重要的意義。
　　本文對采用擬負(fù)剛度控制的結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和減振效果、多自由度結(jié)構(gòu)擬負(fù)剛度控制及其控制效果、測量位移

3、對等效力控制方法的影響及基于試驗(yàn)系統(tǒng)模型的等效力控制方法進(jìn)行了研究。
　　1.證明了擬負(fù)剛度阻尼減振結(jié)構(gòu)和擬負(fù)剛度與粘滯阻尼混合減振結(jié)構(gòu)均為齊次非線性結(jié)構(gòu)，其齊次性保證了可以通過位移響應(yīng)系數(shù)、傳力系數(shù)及反應(yīng)比譜對兩種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及減振效果進(jìn)行分析。位移響應(yīng)系數(shù)、傳力系數(shù)和反應(yīng)比譜的分析結(jié)果表明擬負(fù)剛度控制能夠延長結(jié)構(gòu)的等效周期；結(jié)構(gòu)周期較長時(shí)，與不同阻尼比的結(jié)構(gòu)相比，擬負(fù)剛度阻尼減振結(jié)構(gòu)的加速度更小而位移較大；擬負(fù)剛度與粘滯阻尼

4、混合減振結(jié)構(gòu)的位移和加速度均要小于不同阻尼比的結(jié)構(gòu)。
　　2.以一棟安裝磁流變阻尼器的隔震結(jié)構(gòu)為研究對象，對擬負(fù)剛度控制進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)研究。證明了采用擬負(fù)剛度與粘滯阻尼混合控制的隔震結(jié)構(gòu)同樣為齊次非線性結(jié)構(gòu)，擬負(fù)剛度與粘滯阻尼混合控制能夠在不增加底部剪力的同時(shí)減小結(jié)構(gòu)的位移。穩(wěn)定性和時(shí)滯影響分析表明實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)?zāi)軌蛴糜跀M負(fù)剛度與粘滯阻尼混合控制系統(tǒng)性能的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：擬負(fù)剛度與粘滯阻尼混合控制對結(jié)構(gòu)位移和加速度的控

5、制效果均好于Passive-off控制；對加速度的減振效果好于Passive-on控制，而對位移的控制效果差于Passive-on控制。渤海 JZ20-2NW海洋平臺(tái)擬負(fù)剛度與粘滯阻尼混合控制的數(shù)值分析同樣表明擬負(fù)剛度與粘滯阻尼混合控制系統(tǒng)具有較好的減振效果。
　　3.實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)等效力控制方法以力反饋控制環(huán)代替隱式積分算法的迭代計(jì)算，該控制環(huán)還可以對實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)系統(tǒng)中的時(shí)滯進(jìn)行補(bǔ)償。但是，還有其他一些因素會(huì)影響到等效力控制方法的

6、時(shí)滯補(bǔ)償效果，例如采用作動(dòng)器位移命令或響應(yīng)計(jì)算數(shù)值子結(jié)構(gòu)恢復(fù)力和擬動(dòng)力、試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)位移中存在的測量噪聲等。本文對分別采用作動(dòng)器位移命令和響應(yīng)計(jì)算數(shù)值子結(jié)構(gòu)恢復(fù)力和擬動(dòng)力、測量噪聲對等效力控制方法的影響進(jìn)行了分析。為了保證試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)恢復(fù)力、數(shù)值子結(jié)構(gòu)恢復(fù)力和擬動(dòng)力的同步，必須采用作動(dòng)器位移響應(yīng)計(jì)算數(shù)值子結(jié)構(gòu)恢復(fù)力和擬動(dòng)力。PID等效力控制器的比例增益較大時(shí)，作動(dòng)器位移響應(yīng)中的測量噪聲會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)反力中存在不可忽略的高頻成分。為了減小測

7、量噪聲的影響，本文采用Kalman濾波器對測量噪聲進(jìn)行濾波，從而提高 PID控制器比例增益的取值，改善等效力控制方法的時(shí)滯補(bǔ)償效果。實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)結(jié)果表明采用Kalman濾波器的等效力控制方法能夠減小測量噪聲對試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)反力的影響并有效地補(bǔ)償時(shí)滯，其補(bǔ)償效果與基于模型的時(shí)滯補(bǔ)償方法基本相同。
　　4.提出并研究了基于試驗(yàn)系統(tǒng)模型的等效力控制方法。該方法在試驗(yàn)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，利用開環(huán)補(bǔ)償或者閉環(huán)補(bǔ)償方法，減小等效力命令與響應(yīng)之間的時(shí)