结构减震第七讲课件

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1、第七讲 内容提要 第五篇 结构主动减震控制 第15章 结构主动减震控制概述 第16章 结构主动减震控制减震机理和系统组成 第17章 主动控制算法 第18章 主动减震控制结构试验 第15章 结构主动减震控制概述15.1 结构主动减震控制的基本概念和分类 结构主动控制是利用外部能源（计算机控制系统或智能材料），在结构物受激励振动过程中，瞬时施加控制力或瞬时改变结构的动力特性，以迅速衰减和控制结构震动反应的一种减震（振）技术。结构主动控制，一般可按两种情况分类：（1）按主动控制的利用程度分类（图17-1-1）：结构（全）主动控制（Active Control）;结构半主动控制（Semi Active

2、 Control）;结构混合控制（Hybrid Control）。（2）按实现控制的手段型式分类（图17-1-2）：施加外力控制型；改变结构参数型；智能材料自控型。15.2 结构主动减震控制的优缺点和应用范围 结构主动减震控制特有的优点如下：（1）减震控制效果好；（2）适应性广；（3）经济性好。仍存在下述问题尚待解决：（1）减震的有效性；（2）控制系统工作的稳定性；（3）时滞问题；（4）能量输入问题；（5）经济性问题；（6）系统装置的日常维护问题。主动控制主要应用于下述结构在风、地震、环境振动激励下的减震控制：（1）高层、超高层建筑；（2）高耸塔架或特种结构；（3）桥梁或其他大跨度结构；（4）

3、生命线工程结构。第16章 结构主动控制的减震机理和系统组成现有结构主动控制系统类型很多，并且还在不断发展。现以主动控制系统的典型型式主动质量阻尼器AMD为例，介绍其系统组成及减震机理，其他系统类型可以依法类推。16.1 结构主动控制的减震机理 有n个自由度的线性结构，采用主动减震控制结构体系。在地震激励下，结构体系的运动方程为：地震力激励下主动控制结构体系的运动方程为：主动控制结构体系，由于主动控制力的施加，改变了结构体系的阻尼、刚度和激励荷载。如果选用合理的控制算法，确定最优的控制力，则可以达到衰减和控制结构地震反应的目的。这就是结构主动控制体系减震控制的基本原理。)1116(EUxFKxx

4、CxMg)3116(x)FF(x)EKK(x)ECC(xMg1bb 16.2 主动控制施加控制力的减震控制 当AMD主动控制结构体系受到地震激励时，产生地震反应。AMD系统的驱动器驱动质量块，是质量块产生运动，质量块的惯性力等于控制系统对结构施加的控制力，它通过弹簧、阻尼器和驱动器作用在结构上，衰减和控制结构的地震反应。16.3 主动变刚度、变阻尼的减震控制 如果主动控制系统对结构的减震控制，不是通过施加控制力，而是直接对装置于楼层之间的可变液压阻尼器(Variable Hydraulic Dampers)进行控制，直接调整结构的刚度特性和阻尼特性，从而衰减和控制结构的地震反应，这种控制体系，

5、称为主动变刚度AVS和主动变阻尼AVD控制体系(Kobori,1990;Kawashima,1991)。这种体系有采用反馈控制，也有采用前馈控制，并采用不同的控制算法。相同。其他符号与公式非线性可变刚度矩阵。非线性可变阻尼矩阵；式中)1116()t(K)t(C)3316(xFx)t(Kx)t(CxMg 16.4 主动控制系统的组成和工作流程 现以典型的AMD说明系统组成和工作流程。AMD主动控制体系，除了被控结构外，其主动控制系统由三部分组成：（1）质量阻尼刚度装置：包括质量块，刚度弹簧和阻尼器。（2）驱动装置和液压源：包括伺服阀、驱动器、反馈传感器液压源及管路。（3）计算机及控制系统，这是整

6、个主动控制系统的核心部分，包括：数据采集系统：装设在结构和地面上的传感器。滤波调节器：对采集的信号进行滤波、放大、调节。模拟微分器：对振动反应信号（位移、速度、加速度）进行微分转 换。（4）计算机：A/D转换（模拟信号转换为数字信号）；数字信号实时处理（按控制算法）；D/A转换（数字信号转换为模拟信号）。（5）伺服控制器：将模拟信号(u)与反馈信号(u*)进行对比、放大，对伺服 阀及驱动器进行控制。AMD主动控制系统（图18-4-1）的工作流程如下：（1）数据采集：地面和结构在地震激励下发生振动反应（位移、速度、加速度），通过传感器进行在线测量。（2）数据处理和传输：传感器测得的振动反应的信号

7、，经滤波、放大、调节、模拟微分处理等，传输至计算机系统的A/D转换器。（3）A/D转换：把电压模拟信号（Analog）转换为电压数字信号 （Digital）。（4）控制计算：计算机把电压数字信号经过标量变换，转换为结构的位 移、速度。照预设的控制算法，把结构控制增益矩阵与结构状态向 量相乘，计算出控制力（U）。（5）D/A转换：把控制力（U）的电压数字信号（Digital）转换为电压模 拟信号(Analog)，并作为指令信号传输至伺服控制器。（6）伺服控制：伺服控制器与驱动器的反馈传感器相联，伺服传感器把 计算机传来的控制力（U）的指令信号与反馈传感器驱动力(u*)信号 进行比较（负反馈），其

8、差值传至电液伺服阀，伺服阀控制高压油 从液压源输送至伺服驱动器的油缸，油缸的活塞随信号偏差而移动，一直至信号等于零为止。这样，通过负反馈，驱动器就按指令信号 向结构施加设定的控制力，从而衰减和控制结构的振动反应。重复（1）（6），使结构的振动反应减至最小值。第17章 主动控制算法17.1 主动控制算法的现状和发展 主动控制算法是主动控制的基础。它的目标是，使主动控制系统在满足其状态方程和各种约束条件下，选择合适的增益矩阵，寻找最优的控制参数，使系统达到较优的性能指标，实现对结构的最优控制。主要算法有：（1）经典线性最优控制（Yang，1975）；（2）瞬时最优控制（Yang，1992）；（3）

9、改进瞬时最优控制（阎维明、周福霖、谭平，1996）；（4）模态控制（Martin and Soong，1976）；（5）脉冲控制（Udwadia，1981）；（6）极点配制（Martin and soong，1976）；（7）预测控制（Rodellar，1987）；（8）自适应控制（Safk，1989）；（9）模糊控制（Yao，1989）；（10）H（无限大）优化控制（Safonov，1991；刘栋栋，1995）；（11）低能量控制：（12）神经网络。目前，多种新的控制算法还在创立和发展。但至今为止，普遍采用的是经典线性最优控制及瞬时最优控制算法。17.2 经典线性最优控制算法 经典线性最优控

10、制算法，采用二次型目标函数，求主动控制结构体系的最优控制力。经典线性最优控制的目标是，在满足结构运动方程式（17-2-1）和状态方程式（17-2-2）的约束条件下，使目标函数J值为最小，从而寻求闭循环控制的最优控制力U(t)。严格的说，由于上述算法在推演过程中忽略了地面地震输入，因此得到的闭循环控制并不是最优控制。但从数值分析的试验结果表明，这算法仍是有效、可行的。因此，经典线性最优控制算法仍被广泛应用。)2217()t(xW)t(BU)t(AY)t(Y1217rr)t(U)1217(EUxFKxxCxMgg ）相应的状态方程为：与式（为控制器数目。维的控制力向量，具有)3217(dt)t(R

11、UU)t(QY)t(Y)t(Jst0TT为：次型性能指标目标函数经典线性最优控制的二17.3 瞬时最优控制算法 瞬时最优控制算法采用时间变量的瞬时二次型目标函数，求主动控制结构体系的最优控制力。瞬时最优控制的目标是，在满足结构运动方程式（17-2-1）和状态方程式（17-2-2）的约束条件下，使目标函数J(t)瞬时最小，从而寻求瞬时最优控制律。由于瞬时最优控制只是一种渐近性的局部最优控制，缺乏整体因素的考虑，因此，它仍然不是最优控制。但它不须求解Riccati方程，计算量较小，而且不依赖于受控结构特性和参数，增益矩阵与受控结构的特性无关，在结构参数识别时不确定因素对控制效果的影响可以减小或消除，具有时间步进性质，故可应用于非线性时变结构系统的主动控制。)2217()t(xW)t(BU)t(AY)t(Y)1217(EUxFKxxCxMgg 相应的状态方程为：)1317()t(RUU)t(QY)t(Y)t(JTT性能指标目标函数为：瞬时最优控制的二次型第18章 主动减震控制结构试验18.1 主动质量阻尼器AMD振动台试验18.3主动质量驱动器AMD试验和工程应用18.4 主动拉索系统ATS振动台试验18.5 混合质量阻尼器HMD振动台试验18.6 主动被动调谐质量阻尼器APTMD工程应用