結(jié)構(gòu)振動控制發(fā)展概述

田曉強

(華北理工大學(xué) 河北 唐山 063210)

前言

地震是一種嚴(yán)重威脅人類安全及損壞財產(chǎn)的自然災(zāi)害，地震具有突發(fā)性和不可預(yù)測性，會對社會產(chǎn)生很大的影響。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計是通過加強結(jié)構(gòu)的強度和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性變形能力抵抗地震力，其方法主要是通過加強加大空間剛度,設(shè)置剪力墻、圈梁、構(gòu)造柱，改善支撐體系，改進(jìn)節(jié)點構(gòu)造，提高建筑材料的強度、延性等措施，使建筑物整體性增大，抗震性能得到提高。

土木工程振動控制概念在1972年由美籍華裔學(xué)者姚治教授首次提出[1]，一直到現(xiàn)在，也還是國內(nèi)外研究的熱題。結(jié)構(gòu)振動控制發(fā)展為一門獨立的學(xué)科，其總體上可以劃分為為四個鄰域：被動控制、主動控制、半主動控制和智能控制[2]。

一、被動控制

被動控制就是指依靠結(jié)構(gòu)自身或者在結(jié)構(gòu)上安裝的裝置來達(dá)到隔震、消能減震的的目的。被動控制主要應(yīng)用為基礎(chǔ)隔震，吸能減震以及耗能減震。這樣的結(jié)構(gòu)不需要從外部輸入能量，完全依靠結(jié)構(gòu)自身調(diào)節(jié)，在造價上相對比較便宜而且易于施工。因而被動控制成為結(jié)構(gòu)振動控制鄰域中應(yīng)用和研究比較廣泛的控制方法。

李洪發(fā)[3]開展了大型撓性空間桁架結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究，提出了阻尼被動振動控制方案,并進(jìn)行了仿真計算，研究結(jié)構(gòu)顯示在共振區(qū)內(nèi)減振效果明顯，衰減迅速，證明了阻尼被動控制在大型撓性空間桁架振動控制上的有效性。

范雪梅[4]在被動控制抗震技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種剪切型阻尼器—鉛阻尼器,并且對該鉛阻尼器進(jìn)行了性能試驗研究,給出了鉛阻尼器的耗能特點及計算模型，計算結(jié)果顯示出鉛阻尼能產(chǎn)生較強的耗能控制力，顯著改善了結(jié)構(gòu)薄弱層的抗震能力，減弱了傳至砌體結(jié)構(gòu)上的地震作用，達(dá)到了對結(jié)構(gòu)振動控制的目的。

王海飆，王龍鳳[5]從全壽命費用對隔震建筑和傳統(tǒng)抗震建筑進(jìn)行經(jīng)濟性分析,對初始造價、檢查維護費和失效損失費列出了費用差異較大的指標(biāo)，并給出計算公式，在社會效益和環(huán)境效益方面做了定性分析，實例分析結(jié)果表明，隔震建筑比傳統(tǒng)抗震建筑更經(jīng)濟,更適合社會的發(fā)展。

二、主動控制

結(jié)構(gòu)主動控制是將自動控制科學(xué)技術(shù)與結(jié)構(gòu)工程科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)減輕結(jié)構(gòu)振動的目的。主動控制可以根據(jù)人們的期望來調(diào)節(jié)對于結(jié)構(gòu)的控制效果。主動控制在控制過程中需要輸入很大的外部能量，用來抵消地震對于結(jié)構(gòu)的影響，這也是區(qū)別于被動控制一個很重要的點。

袁樹清，趙玉成，許慶余等[6]利用壓電材料作為傳感器和作動器，建立了柔性四連桿機構(gòu)振動主動控制實驗系統(tǒng)；通過理論分析和實驗研究建立了控制系統(tǒng)的模型；根據(jù)控制系統(tǒng)的特點，采用了內(nèi)?？刂撇呗裕⒃诰唧w實施中，增加了參數(shù)辨識環(huán)節(jié)，使得控制器對于機構(gòu)轉(zhuǎn)速變化具有魯棒性。將控制方案實施到柔性四連桿機構(gòu)振動主動控制實驗之中，取得了滿意的控制效果。

張書揚，張順琦，李靖等[7]根據(jù)一階剪切變形假設(shè)建立壓電智能結(jié)構(gòu)機電耦合靜力學(xué)平衡方程，用最小二乘的思想計算薄壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)定目標(biāo)形變的最優(yōu)靜電壓值。此外，為使結(jié)構(gòu)變形快速穩(wěn)定，減少驅(qū)動變形產(chǎn)生的額外振動，建立智能壓電結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型，采用PID控制策略，實現(xiàn)對形狀控制的主動振動抑制。最后以一多壓電致動器懸臂梁為例，進(jìn)行形狀與振動控制仿真，得到良好控制效果。

宋雪健，鄭賓，陳曄等[8]根據(jù)壓電智能結(jié)構(gòu)的特點，針對一類由懸臂梁、傳感器和壓電作動器構(gòu)成的壓電智能梁系統(tǒng)的振動主動控制進(jìn)行了研究。利用壓電方程建立了壓電智能梁系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，采用線性二次最優(yōu)控制(LQR)對智能梁的振動進(jìn)行了主動控制。

仿真和實驗結(jié)果表明：多種群遺傳算法比簡單遺傳算法具有更快的收斂速度，且遺傳代數(shù)少，能夠有效避免陷入局部最優(yōu)解。基于多種群遺傳算法的LQR振動主動控制算法對壓電智能梁的振動主動控制具有可行性和穩(wěn)定性，相對基于簡單遺傳算法的LQR振動主動控制算法達(dá)到穩(wěn)定的時間短且具有更好的控制效果。

三、半主動控制

半主動控制介于主動與被動控制之間，屬于參數(shù)控制，控制過程依賴結(jié)構(gòu)反應(yīng)及外部的激勵信息，通過少量的能量而改變結(jié)構(gòu)的剛度或者阻尼系數(shù)來減少結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。半主動控制結(jié)合了主動控制與被動控制的優(yōu)點，控制過程中不需要大量的外部能量，只是需要一部分控制力來調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的特性來減少結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力。

李敏霞，劉季[9]成功完成了五層框架(1:4模型)的變剛度半主動結(jié)構(gòu)振動控制的模擬地震振動臺試驗，這也是國內(nèi)第一個變剛度半主動結(jié)構(gòu)振動控制的試驗。試驗結(jié)果表明，提出的變剛度半主動結(jié)構(gòu)振動控系統(tǒng)的總體設(shè)計是合理可行的，并且多工況實驗得重復(fù)性好，控制的魯棒性好。

孫作玉，何玉敖[10]提出結(jié)構(gòu)振動的變阻尼半主動遺傳控制算法，采用遺傳控制算法直接在控制力解空間經(jīng)行全局尋優(yōu)，從而實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)振動的變阻尼半主動最優(yōu)控制。且通過實例仿真，結(jié)果顯示變阻尼半主動遺傳控制算法，控制效果明顯，是一種有效的結(jié)構(gòu)振動控制策略。

周福霖，譚平等[11]提出了半主動變剛度·阻尼控制系統(tǒng)，設(shè)計了控制裝置，推到了控制系統(tǒng)的運動方程，提出了基于預(yù)測控制的瞬時最優(yōu)控制算法，并且完成了結(jié)構(gòu)模型振動臺對比試驗。結(jié)果表明該系統(tǒng)及其控制算法是十分有效的。

王亮，黃真，周岱[12]對地震波作用下配置磁流變阻尼器的的兩層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，根據(jù)離散時間狀態(tài)下的Newmark-β時域積分方法預(yù)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)值，通過在一定范圍內(nèi)尋找適當(dāng)?shù)目刂屏?shù)使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。析結(jié)果表明基于Newmark-β預(yù)測算法的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)半主動控制優(yōu)于基于全局最優(yōu)解的經(jīng)典反饋控制系統(tǒng)，控制效果明顯、魯棒性好。

四、智能控制

結(jié)構(gòu)智能控制包括智能算法和采用智能驅(qū)動或智能阻尼裝置的兩類控制。采用諸如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等智能控制控制算法為標(biāo)志的結(jié)構(gòu)智能控制。它與主動控制的主要差別是不需要精確的結(jié)構(gòu)模型、采用智能控制算法去惡惡的輸入或輸出反饋與控制增益的關(guān)系，而控制力還是需要很大的外部能量輸入下的作動器來實現(xiàn)。

彭云鵑[13]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用到帶裙房高層建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制中，分析了受地震波激勵的帶裙房高層建筑結(jié)構(gòu)模型的運動方程及其狀態(tài)空間形式方程，研究了MR單阻尼器耦聯(lián)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)模型和MR阻尼器數(shù)學(xué)模型,討論了帶裙房高層建筑的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理及其控制器的設(shè)計。并且究了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)學(xué)習(xí)算法,分析了神經(jīng)網(wǎng)路訓(xùn)練樣本的產(chǎn)生,確定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用MATLAB/Simulink工具實現(xiàn)了改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法，并給出了訓(xùn)練結(jié)果。仿真結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種簡單、有效的控制方法，可以有效地減小帶裙房高層建筑結(jié)構(gòu)在地震波激勵下的加速度和位移響應(yīng)，減震效果十分明顯。

鄒鵬[14]結(jié)合半主動控制將模糊控制理論引入結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域，通過對結(jié)構(gòu)的分析，采用模糊控制策略結(jié)合半主動控制算法控制磁流變阻尼器的作用力輸出。由模糊控制、LQR控制及無控下的輸出曲線和控制量曲線比較可知，本文研究的模糊控制與半主動控制系統(tǒng)有著良好的控制性能。

徐康[15]使用磁流變阻尼器為控制設(shè)備，將模糊邏輯控制方法應(yīng)用于磁流變阻尼器的控制。模糊控制方法不依賴于精確模型、調(diào)節(jié)簡單，該方法能有效控制MR智能阻尼器，利用Matlab及Simulink軟件包建立了地震作用下結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)仿真分析模型。仿真結(jié)果表明:振動控制效果明顯，自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制是一種很好的控制方法。

五、小結(jié)

近些年來，土木工程中的結(jié)構(gòu)控制問題一直都是熱點，一直都被國內(nèi)外學(xué)者重點研究，而且越來越多的建筑當(dāng)中都在應(yīng)用，例如北京大興國際機場航站樓采用了先進(jìn)的組合隔震技術(shù)，設(shè)置1232個橡膠隔震支座和彈性滑板支座，大幅度提高航站樓結(jié)構(gòu)的抗震性能?；A(chǔ)隔震技術(shù)就是屬于結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)中的被動控制范疇，用改變結(jié)構(gòu)的支承條件的方法來減小地震能量向結(jié)構(gòu)的傳遞。

半主動控制和混合控制方法可以滿足不同的設(shè)防要求，對地面運動和結(jié)構(gòu)本身不確定性的適應(yīng)能力更強，可以提高結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性，引入智能元件以后，效果會更好，因此是值得重視的新領(lǐng)域。所以這方面的內(nèi)容希望以后廣大學(xué)者可以繼續(xù)深入研究。