结构减震第七讲.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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 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）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。,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，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。,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，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）,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。,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。,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,18.7 主动变刚度,AVS,工程应用地震考验,18.8 主动变阻尼,AVD,振动台试验,