结构减震第七讲

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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）：①结构（全）主动控制（ActiveControl）

2、;②结构半主动控制（SemiActiveControl）;③结构混合控制（HybridControl）。（2）按实现控制的手段型式分类（图17-1-2）：①施加外力控制型；②改变结构参数型；③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、

3、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

4、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

5、(VariableHydraulicDampers)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

6、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：①数据采集系统：装设在结构和地面上的传感器。②滤波调节器：对采集的信号进行滤波、放大、调节。③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

7、）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

8、(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