（控制理论与控制工程专业论文）磁流变阻尼结构的智能减震控制研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 磁流变阻尼结构的智能减震控制研究 专业： 硕士生： 导师： 智能控制 郭迎庆 席爱民 摘要 利用磁流变阻尼器进行建筑结构的减震控制具有控制精度高、所需外部能源 少、经济实用、构造简单等特点，这对于多发地震的我国无疑具有广阔的应用前 景。因此，国内外已有越来越多的专家学者投入到此方面的研究，并已取得了一 些成果，但在磁流变阻尼器控制电流的精确选择及磁流变阻尼结构控制的时滞等 方面仍存在许多问题，有待进一步解决完善。 本课题以解决磁流变阻尼结构的瞬时电流选择问题、时间滞后问题，及简化 仿真分析为研究目的，主要完成了如下工作： 1 研究磁流变阻尼结构的地震反应，对比分析了三种b a n g b a n g 控制下的控 制结果； 2 对于磁流变阻尼器控制电流的精确选择问题，本文引入模糊逻辑控制器进 行电流选择，并实施对结构的全态智能控制，提出了模糊逻辑全态控制； 3 对于磁流变阻尼结构控制中的时间滞后问题，本文将地震加速度作为模糊 逻辑控制器的一个输入，消除了控制中部分滞后问题：但仍存在着结构本身的滞 后问题对此引入神经网络对建筑结构的地震反应进行预测，并基于预测的动力 反应和实测结构的动力反应的综合值作为模糊逻辑控制器的输入来消除建筑结构 本身的时滞，并提出了双态神经网络控制和模糊全态神经网络控制； 4 传统的时域仿真分析法，其编程较复杂，而且直观性差，为此作者应用 m a t l a b 中的s m u l r c k 工具箱对磁流变阻尼结构的智能控制进行动态仿真。 关键词：磁流变阻尼结构；磁流变阻尼器；模糊逻辑控制：神经网络：s u l h q k 动态仿真 本研究得到中国博士后科学基金项目“磁流变阻尼器及其对建筑结构的减震控制” ( 编号：中博基2 0 0 1 1 4 ) 的资助。 与 磁流变阻尼结构的智能减震控制研究 s t u d y o i li n t e l l i g e n t e a r t h q u a k em i t i g a t i o n c o n t r o lo f m a g n e t o r h e o l o g i c a l s t r u c t u r e s p e c i a l t y ：i n t e l l i g e n tc o n t r o l n a m e ：g u o y i n g q i n g t u t o r ：x ia i m i n a b s t r a c t e a r t h q u a k em i t i g a t i o nf o r s t r u c t u r e su s i n gm a g n e t o r h e o l o g i c a l ( m r ) d a m p e r sh a s m u c hm e r i t , s u c ha sf i n ec o n t r o le f f e c t , l o we x t e r n a l e n e r g y , c h e a pc o s t ，s i m p l e c o n s t r u c t i o ne t c i th a saw i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n df o ro u rc o u n t r yd u et om a n y e a r t h q u a k e s t h u s ，m o r ea n d m o r e e x p e r t s a th o m ea n da b r o a d s t u d y o nt h i sa s p e c t ，a n d a c q u i r em a n ya c h i e v e m e n t s 。b u tt h e r ea r em a n yp r o b l e m sa b o u tc h o o s i n go fc o n t r o l c u r r e n to fm r d a m p e r sa n dt i m e d e l a ye x i s t i n gi nm rs t r u c t u r e ，w h i c hr e q u i r eb e s o l v i n g a n dc o m p l e t i n g i nt h i s p a p e r , t h em a j o ra i mi s t h a ts t u d y i n gd e t e r m i n a t i o no fc o n t r o l c u r r e n t ， t i m e - d e l a y a n ds i m p l es i m u l a t i o n t h ef o l l o w i n gw o r ki sd o n e ： 1 s e i s m i c 唧o n s e s o f m rs 住1 王c n l r e sa l ea n a l y z e d a n dt h r e ek i n d so f b a n g b a n g c o n t r o la r ec o m p a r e d 2 ap r o b l e mi sc h o o s i n gt h ec o n t r o lc u r r e n to fm r d a n p e r oi nt h i sp a p e r , f u z z y l o g i cc o n t r o l l e ri s i n t r o d u c e dt oc h o o s et h ec o n t r o lc u r r e n t ，a n df u l l s t a t e i n t e l l i g e n t c o n t r o lf o rs t 兀l c t i i l si se a r n e da n df u z z y l o g i cf u l l s t a t ec o n t r o li sp r o p o s e d 3 a n o t h e rp r o b l e mi s t i m e - d e l a yb e i n gi nt h ec o n t r o lo fm r s f f u c t u r c i nt h i s p a p e r , o n ei n p u to f t h ef u z z yl o g i cc o n t r o l l e ri st h es e i s m i ca c c e l e r a t i o nt h a ta v o i d s s o m et i m e d e l a yb e i n gi nt h ec o n t r 0 1 b u tt i m e - d e l a yb e i n gi nt h es t r u c t u r es t i l li s n t s o n c a , s ot h en e u r a ln e t w o r kt e c h n i q u ei si n t r o d u c e dt op r e d i c tt h es e i s m i cr e s p o n s e so f s 咖c t u r e st oa v o i di t a n dt h eb i s t a t en e u r a ln e t w o r kc o n t r o la n df u z z yf u l l - s t a t en e u r a l n e t w o r kc o n t r o la r e p r o p o s e d 4 t h ec o n v e n t i o n a ls i m u l a t i o ni sc o m p l e x ，s os i m u l a t i o nf o rm rs t r u c t u r e si s c a r r i e d b yu s i n gs i m u l i n k t o o l b o xi nm a t l a b i i 塑塞丝篁塾丝奎兰堡圭兰垒篁兰 k e yw o r d s ：m a g n e t o r h e o l o g i c a ls t r u c t u r e ；m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e r s ；f u z z yl o g i c c o n t r o l ；n e u r a ln e t w o r k ；s i m u l a t i o n t h i sr e s e a r c hi sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yt h en a t i o n a lp o s t d o c t o r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n , p e o p l e r e p u b l i c o f c h i n a , g r a n t n o 2 0 0 1 0 1 4 、t h es u p p o r t i s g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e d 1 1 1 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：备迎氧 日期：”略； 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：奄酿导师签名雅元 日期：删3 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 强震和大风给人类带来了巨大的灾害，采用经济、高效、可靠的措施减小地 震或风振造成的损失，已经成为研究者和工程师们热衷的课题。对于土木工程结 构，传统的抗震和抗风设计方法是保证结构具有一定的刚度、强度和延性当结 构所受的动力荷载超过某种程度后，这种方法既不经济，也达不到预期的效果。 自从t 9 7 2 年美籍华人y a o 提出了土木工程结构振动控制的概念以来，结构振动控 制的研究从理论、实验到工程应用等方面得到了突飞猛进的发展。 利用磁流变阻尼器进行建筑结构的减震控制具有控制精度高、所需外部能源 少、经济实用、构造简单等特点，这对于多发地震的我国无疑具有广阔的应用前 景。因此，国内外已有越来越多的专家学者投入至0 此方面的研究，并己取得了一 些成果，但仍存在许多问题，在控制算法方面主要有： ( 1 ) 磁流变阻尼器控制电流的精确选择闯题； ( 2 ) 磁流变阻尼结构因时滞问题引起的动力反应失真现象应该得到足够的重 视和考虑： ( 3 ) 在对磁流变阻尼结构进行控制时，若采用全态控制，确定磁流变阻尼器 的控制电流应是瞬时一次性的，目前对此闻题尚无合适的分析方法。 为解决上述问题以及进一步推动磁流变阻尼器及其结构的研究与应用。并结 合中国博士后基金项目( 磁流变阻尼器及其对建筑结构的减震控制，编号：中博 基2 0 0 1 0 1 4 ) 的研究内容，特将对磁流变阻尼器对建筑结构的减震控制研究作为课 题，以作专项研究。 1 2 结构振动控制的方案及原理 结构振动控制是对结构施加控制机构，由控制机构和结构共同承受地震作用， 阻调谐和减轻结构的地震反应。结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主 动控制和混合控制。 被动控制【1 l 一无外加能源的控制，其控制力是由控制装置随结构一起振动变 形而被动产生的。被动控锘装置主要有粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、金属阻尼器、 摩擦阻尼器、调频质量阻尼器、调频液体阻尼器和基础隔震装置。当结构因风振 或地震而发生变形对，被动控制装置也产生相应变形而耗散结构的振动能量。被 动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸能减震技术。 主动控制1 l 唷外如能源的控制，其控制力是由控制装置按某种控制规律， 郭迎庆：磁流变阻尼结构的智能减震控制研究 利用外加能源主动施加的。主动控制系统由传感器、运算器和执行机构三部分组 成。主动控制是将现代控制理论和自动控制技术应用于结构抗震的高新技术。主 动控制有主动拉索系统( a t s ) 、主动支撑系统( a b s ) 、主动可交刚度系统( a v s s ) 、 主动质量阻尼系统( a m d ) 等。主动控制研究较多的国家是美国、日本和中国， 我国自8 0 年代末期开始研究主动控制。目前，主动控制在土木工程中的应用已达 3 0 多项，如日本的t a k e n a k a 实验大楼和k a n k y uc h a y a m e c h i 大楼。 半主动控制【l l 有少量外加能源的控制，其控制力虽也由控制装置自身的运 动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调整自身的参 数，从而起到调节控制力的作用。现有的半主动控制技术包括：半主动隔震装置、 半主动t m d 、半主动力触动器、半主动变刚度装置和半主动变阻尼装置等。 混合控制【1 l 在结构上同时应用被动控制和主动控制，或者是同时应用不止 一种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装置的长处， 克服它们的弱点，以获得更好的控制效果。目前提出的混合控制方法主要有：同 时采用a m d 和t m d 的混合控制系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系 统以及主动控制和耗能减震相结合的混合控制系统。世界上第一个安装混合控制 系统的建筑是位于日本东京的清水公司技术研究所。 在这四种控制技术中，主动控制的效果最好，但由于建筑结构体形巨大导致 所需的外加能源较大，加之控制装置的控制的算法比较复杂，而且存在时滞问题， 因此其应用程度少于其它三种控制技术；被动控制造价低廉，减震效果良好，容 易实现，目前发展最快，应用最广，尤其是其中的基础隔震技术已相当成熟，并 得到了一定程度的推广应用；半主动控制介于主动控制和被动控制之间，其控制 精确度较高，造价较主动控制低廉，而且不需要较大的动力源，因此其具有广阔 的应用和发展前景；混合控制综合了某几种控制方法的优点，因此其具有较好的 控制效果发展前景较为广阔。 1 3 智能控制在土木工程中的研究现状 1 3 1 智能控制的发展 自2 0 世纪4 0 年代美国数学家维纳创立控制论以来，自动控制理论的发展经 历了经典控制理论和现代控制理论两个重要发展阶段。然而对于日趋复杂的实际 控制系统这两种传统控制理论显得越来越受局限。为了适应社会对自动化提出的 新要求，世界各国的专家学者都在探索建立新一代的控制理论，以解决复杂系统 的控制问题。近年来，将传统控制理论和模糊逻辑、神经网络、遗传算法等人工 智能技术相结合，充分利用人类的控制知识对复杂系统进行控制，逐渐形成了智 能控制理论雏形。 西安建筑科技大学硕士学位论文 我们把传统控制中加入逻辑、推理和启发式知识的这类系统称为智能控制系 统1 2 1 。i e e e 控制系统协会认为：智能控制系统必须具有模拟人类学习和自适应的 能力【2 】。智能控制不同于经典控制理论和现代控制理论的处理方法控制器不再是 单一的数学解析模型，而是数学解析模型和知识系统相结合的广义模型i2 1 。概括地 说。智能控制具有以下基本特点：( 1 ) 应能对复杂系统( 如非线性、快时变、复 杂多变量、环境扰动等) 进行有效的全局控制，并具有较强的容错能力；( 2 ) 定 性决策和定量控制相结合的多模态组合控制；( 3 ) 其基本目的是从系统的功能和 整体优化的角度来分析和综合系统，以实现预定的目标，并应具有自组织能力； ( 4 ) 同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程， 人的知识在控制中起着重要的协调作用，系统在信息处理上既有数学运算又有 逻辑和知识推理。 1 9 8 5 年，i e e e 在纽约召开了第一届智能控制学术会议，集中讨论智能控制 的原理和系统结构等问题，标志着这一新体系的形成。虽然智能控制体系的形成 只有十几年的历史，理论还远未成熟，但已有的应用成果和理论发展都表明智能 控制正成为自动控制的前沿学科之一。它的发展涉及到许多学科，如控制理论、 计算机科学、人工智能、现代自适应控制、最优控制、神经网络、模糊逻辑等。 以上每一个学科均从不同侧面部分地反映了智能控制的理论和方法，其中应用较 多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法、自组织控制。 ( 1 ) 模糊逻辑控制 模糊逻辑控制是用模糊语言描述的控制系统，可适用于任意复杂对象的控制 系统1 】。这种控制方式实现简单的控制比较容易，如单输入单输出系统或多输入 单输出系统的控制，对于多输入多输出变量的系统，模糊逻辑的推理将变得非常 复杂。 ( 2 ) 神经网络控制 神经网络是大量的神经元按一定的拓扑结构相互连接构成的网络系统【5 1 。它有 着丰富的特性：并行计算、分布存储、可变结构、高度容错、非线性运算、自我 组织、学习或自学习等。这是人们长期追求和期望的系统特性，它在智能控制的 参数、结构或环境的自适应、自组织、自学习等控制方面具有独特的能力。 ( 3 ) 遗传算法 遗传算法是模拟自然进化过程的一种随机性全局优化方法【”。它作为一种非确 定的拟自然随机优化工具，具有全局性、快速性、并行性和鲁棒性等特点。它可 以和其他技术混合使用，用于智能控制的参数、结构或环境的最优控制。 ( 4 ) 专家系统 专家系统是利用专家知识对专门的或困难的问题进行描述 6 1 。采用专家系统控 制时，工程费用相对较高，自动获取知识困难，无自学能力，知识面太窄等问题。 3 一 郭迎庆：磁流变阻尼结构的智能减震控制研究 尽管专家系统在解决复杂的高级推理中获得了较为成功的应用，但是实际应用仍 然相对较少。 目前的智能控制方法已从单学科发展到多学科的交叉研究，应用领域也在不 断拓宽。主要在两个方面展开了大量的研究：一是智能方法之间的结合，如模糊 逻辑与神经网络技术的结合，模糊逻辑与遗传算法的结合等；二是智能控制与传 统控制的结合，智能方法与传统方法的结合，能取长补短，形成更大的优势。 智能控制的主要目标是使控制系统具有学习和适应能力。要使系统具有适应 能力就必须通过学习，这样才能使系统具有强鲁棒性，在复杂控制系统中能根据 系统所处的环境、操作条件的变化、控制目标的变化，通过不断学习，适应新的 要求。模糊推理和神经网络均具有模拟人类思维结构和方式的特点，而遗传算法 又是一种很好的优化方法，将三者有机地结合起来，发挥各自的优势，将是智能 控制研究的主要方向。 本文主要采用模糊逻辑控制技术和神经网络控制技术进行对磁流变阻尼结构 进行智能控制。 1 3 2 模糊逻辑控制在土木工程中的研究 模糊逻辑控制是典型的智能控制方法之一，在自动控制领域非常活跃。从广 义上讲模糊逻辑控制指的是应用模糊集合理论统筹考虑系统的一种控制方式， 模糊控制不需要精确的数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现 场操作人员的运行经验或专家的经验，就可以对系统进行实时的非线性控制，因 此模糊逻辑控制是解决不确定性系统控制的一条有效途径 3 1 。 模糊控制在土木工程中的研究和应用取得了许多突破和进展。y a m a d a 和 g o t o 7 1 对建筑结构的模糊控制进行了系统的研究，应用模糊控制理论解决主动控制 中的非确定问题，利用数值分析方法验证所建立的模糊逻辑规则和隶属函数的建 立条件，利用优化的方法进一步研究了隶属函数的特性。文章分别采用三种模糊 控制规则：( 1 ) 前件是地面加速度，后件是控制力；( 2 ) 前件是结构反应速度， 后件是控制力；( 3 ) 前件是地面加速度和结构反应速度，后件是控制力。分析表 明模糊控制的效果是十分明显的。c a s c i a t i 和y a o 【8 】对土木工程中主动控制的方法 进行了比较，说明了每一种方法对解决非线性问题的优缺点，着重阐述了神经网 络和模糊控制法对解决非线性的有效性。s u n t 9 】等将模糊逻辑推理用于高架桥的纵 向振动控制。l i b a t 】等进行了模糊优化结构地震反应控制系统的振动台试验研究 结果证实了模糊控制系统对地震反应的控制效果是明显的，同时说明控制效果受 位移隶属函数和控制力的影响很大。f u j i t a n i 和m i d o r i k a w a 等进行了建筑结构模糊 逻辑控制地震反应的振动台试验和仿真分析，试验结果证明了使用模糊逻辑减小 建筑结构振动反应的有效性同时表明结构控制试验的结果可以用简单的仿真方 西安建筑科技大学硕士学位论文 法得到。 1 3 3 神经网络的在土木工程中的研究 神经网络是另外一种典型的智能控制类型，在自动控制领域非常活跃。神经 网络是由大量神经元( 处理单元) 互连而成的网络。它是现代神经生物学和认识 科学对人类信息处理研究的基础上提出来的，具有很强的自适应性和学习能力、 非线性映射能力、鲁棒性和容错能力、数据并行处理方法。它为解决不确定性系 统的控制问题提供了另一条有效途径。 神经网络在土木工程的结构振动控制中的应用也取得了许多突破和进展。 p a e z 使用特殊的径向基函数网络连接标准化线性样条网络预测单自由度体 系在随机荷载作用下的反应。v e n i n i 掣”】使用基于b p 算法的多层神经网络对多自 由度粘弹性结构进行混合振动控制，有效减小隔震基础的水平位移，取得明显的 控制效果。a m i n i 等1 1 3 j 同样使用基于b p 算法的多层神经网络识别和控制一个1 0 层实际结构利用在该楼上的实际安装的1 3 个传感器记载的实际地震反应记录， 训练神经网络，并对该刚络进行数值仿真主动控制，取得较好的控制效果。m o r i s h i t a 等1 1 4 使用随机搜索全局优化的方法对神经网络的学习算法进行了改进，加快了学 习的速度和精度，并将该算法应用于多层网络，结合在随机荷载作用下两自由度 自适应体系进行了分析，验证了该神经网络的控制效果。g h a b o u s s i t b l 将神经网络 用于弹性结构体系的主动控制。b a n i h a n i m 】在g h a b o u s s i 研究的基础上，利用神 经网络对非线性结构体系进行了振动控制数值分析。在分析过程中，采用了执行 机构结构耦连模型，并用非线性数值训练神经网络，扩大了该神经网络的应 用范围。2 0 0 1 年h u n g 和l a i 设计了一种无教师模糊神经网络主动脉冲控制器对主 动控制系统进行了控制研究l j 7 j 。 1 4 磁流变阻尼结构智能控制的研究现状 磁流变阻尼器是应用磁流变体在强磁场下的快速可逆流变特性而制造的一种 新型振动控制装置。有关磁流变阻尼器的构造将在第二章予以详解。加入磁流变 阻尼器的结构称为磁流变阻尼结构，其减震控制原理为：将磁流变阻尼器安装于 建筑结构的柱间支撑、梁柱节点和桁架下弦杆等变形部位，根据结构的实际变形 和外部地震( 风振) 激励，按照特定的控制规律，控制外加磁场以改变磁流变阻 尼器的力学性能，从而在瞬间内改变了结构系统的特性参数以使结构达到最好的 控制效果。 利用磁流变阻尼器进行建筑结构智能减震( 振) 控制的研究在国外始于9 0 年 代初，在国内则是最近几年的事，其主要研究内容包括对磁流变阻尼器性能的研 究和磁流变阻尼结构控制算法的研究。磁流变阻尼器性能的研究和力学模型的介 郭迎庆：磁流变阻尼结构的智能减震控制研究 绍详见第二章，目前，国内外许多专家学者致力于磁流变阻尼结构控制算法的研 究，取得许多成果，主要体现在以下几方面： ( 1 ) 双态最优控制f 1 8 - 1 9 1 采用瞬时最优控制算法，瞬时二次型目标函数可取为 j ( f ) = y 7 ( f ) q y ( f ) + u 7 ( t ) r u ( 0 ( 1 - 1 ) 式中，q 和r 分别为状态向量y ( t ) 和控制力向量u ( t ) 的权矩阵，用以调整结构反 应与控制力两者之间的相对重要程度。应用最优控制理论可以求得使此二次型目 标函数达到最小的最优控制力为 u ( f ) = 一( a t l 2 ) r 一1 8 7 q y ( t ) ( 1 - 2 ) 式中，r 为采样周期，b 为系统的状态矩阵。由于磁流变阻尼器是通过调整磁场 强度来调整阻尼器所产生的阻尼力，它不可能在任意瞬时都达到( 1 - 2 ) 式所表述 的最优控制力，而只能通过调整磁流交阻尼器的参数使它所产生的阻尼力向最优 控制力靠近，据此可得到调整磁流变阻尼器参数的半主动控制策略为 e = 侥淼： ， 式中，。和c 。分别为磁场为零和磁场为最大时磁流变阻尼器所产生的阻尼力， “，和i 。分别为第f 个阻尼器所产生的位移和速度。e 为第f 个阻尼器所产生的控制 力。 ( 2 ) 基于l y a p u n o v 稳定理论的控制策略 19 9 4 年l e i t m a n 应用l y a p u n o v 稳定理论设计了半主动控制策略 2 0 1 ，l y a p u n o v 函数选为 矿( z ) = 1 2 m 2 p ( 1 4 ) l i y i l ，= i v 7 p y w 2 ( 1 5 ) 式中，p 为实对称正定矩阵。当结构为线性系统时为确保矿为负，矩阵p 应满足 l y a p u n o v 方程 a 7 p + p a = 一q 。 ( 1 6 ) 式中q ，为正半定矩阵。结合结构系统的状态方程，由( 1 - 4 ) 式可以推得 矿= 一 y 7 q p y + y 7 p b f + y 7 p e 戈g ( 1 7 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 受控制电压影响的是包含控制力f 的中间项，因此，为了使矿最小，可以推得 控制电压满足下式 k i = 。h “- z ) 7 p b j 五) ( 1 - 8 ) 式中，h ( ) 为h e a v i s i d e 函数， 为第i 个阻尼器所测量的控制力，b ，为b 矩阵的 第i 列。 该控制方法是基于整个结构的动力反应而施加控制力的，因此其具有较好的 控制效果，但是在使用l y a p u n o v 方程时如何确定合适的q ，矩阵是非常不容易的。 ( 3 ) 分散棒棒控制 m c c l a m r o c h 和g a v i n 于1 9 9 5 年使用了同样的方法对电流变阻尼器进行了分 散棒棒控制f 2 l l 。该方法中l y a p u n o v 函数为整个结构系统的振动链量( 弹性能加上 势能) ，即 v = - ：x 7 k ，x + ( 主+ n g ) 7 m ，( z t + f x g ) ( 1 9 ) 根据结构系统的动力运动方程，l y a p t m o v 函数的变化率为 矿= x 7 k ，i + ( i + n g ) 7 ( c ：i k 。x + a f ) ( 1 - l o ) 从( 1 - 1 0 ) 式可以看出最后一项包含控制力响量f ，可以通过控制该项使得矿 在负向尽可能的大，即使得耗能最多，经推导可得控制电压应满足下式 v 。= y 。日( _ ( i + 1 7 i 。) 1a f 工) ( 1 - 1 1 ) 式中，a ，为人矩阵的第i 列，x 为结构系统的位移向量，m ；、k ，和c ，分别为结 构系统的质量、刚度和阻尼矩阵。 ( 4 ) 限幅优化控制 该控制方法是由d y k e 等于1 9 9 6 年提出2 “，它是设计出一个线性优化控制器 k 。( s ) ，然后根据所测结构动力反应y 和所测控制力向量f 利用线性优化控制器 k 。( s ) 计算出期望控制力f c = e 丘。，五2 ，l 】7 n r 。= 三一 一k 。t s ，工 ；) ct - t ：， 式中。l ( ) 为拉普拉斯变换。因为磁流变阻尼器所产生的控制力与结构系统的动力 反应有关，期望控制力厶不能一直由磁流变阻尼器产生，力是通过控制电压的增 郭迎庆：磁流变阻尼结构的智能减震控篇日研究 加或减少来实施控制的，因此引入一个力的反馈环来产生近似的期望优化控制力。 如果阻尼器所产生的力小于期望控制力，并且两力符号相同，施加给阻尼器 的电压应该加到最大，否则，电压就设为零。即电压值满足 v 。= ( 阢f 一五m ) ( 1 - 1 3 ) 1 5 研究方案及其先进性 1 5 1 研究目的及研究意义 本课题以解决磁流变阻尼结构的瞬时电流选择问题、时间滞后问题，以及简 化仿真分析为研究目的。 结构振动控制己受到世界各国越来越多的重视，其试点工程逐年成倍增加。 磁流变阻尼结构的智能控制具有控制精度高、所需能源少等诸多优点必将受到越 来越多专家学者和工程师们的青睐，这对于地处多发地震区的我国，其具有广阔 的应用前景。因此，本课题所进行的研究有着其显著的科研意义、社会意义和经 济意义。 1 5 2 研究内容及其先进性 磁流变阻尼结构减震效果的好坏取决于磁流变阻尼器的耗能性能和所采取的 控制方法。对于建筑结构的减震控制，要求所采取的控制方法不能太复杂，但又 要有足够的精度，因此，对于磁流变阻尼结构寻找一种简单而又有效的控制方法 是一个非常重要的问题。作者主要应用模糊逻辑和神经网络对磁流变阻尼器进行 智能控制。 磁流变阻尼器一般装设于结构的 柱间支撑、梁柱节点和桁架下弦杆等 变形部位，当结构因振动而发生变形 时，阻尼器也跟随产生运动，从而产 生阻尼力。如图1 1 所示，本文是将 磁流变阻尼器装设于框架结构的人字 形支撑上，并将其和计算机系统相连。 当计算机接受到某一时刻位移传感器 或加速度传感器所检测的结构状态信 号后，发出相应的控制指令对磁流变 阻尼器进行实时控制，从而使得建筑 结构对外界激励具有智能性和自适应 性。其中控制指令是通过采用模糊逻 辑控制技术和神经网络技术得到的。 l 1 图1 1 加入磁流变阻尼器的结构安装图 西安建筑科技大学硕士学位论文 以下为本文研究的主要内容： 1 研究磁流变阻尼结构的地震反应，对比分析三种b a n g b a n g 控制下的控制 结果： 2 对于磁流变阻尼结构的控制分析中一个重要的问题是磁流变阻尼器的控制 电流的选择问题，地震激励是短暂而又毫无规则的，如何在瞬间选择合适的控制 电流是成功实施控制的关键，本文引入模糊逻辑控制器进行磁流变阻尼器的电流 选择，并实施对结构的全态智能控制； 3 对于磁流变阻尼结构的控制分析中另一个重要的问题是时滞问题，建筑结 构本身是一具有滞后环节的被控系统，而且结构状态信号的测量、计算及控制信 号的传输均要耗费一定的时问，另外在传统的时域仿真分析法中，控制信号是基 于上一时刻结构的动力反应而得到的，这均导致时滞问题的必然存在，然而在控 制中，时滞问题处理得不好，会使结构的控制效果不佳。本文将地震加速度作为 模糊逻辑控制器的一个输入，消除了控制中部分滞后问题；但仍存在着结构本身 的滞后问题，对此引入神经网络对建筑结构的地震反应进行预测，并基于预测的 动力反应和实测结构的动力反应的综合值作为模糊逻辑控制器的输入来消除建筑 结构本身的时滞。并提出了双态神经网络控制和模糊全态神经网络控制； 4 应用传统的时域仿真分析法，其编程较复杂，而且直观性差，为此作者应 用m a t l a b 中的s i m u l i k 工具箱对磁流变阻尼结构的智能控制进行动态仿真。 本文的先进性主要体现在以下几点： l ，在进行磁流变阻尼结构的全态控制时，电流快速而又准确的选择是影响控 制效果的关键因素，作者引入了模糊逻辑控制器对电流进行选择，提出了模糊逻 辑全态控制方法： 2 为解决控制中所遇到的时滞问题，作者利用神经网络对建筑结构进行动力 反应预测并将其加设到b a n g - b a n g 控制和模糊逻辑全态控制的框架中去，提出 了b a n g - b a n g 神经网络控制和模糊全态神经网络控制； 3 作者应用s i m u l i k 工具箱对磁流变阻尼结构的智能控制进行动态仿真。 郭迎庆：磁流变阻尼结构的智能减震控制研究 2 磁流变阻尼结构的控制反应分析 2 1 磁流变阻尼器的力学模型 磁流变阻尼器是应用磁流变体在强磁场下的快速可逆流变特性而制造的一种 新型振动控制装置，其性能受到磁场、磁化颗粒尺寸、温度等许多因素的影响。 若全面地了解该阻尼器的力学性能，必须对磁流变体的力学性能有足够的认识。 如图2 1 所示为最近美国l 0 r d 公司研究人员开发的用于建筑结构的抗震阻尼器【2 3 】。 图2 1l o r d 公司生产的2 0 吨磁流变阻尼器原形图 2 1 1 磁流变体的力学性能 磁流变体的发现和产生可追溯到2 0 世纪4 0 年代末美国国家标准所的j a c o b r a b i n o w ( 1 9 4 8 ，1 9 5 1 ) 。磁流变体是由磁化颗粒、载体液和稳定剂三部分组成， 磁化颗粒是一种具有铁磁性和顺磁性的球形微粒，球径1 1 0 微米，载体液要求 有良好的温度稳定性、良好的阻燃性及无污染性，一般用硅油、煤油和合成油， 稳定剂的作用是确保磁流变体有良好的沉降稳定性和凝聚稳定性【2 4 】1 。 在磁流变体中磁化颗粒的体积比为2 0 3 0 ，通常情况下磁流变体是自由 流动的液体，稠度类似于机油。当给流体施加磁场时，流体的稠度变硬，变成一 种类似于花生膏一样的半固体物质，变化的程度同所施加的磁场大小成比例【2 ”。 o 西安建筑科技大学硕士学位论文 磁流变体是分散相直径为微米级的粗分散体系在重力和离心力的作用下容 易产生沉降现象，且可极化微粒由于化学物理作用而易发生凝聚。为了防止和减 少凝聚现象，通常在磁流变体中加入稳定剂，这些稳定剂都是大分子链，它们依 靠极性头部吸附在固体颗粒表面，其尾部如同弹簧一样，阻止两固体颗粒问的相 互接近。磁流变体具有以下特点：( 1 ) 连续性，它随磁场强度的变化而连续变化； ( 2 ) 可逆性，既可随磁场强度增大而硬化，又可随其减弱变为流体：( 3 ) 响应时 间短，其力学性能随磁场强度变化时间为m s 级。 磁流变体的流变特性与诸多因素有关口4 粕】，概括起来主要有以下几点： 1 磁流变体的剪应力与饱和磁化强度的关系 m a r k 等研究发现：磁化颗粒达到磁饱和以后，磁流变体的剪应力随磁场强度 的增加变化较小，但随着磁化颗粒体积比的增大，磁流变体的饱和磁化强度也随 之增加，剪应力会大幅提高。 2 温度对磁流变体的影响 大量的试验和研究表明：磁流变体的屈服应力及性能在温度范围( 一4 0 0 c 1 5 0 0 c 之间) 内受温度的影响较小。 3 磁化颗粒尺寸对磁流变体的影响 l e m a i r e 研究发现：磁化颗粒直径对屈服应力的影响取决于耦合系数的大小， 一定尺寸的单分散系比多分散系试样具有更佳的磁流变效应。 4 稳定剂对磁流变体的影响 稳定剂增大了磁流变体的粘度，有助于克服磁化颗粒的沉降，稳定剂对不同 载体液的亲和性能是不相同的，因此用不同载体液配置的磁流变体，其稳定剂的 配比是不同的。 2 1 2 磁流变阻尼器的构造、性能与特点 磁流变阻尼器是由磁流变体、缸体、活塞和可控磁场组成。按其受力模式可 将磁流变阻尼器分为压力驱动式、剪切式和挤压式三种模式。其工作原理如图2 2 所示。压力驱动式常用于伺服控制阀、阻尼器和减震器等，剪切式可用于离合器、 f霍匡 s ( a ) 压力驱动式 s ( b ) 剪切式 图2 + 2 磁流变阻尼器的三种模式 1 1 f f s ( c ) 挤压式 郭迎庆：磁流变阻尼结构的智能减震控制研究 制动器、锁紧装置和阻尼器等器件，挤压式可用于制作小位移、大阻尼力的磁流 变阻尼器。应用于建筑结构半主动控制的阻尼器常用压力驱动式，图2 3 为常用的 磁流变阻尼器构造详图。 图2 _ 3 建筑结构减震中常用的磁流变阻尼器 磁流变阻尼器的阻尼力是由不可控制的磁流变体零磁场粘度引起的粘滞阻尼 力和可控制的外加磁场引起的库仑阻尼力两部分组成。其性能受到位移幅值、磁 场强度、激励频率等因素的影响【2 ”，影响规律为 1 在固定电流下峰值力随着位移幅值的增大而增大； 2 磁场强度越大，磁流变体粘度越大，其屈服力越大，磁流变阻尼器的耗能 性能越大，但当磁场强度达到饱和磁场强度后，磁流变阻尼器的屈服力和耗能性 能几乎没有变化： 3 激励频率对磁流变阻尼器的力一位移曲线几乎没有影响，但频率对力与速 度的非线性关系有影响，频率越高，非线性越大。 2 1 3 磁流变阻尼器的力学模型 为了真实地描述磁流变阻尼器的力学性能，研究者们提出了许多模型。这些 模型基本上可以划分为两大类型：非参数模型和参数模型。主要有以下几种模型： a b i n g h a m 模型 该模型是由p h i l l i p s 于1 9 6 9 年提出的【”】，其认为磁流变阻尼器可以等效为一 个粘壶元件和一个库仑摩擦元件相并联，如图2 4 所示，其应力一应变关系为 f = - y ，( h ) s g n ( 于) + 玎尹 ( 2 - 1 ) 式中，r 是磁流变阻尼器的剪切应力，f ，是 所施加磁场引起的屈服应力，日是所施加 磁场的幅值，s g n ( ) 是符号函数，矿是剪切 应变率，玎是与磁场无关的动力粘度系数。 根据式( 2 - 1 ) 可以写出磁流变阻尼器的力 粘壶元件 图2 4b i n g h a m 模型计算简图 西安建筑科技大学硕士学位论文 位移关系式 局= 巴s 印( 吱) + c o , i ( 2 - 2 ) 式中，乃是阻尼器所产生的控制力，j 卅是与磁场相关的屈服力，c 0 为磁流变体 的阻尼系数，舀为阻尼器活塞所产生的速度。对如图2 3 所示的常用磁流变阻尼器， p h i l l i p s 进一步推得其力一位移关系满足下式 b 3 l a r p r y ( h ) s g n ( u ) + 筹i ( 2 - 3 ) n删n 式中，三为活塞长度，d 为缸体内径，h 为孔道直径，a 。为活塞的有效面积。 该模型形式简单、概念清晰、易于理解，在编程时易于程序化，可以描述阻 尼器的力一位移关系和耗能性能，但该模型假定了屈服前阻尼器为刚性因而忽 略了阻尼器在屈服前的粘弹性性能，从而不能描述磁流变阻尼器在低速时力与速 度之间的非线性性能。 b b o u c w e n 模型 b o u c w e n 模型是由s p e n t e r 于1 9 9 7 年 提出2 4 1 ，模型的计算简图如图2 , 5 所示，其 力一位移关系为 f = + c 0 i ( 2 4 ) j = - r l u l z l z i ”一历l z l “+ 爿i ( 2 - 5 ) 式中，a 、卢、y 、r 和a 为系数，由试验 确定。在大应变下该模型的滞变力相当于摩 粘壶元件 b o u e w e n 元件 图2 5b o u c w e n 模型计算简图 擦力而在低应变下则具有粘弹性特性，通过调节参数a 可以调节滞变模型的初 始刚度。该模型能够描述磁流变阻尼器在低速时的非线性性能、力一位移关系和 耗能性能，但随着激励频率的变化，阻尼器的力一位移曲线也将发生变化，这同 磁流变阻尼器的力位移曲线不随频率变化的实际性能是不相吻合的。 c 等效粘滞阻尼模型 等效粘滞阻尼模型是将非线性阻尼器标准线性化的一种技巧【”1 ，将非线性的 磁流变阻尼器等效为一个线性粘滞装置，在频率m 的正弦激励下，磁流变阻尼器的 每圈耗能为 e d = q f 出= 【f ( t ) u ( t ) d t ( 2 6 ) 式中，i “) 是阻尼器活塞的速度，若使非线性阻尼的每圈耗能等于等效粘滞阻尼的 每圈耗能可得阻尼器的等效粘滞阻尼系数 c 舶= e a x c o u ； ( 2 7 ) 式中，“。为正弦位移幅值，等效粘滞阻尼模型较为精确的描述了阻尼器的耗能性 能，仅用一个参数c 0 来描述阻尼器的性能，概念简单清晰，但c 。是磁场和位移 郭迎庆：磁流变阻尼结构的智能减震控制研究 幅值的函数，在实际地震( 风振) 中却难以求出，而且该模型不能正确地描述阻 尼器的力一位移和力速度滞回曲线。 d 扩充b i n g h a m 模型 扩充b i n g h a l l 3 模型基于b i n g h a m 模型的基础上推导出来的一种计算模型【2 8 1 。 在实际工程中，改变磁流变阻尼器的控制力完全是靠改变控制电流来实施的。 从( 2 3 ) 式中可以明显地看出：控制电流是通过影响剪切屈服应力r ，( 日) 而达到 改变控制力的。因此，在扩充b i n g h a m 模型中给出了r 。( 圩) 和控制电流，之间的关 系即 f y = a 1 e 叫+ 2 i n ( + e ) + 4 3 1 ( 2 8 ) 式中 、，和 分别是与磁流变体性能相关的系数。如图2 , 6 所示为电流与剪 切屈服应力关系曲线的试验结果与数值计算结果比较图，其中试验结果应用的是 文献 2 6 中的数据。则( 2 8 ) 式和( 2 - 3 ) 式便构成扩充b i n g h a n a 模型的计算公式。 该模型易于程序化，方便对结构的控制，本文在以后的实例计算中均采用扩充 b i n g h a m 模型。 言 盆 一 最 毪 罡 喧 墨 辣 电流( a ) 一一试验结果o 一数值计算结果 图2 6 电流与剪切屈服应力关系曲线的试验结果与计算结果比较图 2 2 磁流变阻尼结构的控制反应分析 磁流变阻尼结构的控制反应分析包括对磁流变阻尼器模型的建立和被控结构 的地震反应求解。上一节讲述了磁流变阻尼器的模型，本节将主要