主动质量阻尼器(AMD)

1、主动质量阻尼器（AMD） 概述 v随着建筑结构的高度不断增高、结构体系不断趋于 复杂,再加上地震、台风等自然灾害的不可预知性, 结构抗震、抗风设计也遇到了新的挑战。我国沿海 地区超高层建筑一般以风控为主,强风作用下结构可 能会出现舒适度超标,甚至会造成结构及附属构件损 坏。大量理论研究和实践证明,主动质量阻尼器AMD 控技术能够有效地增加结构阻尼,减小超高层结构风 致振动和地震响应。因此,应用 AMD 控制技术,减轻 结构在风荷载作用下的响应,提高建筑舒适性,对提 高建筑使用性能和品质有重要意义。 目录 v1.基本概念，历史，现状。 v2. 原理 v3. 装置 v4. AMD工作流程 v5.主

2、动控制算法 v6. 存在的问题 v7. 研究展望 基本概念 v主动质量阻尼器(active mass damper,AMD) 是将结构响应的反馈和或结构中关键位置处 外激励的前馈,经计算机分析处理向驱动器(连 接质量块和结构)发送适当的信息.于是驱动器 对抗质量块将惯性控制力施加于结构实现振 动控制. 历史 v自从美籍华裔学者 J.T.P.Yao 于 1972 年首次 提出结构控制的概念之后，结构控制引起了 世界各国的高度重视，经过 30 多年的不断发 展和完善，并且在大量实际工程中得到了较 广泛的运用。在高耸结构风振控制方面，主 要以被动调谐质量阻尼器和主动质量阻尼器 的应用居多，而且技术成

3、熟可靠。 国外研究状况 v在装置的试验研究方面，1987 年日本 Aizawa等人完成了小比例四层钢框架模型顶 层设置 AMD 系统的主动控制实验；同年， 日本 Kobori 等人完成了 1：4 钢框架模型顶 层设置 AMD 系统的主动控制实验； v1988 年美国 Soong 等人完成了1：4 钢框架 模型顶层设置 AMD 系统的主动控制实验。 这些实验和结果显示了AMD 系统良好的性能 和控制效果。 v在装置的实际工程运用方面，1989 年，日本 Kajima 建筑公司建成了世界上第一座采用 AMD 系统的 11 层办公大楼京桥成和大厦， 用于控制结构的风振和中等地震作用的反应。 日本大阪

4、Applause 塔上安装了 1个质量重达 480t 的 AMD 系统，其惯性质量直接采用了 该建筑上的直升机停机坪台使用了2个 5t的作动器，该系统给结构附加的阻尼比 为 1.4%-10.6%。同样，在大阪 Herbis大 厦也安装了 2 个悬吊 AMD 结构控制系统。 该大楼总高 190m，每个 AMD 装置的惯性 质量为 160t，悬吊杆长度为 3.2m，装置自 振周期为 3.6s，主动控制出力为5t，控制 冲程为 300mm，最大控制力为 6t，最大冲 程为 500mm。 国内研究状况 v在装置的试验研究方面： v 哈尔滨工业大学刘季、宋根由等人率先在我 国开展了结构振动主动控制试验研

5、究,完成了 5 层 1:4 模型框架的 AMD 振动控制实验。 v 欧进萍等人研究了海洋平台振动的 AMD 控 制仿真分析及 1:10 模型平台结构 AMD 控制 的地震模拟试验台试验。 v在装置的实际工程运用方面： v中国与美国合作并于 2001 年实现的南京电 视塔风振控制的 AMD 系统,是我国国内第一 个采用 AMD 控制系统的实际工程。 v近年来,越来越多的超高层建筑采用了该装置, 如上海环球金融中心,在第90层安装了两台各 重250吨的惯性质量块,它不仅能使强风作用 下建筑物的加速度反应降低,地震时,还能有效 地减小建筑结构在地震时的响应。 v广州新电视塔塔高 618 米,其主塔体

6、高 454 米,天线桅杆高 164 米,形状高挑纤细,固有 周期达 10.01s 秒,该工程采用了混合质量阻 尼器方案,以改善电视塔结构在环境激励下 的使用舒适性及安全性。该方案由哈尔滨 工业大学深圳研究生院负责其中的 AMD 主 动控制部分。 AMD控制原理 v结构振动的 AMD 控制系统由传感器(包括数据采集 器)、控制决策器和 AMD 装置等三部分组成。这三 个部分与结构一起组成的系统,称为结构 AMD 控制 系统。 v AMD 系统实施控制时,传感器子系统测量结构的干 扰或响应,并反馈至计算机;控制器按照计算机设定 的某种主动控制算法,实时计算主动控制力,并驱动 AMD 系统的作动器;

7、然后作动器推动 AMD 的惯性 质量运动,对结构施加控制力。 AMD与TMD的区别 v与被动控制相比，AMD等主动控制方式有以 下三个优点： v1）提高了控制的有效性。 v2）适用于多用途减震，如风振或地震。 v3）可以选择控制目标，如控制结构某个关键 振型的响应（位移、速度或加速度响应）， 或结构顶点位移、结构基底弯矩以及基底剪 力等。 vAMD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： v（1）质量阻尼刚度装置：包括质量块，刚度 弹簧和阻尼器。 v（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。 v（3）计算机及控制系统，这是整个主动控制 系统的核心

8、部分，包括： v 数据采集系统：装设在结构和地面上的传 感器。 v 滤波调节器：对采集的信号进行滤波、放大、 调节。 v 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。 v（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）； v D/A转换（数字信号转换为模拟信号）。 v（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主动控制系统的工作流程如下： v （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。 v （2）数据处理和传输：传感器

9、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。 v（3）A/D转换：把电压模拟信号（Analog） 转换为电压数字信号（Digital）。 v （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）。 v（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。 v（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

10、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 主动控制系统的组成和工作流程 v现以典型的AMD说明系统组成和工作流程 主动控制算法 v主动控制算法是主动控制的基础。它的目是 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

11、有： v（1）经典线性最优控制算法（Yang， 1975）； v（2）瞬时最优控制算法（Yang，1992）； v（3）改进瞬时最优控制算法（阎维明、周福 霖、谭平，1996）； v（4）模态控制算法（Martin and Soong， 1976）； v（5）脉冲控制算法（Udwadia，1981）； v（6）极点配制算法（Martin and soong， 1976）； v（7）预测控制算法（Rodellar，1987）； v（8）自适应控制算法（Safk，1989）； v（9）模糊控制算法（Yao，1989）； v（10）H（无限大）优化控制算法（Safonov， 1991；刘栋栋，199

12、5）； v（11）低能量控制算法； v（12）神经网络算法。 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。 工程结构减震控制 李爱群 编著（参考） 结构主动减震控制的应用范围 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： v（1）高层、超高层建筑； v（2）高耸塔架或特种结构； v（3）桥梁或其他大跨度结构； v（4）生命线工程结构。 存在的问题 仍存在下述问题尚待解决： v（1）减震的有效性； v（2）控制系统工作的稳定性； v（3）时滞问题； 1）液压系统或电机系统的作动过程。 2）信号的采集和运输、控制器的计

13、算。 v（4）经济性问题； v（5）系统装置的日常维护问题。 主动控制研究展望 结构主动控制由于具有减震效果好，适 应性广等特点，引起人们广泛的研究兴趣， 目前或今后所要进一步研究的问题主要有： v1）进一步开展具有广阔应用前景的结构主动 控制装置研究，建立以这些装置为基础的结 构主动控制系统的设计理论和方法。 v2）主动控制减震效果的有效性和控制系统工 作稳定性的研究。 目前所建成的主动控制系统，是以提高中 小地震以及台风下居住和使用的舒适性为目的， AMD在实际中难以单独抵抗大地震的作用，因 为它需要巨大的质量块和推动它们的巨大外部 能量。应解决大地震作用下外部能源对主动控 制系统的能量供

14、应和保证控制系统在强地震中 的有效运转问题。同时，应研究时滞、传感器 和控制器的可靠性等对主动控制系统工作稳定 性的影响 v3）进一步提出新的更为合理的结构主动控制算 法和最优控制理论，开展主动控制理论和实验研 究。 v4）土木工程结构主动控制需要有迅速提供巨大 控制力的控制装置，研制可靠性高、响应快、控 制力达几百吨的控制器是土木工程结构主动控制 的重要课题。 v5）结构主动控制中的混合控制研究。应开展多 种主动控制算法的优化组合研究、不同类型的结 构控制方法的最优混合应用研究。 v6）结构控制标准化的评价体系研究。 在大量各种不同的结构控制系统存在并投 入应用的同时，目前缺乏可以评价这些系统表 现性能和进行比较的一般标准。因此，应致力 于开发一套标准的测试程序，以便不同系统 （被动、主动、混合）能被真实地评价和比较 v7）进一步开展主动控制技术在高柔、大跨等工 程结构中的理论和应用研究，扩大它的工程应 用领域，通过工程应用，使之成为一项成熟的 技术 参考文献 v1.申崇胜.高柔结构风振舒适度AMD控制算法研究； 哈