基于磁流變裝置的結(jié)構(gòu)半主動控制研究.pdf

1、將磁流變等智能材料引入土木工程結(jié)構(gòu)減振控制領(lǐng)域，標(biāo)志著結(jié)構(gòu)減振控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個新的階段。為推動磁流變材料及其相關(guān)裝置在結(jié)構(gòu)減振控制中的應(yīng)用，本文在對國內(nèi)外結(jié)構(gòu)控制發(fā)展現(xiàn)狀和研究動態(tài)進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，對基于磁流變裝置的結(jié)構(gòu)半主動控制原理、理論和技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，其中包括變阻尼控制機(jī)理研究、半主動控制系統(tǒng)集成與優(yōu)化、高效半主動控制算法的建立、磁流變材料的研制、磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)理論、磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和新型磁流變阻尼器的研

2、發(fā)等。此外，本文還對土木工程的智能化發(fā)展方向、建筑設(shè)備和結(jié)構(gòu)防護(hù)系統(tǒng)的集成化和一體化問題進(jìn)行了探討。 本文的主要研究工作和取得的成果如下：1.立足于國內(nèi)外結(jié)構(gòu)半主動減振控制的發(fā)展現(xiàn)狀和變阻尼控制的最新研究成果，對基于智能裝置和智能算法的結(jié)構(gòu)半主動控制相關(guān)研究前沿進(jìn)行了分析和歸納；對結(jié)構(gòu)減振控制的思路、方法、裝置、策略和軟硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了總結(jié)、分析和對比；結(jié)合本文的研究工作，探討了減振控制的基本原理、實(shí)現(xiàn)途徑和磁流變裝置及其控制系統(tǒng)

3、的關(guān)鍵性技術(shù)。 2.以實(shí)現(xiàn)磁流變阻尼器最大能量耗散為目標(biāo)，提出了一種具有自感知、自調(diào)節(jié)能力的最大耗能自反饋控制算法。仿真計(jì)算表明，該算法可以獲得很好的控制效果?？紤]到實(shí)際工程中控制系統(tǒng)不宜采用集中式和過于復(fù)雜的外圍設(shè)施支持，該算法所生成的控制律可以實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)算器與控制裝置集成，甚至可將電源系統(tǒng)集成為一個基本單元，若干控制裝置通過一定的聯(lián)系方式進(jìn)行通訊。利用集成電路技術(shù)或單片機(jī)技術(shù)，可以構(gòu)造魯棒性非常強(qiáng)的半主動控制系統(tǒng)。

4、3.考慮到國內(nèi)現(xiàn)有磁流變液的性能多不理想，通過對國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的考查，綜合現(xiàn)有論文和專利資料的配方，自主研制了磁流變液。觀測試驗(yàn)和阻尼器性能試驗(yàn)表明，配制的磁流變液性能比較穩(wěn)定，流變性和穩(wěn)定性均能滿足研究工作的需要。通過磁流變液的配置和測試工作，加深了對電/磁流變類可控流體的認(rèn)識，為進(jìn)一步的研究工作打下了基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)開發(fā)研制高性能的磁流變液不僅可行，技術(shù)上也不難實(shí)現(xiàn)。鑒于此，還提出了國內(nèi)自主研發(fā)流變類材料的看法和思路。

5、4.自行設(shè)計(jì)加工了一個改進(jìn)的雙出桿剪切流動式磁流變阻尼器。周期性動力試驗(yàn)結(jié)果表明，該阻尼器響應(yīng)靈敏，滯回飽滿，可調(diào)性好，滿足半主動控制試驗(yàn)對阻尼調(diào)節(jié)范圍的需求。研究發(fā)現(xiàn)，若干國內(nèi)磁流變阻尼器的磁路設(shè)計(jì)存在一定的不足，故針對工程應(yīng)用的需要，對磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)提出了必要的改進(jìn)建議，對磁流變阻尼器的生產(chǎn)加工提出一些指導(dǎo)性建議。同時，還提出了一種較合理且便于進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和計(jì)算模擬的磁流變阻尼器力學(xué)模型，充實(shí)了磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)方法。

6、5.針對研究和試驗(yàn)的需要，開發(fā)了基于Matlab的包含數(shù)種控制算法和針對多種結(jié)構(gòu)形式和控制方式的數(shù)值模擬分析程序，并開發(fā)了基于數(shù)據(jù)采集控制卡的主動\半主動試驗(yàn)采集控制程序。在程序設(shè)計(jì)過程中充分利用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，具有很強(qiáng)的通用性，為進(jìn)一步的研究工作以及控制芯片開發(fā)和實(shí)際工程應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)。 6.將改進(jìn)的雙出桿剪切流動式磁流變阻尼器安裝于縮尺三層鋼框架模型的底層，利用自行開發(fā)的實(shí)時控制程序，進(jìn)行了振動臺半主動控制試驗(yàn)，驗(yàn)證了該

7、磁流變阻尼器和最大耗能控制算法的良好控制效果。 7.研發(fā)了一種新型的磁流變阻尼器—逆變型磁流變阻尼器。與傳統(tǒng)磁流變阻尼器不同，這種新型磁流變阻尼器在磁路部分同時設(shè)置永磁體和勵磁線圈，以使得其在電源失效或無電源時仍能夠工作在大阻尼狀態(tài)，并一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)磁流變阻尼器磁流變液長期處于零磁場狀態(tài)而易于凝聚和沉降的不足，因此這種新型磁流變阻尼器具有更好的可靠性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性；通過等效磁路試驗(yàn)，驗(yàn)證了這種復(fù)合磁路的有效性；設(shè)計(jì)制作了一

8、個足尺的閥式磁流變阻尼器，并通過周期性動力試驗(yàn)驗(yàn)證了這種逆變型磁流變阻尼器的逆變特性和良好的耗能能力；通過理論分析和試驗(yàn)研究，提出進(jìn)一步提高這種逆變型磁流變阻尼器性能的改進(jìn)方案。這種逆變型磁流變阻尼器具有小電流大出力的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合有效的控制算法，將是一種性能優(yōu)良的半主動控制裝置；在電源供應(yīng)失效或無電源的情況下，還可以作為經(jīng)濟(jì)有效的被動控制裝置使用，在土木工程結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)控制中具有廣闊的應(yīng)用前景。 8.針對傳統(tǒng)磁流變阻尼器在振動結(jié)