结构振动的主动控制技术

硕士研究生

非笔试课程考核报告

（以论文或调研报告等形式考核用）

2013 至 2014 学年 第 1 学期

考核课程： 防灾减灾学

提交日期： 2013 年 12月 20 日

姓 名 程伟伟

学 号 2012010305

年 级 研二

专 业 防灾减灾及防护工程

所在学院 土木工程学院

山东建筑大学研究生处制

考核成绩 考核人

结构振动的主动控制技术

程伟伟

(山东建筑大学土木工程学院，济南，250101)

摘要：主动控制是一项积极主动的智能化措施，是根据外界刺激和结构响应预估计所需的控制力，从而输入能量驱使作动器施加控制力或调节控制器性能参数，达到减震效果。对目前的主动控制技术的研究现状作了简要评述，阐述了振动主动控制中主要控制方法和策略及应用中存在的问题，并提出了振动主动控制技术的发展趋势。

Abstraction：Active Control is an intelligent proactive measures， are needed to control the pre-estimate based on external stimuli and response structures, thereby driving the input energy is applied to the actuator control or regulate the controller performance parameters to achieve the damping effect. The current research status of active control techniques are briefly reviewed, elaborated mainly active vibration control and application control methods and strategies for the problems and proposed active vibration control technology trends.

关键词：主动控制作动器与传感器控制方法

引言：主动控制是指在振动控制过程中，经过实时计算，进而驱动作动器对控制目标施加一定的影响，达到抑制或消除振动的目的。其控制效果好，适应性强，正越来越受到人们的重视。近几年，随着科学技术的发展，特别是在计算机技术和测控技术的推动下，振动主动控制有了长足进步。主动控制在越来越多的实际工程中应用的越来越多。

正文

地震给世界各国人民造成了巨大的灾害，土木工程结构振动控制是工程结构抗震领域的新课题。姚治平将振动控制与土木工程相结合，首次提出了土木工程结构振动控制的概念。对有效减轻地震灾害有着重要的现实意义。主动控制在声学中并不是一个新概念，早在20世纪30年代，Paul Lueg 就提出了利用主动噪声抵消发代替被动噪声控制，对低频噪声进行控制。由于振动传递远比声音的传递复杂得多，致使主动振动控制的研究共走进展相对较慢，直到二次世界大战后的军备竞赛才促使其迅速发展。纵观主动振动控制的发展过程，将其划分为重点突破、广泛探索和重点攻关三个阶段。从20世纪50年年代起，主动控制取得了三项突破，即实现了机翼颤振的主动阻尼没提高了飞机航速；主动振动控制提供了超静环境，保证惯导系统满足核潜艇和洲际导弹导航的进度要求；磁浮轴承控制离心机转子成功，创造出分离铀同位素的新工艺。20世纪50-60年代主动振动控制发展的重点突破阶段。上述成就迅速吸引了众多的专家研究这项技术。于是20世纪70年代变成为空广泛探索主动振动控制在各个工程领域应用的阶段。进入20世纪80年代，主动振动技术在几个工程领域的应用前景相当明朗，其中就有控制高挠性土木工程结构振动在、控制，于是，主动振动控制研究进入重点攻关阶段。目前，对主动控制的研究主要集中在：传感器、致动器、动力学建模及其振动控制、传感器/致动器的优化配置等几方面。控制技术分为主动、被动和半主动等类型。主动控制是指在振动控制过程中，根据所检测的振动信号，应用一定的控制策略，经过计算，进而驱动作动器为控制目标施加一定的影响，达到抑制或消除振动的目的。其控制效果好，适应性强，正越来越受到人们的重视。本文主要介绍主动控制技术的发展和展望。

主动控制是一种需要额外能量的控制技术，它与被动控制的根本区别是有无额外能量的消耗，是否具有完整的反馈控制回路。与被动控制相比，主动控制技术复杂、造价昂贵、维护要求高，但对于高层建筑或抗震设防要求高的建筑来说，主动控制具有更好的控制效果。主动控制装置大体上由仪器测量系统（传感器）、控制系统（控制器）、动力驱动系统（作动器）等组成。传感器测量姐欧股的动力响应或外部激励信息；控制器处理传感器测量的信息，实现所需的空置力，并输出作动器

的指令；作动器产生控制力，所需的能量由外部能源提供，控制力有时通过一个辅助子结构作用到受控结构上。如果传感器仅测量外部激励信号，称控制系统为开环控制；如果传感器同时测量结构的动力响应信号和外部激励信号，则称控制系统为闭-开环控制。结构振动控制的基本原理在从外部施加控制力，以达到减小结构地震反应（位移、速度、加速度等指标）的目的。通常可采用位移、速度、加速度等传感器实现系统的感测。

80年代末到90年代，随着与结构控制相关的计算机技术、现代控制理论，特别是材料系统的智能化等学科的迅猛发展，是结构控制技术进一步完善和科学化、系统化，人们提出了“智能材料与结构系统”的概念。结构控制进入了智能控制阶段。其基本特征是：对地震等强烈灾害环境的自适应；体系结构健康的自诊断；一定范围内损伤的自修复；实现智能和仿生特征的要素为：智能传感、智能驱动及智能控制。

主动控制可分为控制力型和结构性能可变型两类。结构主动控制是利用外部能源，在结构受激励振动过程中，对结构施加控制力，从而迅速地减小结构的振动反应。由于实时控制力可以随输入地震改变，因此控制效果基本不依赖于地震动力特性，这说明显由于被动控制。控制力型主动控制装置有：主动质量阻尼系统、主动拉锁系统、主动支撑系统、主动空气动力挡风系统、气体脉冲发生器系统等。结构可能性改变型是半主动控制技术。半主动调节结构内部的参数，仅需少量能量就能改变控制系统形态。已达到改变结构动力特性从而减少响应的目的。半主动控制与控制力相比，具有所需外部能量小、维护要求不噶、容易实施、更为经济等特点。常见的半主动控制装置主要有：可变刚度系统、可变阻尼系统、变刚度变阻尼系统等。

对控制系统而言，已有下述控制系统用于土木工程结构：（1）主动拉筋控制装置，该系统有一些拉筋组成，拉筋连着电液伺服机构和结构的适当位置，液压活塞的运动使拉筋产生控制力以减少结构的振动，传感器和控制法控制着活塞的运动。在理论和实验上都已完成了这种控制系统的可行性研究。（2）主动调谐质量阻尼器，将调谐的质量阻尼器连接到电液伺服机构上以构成一个有源质量阻尼器。因质量运动所产生的主动控制力和惯性力都能有效减少结构的动态反应，已经证明这样的控制系统对强震和暴风荷载作用下的高层建筑是十分有效的。（3）空气动力发生器，将空气动力发生器安装到高层建筑物上以减少在暴风荷载作用下结构的振动。该发生器利用风力本身做能源，他的位置有车练得结构反应来控制。（4）气体脉冲发生器，未进行结构控制还研究了以空气冲击型式形成的持续时间很短的脉冲，或者气体脉冲发生都产生的气体喷射装置。由控制算法和测量的结构反应调节在离散时间上的脉冲和相应的幅度。理论和实验证明脉冲控制是有效的。

主动控制算法就是针对一定的结构模型，根据优化目标函数及控制效果确定控制力与结构反应或外部激励关系的方法。他是主动控制的基础。目前主动控制床用的算法有：经典优化控制、瞬时优化控制、独立模态控制、极点配置法、滑动模态控制等。经典优化控制和和瞬时优化控制是最常用的两种，其要点是通过使设定的性能指标在满足约束条件的情况下达到最小，从而达到优化主动控制力。（1）独立模态控制是通过模态转化将运动方程解耦，使控制问题转化到“独立模态空间”。（2）极点配置法的目的是选择合适的增益矩阵，使受控结构具有所希望的模态频率和模态阻尼比，即使控制系统的几点位于所希望的位子上。它是根据对被控系统动态品质的要求，确定系统特征与特征向量的分布，通过状态反馈或输出反馈来将系统的闭环极点放在复平面预定的位置。（3）最优控制法：以现代控制理论中的状态看空间理论为基础的最优控制法，是利用极值原理、最有滤波或动态规划等最优化方法来求解结构振动最优控制输入的一种设计方法。他说能解决的主要对象时结构参数模型比较准确、激励、和测量信号比较准确的系统。（4）自适应控制法：由于系统的线性模型与实际模型有误差和，非线性和数控结构参数变化的问题有时不可忽略，这种情况有必要采用自适应应控制。自适应控制主要应用于结构及参数具有严重不确定性的振动系统，大致可分为自适应前馈控制，自校正控制盒模型参考自适应控制等。（5）鲁棒控制法：鲁棒控制设计选择线性反馈律，是的闭环系统的稳定性或性能对于干扰具有一定的抵抗能力。（6）滑动模态控制的核心思想是确定以控制律，使得结构在该控制作用下的反应轨迹趋于滑动面，并且在滑动面上系统运动是稳定的。

（7）智能控制法：对于大量的复杂振动系统，因其具有非线性和模型结构的不确定性，传统的控制方法难以满足这类系统的控制要求。对于这类系统，模糊控制，神经网络控制等智能控制方法颇具生命力。模糊控制作为智能控制的一个重要的分支，它的基本思想类似于人的手动控制决策过程，有经验和理论分析总结出的控制规则是模糊控制的关键。它的最大特点是无需建立振动系统的精确数学模型。神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的节骨和功能的一种技术系统。神经网络以对信息的分布式存储和并行处理为基础，它具有自组织、自学习功能，对于非线性具有很强的逼近或映射能力，尤其适用于描述复杂非线性系统。智能材料是集传感器、控制、驱动于一身的材料系统，常用的有电/磁流表液体、压电材料和形状材料等。智能材料的基础是功能材料，可分为两类，一类是感知材料，另一类是驱动材料。一般来说，对各种算法又有开环、闭环及开闭环之分，而且以上个算法对非线性结构还有相应的控制律。最简单的主动控制技术的理念算法：以最

简单的结构受到简谐荷载的作用的作用为例。运动方程为：g u m ky y c y m

-=++，其中m 是结构的重量，y 是结构相对于地面的位移，g u 是地面的位移。设外界的地震作用是

t p t p θsin )(0=，这可以求出结构的稳态位移和稳态的阻尼力和弹性力：阻尼力

)cos()(αθ--==t cA y

c t f

d ，弹性力)sin()(αθ-==t kA ky t f s 。从未可以求出阻尼力和弹性力的合力，用合力和简谐荷载的0p 相比，得出一个计算公式，这个比值叫做位移传导比，主动控制主要是控制这个数的比值。

在大型土木工程结构方面，主动锚索控制系统是Lev Zeltin 对高层建筑提出的空间交叉锚索控制系统。当层间相对位移很大时锚索张紧，张紧后的锚索作为斜向支撑约束层间位移，靠安装液压伺服装置和传感器达到控制效果。交叉锚索系统也用于高耸结构的控制。在框架上安装预应力斜撑，变形时产生的预应力增减，也有主动抑制框架变形的效果。用于主动控制的空气动力减振器实际上是空气挡风板，改变板的受风面积（或方向）即可改变控制力，控制桥梁结构和高层建筑的风振。气体脉冲发生器是通过喷漆或其他途径产生脉冲控制力，用以控制结构的峰值反应，效果较好。

振动主动控制应用存在的主要问题有：（1）空间柔性体振动主动控制：空间大型柔性结构，往往具有很高的结束，控制器的成本和复杂性随着受控对象的阶数的增高显著增加，因此通常采用低阶模型来代替原受控对象的模型，以减少设计计算量，简化控制器姐欧股，并便于控制算法的实现。的那这种简化的模型有时因为阶次太低，又因存在一些非线性因素，所以很难达到理想的控制效果，如增加简化模型的阶数，又会遇到控制理论的“维数灾难”。考虑到系统参数变化，要进行在线实时辨识和控制，对在线计算机的速度和存贮要求过高，不易实现。因此，空间柔性结构振动主动控制系统的设计计算是有待进一步研究的课题。（2）在巨型土木工程的振动主动控制方面：随着材料强度和施工技术的改进，其结构的尺度显著增大，结构刚度明显降低，其主动抗震有两个特点：a.结构受强震激励时，抗力不断降低，表现出非定常非线性特性；b.结构受持续随机载荷激励作强迫振动。这是因为土木工程结构常有非弹性变形，承受循环载荷时，应力图形上由滞环。当荷载循环达到局部损伤水平时，材料抗力开始蜕变，表现出非定常特性。因此巨型工程结构的主动控制抗震系统是有时滞的非定常非线性系统，应该用实时辨识技术建立计算最优控制力的数学模型，才能获得理想的控制效果，这对在线计算机提出了难以实现的要求。因此，为土木工程建立合理的数学模型，研究计算最优控制的算法，都是重要的课题。另外，对于大型土木工程的主动控制抗震需要有迅速提供巨大控制力的执行机。目前实验采用的液动机、拉锁和喷气推进器等还未达到工程实用的标准。因此，燕子可靠性高、响应快、控制力达几百吨或更大的执行机是这一领域的重大课题。

主动控制技术最引人瞩目的进展是传感器、控制器、作动器与结构为一体，减轻和降噪为目标的智能结构的出现。随着新型功能材料控制技术及计算机技术的发展，振动主动控制技术将有更美好的发展前景。（1）基于能量回收的土木工程结构振动控制将是一个新的方向。当地震发生时，可靠的外界能量供给难以得到保证，从而严重制约了常规的主动或半主动结构振动控制系统的实际应用，而基于能量回收的土木工程结构振动控制能很好地解决这个问题。（2）结构控制系统的数值仿真与实验实现和验证。随着计算机技术和网络技术、人工智能、知识工程、通讯技术等的迅速发展，出现了许多新的仿真技术。（3）随着新型智能复合材料的不断产生，人们呢已经提出了智能结构的新构想，即将传感器、作动器、控制器、等有机的与结构集成在一起，主动改变结构自身的质量分布和刚度阻尼的大小，自适应实现振动控制的目标。这种智能结构在航空、航天、建筑等工程中有着广泛的应用前景。

参考文献

［1］黄雨，工程结构抗震主动控制研究的发展情况，山西建筑，1009-6825（2008）33-0084-02

［2］蔺玉辉，靳晓熊，肖勇，振动主动控制技术的研究与发展趋势，设计研究，2006（07）

［3］孙国春，史文库，田彦涛，振动主动控制技术的研究与发展，机床与液压，1001-3881（2004）01-001-6 ［4］邱敏，张学文，杨世浩，土木工程结构振动控制的研究现状与展望，安全与环境工程，1672-1556（2013）03-0014-05

［5］魏金波，张哲，建筑结构的主动隔震控制，江西科技，1001-3679（2011）02-0232-05