半主动控制装置在受控结构中的优化设置

本文对振动控制系统中控制装置的优化设置方法进行了研究,并将其应用于基于磁流变阻尼器的半主动控制系统中,通过计算实例分析得出了关于控制装置优化设置问题的一些有意义的结论。     

磁流变阻尼器的半主动控制及实时混合模拟试验研究

磁流变阻尼器作为一种比较典型的半主动控制元件,具有构造简单、响应速度快、耐久性好、阻尼力大且连续可调等优点。即使地震中能源中断,磁流变阻尼器仍可以作为被动耗能装置继续工作发挥作用,可靠性高。设计合理有效的磁流变阻尼器半主动控制方法,对于整体结构的减震效果尤其重要。提出一种改进的磁流变阻尼器的半主动控制策略-改进的Bang-Bang控制策略,对装有磁流变阻尼器的减震控制3层框架结构进行了一系列的实时混合模拟试验,对多种半主动控制方法下的振动控制效果进行试验分析。试验结果表明:磁流变阻尼器对框架结构的减震效果显著,并验证了提出的磁流变阻尼器半主动控制策略的有效性。     

半主动磁流变阻尼控制结构的地震反应分析

本文对磁流变阻尼器的性能及恢复力模型进行了介绍,并对其参数进行了设计,提出了基于现代最优控制理论的半主动控制方法．计算实例分析结果表明,采用磁流变阻尼器对结构进行半主动控制能够有效地减小结构的地震反应．     

基于半主动控制的MR阻尼器控制力优化

本文研究半主动控制系统中磁流变(MR)阻尼器的控制力优化问题,从而提高MR阻尼器的半主动控制效果。文中首先建立了多自由度结构MR阻尼器控制系统的运动方程;然后根据MR阻尼器的出力特性提出了结构控制的半主动控制律,并对控制率中MR阻尼器的最大控制力设计值提出了不同的优化取值方法;最后仿真分析了MR阻尼器的不同最大控制力设计值对不同自由度结构的控制效果。研究表明,当设计值取最优控制力的平均绝对值或均方根值时,MR阻尼器的最大控制力比最优控制力的最大值降低了85%,而控制效果降低不多,可以满足对结构的控制要求;降低最大控制力设计值后,不但可以充分发挥MR阻尼器的出力性能,而且可以缩小MR阻尼器的设计尺寸,便于工程应用。     

基于AFSMC算法的结构非线性振动MR控制与仿真分析

作为最近发展起来的高性能半主动控制装置,磁流变阻尼器通过改变磁场强度来调节控制力,可靠度高,体积小,出力大,并且具有Fail-Safe的特点,是一种具有广泛应用前景的新型结构控制装置。本文主要研究结构非线性振动的磁流变阻尼半主动控制。首先采用我们提出的自适应模糊滑模控制(AFSMC)算法得到了结构非线性振动的主动控制力,然后参照主动控制力,提出和仿真实现了结构非线性振动的磁流变阻尼半主动控制。最后,针对3层和20层benchm ark非线性模型,每层均设置一个磁流变阻尼器,对在给定的地震动下的结构响应进行了计算,分析了半主动控制跟踪主动控制的效果,并且对于半主动控制下的结构位移响应、加速度响应等各项指标也进行了对比分析。仿真结果表明,由于自适应模糊滑模控制算法与半主动控制算法相结合可以很好地实现结构非线性振动的半主动控制,所以能够得到令人满意的控制结果。     

被动及半主动摩擦阻尼器对合肥翡翠电视塔地震反应的控制

摩擦阻尼器是一种构造简单的耗能减振装置,已应用于国内外多座新建建筑的抗震设计和已建建筑的抗震加固．半主动磨擦阻尼器则通过调整阻尼器的起滑力来改善被动摩擦阻尼器的耗能减振性能。本文研究了被动及半主动摩擦阻尼器对于高耸塔架结构地震反应的减振效果。为满足摩擦阻尼器对高耸塔架结构风振控制的特殊需要,本文建立了合肥电视塔的空间桁架有限元模型和串联多自由度体系模型,并在形成控制力变换矩阵和计算摩擦阻尼器两端的相对位移的过程中综合地运用了这两种力学模型。在半主动摩擦阻尼器的控制策略方面,本文提出了一种基于次优控制理论的半主动控制策略．本文研究表明,摩擦阻尼器可以抑制高耸塔架结构的地震反应．而半主动摩擦阻尼辞的耗能减振效果明显优于被动摩擦阻尼器．     

基于第一振型的结构控制MR阻尼器优化设计

磁流变阻尼器是一种性能优良的智能阻尼器,将其应用于实际工程中具有广阔的前景。但目前对其在结构中的优化设计研究还不够多。提出一种用于中底层建筑MR半主动控制阻尼器优化设计的方法,它是以控制结构的第一振型反应为目标,可以兼顾安全和经济两方面的要求,且设计过程较为简便。仿真计算表明,对比以往所采用的试算法,这种方法在控制的有效性和可行性方面都有观显提高。     

逆变型磁流变阻尼器的实验和分析

磁流变液是一种性能优良的智能材料,用其制成的MR阻尼器是一种理想的半主动控制装置。本文提出了一种新型MR阻尼器——逆变型MR阻尼器,给出了逆变型MR阻尼器的设计方法,并设计了一个足尺的阀式逆变型MR阻尼器。实验证明逆变型MR阻尼器阻尼力可调,在电源失效或无电源时能够在大阻尼状态工作,这提高了半主动控制装置在地震中的使用安全性。逆变型MR阻尼器具有良好的可靠性、实用性和经济性。本文最后针对试验中阻尼器出力的可调范围比较小的问题给出了几种改进的思路。     

相邻结构地震反应MR阻尼器控制的仿真分析

本文仿真分析了应用磁流变(MR)阻尼器对相邻结构地震反应的控制效果,为进一步开展模型试验研究奠定了基础。建立了地震激励下相邻结构MR阻尼器控制系统的运动方程,提出了描述MR阻尼器阻尼力滞回特性的改进S igmoid模型,分别对应用开关控制、半主动控制以及最小或最大电流被动控制的四种控制方法的相邻结构地震反应的控制效果进行了仿真分析。结果表明,在相邻结构间连接安装MR阻尼器可以有效地控制相邻结构的地震反应,且开关控制方法和半主动控制方法的控制效果均好于两种被动控制方法,体现了MR阻尼器阻尼力可调的优点;在四种控制方法中,半主动控制方法的控制效果最好,体现了MR阻尼器阻尼力具有连续调节能力的优点;若能解决MR阻尼器的剩磁问题,半主动控制方法的控制效果会得到进一步的提高。     

磁流变阻尼器对高层建筑风振舒适度的半主动控制分析

高层建筑风振舒适度的控制是结构抗风设计的一项重要内容。本文提出了磁流变阻尼器对高层建筑风振舒适度控制的一种设计方法。由于加速度是舒适度的判别标准，因此，首先通过对依据现行规范计算和用计算机模拟两种方法下得到的加速度进行比较，进而对模拟的脉动风荷载进行合理的修正，并以此作为抗风设计的依据；其次，根据磁流变阻尼器在不同位置时的控制效果，合理地布置控制装置，在此基础上，通过对加速度的有效控制来满足结构舒适度要求；最后，对磁流变阻尼器的参数进行合理的设计，达到优化的目的。     

ER／MR智能阻尼器耦联的带裙房高层建筑结构地震反应的半主动控制

本文建立了用ER／MR智能阻尼器耦联的带裙房高层建筑结构地震反应半主动控制的设计计算方法,文中,在导出ER／MR智能阻尼器力学模型的基础上,建立了ER／MR智能阻尼器耦联的带裙房层建筑结构地震反应的基本方程,并根据瞬时最优主动控制的原则,提出了ER／MR智能阻尼器耦联的带裙房高层建筑地震反应半主动控制的基于最优主动控制位移的“开关－耗能”半主动控制策略,应用本文方法对主楼20层,裙房5层的计算结构;受控地震反应的模拟计算结构表明,耦联主楼和裙房的半主动的ER／MR智能阻尼器可有效地抑制带裙房高层建筑结构地震反应的鞭梢效应,并可均匀地减小结构各层的震反应,是一种简单,方便和有效的智能控制装置。     

压电材料智能摩擦阻尼器对高耸钢塔结构风振反应的半主动控制

压电材料是一种新型智能材料。本文将压电材料和被动摩擦阻尼器相结合设计出一种新型智能摩擦阻尼器,并采用基于经典最优控制理论的半主动控制策略对高耸钢塔结构风振反应的控制进行了研究,对国内即将兴建的第一高钢电视塔──合肥翡翠电视塔进行了算例分析。为满足摩擦阻尼器对高耸钢塔结构风振控制的特殊需要、文中还建立了房耸钢塔结构的空间桁架有限元模型和串联多自由度体系模型,并在形成广义控制力作用位置矩阵和计算摩擦阻尼器两端的相对位移的过程中综合地运用了这两种力学模型。本文研究表明,压电材料智能摩擦阻尼器可以有效地抑制高耸钢塔结构的风振反应。     

安装复合MR阻尼器的结构振动台试验研究

对不同控制策略下安装有复合MR(磁流变)阻尼器的模型结构进行了振动台试验研究.在El Centro地震动激励下,基于线性二次高斯(LQG)和广义预测(GP)两种控制算法,针对半主动控制系统、MR阻尼器以恒定电流(-0.5A(Passive-on 1)、0A(Passive-off)、2A(Passive-on 2)的控制系统,以及由半主动控制方式和基础隔震组合而成的混合控制系统,在WINCON/SIMULINK实时控制软件平台下对一个1:4的三层钢框架模型进行了地震模拟振动台试验.试验结果表明:基于复合MR阻尼器的控制系统是有效的,无论是被动控制、半主动控制还是混合控制,都显著降低了模型结构各层的加速度、位移响应;复合MR阻尼器在不通入电流时具有一定的被动控制效果;采用考虑时滞自补偿的广义预测控制效果要好于LQG控制,并且这两种控制策略的都能以较被动控制小的控制力达到较好的控制效果.     

Trust-region based instantaneous optimal semi-active control of long-span spatially extended structures with MRF-04K damper

In the field of civil engineering, magnetorheological fluid （MRF） damper-based semi-active control systems have received considerable attention for use in protecting structures from natural hazards such as strong earthquakes and high winds. In this paper, the MRF damper-based semi-active control system is applied to a long-span spatially extended structure and its feasibility is discussed. Meanwhile, a _trust-region method based instantaneous optimal semi-active control algorithm （TIOC） is proposed to improve the performance of the semi-active control system in a multiple damper situation. The proposed TIOC describes the control process as a bounded constraint optimization problem, in which an optimal semi- active control force vector is solved by the trust-region method in every control step to minimize the structural responses. A numerical example of a railway station roof structure installed with MRF-04K dampers is presented. First, a modified Bouc- Wen model is utilized to describe the behavior of the selected MRF-04K damper. Then, two semi-active control systems, including the well-known clipped-optimal controller and the proposed TIOC controller, are considered. Based on the characteristics of the long-span spatially extended structure, the performance of the control system is evaluated under uniform earthquake excitation and travelling-wave excitation with different apparent velocities. The simulation results indicate that the MR fluid damper-based semi-active control systems have the potential to mitigate the responses of full-scale long-span spatially extended structures under earthquake hazards. The superiority of the proposed TIOC controller is demonstrated by comparing its control effectiveness with the clipped-optimal controller for several different cases.     

Experimental test of asymmetrical cable-stayed bridges using MR-damper for vibration control

In this paper, a semi-active control by MR-damper is researched; its purpose is to effectively control vibration of asymmetrical cable-stayed bridges when earthquake is loaded on the type of bridge. For an experimental study, a model of 10.2 m high and 28 m long asymmetrical cable-stayed bridge structure was built being similar to a real one in size and function. A MR damper was also designed in proper size suitable for the control of the model. The experiment was performed in the way in which three piers were fixed on three shaking tables with 30% of El-centro earthquake wave, and a control device was placed on the lower part of its upper deck for horizontal control. As for control algorithms, Lyapunov and Clipped-optimal control algorithms were applied. The effectiveness of the semi-active control with MR damper for the asymmetrical cable-stayed bridge was measured under five control conditions: Un-control, Passive-off, Passive-on, Lyapunov Control, Clipped-optimal Control. The experiment showed that the semi-active control applying Lyapunov and Clipped-optimal algorithms effectively increased controllability almost in double, and decreased displacement 75% compared with the condition of passive-off. Therefore the semi-active method suggested in this paper is proven effective in controlling asymmetrical cable-stayed bridges.     

An experimental study on using MR damper to mitigate longitudinal seismic response of a suspension bridge

In this paper, the seismic response reduction performance of magnetorheological (MR) damper is experimentally investigated for a suspension bridge. First, the force–displacement and force–velocity curves under a range of excitation frequencies, amplitudes and currents are obtained by mechanical behavior test of the RD1097 type MR damper. Then a new non-linear hysteretic model is proposed to model the mechanical behavior of the MR damper and the model parameters are identified from test data. An experimental method, as well as a set of testing setups with the MR damper for longitudinal seismic response reduction of a SDOF generalized system representing the fundamental longitudinal mode of suspension bridge, is developed. Finally, the seismic response reduction experiment subject to three kinds of earthquake excitations, including the Pingsheng Bridge earthquake wave, the El-Centro wave and the Taft wave, is carried out, and nine control cases, including uncontrolled, six passive control schemes with different input currents and two semi-active Bang–Bang control schemes, are tested. The results verify that the seismic response reduction experimental method is feasible and the good performance of seismic longitudinal response reduction of the suspension bridge can be achieved by MR damper. It is also shown that the passive control with optimum input current outperforms the semi-active Bang–Bang controls.     

高架桥梁地震响应模糊半主动控制

提出了使用MR阻尼器（Magnetorheological Damper）作为控制设备，以模糊集为基础的半主动控制算法，研究了8种模糊控制规则在高架桥梁地震响应中的控制效果。本文提出的模糊方法的优势在于算法自身的鲁棒性、处理非线性问题的能力和不需要结构的精确数学模型，算法需要的输入变量少，模糊算法的输出直接控制MR阻尼器的输入电压，与LQR-clipped算法不同，MR阻尼器的输入电压可以是零与最大值之间的任意值。根据高架桥梁的结构特点，将典型的墩-支座-桥面结构简化为一个两自由度的线性系统，计算了El Centro地震激励下，MR模糊半主动控制的地震响应，并分别与没有控制及其他控制时的地震响应进行了对比，分析了各种控制算法的控制效果。研究结果表明，MR模糊半主动控制算法可以达到LQR-clipped半主动的控制效果，且模糊控制所需要的控制力较小，为有效地发挥MR阻尼器的功能提供了一种简单的半主动算法。     

结构振动控制的半主动磁流变质量驱动器(MR-AMD)

本文首先提出了一种新型的半主动磁流变质量驱动器（MR－AMD），该装置用磁流变驱动器替代AMD的液压驱动系统；其次采用所提出的半主动控制算法仿真分析了MR－AMD用于结构振动控制的有效性；第三，比较了半主动质量驱动器（MR－AMD）、调谐质量阻尼器（TMD）及主动质量驱动器（AMD）对同一模型结构的控制效果。分析结果表明，MR－AMD作为一种半主动质量驱动器有效地降低了结构的反应，其控制效果虽然不如具有相同质量块参数的AMD但却优于TMD，且同AMD一样具有较宽的有效频带范围。     

高阶单步法控制MR智能隔震系统的试验研究

高阶单步法已成功地应用于结构非线性分析及考虑时滞的主动控制等，显示了它的稳定、精度高和计算迅速等特点。磁流变阻尼器是一种性能优良的智能阻尼器，它具有阻尼力可调范围宽、响应迅速且所需能量很少的特点。本文将磁流变（MR）阻尼器与普通橡胶隔震支座相结合，采用高阶单步算法和两种控制策略对结构进行振动控制。数值模拟分析与振动台试验结果表明：由MR阻尼器提供可调阻尼力的智能隔震控制系统能有效克服被动隔震最优控制频带窄的缺点，对较宽频域范围不同大小的地震激励均能提供最优控制。同时也表明该控制算法是一种能用于结构实际控制的变阻尼有效算法。     

新型主动变刚度阻尼器的滑动模态控制及仿真分析

设计出一种新型主动变刚度阻尼装置,该装置可向受控结构提供两种等效刚度,使受控结构能主动地避开地震动卓越频率而永远处于非共振的状态。基于变结构控制理论的滑动模态控制算法,推导了该新型阻尼器的两种开关控制律。仿真分析结果表明,这种新型主动变刚度阻尼器的减震效果是非常明显的,可取得明显优于被动控制的减震效果。两种控制律中,连续型滑动模态控制律可以更充分地发挥该新型阻尼器的性能,取得更好的控制效果。