壓電智能結(jié)構(gòu)及新型智能壓電變摩擦阻尼器振動(dòng)控制研究.pdf

1、建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)常遭受地震、風(fēng)荷載等的作用，結(jié)構(gòu)在多重荷載的作用下，不僅會(huì)造成大量的財(cái)產(chǎn)損失，而且會(huì)危及人的生命。2008年5月12日，我國四川省汶川縣發(fā)生8.0級(jí)特大地震，截止到2008年8月11日12時(shí)，已造成69225人遇難，374640人受傷，17939人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)8451億元。
　　 為了耗散地震的能量，減輕結(jié)構(gòu)的損傷同時(shí)防止倒塌，結(jié)構(gòu)減振控制裝置已經(jīng)在建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，主要分為被動(dòng)控制裝置、主動(dòng)

2、控制裝置和半主動(dòng)控制裝置。被動(dòng)控制裝置不需要能量輸入；主動(dòng)控制裝置需要較大的能量輸入來耗散地震的能量；半主動(dòng)控制裝置只需要外部輸入很少的能量調(diào)節(jié)控制裝置的狀態(tài)，因此較被動(dòng)控制裝置更加高效和穩(wěn)定。本文設(shè)計(jì)了一款半主動(dòng)控制裝置—新型智能壓電變摩擦阻尼器用于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制研究。
　　 結(jié)構(gòu)控制理論的研究目前主要集中在線性控制理論上，我們希望結(jié)構(gòu)在地震等荷載作用下能夠保持線性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型也常常采用線性模型，但是當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)在遭遇汶

3、川地震等強(qiáng)烈地震作用時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)用傳統(tǒng)控制器去控制非線性系統(tǒng)時(shí)，控制器的穩(wěn)定性和魯棒性難以得到保證。模糊控制算法是一種智能控制算法，它不需要控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，可以解決具有非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變和具有不確定性等復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。
　　 本文的主要工作有：
　　 (1)壓電智能板分析的樣條有限點(diǎn)法。采用三階剪切變形理論，以智能板理論為基礎(chǔ)，利用樣條有限點(diǎn)法建立了壓電智能板分析的新模型，編制了壓電智能板分析

4、的計(jì)算程序，計(jì)算了相關(guān)算例。算例結(jié)果證明了本文方法的正確性和優(yōu)越性；采用樣條有限點(diǎn)法分析壓電智能板結(jié)構(gòu)，適應(yīng)性強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡單、計(jì)算簡便、精度高，只需記錄樣條結(jié)點(diǎn)的分劃信息，無需單元離散，用較少的結(jié)點(diǎn)離散就能得到很好的效果，有很好的應(yīng)用價(jià)值。
　　 (2)壓電智能板振動(dòng)主動(dòng)控制研究。利用樣條有限點(diǎn)法建立了壓電智能板振動(dòng)主動(dòng)控制的分析模型，推導(dǎo)了應(yīng)用于壓電智能板分析的LQR控制算法，編制了壓電智能板振動(dòng)主動(dòng)控制的計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)了對

5、壓電智能板振動(dòng)模態(tài)的有效控制，并對壓電片的粘貼位置進(jìn)行了優(yōu)化分析，結(jié)果表明，采用主動(dòng)控制算法，可以很好地控制板的變形。
　　 (3)新型智能壓電變摩擦阻尼器。結(jié)合當(dāng)前半主動(dòng)阻尼器和智能材料的最新進(jìn)展，詳細(xì)討論了壓電摩擦耗能器的研究進(jìn)展和應(yīng)用前景。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一款新型智能壓電變摩擦阻尼器，詳細(xì)討論了新型智能壓電變摩擦阻尼器的構(gòu)造和特點(diǎn)，推導(dǎo)了新型智能壓電變摩擦阻尼器的出力公式。本文設(shè)計(jì)的新型智能壓電變摩擦阻尼器通

6、過在摩擦片的副板中間夾持多塊多層式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，能夠很好地解決單塊壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器出力小的問題，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器需要的具體數(shù)目可以根據(jù)不同地區(qū)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)靈活配置，非常方便；同時(shí)，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的橫截面積即為受壓面積，各個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器均衡受壓，避免了單塊壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器在高應(yīng)力作用下的非線性效應(yīng)：壓電陶瓷的響應(yīng)速度快，可以有效克服傳統(tǒng)主動(dòng)控制器的時(shí)滯影響。通過調(diào)節(jié)作用在壓電驅(qū)動(dòng)器上的電壓，可以得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制所需要的實(shí)時(shí)控制力，實(shí)現(xiàn)半主

7、動(dòng)控制；若由于客觀原因?qū)е聣弘娞沾沈?qū)動(dòng)器的作用電壓不可調(diào)節(jié)，此時(shí)阻尼器就退化為具有常摩擦力的被動(dòng)摩擦阻尼器，仍能有效地耗散結(jié)構(gòu)振動(dòng)的能量，達(dá)到防震減災(zāi)的目的。
　　 (4)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的模糊控制算法。針對傳統(tǒng)控制算法需要建立控制對象的精確數(shù)學(xué)模型的缺點(diǎn)，提出了三種智能控制算法——普通模糊控制算法、變增益模糊控制算法和自協(xié)調(diào)模糊控制算法。在普通模糊控制算法中，輸入變量選取為結(jié)構(gòu)各樓層的層間位移的絕對值和層間速度的絕對值；在變增益模

8、糊控制算法中，設(shè)置基本模糊控制器不變，通過引入變增益系數(shù)，使速度量化因子隨著地震波激勵(lì)的大小發(fā)生變化，提高了控制的效果；在自協(xié)調(diào)模糊控制算法中，設(shè)置基本模糊控制器不變，通過設(shè)計(jì)參數(shù)模糊控制器作為速度量化因子的系數(shù)，使速度量化因子隨著地震波激勵(lì)的大小發(fā)生變化，參數(shù)模糊控制器的輸入變量選取為結(jié)構(gòu)樓層的層間位移和地面加速度；模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)模糊控制的關(guān)鍵，本文詳細(xì)分析了三種模糊控制策略中輸入語言變量的選?。晃灰屏炕蜃?、速度量化因子和

9、電壓比例因子對控制效果有重大影響，直接決定著控制效果，本文提出了量化因子的計(jì)算公式，同時(shí)考慮在線調(diào)整地震加速度對層間速度量化因子的影響，實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)量化因子確實(shí)能夠進(jìn)一步提高模糊控制器的品質(zhì)，這一點(diǎn)對于地震動(dòng)輸入這種具有強(qiáng)隨機(jī)性的擾動(dòng)更具有重要意義。大量的算例表明，對于安裝有新型壓電變摩擦阻尼器的結(jié)構(gòu)，采用本文設(shè)計(jì)的三種模糊控制策略，使得建筑結(jié)構(gòu)在不同地震作用下均能取得理想的控制效果，表現(xiàn)出了良好的魯棒性，控制的效果非常好。
　　

10、(5)結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)的壓電變阻尼智能控制。建筑結(jié)構(gòu)在遭遇強(qiáng)烈地震乃至罕遇地震作用時(shí)，往往發(fā)生塑性變形，用傳統(tǒng)的控制器去控制非線性系統(tǒng)時(shí)，控制器的穩(wěn)定性和控制的魯棒性難以得到保證。本文成功地將普通模糊控制算法、變增益模糊控制算法和自協(xié)調(diào)模糊控制算法應(yīng)用于安裝了新型智能壓電變摩擦阻尼器的3層和20層鋼結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)控制上，編制了結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)的智能控制程序。結(jié)果表明，應(yīng)用本文提出的壓電變摩擦阻尼器和模糊控制算法，能夠有效地減少結(jié)構(gòu)的