壓電智能結(jié)構(gòu)及新型智能壓電變摩擦阻尼器振動控制研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)常遭受地震、風荷載等的作用,結(jié)構(gòu)在多重荷載的作用下,不僅會造成大量的財產(chǎn)損失,而且會危及人的生命。2008年5月12日,我國四川省汶川縣發(fā)生8.0級特大地震,截止到2008年8月11日12時,已造成69225人遇難,374640人受傷,17939人失蹤,直接經(jīng)濟損失高達8451億元。
   為了耗散地震的能量,減輕結(jié)構(gòu)的損傷同時防止倒塌,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)展和應用,主要分為被動控制裝置、主動

2、控制裝置和半主動控制裝置。被動控制裝置不需要能量輸入;主動控制裝置需要較大的能量輸入來耗散地震的能量;半主動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),因此較被動控制裝置更加高效和穩(wěn)定。本文設計了一款半主動控制裝置—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)學模型也常常采用線性模型,但是當建筑結(jié)構(gòu)在遭遇汶

3、川地震等強烈地震作用時,往往會產(chǎn)生塑性變形,當用傳統(tǒng)控制器去控制非線性系統(tǒng)時,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)學模型,可以解決具有非線性、強耦合、時變和具有不確定性等復雜系統(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法。采用三階剪切變形理論,以智能板理論為基礎,利用樣條有限點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、的計算程序,計算了相關(guān)算例。算例結(jié)果證明了本文方法的正確性和優(yōu)越性;采用樣條有限點法分析壓電智能板結(jié)構(gòu),適應性強、程序設計簡單、計算簡便、精度高,只需記錄樣條結(jié)點的分劃信息,無需單元離散,用較少的結(jié)點離散就能得到很好的效果,有很好的應用價值。
   (2)壓電智能板振動主動控制研究。利用樣條有限點法建立了壓電智能板振動主動控制的分析模型,推導了應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主動控制的計算程序,實現(xiàn)了對

5、壓電智能板振動模態(tài)的有效控制,并對壓電片的粘貼位置進行了優(yōu)化分析,結(jié)果表明,采用主動控制算法,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)合當前半主動阻尼器和智能材料的最新進展,詳細討論了壓電摩擦耗能器的研究進展和應用前景。在前人研究的基礎上,本文設計了一款新型智能壓電變摩擦阻尼器,詳細討論了新型智能壓電變摩擦阻尼器的構(gòu)造和特點,推導了新型智能壓電變摩擦阻尼器的出力公式。本文設計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)動器,能夠很好地解決單塊壓電陶瓷驅(qū)動器出力小的問題,壓電陶瓷驅(qū)動器需要的具體數(shù)目可以根據(jù)不同地區(qū)的抗震設防標準靈活配置,非常方便;同時,壓電陶瓷驅(qū)動器的橫截面積即為受壓面積,各個壓電陶瓷驅(qū)動器均衡受壓,避免了單塊壓電陶瓷驅(qū)動器在高應力作用下的非線性效應:壓電陶瓷的響應速度快,可以有效克服傳統(tǒng)主動控制器的時滯影響。通過調(diào)節(jié)作用在壓電驅(qū)動器上的電壓,可以得到結(jié)構(gòu)振動控制所需要的實時控制力,實現(xiàn)半主

7、動控制;若由于客觀原因?qū)е聣弘娞沾沈?qū)動器的作用電壓不可調(diào)節(jié),此時阻尼器就退化為具有常摩擦力的被動摩擦阻尼器,仍能有效地耗散結(jié)構(gòu)振動的能量,達到防震減災的目的。
   (4)結(jié)構(gòu)振動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)學模型的缺點,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,設置基本模糊控制器不變,通過設計參數(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)則的設計是結(jié)構(gòu)模糊控制的關(guān)鍵,本文詳細分析了三種模糊控制策略中輸入語言變量的選??;位移量化因子、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算公式,同時考慮在線調(diào)整地震加速度對層間速度量化因子的影響,實時協(xié)調(diào)量化因子確實能夠進一步提高模糊控制器的品質(zhì),這一點對于地震動輸入這種具有強隨機性的擾動更具有重要意義。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),采用本文設計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)非線性地震反應的壓電變阻尼智能控制。建筑結(jié)構(gòu)在遭遇強烈地震乃至罕遇地震作用時,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,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)非線性振動控制上,編制了結(jié)構(gòu)非線性地震反應的智能控制程序。結(jié)果表明,應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

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