结构振动半主动控制兼备了主动控制与被动控制的特征,仅需少量的能量输入即可获得良好的控制效果.磁流变(MR)阻尼器是磁流变液的流动性随着磁场强度的变化而能够迅速转化的半主动控制装置,具有构造简易、可逆性强、响应速度快、能耗低、可远程通讯的等优点,在土木工程结构减震领域得到广泛应用.

Hiwatashi T^[1] 介绍了一个三层框架结构振动台试验,验证了磁流变阻尼器作为半主动装置的控制系统和控制效果; Jung H J^[2]分别探讨了半主动控制算法、基于模糊逻辑的控制算法和MR阻尼器的控制系统对结构减震的有效性及适用条件; Choi Kang-Min等^[3]验证了加入MR变阻尼器的半主动模糊控制算法更利于降低地震反应.董立,董毅^[4]对三层框架模型分别进行单一及组合系统的七种振动台试验,结果表明:基于MR阻尼器的控制系统有效,具有可靠、能源消耗低的特点,并且与其他控制装置组成的混合控制系统更具抗震性.张春巍,欧进萍^[5]论证了针对MR阻尼器所提出的两种算法是理想的半主动控制算法,适用性好、性能优、效率高.汪建晓等^[6]从多角度研究了MR阻尼器随电流和磁场强度变化的动态特性及应用.黄剑伟等^[7]对空间结构进行振动模糊控制,结果表明模糊控制器构造简单,模糊控制效果显著.张新刚^[8]分析了磁流变阻尼器的设计原理,并论证了磁流变阻尼器应用范围广、抗冲击性好的特征.潘之茂^[9]对磁流变阻尼器控制进行全面的分析和测试,结果表明:该控制器的输入和输出直接影响阻尼的性能,磁流变阻尼器更是一种稳定可靠的智能减震控制装置.

目前,模糊逻辑、神经网络、遗传算法等人工智能的研究成果已经在结构振动控制领域得到应用.其共同的特点是不需要精确的结构模型,具有良好的鲁棒性,调节简单,但在算法上还有待融入新的思想.重要思想是体系的降阶,即削减模糊推理数量.从结构振动分析的模态展开法出发,将振型坐标作为模糊量,能缩减自由度数目,即缩减模糊关系运算(模糊推理)时模糊子集的总数,实现模型降阶,使结构振动模糊控制推理过程得到进一步简化,实现振动实时控制.本文建立一栋20层的多自由度结构体系模型,各层均设置MR阻尼器半主动控制装置; 然后根据结构地震动力反应振动控制目标,制定模糊规则,并采用MATLAB编写求解软件进行计算,最后分析评价半主动MR阻尼器模态模糊控制的减震效果.

评价模糊控制算法的减震效果,最可行的办法是采用结构模型振动台试验,也可以采用数值计算预测的方法,根据计算结果检验模糊控制规则的减震效果.为了方便起见,根据结构动力反应运动方程的预测结果,评价模态模糊控制的减震效果.

为了验证结构体系MR阻尼器半主动减震效果,以一个20层建筑结构为例,简化成一个20个集中质量的离散多自由度系统.结构基本参数有m_i=293 3 t, k_i=28 950 000 kN/m,其前三阶振型如图3所示.阻尼矩阵采用Rayleigh阻尼的形式^[12].输入Elcentro地震波,最大水平地面加速度为4.0 m/s².每层均安装MR阻尼器.

模糊控制规则与磁流变阻尼器器提供的c_d, f_dmax, f_dmin有关.其中的一个模糊控制图如图4所

图3 前三阶振型图
Fig.3 Mode diagram

图4 模糊控制规则图
Fig.4 Fuzzy control rule diagram

表1 控制方式与地震动力反应
Tab.1

图5 结构地震动力反应时程(fd=20 000 kN)
Fig.5 Time histories of structural seismic dynamic response

图6 结构地震动力反应
Fig.6 Structural seismic dynamic response

图7 半主动控制力时程
Fig.7 Time histories for semi-active control forces

由表1可知,当MR阻尼器的参数f_dmax=20 000 kN时,对于建筑层间位移的减震效果显著,减震效率高达55%～63%,且沿结构各楼层的减震效率分布较均匀,接近AMD主动控制的减震效果; 另论楼层加速度方面,所提出的模态模糊控制对整体结构的减震效果不理想,效率均呈现负态且沿楼层变化不均匀.但随着楼层的增加,楼层加速度的减震效率有所消减.这也验证了结构振动半主动控制的特点:对于刚性结构,满足位移峰值、速度峰值和加速度峰值同时减小是不可能存在的,由位移和速度确定结构控制力的大小,与加速度无关.因为半主动控制是通过输入少量的能源调节作动器,使其自动地根据被控结构的侧向位移和速度,尽可能的达到最优控制力,与加速度的增加并不矛盾.但对加速度有影响的结构,如展览厅、博物馆及存放精密仪器的房屋等,可能不会满足其要求,建议不宜采用此算法.

由图5可知,此算法对层间位移的控制效果较好,而楼层加速度基本不受控制.

由图6可以看出,AMD主动控制的减震效果最优,其次是利用以上的方法建立模糊控制规则,实施模糊控制也可达到一定的减震效果.除结构体系的楼层加速度外,其他的结构动力反应均被明显控制,下半部分的楼层反而比无控制时加速度值大,这是由半主动控制的特点决定的.在本算法中,由于(1)半主动控制未达到最优控制力;(2)采用了就近取整的模糊化方法,使模糊量与精确量之间存在稳态误差,因此,模糊控制的效果与AMD最优控制的效果也有差距.采用模糊控制方法有希望改善单纯的简单bang-bang以及最优bang-bang的只考虑g=1和g=0的情况.f_dmax与减震效果呈正相关的趋势,但是当f_dmax增加到较大的数值时,进一步增加其数值对改善减震效果很小.这也说明当采用模糊控制策略时,单方面增大磁流变阻尼器的f_dmax可能不会提高减震效果.一般情况下,实施控制时,可以根据规范要求的允许值确定各个变量的论域值,通过试算、比较等,再确定磁流变阻尼器的出力值.AMD主动最优控制需输入大量的外部能源,以达到理想的减震效果,但具有对其控制系统的可靠性要求高,成本高、控制技术繁杂等弊端.对于半主动控制,若要达到与AMD控制同样的效果,需具备很大f_dmax,实际上也是不易实现的.但是半主动控制即融合了主动控制和被动控制的优点,又克服二者的缺点,具有所需外部能源很少、装置简单的特点,也能具有一定的减震效果,但这种控制算法对于楼层加速度的减震效果不理想,因此对楼层加速度要求有要求的结构不建议采用.

(1)磁流变阻尼器模糊控制通过调整f_dmax的大小,对层间位移、楼层位移和楼层速度取得较明显的减震效果,其减震效率高达60%左右.

(2)只有对第一阶模态控制就能有明显的减振效果,所需的阻尼力数值较大.

(3)磁流变阻尼器半主动模糊控制对楼层加速度起不到控制作用,故对加速度的减震效果有要求的结构不应采取本控制算法.