现代结构振动控制理论综述

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1、现代结构振动控制理论综述现代结构振动控制理论综述及评析1（前言所谓结构振动控制（以下称为结构控制）是指采用某种措施使结构在动力载荷 作用下的响应不超过某一限量，以满足工程要求。这是一门最近30年发展起来的 新兴学科,是综合控制论、计算机、结构振动理论与新材料科学等学科前沿的工程 设计新技术。其目的就是要采取一定的控制措施，减轻和抑制结构在地震、强风及 其它动力荷载作下的动力反应，增强结构的动力稳定性，提高结构抵抗外界振动的 能力，以满足结构的安全性、适用性、舒适性的要求。2（结构振动控制的发展早期的控制手段无一例外都是被动控制，因其构造简单、造价低、易于维护且 无需外部能源支持，其中最主要的就

2、是基础隔震技术。20世纪60年代叠层橡胶垫 的应用使基础隔震技术进人了实用化时代。由于隔震技术的发展历史比较长，因此 它是目前应用比较广泛且成熟的一项结构控制技术，已被应用到石油储运和石油化 工等领域中。现代控制技术的发展。现代结构控制技术是在1972年作为一个概念由美籍华 人科学家姚治平提出的，这标志着结构控制技术作为一种新兴的理论开始走上历史 舞台，并且逐步形成了一门新兴的边缘学科。经典控制论虽然能够解决一些简单的结构控制问题，但却未在土木工程中得到 大规模应用，因为它针对的是一种单输人单输出的系统，而土木工程是具有其特殊 性的，其中一点是工程结构往往是多自由度多输出的。故而结构控制的重大

3、飞跃还 在等待更新的控制理论的出现。20世纪70年代至今，随着计算机技术的迅速发展和不断进步，以及系统工程 和系统论的进一步研究，许多科学家和科技工作者进一步提出了大系统理论、人工 智能学说、神经网络、模糊识别与模糊控制论等理论和技术，使自动化技术的控制理论从“第二代控制理论”现代控制理论转向了以智能控制理论为基础的“第 三代控制理论”智能控制理论。这一理论也正在向结构控制理论中映射，并产生 了一些阶段性的成果如结构模糊控制理论、结构智能控制理论等。3(结构振动控 制的分类及评析结构振动控制根据所采取的控制措施是否需要外部能量可分为被动结构振动控 制、主动结构振动控制、混合结构振动控制、半主动

4、结构振动控制。3.1被动结 构振动控制被动结构振动控制是一种无外加能源控制，其控制力是控制装置与结构相互运 动产生的。因其构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持等优点而引起了 广泛关注。许多被动控制技术已日趋成熟，并已在实际工程中得到应用。被动控制 总体上可分为消能减振、基础隔震和被动调谐控制等三类。(1) 消能减振。传统抗震设计方法主要依靠结构延性耗散地震输入能量，但这 样会使结构遭到破坏。解决这一问题的方法之一就是在结构中的某些部位设置耗能 元件或耗能结构，并利用这些装置吸收、消耗地震输入能量，来达到减小结构地震反应的目的，屈服阻尼器、在工程控制界将这种方法称为消能减振。消能减振装置

5、主要有:金属 摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘性液体阻尼器、耗能支撑、耗能隔震 墙等。隔震。隔震是指在建筑结构地面以下部分设置隔震装置减少地震动输入结 构能量 从而减小结构振动响应的一种措施。目前，研究和应用较为广泛的隔震装 置主要有夹层橡胶垫隔震装置、滑动式隔震装置、粉粒垫层隔震装置、铅塞滞变阻 尼器隔震装置、钢滞变阻尼器隔震装置、基底滑移隔震装置、悬挂基础隔震装置和 复合隔震装置等。(3)被动调谐。被动调谐技术主要包括被动调频质量阻尼器(TMD)、调频液体阻 尼器(TLD)、液压-质量振动控制系统(HMS)和悬吊质量子系统等。这类技术的共同 点都是使地震输入结构的能量部分转移到附加的子系统上，

6、从而达到减小主体结构 振动响应的目的。3.2主动结构振动控制主动结构振动控制是一种需要外界提供能量的结构控制技术，其工作原理是传 感器监测结构的动力响应和外部激励，将监测的信息送人计算机，计算机根据给定 的控制律算出所需施加的力，通过电信号驱动，施加给结构所需的控制力,从而达 到控制结构振动响应的目的。目前最常见的主动控制装置有：(1) 主动质量阻尼控制系统(AMD)。主动质量阻尼控制系统(AMD)是在被动调谐 质量阻尼器(TMD )的基础上增加量测控制和驱动机构而形成的一种主动控制系统。2)主动拉索控制系统(ATS)。主动拉索控制系统是在拉索上安装电液伺(服系统，并在结构中设置传感器。传感器

7、把测到的结构反应传给控制器，控制 器则按预先设定的控制算法得出控制力，再通过电液伺服系统施加给拉索。主动控制研究涉及的另一方面是控制算法的研究，目前主动控制的算法有优化 控制模式、极点配置控制模式、独立摸态控制模式、瞬时优化控制模式、界限状态 控制模式、预测实时控制模式、自校正控制模式、模型参考自适应控制模式、模糊 状态控制模式、人工智能神经网络控制模式等。3.3半主动控制半主动控制是利用控制机构来调节结构体系参数，减小振动响应。主要包括：(1)可变刚度系统(AVS)。可变刚度系统工作原理是可变刚度装置使受控结构的 刚度按给定的控制律实时调节，远离共振状态，达到减振的目的。可变刚度控制装 置一

8、般由支撑和设置于支撑与受控结构间的电液伺服系统所组成。这是一种频变的 控制方法。试验研究表明，能有效地控制结构体系内部刚度分布。(2) 可变阻尼系统(AVD)。可变阻尼系统是通过可调附加阻尼来减小受控结构反 应峰值，从而达到减振目的。这是一种非频变的减震方法。研究表明，当需要同时 减小长周期结构的相对位移反应和绝对加速度反应时，可采用变阻尼半主动控制。(3) 可变刚度，阻尼控制系统(AVS/D)。其实质是实时调节控制装置的刚度和阻 尼。这一系统将AVS控制和AVD控制有机结合起来，既具有AVS系统主动避开地 震卓越频率，又具有AVD系统削减反应峰值，对较宽频带内的外界激励均具有非频 变减震性能

9、的优点。(4) 可变液体阻尼控制系统(ER/MR)。电/磁流变流体在外加电场/磁场作用下可 以在毫秒级的瞬间由牛顿流体转变为粘塑性体，而且转变过程是可逆的。以这种 材料制成的阻尼器具有反应迅速、阻尼力大而且连续可调等优良性能。3.4混合 控制将主动控制与被动控制结合起来或采用其它复合控制方式通常称为混合控制。混合控制可以增强被动控制系统的控制能力并能减小主动控制系统的能量需求。混 合控制最常用的形式有两种:用作动器拖动调谐质量阻尼器(HMD)和混合隔震系统。3.5特点评析除被动控制外，其它三种控制方式中的控制力全部或部分地根据反馈信号按照 某种事先设计的控制律实时产生。在被动控制中，控制力不是

10、由反馈产生的。其主要优点是成本低，不消耗外部 能量，不会影响结构的稳定性;缺点是对环境变化的适应力与控制效果不如其它方 案。主动控制就其控制结构振动响应的有效性而言，是一种理想的控制系统。但是, 由于主动控制需要巨大的能源才能有效地驱动结构，造价高，限制其在结构工程中 应用和发展，另外，控制体系的稳定性尚有待理论分析和实际论证。考虑以上因素, 目前半主动控制和混合控制是国际上结构控制研究的热点。混合控制用主动控制来 补充和改善被动控制性能，减小了全主动控制方案中对能量的要求。半主动控制中 通常包含某种对能量需求很低的可控设备，如可变节流孔阻尼器等，作用时所需的 外部能量通常比主动控制小得多。一

11、些初步研究表明混合控制与半主动控制的性能 大大优于被动控制，甚至可达到或超过主动控制的性能,并在稳定性与适用性方面要 优于后者。4（现代结构主动振动控制中的控制方法就主动振动控制的应用来看，控制方法主要有以下几种：4.1独立模态空间法基本思想是把具有分布参数特征的弹性体离散化为模态序列，通过控制振动的 主动模态对弹性体进行控制。由于振动的各个模态是耦合的，耦合模态控制法计算 量大，很难用于实际工作系统。4.2极点配置法（特征结构配置）极点配置法包括特征值和特征向量配置。系统的特征值决定系统的动态特性， 特征向量影响系统的稳定性。根据对被控系统动态品质的要求，确定系统的特征值与特征向量的分布，通

12、过状态反馈或输出反馈来改变极点位置，从而实 现规定要求。但是，极点配置在工程实际中很难调整到合适的位置。4.3最优控 制方法最优控制方法它是利用极值原理、最优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。对于高阶系统，确定最优控制是很复杂的， 难以用解析形式表示。而具有二次型性能指标的线性系统的最优反馈控制律则能用 解析的形式表示，计算也相对简单，而且有各种现成的计算机计算程序可供使用。4.4自适应控制方法自适应控制方法主要用于受控对象及其参数存在较严重不确定性的振动系统。它可以自动检测系统的参数变化，时刻保持系统的性能指标为最优。自适应控制又 分为自适应前馈控制、自校

13、正控制和模型参考自适应控制3类。自适应前馈控制 通常假定干扰源可测；自校正控制是一种将受控结构参数在线辨识与受控器参数整 定相结合的控制方式;模型参考自适应控制是由自适应机构驱动受控制结构，使受 控结构的输出跟踪参考模型的输出。4.5鲁棒控制现代鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。其设计目标 是找到在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这 个控制器，它的参数不能改变而且控制性能能够保证。它选择线性反馈律，使得闭 环系统的稳定性对于扰动具有一定的抗干扰能力。虽然自适应控制可用于具有不确 定性的振动系统，但其本身不具备强的鲁棒性。4.6智能控制智能控制方

14、法是在经典和现代控制理论与技术基础上的进一步发展，目的是实 现非结构化、不确定性，以及与控制对象有强相互作用的复杂环境中实现过程任务 （追求目标）的闭环控制。它的产生与发展为振动主动控制带来了新的活力。目前已 经在结构控制中得到应用的智能控制方法主要有模糊控制、神经网络控制和遗传算 法控制。（1）模糊控制。模糊控制的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的 控制策略总结成一系列的以IF（条件）THEN（作用）形式表示的控制规则，通过模糊 推理得到控制作用集，作用于被控对象或过程。模糊控制作为智能控制的一个重 要分支，不仅能提供系统的客观信息，而且可将人类的主观经验和直觉纳入控制系 统，为解

15、决不易或无法建模的复杂系统控制问题提供了有力的手段。模糊控制的优 点是不需要知道系统精确的数学模型，这一点对于结构形式日益复杂的智能结构的 控制而言，极为有利。（2）神经网络控制。神经网络系统是利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结 构和功能的一种技术系统，是一种大规模并行的非线性动力学系统。神经网络控制具有不依赖于精确的数学模型、较强的适应性和学习功能等特点，比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的控制对象。它需要预先详细描述所需系统的性能，提供足够精确的样本数据，若神经网络控制无法达到预期的控制效 果，就较难找到其原因和相应的解决办法。这两种控制需要和其它控制方法结合或 两者结合形成模糊神经网络控制方法。(3) 遗传算法控制。遗传算法是一种新发展起来的优化算法。它基于自然选择 和基因遗传学原理，模拟生物界“优胜劣汰，适者生存”的规律逐次迭代进行寻 优，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。GA计算简单、功能强，对 于搜索空间基本上不需要什么限制性的假设(如连续、导数存在及单峰等)。它具有 并行计算、计算速度高等优点，特别是在一定程度上可以有效防止搜索过程收敛于 局部最优解的问题。