武汉理工大学 结构振动控制 Vibration Control of Structure
课程：工程结构振动控制理论 授课老师：周强 学生姓名：吴平 学号：104972081971 班级：土木研0803 结构振动控制 吴平 （土木研0803班） 摘要：本文主要介绍了结构振动控制的概念、基本原理以及分类。重点阐述了
被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制的不同特点。 关键字：被动控制，主动控制，半主动控制，混合控制
Vibration Control of Structure Wuping (Department of Civil Engineering，Wuhan University of Technology) Abstract：This paper introduces the conceptand basic
principles and classification of structural vibration control. Highlighted the differences among passive control， active
control， semi-active control and hybrid control. Key words ：passive control， active control， semi-active
control，hybrid control.
引言 随着社会的发展，工程结构形式日益多样化以及轻质高强材料的应用，结构的刚度和阻尼比变小。在强风或强烈地震荷载作用下，结构物的动力反应强烈，很难满足结构舒适性和安全性的要求。按照传统的抗风抗震设计方法，即通过提高结构本身的强度和刚度来抵御风荷载或地震作用，是一种“硬碰硬”式的抗震方法，它很不经济，也不一定安全。而且失去了轻质高强材料自身的优势，还不能满足口益现代化的机器设备不能因为剧烈振动而中断工作或者破坏的要求。 传统的抗震设计方法已不能满足需要，从而使结构振动控制理论在工程结构中开始得到应用。结构振动控制可以有效地减轻结构在风和地震等动力作用下的反应和损伤，提高结构的抗震能力和抗灾性能。结构控制通过在结构上设置控制机构，由控制机构与结构共同控制抵御地震动等动力荷载，使结构的动力反应减小。结构控制是人的主观能动性与自然的高度结合，是结构对策新的里程碑。 （一）振动控制的概念及原理 自1972年美籍华裔学者姚治（J.T.P.Yao）教授明确提出木工程结构控制的概念以来，国内外很多学者在结构控制的方法、理论、试验和应用等方而取得了大量研究成果。隔震消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，即明显有效减震(能使结构地震响应减到10%或更低)。其中已有多项技术成功地应用于工程实践。国际上，美国、日木、澳大利亚、新酉兰和法国等国家在这方而走在前列。国内学者自20世纪80年代初期以来，对夹层橡胶垫隔震结构、粘弹性阻尼器TMD和TLD耗能支撑层间隔震、主动控制等方而的研究取得了一系列成果。经过20多年的发展，结构控制现在正朝着研制高效的被动控制装置、发展以参数控制为主的半主动控制和探索结构智能控制的方向发展。结构控制的概念几经完善.具体可表述为:在工程结构的特定部位装设某种装置(例如隔震垫等)或某种机构(例如消能支撑、消能剪力墙、消能节点、消能器等)或某种子结构(例如调频质量等)或施加外力(外部能量输入)或调整结构的动力特性，使工程结构在地震(或风)的作用下，其结构的动力响应(加速度、速度、位移)得到合理的控制，确保结构本身及结构中的人员仪器设备的安全和处于正常的使用环境状况。 控制系统的基木元素为传感器、处理器(也称控制器)和作动器。传感器感受外部激励及结构反应的变化信息；处理器接受这此信息并依据一定的控制算法计算所需控制力；作动器则产生所需的控制力作用到结构上，从而实现对结构的控制。
（二）结构控制的分类 （1）按控制对能量需求来划分 从控制对外部能量需求的角度，结构控制可分为：被动结构控制、主动结构控制、半主动结构控制、混合结构控制。除被动控制外，其他三种控制方式中的控制力全部或部分地根据反馈信息按照某种事先设计的控制律实时产生。主动结构控制效果较好，对环境有较强的适应力，但完全依赖外部能源。在被动控制中，控制力不是由反馈产生的。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。混合控制是指用主动控制来补充和改善被动控制性能的方案。由于混合了被动控制，因此减小了全主动控制方案中对能量的要求。 （2）按结构特性划分 从被控结构的特性划分，结构控制可分为柔性结构控制与刚性结构控制。其中柔性结构包括大型柔性空间结构、大跨度桥梁等；刚性结构则包括武器系统中稳定平台、车辆悬什系统、多刚体机器人等。对于两类结构控制所用的主动控制设备也不相同，如在柔性结构控制中传感器与执行器常用的智能材料是分布智能材料，如压电材料；而刚性结构控制中传感器与执行器常用的智能材料是电智能材料，如磁致伸缩材料。相应地所研究的控制问题侧重点也有所不同，如柔性结构控制中多研究分布参数系统，在控制器设计时所考虑的是模型简化与控制溢出等问题，波动控制是其中较新提出的一类控制问题。而在刚性结构控制中则较多研究智能材料的非线与在不同约束卜的控制器设计问题。 （3）按控制效果要求划分 精度要求是根据不同的应用而定的。不同的指标决定了不同的控制。如稳定平台，控制目的是消除振动，使平台系统尽可能保持稳定。而在土木结构中，控制目的是减少振动和保证安全，并不要求完全消除振动。 在高精度应用中常采用精密的智能结构。如Stew art六自由度稳定平台，采用Terfenol D材料，在尺寸与重量方而都较小，在控制器设计时常采取比较复杂的控制策略，以求达到高的控制效果。比如微米级或纳米级精度。而相对地对控制能量要求不大。相反在一些低精度结构控制中由于被控结构往往超大尺寸、超大重量，如高层建筑，控制律则要相对简单一些，高可靠性，低控制能量。
（三）四种控制方法的比较 （1）结构被动控制 结构被动控制(包括更早开始研究的基础隔震)由于不需要提供外部能源、经济和易于工程应用的特点，在我国得到了广泛的研究和一定程度的应用。控制装置涉及金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞流体阻尼器、TMD,TLD,摆式质量阻尼器等各种耗能减振器。我国基础隔震的研究开展较早，已经取得了理论研究、技术开发和工程应用的丰硕成果。隔震技术主要采用橡胶垫、金属涂料滑块以及精选的细砂、石墨涂层和四氟乙烯板等。 （2）结构的主动控制 虽然结构的主动控制较之被动控制效果更加明显，但由于主动控制需要输入较多的外部能源，再加上系统的可靠性问题、以及时性更复杂和昂贵的硬件设备等原因，在我国主动控制的研究更多地集中于主动控制算法、效果仿真分析和控制装置的试验研究等方面。 主动控制的控制力由外加能源主动施加，振动控制设计的目的是如何合理选择控制力的施加规律，以使产生的控制力对结构的控制效果最好。 研究的控制算法主要有最优控制算法、瞬时最优控制算法、智能控制算法(如人工神经网络、遗传算法等)、极点配置算法、自适应控制算法等。对主动控制装置研究较多的是主动控制调谐质量控制系统(AMD )、主动锚索控制系统、主动支撑系统等，其中哈尔滨建筑大学成功进行的结构主动控制试验的整套AMD系统的设计、生产和调试均是自行完成的。 （3）半主动探制 半主动控制是当今土木工程结构振动控制研究领域的国际前沿性课题之一。这种控制系统依靠较小的外部能量来改变受控系统的特性参数，以减小结构的反应。目前常用的主动控制的方法有变阻尼或变刚度控制法。 由于半主动控制具有的经济、有效、可靠等特点，其研究受到国内学者的极大关注。已从事的工作包括半主动控制的变刚度、变阻尼的系统装置、理论分析和试验研究等。 （4）混合控制 我国在混合控制方面进行了有特色的研究，提出的混合控制系统有AM D和TLD组合的混合控制系统、AMD和HDS组成的混合控制系统等，并对混合控制系统的性能及对结构的抗风抗震进行了大量的试验研究。 （5）上述四种控制方法比较 结构振动控制的核心装备是振动控制装置。随所选用的振动控制装置不同，其控制效果及设计分析方法也不同。国内外专家已进行了多年的理论和实验研究，提出不少很好的方法和措施。 在这四种控制技术中，主动控制的效果最好，但由于建筑结构体形巨大导致所需的外加能源较大，加之控制装置的控制的算法比较复杂，而且存在时滞问题，因此其应用程度少于其他三种控制技术；被动控制造价低廉，减震效果良好，容易实现，目前发展最快，应用最广，在最新出台的建筑抗震规范中已有少量描述，尤其是其中的基础隔震技术已相当成熟，并得到了一定程度的推广应用，但被动控制对地震激励的普适性差，即按照某一地震激励设计的控制结构在其他地震激励下的减震效果未必很好；半主动控制介于主动控制之间，其控制精确度较高，造价较主动控制低廉，而且不需要较大的动力源，因此其具有广阔的应用和发展前景；混合控制综合了某几种控制方法的优点，因此其具有较好的控制效果，发展前景较为广阔。
（四）结构振动控制的应用现状 结构振动控制的工程应用在过去的多年中有了较大的发展，特别是美国、口木等经济发达国家。在理论方而，他们成功地借鉴了其他领域中的控制理论，为结构控制找到了可行的分析和计算方法。在实际下程应用中也设计出一些有效的控制装置，尤其是被动控制系统(如基底隔震系统)在一些高层建筑中得到了具体的应用。隔震装置本身具有足够的初始刚度，在正常荷载作用下相对稳定，在强烈地震作用下该装置进入消能工作状态如叠层橡胶支座，这种竖向刚度很大的装置水平刚度很小，可大大增加基础的水平自振周期，强烈地震作用下结构反复变形，耗散地震能量。此外，滑、滚动支座则是通过基础与上部结构两部分产生相对运动，防止水平地震动的输入。我国很多大型机组动力基础的隔震也采用了橡胶垫支座、螺旋弹簧支座等。国外一些国家也广泛地将基础隔震应用于核电站、发电厂的设计中。相比之下，我国的结构控制更多地仍处在理论研究上，虽然取得了一系列国内外瞩日的研究成果，但实际工程应用极其有限，已安装在建筑物上的控制装置也主要是隔震装置。结构振动控制理论与减震技术为建筑物的抗震提供了一条有效可行的新途径。结构振动控制理论将结构的弹朔性分析与抗震相结合，抗震与消震相结合，能动控制与设计相结合，通过对建筑结构的控制设计，在结构的特定位置出现一定量的人工塑性铰，使其发生期望的破坏机构形式，实现强震下最佳的耗能机构；对结构中梁和柱等构件进行延性设计，提高其延性和耗能能力。由于被动控制不需要外界能量输入，抗震性能，结构简单，造价低廉，施工方便，易于修复和更换，易于被工程师们所接受，所以发展较快，在实际工程中得到广泛应用。