半主動控制（Semi-active control）屬於參數控制，控制過程依賴於結構反應及外部激勵信息，通過少量能量而實時改變結構的剛度或阻尼等參數來減少結構的反應。半主動控制不需要大鼓外部能源的輸入來直接提供控制力，只是實施控制力的作動器需要少量的能量調節以便使其主動地利用結構振動的往復相對變形或速度，儘可能地實現主動最優控制力。
基本介紹
- 中文名：半主動控制
- 外文名：Semi-active control
- 涉及學科：信息科學
- 屬於：參數控制
- 利用：利用結構振動的往復相對變形
- 套用領域：自動控制
半主動控制簡介,常見的半主動控制系統,發展歷史,優點,半主動懸架,可切換阻尼式懸架,連續可調阻尼式懸架,半主動控制起落架,作用,特點,設計要求,半主動控制系統,
半主動控制簡介
半主動控制屬於參數控制，控制過程依賴於結構反應及外部激勵信息，通過少量能量而實時改變結構的剛度或阻尼等參數來減少結構的反應。半主動控制不需要大鼓外部能源的輸入來直接提供控制力，只是實施控制力的作動器需要少量的能量調節以便使其主動地利用結構振動的往復相對變形或速度，儘可能地實現主動最優控制力。由於半主動控制兼具上動控制優良的控制效果和被動控制簡單易行的優點，同時克服了主動控制需要大最能量供給和被動控制調諧範圍窄的缺點，因此，半主動控制具有較大的研究和套用開發價值，是當前的研究熱點。
常見的半主動控制系統
AVS系統的控制方式是通過由計算機控制的快速反應鎖定裝置來控制和改變系統的剛度，以此避開共振的影響，從而降低結構的反應。由於半主動控制裝里只能增加結構的剛度，對於剛度己經很大的土木工程結構而言，為了能有效減小結構的動力反應就要求半主動變剛度系統的可變剛度比較大，這無疑使半主動變剛度系統的設計和套用帶來了比較大的困難，換言之，半主動變剛度系統用於控制柔性結構的動力反應更加有效。
AVD系統是通過主動調節半主動變阻尼控制裝置的阻尼力，使其等於或接近主動最優控制力，從而達到與主動控制接近的減震效果.半主動變阻尼控制裝里可以連續改變阻尼力，具有控制寬頻帶激勵振動的能力，包括半主動粘滯變阻尼器、半主動磁流變阻尼器、半主動電流變阻尼器、半主動壓電變摩擦阻尼器等。
半主動變阻尼控制裝置一般只能實現與速度有關的控制力，而不能像主動控制作動器那樣能夠同時實現與位移和速度有關的控制力，也正是這種限制使得半主動變阻尼控制總是穩定的。半主動變阻尼控制裝置的最大阻尼力可以藉助主動控制理論，預先確定主動最優控制力和控制效果，然後設計變阻尼裝置的最大阻尼力等於相應的最大主動最優控制力。這樣設計的半主動變阻尼裝置在多大程度上可以實現主動最優控制力，從而在多大程度上接近主動最優控制的效果，取決於主動最優控制力時程有多大的比例與作動器所在結構層的層間速度相反。
發展歷史
1983年Hrovat研究了土木工程結構的半主動控制問題，提出了半主動控制系統儘可能實現主動最優控制力的規則。
1990年Kobori等人提出了半主動變剛度控制的概念，研製了半主動變剛度控制系統，並提出了半主動變剛度控制算法。
1990年日本Kajima研究所的三層鋼結構辦公樓首次套用了半主動變剛度控制系統，經歷了實際中的中小地震作用，顯示出了很好的控制效果。我國劉季、李敏霞和歐進萍等人在稍晚一些時期也進行了半主動變剛度控制的研究工作，研製開發了足尺半主動變剛度控制裝置。
1992年Kawashima,Mizuno和Shinozuka等人同時提出了結構半主動變阻尼控制系統，並分別研究了建築結構和橋樑結構半主動變阻尼控制的分析方法和控制效果，1997年美國首次套用主動變阻尼控制裝置控制高速公路I-35連續梁鋼橋重載車輛引起的振動，顯示了很好的控制效果。
1998年日本套用半主動變阻尼控制的建成Kajima Shizuoka建築，在實際小地震作用下顯示了良好的控制效果。我國孫作玉(1998)和李惠(2002)等人研究了建築結構半主動變阻尼控制方法，研製開發了半主動變阻尼控制裝置。
1995年，美國Lord公司在第五屆電磁流變體國際會議上展示了幾種具有高性能參數的電流變液和磁流變液阻尼器，從而掀起了磁流變液及其裝置的研究熱潮。
1996年以來，Spencer等人研究了磁流變阻尼器的地震反應控制、結構磁流變阻尼隔震和斜拉索的磁流變阻尼風振控制。Dyke (1996)等人試驗研究了一座三層框架地震反應的磁流變阻尼控制效果，結果表明:半主動磁流變阻尼控制接近於主動控制效果，而且總是穩定的。
2001年日本東京國家新興科技博物館首次將磁流變阻尼器套用於地震反應控制。
2001年我國岳陽洞庭湖多塔斜拉橋首次安裝美國Lord公司生產磁流變阻尼器控制斜拉索風雨激勵的振動401。哈爾濱工業大學的歐進萍、李慧(2003)等人將自行研製開發的磁流變阻尼器用於山東濱州黃河大橋20根斜拉索的風雨激振。
優點
半主動控制方法結合了被動控制結構和主動控制結構的優點，能夠根據結構的反應和外界的干擾動態地控制結構，卻只需要可由電池提供的能量就能操作控制設施，避免了主動控制在大地震來臨時無法得到能量支持的缺點。此外，半主動控制所需要的控制設施經濟、可靠、對維護的要求不高，是目前最能接受的土木工程結構減震控制方法。
半主動懸架
半主動懸架是指通過感測器感知路面狀況和車身姿態，對阻尼參數進行調節，從而改善汽車行駛平順性和穩定性的一種可控式懸架系統。
傳統懸架參數一經選定就難以改變，因此在設計過程中通常尋找一個最佳的折中方案來確定參數。也就是只有在特定工況下，汽車的性能才是最佳的；一旦工況發生改變（例如路面變化、汽車行駛時的加速、制動、轉向狀態變化），其性能將會變差，這意味著傳統懸架難以同時滿足舒適性和穩定性的要求，從而限制了汽車性能的進一步提高。
隨著技術的發展和製造工藝的提高，使得可控懸架在汽車的套用成為可能，對懸架系統採用智慧型控制，使其能根據不同路況而具有不同的性能，從而協調平順性和穩定性之間的矛盾，也為擴展傳統懸架功能提供了可能性。
半主動懸架就是這樣一種可控懸架，它不改變懸架剛度而只改變懸架阻尼，來實現對懸架性能的調節，因此也稱之為阻尼可控式懸架。其結構相對簡單，成本低廉，性能優良，有廣泛的套用前景。
半主動懸架包括連續可調式（無級）和可切換式（有級）兩類。
可切換阻尼式懸架
常見的可切換阻尼式懸架一般設定2至3個級別，阻尼係數可在幾檔之間快速切換，切換的時間通常為10~20ms，控制方法通常根據車身的相對速度和絕對速度來改變系統阻尼的設定。
對於二級式懸架，阻尼設定為“硬”和“軟”2個級別；對於三級式懸架，阻尼設定為“硬”、“中”和“軟”3個級別。
連續可調阻尼式懸架
連續可調減振器的阻尼係數在一定範圍內可以連續變化，有兩種基本實現方式。
一種是通過調節減振器節流閥的面積而改變阻尼特性的孔徑調節式，其孔徑的改變一般可由電磁閥或其它類似的機電式驅動閥來實現。
另一種是電流變或磁流變可調阻尼器，其工作原理是通過改變電場或磁場強度來改變流變體的阻尼特性。兩種結構中，前者技術上比較成熟，發表的文獻和專利也較多;後者屬於新興技術，隨著對這項技術的研究和突破，可能會成為較有前途的半主動懸架形式。
半主動控制起落架
半主動控制起落架也稱為無源主動控制起落架。它由無源但可控的阻尼和彈性元件組成。半主動控制起落架與被動起落架相比相當於增加了一個連續的變油孔，它可根據需要隨時改變油孔面積，因此其作用要優於被動起落架的額變油孔設計。
作用
對半主動控制起落架的分析研究表明，半主動控制起落架系統具有以下作用：
①可以將劇烈變化的載荷利用緩衝器“軟”系統很快吸收，從而使傳給機身的載荷減至最小；
②提高飛機在滑跑時應對凸起的能力，使機體能迅速恢復到平衡狀態；
③能夠陝速適應地面激勵的變化和載荷的變化，從而確保飛機在地面滑跑時的穩定性。
特點
半主動控制起落架具有如下特點：
1、具有類似於被動起落架的結構和原理，卻有接近於全主動控制起落架的性能。
2、結構簡單，操縱方便，實用性強。
半主動控制起落架與全主動控制起落架相比，其最大優點是工作時幾乎不消耗動力、結構簡單、經濟可靠，因此半主動控制起落架越來越受到人們的重視。
設計要求
半主動控制起落架的設計要求在起落架設計開始階段就考慮電傳控制系統對起落架動特性的影響，使起落架在各種載荷狀態下，通過機載計算機根據感測器的指令，按預定程式控制調整相應的起落架參數，從而使起落架傳遞到機體上的載荷變小，改善飛機著陸和滑跑性能。而其實際套用就是設計好新型的半主動控制阻尼裝置，並通過低功率的作動器作為起落架半主動控制阻尼裝置的反饋控制器。目前國外許多大型客機的起落架都已經實現了半主動控制設計，半主動控制技術已經顯示出了其強大作用。
半主動控制系統
半主動控制系統主要指的是半主動懸架控制系統。半主動懸架技術，即通過可控阻尼器，依據一定的控制規律對阻尼為進行實時調節。可獲得類似主動控制的減振效果而且結構簡單，工作時幾乎不消耗車輛動力，所以在現有研究中有關可調阻尼減振器實現的半主動控制較豐富尤其是基於磁流變阻尼器的半主動控制研究故有較好的套用前景。
半主動懸架由具有可變特性的彈黃或阻尼減振器組成，其減振方式、原理與被動懸架相似，但是懸架參數可在一定的範圍內調節，可獲得類似主動控制的減振效果，而且結構簡單，工作時幾乎不消耗車輛動力，所以在現有研究中有關可調阻尼減振器實現的半主動控制較豐富，尤其是基於磁流變阻尼器的半主動控制研究。故有較好的套用前景。
我國在半主動懸架領域也做了一些研究工作。林野通過研究單自由度系統半主動懸架的振動傳遞性質，提出了正對開關控制髙頻震顫問題的改進方法；同濟大學的陸正剛研巧了空氣彈簧輔助腔對半主動懸架控制的影響；西南交通大學王月明等通過仿真研究了半主動懸架開關控制的簡化方法；鐵道科學研究院姚建偉等人將模糊控制引入鐵路車輛半主動控制中並進行了相關實驗研究；鐵道科學研究院的董孝卿等人針對鐵道車輛半主動懸架系統通過仿真研究最優控制理論的控制效果。
