被動控制系統

結構振動控制可分為被動控制、主動控制和半主動控制三種。 被動控制是指在結構的適當部位附加耗能裝置或子結構系統，或對結構自身 的某些構件作構造上的處理已改變結構體系的動力特性。被動控制是無外加能源的控制，其控制力是由控制裝置隨著結構一起振動變形而被動產生的。

基本介紹

• 中文名：被動控制系統
• 外文名：Passive Control System
• 類屬：結構振動控制
• 分類：基礎隔震技術、耗能吸能減振
• 實質：無外加能源的控制
• 套用學科：控制科學、儀器科學、電氣工程

簡介

振動控制早在20世紀初就已套用於機械行業，而後又廣泛套用於航天和遺輸工程中，在土木工程中的套用卻相對較晚，至今只有二十多年的歷史，但自美國學者LT_P.Yao1972年首次提出結構控制的概念以來，結構振動控制的研究和套用越來越得到人們的廣泛關注和重視，目前已成為結構工程和結構力學領域最具前沿性的發展方向之一，並已在世界各國的實際工程中得到套用。

結構振動控制可分為被動控制、主動控制和半主動控制三種。被動控制是無外加能源的控制，其控制力是控制裝置隨結構一起振動變形，因裝置自身的運動而被動產生的。主動控制是有外加能源的擇制，其控制力是控制裝置按某種控制規律，利用外加能源主動施加的。半主動控制一般為有少量外加能源的控制，其控制力雖也由控制裝置自身的運動而被動地產生，但在控制過程中控制裝置可以利用外加能源主動調整自身的參數,從而起到調節控制力的作用。這三種控制中，主動控制的效果最好，但由於建築結構體型巨大，導致所需外加能源較大，加之控置裝置比較複雜,因此其套用程度目前還遜色於被動控制和半主動控制。

除上述三種控制形式外，近年來混合控制也日漸成為結構振動控制領域新的發展趨勢。所謂混合控制就是在結構上同時套用被動控制和主動控制，或者是同時套用不只一種的被動控制裝置，從而充分發揮每一種控制形式和每一種控制裝置的長處，克服它們的弱點，以獲得更好的控制效果。

被動控制從廣義上講可分為基礎隔震和耗能吸能減振兩大類，其中基礎隔震經過國內外學者多年的研究和大量工程套用，目前已形成一個比較完整的體系。近年來，人們在提到基礎隔震時常常將其視為一種獨特的控制形式，而與主動控制等相提並。這樣，被動控制從狹義上講，就只包含耗能吸能減振了。

被動控制理論

被動控制是指在結構的適當部位附加耗能裝置或子結構系統，或對結構自身的某些構件作構造上的處理已改變結構體系的動力特性。被動控制是無外加能源的控制，其控制力是由控制裝置隨著結構一起振動變形而被動產生的，因此，控制過程不依賴於結構反應和外界干擾信息。被動控制可分為基礎隔震技術、消能減震技術和吸振減震技術。被動控制由於具有構造簡單、造價低、易於維護和不需外部能源等優點，故引起工程界的廣泛關注，成為套用研發的熱點。其中研究和套用最多、最成熟的技術是隔震技術，國內外己建隔震建築數百棟，其中一些隔震建築己在幾次大震中成功經受考驗。

被動控制中常用的阻尼器包括粘彈性阻尼器、粘滯阻尼器、摩擦阻尼器、屈服裝置、調諧質量阻尼器和調諧液體阻尼器六大類。

粘彈性阻尼器

粘彈性阻尼器是由粘彈性材料和約束鋼板組成，粘彈性材料是一種高分子聚合物，由於聚合物材料分子鏈組成網路的壓縮、錯動和鬆弛會耗散能量，產生阻尼，粘彈性材料大部分採用丙烯酸聚合物。根據粘彈性層的變形方式，粘彈性阻尼器可分為拉壓型和剪下型。目前常用的為剪下型阻尼器，如圖所示。

典型粘彈性阻尼器構造

一般設在結構層間能產生相對變形處，當結構層間發生位移時，粘彈性材料產生剪下滯回變形，耗散振動能量，減小結構的動力反應。

由於粘彈性阻尼器的耗能性能受到溫度、頻率應變幅值的影響，目前對其耗能性能的描述均不能很好的反映溫度及頻率的影響，因此，有許多有關其力學性能及計算模型方面的研究。劉棣華認為粘彈性材料的儲存模最和損耗因子受環境溫度和頻率的影響尤為顯著，其影響規律為:損耗模重隨溫度的升高而降低，隨頻率的升高而升高；損耗因子隨溫度的變化有一最大值，隨頻率的變化也有一最大值；關於粘彈性阻尼器的計算模型有Maxwell模型、Kelvin模型、等效標準固體模型和等效線性固體模型。此外，還有復剛度模型、微段模型、四參數模型和有限元模型等等。

粘滯阻尼器

粘滯阻尼器是根據流體運動，特別是當流體通過節流孔時會產生粘滯阻力的原理而製成的，是一種無剛度、速度相關型阻尼器。缸式粘滯阻尼器通常由缸筒、活塞、粘滯流體和導桿等組成，基本構造見圖。缸筒內充滿粘滯流體，活塞可在缸簡內作往復運動，活塞上開有適量小孔或活塞與缸筒留有間隙。當結構因變形使缸筒和活塞產生相對運動時，迫使粘滯流體從小孔或間隙流過產生阻尼力，從而將結構振動的能呆通過粘滯耗能消散掉，達到減震的目的。

缸式粘滯阻尼器構造

粘滯阻尼器是20世紀80年代由曰本學者Mitsuo Miyazaki發明，由Sumitomo建築公司研製成功的可作為牆體安裝在結構層間的阻尼系統。它由內部鋼板、外部鋼板以及內外鋼板之間的粘滯液體組成，內部鋼板固定於上層樓面，外部鋼板固定於下層樓面，當結構受到風或地震作用時，下樓面的運動速度不同，導致內部鋼板和外部鋼板產生相對速度，使高濃度阻尼材料發生剪下變形，產生阻尼力，從而使結構的阻尼增大，降低結構的動力反應，其構造和減震原理如圖。

粘滯阻尼牆

粘滯阻尼器可產生較大阻尼力，有效減小結構的振動，同時阻尼器產生的阻尼力與結構的位移反應和柱中彎矩異向，因此該阻尼器在減小結構層間位移和剪力的同時，不會在柱中產生與柱彎矩同向的軸力，此外，沾滯阻尼器對激勵頻率的變化不敏感。

調諧質量阻尼器

調諧質量阻尼器（Tuned Mass Damper，簡稱TMD)結構套用的思想，最早來源是1909年Frahin研究的動力吸振器。

調諧質量減震體系由主結構和附加的子結構組成，附加子結構具有質量、剛度和阻尼，可以調整子結構的自振頻率，使其儘量接近主結構的基本頻率或激勵頻率。這樣當主結構受激勵而振動時，子結構就會產生一個與主結構振動方向相反的慣性力作用在主結構上，使主結構的振動反應衰減。子結構是固體質量塊,稱為“調諧質量阻尼器”(TMD)。TMD在結構中的設定方式分為支承式和懸吊式。如圖所示。

TMD設定方式

從20世紀70年代以來，TMD己經廣泛套用在建築結構的減振控制中。所作的工作基本上都是致力於發展TMD的設計方法和為改善性能對TMD的參數進行最佳化方面。在大部分套用中,只在結構的頂層安裝單個的TMD，並且調諧到結構的基本振型。

調諧液體阻尼器

調諧液體阻尼器（Tuned Liquid Damper，簡稱TLD)結構套用的思想來源是1909年Frahm研究的動力吸振器。它與TMD不同之處只是將子結構放置於液體容器中。

國內外套用實例有口本的新橫濱王子飯店、長崎機場塔、橫濱港導航塔，Nagasaki機場指揮塔；南京電視塔、珠海金山大廈等。

摩擦阻尼器

摩擦阻尼器是根據摩擦做功耗散能量的原理設計的。目前已有多種不同構造的摩擦耗器，如pall摩擦阻尼器、限位摩擦耗能器、摩擦剪下鉸阻尼，滑移型長孔螺栓節點阻尼器，這些摩擦阻尼器都具有較好的庫侖特性，摩擦耗能明顯，可以提供較人的附加阻尼，荷載大小和頻率對其性能的影響不大，且構造簡單、取材容易，造價低廉，因而具有很好的套用前景。它的缺點是兩種材料在恆定的正壓力作用下，保持長期的靜接觸，會產生冷粘結或冷凝固，使所期望的摩擦係數發生改變。另外，在地震作用時，滑動面產生滑動而使摩擦裝置產生退化，地震後會產生永久性偏位，需要進行維修和保護。

智慧型材料阻尼器

智慧型材料是一種同時具有感知和驅動功能的新型材料，如電流變流體(ER)、磁流變流體(MR)、光纖材料、壓電材料、電致伸縮材料、磁致伸縮材料、形狀記憶合金等。利用智慧型材料的特殊性能研製的阻尼器有：電流變液阻尼器、磁流變阻尼器、壓電摩擦型阻尼器、形狀記憶合金阻尼器。

目前，開發具有優良性能的被動耗能減震裝賈仍然是結構控制領域研究的熱點問題之一。

被動控制系統參數最佳化

設定被動控制系統的結構減震設計關鍵，在於合理地確定阻尼器的位置與參數。較早的結構減震研究主要關注減震裝置在結構中的可行性，並通過大量算例來對比不同參數或布置下減震效果的差異，直接將最佳化方法套用於減震控制的研究還較少，並且在進行減震結構最佳化分析時均要對結構進行簡化，影響了最佳化方法在複雜工程中的套用。

參數最佳化分析

減震參數最佳化分析包含兩個部分的內容:結構地震回響分析與模式搜尋算法尋優。這裡通過Matlab編制目標函式程式，實現模式搜尋最佳化程式對減震結構有限元分析結果的調用，從而實現最佳化程式與有限元程式的互動，流程圖所示。

結構減震最佳化的模式搜尋算法流程圖

數學模型

結構減震系統的最佳化需要確定設計變數、目標函式與約束條件來建立數學模型。減震結構最佳化是期望在合理的減震成本基礎上將地震作用下的結構回響降低到某一限值以下，其數學模型可以通過下式來表達:

式中:X_L為減震裝置位置變數，X_C為減震裝置參數變數，R_s為減震結構地震回響，S_d為減震裝置的數量表達式。減震結構被動控制系統參數最佳化模型的目標函式無法表達為設計變數的具體函式形式，更無法求得其關於設計變數的導數或梯度函式。這就要求最佳化算法在搜尋過程中不依靠目標函式的梯度、能在搜尋過程中自動獲取和積累有關搜尋空間的知識，並能自適應地控制搜尋過程。

減震參數最佳化問題中設計變數取值空間往往是連續的，尋優的過程為沿著可行解的取值範圍進行搜尋。僅僅利用目標函式值的信息直接建立搜尋求解的方法稱為直接搜尋法(direct search method)。以往研究結果表明，結構減震效果與減震裝置主要參數的關係曲線往往為一單峰凹凸曲線，不依賴求導的搜尋方法將在結構減震參數最佳化分析中具有較好的適用性。

火箭發射被動控制系統

傳統的觀念認為,火箭自身的缺陷(推力偏心、質量分布不均衡等)總是不利因素。因為它們是形成射彈散布的根源。這些隨機因素對每枚火箭都是不相同的。在發射過程中,每發彈給發射裝置作用一個能反映其自身缺陷特性的激勵。人們構想,若能設計這樣一種發射裝置,使它由上述激勵所產生的回響恰能補償或部分補償由於火箭的缺陷而造成的彈道偏差,那么就意味著實現了控制,變不利因素為有利因素。人們還將全面地研究各種固有頻率發射裝置的幅頻和相頻回響函式,從中選取一種發射裝置,由它的振動所導致的火箭起始擾動引起的彈道偏差,能與推力偏心和動、靜不平衡性所引起的彈道偏差相互補償。

被動控制與主動控制不同,它不依賴任何外加能源,而是利用火箭發射系統的自反饋來實現控制。反饋是通過相互干擾來傳遞的。

對實際的柔性發射架,它必須對火箭缺陷的激勵十分敏感,且有足夠高的自振頻率。況且,發射架既受支撐,還能提供有限的轉動。被動控制的目的,在於減小散布;主要是減小主動段末速度的偏角散布。

由此,與被動控制有關參數的確定,就必須遵循這一原則。對被動控制影響較大的火箭參量除了推力偏心和動不平衡等缺陷參數之外,還有彈質量、轉動慣量、重心位置、前後定心部距離、滑軌段內的滾轉角等;對發射裝置則是定向器長度、支撐點位置、振動頻率、橫向轉動慣量等。對這些參量都有一個合理值的確定問題,從這個意義上說,被動控制是重要的彈道最佳化設計的關鍵一環。