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磁流变阻尼器的拟负刚度控制及实时混合试验方法

作　者: 史鹏飞
导　师: 吴斌；BillieF.Spencer
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 磁流变阻尼器 拟负刚度控制 实时混合试验 等效力控制 试验系统模型
分类号: TB535.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


磁流变阻尼半主动控制能够取得与主动控制相当的控制效果,却不需要大量的能源输入,在很长一段时间内是结构振动控制研究的热点。拟负刚度控制方法的控制力由阻尼力和“负刚度”控制力组成,其中,阻尼力部分可由磁流变阻尼器出力中的粘滞阻尼力部分实现,“负刚度”控制力可以通过调节磁流变阻尼器的驱动电压实现。磁流变阻尼器为速度相关型控制装置且具有非常强的非线性特性,拟动力试验和地震模拟振动台试验等试验方法均很难满足检验磁流变阻尼控制系统性能的要求。作为检验磁流变阻尼控制系统性能的一种重要手段,实时混合试验方法引起了很多学者的关注。但是,对实时混合试验来说,很难在一个时间步长内实现结构响应的计算、驱动试验子结构达到预定的速度以及对试验子结构的反力进行测量和反馈。通常,实时混合试验中存在的时滞会引起试验结果的不准确甚至系统的不稳定。因此,实时混合试验时滞补偿方法的研究具有重要的意义。本文对采用拟负刚度控制的结构的动力特性和减振效果、多自由度结构拟负刚度控制及其控制效果、测量位移对等效力控制方法的影响及基于试验系统模型的等效力控制方法进行了研究。1.证明了拟负刚度阻尼减振结构和拟负刚度与粘滞阻尼混合减振结构均为齐次非线性结构,其齐次性保证了可以通过位移响应系数、传力系数及反应比谱对两种结构的动力特性及减振效果进行分析。位移响应系数、传力系数和反应比谱的分析结果表明拟负刚度控制能够延长结构的等效周期；结构周期较长时,与不同阻尼比的结构相比,拟负刚度阻尼减振结构的加速度更小而位移较大；拟负刚度与粘滞阻尼混合减振结构的位移和加速度均要小于不同阻尼比的结构。2.以一栋安装磁流变阻尼器的隔震结构为研究对象,对拟负刚度控制进行了数值和实时混合试验研究。证明了采用拟负刚度与粘滞阻尼混合控制的隔震结构同样为齐次非线性结构,拟负刚度与粘滞阻尼混合控制能够在不增加底部剪力的同时减小结构的位移。稳定性和时滞影响分析表明实时混合试验能够用于拟负刚度与粘滞阻尼混合控制系统性能的研究。试验结果表明：拟负刚度与粘滞阻尼混合控制对结构位移和加速度的控制效果均好于Passive-off控制；对加速度的减振效果好于Passive-on控制,而对位移的控制效果差于Passive-on控制。渤海JZ20-2NW海洋平台拟负刚度与粘滞阻尼混合控制的数值分析同样表明拟负刚度与粘滞阻尼混合控制系统具有较好的减振效果。3.实时混合试验等效力控制方法以力反馈控制环代替隐式积分算法的迭代计算,该控制环还可以对实时混合试验系统中的时滞进行补偿。但是,还有其他一些因素会影响到等效力控制方法的时滞补偿效果,例如采用作动器位移命令或响应计算数值子结构恢复力和拟动力、试验子结构位移中存在的测量噪声等。本文对分别采用作动器位移命令和响应计算数值子结构恢复力和拟动力、测量噪声对等效力控制方法的影响进行了分析。为了保证试验子结构恢复力、数值子结构恢复力和拟动力的同步,必须采用作动器位移响应计算数值子结构恢复力和拟动力。PID等效力控制器的比例增益较大时,作动器位移响应中的测量噪声会导致试验子结构反力中存在不可忽略的高频成分。为了减小测量噪声的影响,本文采用Kalman滤波器对测量噪声进行滤波,从而提高PID控制器比例增益的取值,改善等效力控制方法的时滞补偿效果。实时混合试验结果表明采用Kalman滤波器的等效力控制方法能够减小测量噪声对试验子结构反力的影响并有效地补偿时滞,其补偿效果与基于模型的时滞补偿方法基本相同。4.提出并研究了基于试验系统模型的等效力控制方法。该方法在试验系统模型的基础上,利用开环补偿或者闭环补偿方法,减小等效力命令与响应之间的时滞,使等效力响应能够更好地跟踪等效力命令,从而提高等效力控制方法的时滞补偿效果。本文分别以弹簧和磁流变阻尼器为试验子结构研究了单自由度和多自由度结构基于试验系统模型的等效力控制方法的时滞补偿效果,并与等效力控制方法的时滞补偿效果进行了比较。分析结果表明：基于试验系统模型的等效力控制方法的时滞补偿效果更好。200kN磁流变阻尼器的实时混合试验同样表明基于试验系统模型的等效力控制方法能够有效的对时滞进行补偿。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章 绪论  15-31
  1.1 课题研究背景  15-16
  1.2 半主动控制研究现状  16-19
    1.2.1 变刚度控制  16-18
    1.2.2 变阻尼控制  18-19
  1.3 磁流变半主动控制研究  19-23
    1.3.1 磁流变阻尼器及模型  20-21
    1.3.2 磁流变半主动控制  21-23
  1.4 结构试验方法研究  23-25
    1.4.1 拟动力试验  23-24
    1.4.2 地震模拟振动台试验  24
    1.4.3 实时混合试验  24-25
  1.5 实时混合试验研究  25-28
    1.5.1 实时混合试验研究及应用  25-27
    1.5.2 实时混合试验系统的时滞及其补偿方法  27-28
  1.6 本文的主要研究内容  28-31
第2章 拟负刚度阻尼减振结构的动力特性及减振效果  31-50
  2.1 引言  31
  2.2 拟负刚度阻尼减振结构的齐次非线性特性  31-37
    2.2.1 拟负刚度控制  31-32
    2.2.2 齐次非线性  32-35
    2.2.3 拟负刚度阻尼减振结构的振荡  35-37
  2.3 拟负刚度阻尼减振结构的动力特性及减振效果  37-42
    2.3.1 位移响应系数与传力系数  37-39
    2.3.2 较短特征周期地震作用下反应比谱分析  39-41
    2.3.3 较长特征周期地震作用下反应比谱分析  41-42
  2.4 拟负刚度与粘滞阻尼混合减振  42-49
    2.4.1 拟负刚度与被动粘滞阻尼混合减振  43
    2.4.2 位移响应系数与传力系数  43-45
    2.4.3 较短特征周期地震作用下反应比谱分析  45-47
    2.4.4 较长特征周期地震作用下反应比谱分析  47-49
  2.5 本章小结  49-50
第3章 多自由度结构拟负刚度控制  50-75
  3.1 引言  50
  3.2 隔震结构的拟负刚度与粘滞阻尼混合控制  50-56
    3.2.1 隔震结构的拟负刚度控制  50-51
    3.2.2 隔震结构拟负刚度控制的振荡  51-52
    3.2.3 齐次非线性  52-53
    3.2.4 拟负刚度与粘滞阻尼混合控制与被动控制比较  53-56
  3.3 拟负刚度控制实时混合试验  56-64
    3.3.1 试验装置及方案  56
    3.3.2 时滞分析  56-60
    3.3.3 稳定性分析  60-61
    3.3.4 磁流变阻尼器的力电关系  61
    3.3.5 试验结果  61-64
  3.4 渤海JZ20-2NW海洋平台拟负刚度控制  64-74
    3.4.1 渤海JZ20-2NW海洋平台简介  65
    3.4.2 Kalman滤波器设计  65-70
    3.4.3 JZ20-2NW海洋平台拟负刚度控制  70-74
  3.5 本章小结  74-75
第4章 测量位移对等效力控制方法的影响  75-107
  4.1 引言  75
  4.2 等效力控制方法原理  75-77
  4.3 作动器位移对等效力控制方法的影响  77-89
    4.3.1 问题分析  77-81
    4.3.2 虚拟作动器  81-84
    4.3.3 结构模型  84-85
    4.3.4 磁流变阻尼器模型  85-86
    4.3.5 多自由度结构采用虚拟作动器的等效力控制方法  86-89
  4.4 测量噪声对等效力控制方法的影响  89-90
  4.5 采用Kalman滤波器的等效力控制方法  90-97
    4.5.1 基于作动器模型的Kalman滤波器设计  92-96
    4.5.2 采用Kalman滤波器与采用虚拟作动器的等效力控制方法比较  96-97
  4.6 采用Kalman滤波器的等效力控制方法的实时混合试验  97-105
    4.6.1 试验装置  98-99
    4.6.2 试验方案  99-100
    4.6.3 基于作动器模型的Kalman滤波器正弦试验  100-101
    4.6.4 采用Kalman滤波器的等效力控制方法的试验结果  101-105
  4.7 本章小结  105-107
第5章 基于试验系统模型的等效力控制方法  107-134
  5.1 引言  107
  5.2 基于试验系统模型的等效力控制方法  107-109
    5.2.1 开环补偿  107-108
    5.2.2 闭环补偿  108-109
  5.3 单自由度结构  109-113
    5.3.1 传递函数  109-112
    5.3.2 基于试验系统模型的等效力控制方法的时滞补偿效果  112-113
  5.4 多自由度结构  113-119
    5.4.1 磁流变阻尼器传递函数  114-115
    5.4.2 前馈控制增益  115-116
    5.4.3 基于试验系统模型的等效力控制方法的时滞补偿效果  116-119
  5.5 基于试验系统模型的等效力控制方法的实时混合试验  119-133
    5.5.1 试验装置  119-120
    5.5.2 磁流变阻尼器传递函数  120-121
    5.5.3 前馈控制增益  121-129
    5.5.4 试验结果  129-133
  5.6 本章小结  133-134
结论  134-136
参考文献  136-147
攻读博士学位期间发表的论文  147-149
致谢  149-150
个人简历  150-151

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 声学工程 > 振动、噪声及其控制 > 振动和噪声的控制及其利用 > 隔振、减振材料与结构
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