基于压电摩擦阻尼器的结构振动控制理论与试验研究

论文摘要

普通摩擦阻尼器是工程结构中常用的一种消能减振装置，具有良好的耗能能力。但是，作为一种被动控制装置，它不能够根据结构的用途、荷载情况和结构的响应实时地改变自身的特性，因而限制了其应用范围。压电陶瓷驱动器具有电致变形的能力，尽管位移行程较小，但是其变形被约束后，在电场作用下能够提供很大的驱动力，因此在智能摩擦阻尼器的研究中充当了相当重要的角色。本文结合压电陶瓷驱动器和摩擦阻尼器的特点设计了一种新型的压电摩擦阻尼器，提出了调节阻尼器控制力的半主动控制策略，并对安装压电摩擦阻尼器的结构控制系统进行了理论分析和试验研究，主要工作包括以下几个方面：（1）提出了一种新型的压电摩擦阻尼器，利用MTS试验机对阻尼器的性能进行了测试。在不同加载频率和幅值的正弦位移激励下，分别测试了仅施加预压力和同时施加预压力和电压下阻尼器的动力性能。结果表明，随着预压力的增加，压电陶瓷驱动器的出力增大，当预压力增加至一定数值时，增加预压力对驱动器出力的影响减小。当仅施加预压力时，阻尼器的性能稳定，滞回性能基本不随加载频率的变化而改变，同时对其施加预压力和随时间变化的电压时，阻尼器具有稳定的出力性能。（2）针对压电摩擦阻尼器的结构控制系统，提出了调节阻尼器控制力的模糊次优Bang-Bang控制策略和速度输入型T-S模糊控制策略。数值分析结果表明，提出的两种控制策略均能有效减小结构的反应。模糊次优Bang-Bang控制策略消除了应用Bang-Bang算法时容易引起结构加速度反应放大的问题，但是实施控制时需要测量结构的全部状态信息，提高了控制成本；而速度输入型T-S模糊控制策略只需测量阻尼器所在层的速度响应，减少了传感器的数量，降低了控制成本。（3）对以压电摩擦阻尼器作为消能减振装置的非线性结构振动控制问题进行了研究。建立了连续Bouc-Wen模型表示的非线性结构控制系统运动方程，在确定压电摩擦阻尼器初始控制力的基础上，应用提出的速度输入型T-S模糊控制策略对非线性结构的振动控制问题进行了分析。结果表明，以连续Bouc-Wen模型描述结构的非线性易于和运动方程相结合，避免了采用折线型关系的恢复力模型对塑性拐点的判断，被动控制时阻尼器的控制力不能根据结构的响应实时改变而可能放大结构的加速度响应，而模糊半主动控制方法使阻尼器能够根据结构的反应施加合适的控制力，有效减小结构响应。（4）研究了多维地震动下偏心结构以压电摩擦阻尼器作为消能装置的振动控制问题。为了同时减小偏心结构的平动反应和扭转反应，在结构水平双向设置压电摩擦阻尼器，对偏心结构在多维地震动下的振动控制问题进行了数值分析。结果表明，多维地震动作用下水平双向设置摩擦阻尼器可以同时减小偏心结构的平动反应和扭转反应，提出的速度输入型T-S模糊策略调节压电摩擦阻尼器控制力的方法能够获得更好的效果。（5）进行了安装压电摩擦阻尼器的钢框架模型结构的振动台试验，检验了提出的压电摩擦阻尼器和控制策略的效果。利用MATLAB／SIMULINK软件平台和dSPACE实时仿真工具建立了基于压电摩擦阻尼器的两层钢框架模型结构的仿真模型，并采用RCP技术对该模型结构进行了地震模拟振动台试验研究，比较分析了不同地震波输入下压电摩擦阻尼器的控制效果。振动台试验结果表明，提出的压电摩擦阻尼器和控制策略非常有效，无论是被动控制还是半主动控制均能减小结构的响应，而半主动控制系统能充分发挥压电摩擦阻尼器的性能，获得更好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 结构减振控制概况
• 1.2.1 被动控制系统
• 1.2.2 主动控制系统
• 1.2.3 半主动控制系统
• 1.2.4 智能控制系统
• 1.2.5 混合控制系统
• 1.3 智能材料与智能结构
• 1.3.1 智能材料
• 1.3.2 智能结构系统
• 1.4 压电材料的基本特性
• 1.4.1 压电效应
• 1.4.2 压电材料的本构方程
• 1.4.3 压电陶瓷驱动器
• 1.5 压电智能减振控制研究进展
• 1.5.1 压电智能主动控制装置
• 1.5.2 压电智能摩擦耗能装置
• 1.5.3 压电智能混合控制装置
• 1.6 本文主要研究内容
• 2 新型压电摩擦阻尼器的试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 新型压电摩擦阻尼器的构造
• 2.3 试验装置
• 2.3.1 压电陶瓷驱动器和驱动电源
• 2.3.2 压电陶瓷驱动电源
• 2.3.3 力传感器
• 2.3.4 压电摩擦阻尼器实物图
• 2.3.5 MTS试验装置
• 2.4 压电摩擦阻尼器MTS试验
• 2.4.1 压电陶瓷驱动器出力性能测试
• 2.4.2 被动状态下压电摩擦阻尼器的性能
• 2.4.3 半主动状态下压电摩擦阻尼器的性能
• 2.4.4 压电摩擦阻尼器耗能特性分析
• 2.5 本章小结
• 3 基于压电摩擦阻尼器的结构控制策略研究
• 3.1 引言
• 3.2 模糊控制的基本知识
• 3.2.1 模糊控制原理
• 3.2.2 模糊逻辑控制系统
• 3.2.3 模糊控制器的设计
• 3.2.4 T-S型模糊控制系统
• 3.3 压电摩擦阻尼结构控制系统运动方程
• 3.3.1 控制系统运动方程
• 3.3.2 摩擦阻尼器工作原理
• 3.3.3 摩擦阻尼器运动状态的判断
• 3.4 模糊Bang-Bang控制策略
• 3.4.1 Bang-Bang控制方法
• 3.4.2 次优Bang-Bang控制方法
• 3.4.3 模糊次优Bang-Bang控制方法
• 3.4.4 模糊控制器参数的确定
• 3.4.5 模糊次优Bang-Bang控制策略的步骤
• 3.4.6 数值算例与分析
• 3.5 速度输入型T-S模糊控制
• 3.5.1 速度输入型T-S控制策略
• 3.5.2 模糊半主动控制方法
• 3.5.3 控制策略的实现过程
• 3.5.4 数值算例与分析
• 3.5.5 能量反应分析
• 3.6 本章小结
• 4 非线性结构利用压电摩擦阻尼器振动控制的研究
• 4.1 引言
• 4.2 结构恢复力模型
• 4.2.1 折线型恢复力模型
• 4.2.2 曲线型恢复力模型
• 4.3 非线性结构控制系统运动方程
• 4.4 模糊控制策略
• 4.4.1 半主动控制率
• 4.4.2 模糊控制器的设计
• 4.4.3 计算步骤
• 4.5 数值算例与分析
• 4.5.1 单自由度结构算例
• 4.5.2 多自由度结构算例
• 4.6 本章小结
• 5 偏心结构利用压电摩擦阻尼器振动控制的研究
• 5.1 引言
• 5.2 控制系统运动方程
• 5.2.1 结构运动方程
• 5.2.2 结构质量矩阵
• 5.2.3 结构刚度矩阵
• 5.2.4 结构阻尼矩阵
• 5.2.5 控制力作用位置矩阵
• 5.2.6 速度观测器
• 5.3 模糊控制策略
• 5.3.1 半主动控制率
• 5.3.2 模糊控制器的设计
• 5.3.3 计算步骤
• 5.4 数值算例与分析
• 5.5 本章小结
• 6 基于压电摩擦阻尼器的结构控制振动台试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验的建立
• 6.2.1 试验模型设计
• 6.2.2 阻尼器的安装与调试
• 6.3 试验装置
• 6.3.1 压电摩擦阻尼器及驱动电源
• 6.3.2 DSPS数据采集系统
• 6.3.3 dSPACE实时仿真系统
• 6.4 结构响应的测量
• 6.4.1 加速度传感器的布置
• 6.4.2 加速度传感器的标定
• 6.5 基于压电摩擦阻尼器的结构控制试验系统
• 6.5.1 试验控制系统的组成
• 6.5.2 试验系统的开发过程
• 6.6 试验结果与分析
• 6.6.1 结构动力特性分析
• 6.6.2 地震动输入
• 6.6.3 试验结果分析
• 6.6.4 试验结果与仿真结果比较
• 6.6.5 能量反应分析
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢