基于智能压电摩擦阻尼器的Benchmark模型风振响应半主动控制.pdf

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1、第26卷第2期华中科技大学学报(城市科学版)Vo1．26No．22009年6月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Jun．2009基于智能压电摩擦阻尼器的Benchmark模型风振响应半主动控制苏原，梅真，董平(华中科技大学a．土木工程与力学学院；b．控制结构湖北省重点实验室，湖北武汉430074)摘要：在改进的Pall摩擦耗能器的基础上设计了一种智能压电摩擦阻尼器，并分析了其阻尼力模型。利用设计出的智能摩擦阻尼器，采用基于经典线性最优控制理论的半主动控制策略对Benchmark模型的风振响应控制进行了研究。结果表明：智能压电摩擦阻尼器对标准风振控制

2、模型的半主动控制效果较为明显，相对于无控结构来说能有效降低结构的风振响应。此外，本文对基于限界Hrovat最优控制算法的半主动控制系统的参数优化进行了分析，说明了该半主动控制系统对Benchmark模型阻尼的不确定性具有很好的鲁棒性，而对刚度的不确定性则表现出一定的敏感性。关键词：智能压电摩擦阻尼器；Benchmark模型；风振响应；半主动控制中图分类号：TU973．32文献标识码：A文章编号：1672-7037(2009)02-0052-05结构风振控制技术是高层建筑结构抗风的一Benchmark模型风振响应半主动控制计算方法，种新途径。目前常用的动力减振装置虽然能在一模

3、拟分析了该模型在顺风向脉动风荷载作用下的定程度上减小结构的风振反应，但都存在一些缺风振响应。点，并且减振效果有限】J。智能压电摩擦阻尼器作为一种主动变阻尼控制装置，它能够根据结1智能压电摩擦阻尼器构减振的要求，利用压电陶瓷驱动器的电致变形改变摩擦片之间的紧固力，可以实时调节阻尼器1．1基本构造的摩擦力J，取得更好的风振控制效果。基于多层式压电陶瓷驱动器和改进的Pall摩本文以风振控制标准模型——Benchmark模擦耗能器所设计出的智能压电摩擦阻尼器的基本型作为研究对象，将压电陶瓷驱动器与普通摩擦构造如图1所示。该半主动摩擦阻尼器通过调节阻尼器相结合，设计了一种智能可调参数

4、摩擦阻压电陶瓷驱动器的电致变形来改变螺栓的紧固尼器，同时建立了该智能可调参数摩擦阻尼器对力，进而实现摩擦力的变化。(a)总装图(b)芯板(C)A—A1．芯板2．嘲弧槽孔3．垫片4压电陶瓷驱动器5滑动螺栓6．横连扳7．竖连扳8．驱动器垫片图1智能压电摩擦阻尼器的构造1．2阻尼力模型度；，v(t)直接与压电摩擦阻尼器的预紧固力和压设作用在阻尼器上的正压力为N(t)，摩擦系电驱动器产生的可调紧固力有关，即数为，则压电摩擦阻尼器的阻尼力模型⋯可以rⅣn(E=0)表示为：Ⅳ({Ⅳ0(E>o(2)t)=(t)sgn[(t)](1)其中，Ⅳ0是摩擦阻尼器的预紧固力，其大小可以式中，是压电

5、摩擦阻尼器滑动片之间的相对速根据结构的需要而定；KEd，是由压电陶瓷驱动器收稿日期：2008-10—16作者简介：苏原(1964一)，男，辽宁人，副教授，研究方向为结构抗震，syuan-027@163．conl。第2期苏原等：基于智能压电摩擦阻尼器的Benchmark模型风振响应半主动控制‘53·的电致变形产生的可调紧固力；d蚋是压电陶瓷驱阻尼器的相对位移(￡)或相对速度(￡)有关。动器的轴向压电应变常数；K为压电摩擦阻尼器本文中智能压电摩擦阻尼器的理论参数如表的形状系数，在材料弹性模量确定的情况下，只1所示，其中摩擦系数／x=0．5，考虑可调紧固力的与驱动器和螺栓的形状有

6、关，可表示为：大小及实际情况，预紧固力取为50kN。如图1所示，压电陶瓷驱动器数量为两个，假定最高电场K=㈩强度为E。=1×10。V／m，可计算出可调紧固力其中，是压电陶瓷的弹性模量；A。是压电陶瓷KEd粥约为220kN，由前面的公式(2)和(3)计算驱动器的横截面积；。是压电陶瓷驱动器的轴向得出本文所提出的压电摩擦阻尼器可提供最高达高度；yl是螺栓的弹性模量；。是螺栓的横截面110kN左右的可调摩擦力。此外，由预紧固力产积；厶是螺栓的有效长度。生的摩擦力为50kN，即该阻尼器最大可提供160式(2)中的电场强度是压电驱动器主动调kN左右摩擦力。节的电场强度，与输入电压有关

7、，而输入电压又和表1智能压电摩擦阻尼器的理论参数通过以上分析可以看出，通过调节压电陶瓷式中，状态向量Z=I．1，A=驱动器的工作电压可以得到结构振动控制所需要的实时控制力，实现结构的半主动控制。[一一[。=]'2Benchmark模型风振响应半主动C。为观测矩阵，l，为观测向量。控制策略式(5)中，控制力可以采用任何一种主动控制算法来求出，本文中采用线性二次型(LQR)2．1总体思想经典最优控制算法来确定。假设全部状态都能观为了能够动态地调整智能压电摩擦阻尼器对测到，选取如下性能目标评价函数：结构的控制力，可先假定