压电摩擦阻尼器自适应控制的抗震分析

摘 要:根据压电摩擦阻尼器反应迅速的特点设计局部速度反馈控制,作为局部控制策略。局部速度反馈控制使压电摩擦阻尼器的摩擦力同阻尼器两端的相对速度成正比,使具有局部速度反馈控制的压电摩擦阻尼器有粘滞阻尼的特点,能够抑制结构位移和速度响应,而且又不会对结构的加速度响应产生剧烈影响。试验结果表明局部速度反馈控制,用于调节压电摩擦阻尼器阻尼特性是十分有效的,它可以使结构在不增加加速度响应的条件下降低结构的位移和速度响应。

压电摩擦阻尼器同其它半主动控制装置一样是一种可控摩擦阻尼器,是对被动控制装置的改进。它利用压电材料电致伸缩的性质,通过调节压电材料所处电场的场强,使压电材料产生驱动力,来控制摩擦阻尼器摩擦面的压力值,从而对阻尼器的耗能性能进行实时的调节,满足其能够对最优控制跟踪的要求。作为一种半主动控制装置,它是通过阻碍结构内部的相对变形来消耗结构振动能量的,而其消耗能量速度又是电可调节的。因此,这种装置可以用来控制结构振动,成为一类很有前景的结构振动控制装置。文献[1]中设计了一种新型压电摩擦阻尼器pall支撑。通过ansys有限元分析,模拟了在各级电压下压电摩擦阻尼器的阻尼特性,并根据结果给出了压电摩擦阻尼器的含电压参数的双线性本构模型。分析结果表明含电压参数的双线性本构模型能够较好的反映压电摩擦阻尼器的阻尼特性,是一种有效的模型。本文在文献[1]的基础上,根据压电摩擦阻尼器反应迅速的特点设计了局部速度反馈控制,作为局部控制策略。局部速度反馈控制使压电摩擦阻尼器的摩擦力同阻尼器两端的相对速度成正比,使具有局部速度反馈控制的压电摩擦阻尼器具有粘滞阻尼的特点,使其能够抑制结构位移和速度响应,而且又不会对结构的加速度响应产生剧烈影响。试验结果表明局部速度反馈控制,用于调节压电摩擦阻尼器阻尼特性是十分有效的,它可以使结构在不增加加速度响应的条件下降低结构的位移和速度响应。

1 局部速度反馈自适应控制律

对于压电摩擦阻尼器的使用的一个重要的环节,就是振动控制设计。自适应控制是现代控制理论的一个分支,自适应是指生物能够改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。自适应控制器能够修正自身特性,以适应对象特性和扰动特性的变化。

自适应控制律设计法以响应要求为设计目标,对动力响应的控制来说是一种直接方法。当然,作为自适应控制本身还有特殊的功能,如跟踪系统参数的变化,在线识别功能和自我调整能力,因此自适应控制有很大的适用性。

压电摩擦阻尼器的特点

在设计控制律之前,我们分析压电摩擦阻尼器在控制结构振动时的工作特点。只有根据压电摩擦阻尼器的特质,才能设计出合适的控制律。摩擦阻尼器是通过摩擦面之间相对滑动来消耗结构振动能量的。如果摩擦面之间不发生相对滑动,那么摩擦阻尼器就无法消耗结构振动能量。摩擦阻尼器就无法发挥其作用。所以对摩擦阻尼器来说,控制律如果能够按照位移反馈信息,在保持和增大可控摩擦阻尼器摩擦面相对滑动的同时增大摩擦面的压力提高摩擦力的大小以达到增加耗能的目的,那么这样的控制律对于可控摩擦阻尼器来说就可以认为是相宜的。

为了保持摩擦阻尼器的相对滑动,可以使用控制计算机对对象的状态进行实时监测,并将振动过程的每一时刻都进行分析,最后按照一定的控制律来控制摩擦面的压力。“速度反馈控制”这一控制律就可以实现这一要求。速度反馈控制律根据摩擦面之间的相对位移速度来调节摩擦面的压力值的大小,如果摩擦面之间的相对速度为零,就表明摩擦阻尼器提供的压力过大,摩擦面未发生相对滑动。如果这时减小压电材料的电压,使摩擦面的压力减小,就可以使摩擦面提供的摩擦力相应随之减小,以此来促进摩擦面的滑动。经过几个监测—控制周期,摩擦面就会调节到滑动状态。

上述速度反馈控制律虽然可以保证摩擦阻尼器的有效性,但是由于速度反馈要求,每一个控制信号的产生,要将结构的位移速度等信息实时传递给控制计算机,并由控制计算机分析位移和速度的信息,处理各个摩擦阻尼器的滑移和结构优化控制的问题,最后再发送控制信号至摩擦阻尼器。完成这样一个复杂的过程需要很长时间,另外为达到要求的控制精度将导致动作过于频繁,因此在这种控制方式下很难避免控制信号的时滞问题。如果能将保证摩擦面滑移和结构优化控制这两个问题分开处理,那么既可以保证压电摩擦阻尼器的耗能效率,又可以优化处理结构振动控制的整体优化问题,更重要的是这样的控制律信息处理更为简洁,减小了控制信号的时滞。为此,我们引入一个控制律即“局部速度反馈自适应控制律”。