[01371266]结构振动的电磁驱动主动控制系统及其应用

(1)提出了一种新型的结构振动AMD控制系统--电磁驱动AMD系统。从经典物理学电磁场理论、电路克希霍夫定律和量纲类比分析三个角度出发,推导并建立了以相对速度和控制输入电压为输入变量的电磁驱动AMD控制系统力电关系模型。分别进行了开环和闭环控制下电磁驱动AMD系统的性能试验,实测结果表明它是一种响应迅速、在低频小电压下近似线性工作的作动器。基于试验结果与理论模型预测结果的比较,证实了所建立的力电关系模型在低频、小电压范围内是准确、可靠的,从而为利用该系统进行结构模型的振动控制试验奠定了基础。 （2） 针对结构振动采用电磁驱动AMD系统控制,进行了结构比例模型的振动台试验。结果表明：电磁驱动AMD系统对结构在地震作用下的加速度响应、在共振区内的位移和加速度响应都有显著的控制效果,验证了电磁驱动AMD系统控制结构振动的有效性;考虑结构刚度参数变异,进行了结构振动的鲁棒控制试验,试验结果证实了电磁驱动AMD系统具有良好的控制鲁棒性。此外,提出了电磁驱动AMD系统控制结构振动基于极点配置算法的简单、易行的控制策略,试验结果证实了该方法的有效性。 （3） 针对结构振动与电磁驱动AMD控制系统的相互作用影响,提出了是否考虑电磁驱动AMD系统与结构相互作用的三种计算模型。理论模型与试验结果的比较表明：考虑高阶相互作用的模型能够最准确地反映AMD系统在结构中的真实工作状态,考虑低阶相互作用效果较差,不考虑相互作用效果最差。以El Centro波输入为例,试验比较了是否考虑相互作用对AMD控制结构地震响应控制效果的影响,结果表明：是否考虑相互作用对结构位移的控制效果基本没有影响;但是考虑高阶相互作用对结构加速度的控制效果最好、考虑低阶相互作用效果次之、不考虑相互作用效果最差。 （4） 提出了表征AMD控制力方向特点的定量指标,分别以SDOF模型和76层Benchmark抗风结构为对象,系统地进行了AMD控制力特性的数值计算分析,结果表明：AMD主动控制力的特性明显依赖于外界（荷载、控制算法、系统配置等）参数的变化而变化,多数情况下只有约50%的控制力与质量块相对运动速度反向（表现为阻尼力）,因此不能采用半主动变阻尼控制取代主动作动器,实现AMD主动控制。此外,由于AMD控制将反作用力作用到了质量块上,它以牺牲质量块的行程换取假想的“固定端”反力支撑点,因此从实现难度上讲它比设置毗邻反力墙控制方案更容易,从控制效果代价比上讲它比结构层间主动控制更优越,例如,基于Benchmark模型的控制方案比较结果表明：AMD控制只需要不到1%的代价,就可以换取与结构层间主动控制相接近的控制效果。 （5） 以4个典型的重大工程结构为对象,进行了AMD控制实际工程结构振动的分析和设计,这些结构的代表性体现在：结构动力特性各不相同、面临的环境荷载各不相同。分析结果表明：AMD控制实际工程结构振动的位移和加速度响应都是有效的,说明了AMD控制工程应用的广泛适用性。此外,大量的分析计算结果表明：AMD控制结构加速度响应的效果要好于对位移的控制效果;控制时域均值（RMS）响应的效果要好于峰值。这说明采用AMD控制高层结构的风致振动反应是十分合适的,因为高层结构振动控制最关心的问题就是如何有效地降低结构的加速度反应,提高居住、使用的舒适度;另外,RMS控制效果好于峰值效果说明采用AMD控制可以有效缓解结构长期风振的疲劳效应,延长结构使用寿命。最后,国际上首次将自主研发的电磁驱动AMD风振混合控制系统成功应用于广州新电视塔（总高600米）,取得了显著的结构抗风振动控制效果。 （6）结构振动智能控制系统：提出了悬挂结构系统基于智能可控流体阻尼装置的半主动控制策略与控制算法,研制了基于多物理场耦合效应的智能振动控制系统,包括压电摩擦阻尼器、磁流变可控流体阻尼器、形状记忆可恢复变形阻尼器等,形成的控制系统已应用于海洋工程结构的抗风浪流抗震设计。