土木工程结构振动主动控制技术发展探析

土木工程结构振动主动控制技术发展探析

贾皓

61032119910315601X

摘要：根据外来能源输入的标准，可以把土木工程结构控制分为主动控制、被动控制和混合控制几类。目前常用的有源控制技术有控制力型、结构性能可变型（包含半有源）；一般采用的是基础隔振、耗能吸能的减振技术；而混合控制则是主动和被动两种不同的组合。在许多学者的长期不懈努力下，有关技术发生了巨大的改变和更新。随着技术的不断发展，这种控制技术的应用将会越来越多地体现在实践中，实践证明，半主动控制和混合控制技术的实验将会越来越广泛，并逐渐走向实用化。

关键词：土木工程；结构振动；主动控制技术；发展

1.结构振动主动控制基本方法

1.1.结构振动主动控制作动器

作动器是主动控制系统中按照预定控制规律对受控结构施加控制力的重要部件。适用于土木工程结构振动主动控制的作动器有响应速度稍慢但控制力较大的液体作动器，和响应速度较快但控制力稍弱的电气作动器，具体主要有张力索、主动调谐质量阻尼器（ATMD）、采用惯性质量执行器和智能材料的主动振动控制技术等。张力索是由液压机驱动的拉索，已经应用于土木工程结构抗震并取得了一定的减震效果，有研究表明其可以减40%的地震响应。由于液压机驱动响应速度稍慢，在控制过程中时滞效应较为明显，这对控制结构的动态特性常有不利影响。主动调谐质量阻尼器近年来发展较快，应用较多，它是由调谐质量阻尼器（TMD）发展而来的。

TMD又是从早期的吸振器演化而来。吸振器可以简单地描述为一个较小的质点，与主质量体相连，在其受简谐载荷作用时，其振动也会随着其振动而发生，自身振动频率与其固有频率相一致时，其仍处于完全静止状态。基于该模型， TMD综合考虑了质量比、阻尼比、频率比等因素，并进行了多目标优化设计。ATMD在保持 TMD优势的同时，能够通过主动调整自身的振动频率，使之适应于结构在非线性状态下的动态变化。ATMD的不足之处在于它需要消耗巨大的能量来驱动执行机构，而且必须进行例行的维修，这样成本高昂，所以提高其经济性就成了一个主要的问题。

采用惯性质量执行器的主动振动控制技术在民用结构中得到了一定程度的认可。最近的研究表明，该技术在减轻行人结构，如地板和人行桥的人为激励方面的有效性。然而，惯性质量执行器的使用存在一些缺点，需要加以解决。使用惯性执行器的主要缺点之一是它们的行程饱和非线性，当行程饱和现象发生时，惯性质量沿行程过度运动击中执行器的末端，会破坏系统的稳定，甚至损坏执行器。有学者提出了一种新的速度反馈控制策略，基于惯性质量测量位移的比例导数（PD）控制器（第一内环）和基于执行器质量位移超范围实现的DVF增益修正器（第二内环）被添加到直接速度反馈（DVF）控制回路中，当惯性质量位移被预测超过一定的极限时，这自适应地降低了DVF增益，其增益与位移比的过程成正比。研究证明了所提出的控制策略的有效性，执行器质量的位移保持在行程范围内，同时保持了满意的控制性能。

1.2.结构振动主动控制系统

主动控制系统可根据观测量分为开环控制系统、闭环控制系统以及开闭环控制系统。开环控制系统需要预先确定激振力与控制力之间的对应关系，通过前馈传感器测得激振力，从而计算出作动器应施加的控制力。开环控制系统的优点是在线计算量较小，缺点是抗干扰能力较差，对传感器的测量精度、计算机元件的质量以及作动器的出力精度要求较高。闭环控制系统中，则要通过反馈传感器测量结构的振动反应，并将其反馈回路控制器，从而计算系统的控制力。由此可见，闭环控制有较强的抗干扰能力，但在线计算量较大。实际应用中，多采用两者相结合的开闭环控制。当外激励作用于结构上时，前馈传感器在线测量结构的振动反应，将信号传至A/D转换器。在此处模拟信号转换为数字信号，而后传给计算机。计算机将数字信号转换为标量，从而得到结构的振动反应，并按照既定控制程序处理得出控制力。控制力的数字信号通过D/A转换器转换回模拟信号并传至作动器，作动器依照指令对结构施加控制力。此时反馈传感器测得施加控制力后的结构振动反应传至A/D转换器，再经过上述流程进行新一轮的控制，直至结构的振动反应衰减至传感器的输入信号为零时停止。

在实际工程中，人们希望能够以最小的能耗实现最优的控制效果，因此应用各种优化控制理论研制出的最优控制器出现了。目前实验研究中常用的最优控制器有线性二次调节器（LQR）、线性二次高斯（LQG）调节器和H无穷回路整形（H-infinity）控制器等，其中，LQR利用状态和输出反馈控制律计算最优控制增益；LQG调节器通过考虑过程和测量噪声，计算卡尔曼增益，并结合LQR进一步得到卡尔曼增益；H-infinity控制器通过考虑加权函数进行设计，将系统响应和误差信号保持在规定的公差范围内。对于一般悬臂梁等结构，H-infinity控制具有较好的鲁棒性。地震往往是人们最关心的激振力来源，有学者提出了结构在地震作用下主动控制的瞬时最优控制性能指标，将绝对速度项和绝对位移项应用于传统的状态向量项，最终得到性能指标表达式，并将所提出的性能指标的地震响应降低有效性与线性二次调节器控制

（LQR）进行了比较。有研究表明，其性能指标在衰减结构振动方面与LQR一样有效，并且由此产生的性能指标不需要像LQR那样对地震激励的先验知识，也不需要LQR的非线性Riccati矩阵方程解。

2.研究热点与方向

土木工程结构的主动振动控制技术是多学科交叉的产物，针对这一技术的发展趋势进行了分析。

2.1.传感器与作动器的类型

为了解决诸如时滞效应对振动控制的影响等问题，需要有新材料、新技术用于传感器和作动器的开发。如压电材料具有正逆压电耦合效应，就其精确度和反应速度而言是良好的传感器和作动器，但其作为作动器产生的控制力太小，目前仅在轻型结构中有所应用，如何应用于土木工程其他领域还有待研究。

2.2.传感器与作动器的位置

要以较少的能耗实现控制的目的，传感器、作动器位置布局的优化选择就显得尤为重要，这需要我们对结构振动规律有充分的认识，能够选择合理的优化方法。

2.3.控制器和控制理论的优化

目前已经存在很多结构主动控制算法，如线性最优控制算法、瞬时最优控制算法、独立空间模态控制算法、H∞状态反馈控制算法等，随着控制论的发展，也会有更多的新算法出现，如何应用这些算法制造出实际可用于工程的控制器和控制系统是值得研究的问题。

2.4.经济成本问题

代价昂贵是限制主动控制技术推广使用的很大原因，目前兴起的半主动控制技术和混合控制技术在一定程度上解决了这一问题，但还需要更深入的研究。

3.结束语

综上所述，振动主动控制技术在土木工程领域的应用日趋成熟，控制理论与工程实践的密切结合使其有着磅礴的生命力，同时新材料、新技术的应用对该技术的发展有着重要的影响，其在未来仍有较高的研究价值。

参考分析

[1]王迎春,马石,李彦,徐伟.主动控制技术在船舶振动噪声控制中的应用[J].海军工程大学学报,2021,33(04):56-64+94.

[2]包杰宗.建筑工程结构振动控制技术探究[J].建材与装饰,2020,(06):12-13.

[3]古龙,闵捷.船舶振动噪声控制技术的现状与发展[J].舰船科学技术,2019,41(23):1-5.

[4]阳桥.关于土木工程结构振动控制技术的探讨[J].建材与装饰,2019,(18):4-5.