结构控制:过去、现在和未来外文翻译资料

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4.3半主动控制系统

基于半主动装置的控制策略似乎结合了被动控制系统和主动控制系统的最佳特点，并且最有可能在短期内被美国的从业人员接受，控制技术是保护土木工程结构系统不受地震和风载荷影响的可行手段。半主动控制装置在不需要大功率电源的情况下，具有主动控制装置的适应性，近年来得到了广泛的关注。 事实上，许多电池可以使用电池供电，在地震事件中，当结构的主电源可能失灵时，电池供电是至关重要的。

根据目前公认的定义，半主动控制装置是一种不能将机械能注入被控结构系统(即，包括结构和控制装置) ，但具有可以控制以最佳地减少系统响应的特性的装置。 因此，与主动控制装置相比，半主动控制装置不具有(在有界输入 / 有界输出意义上)使结构系统变得不稳定的潜力。 初步研究表明，适当实施的半主动系统的性能明显优于无源装置，并有可能实现全主动系统的大部分性能，从而有可能在一系列广泛的动态载荷条件下有效减少响应(dyke 等人，1996a)。 本节将讨论这些装置的例子，包括可变节流阻尼器、可控摩擦装置、可变节流装置、可控调谐液体阻尼器、可控液体阻尼器和可控冲击阻尼器。

4.3.1可变孔板阻尼器

实现可变阻尼装置的一种方法是使用一个可控的、机电的、可变孔板的阀门来改变传统液压流体阻尼器的流动阻力。 这种装置的示意图见图23。 应用这种类型的可变阻尼装置来控制桥梁在地震作用下的运动的概念，是由 feng 和 shinozuka (1990)和 kawashima 等人(1992)首先讨论的。 随后，纽约布法罗的国家地震工程研究中心对可变孔板阻尼器进行了研究(shinozuka 等人，1992年; symans 等人，1994年; symans 和 constantinou，1996年)。 Sack 和 patten (1993)进行了实验，在单车道模型桥梁上安装了带有可控节流孔的液压驱动器，以消散车辆行驶引起的能量[参见 patten et al. (1994a)]。 图24显示了一个由 sack 和 patten 在俄克拉荷马州1-35号州际高速公路的一座桥上进行的全尺寸实验，来演示这项技术。 这次试验是美国第一次全面实施结构控制[国际结构控制协会通讯(1997)]。 可变孔板阻尼器在控制地震激发的建筑物方面的有效性已经通过模拟和小规模的实验研究得到证实(hrovat 等人，1983年; mizuno，1992年; sack 等人，1994年; patten 等人，1994b; kurata 等人，1994年; liang 等人，1995年)。 Kobori et al. (1993)、 kamagata 和 kobori (1994)在一个主动变刚度系统中实施了一个全尺寸可变孔板阻尼器，以研究主动变刚度系统的自适应控制方法。这些分析和实验研究的结果表明，该装置是有效的减少结构响应。

4.3.2 可变摩擦阻尼器

利用表面摩擦产生的力来消散结构系统中的振动能量的各种半主动装置已被提出。 Akbay 和 aktan (1990,1991)和 kannan 等人(1995)提出了一种可变摩擦装置，该装置由一根摩擦轴刚性连接到结构支撑上。 在摩擦界面的力量是调整允许在控制的数量滑动。 不列颠哥伦比亚大学也考虑过类似的装置(dowdell and cherry 1994a，b; cherry 1994)。 通过分析研究，研究了这些半活动装置减少地震激励结构层间漂移的能力(dowdell 和 cherry 1994b)。 此外，冯等人(1993)和杨等人(1994)还将半主动摩擦可控流体轴承与隔震系统并联使用。 Hayen 和 iwan (1994)研究了结构系统的主动界面阻尼响应控制问题。

4.3.3可控调谐液体阻尼

另一种半主动控制装置利用晃动液体或液柱的运动来减小结构的响应。 这些液体阻尼器是基于被动调谐晃动阻尼器(tsd)和 tlcd。 就像 tmd 一样，tsd 利用晃动水箱中的液体来增加结构系统的阻尼。 类似的，在 tlcd 中，移动的物体是一个液体柱，它是由结构的振动驱动的。 因为这些被动式系统的设计是固定的，所以它们在各种载荷条件下都不是很有效，研究人员正在寻找这些装置的半主动替代品，以提高它们在减少结构反应方面的效率(kareem 1994; yeh 等人1996)。 Lou 等人(1994)提出了一种基于被动 tsd 的半主动装置，在这种装置中，晃动水箱的长度可以改变装置的特性。 Haroun 等人(1994年)提出了一个半主动设备的基础上，tlcd 的可变孔。

4.3.4可控流体阻尼截至目前，本节所讨论的半主动控制装置都采用了一些电控阀门或机构。 这样的机械部件在可靠性和维护方面会有问题。 另一类半主动装置使用可控液体。 可控流体装置的优点是它们除了活塞之外不包含任何运动部件，这使得它们非常可靠。 可控流体的本质特征是当它们暴露在电场(流体)或磁场(流体先生)中时，它们能够可逆地从自由流动的线性粘性流体变为半固体，其屈服强度在毫秒内可以控制。 可控阻尼器的两种可行的竞争者是: (1)电流变液(er)和(2)磁流变液(先生)。 虽然 er 和 mr fluid 的发现可以追溯到20世纪40年代晚期(winslow 1947; winslow 1949; rabinow 1948) ，但迄今为止的研究项目主要集中在 er fluid 上。 许多 er 流体阻尼器(见图25)最近已经被开发、建模并用于土木工程应用(ehrgott and masri 1992,1994a，b; gavin et al. 1994a，b; gordaneet al. 1994; leitmann and reithmeier 1993; makris et al. 1995; mcclamroch and gavin inejad 1995; masri et al. 1995)。 最近开发的液体先生似乎是一种有吸引力的替代 er 液体用于可控流体阻尼器(carlson 1994; carlson and weiss 1994; carlson et.al。 199?) . 先生流体是电磁流体的磁性类似物，通常由微米大小的磁极化微粒组成，分散在载体 m ~ dium 中。 硅油。 当磁场作用于流体时，颗粒链形成，流体变成半固体，表现出与流体相似的粘塑性行为。 过渡到流变平衡可以在几毫秒内实现，允许构建具有高带宽的设备。 此外，carlson and weiss (1994)指出，fluid 先生可达到的屈服应力比 er 先生高出一个数量级，而且 fluid 先生可以在 -40 °c 至150 °c 的温度下工作，屈服应力只有轻微的变化。 此外，流体先生对制造和使用过程中经常遇到的杂质并不敏感，而且在普通流动条件下，流体先生很少进行粒子 / 载体流体分离。 此外，更多的添加剂(表面活性剂、分散剂、摩擦改性剂、抗磨剂等)可与先生的流体一起使用，以提高稳定性、密封寿命、轴承寿命等，因为电化学不影响磁极化机制。 流体先生可以很容易地控制与低电压(例如，12-24v) ，电流驱动的电源输出只有1-2安培。 先生设备在土木工程中的应用前景看起来相当光明。 Spencer 等人(1996,1997)和 dyke 等人(1996a-c)已经进行了一些试验性研究，以评估 mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr mr。 Dyke 等人(1996a-c)通过模拟和实验室实验表明，mr mr 阻尼器与最近提出的加速度反馈控制策略结合使用，在减少地震反应方面明显优于类似的被动配置的 mr 阻尼器。 此外，卡尔森和斯宾塞(1996年)和斯宾塞等人(1997年)的全尺寸设计报告，2()。 . Mr mr mr mr mr mr mr 表明这项技术可以扩展到适用于土木工程应用的设备上。 在设计速度下，该装置产生的力的动态范围大于10，并且该装置所需的总功率仅为20-50瓦。更多关于 er 和 devices 先生的信息可以在第6节中找到。

4.3.5半主动冲击阻尼器已经存在多年，已经成功地应用于汽轮机和齿轮箱的减振降噪。 马斯里和杨(1973)对冲击阻尼器在地震激励下的性能进行了研究。 Masri (1972)对类似于具有运动限制停止的动态振动中和器的非线性辅助质量阻尼器进行了分析和实验研究。 结果表明，通过结合动态振动中和器、兰彻斯特阻尼器和冲击阻尼器的特点，设计合理的设备可以减轻上述被动阻尼器固有的一些缺陷，并具有优于传统形式的响应特性。 对随机激励下的多粒子阻尼器(papalou 和 masri 1996)的研究表明，可以实现显著的减振。 在。 具有相对较小的多质点阻尼器的轻阻尼系统。 总质量相同的单粒子阻尼器在某些频带可以更大程度地减少振动，但在其他频带可能几乎没有或几乎没有影响(masn 和 caughey 1966; masri 1969)。 为了弥补这一缺陷，对冲击减振器采用了半主动控制，只允许有利的影响(caughey 和 karyeaclis，1989年; masri 等人，1989年，1994年)。 结果表明，在线参数控制算法适用于对系统结构缺乏详细了解的情况，该方法只需在附加的冲击阻尼器附近进行局部测量，以确定各冲击阻尼器间隙的演变，从而优化各冲击阻尼器的减振效率。

4.3.6半主动控制算法

由于半主动控制装置具有本质非线性的特性，因此半主动控制算法是一种有效的控制方法。 开发切实可行并能充分利用这些独特设备的能力的控制策略是一项重要和具有挑战性的任务。 为了利用半主动器件的特殊性能，已经开发了各种非线性控制策略。 包括 bang-bang control (mcclamroch and gavin 1995; mukai et al. 1994)。 截断最优控制(patten et al. 1994a。 1996a). 双态控制(patten et al. 1994)。 模糊控制方法(sun 和 goto 1994)。 以及自适应非线性控制(kamagata 和 kobori，1994)。 Caughey (1993)提出了一种可变刚度系统，该系统采用半主动的 reid 弹簧(reid 1956)作为结构元件，可以为非常小的控制能量消耗提供大量的阻尼。 另一个重要领域是系统集成研究。 结构系统是单个结构部件的复杂组合。 将半主动控制策略直接集成到这些复杂系统的基本设计中，可以提供性能提高与建设成本和长期效果的最佳组合。 一旦半主动控制系统的优势得到充分认识。 未来的一个主要任务是制定补充现有标准的原型设计标准或规范。

5. 结构控制传感器

5.1介绍

结构控制和设计面临的问题之一是对结构地震振动中的实际应力和应变知之甚少。 例如。 标准的地震记录是由结构楼板的运动记录的，而没有记录结构构件的实际应力和应变。 需要特殊的传感器来确定结构构件的实际性能。 需要开发用于结构控制的特殊类型的传感器，并实施传感器的安装。 结构控制应用需要集成的传感器功能，以衡量外部环境条件的变化。 信号处理功能。 过程。 结合多传感器和多测量信息。 以及执行器功能，以在给定的环境中产生材料或结构的适当响应。 传感器。 执行机构。 在这些材料和结构中建立的信号处理功能可以从今天离散实现和简单控制的系统发展到未来的系统，在这些系统中，传感器和执行器的功能可以在微尺度上实现，分级材料系统控制是通过多级信息和信号处理来实现。 为近期和未来的智能材料系统都需要传感器来确定机械。 电磁的。 化学的。 以及主机材料和周围环境的其他特性，以便自动允许所需的适应性材料响应。 取决于涉及材料的特定工程应用。 可能需要关于材料和环境的单一或多变量传感器参数信息。 物料或结构控制系统所决定的空间及时间解析度。 然后需要单个传感器和仪表化传感器系统来提供这种复用信息。

5.2用于结构控制的传统电子传感器

本节简要回顾了几种常规电基传感器方法的基本性能和相应的局限性，这些方法通常用于向智能机械材料和结构控制系统提供短规格长度传感器输入信息。 传感器已经用于结构系统的分析和控制几十年了。 以最简单的形式。 传感器可以被认为是线性系统元素，转换输入结构信息 x (t)。 比如说拉伤。 输出电信息 y (t)。 例如时变的电压或电流。 这里假设传感器有一个灵敏度 m，决定了输入和输出函数之间的比例。 这个系统元件的传递函数的性质很重要。 因为它们决定了传感器在智能材料和结构应用中可能的用途范围。 理想的传感器元件有一个输出响应，完全是线性和噪声无。 在传感器的动态工作范围内不变的大灵敏度 m。 瞬时响应时间和相应的大频带宽度。 和无限精细的分辨率。 典型地。 传感器元件具有非理想的传递特性，从而限制了智能材料系统对精确结构定位控制的影响。 电子和光学应变传感器的方法，这里考虑。 额外的重要限制是由传感器元件的几何形状及其对物理变形的机械响应造成的。 例如。 因为应变传感器产生的输出信号与物理变形的百分比有关。 它们可能对机械应力或热膨胀和收缩引起的变形作出反应。 这种对应变和温度的交叉敏感性有效地在应变计系统中产生了明显的噪声和漂移。 同样地。 由于泊松效应，材料上的单向应力通常会产生多维应变场。 连接到材料上的传感器元件可以响应应用应力方向上的应变以及垂直应变分量。 这种附加的应变场交叉敏感性可能会进一步限制某些应变传感器方法的适用性。

5.3电阻箔式应变计

多年来，电阻应变片一直被用于材料和结构的分析(perry 和 lissner 1962; dally 和 riley 1978)。 它们是基于半导体材料或金属线的电阻变化。 或者薄膜来响应相应的尺寸变化。 也许今天最广泛使用的是粘结金属箔网格应变计。 我们在这里讨论。 这种压力表的金属箔图案采用传统的电子印刷电路卡技术制造，以相对较低的加工成本实现重复标注尺寸和材料特性。

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