主動質(zhì)量阻尼器(AMD)

1、主動質(zhì)量阻尼器（AMD） 概述 v隨著建筑結(jié)構(gòu)的高度不斷增高、結(jié)構(gòu)體系不斷趨于 復雜,再加上地震、臺風等自然災害的不可預知性, 結(jié)構(gòu)抗震、抗風設(shè)計也遇到了新的挑戰(zhàn)。我國沿海 地區(qū)超高層建筑一般以風控為主,強風作用下結(jié)構(gòu)可 能會出現(xiàn)舒適度超標,甚至會造成結(jié)構(gòu)及附屬構(gòu)件損 壞。大量理論研究和實踐證明,主動質(zhì)量阻尼器AMD 控技術(shù)能夠有效地增加結(jié)構(gòu)阻尼,減小超高層結(jié)構(gòu)風 致振動和地震響應(yīng)。因此,應(yīng)用 AMD 控制技術(shù),減輕 結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的響應(yīng),提高建筑舒適性,對提 高建筑使用性能和品質(zhì)有重要意義。 目錄 v1.基本概念，歷史，現(xiàn)狀。 v2. 原理 v3. 裝置 v4. AMD工作流程 v5.主

2、動控制算法 v6. 存在的問題 v7. 研究展望 基本概念 v主動質(zhì)量阻尼器(active mass damper,AMD) 是將結(jié)構(gòu)響應(yīng)的反饋和或結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵位置處 外激勵的前饋,經(jīng)計算機分析處理向驅(qū)動器(連 接質(zhì)量塊和結(jié)構(gòu))發(fā)送適當?shù)男畔?于是驅(qū)動器 對抗質(zhì)量塊將慣性控制力施加于結(jié)構(gòu)實現(xiàn)振 動控制. 歷史 v自從美籍華裔學者 J.T.P.Yao 于 1972 年首次 提出結(jié)構(gòu)控制的概念之后，結(jié)構(gòu)控制引起了 世界各國的高度重視，經(jīng)過 30 多年的不斷發(fā) 展和完善，并且在大量實際工程中得到了較 廣泛的運用。在高聳結(jié)構(gòu)風振控制方面，主 要以被動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和主動質(zhì)量阻尼器 的應(yīng)用居多，而且技術(shù)成

3、熟可靠。 國外研究狀況 v在裝置的試驗研究方面，1987 年日本 Aizawa等人完成了小比例四層鋼框架模型頂 層設(shè)置 AMD 系統(tǒng)的主動控制實驗；同年， 日本 Kobori 等人完成了 1：4 鋼框架模型頂 層設(shè)置 AMD 系統(tǒng)的主動控制實驗； v1988 年美國 Soong 等人完成了1：4 鋼框架 模型頂層設(shè)置 AMD 系統(tǒng)的主動控制實驗。 這些實驗和結(jié)果顯示了AMD 系統(tǒng)良好的性能 和控制效果。 v在裝置的實際工程運用方面，1989 年，日本 Kajima 建筑公司建成了世界上第一座采用 AMD 系統(tǒng)的 11 層辦公大樓京橋成和大廈， 用于控制結(jié)構(gòu)的風振和中等地震作用的反應(yīng)。 日本大阪

4、Applause 塔上安裝了 1個質(zhì)量重達 480t 的 AMD 系統(tǒng)，其慣性質(zhì)量直接采用了 該建筑上的直升機停機坪臺使用了2個 5t的作動器，該系統(tǒng)給結(jié)構(gòu)附加的阻尼比 為 1.4%-10.6%。同樣，在大阪 Herbis大 廈也安裝了 2 個懸吊 AMD 結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。 該大樓總高 190m，每個 AMD 裝置的慣性 質(zhì)量為 160t，懸吊桿長度為 3.2m，裝置自 振周期為 3.6s，主動控制出力為5t，控制 沖程為 300mm，最大控制力為 6t，最大沖 程為 500mm。 國內(nèi)研究狀況 v在裝置的試驗研究方面： v 哈爾濱工業(yè)大學劉季、宋根由等人率先在我 國開展了結(jié)構(gòu)振動主動控制試驗研

5、究,完成了 5 層 1:4 模型框架的 AMD 振動控制實驗。 v 歐進萍等人研究了海洋平臺振動的 AMD 控 制仿真分析及 1:10 模型平臺結(jié)構(gòu) AMD 控制 的地震模擬試驗臺試驗。 v在裝置的實際工程運用方面： v中國與美國合作并于 2001 年實現(xiàn)的南京電 視塔風振控制的 AMD 系統(tǒng),是我國國內(nèi)第一 個采用 AMD 控制系統(tǒng)的實際工程。 v近年來,越來越多的超高層建筑采用了該裝置, 如上海環(huán)球金融中心,在第90層安裝了兩臺各 重250噸的慣性質(zhì)量塊,它不僅能使強風作用 下建筑物的加速度反應(yīng)降低,地震時,還能有效 地減小建筑結(jié)構(gòu)在地震時的響應(yīng)。 v廣州新電視塔塔高 618 米,其主塔體

6、高 454 米,天線桅桿高 164 米,形狀高挑纖細,固有 周期達 10.01s 秒,該工程采用了混合質(zhì)量阻 尼器方案,以改善電視塔結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下 的使用舒適性及安全性。該方案由哈爾濱 工業(yè)大學深圳研究生院負責其中的 AMD 主 動控制部分。 AMD控制原理 v結(jié)構(gòu)振動的 AMD 控制系統(tǒng)由傳感器(包括數(shù)據(jù)采集 器)、控制決策器和 AMD 裝置等三部分組成。這三 個部分與結(jié)構(gòu)一起組成的系統(tǒng),稱為結(jié)構(gòu) AMD 控制 系統(tǒng)。 v AMD 系統(tǒng)實施控制時,傳感器子系統(tǒng)測量結(jié)構(gòu)的干 擾或響應(yīng),并反饋至計算機;控制器按照計算機設(shè)定 的某種主動控制算法,實時計算主動控制力,并驅(qū)動 AMD 系統(tǒng)的作動器;

7、然后作動器推動 AMD 的慣性 質(zhì)量運動,對結(jié)構(gòu)施加控制力。 AMD與TMD的區(qū)別 v與被動控制相比，AMD等主動控制方式有以 下三個優(yōu)點： v1）提高了控制的有效性。 v2）適用于多用途減震，如風振或地震。 v3）可以選擇控制目標，如控制結(jié)構(gòu)某個關(guān)鍵 振型的響應(yīng)（位移、速度或加速度響應(yīng)）， 或結(jié)構(gòu)頂點位移、結(jié)構(gòu)基底彎矩以及基底剪 力等。 vAMD主動控制體系，除了被控結(jié)構(gòu)外，其主 動控制系統(tǒng)由三部分組成： v（1）質(zhì)量阻尼剛度裝置：包括質(zhì)量塊，剛度 彈簧和阻尼器。 v（2）驅(qū)動裝置和液壓源：包括伺服閥、驅(qū)動 器、反饋傳感器液壓源及管路。 v（3）計算機及控制系統(tǒng)，這是整個主動控制 系統(tǒng)的核心

8、部分，包括： v 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：裝設(shè)在結(jié)構(gòu)和地面上的傳 感器。 v 濾波調(diào)節(jié)器：對采集的信號進行濾波、放大、 調(diào)節(jié)。 v 模擬微分器：對振動反應(yīng)信號（位移、速度、 加速度）進行微分轉(zhuǎn)換。 v（4）計算機：A/D轉(zhuǎn)換（模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號）； 數(shù)字信號實時處理（按控制算法）； v D/A轉(zhuǎn)換（數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號）。 v（5）伺服控制器：將模擬信號(u)與反饋信號(u*) 進行對比、放大，對伺服閥及驅(qū)動器進行控制。 AMD主動控制系統(tǒng)的工作流程如下： v （1）數(shù)據(jù)采集：地面和結(jié)構(gòu)在地震激勵下 發(fā)生振動反應(yīng)（位移、速度、加速度），通 過傳感器進行在線測量。 v （2）數(shù)據(jù)處理和傳輸：傳感器

9、測得的振動 反應(yīng)的信號，經(jīng)濾波、放大、調(diào)節(jié)、模擬微 分處理等，傳輸至計算機系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器。 v（3）A/D轉(zhuǎn)換：把電壓模擬信號（Analog） 轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字信號（Digital）。 v （4）控制計算：計算機把電壓數(shù)字信號經(jīng) 過標量變換，轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)的位移、速度。照 預設(shè)的控制算法，把結(jié)構(gòu)控制增益矩陣與結(jié) 構(gòu)狀態(tài)向量相乘，計算出控制力（U）。 v（5）D/A轉(zhuǎn)換：把控制力（U）的電壓數(shù)字 信號（Digital）轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(Analog)， 并作為指令 信號傳輸至伺服控制器。 v（6）伺服控制：伺服控制器與驅(qū)動器的反饋傳 感器 相聯(lián)，伺服傳感器把計算機傳來的控制力 （U）的指令信號與

10、反饋傳感器驅(qū)動力(u*)信號 進行比較（負反饋），其差值傳至電液伺服閥， 伺服閥控制高壓油從液壓源輸送至伺服驅(qū)動器 的油缸，油缸的活塞隨信號偏差而移動，一直 至信號等于零為止。這樣，通過負反饋，驅(qū)動 器就按指令信號向結(jié)構(gòu)施加設(shè)定的控制力，從 而衰減和控制結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)。 重復（1）（6），使結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)減 至最小值 主動控制系統(tǒng)的組成和工作流程 v現(xiàn)以典型的AMD說明系統(tǒng)組成和工作流程 主動控制算法 v主動控制算法是主動控制的基礎(chǔ)。它的目是 使主動控制系統(tǒng)在滿足其狀態(tài)方程和各種約 束條件下，選擇合適的增益矩陣，尋找最優(yōu) 的控制參數(shù)，使系統(tǒng)達到較優(yōu)的性能指標， 實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的最優(yōu)控制。 主要算法

11、有： v（1）經(jīng)典線性最優(yōu)控制算法（Yang， 1975）； v（2）瞬時最優(yōu)控制算法（Yang，1992）； v（3）改進瞬時最優(yōu)控制算法（閻維明、周福 霖、譚平，1996）； v（4）模態(tài)控制算法（Martin and Soong， 1976）； v（5）脈沖控制算法（Udwadia，1981）； v（6）極點配制算法（Martin and soong， 1976）； v（7）預測控制算法（Rodellar，1987）； v（8）自適應(yīng)控制算法（Safk，1989）； v（9）模糊控制算法（Yao，1989）； v（10）H（無限大）優(yōu)化控制算法（Safonov， 1991；劉棟棟，199

12、5）； v（11）低能量控制算法； v（12）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。 目前，多種新的控制算法還在創(chuàng)立和發(fā)展。但 至今為止，普遍采用的是經(jīng)典線性最優(yōu)控制及瞬 時最優(yōu)控制算法。 工程結(jié)構(gòu)減震控制 李愛群 編著（參考） 結(jié)構(gòu)主動減震控制的應(yīng)用范圍 主動控制主要應(yīng)用于下述結(jié)構(gòu)在風、地震、環(huán) 境振動激勵下的減震控制： v（1）高層、超高層建筑； v（2）高聳塔架或特種結(jié)構(gòu)； v（3）橋梁或其他大跨度結(jié)構(gòu)； v（4）生命線工程結(jié)構(gòu)。 存在的問題 仍存在下述問題尚待解決： v（1）減震的有效性； v（2）控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性； v（3）時滯問題； 1）液壓系統(tǒng)或電機系統(tǒng)的作動過程。 2）信號的采集和運輸、控制器的計

13、算。 v（4）經(jīng)濟性問題； v（5）系統(tǒng)裝置的日常維護問題。 主動控制研究展望 結(jié)構(gòu)主動控制由于具有減震效果好，適 應(yīng)性廣等特點，引起人們廣泛的研究興趣， 目前或今后所要進一步研究的問題主要有： v1）進一步開展具有廣闊應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)主動 控制裝置研究，建立以這些裝置為基礎(chǔ)的結(jié) 構(gòu)主動控制系統(tǒng)的設(shè)計理論和方法。 v2）主動控制減震效果的有效性和控制系統(tǒng)工 作穩(wěn)定性的研究。 目前所建成的主動控制系統(tǒng)，是以提高中 小地震以及臺風下居住和使用的舒適性為目的， AMD在實際中難以單獨抵抗大地震的作用，因 為它需要巨大的質(zhì)量塊和推動它們的巨大外部 能量。應(yīng)解決大地震作用下外部能源對主動控 制系統(tǒng)的能量供

14、應(yīng)和保證控制系統(tǒng)在強地震中 的有效運轉(zhuǎn)問題。同時，應(yīng)研究時滯、傳感器 和控制器的可靠性等對主動控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定 性的影響 v3）進一步提出新的更為合理的結(jié)構(gòu)主動控制算 法和最優(yōu)控制理論，開展主動控制理論和實驗研 究。 v4）土木工程結(jié)構(gòu)主動控制需要有迅速提供巨大 控制力的控制裝置，研制可靠性高、響應(yīng)快、控 制力達幾百噸的控制器是土木工程結(jié)構(gòu)主動控制 的重要課題。 v5）結(jié)構(gòu)主動控制中的混合控制研究。應(yīng)開展多 種主動控制算法的優(yōu)化組合研究、不同類型的結(jié) 構(gòu)控制方法的最優(yōu)混合應(yīng)用研究。 v6）結(jié)構(gòu)控制標準化的評價體系研究。 在大量各種不同的結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)存在并投 入應(yīng)用的同時，目前缺乏可以評價這些系統(tǒng)表 現(xiàn)性能和進行比較的一般標準。因此，應(yīng)致力 于開發(fā)一套標準的測試程序，以便不同系統(tǒng) （被動、主動、混合）能被真實地評價和比較 v7）進一步開展主動控制技術(shù)在高柔、大跨等工 程結(jié)構(gòu)中的理論和應(yīng)用研究，擴大它的工程應(yīng) 用領(lǐng)域，通過工程應(yīng)用，使之成為一項成熟的 技術(shù) 參考文獻 v1.申崇勝.高柔結(jié)構(gòu)風振舒適度AMD控制算法研究； 哈