主動(dòng)質(zhì)量阻尼器(AMD)

1、主動(dòng)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(fù)雜,再加上地震、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的不可預(yù)知性,結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)也遇到了新的挑戰(zhàn)。我國(guó)沿海地區(qū)超高層建筑一般以風(fēng)控為主,強(qiáng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)舒適度超標(biāo),甚至?xí)斐山Y(jié)構(gòu)及附屬構(gòu)件損壞。大量理論研究和實(shí)踐證明,主動(dòng)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(fēng)致振動(dòng)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(fēng)荷載作用下的響應(yīng),提高建筑舒適性,對(duì)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.主動(dòng)控制算法v6. 存在的問(wèn)題v7

2、. 研究展望基本概念v主動(dòng)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(lì)的前饋,經(jīng)計(jì)算機(jī)分析處理向驅(qū)動(dòng)器(連接質(zhì)量塊和結(jié)構(gòu))發(fā)送適當(dāng)?shù)男畔?于是驅(qū)動(dòng)器對(duì)抗質(zhì)量塊將慣性控制力施加于結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制.歷史v自從美籍華裔學(xué)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(guó)的高度重視，經(jīng)過(guò) 30 多年的不斷發(fā)展和完善，并且在大量實(shí)際工程中得到了較廣泛的運(yùn)用。在高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制方面，主要以被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和主動(dòng)質(zhì)量阻尼器的應(yīng)用居多，而且技術(shù)成熟可靠。國(guó)外研究狀況v在裝置的試驗(yàn)研究方面，1987 年日本 Ai

3、zawa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(dòng)控制實(shí)驗(yàn)；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(dòng)控制實(shí)驗(yàn)；v1988 年美國(guó) 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(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)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(shí)際工程運(yùn)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(fēng)振和中等地震作用的反應(yīng)。日本大阪Applause 塔上安裝了 1個(gè)質(zhì)量重達(dá)480t 的 AMD 系統(tǒng)，其慣性質(zhì)量直接采用了該

4、建筑上的直升機(jī)停機(jī)坪臺(tái)使用了2個(gè) 5t的作動(dòng)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(gè)懸吊 AMD 結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。該大樓總高 190m，每個(gè) AMD 裝置的慣性質(zhì)量為 160t，懸吊桿長(zhǎng)度為 3.2m，裝置自振周期為 3.6s，主動(dòng)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(guó)內(nèi)研究狀況v在裝置的試驗(yàn)研究方面：v 哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉季、宋根由等人率先在我國(guó)開(kāi)展了結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制試驗(yàn)研究,完成了 5 層 1:4 模型框架的 AMD 振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。v 歐進(jìn)萍等人研究了海洋平臺(tái)振動(dòng)的 AMD 控制仿真分析

5、及 1:10 模型平臺(tái)結(jié)構(gòu) AMD 控制的地震模擬試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)。v在裝置的實(shí)際工程運(yùn)用方面：v中國(guó)與美國(guó)合作并于 2001 年實(shí)現(xiàn)的南京電視塔風(fēng)振控制的 AMD 系統(tǒng),是我國(guó)國(guó)內(nèi)第一個(gè)采用 AMD 控制系統(tǒng)的實(shí)際工程。v近年來(lái),越來(lái)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(tái)各重250噸的慣性質(zhì)量塊,它不僅能使強(qiáng)風(fēng)作用下建筑物的加速度反應(yīng)降低,地震時(shí),還能有效地減小建筑結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的響應(yīng)。v廣州新電視塔塔高 618 米,其主塔體高 454 米,天線桅桿高 164 米,形狀高挑纖細(xì),固有周期達(dá) 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(lì)下

6、的使用舒適性及安全性。該方案由哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院負(fù)責(zé)其中的 AMD 主動(dòng)控制部分。AMD控制原理v結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(gè)部分與結(jié)構(gòu)一起組成的系統(tǒng),稱(chēng)為結(jié)構(gòu) AMD 控制系統(tǒng)。v AMD 系統(tǒng)實(shí)施控制時(shí),傳感器子系統(tǒng)測(cè)量結(jié)構(gòu)的干擾或響應(yīng),并反饋至計(jì)算機(jī);控制器按照計(jì)算機(jī)設(shè)定的某種主動(dòng)控制算法,實(shí)時(shí)計(jì)算主動(dòng)控制力,并驅(qū)動(dòng) AMD 系統(tǒng)的作動(dòng)器;然后作動(dòng)器推動(dòng) AMD 的慣性質(zhì)量運(yùn)動(dòng),對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力。AMD與TMD的區(qū)別v與被動(dòng)控制相比，AMD等主動(dòng)控制方式有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：v1）提高了控制的有效性。v2）適用于

7、多用途減震，如風(fēng)振或地震。v3）可以選擇控制目標(biāo)，如控制結(jié)構(gòu)某個(gè)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(diǎn)位移、結(jié)構(gòu)基底彎矩以及基底剪力等。vAMD主動(dòng)控制體系，除了被控結(jié)構(gòu)外，其主動(dòng)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(dòng)裝置和液壓源：包括伺服閥、驅(qū)動(dòng)器、反饋傳感器液壓源及管路。v（3）計(jì)算機(jī)及控制系統(tǒng)，這是整個(gè)主動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，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(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、調(diào)節(jié)。 v 模擬微分器：對(duì)振動(dòng)反應(yīng)信號(hào)（位移、速度、加速度）進(jìn)行微分轉(zhuǎn)換。v（4）計(jì)算機(jī)：A/D轉(zhuǎn)換（模

8、擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)）； 數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理（按控制算法）；v D/A轉(zhuǎn)換（數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)）。v（5）伺服控制器：將模擬信號(hào)(u)與反饋信號(hào)(u*)進(jìn)行對(duì)比、放大，對(duì)伺服閥及驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。AMD主動(dòng)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(lì)下發(fā)生振動(dòng)反應(yīng)（位移、速度、加速度），通過(guò)傳感器進(jìn)行在線測(cè)量。v （2）數(shù)據(jù)處理和傳輸：傳感器測(cè)得的振動(dòng)反應(yīng)的信號(hào)，經(jīng)濾波、放大、調(diào)節(jié)、模擬微分處理等，傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器。v（3）A/D轉(zhuǎn)換：把電壓模擬信號(hào)（Analog）轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字信號(hào)（Digital）。v （4）控制計(jì)算：計(jì)算機(jī)把電壓數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)標(biāo)量變換，轉(zhuǎn)換

9、為結(jié)構(gòu)的位移、速度。照預(yù)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(jì)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(hào)（Digital）轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(hào)(Analog)，并作為指令 信號(hào)傳輸至伺服控制器。v（6）伺服控制：伺服控制器與驅(qū)動(dòng)器的反饋傳感器 相聯(lián)，伺服傳感器把計(jì)算機(jī)傳來(lái)的控制力（U）的指令信號(hào)與反饋傳感器驅(qū)動(dòng)力(u*)信號(hào)進(jìn)行比較（負(fù)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(dòng)器的油缸，油缸的活塞隨信號(hào)偏差而移動(dòng)，一直至信號(hào)等于零為止。這樣，通過(guò)負(fù)反饋，驅(qū)動(dòng)器就按指令信號(hào)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(dòng)反應(yīng)。 重

10、復(fù)（1）（6），使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)減至最小值 主動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和工作流程 v現(xiàn)以典型的AMD說(shuō)明系統(tǒng)組成和工作流程 主動(dòng)控制算法v主動(dòng)控制算法是主動(dòng)控制的基礎(chǔ)。它的目是使主動(dòng)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(dá)到較優(yōu)的性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)控制。 主要算法有：v（1）經(jīng)典線性最優(yōu)控制算法（Yang，1975）；v（2）瞬時(shí)最優(yōu)控制算法（Yang，1992）；v（3）改進(jìn)瞬時(shí)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）

11、；v（6）極點(diǎn)配制算法（Martin and soong，1976）；v（7）預(yù)測(cè)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(wú)限大）優(yōu)化控制算法（Safonov，1991；劉棟棟，1995）；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(shí)最優(yōu)控制算法。 工程結(jié)構(gòu)減震控制 李?lèi)?ài)群 編著（參考）結(jié)構(gòu)主動(dòng)減震控制的應(yīng)用范圍 主動(dòng)控制主要應(yīng)用于下述結(jié)構(gòu)在風(fēng)、地震、環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的減震控制：v（1）高層、超高層建筑；

12、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(wèn)題仍存在下述問(wèn)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(shí)滯問(wèn)題； 1）液壓系統(tǒng)或電機(jī)系統(tǒng)的作動(dòng)過(guò)程。 2）信號(hào)的采集和運(yùn)輸、控制器的計(jì)算。v（4）經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題；v（5）系統(tǒng)裝置的日常維護(hù)問(wèn)題。主動(dòng)控制研究展望 結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制由于具有減震效果好，適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，引起人們廣泛的研究興趣，目前或今后所要進(jìn)一步研究的問(wèn)題主要有：v1）進(jìn)一步開(kāi)展具有廣闊應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制裝置研究，建立以這些裝置為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法。v2）主動(dòng)控制減震效果的有效性和控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定

13、性的研究。 目前所建成的主動(dòng)控制系統(tǒng)，是以提高中小地震以及臺(tái)風(fēng)下居住和使用的舒適性為目的，AMD在實(shí)際中難以單獨(dú)抵抗大地震的作用，因?yàn)樗枰薮蟮馁|(zhì)量塊和推動(dòng)它們的巨大外部能量。應(yīng)解決大地震作用下外部能源對(duì)主動(dòng)控制系統(tǒng)的能量供應(yīng)和保證控制系統(tǒng)在強(qiáng)地震中的有效運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題。同時(shí)，應(yīng)研究時(shí)滯、傳感器和控制器的可靠性等對(duì)主動(dòng)控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的影響v3）進(jìn)一步提出新的更為合理的結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制算法和最優(yōu)控制理論，開(kāi)展主動(dòng)控制理論和實(shí)驗(yàn)研究。v4）土木工程結(jié)構(gòu)主動(dòng)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(dá)幾百?lài)嵉目刂破魇峭聊竟こ探Y(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的重要課題。v5）結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中的混合控制研究。應(yīng)開(kāi)展多種主動(dòng)控制算法的優(yōu)化組合研究、不同類(lèi)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(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)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(shí)，目前缺乏可以評(píng)價(jià)這些系統(tǒng)表現(xiàn)性能和進(jìn)行比較的一般標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)致力于開(kāi)發(fā)一套標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試程序，以便不同系統(tǒng)（被動(dòng)、主動(dòng)、混合）能被真實(shí)地評(píng)價(jià)和比較 v7）進(jìn)一步開(kāi)展主動(dòng)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(kuò)大它的工程應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)工程應(yīng)用，使之成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)參考文獻(xiàn)v1.申崇勝.高柔結(jié)構(gòu)風(fēng)振舒適度AMD控制算法研究；哈爾濱工