基于智能控制算法的压电摩擦阻尼器抗震性能分析
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摘要
随着“智能化”技术的发展,“智能化”已广泛渗入到各个行业中,结构振动控制引入“智能化”技术形成结构智能控制。结构智能控制一般包括两方面内容,一是采用智能控制算法的智能控制,如采用模糊控制、神经网络控制和遗传算法等智能控制算法为标志的结构智能控制;二是采用智能驱动或者智能阻尼装置形成的智能控制系统,如采用压电材料、电/磁流变液体、电/磁致伸缩材料和形状记忆材料等智能驱动材料或器件为标志的结构智能控制。本文主要是将上述两方面内容结合起来,将压电陶瓷驱动器与摩擦阻尼器结合组成智能阻尼装置,研究此类阻尼装置的减振性能。
本文研究的主要内容有:
(1)将两种类型的压电陶瓷驱动器分别与普通摩擦阻尼器组合构成压电摩擦阻尼器,进行了相关试验,测试这两种压电陶瓷驱动器和压电摩擦阻尼器的响应时间、响应速度、出力能力等。试验结果表明该两种驱动器响应时间短、响应速度快、出力能力稍差;压电摩擦阻尼器的响应时间滞后于驱动器的响应时间,并分析了造成此种情况的可能原因。
(2)将T形芯板摩擦阻尼器替代普通摩擦阻尼器与压电陶瓷驱动器结合形成压电摩擦阻尼器,用于钢框架结构中并进行了试验,研究该阻尼器在实际框架中的滞回性能。试验结果表明这种阻尼器滞回曲线稳定饱满,滞回性能良好,拥有较好的耗能能力。
(3)将该压电摩擦阻尼器与橡胶隔振垫结合组成隔振体系,在不同智能控制算法下进行仿真,研究此隔振体系对结构的减振效果,并比较其在不同算法下的减振效果,本文主要研究模糊控制算法的减振效果。该仿真是以渤海JZ20-2MUQ海洋平台结构为例,仿真结果显示,该隔振体系的减振效果明显,可大大降低海洋平台结构的振动反应。模糊控制算法的减振效果接近于主动控制算法,说明模糊控制力能很好的跟踪主动最优控制力,相比其他控制算法显示出了优越性。
(4)针对模糊控制的一些缺陷(如,隶属度确定困难问题、控制规则依靠专家经验的问题),提出了优化模糊控制的方法:神经网络技术、遗传算法等。对神经网络技术和遗传算法的基本原理进行了介绍,并对遗传算法优化的模糊控制进行了仿真分析,结果显示优化了的模糊控制效果要优于未经优化的模糊控制。
With the development of‘intelligent’technology,‘intelligent’has been widelyinfiltrated into various sectors.Structural vibration control combining with the‘intelligent’technology forms structural intelligent control.Generally,structuralintelligent control includes two aspects: first, intelligent control uses intelligentcontrol algorithm, marked with the use of control algorithm, such as fuzzy control,neural network control, genetic algorithm, etc; the second is intelligent controlsystems formed by smart drive or intelligent damping device, marked with the use ofintelligent materials or devices, such as piezoelectric materials, electrical/magneticrheological fluid, electric/magnetostrictive materials and shape memory materials, etc.In this paper, these two aspects are combined, that is to say the piezoelectric ceramicactuator combines with the friction damper, to form a smart damping device, andstudy the vibration resistance of this device.
The main contents of this article have:
(1) Use two types piezoelectric ceramic actuators separately combining with anordinary friction damper to form piezoelectric friction dampers. Some relatedexperiments are done to test the response time, the speed of response, output ability ofthe two piezoelectric ceramic actuators and the piezoelectric friction damper.Theexperimental result indicates that the response times of the two actuators are short, thespeeds of response are quick, output ability is slightly small; the response time ofpiezoelectric friction damper lags behind the response time of the actuators, and thepossible reasons causing this situation are analyzed.
(2) The T-shaped core plate friction damper instead of ordinary friction dampercombines with the bigger piezoelectric ceramic actuator to form a piezoelectricfriction damper, which is installed in a steel frame structure. Some experiments aredone to study the hysteretic behavior of the damper in actual framework.Experimental results show that the damper’s hysteresis curve is stable, full andhysteretic behavior is good, which indicates that the damper has a better energy dissipation performance.
(3) A vibration isolation system is composed by the piezoelectric friction damperand rubber isolation pads, to study its seismic resistance effect on the structure underthe simulation with different intelligent control algorithms. Comparing the seismicresistance effect under different algorithms, the effect of fuzzy control is focused inthis paper. The simulation is based on the Bohai Sea JZ20-2MUQ offshore platformstructure, and the simulation results show the system can greatly reduce the vibrationresponse of offshore platform structures with obvious seismic resistance effect.Theseismic resistance effect of fuzzy control algorithm is close to active control algorithm,which shows the fuzzy control force can track the active optimal control force well,demonstrating the superiority compared with other control algorithm.
(4) Propose two methods to optimize fuzzy control: neural networks, geneticalgorithms, since fuzzy control has a number of defects(eg. the determination ofmembership is difficult, the control rules rely on experts’experiences). The basicprinciples of neural network technology and genetic algorithm are introduced, andsome simulationes about fuzzy control optimized by genetic algorithm have beendone, the results show the optimized fuzzy control is more effective thannon-optimized fuzzy control.
本文研究的主要内容有:
(1)将两种类型的压电陶瓷驱动器分别与普通摩擦阻尼器组合构成压电摩擦阻尼器,进行了相关试验,测试这两种压电陶瓷驱动器和压电摩擦阻尼器的响应时间、响应速度、出力能力等。试验结果表明该两种驱动器响应时间短、响应速度快、出力能力稍差;压电摩擦阻尼器的响应时间滞后于驱动器的响应时间,并分析了造成此种情况的可能原因。
(2)将T形芯板摩擦阻尼器替代普通摩擦阻尼器与压电陶瓷驱动器结合形成压电摩擦阻尼器,用于钢框架结构中并进行了试验,研究该阻尼器在实际框架中的滞回性能。试验结果表明这种阻尼器滞回曲线稳定饱满,滞回性能良好,拥有较好的耗能能力。
(3)将该压电摩擦阻尼器与橡胶隔振垫结合组成隔振体系,在不同智能控制算法下进行仿真,研究此隔振体系对结构的减振效果,并比较其在不同算法下的减振效果,本文主要研究模糊控制算法的减振效果。该仿真是以渤海JZ20-2MUQ海洋平台结构为例,仿真结果显示,该隔振体系的减振效果明显,可大大降低海洋平台结构的振动反应。模糊控制算法的减振效果接近于主动控制算法,说明模糊控制力能很好的跟踪主动最优控制力,相比其他控制算法显示出了优越性。
(4)针对模糊控制的一些缺陷(如,隶属度确定困难问题、控制规则依靠专家经验的问题),提出了优化模糊控制的方法:神经网络技术、遗传算法等。对神经网络技术和遗传算法的基本原理进行了介绍,并对遗传算法优化的模糊控制进行了仿真分析,结果显示优化了的模糊控制效果要优于未经优化的模糊控制。
With the development of‘intelligent’technology,‘intelligent’has been widelyinfiltrated into various sectors.Structural vibration control combining with the‘intelligent’technology forms structural intelligent control.Generally,structuralintelligent control includes two aspects: first, intelligent control uses intelligentcontrol algorithm, marked with the use of control algorithm, such as fuzzy control,neural network control, genetic algorithm, etc; the second is intelligent controlsystems formed by smart drive or intelligent damping device, marked with the use ofintelligent materials or devices, such as piezoelectric materials, electrical/magneticrheological fluid, electric/magnetostrictive materials and shape memory materials, etc.In this paper, these two aspects are combined, that is to say the piezoelectric ceramicactuator combines with the friction damper, to form a smart damping device, andstudy the vibration resistance of this device.
The main contents of this article have:
(1) Use two types piezoelectric ceramic actuators separately combining with anordinary friction damper to form piezoelectric friction dampers. Some relatedexperiments are done to test the response time, the speed of response, output ability ofthe two piezoelectric ceramic actuators and the piezoelectric friction damper.Theexperimental result indicates that the response times of the two actuators are short, thespeeds of response are quick, output ability is slightly small; the response time ofpiezoelectric friction damper lags behind the response time of the actuators, and thepossible reasons causing this situation are analyzed.
(2) The T-shaped core plate friction damper instead of ordinary friction dampercombines with the bigger piezoelectric ceramic actuator to form a piezoelectricfriction damper, which is installed in a steel frame structure. Some experiments aredone to study the hysteretic behavior of the damper in actual framework.Experimental results show that the damper’s hysteresis curve is stable, full andhysteretic behavior is good, which indicates that the damper has a better energy dissipation performance.
(3) A vibration isolation system is composed by the piezoelectric friction damperand rubber isolation pads, to study its seismic resistance effect on the structure underthe simulation with different intelligent control algorithms. Comparing the seismicresistance effect under different algorithms, the effect of fuzzy control is focused inthis paper. The simulation is based on the Bohai Sea JZ20-2MUQ offshore platformstructure, and the simulation results show the system can greatly reduce the vibrationresponse of offshore platform structures with obvious seismic resistance effect.Theseismic resistance effect of fuzzy control algorithm is close to active control algorithm,which shows the fuzzy control force can track the active optimal control force well,demonstrating the superiority compared with other control algorithm.
(4) Propose two methods to optimize fuzzy control: neural networks, geneticalgorithms, since fuzzy control has a number of defects(eg. the determination ofmembership is difficult, the control rules rely on experts’experiences). The basicprinciples of neural network technology and genetic algorithm are introduced, andsome simulationes about fuzzy control optimized by genetic algorithm have beendone, the results show the optimized fuzzy control is more effective thannon-optimized fuzzy control.
引文
[1]赵大海.基于压电摩擦阻尼器结构振动控制理论与试验研究.大连理工大学，2007，12
[2] Soong T T, Spencer B F.Supplemental energy dissipation:state-of-the-art andstate-of-the-practice.Engineering Structures2002，24(3)：243-259.
[3]欧进萍.结构振动控制-主动、半主动和智能控制.北京科学出版社，2003
[4]李宏男等.结构振动与控制.北京：中国建筑工业出版社，2005.
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