第九章结构风振控制 本章主要介绍风振控制中主动控制和被动 控制的原理和控制系统及两种控制的常用设计 计算方法。其中主动控制主要有实时最优振型 控制法和随机最优控制算法,被动控制主要有 准最优控制法传递函数法。最后结合目前计算 的实际情况介绍了如何用计算机来模拟风振控 制过程
第九章 结构风振控制 本章主要介绍风振控制中主动控制和被动 控制的原理和控制系统及两种控制的常用设计 计算方法。其中主动控制主要有实时最优振型 控制法和随机最优控制算法，被动控制主要有 准最优控制法传递函数法。最后结合目前计算 的实际情况介绍了如何用计算机来模拟风振控 制过程
9.1结构风振控制的基本概念 风振控制:结构的风振控制是指在结构发生风 振反应时,由设置在结构上的一些控制装置主 动或被动地产生一组控制力,以达到减小和抑 制结构风振反应的目的
9.1 结构风振控制的基本概念 风振控制：结构的风振控制是指在结构发生风 振反应时，由设置在结构上的一些控制装置主 动或被动地产生一组控制力，以达到减小和抑 制结构风振反应的目的
结构动态系统 根据结构振动特性,n个自由度的结构在环 境向量作用下的运动方程可以表示为 M]{X}+[C]{X+[K94,{P(1)} 式中,{X}{杓}{分别为n维结构的位移、速度 和加速度向量,[M]、[C]和K]分别为nxn维结 构质量、阻尼和刚度矩阵
根据结构振动特性，n个自由度的结构在环 境向量作用下的运动方程可以表示为： （9-1） 式中， 分别为n维结构的位移、速度 和加速度向量，[M]、[C]和[K]分别为n×n维结 构质量、阻尼和刚度矩阵。 [M]{X}+[C]{X}+[K]{X} = {p(t)} {X} {X} {X} 、 、 一、结构动态系统
为了控制结构的反应,在结构上安装p个控制装置,提供 的控制力为,相应的位置矩阵为。于是,受控结构的运动方 程可以表示为 [M{X}+C]X}+1K]X}={p()+[H]{(}(9.2) 结构风振反应有两个特点:一是一般情况下结构的反应在 线性范围内,二是结构反应以第一阶振型为主。因此在结构 风振计算中一般采用振型迭加法,在风振控制设计的计算中 也通常采用风振振型控制方法。 在设计计算过程中,一般情况下控制裝置对结构的原振型 影响不大,仍可近似采用结构本身的振型向量对风振控制运 动方程进行振型分解,这样就可将一个高自由度的结构控制 方程简化成几个自由度的振型控制方程
为了控制结构的反应，在结构上安装p个控制装置，提供 的控制力为，相应的位置矩阵为。于是，受控结构的运动方 程可以表示为： [M]{X}+[C]{X}+[K]{X} = {p(t)}+[H]{U(t)} 结构风振反应有两个特点：一是一般情况下结构的反应在 线性范围内，二是结构反应以第一阶振型为主。因此在结构 风振计算中一般采用振型迭加法，在风振控制设计的计算中 也通常采用风振振型控制方法。 在设计计算过程中，一般情况下控制装置对结构的原振型 影响不大，仍可近似采用结构本身的振型向量对风振控制运 动方程进行振型分解，这样就可将一个高自由度的结构控制 方程简化成几个自由度的振型控制方程。 (9-2)
应用振型分解法将方程(9-2)分解,设 X}=[Φ]{49-3) 式中,國Φ为前η阶振型向量组成的振型矩阵,沏义 坐标向量。 于是可得到结构振型控制方程 {}+[2]{q}+O]{q}={F(94DhH{(t)} 式中,[2o]为对角元素为的阶谢角矩阵 其中和分别为结构第型的阻尼比和圆频率 为n维广荷蕺向量p(t)} [=[M[[2o]=[M/C][o2]=[M[K
应用振型分解法将方程(9-2)分解，设 (9-3) 式中, 为前n阶振型向量组成的振型矩阵， 为广义 坐标向量。 {X} = []{q} Nn [ ] 1 { }q n 于是可得到结构振型控制方程： { } [2 ]{ } [ ]{ } { ( (9 )}-4) [ ][ ]{ ( )} 2 q + q + q = F t − L H U t 式中， 分别为对角元素为 的n×n阶对角矩阵, 其中 和 分别为结构第i振型的阻尼比和圆频率， 为n维广义荷载向量 [2 ] [ ] 2 、 2 2 i i和i i i {F(t)} = [L]{p(t)} T [L] [M] [ ] 1 − = [2 ] [ ] [ ] 1 M C − = [ ] [ ] [ ] 2 1 M K − = −
二、结构振动控制类型 结构振动控制按是否有外部能源输入可分为主动控制 有外部能源输入)、被动控制(无外部能源输入)或 介于两者之间的半主动控制(部分能源输入)。 (1)主动控制 当风振控制为主动控制时,控制力由外加能源主动施加, 这时风振控制主要是如何合理地选择控制力的施加规律, 以使结构的风振反应满足减振要求。其基本原理如图9-1 所示。主动控制作动器通常是液压伺服系统或电机伺服系 统,一般需要较大甚至很大的能量驱动。主动调谐质量阻 尼器(简称混合质量阻尼器, Hybrid Mass Damper, HMD)和主动质量阻尼器( Active Mass Damper or Active mass driver,AMD等组成的主动控制系统在结 构风振控制应用中较为成功
二、结构振动控制类型 结构振动控制按是否有外部能源输入可分为主动控制 （有外部能源输入）、被动控制（无外部能源输入）或 介于两者之间的半主动控制（部分能源输入）。 当风振控制为主动控制时，控制力由外加能源主动施加， 这时风振控制主要是如何合理地选择控制力的施加规律， 以使结构的风振反应满足减振要求。其基本原理如图9-1 所示。主动控制作动器通常是液压伺服系统或电机伺服系 统，一般需要较大甚至很大的能量驱动。主动调谐质量阻 尼器(简称混合质量阻尼器，Hybrid Mass Damper， HMD) 和主动质量阻尼器 ( Active Mass Damper or Active Mass Driver，AMD)等组成的主动控制系统在结 构风振控制应用中较为成功。 （1）主动控制
此外,智能材料自适应控制是目前主动控制硏究的新热 点,如形状记忆合金( Shape memory Alloy,SMA)、 电(磁)致流变材料等。 干扰 结构 反应 前馈 作动器 反馈 (传感器) (主动装置) (传感器) 控制器(计算 机,主动算法) 图9-1结构主动控制原理框图
干扰 前馈 (传感器) 控制器( 计 算 机，主动算法) 作动器 (主动装置) 反馈 (传感器) 结构 反应 图9-1 结构主动控制原理框图 此外，智能材料自适应控制是目前主动控制研究的新热 点，如形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）、 电(磁)致流变材料等
(2)半主动控制 半主动控制的原理与主动控制的基本相同,只是实施 控制力的作动器需要少量的能量调节以便使其主动地甚 至巧妙地利用结构振动的往复相对变形或相对速度,尽 可能地实现主动最优控制力。半主动控制作动器通常是 被动的刚度或阻尼装置与机械式主动调节器复合的控制 系统。半主动控制装置主要有主动变刚度系统( Active Variable Stiffness System,AVS)和主动变阻尼系统 (Active Variable damping System AVD
半主动控制的原理与主动控制的基本相同，只是实施 控制力的作动器需要少量的能量调节以便使其主动地甚 至巧妙地利用结构振动的往复相对变形或相对速度，尽 可能地实现主动最优控制力。半主动控制作动器通常是 被动的刚度或阻尼装置与机械式主动调节器复合的控制 系统。半主动控制装置主要有主动变刚度系统(Active Variable Stiffness System，AVS)和主动变阻尼系统 (Active Variable Damping System，AVD)。 （2）半主动控制
(3)被动控制 当风振控制为被动控制时,控制装置与结构一起振动而 产生控制力,控制力是被动产生的,它是结构的位移与速 度的函数,这时的风振控制主要是如何合理选择控制装置 的参数,以使其产生的控制力能使结构的风振反应达到减 振要求。这种控制是通过设置耗能元件来完成的。 此外,桥梁中还普遍采用气动措施来制振,气动措施是 通过附加外部装置或者较少修改主梁、桥塔、吊杆和拉 索的外形来改变其周围的气流流动,从而提高抗风能力 如将原来表面光滑的拉索外加一带有条形凸纹、V形凸纹 和螺旋凸纹的护套,以提高拉索表面的粗糙度,破坏周 期性旋涡脱落的形成,防止涡激共振的发生。对大跨悬 吊桥梁,其主梁可以选择扁平、近流线形带风嘴甚至中 央开槽的闭口截面来提高桥梁的气动稳定性
当风振控制为被动控制时，控制装置与结构一起振动而 产生控制力，控制力是被动产生的，它是结构的位移与速 度的函数，这时的风振控制主要是如何合理选择控制装置 的参数，以使其产生的控制力能使结构的风振反应达到减 振要求。这种控制是通过设置耗能元件来完成的。 （3）被动控制 此外，桥梁中还普遍采用气动措施来制振，气动措施是 通过附加外部装置或者较少修改主梁、桥塔、吊杆和拉 索的外形来改变其周围的气流流动，从而提高抗风能力。 如将原来表面光滑的拉索外加一带有条形凸纹、V形凸纹 和螺旋凸纹的护套，以提高拉索表面的粗糙度，破坏周 期性旋涡脱落的形成，防止涡激共振的发生。对大跨悬 吊桥梁，其主梁可以选择扁平、近流线形带风嘴甚至中 央开槽的闭口截面来提高桥梁的气动稳定性
三、结构风振控制装置设置位置的选择 对于风振控制装置位置的选择是一个比较复杂的问题, 主要是因为: (1)结构控制要求有全局性,又有局部性。如在结构风振 控制中需要控制某个关键振型,这种控制对结构来讲具有 全局性的控制。而要控制某个局部位置的过大变形,这种 控制就是局部性控制。 (2控制装置的作用范围有全局性的,也有以局部性为主 的。如拉索控制装置的作用范围就是以其所在局部范围为 主,而调频质量阻尼器控制装置的作用范围是以整个结构 的某个振型反应为主,具有全局性 3)控制装置的设置并不一定能完全按控制要求来确定, 如用U型水箱作为高层建筑的风振控制的控制装置,它的 设置一方面要看风振控制的需要,另一方面也得考虑高层 建筑实际供水的需要
三、结构风振控制装置设置位置的选择 对于风振控制装置位置的选择是一个比较复杂的问题， 主要是因为： (1)结构控制要求有全局性，又有局部性。如在结构风振 控制中需要控制某个关键振型，这种控制对结构来讲具有 全局性的控制。而要控制某个局部位置的过大变形，这种 控制就是局部性控制。 (2)控制装置的作用范围有全局性的，也有以局部性为主 的。如拉索控制装置的作用范围就是以其所在局部范围为 主，而调频质量阻尼器控制装置的作用范围是以整个结构 的某个振型反应为主，具有全局性。 (3)控制装置的设置并不一定能完全按控制要求来确定， 如用U型水箱作为高层建筑的风振控制的控制装置，它的 设置一方面要看风振控制的需要，另一方面也得考虑高层 建筑实际供水的需要