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结构液压被动耗能与直驱主动控制系统

刘军龙  
【摘要】:土木工程结构振动控制的研究与应用经过半个多世纪的发展已日臻成熟,已有多种振动控制装置在实际工程中得到应用。结构简单、性能可靠的新型被动控制装置,主动质量阻尼器/驱动器控制系统中的新型作动器,结构振动主动控制实现中的时间滞后及其补偿方法等问题仍将是当前乃至今后一段时间内土木工程结构振动控制技术领域发展的热点研究课题。本文就以上三方面的有关问题展开研究,主要内容如下: 1.基于流体力学中流体沿程能量损失方程和局部能量损失方程,分别推导了以牛顿流体、幂律流体和宾汉姆流体为阻尼介质的孔隙式油缸阻尼器的力学模型。根据所建立的相关理论研制开发了四个系列粘滞流体阻尼器,进行了系统的力学性能试验,通过数据分析回归了阻尼力—速度、阻尼力—阻尼介质参数、阻尼力—阻尼孔直径、阻尼介质—流动指数等阻尼器设计最为重要的关系曲线,为粘滞流体阻尼器的定型化、参数化提供必要的基础。 2.针对传统液压驱动AMD (Active Mass Damper/Driver)控制系统装置复杂、体积大、能源利用效率低等缺点,提出了采用无阀电液伺服作动器(直驱容控电液伺服作动器)驱动的AMD控制系统的概念。分别建立了无阀电液驱动系统的电机控制、液压动力机构和液压执行机构等子系统的力学模型,进一步建立无阀电液伺服作动器的数学模型。通过数值仿真,较全面分析了影响系统动态特性的因素及作用特征,分析了系统各组成部件的动态特性并提出系统性能改进的措施与策略。 3.提出以无阀电液伺服作动器为驱动装置的主动质量驱动器DAMD (Direct driving Active Mass Driver)控制系统,给出了以泵的转速(伺服电机的控制电压)为输入量、系统主动控制力为输出量的系统转速-驱动力关系模型,建立了受控结构-DAMD控制系统的状态方程,最后以顶层设置DAMD控制系统的结构为研究对象进行地震荷载作用下结构响应控制的数值分析,结果表明DAMD控制系统在一定范围内可以代替传统的液压驱动AMD控制系统,实现结构振动的主动控制。 4.针对DAMD控制系统响应时间稍长的问题,研究了DAMD控制系统应用于土木工程结构振动控制的适用范围。结合主动控制系统时滞的稳定性分析,给出单自由度系统最大允许时滞量(系统第一次出现不稳定的时滞量)的解析解,该值用来确定何时应用时滞补偿技术,并给出增益与系统最大允许时滞量的关系,给出一种基于变量代换的直接补偿方法,理论仿真结果表明了该方法的有效性。 5.与传统的主动控制时滞补偿问题研究思路不尽一致,提出利用时滞补偿控制策略—主动增加时滞补偿方法,给出该方法的数学原理证明。提出了分别基于速度反馈增益和基于位移反馈增益的主动增加时滞补偿方法。定量结合定性分析总结了AMD系统控制参数对时滞量与控制效果的影响规律。数值模拟和试验验证了本文所提主动增加时滞补偿方法的可行性。


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