变刚度半主动振动控制技术研究现状

闫超

（上海海事大学，上海201306）

1 引言

结构振动控制概念于1972年由美国教授T P Yao［1］提出。如今，结构振动控制理论和实践的研究都已经取得了很大的成果。结构振动控制方法可分为主动控制、被动控制、半主动控制和混合控制［2］。半主动振动控制技术通过测量结构的振动反应和外载荷相关信息，根据之前设定好的控制规律，经由控制器来改变结构参数，以达到降低结构动力反应的目的，因此该技术属于参数化控制技术。与主动控制技术相比，半主动控制技术只需要少量的外部能量就能实现接近于主动控制的效果。由于省去了施加控制力的结构装置，使得半主动控制技术节约了控制成本，并且易于控制。相比于被动控制技术，半主动控制技术的控制效果更加可靠，减振效果更佳。半主动控制技术兼具主动控制和被动控制的优点，且装置简单、稳定，耗能小，因而具有非常广阔的应用前景。

半主动控制技术主要是通过控制改变刚度和阻尼这两个参数实现控制目的。目前，半主动控制有半主动变刚度控制和半主动变阻尼控制两种。Kobori于1980年代提出了主动变刚度控制系统（AVS）的概念［3］。本文主要就变刚度半主动控制技术进行论述。

2 变刚度控制原理和控制系统

半主动变刚度振动控制技术作用原理是通过变刚度装置改变结构的附加刚度，从而避免结构系统的自振频率与振源的振动频率接近或相同，以实现不发生共振的目的，最终保证结构的稳定和安全。从能量转换的角度来说，结构主动变刚度控制是通过刚度元件的变形将结构部分振动能量转化为刚度元件的弹性变形能，然后通过刚度元件释放其吸收的弹性变形能（实际转换为伺服系统的热能），同时阻尼元件消耗部分结构振动能量［4］。

半主动变刚度系统由附加刚度部件、机械装置和控制器三部分组成，如图 1 所示［5］。

根据附加刚度部件是否连接，可变刚度系统可产生ON和OFF两种状态。结构系统通过接收到的载荷信号，根据事先设定好的控制规律输出控制命令给机械装置，也就是选择可变刚度系统的状态，来实现对结构振动的有效控制。

刘季和李敏霞［6，7］研究开发了电液式可变刚度半主动控制系统，并使用该装置进行了地震反应的半主动振动控制实验。主动变刚度控制系统还应用于日本Kajima研究所的三层钢结构建筑，效果良好。彭凌云、周锡元、闫维明［8］提出一种具有变刚度特征的管式变摩擦阻尼器，该阻尼器的主要部件包括套筒和装于其内并可来回移动的摩擦环。在结构中安装这种阻尼器，可以使系统具有半主动变刚度的特征。潘法超、李杰和刘宏欣［9］针对加强层结构的特点，研究了变刚度加强层高层建筑抗震效果。

图1 可变刚度系统示意图

3 变刚度半主动控制算法［2，10-12］

控制算法是变刚度半主动控制的关键组成部分。控制算法的好坏直接关系到减振效果。现总结了以下几种控制算法：

（1）Bang-Bang控制算法（也称为ON/OFF控制算法）。当结构的层间相对速度和位移同号时，即结构背离平衡点的方向振动时，变刚度控制系统给结构附加刚度；当结构的层间相对速度和位移反号时，即结构从远离平衡点的位置向平衡点振动时，变刚度控制系统不给结构附加刚度。

Bang-Bang控制算法是变刚度控制算法中应用最为广泛的一种算法。世界上唯一的变刚度控制系统的实际工程应用，于1994年由非共振控制算法修改为开关控制算法。

（2）脉冲开关控制算法（也称为重设置开关位置控制算法）。将变刚度控制系统一直保持ON的状态，当结构反应满足一定条件时，瞬间将控制装置置于OFF状态，使存储在刚度元件中的弹性变形能瞬间释放给电液伺服阀，瞬间再将变刚度控制装置置于ON状态。

脉冲开关控制算法可以减少伺服阀开关次数，延长变刚度控制系统的寿命，但对电液伺服阀的响应速度要求很高。

（3）模态能量转换控制算法。考虑到结构的高阶模态比低阶模态具有更大的模态阻尼比，可以消耗更多的结构振动能量，从而抑制结构的反应或使结构的反应衰减更快。根据上述观点确定变刚度控制系统ON/OFF两种状态的切换准则。该方法可以限制结构的位移反应，加快振动能量的耗散速度。

（4）非共振控制算法。根据结构反应和观测的地震输入，分析地震输入的频谱特性和结构的频谱特性，以确定变刚度控制系统ON/OFF的切换动作，使结构变刚度控制系统的振动频率远离振源的输入频率，从而使结构的反应避开共振反应区域。

此外，还有滑动模态控制理论［13］等。

4 结论

变刚度半主动控制技术具有诸多优点，如今已成为振动控制技术研究的前沿热点。随着新型功能材料和控制技术的发展，新的减振控制策略一定会不断跟进。以下总结了变刚度半主动振动控制技术存在的一些问题：（1）常规变刚度控制系统抑振频带窄，适用范围具有局限性［14］。变刚度控制装置一般可调频带范围较窄，没有足够宽的可调频带，使得控制效果不够明显。（2）很多需要减振的结构系统和非平稳的激励环境，这些非线性的环节迫切需要提出更加先进可靠的半主动控制策略。因此，基于人工智能的控制策略，如模糊控制等技术需要得到更进一步的发展。（3）建立更加符合实际的结构数学模型，是解决变刚度半主动控制的前提。（4）变刚度半主动控制技术在应用中需要用到很多硬件，如信号测量与放大环节、控制器等配置。相关硬件质量和相应的系统集成也是需要关注的问题。

变刚度半主动振动控制经济可靠，所需维护费用小，具有很强的应用价值，将具有非常广阔的前景。

［1］ YAO T J P.Conception of Structure Control ［J］.Journal of Structure Division，1972，98（7）：1567-1574.

［2］ 刘季.结构抗震抗风振动控制［C］//第六届全国结构工程学术会议论文集（特邀报告），南宁，1997.

［3］ KOBORI T.Shaking Table Experimental of Multi-Story Seimic Response Controlled Structure with Active Variable Stiffness（AVS）System［C］//Proceedings of 8th Japan Earthquake Engineering Symposium.Tokyo：JSCE，1990：1923-1928.

［4］ 欧进萍.结构振动控制－主动、半主动争智能控制［M］.北京：科学出版社，2003.

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［6］ 刘季，李敏霞.变刚度半主动结构振动控制［J］.振动工程学报，1999，12（2）：166-172.

［7］ 李敏霞，刘季.变刚度半主动结构振动控制的试验研究［J］.地震工程与工程振动，1998，12（4）：90-95.

［8］ 彭凌云，周锡元，闫维明.管式变摩擦阻尼器的减振性能试验与数值模拟［J］.振动与冲击，2012，31（5）：12-16.

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［10］ 李宏男，李忠献.结构振动与控制［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005：290－298.

［11］ 杨润林，周锡元，刘锡荟.结构半主动变刚度控制的研究［C］//第六届全国地震工程学术会议.南京：东南大学，2002.

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