结构振动控制发展概述

田晓强

(华北理工大学 河北 唐山 063210)

前言

地震是一种严重威胁人类安全及损坏财产的自然灾害，地震具有突发性和不可预测性，会对社会产生很大的影响。传统的抗震设计是通过加强结构的强度和结构构件的塑性变形能力抵抗地震力，其方法主要是通过加强加大空间刚度,设置剪力墙、圈梁、构造柱，改善支撑体系，改进节点构造，提高建筑材料的强度、延性等措施，使建筑物整体性增大，抗震性能得到提高。

土木工程振动控制概念在1972年由美籍华裔学者姚治教授首次提出[1]，一直到现在，也还是国内外研究的热题。结构振动控制发展为一门独立的学科，其总体上可以划分为为四个邻域：被动控制、主动控制、半主动控制和智能控制[2]。

一、被动控制

被动控制就是指依靠结构自身或者在结构上安装的装置来达到隔震、消能减震的的目的。被动控制主要应用为基础隔震，吸能减震以及耗能减震。这样的结构不需要从外部输入能量，完全依靠结构自身调节，在造价上相对比较便宜而且易于施工。因而被动控制成为结构振动控制邻域中应用和研究比较广泛的控制方法。

李洪发[3]开展了大型挠性空间桁架结构动力学研究，提出了阻尼被动振动控制方案,并进行了仿真计算，研究结构显示在共振区内减振效果明显，衰减迅速，证明了阻尼被动控制在大型挠性空间桁架振动控制上的有效性。

范雪梅[4]在被动控制抗震技术基础上，设计了一种剪切型阻尼器—铅阻尼器,并且对该铅阻尼器进行了性能试验研究,给出了铅阻尼器的耗能特点及计算模型，计算结果显示出铅阻尼能产生较强的耗能控制力，显著改善了结构薄弱层的抗震能力，减弱了传至砌体结构上的地震作用，达到了对结构振动控制的目的。

王海飙，王龙凤[5]从全寿命费用对隔震建筑和传统抗震建筑进行经济性分析,对初始造价、检查维护费和失效损失费列出了费用差异较大的指标，并给出计算公式，在社会效益和环境效益方面做了定性分析，实例分析结果表明，隔震建筑比传统抗震建筑更经济,更适合社会的发展。

二、主动控制

结构主动控制是将自动控制科学技术与结构工程科学技术相结合，实现减轻结构振动的目的。主动控制可以根据人们的期望来调节对于结构的控制效果。主动控制在控制过程中需要输入很大的外部能量，用来抵消地震对于结构的影响，这也是区别于被动控制一个很重要的点。

袁树清，赵玉成，许庆余等[6]利用压电材料作为传感器和作动器，建立了柔性四连杆机构振动主动控制实验系统；通过理论分析和实验研究建立了控制系统的模型；根据控制系统的特点，采用了内模控制策略，并在具体实施中，增加了参数辨识环节，使得控制器对于机构转速变化具有鲁棒性。将控制方案实施到柔性四连杆机构振动主动控制实验之中，取得了满意的控制效果。

张书扬，张顺琦，李靖等[7]根据一阶剪切变形假设建立压电智能结构机电耦合静力学平衡方程，用最小二乘的思想计算薄壁结构产生预定目标形变的最优静电压值。此外，为使结构变形快速稳定，减少驱动变形产生的额外振动，建立智能压电结构动力学模型，采用PID控制策略，实现对形状控制的主动振动抑制。最后以一多压电致动器悬臂梁为例，进行形状与振动控制仿真，得到良好控制效果。

宋雪健，郑宾，陈晔等[8]根据压电智能结构的特点，针对一类由悬臂梁、传感器和压电作动器构成的压电智能梁系统的振动主动控制进行了研究。利用压电方程建立了压电智能梁系统的状态空间模型，采用线性二次最优控制(LQR)对智能梁的振动进行了主动控制。

仿真和实验结果表明：多种群遗传算法比简单遗传算法具有更快的收敛速度，且遗传代数少，能够有效避免陷入局部最优解。基于多种群遗传算法的LQR振动主动控制算法对压电智能梁的振动主动控制具有可行性和稳定性，相对基于简单遗传算法的LQR振动主动控制算法达到稳定的时间短且具有更好的控制效果。

三、半主动控制

半主动控制介于主动与被动控制之间，属于参数控制，控制过程依赖结构反应及外部的激励信息，通过少量的能量而改变结构的刚度或者阻尼系数来减少结构的反应。半主动控制结合了主动控制与被动控制的优点，控制过程中不需要大量的外部能量，只是需要一部分控制力来调节结构的特性来减少结构的反应，整个系统可以实现主动最优控制力。

李敏霞，刘季[9]成功完成了五层框架(1:4模型)的变刚度半主动结构振动控制的模拟地震振动台试验，这也是国内第一个变刚度半主动结构振动控制的试验。试验结果表明，提出的变刚度半主动结构振动控系统的总体设计是合理可行的，并且多工况实验得重复性好，控制的鲁棒性好。

孙作玉，何玉敖[10]提出结构振动的变阻尼半主动遗传控制算法，采用遗传控制算法直接在控制力解空间经行全局寻优，从而实现了结构振动的变阻尼半主动最优控制。且通过实例仿真，结果显示变阻尼半主动遗传控制算法，控制效果明显，是一种有效的结构振动控制策略。

周福霖，谭平等[11]提出了半主动变刚度·阻尼控制系统，设计了控制装置，推到了控制系统的运动方程，提出了基于预测控制的瞬时最优控制算法，并且完成了结构模型振动台对比试验。结果表明该系统及其控制算法是十分有效的。

王亮，黄真，周岱[12]对地震波作用下配置磁流变阻尼器的的两层框架结构进行数值分析，根据离散时间状态下的Newmark-β时域积分方法预测结构响应值，通过在一定范围内寻找适当的控制力参数使目标函数最优。析结果表明基于Newmark-β预测算法的结构振动响应半主动控制优于基于全局最优解的经典反馈控制系统，控制效果明显、鲁棒性好。

四、智能控制

结构智能控制包括智能算法和采用智能驱动或智能阻尼装置的两类控制。采用诸如模糊控制、神经网络控制和遗传算法等智能控制控制算法为标志的结构智能控制。它与主动控制的主要差别是不需要精确的结构模型、采用智能控制算法去恶恶的输入或输出反馈与控制增益的关系，而控制力还是需要很大的外部能量输入下的作动器来实现。

彭云鹃[13]将神经网络控制应用到带裙房高层建筑结构地震反应控制中，分析了受地震波激励的带裙房高层建筑结构模型的运动方程及其状态空间形式方程，研究了MR单阻尼器耦联结构的地震反应模型和MR阻尼器数学模型,讨论了带裙房高层建筑的神经网络控制原理及其控制器的设计。并且究了BP神经网络的改进学习算法,分析了神经网路训练样本的产生,确定了神经网络模型，利用MATLAB/Simulink工具实现了改进的BP神经网络训练算法，并给出了训练结果。仿真结果表明神经网络控制是一种简单、有效的控制方法，可以有效地减小带裙房高层建筑结构在地震波激励下的加速度和位移响应，减震效果十分明显。

邹鹏[14]结合半主动控制将模糊控制理论引入结构振动控制领域，通过对结构的分析，采用模糊控制策略结合半主动控制算法控制磁流变阻尼器的作用力输出。由模糊控制、LQR控制及无控下的输出曲线和控制量曲线比较可知，本文研究的模糊控制与半主动控制系统有着良好的控制性能。

徐康[15]使用磁流变阻尼器为控制设备，将模糊逻辑控制方法应用于磁流变阻尼器的控制。模糊控制方法不依赖于精确模型、调节简单，该方法能有效控制MR智能阻尼器，利用Matlab及Simulink软件包建立了地震作用下结构的动力反应仿真分析模型。仿真结果表明:振动控制效果明显，自适应神经网络模糊控制是一种很好的控制方法。

五、小结

近些年来，土木工程中的结构控制问题一直都是热点，一直都被国内外学者重点研究，而且越来越多的建筑当中都在应用，例如北京大兴国际机场航站楼采用了先进的组合隔震技术，设置1232个橡胶隔震支座和弹性滑板支座，大幅度提高航站楼结构的抗震性能。基础隔震技术就是属于结构地震反应中的被动控制范畴，用改变结构的支承条件的方法来减小地震能量向结构的传递。

半主动控制和混合控制方法可以满足不同的设防要求，对地面运动和结构本身不确定性的适应能力更强，可以提高结构在地震作用下的安全性，引入智能元件以后，效果会更好，因此是值得重视的新领域。所以这方面的内容希望以后广大学者可以继续深入研究。