自适应磁流变控制系统仿真计算研究

　　近年来，建筑和桥梁结构在地震和风振激励作用下的隔震、减振及振动控制，从理论、实验研究和工程应用方面，都取得了较大的进展。因同时具有被动控制系统的鲁棒性与主动控制系统的可调性的优点，磁流变(Magnetorheological，MR)控制系统在土木工程控制领域展现出了良好的应用前景。由于磁流变阻尼器的模型[1―4]及其控制策略[5―9]的不断改进，磁流变控制系统的研究和应用也越来越广泛。

　　在传统 磁流变 控制系统 (Conventional MRDamper-based Control System，CMRDS)中，阻尼器需要独立的传感器和控制器来配合工作，且为三者提供能量的电源装置必不可少。对于大型建筑及桥梁结构，过多的组件使得控制系统过于冗杂，不仅会显著降低系统可靠性，还会大大提高整个建筑或桥梁结构的造价。为了解决这些问题，韩国科学技术院的 Jung H[10―13]于 2005 年，提出了一种智能被动控制系统，该系统通过一个置于阻尼器之外的电磁集能模块(由永磁铁和线圈构成)收集结构振动的能量为阻尼器供电。香港中文大学的Chen C和LiaoW[14―15]于 2010 年也提出了一种自供电自传感磁流变阻尼器及其控制系统，该系统将电磁集能模块内置于阻尼器中收集振动能量为阻尼器供电。以上系统由于融合了集能、传感和磁流变技术，因此具有占用空间小、质量轻、造价低、高可靠性等诸多优点[12,14]。这些系统的提出，充分利用了磁流变阻尼器的可调性，并为磁流变控制系统性能的改善开辟了一个新的研究方向。

　　近些年来，应用具有压电效应的压电材料来收集环境中的机械能在微电子领域得到了快速发展，并开始受到土木工程领域的关注[16―18]。已有研究表明 ，相比于电磁集能装置，压电集能装置(Piezoelectric Energy Harvester，PEH)具有更高的能量密度[19―20]。利用压电集能装置收集的能量不仅可以用于微瓦级的微电子领域，也有望满足较大功率的设备。鉴于磁流变阻尼器仅需数瓦级的电能即可实现阻尼力的大幅度调节，本文提出了一种基于压电自集能的自适应磁流变控制系统(Adaptive MRDamper based control System，AMRDS)。为了验证该设想的可行性，本文将结合滨州黄河大桥上的N26 号斜拉索和 1 个 5 层建筑结构模型，进行控制系统的设计，并仿真该系统的控制效果。

　　1 自适应控制系统

　　1.1 系统结构

　　图 1 与图 2 分别为所提出的斜拉索减振和建筑结构隔震的自适应控制系统。

　　在图 1 所示的自适应磁流变斜拉索减震系统中，两套压电集能装置对称布置在斜拉索两侧，且紧挨并平行于阻尼器布置。集能装置的两端，通过柔性拉索分别与斜拉索及固定阻尼器的底板相连接。在风振激励作用下，随斜拉索水平或竖向振动，装置可产生近似等于阻尼器活塞杆位移的变形。