主動(dòng)質(zhì)量阻尼器(AMD)

1、主動(dòng)質(zhì)量阻尼器（AMD） 概述 v隨著建筑結(jié)構(gòu)的高度不斷增高、結(jié)構(gòu)體系不斷趨于 復(fù)雜,再加上地震、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的不可預(yù)知性, 結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)也遇到了新的挑戰(zhàn)。我國(guó)沿海 地區(qū)超高層建筑一般以風(fēng)控為主,強(qiáng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)可 能會(huì)出現(xiàn)舒適度超標(biāo),甚至?xí)斐山Y(jié)構(gòu)及附屬構(gòu)件損 壞。大量理論研究和實(shí)踐證明,主動(dòng)質(zhì)量阻尼器AMD 控技術(shù)能夠有效地增加結(jié)構(gòu)阻尼,減小超高層結(jié)構(gòu)風(fēng) 致振動(dòng)和地震響應(yīng)。因此,應(yīng)用 AMD 控制技術(shù),減輕 結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng),提高建筑舒適性,對(duì)提 高建筑使用性能和品質(zhì)有重要意義。 目錄 v1.基本概念，歷史，現(xiàn)狀。 v2. 原理 v3. 裝置 v4. AMD工作流程 v5.主

2、動(dòng)控制算法 v6. 存在的問(wèn)題 v7. 研究展望 基本概念 v主動(dòng)質(zhì)量阻尼器(active mass damper,AMD) 是將結(jié)構(gòu)響應(yīng)的反饋和或結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵位置處 外激勵(lì)的前饋,經(jīng)計(jì)算機(jī)分析處理向驅(qū)動(dòng)器(連 接質(zhì)量塊和結(jié)構(gòu))發(fā)送適當(dāng)?shù)男畔?于是驅(qū)動(dòng)器 對(duì)抗質(zhì)量塊將慣性控制力施加于結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)振 動(dòng)控制. 歷史 v自從美籍華裔學(xué)者 J.T.P.Yao 于 1972 年首次 提出結(jié)構(gòu)控制的概念之后，結(jié)構(gòu)控制引起了 世界各國(guó)的高度重視，經(jīng)過(guò) 30 多年的不斷發(fā) 展和完善，并且在大量實(shí)際工程中得到了較 廣泛的運(yùn)用。在高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制方面，主 要以被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和主動(dòng)質(zhì)量阻尼器 的應(yīng)用居多，而且技術(shù)成

3、熟可靠。 國(guó)外研究狀況 v在裝置的試驗(yàn)研究方面，1987 年日本 Aizawa等人完成了小比例四層鋼框架模型頂 層設(shè)置 AMD 系統(tǒng)的主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)；同年， 日本 Kobori 等人完成了 1：4 鋼框架模型頂 層設(shè)置 AMD 系統(tǒng)的主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)； v1988 年美國(guó) Soong 等人完成了1：4 鋼框架 模型頂層設(shè)置 AMD 系統(tǒng)的主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。 這些實(shí)驗(yàn)和結(jié)果顯示了AMD 系統(tǒng)良好的性能 和控制效果。 v在裝置的實(shí)際工程運(yùn)用方面，1989 年，日本 Kajima 建筑公司建成了世界上第一座采用 AMD 系統(tǒng)的 11 層辦公大樓京橋成和大廈， 用于控制結(jié)構(gòu)的風(fēng)振和中等地震作用的反應(yīng)。 日本大阪

4、Applause 塔上安裝了 1個(gè)質(zhì)量重達(dá) 480t 的 AMD 系統(tǒng)，其慣性質(zhì)量直接采用了 該建筑上的直升機(jī)停機(jī)坪臺(tái)使用了2個(gè) 5t的作動(dòng)器，該系統(tǒng)給結(jié)構(gòu)附加的阻尼比 為 1.4%-10.6%。同樣，在大阪 Herbis大 廈也安裝了 2 個(gè)懸吊 AMD 結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。 該大樓總高 190m，每個(gè) AMD 裝置的慣性 質(zhì)量為 160t，懸吊桿長(zhǎng)度為 3.2m，裝置自 振周期為 3.6s，主動(dòng)控制出力為5t，控制 沖程為 300mm，最大控制力為 6t，最大沖 程為 500mm。 國(guó)內(nèi)研究狀況 v在裝置的試驗(yàn)研究方面： v 哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉季、宋根由等人率先在我 國(guó)開展了結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制試驗(yàn)研

5、究,完成了 5 層 1:4 模型框架的 AMD 振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。 v 歐進(jìn)萍等人研究了海洋平臺(tái)振動(dòng)的 AMD 控 制仿真分析及 1:10 模型平臺(tái)結(jié)構(gòu) AMD 控制 的地震模擬試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)。 v在裝置的實(shí)際工程運(yùn)用方面： v中國(guó)與美國(guó)合作并于 2001 年實(shí)現(xiàn)的南京電 視塔風(fēng)振控制的 AMD 系統(tǒng),是我國(guó)國(guó)內(nèi)第一 個(gè)采用 AMD 控制系統(tǒng)的實(shí)際工程。 v近年來(lái),越來(lái)越多的超高層建筑采用了該裝置, 如上海環(huán)球金融中心,在第90層安裝了兩臺(tái)各 重250噸的慣性質(zhì)量塊,它不僅能使強(qiáng)風(fēng)作用 下建筑物的加速度反應(yīng)降低,地震時(shí),還能有效 地減小建筑結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的響應(yīng)。 v廣州新電視塔塔高 618 米,其主塔體

6、高 454 米,天線桅桿高 164 米,形狀高挑纖細(xì),固有 周期達(dá) 10.01s 秒,該工程采用了混合質(zhì)量阻 尼器方案,以改善電視塔結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下 的使用舒適性及安全性。該方案由哈爾濱 工業(yè)大學(xué)深圳研究生院負(fù)責(zé)其中的 AMD 主 動(dòng)控制部分。 AMD控制原理 v結(jié)構(gòu)振動(dòng)的 AMD 控制系統(tǒng)由傳感器(包括數(shù)據(jù)采集 器)、控制決策器和 AMD 裝置等三部分組成。這三 個(gè)部分與結(jié)構(gòu)一起組成的系統(tǒng),稱為結(jié)構(gòu) AMD 控制 系統(tǒng)。 v AMD 系統(tǒng)實(shí)施控制時(shí),傳感器子系統(tǒng)測(cè)量結(jié)構(gòu)的干 擾或響應(yīng),并反饋至計(jì)算機(jī);控制器按照計(jì)算機(jī)設(shè)定 的某種主動(dòng)控制算法,實(shí)時(shí)計(jì)算主動(dòng)控制力,并驅(qū)動(dòng) AMD 系統(tǒng)的作動(dòng)器;

7、然后作動(dòng)器推動(dòng) AMD 的慣性 質(zhì)量運(yùn)動(dòng),對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力。 AMD與TMD的區(qū)別 v與被動(dòng)控制相比，AMD等主動(dòng)控制方式有以 下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)： v1）提高了控制的有效性。 v2）適用于多用途減震，如風(fēng)振或地震。 v3）可以選擇控制目標(biāo)，如控制結(jié)構(gòu)某個(gè)關(guān)鍵 振型的響應(yīng)（位移、速度或加速度響應(yīng)）， 或結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移、結(jié)構(gòu)基底彎矩以及基底剪 力等。 vAMD主動(dòng)控制體系，除了被控結(jié)構(gòu)外，其主 動(dòng)控制系統(tǒng)由三部分組成： v（1）質(zhì)量阻尼剛度裝置：包括質(zhì)量塊，剛度 彈簧和阻尼器。 v（2）驅(qū)動(dòng)裝置和液壓源：包括伺服閥、驅(qū)動(dòng) 器、反饋傳感器液壓源及管路。 v（3）計(jì)算機(jī)及控制系統(tǒng)，這是整個(gè)主動(dòng)控制 系統(tǒng)的核心

8、部分，包括： v 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：裝設(shè)在結(jié)構(gòu)和地面上的傳 感器。 v 濾波調(diào)節(jié)器：對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、 調(diào)節(jié)。 v 模擬微分器：對(duì)振動(dòng)反應(yīng)信號(hào)（位移、速度、 加速度）進(jìn)行微分轉(zhuǎn)換。 v（4）計(jì)算機(jī)：A/D轉(zhuǎn)換（模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號(hào)）； 數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理（按控制算法）； v D/A轉(zhuǎn)換（數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)）。 v（5）伺服控制器：將模擬信號(hào)(u)與反饋信號(hào)(u*) 進(jìn)行對(duì)比、放大，對(duì)伺服閥及驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。 AMD主動(dòng)控制系統(tǒng)的工作流程如下： v （1）數(shù)據(jù)采集：地面和結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)下 發(fā)生振動(dòng)反應(yīng)（位移、速度、加速度），通 過(guò)傳感器進(jìn)行在線測(cè)量。 v （2）數(shù)據(jù)處理和傳輸：傳感器

9、測(cè)得的振動(dòng) 反應(yīng)的信號(hào)，經(jīng)濾波、放大、調(diào)節(jié)、模擬微 分處理等，傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器。 v（3）A/D轉(zhuǎn)換：把電壓模擬信號(hào)（Analog） 轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字信號(hào)（Digital）。 v （4）控制計(jì)算：計(jì)算機(jī)把電壓數(shù)字信號(hào)經(jīng) 過(guò)標(biāo)量變換，轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)的位移、速度。照 預(yù)設(shè)的控制算法，把結(jié)構(gòu)控制增益矩陣與結(jié) 構(gòu)狀態(tài)向量相乘，計(jì)算出控制力（U）。 v（5）D/A轉(zhuǎn)換：把控制力（U）的電壓數(shù)字 信號(hào)（Digital）轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(hào)(Analog)， 并作為指令 信號(hào)傳輸至伺服控制器。 v（6）伺服控制：伺服控制器與驅(qū)動(dòng)器的反饋傳 感器 相聯(lián)，伺服傳感器把計(jì)算機(jī)傳來(lái)的控制力 （U）的指令信號(hào)與

10、反饋傳感器驅(qū)動(dòng)力(u*)信號(hào) 進(jìn)行比較（負(fù)反饋），其差值傳至電液伺服閥， 伺服閥控制高壓油從液壓源輸送至伺服驅(qū)動(dòng)器 的油缸，油缸的活塞隨信號(hào)偏差而移動(dòng)，一直 至信號(hào)等于零為止。這樣，通過(guò)負(fù)反饋，驅(qū)動(dòng) 器就按指令信號(hào)向結(jié)構(gòu)施加設(shè)定的控制力，從 而衰減和控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)。 重復(fù)（1）（6），使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)減 至最小值 主動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和工作流程 v現(xiàn)以典型的AMD說(shuō)明系統(tǒng)組成和工作流程 主動(dòng)控制算法 v主動(dòng)控制算法是主動(dòng)控制的基礎(chǔ)。它的目是 使主動(dòng)控制系統(tǒng)在滿足其狀態(tài)方程和各種約 束條件下，選擇合適的增益矩陣，尋找最優(yōu) 的控制參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到較優(yōu)的性能指標(biāo)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)控制。 主要算法

11、有： v（1）經(jīng)典線性最優(yōu)控制算法（Yang， 1975）； v（2）瞬時(shí)最優(yōu)控制算法（Yang，1992）； v（3）改進(jìn)瞬時(shí)最優(yōu)控制算法（閻維明、周福 霖、譚平，1996）； v（4）模態(tài)控制算法（Martin and Soong， 1976）； v（5）脈沖控制算法（Udwadia，1981）； v（6）極點(diǎn)配制算法（Martin and soong， 1976）； v（7）預(yù)測(cè)控制算法（Rodellar，1987）； v（8）自適應(yīng)控制算法（Safk，1989）； v（9）模糊控制算法（Yao，1989）； v（10）H（無(wú)限大）優(yōu)化控制算法（Safonov， 1991；劉棟棟，199

12、5）； v（11）低能量控制算法； v（12）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。 目前，多種新的控制算法還在創(chuàng)立和發(fā)展。但 至今為止，普遍采用的是經(jīng)典線性最優(yōu)控制及瞬 時(shí)最優(yōu)控制算法。 工程結(jié)構(gòu)減震控制 李愛群 編著（參考） 結(jié)構(gòu)主動(dòng)減震控制的應(yīng)用范圍 主動(dòng)控制主要應(yīng)用于下述結(jié)構(gòu)在風(fēng)、地震、環(huán) 境振動(dòng)激勵(lì)下的減震控制： v（1）高層、超高層建筑； v（2）高聳塔架或特種結(jié)構(gòu)； v（3）橋梁或其他大跨度結(jié)構(gòu)； v（4）生命線工程結(jié)構(gòu)。 存在的問(wèn)題 仍存在下述問(wèn)題尚待解決： v（1）減震的有效性； v（2）控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性； v（3）時(shí)滯問(wèn)題； 1）液壓系統(tǒng)或電機(jī)系統(tǒng)的作動(dòng)過(guò)程。 2）信號(hào)的采集和運(yùn)輸、控制器的計(jì)

13、算。 v（4）經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題； v（5）系統(tǒng)裝置的日常維護(hù)問(wèn)題。 主動(dòng)控制研究展望 結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制由于具有減震效果好，適 應(yīng)性廣等特點(diǎn)，引起人們廣泛的研究興趣， 目前或今后所要進(jìn)一步研究的問(wèn)題主要有： v1）進(jìn)一步開展具有廣闊應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)主動(dòng) 控制裝置研究，建立以這些裝置為基礎(chǔ)的結(jié) 構(gòu)主動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法。 v2）主動(dòng)控制減震效果的有效性和控制系統(tǒng)工 作穩(wěn)定性的研究。 目前所建成的主動(dòng)控制系統(tǒng)，是以提高中 小地震以及臺(tái)風(fēng)下居住和使用的舒適性為目的， AMD在實(shí)際中難以單獨(dú)抵抗大地震的作用，因 為它需要巨大的質(zhì)量塊和推動(dòng)它們的巨大外部 能量。應(yīng)解決大地震作用下外部能源對(duì)主動(dòng)控 制系統(tǒng)的能量供

14、應(yīng)和保證控制系統(tǒng)在強(qiáng)地震中 的有效運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題。同時(shí)，應(yīng)研究時(shí)滯、傳感器 和控制器的可靠性等對(duì)主動(dòng)控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定 性的影響 v3）進(jìn)一步提出新的更為合理的結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制算 法和最優(yōu)控制理論，開展主動(dòng)控制理論和實(shí)驗(yàn)研 究。 v4）土木工程結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制需要有迅速提供巨大 控制力的控制裝置，研制可靠性高、響應(yīng)快、控 制力達(dá)幾百噸的控制器是土木工程結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制 的重要課題。 v5）結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中的混合控制研究。應(yīng)開展多 種主動(dòng)控制算法的優(yōu)化組合研究、不同類型的結(jié) 構(gòu)控制方法的最優(yōu)混合應(yīng)用研究。 v6）結(jié)構(gòu)控制標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)體系研究。 在大量各種不同的結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)存在并投 入應(yīng)用的同時(shí)，目前缺乏可以評(píng)價(jià)這些系統(tǒng)表 現(xiàn)性能和進(jìn)行比較的一般標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)致力 于開發(fā)一套標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試程序，以便不同系統(tǒng) （被動(dòng)、主動(dòng)、混合）能被真實(shí)地評(píng)價(jià)和比較 v7）進(jìn)一步開展主動(dòng)控制技術(shù)在高柔、大跨等工 程結(jié)構(gòu)中的理論和應(yīng)用研究，擴(kuò)大它的工程應(yīng) 用領(lǐng)域，通過(guò)工程應(yīng)用，使之成為一項(xiàng)成熟的 技術(shù) 參考文獻(xiàn) v1.申崇勝.高柔結(jié)構(gòu)風(fēng)振舒適度AMD控制算法研究； 哈