基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)方法（Modulating Feedback Gain-Active Tuned Mass Damper，MFG-ATMD)〇
【背景技術(shù)】
[0002] 地震作為嚴(yán)重威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全的自然災(zāi)害，給人類造成了巨大的災(zāi)害，是 眾多地震多發(fā)國(guó)之一，例如近幾年來發(fā)生的汶川地震、日本地震、雅安地震。這些大地震不 僅造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失，還給人們帶來了巨大的悲痛和嚴(yán)重的心里傷害。21世紀(jì)，隨著世 界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)工程結(jié)構(gòu)的安全性和防災(zāi)性提出了越來越高的要求，要求工程 結(jié)構(gòu)在自然災(zāi)害（例如強(qiáng)震和臺(tái)風(fēng)）突發(fā)時(shí)能不被破壞，而且要求工程結(jié)構(gòu)在其作用下能 夠無受損傷。于是我們對(duì)工程結(jié)構(gòu)的防災(zāi)減災(zāi)提出了一些革命性的要求，而結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制 技術(shù)有望是實(shí)現(xiàn)這一防災(zāi)減災(zāi)革命性要求的根本途徑。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)一般是通過增 強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度與剛度來抵抗外荷載的作用，從而達(dá)到抗震的效果。所以我們?cè)谶M(jìn) 行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要準(zhǔn)確估計(jì)結(jié)構(gòu)所要承受的外部荷載、把握所用材料的特性，并且需 要選擇合理的設(shè)計(jì)及分析方法。但是地震荷載的高度不確定性、材料的非線性和使用時(shí)性 能的變異以及現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)方法的局限性使得結(jié)構(gòu)存在不滿足使用功能和安全的 要求的可能性。考慮到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的局限性，業(yè)界學(xué)者們開始對(duì)此不斷探求新 的方法，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的設(shè)計(jì)方法就是在這種情況下產(chǎn)生并發(fā)展的。
[0003] 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是通過采取一定的控制措施以調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性或是 通過施加外部能量來抵消外荷載作用，從而達(dá)到抗震減災(zāi)性能。根據(jù)是否需要外界能源，結(jié) 構(gòu)控制一般可分為以下四類：（1)被動(dòng)控制系統(tǒng)，一種不需要外部能源的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，一 般是指在結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位附加一個(gè)子系統(tǒng)，或?qū)Y(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件做構(gòu)造上的處理以改 變結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性（如，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD)和多重調(diào)諧質(zhì)量 阻尼器(Multiple Tuned Mass Damper，MTMD)) ; (2)主動(dòng)控制系統(tǒng)，一種需要外部能源的結(jié) 構(gòu)控制技術(shù)，通過施加與振動(dòng)方向相反的控制力來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制，控制力由前饋外激勵(lì)和 (或）反饋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)決定；（3)半主動(dòng)控制系統(tǒng)，一般以被動(dòng)控制為主，當(dāng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反 應(yīng)開始越限時(shí)，利用控制機(jī)構(gòu)來主動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的參數(shù)，使結(jié)構(gòu)參數(shù)處于最優(yōu)狀態(tài)，所需 的外部能量較??；(4)混合控制系統(tǒng)，主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的聯(lián)合應(yīng)用，使其協(xié)調(diào)起來共同 工作，這種控制系統(tǒng)充分利用了被動(dòng)控制與主動(dòng)控制各自的優(yōu)點(diǎn)，既可以通過被動(dòng)控制系 統(tǒng)大量耗散振動(dòng)能量，又可以利用主動(dòng)控制系統(tǒng)來保證控制效果，例如主被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻 尼器（Active-Passive Tuned Mass Damper，APTMD) 〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于調(diào)制反饋增 益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)方法（MFG-ATMD)，其提高主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)地震反 應(yīng)控制的有效性。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下述技術(shù)方案：一種基于調(diào)制反饋增益的主 動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其包括以下步驟：
[0006] 步驟一，由建筑結(jié)構(gòu)自身的受控振型質(zhì)量、阻尼和剛度，在單個(gè)主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼 器的基礎(chǔ)上施以新型主動(dòng)控制力；然后建立建筑結(jié)構(gòu)基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻 尼器系統(tǒng)的力學(xué)模型；
[0007] 步驟二，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)及主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器進(jìn)行受力分析， 建立建筑建筑結(jié)構(gòu)基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)方程；
[0008] 步驟三，對(duì)比主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，對(duì)基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 進(jìn)行振動(dòng)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)；
[0009] 步驟四，通過比較建筑結(jié)構(gòu)，考慮控制的有效性和阻尼系統(tǒng)沖程控制的有效性，選 擇最優(yōu)組合參數(shù)，參照原建筑結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)新型基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼 器。
[0010] 優(yōu)選地，所述步驟一是將建筑結(jié)構(gòu)作為一個(gè)單自由度質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)其材料特點(diǎn)確定 其阻尼和剛度，將主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器安裝在建筑結(jié)構(gòu)上，以一新型主動(dòng)控制力控制，以此 構(gòu)成建筑結(jié)構(gòu)基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)。
[0011] 優(yōu)選地，所述步驟二中，建立建筑結(jié)構(gòu)基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 系統(tǒng)的動(dòng)力方程表示為下式：
[0015] 式中，&(〇為地震地面運(yùn)動(dòng)加速度；ys為建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)于基底的位移；y τ為主動(dòng) 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器相對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的位移；ms、CdP k s分別為建筑結(jié)構(gòu)的受控振型質(zhì)量、阻尼 和剛度；mT、C#PkT分別為主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的質(zhì)量、阻尼和剛度；u T(t)為作用于建筑結(jié) 構(gòu)和主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器之間的主動(dòng)控制力；ma、cJPkd分別為主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的加 速度、速度和位移反饋增益變量。
[0016] 優(yōu)選地，所述步驟四采用定義最優(yōu)參數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，定義最優(yōu)參數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則設(shè)置建 筑結(jié)構(gòu)基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器時(shí)建筑結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)力放大系數(shù)的最小 值的最小化，即％ = min.min.min.min·max ）；心、越小，則基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng) 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的振動(dòng)控制有效性就越佳；利用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并與主動(dòng)調(diào)諧質(zhì) 量阻尼器進(jìn)行比較。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明方法設(shè)計(jì)一種適用于所 有結(jié)構(gòu)的新型主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，優(yōu)越之處在于在不增加質(zhì)量塊質(zhì)量的基礎(chǔ)上，能夠有 效地控制地震作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，且優(yōu)于主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Active Tuned Mass Damper，ATMD)設(shè)計(jì)方法。
【附圖說明】
[0018] 圖1是MFG-ATMD設(shè)計(jì)分析過程圖；
[0019] 圖2是基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（MFG-ATMD)系統(tǒng)模型的示意 圖；
[0020] 圖3是MFG-ATMD、ATMD的fT? α τ變化關(guān)系曲線的示意圖；
[0021] 圖4是MFG-ATMD、ATMD的ξ滴α τ變化關(guān)系曲線的示意圖；
[0022] 圖5是MFG-ATMD的心隨α τ變化關(guān)系曲線的示意圖；
[0023] 圖6是MFG-ATMD的ξ ,隨α τ變化關(guān)系曲線的示意圖；
[0024] 圖7是MFG_ATMD、ATMD的^&隨α τ變化關(guān)系曲線的示意圖；
[0025] 圖8是MFG_ATMD、ATMD的OW/^隨α τ變化關(guān)系曲線的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)方法包括如下 步驟：
[0028] 步驟一，由建筑結(jié)構(gòu)自身的受控振型質(zhì)量ms、阻尼cJP剛度ks，在單個(gè)ATMD的基礎(chǔ) 上施以新型主動(dòng)控制力。然后建立建筑結(jié)構(gòu)基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（建 筑結(jié)構(gòu)-MFG-ATMD)系統(tǒng)的力學(xué)模型，如圖2所示；
[0029] 步驟二，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)及主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（ATMD)進(jìn) 行受力分析，建立建筑建筑結(jié)構(gòu)基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（建筑結(jié) 構(gòu)-MFG-ATMD)系統(tǒng)方程；
[0030] 步驟三，對(duì)比主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（ATMD)，對(duì)基于調(diào)制反饋增益的主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量 阻尼器（