專利名稱：斜拉橋拉索振動實行主動控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于斜拉橋拉索振動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁致伸縮作動器的斜拉橋拉索振動實時主動控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
拉索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，承受著斜拉橋幾乎所有的恒載和活載。由于其具有大柔度、小質(zhì)量及小阻尼的特點，在風(fēng)、風(fēng)雨、支座振動等動力荷載激勵下極易發(fā)生多種形式的有害振動。拉索的振動特別是風(fēng)雨振、參數(shù)共振等引起的大幅振動容易引起索的疲勞，在索錨結(jié)合處產(chǎn)生疲勞裂紋，破壞索的防腐蝕系統(tǒng)，嚴重的還會造成索的失效，造成重大的財產(chǎn)損失。索的振動還會引起司乘人員的不舒適和對橋的安全性產(chǎn)生懷疑，引起社會恐慌。因此，研究大跨度斜拉橋拉索減振技術(shù)對于確保運營安全具有重要意義。現(xiàn)有拉索振動控制主要方法有空氣動力學(xué)措施、機械阻尼減振、輔助索與主動控制等。國內(nèi)外學(xué)者已采用壓電作動器，通過在拉索錨固端施加沿拉索軸向的控制力，實現(xiàn)變剛度控制，提出了模態(tài)控制方法，并開展了試驗研究；Gattulli等采用壓電作動器在錨固端施加軸向控制力， 提出了多點優(yōu)化控制的方法，進行了仿真和試驗研究，具備一定的技術(shù)優(yōu)勢，但因其存在設(shè)備昂貴、復(fù)雜性以及可靠性等問題，仍沒有得到實際應(yīng)用。磁致伸縮作動器(Magnetostrictive actuator, MSA)是一種新型的智能控制元件，它利用稀土超磁致伸縮材料(GMM)在磁場的作用下磁致伸縮應(yīng)變量大、能量密度高以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出功率大的特點。超磁致伸縮材料最好的是分子式為 TbO. 27DyO. 73Fe2的Terfernol合金(即Terfernol-D棒)，其伸縮量是壓電陶瓷的幾十倍， 最大可達1500-2000ppm。采用智能材料GMM制作的減振驅(qū)動裝置用于主動控制具有出力大、能耗小、反應(yīng)迅速等特點。本申請專利采用磁致伸縮作動器進行斜拉橋拉索主動控制系統(tǒng)的研究，具有廣闊前景的拉索減振技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，提供一種基于磁致伸縮作動器進行斜拉橋拉索振動實時主動控制系統(tǒng)體系。本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的的該斜拉橋拉索振動實行主動控制系統(tǒng)，它包括一個安裝于斜拉橋的拉索錨墊板之上并與錨墊板斷開的拉索螺母，拉索螺母是一個圓環(huán)凹槽形的構(gòu)件，其槽口對著錨墊板；拉索螺母內(nèi)對稱于拉索兩邊分別安裝有一個磁致伸縮作動器，拉索螺母上相對于磁致伸縮作動器的中心處設(shè)有調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)螺栓頂住磁致伸縮作動器上部中心處的輸出桿，使磁致伸縮作動器緊壓在錨墊板上；在拉索上安裝有一個傳感器，傳感器與一個實時控制設(shè)備相連，實時控制設(shè)備通過計算機控制算法作出分析和計算，且其輸出端連接到電流放大器的輸入端，電流放大器的輸出端與磁致伸縮作動器相連，通過控制磁致伸縮作動器的電流大小，來調(diào)節(jié)磁致伸縮作動器通過錨墊板作用于拉索上的主動力，以減小拉索的振動。
更具體地說，所述磁致伸縮作動器是一個以磁致伸縮棒為軸心的軸對稱結(jié)構(gòu)體， 磁致伸縮棒的兩端連接有導(dǎo)磁片，圍繞磁致伸縮棒及導(dǎo)磁片外依次設(shè)有內(nèi)線圈骨架和外線圈骨架，內(nèi)線圈骨架繞有勵磁線圈，外線圈骨架繞有偏置線圈；所述磁致伸縮棒、導(dǎo)磁片、勵磁線圈和偏置線圈均設(shè)在由導(dǎo)磁上蓋、導(dǎo)磁內(nèi)壁和導(dǎo)磁下蓋構(gòu)成的導(dǎo)磁內(nèi)殼里，磁致伸縮棒下端的導(dǎo)磁片與導(dǎo)磁下蓋相接觸；導(dǎo)磁內(nèi)殼外還相應(yīng)設(shè)有由非導(dǎo)磁上蓋、非導(dǎo)磁外壁和非導(dǎo)磁下蓋構(gòu)成的非導(dǎo)磁外殼；導(dǎo)磁下蓋底部中心處設(shè)有一凸塊，該凸塊與非導(dǎo)磁下蓋中心上設(shè)有的一個凹槽相嵌；磁致伸縮棒上端的導(dǎo)磁片插入導(dǎo)磁上蓋的中心孔內(nèi)，十字架形的輸出桿底部也插入導(dǎo)磁上蓋的中心孔中，并與導(dǎo)磁片相抵，輸出桿的上部從非導(dǎo)磁上蓋的中心孔中伸出，在輸出桿的橫桿與非導(dǎo)磁上蓋之間套有碟簧，用于給磁致伸縮棒提供預(yù)壓力；在導(dǎo)磁上蓋和非導(dǎo)磁外壁上設(shè)有導(dǎo)線孔；所述導(dǎo)磁上蓋和導(dǎo)磁下蓋分別與導(dǎo)磁內(nèi)壁通過螺紋連接，非導(dǎo)磁上蓋和非導(dǎo)磁下蓋也分別與非導(dǎo)磁外壁通過螺紋連接；所述磁致伸縮棒采用超磁致伸縮材料即GMM制成。 所述電流放大器的輸出電流范圍是H本發(fā)明的工作原理是傳感器將拉索振動的信號傳輸給本發(fā)明系統(tǒng)中的實時控制設(shè)備，經(jīng)過實時控制設(shè)備的相應(yīng)控制算法進行實時分析和控制分析后，將實時控制設(shè)備的反饋信號傳輸給電流放大器，電流放大器調(diào)節(jié)磁致伸縮作動器的電流大小，磁致伸縮作動器提供控制力，通過調(diào)節(jié)螺栓使磁致伸縮作動器緊密壓在錨墊板上，磁致伸縮作動器的主動力通過錨墊板作用于拉索上，如此反復(fù)進行，從而達到對拉索的振動控制的目的。本發(fā)明將智能驅(qū)動材料GMM應(yīng)用于拉索主動控制系統(tǒng)中，利用超磁致伸縮材料 (GMM)制作的驅(qū)動裝置具有出力大、能耗小、反應(yīng)迅速等優(yōu)點，在控制過程中通過實時調(diào)節(jié)磁致伸縮作動器電流大小，來提供相應(yīng)控制力的大小，方便、快捷地實現(xiàn)拉索的主動控制， 最終使拉索減振達到最優(yōu)效果。本發(fā)明基于磁致伸縮作動器進行斜拉橋拉索的主動控制方法，對發(fā)展拉索減振控制系統(tǒng)，全面評估拉索主動控制效果，開發(fā)新的拉索減振技術(shù)具有重
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圖1是本發(fā)明實施例的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中磁致伸縮作動器的結(jié)構(gòu)圖示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述。參見圖1，本實施例包括安裝于斜拉橋的拉索錨墊板9之上并與錨墊板9斷開的拉索螺母8，從圖中可見，拉索螺母8是一個圓環(huán)凹槽形的構(gòu)件，其槽口對著錨墊板9。在拉索螺母8內(nèi)對稱于拉索1兩邊分別安裝有一個磁致伸縮作動器6，拉索螺母8上相對于磁致伸縮作動器6的中心處設(shè)有調(diào)節(jié)螺栓7，調(diào)節(jié)螺栓7頂住磁致伸縮作動器6上部中心處的輸出桿，使磁致伸縮作動器6緊壓在錨墊板9上。從圖1中可見，在拉索1上安裝有一個傳感器2，傳感器2與實時控制設(shè)備4相連，實時控制設(shè)備4通過計算機控制算法作出分析和計算，且其輸出端連接到電流放大器5的輸入端，電流放大器5的輸出端與磁致伸縮作動器6 相連，通過控制磁致伸縮作動器6的電流大小，來調(diào)節(jié)磁致伸縮作動器6通過錨墊板9作用于拉索1上的主動力，以減小拉索1的振動。 參見圖2，本實施例磁致伸縮作動器6是一個以磁致伸縮棒20為軸心的軸對稱結(jié)構(gòu)體，由圖可見，磁致伸縮棒20的兩端連接有導(dǎo)磁片17，圍繞磁致伸縮棒20及導(dǎo)磁片17外依次設(shè)有內(nèi)線圈骨架13和外線圈骨架14，內(nèi)線圈骨架13繞有勵磁線圈15，外線圈骨架14 繞有偏置線圈16。磁致伸縮棒20、導(dǎo)磁片17、勵磁線圈15和偏置線圈16均設(shè)在由導(dǎo)磁上蓋10、導(dǎo)磁內(nèi)壁11和導(dǎo)磁下蓋12構(gòu)成的導(dǎo)磁內(nèi)殼里，并且，磁致伸縮棒20下端的導(dǎo)磁片 17與導(dǎo)磁下蓋12相接觸。導(dǎo)磁內(nèi)殼外還相應(yīng)設(shè)有由非導(dǎo)磁上蓋22、非導(dǎo)磁外壁23和非導(dǎo)磁下蓋24構(gòu)成的非導(dǎo)磁外殼。在導(dǎo)磁下蓋12底部中心處設(shè)有凸塊，該凸塊與非導(dǎo)磁下蓋 24中心上設(shè)有的凹槽相嵌。磁致伸縮棒20上端的導(dǎo)磁片17插入導(dǎo)磁上蓋10的中心孔內(nèi)， 十字架形的輸出桿19底部也插入導(dǎo)磁上蓋10的中心孔中，并與導(dǎo)磁片17相抵，輸出桿19 的上部從非導(dǎo)磁上蓋22的中心孔中伸出，在輸出桿19的橫桿與非導(dǎo)磁上蓋22之間套有碟簧18，用于給磁致伸縮棒20提供預(yù)壓力。在導(dǎo)磁上蓋10和非導(dǎo)磁外壁23上設(shè)有導(dǎo)線孔， 用于將線圈的導(dǎo)線伸出。導(dǎo)磁上蓋10和導(dǎo)磁下蓋12分別與導(dǎo)磁內(nèi)壁11通過螺紋連接，非導(dǎo)磁上蓋22和非導(dǎo)磁下蓋24也分別與非導(dǎo)磁外壁23通過螺紋連接。上述磁致伸縮棒20 采用超磁致伸縮材料即GMM制成。本實施例中，電流放大器5的輸出電流范圍是H本實施例中，計算機控制算法采用的是經(jīng)典線性最優(yōu)算法，其目標函數(shù)滿足式 (1)
M:[網(wǎng)姻⑴
其中，^(勸表示主動控制力矢量，t表示激勵時間，[gj表示系統(tǒng)狀態(tài)矢量的權(quán)矩陣， [R]表示系統(tǒng)控制力矢量的權(quán)矩陣，{m}表示系統(tǒng)的狀態(tài)矢量。本實施例中，磁致伸縮作動器6安裝在拉索螺母8內(nèi)，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)螺栓7使磁致伸縮作動器6緊密壓在錨墊板9上，且拉索螺母8與所述錨墊板9之間是斷開的。傳感器2將拉索1振動的信號傳輸給該系統(tǒng)中的實時控制設(shè)備4，經(jīng)實時控制設(shè)備4的相應(yīng)控制算法進行實時分析和控制計算，判斷是否需要控制，若需要控制，則該系統(tǒng)中的實時控制設(shè)備4輸出電流控制信號，傳輸至電流放大器5，電流放大器5的電流大小決定磁致伸縮作動器6的主動控制力，并且其主動控制力施加于錨墊板9，使拉索1的動力響應(yīng)得到一定的減小，拉索1振動信號又傳輸給實時控制設(shè)備4，從而開始新一輪的控制，如此循環(huán)下去，直至所述拉索1的振動達到控制的目標。
權(quán)利要求
1.一種斜拉橋拉索振動實行主動控制系統(tǒng)，其特征在于它包括一個安裝于斜拉橋的拉索錨墊板之上并與錨墊板斷開的拉索螺母，拉索螺母是一個圓環(huán)凹槽形的構(gòu)件，其槽口對著錨墊板；拉索螺母內(nèi)對稱于拉索兩邊分別安裝有一個磁致伸縮作動器，拉索螺母上相對于磁致伸縮作動器的中心處設(shè)有調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)螺栓頂住磁致伸縮作動器上部中心處的輸出桿，使磁致伸縮作動器緊壓在錨墊板上；在拉索上安裝有一個傳感器，傳感器與一個實時控制設(shè)備相連，實時控制設(shè)備通過計算機控制算法作出分析和計算，且其輸出端連接到電流放大器的輸入端，電流放大器的輸出端與磁致伸縮作動器相連，通過控制磁致伸縮作動器的電流大小，來調(diào)節(jié)磁致伸縮作動器通過錨墊板作用于拉索上的主動力，以減小拉索的振動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斜拉橋拉索振動實行主動控制系統(tǒng)，其特征在于所述磁致伸縮作動器是一個以磁致伸縮棒為軸心的軸對稱結(jié)構(gòu)體，磁致伸縮棒的兩端連接有導(dǎo)磁片，圍繞磁致伸縮棒及導(dǎo)磁片外依次設(shè)有內(nèi)線圈骨架和外線圈骨架，內(nèi)線圈骨架繞有勵磁線圈，外線圈骨架繞有偏置線圈；所述磁致伸縮棒、導(dǎo)磁片、勵磁線圈和偏置線圈均設(shè)在由導(dǎo)磁上蓋、導(dǎo)磁內(nèi)壁和導(dǎo)磁下蓋構(gòu)成的導(dǎo)磁內(nèi)殼里，磁致伸縮棒下端的導(dǎo)磁片與導(dǎo)磁下蓋相接觸；導(dǎo)磁內(nèi)殼外還相應(yīng)設(shè)有由非導(dǎo)磁上蓋、非導(dǎo)磁外壁和非導(dǎo)磁下蓋構(gòu)成的非導(dǎo)磁外殼；導(dǎo)磁下蓋底部中心處設(shè)有一凸塊，該凸塊與非導(dǎo)磁下蓋中心上設(shè)有的一個凹槽相嵌； 磁致伸縮棒上端的導(dǎo)磁片插入導(dǎo)磁上蓋的中心孔內(nèi)，十字架形的輸出桿底部也插入導(dǎo)磁上蓋的中心孔中，并與導(dǎo)磁片相抵，輸出桿的上部從非導(dǎo)磁上蓋的中心孔中伸出，在輸出桿的橫桿與非導(dǎo)磁上蓋之間套有碟簧，用于給磁致伸縮棒提供預(yù)壓力；在導(dǎo)磁上蓋和非導(dǎo)磁外壁上設(shè)有導(dǎo)線孔；所述導(dǎo)磁上蓋和導(dǎo)磁下蓋分別與導(dǎo)磁內(nèi)壁通過螺紋連接，非導(dǎo)磁上蓋和非導(dǎo)磁下蓋也分別與非導(dǎo)磁外壁通過螺紋連接；所述磁致伸縮棒采用超磁致伸縮材料即 GMM制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的斜拉橋拉索振動實行主動控制系統(tǒng)，其特征在于所述電流放大器的輸出電流范圍是-3A 3A。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于磁致伸縮作動器的斜拉橋拉索振動實時主動控制系統(tǒng)。本發(fā)明包括一個安裝于錨墊板之上并與錨墊板斷開的拉索螺母，拉索螺母內(nèi)對稱于拉索兩邊分別安裝有一個磁致伸縮作動器，拉索螺母上的中心處設(shè)有調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)螺栓頂住磁致伸縮作動器上部的輸出桿，使磁致伸縮作動器緊壓在錨墊板上；在拉索上安裝有一個傳感器，傳感器與一個實時控制設(shè)備相連，實時控制設(shè)備通過計算機控制算法作出分析和計算，且其輸出端連接到電流放大器的輸入端，電流放大器的輸出端與磁致伸縮作動器相連。本發(fā)明通過控制磁致伸縮作動器的電流大小，來調(diào)節(jié)錨墊板作用于拉索上的主動力，以減小拉索的振動。
文檔編號E01D19/16GK102359068SQ20111032411
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月23日
發(fā)明者孫洪鑫, 張賢才, 王修勇 申請人:湖南科技大學(xué)