基于遗传算法的磁流变阻尼器结构含时滞半主动控制策略的研究.pdfVIP

基于遗传算法的磁流变阻尼器结构含时滞半主动 控制策略的研究1) 2) 薛晓敏 ，李晓颜，伍晓红，张陵，孙清 （西安交通大学，西安 710049 ） 摘要：结构振动控制是一种常用的抗震技术，其中利用磁流变阻尼器装置对结构进行减震控制是一类有效的方 法。然而，磁流变阻尼器本身具有突出的非线性滞回特性，且其控制系统中普遍存在的时滞现象，均使得目前 现有的控制算法很难适应于实际的结构控制系统中。鉴于此，本文提出一种基于遗传算法的磁流变阻尼器结构 含时滞半主动控制策略，该策略的设计思路是，首先，提出一种基于遗传算法考虑时滞问题的主动控制算法， 采用该算法获得结构控制系统的理想最优控制力；其次，将最优控制力代入简化的Bouc-Wen 模型中，逆求解 相应的电流或电压值，继而再代入简化的Bouc-Wen 模型，得出磁流变阻尼器的阻尼控制力，将其施加在半主 动控制结构上。最后，为了验证该方法的有效性，选用一个在底部安装磁流变阻尼器的平面三层框架结构为振 动控制对象，其仿真结果表明，本文提出的半主动控制策略控制效果明显，具有一定的应用前景。 关键词：结构振动控制；磁流变阻尼器；控制策略；时滞；遗传算法 引 言 结构振动控制能够有效减轻结构在动力作用下的反应和损伤，近年来，受到了各国学者的广泛关注。 其中，作为一种典型的半主动控制装置——磁流变阻尼器在结构控制中表现出巨大潜能，得到了大力发 展[1]。但由于磁流变阻尼器的动力特性较为复杂，而且其动力系统中普遍存在时滞的现象使得要建立与 之相适的控制系统非常困难。一般而言，要获得有效的半主动控制算法必须解决以下两个关键问题：其 一，建立能够精确描述磁流变阻尼器动力特性的模型；其二，设计一套考虑时滞因素有效的控制算法[2]。 最后，要将两者进行有机结合，最后才能形成适用于磁流变阻尼器结构的含时滞结构振动半主动控制的 策略。 阻尼器的力学模型研究目前大致分为非参数模型和参数模型两大类。Ehrgott 和Mcclamroch 等人用 非参数方法[3, 4]，将其力学特性采用Chebyshen 多项式来模拟，这种方法给出的模型较复杂，比较不实 用。参数模型是建立在理想化的简单模型基础上的，Spencer 等引入了Bouc-Wen 环节来描述磁流变阻尼 器的力学性能[5]，该模型是其中应用最为广泛的模型，它能够较好的描述各种非线性系统的力学特性， 缺点是该模型参数过多，参数识别工作量较大。 磁流变阻尼器结构的控制策略研究有以下几种：恒定加压式、Heaviside 函数式、动力逆模型加压式、 1) **国家自然科学基金 2) E-mail ：xuexm@mail.xjtu.edu.cn 1 离散加压式等。其中开关控制，如Bang-Bang 控制[4]，Clipped-Optimal 控制[6]是最为常用的控制策略， 但这种控制策略易引起小震时及地震动初期、末期作动器参数超调，导致结构的加速度反应局部放大， 而且对于磁流变阻尼器为作动器的控制结构，时滞对其的控制效果的影响随着时滞的大小而变化，即随 着时滞的增加，控制效果降低，由于以上算法没有充分考虑时滞因素，因而，其控制效率还应该得到进 一步提高。 1 磁流变阻尼器 磁流变阻尼器应用技术研究的一个非常重要内容，它是针对具体的工程应用背景研究具有实用价值 的磁流变阻尼器。目前，这项工作是各国学者开展的极为活跃的一个热门研究领域，研制出了各种不同 类型结构的磁流变阻尼器，其中剪切模式的磁流变阻尼器和流动模式磁流变阻尼器是人们研究的热点。 孙清等人研究并制作了一种双出杆磁流变阻尼器[7]，其构造示意图和实物图分别见图 1 （a ），（b ）。其阻 尼力-位移力学曲线呈现丰满的椭圆形，速度滞回曲线的形状类似于梭形曲线，其滞回环显示了该阻尼器 存在剪切滞回效应，见图2 。 （a ）磁流变阻尼器设计示意图 （b ）磁流变阻尼器实物图 图1 磁流变阻尼器 2 磁流变阻尼器力学模型 由于磁流变阻尼器具有复杂的非线性特性，其滞回特性随电压 （