CN101245614A - 拉索振动主动变刚度控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种拉索振动主动变刚度控制的新型方法，力传感器测量拉索中的初始预拉力，利用位移传感器、数据线将测量的拉索数据传送给D－V－I Bang－Bang主动控制器，主动控制器判断选择主动控制力并输出，促动动圈式液压伺服作动器在拉索的轴向上产生动态拉压力，使拉索主动变化刚度，达到降低拉索振动响应的目的。实现该方法的装置，其包括动圈式液压伺服作动器、液压站、D－V－IBang－Bang主动控制器，将拉索上端固定于反力墙上，并安装有测量拉索初始预拉力的力传感器，下端则与动圈式液压伺服作动器的拉头相连，拉索上设有位移传感器，其通过数据线与D－V－I Bang－Bang主动控制器、动圈式液压伺服作动器形成控制回路。本发明不仅可以提高拉索结构的安全保障，而且可以获得显著的综合效益。

Description

拉索振动主动变刚度控制方法及装置

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种拉索振动主动变刚度控制的新型方法及装置。

背景技术

拉索结构由于结构合理、外形美观，从而在土木工程结构中得到了广泛的应用，但是由于拉索质量轻、柔性大、阻尼小，在风荷载作用下或端部支座有移动的情况下，容易产生横向振动。过大的振幅会使拉索发生疲劳断裂，影响了拉索结构的安全性，而可能有破坏性事故发生。本方法和装置可以用于抑制大型的拉索屋面、斜拉桥、桅杆结构、输电塔架和玻璃幕墙等结构中拉索的横向振动。

目前为止，工程界主要采用各种被动控制或半主动控制的减振装置来减少拉索结构中拉索的横向振动。虽然存在简便易行、安装方便等优点，但是被动控制或半主动控制对超长拉索的振动控制来说，其控制效果远远不能满足工程实际的要求。而随着现代建筑构形的不断发展，将会有更多的超长拉索出现在实际结构中，因此必须采用比被动或半主动控制更好的方法。

发明内容

本发明的目的在于依赖于拉索振动的反应信息和外激励荷载，提出一种新型拉索振动轴向主动变刚度多模态控制方法，利用很少的能量沿拉索轴向施加主动最优控制力，在引起拉索横向刚度发生实时变化的同时，使拉索振动的频率和阻尼比也发生了相应的变化，从而达到减轻或降低拉索振动响应的目的。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

本发明公开了一种涉及拉索振动主动变刚度控制的新型方法及装置。拉索振动主动变刚度控制的新型方法为针对拉索多阶模态振动响应的D-V-IBang-Bang控制策略。拉索振动主动变刚度控制的新型装置由动圈式液压伺服作动器和液压站组成。动圈式液压伺服作动器的作动杆一端自由，一端通过拉头和负载(拉索)相连。拉索中的初始预拉力T由动圈式液压伺服作动器的作动杆中的弹簧产生，可通过调节弹簧座任意调节拉索中初始预拉力的大小。拉索中的动态拉压力(k或-k)由动圈式液压伺服阀和液压伺服油缸产生。动圈式液压伺服阀、液压伺服油缸、拉压力传感器组成力闭环，使动态拉压力跟随由针对拉索多阶模态振动响应的D-V-I Bang-Bang控制策略计算出来的指令信号变化。整个装置依赖于拉索振动的反应信息和外激励荷载，按照提出的新型拉索振动轴向主动变刚度多模态控制方法，当拉索振动的模态位移与模态速度同号时，即按照某阶振型振动的拉索向背离平衡点的方向振动时，增加拉索的轴向力以附加结构的刚度；当拉索振动的模态位移与模态速度反号时，即按照某阶振型振动的拉索从远离平衡点的位置向平衡点振动时，减小拉索的轴向力以削减结构的刚度。即利用很少的能量沿拉索轴向施加主动最优控制力，在引起拉索横向刚度发生实时变化的同时，使拉索振动的频率和阻尼比也发生了相应的变化，从而达到减轻或降低拉索振动响应的目的。本发明的动圈式液压伺服主动控制装置能够很好地实现拉索振动的主动D-V-I Bang-Bang控制，且控制效果明显。适用于抑制各种拉索的振动。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：本发明提出的新型拉索振动轴向主动变刚度多模态D-V-I Bang-Bang控制方法具有简便性和有效性，同时也反映了控制系统和发明的动圈式液压伺服主动控制装置整体工作的良好性能。整项发明不仅可以提高拉索结构的安全保障，而且可以获得显著的综合效益。

附图说明

图1是本发明的D-V-I Bang-Bang控制过程的力学模型示意图。

图2是本发明的动圈式液压伺服作动器主视结构示意图。

图3是本发明的动圈式液压伺服作动器俯视结构示意图。

图4是本发明的液压站主视结构示意图。

图5是本发明的液压站右视结构示意图。

图6是本发明的液压站俯视结构示意图。

图7是本发明的动圈式伺服主动控制装置液压原理示意图。

图8是拉索振动主动控制试验布置示意图。

图9是D-V-I Bang-Bang主动控制器的simulink模型。

图10是本发明的试验一拉索振动L/2处的位移时程。

图11是本发明的试验一沿拉索轴向主动控制力时程。

图12是本发明的试验二拉索振动L/2处的位移时程。

图13是本发明的试验二沿拉索轴向主动控制力时程。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明主要解决的问题是高效抑制拉索特别是长拉索的横向振动问题。本发明涉及一种拉索振动主动变刚度控制的新型方法及装置。

1)拉索振动主动变刚度控制的新型方法为针对拉索多阶模态振动响应的D-V-I Bang-Bang控制策略，即基于位移-速度乘积积分的Bang-Bang控制策略。具体表达形式如下：

$U\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}k& {\&Integral;}_0^{l}v(x,t)\&CenterDot;\stackrel{\&CenterDot;}{v}(x,t)\mathrm{dx}>0\\ -k& {\&Integral;}_0^{l}v(x,t)\&CenterDot;\stackrel{\&CenterDot;}{v}(x,t)\mathrm{dx}<0\end{array}\right.$

式中，U(t)为需要通过D-V-I Bang-Bang控制策略求得各时刻在拉索轴向施加的主动最优控制力的大小。v(x，t)为拉索的位移响应，

为拉索的速度响应。k为控制增益。当主动控制力为k时表示控制装置处于ON状态，当其为-k时表示控制装置出于OFF状态，这样的开关控制算法，也称为ON/OFF控制算法或Switching控制算法，而

${\&Integral;}_0^l\text{v}(x,t)\&CenterDot;\stackrel{\&CenterDot;}{v}(x,t)\mathrm{dx}=y^T\left(t\right)M\stackrel{\&CenterDot;}{y}\left(t\right)$

式中，y(t)为拉索的模态位移向量，

为拉索的模态速度向量。采用上述控制策略，可以同时考虑多阶模态的响应，并加以控制。该控制策略的物理意义是：当拉索振动的模态位移与模态速度同号时，即按照某阶振型振动的拉索向背离平衡点的方向振动时，增加拉索的轴向力以附加结构的刚度；当拉索振动的模态位移与模态速度反号时，即按照某阶振型振动的拉索从远离平衡点的位置向平衡点振动时，减小拉索的轴向力以削减结构的刚度。D-V-I Bang-Bang控制过程的力学模型示意图如图1所示，其中控制增益k可以取为拉索中初始预拉力的5％或10％。这样施加轴向主动控制力后拉索的运动方程实际上是非线性运动方程，它可以由求解非线性运动方程的任何一种数值积分方法求解。

整个控制过程基于独立式的控制和数据采集系统，数据采集卡与PC连接，其主要优势就在于控制和数据采集是完全集成一体并且同步的。可以通过商业应用软件Matlab中的simulink模块来组建D-V-I Bang-Bang主动控制器模型，从而实现D-V-I Bang-Bang控制策略。

2)拉索振动主动变刚度控制的新型装置由动圈式液压伺服作动器和液压站组成。

①动圈式液压伺服作动器，由作动杆1、液压伺服油缸2、动圈式液压伺服阀3、液压伺服油缸底座4组成。作动杆1由和拉索5相连的拉头11、位移传感器12、位移传感器挡片13、拉压力传感器14、圆柱螺旋压缩弹簧15、弹簧座16组成。液压伺服油缸2由活塞21、缸底22、轴套23、缸盖24组成。动圈式液压伺服阀3由阀底31、滑阀32、阀盖33组成。动圈式液压伺服作动器示意图如图2、图3所示。

动圈式液压伺服作动器的工作原理为，动圈式液压伺服阀3和液压伺服油缸2一起固定在液压伺服油缸底座4上，作动杆1一端自由，一端通过拉头11和负载(拉索5)相连。静态时作动器能在拉索轴向产生一个初始预拉力T，作动时作动器能在拉索轴向产生一个动态拉压力(k或-k)。拉索中的初始预拉力由动圈式液压伺服作动器的作动杆1中的弹簧15产生，弹簧15的刚度为62.5N/mm，可通过调节弹簧座16任意调节拉索5中拉力的大小，拉索5中初始预拉力的值由拉压力传感器14输出。拉索5中的动态拉压力由动圈式液压伺服阀3和液压伺服油缸2产生，液压伺服油缸2两端的拉压力由压力传感器检测，经过求差后得到动态拉压力值。能够产生的最大初始预拉力T≥3000N，动态拉压力可变范围-300N～300N。由于动圈式液压伺服阀3固定在靠近液压伺服油缸2的位置，确保作动器具有极佳的动态性能。最大作动频率45Hz。

动圈式液压伺服阀3、液压伺服油缸2、拉压力传感器14组成力闭环，使动态拉压力跟随由针对拉索多阶模态振动响应的D-V-I Bang-Bang控制策略计算出来的指令信号变化。液压伺服油缸2的位移，由一个固定缸头上的位移传感器12检测。通过转换开关的选择，位移传感器12也可以与动圈式液压伺服阀3、液压伺服油缸2组成位置闭环以便调试设备时使用。

本发明中的动圈式液压伺服作动器使用的是间隙密封。由于配合零件之间有间隙存在，所以摩擦力小，发热少，寿命长；由于不用任何密封材料，所以结构简单紧凑，尺寸小。

②液压站由蓄能器组61、油箱62、橡胶软管63、阀组64、机泵组65、放油阀66、液位计67、内六角螺堵68、回油滤油器69组成。液压站示意图如图4、图5和图6所示。

整套液压站中配备的蓄能器组61，可用来进一步改善控制精度。油箱62中装配有回油滤油器69，可用来防止可能的污染物进入伺服阀，确保系统更长的使用寿命。

③动圈式液压伺服主动控制装置的液压原理图如图7所示。油泵652将高压油打入蓄能器61保压，拉压力传感器14检测出蓄能器61的油压，当蓄能器油压达到上限油压时，控制电路切断电，电换向磁阀642将油泵652卸荷，直至蓄能器61油压降至下限时电换向磁阀642重新接通使油泵652加载，这种自动卸荷回路使伺服系统的空耗降低，而瞬时流量则依靠蓄能器61充放，能满足动圈式液压伺服阀3快速变化的需要。图中其他部件为电机651、闸阀插件71、压力表72，压力变送器73、溢流阀641、单向阀643。

3)拉索振动主动变刚度控制的试验布置是将拉索5上端固定于反力墙81上，下端和作动器端部的拉头11相连，且能够根据指令沿拉索轴向来回移动，使得拉索中的轴向索力也发生相应的变化。试验中需要利用力传感器82测量拉索5中的初始预拉力T，利用位移传感器83、数据线84、D-V-I Bang-Bang主动控制器85和动圈式液压伺服作动器形成控制回路。拉索振动主动控制试验布置示意图如图8所示。D-V-I Bang-Bang主动控制器85的simulink模型如图9所示。整个模型根据D-V-I Bang-Bang主动控制策略，由多个模块组成。信号输入模块851将检测到的位移信号传输给信号分解模块852，再通过求导模块853和乘积模块854实现了位移速度乘积积分的过程，并将结果交由D-V-IBang-Bang主动控制模块857判断是选择执行主动控制力k模块855还是选择执行主动控制力-k模块856，最终将选择的主动控制力通过输出模块858施加在拉索的轴向。整个控制过程中的位移信号示波器模块8511和轴向主动控制力信号示波器模块8573是为了能够实时观察输入和输出的信号，导线损失补偿模块8571可以使控制精度更高，输出信号限值模块8572可以根据动圈式液压伺服作动器的最大行程来确定保护电压，以免控制力过大对作动器造成损伤。

通过模型拉索振动主动变刚度控制试验结果说明控制效果明显。

1)模型设计

模型拉索采用的是规格为7股，每股19丝，直径为4mm的钢丝绳。为了模拟拉索实际的振动频率，在拉索上沿全长每隔100mm布置一个质量块。质量块采用圆柱形状的铜块，单个质量块的质量为29.23g。经计算钢丝绳的各项参数如表1所示。

                                     表1钢丝绳的各项参数

规格	拉索长度(m)	直径(mm)	初始预拉力(N)	单位质量(kg/m)	倾斜角度(°)	一阶频率(Hz)
							7×19	8.22	4	1200	0.3592	16.7	3.515

2)控制效果

采用本发明提出的针对拉索多阶模态振动响应的D-V-I Bang-Bang控制策略，将拉索自由振动有控位移时程试验结果和拉索自由振动无控位移时程试验结果的进行了对比。

①试验一：采用轴向主动控制力(k或-k)幅值为109.09N，占拉索中初始预拉力T的9.09％。试验结果中拉索振动L/2处的位移时程如图10所示，沿拉索轴向主动控制力时程如图11所示。从试验结果中可以看出没有施加轴向主动控制时拉索内阻尼(对数衰减率)很小，在外界激励后振动很难平息，无控位移RMS为20.08208。施加控制后的位移RMS值为7.713085，拉索位移的RMS减小了61.6％。

②试验二：采用轴向主动控制力(k或-k)幅值为272.7N，占拉索中初始预拉力T的22.725％。试验结果中拉索振动L/2处的位移时程如图12所示，沿拉索轴向主动控制力时程如图13所示，无控位移RMS为20.08208。施加控制后的位移RMS值为6.889152，拉索位移的RMS减小了65.7％。

试验结果验证了本发明提出的新型拉索振动轴向主动变刚度多模态D-V-IBang-Bang控制方法的简便性和有效性，同时也反映了控制系统和发明的动圈式液压伺服主动控制装置整体工作的良好性能。整项发明不仅可以提高拉索结构的安全保障，而且可以获得显著的综合效益。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种拉索振动主动变刚度控制的新型方法，其特征在于：力传感器测量拉索中的初始预拉力T，利用位移传感器、数据线将测量的拉索数据传送给D-V-IBang-Bang主动控制器，主动控制器判断选择主动控制力并输出，促动动圈式液压伺服作动器在拉索的轴向上产生动态拉压力，使拉索主动变化刚度，达到降低拉索振动响应的目的。

2、如权利要求1所述的拉索振动主动刚度控制的新型方法，其特征在于：D-V-I Bang-Bang主动控制器的信号输入模块将位移信号传送给信号分解模块，通过求导模块和乘积模块求得位移速度乘积积分，判断主动控制力为k或-k，最终输出模块将选择的主动控制力通过动圈式液压伺服作动器施加在拉索的轴向。

3、如权利要求2所述的拉索振动主动刚度控制的新型方法，其特征在于：主动控制力为k，控制装置处于ON状态，动圈式液压伺服作动器在拉索轴向产生动态拉力+k，拉索中的初始预拉力变化为T+k，拉索刚度增加；主动控制力为-k，控制装置处于OFF状态，动圈式液压伺服作动器在拉索轴向产生动态压力-k，拉索中的初始预拉力变化为T-k，拉索刚度减小。

4、如权利要求3所述的拉索振动主动刚度控制的新型方法，其特征在于：动态拉压力由动圈式液压伺服阀和液压伺服油缸产生，液压伺服油缸两端的压力由动圈式液压伺服作动器上的拉压力传感器检测，经过求差后得到动态拉压力值，其可变范围-300N～300N。

5、如权利要求1所述的拉索振动主动刚度控制的新型方法，其特征在于：拉索中的初始预拉力T由动圈式液压伺服作动器的作动杆中的弹簧产生，可通过调节弹簧座任意调节拉索中初始预拉力的大小，弹簧能够在拉索中产生的最大初始预拉力T≥3000N。

6、如权利要求1所述的拉索振动主动刚度控制的新型方法的实现装置，其特征在于：其包括动圈式液压伺服作动器、液压站、D-V-I Bang-Bang主动控制器，将拉索上端固定于反力墙上，并安装有测量拉索初始预拉力T的力传感器，下端则与动圈式液压伺服作动器的拉头相连，拉索上设有位移传感器，其通过数据线与D-V-I Bang-Bang主动控制器、动圈式液压伺服作动器形成控制回路。

7、如权利要求6所述的实现装置，其特征在于：该动圈式液压伺服作动器包括作动杆、液压伺服油缸、动圈式液压伺服阀、液压伺服油缸底座，动圈式液压伺服阀和液压伺服油缸一起固定在液压伺服油缸底座上，作动杆一端自由，一端通过拉头和拉索相连，可对拉索轴向施加动态拉压力。

8、如权利要求6所述的实现装置，其特征在于：该液压站包括蓄能器组、油箱、橡胶软管、阀组、机泵组、放油阀、液位计、内六角螺堵、回油滤油器，液压站通过橡胶软管与动圈式液压伺服作动器相连。

9、如权利要求6所述的实现装置，其特征在于：该D-V-I Bang-Bang主动控制器包括信号输入模块、信号分解模块、求导模块、乘积模块、D-V-I Bang-Bang主动控制模块、主动控制力k模块、主动控制力-k模块、输出模块、位移信号示波器模块、导线损失补偿模块、输出信号限值模块。

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