CN101487301B

CN101487301B - 大行程可变质量主动质量阻尼减振装置

Info

Publication number: CN101487301B
Application number: CN2009100466208A
Authority: CN
Inventors: 孙利民; 谢发祥; 钱峰; 徐斌
Original assignee: Tongji University; Shanghai Institute of Materials
Current assignee: Tongji University; Shanghai Institute of Materials
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: CN101487301A

Abstract

本发明涉及大行程可变质量主动质量阻尼减振装置，该减震装置包括底板、直线导轨、缓冲器、直线电机、质量块和阻尼器，所述的底板固定在待安装物上，所述的直线导轨设置在底板上，质量块连接直线电机。所述直线电机驱动质量块。所述的缓冲器设置在直线导轨两侧限制质量块的位移，所述的阻尼器穿过上下两端直线导轨上质量块中心，并通过阻尼器两端的阻尼器反力板固定在待安装物上。与现有技术相比，本发明具有较大行程、高反应速度以及可调质量等优点。

Description

大行程可变质量主动质量阻尼减振装置

技术领域

本发明涉及结构振动控制领域，具体涉及一种大行程可变质量主动质量阻尼减振装置。

背景技术

现代控制技术的发展和新型控制装置的研发为结构体系阻尼值的提高提供了更多的途径。近年来，结构控制技术在土木工程领域发展迅速。通过被动、半主动、主动以及混合控制等控制方式可以直接或间接地提高结构的阻尼，从而有效地实现对大型结构或者桥梁在地震和风荷载作用下振动响应的制振。

由于主动质量阻尼器(AMD)能够适应外界激励强度的变换，因而在国际上得到了众多学者的广泛关注。主动调谐质量阻尼器(ATMD或HMD)和主动质量阻尼器(AMD)等组成的主动控制系统，在高层建筑、电视塔和大桥桥塔结构的风振和地震反应控制中已经取得了很大的成功。目前已有45座高层建筑和高耸结构应用了AMD主动控制系统，有9座大型桥梁结构建设期间的桥塔风振控制应用了AMD控制系统。世界上第一个安装AMD以控制地震和强风作用下结构振动的建筑是日本的Kyobashi Siewa大厦。中国国家自然科学基金委员会和美国国家自然科学基金委员会共同合作，将AMD安装在我国高340m的南京电视塔以减小其风振反应。

一般来说，AMD主动控制系统主要由以下三个部分组成：

(1)质量阻尼刚度装置。包括质量块，刚度弹簧和阻尼器。

(2)驱动装置和驱动源。包括电机、驱动器和管路。

(3)计算机控制系统。包括数据采集系统、滤波调节器和模拟微分器。

结构振动的AMD系统由传感器(包括数据采集)、控制器和AMD装置等三个子系统组成。AMD系统实施控制的时候，传感子系统测量结构的干扰或者(以及)反应，并反馈至控制器；控制器按照某种主动控制算法，实施计算主动控制力，并驱动AMD系统的作动器，然后作动器推动AMD的惯性质量运动，对结构施加控制力。AMD仅通过作动系统与主结构相连，而没有进行被动频率的调谐。AMD通过输入与激励相位相反的外部能量来增加主结构阻尼，可以有效减小制振器的质量，并实现对多阶模态的制振。

目前的AMD或者ATMD系统大多采用液压伺服系统，这种系统通过液体压力驱动，需要很大功率的电源输入，同时液压油缸占用体积很大，相对而言其反应速度较慢，不能适应结构高频的响应。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于结构振动控制的具有较大行程、高反应速度以及可调质量的大行程可变质量主动质量阻尼减振装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：大行程可变质量主动质量阻尼减振装置，其特征在于，该减震装置包括底板、直线导轨、质量块、直线电机、缓冲器和阻尼器，所述的底板固定在待安装物上，所述的直线导轨设置在底板上，直线导轨上设有质量块，该质量块连接直线电机，所述的缓冲器设置在直线导轨两端并限制质量块的位移，所述的阻尼器穿过质量块中心，由其两端的阻尼器反力板固定在待安装物上。

所述的质量块的质量根据待安装物的结构要求进行调节。

所述的质量块由直线电机驱动沿直线导轨滑动。

所述的直线电机通过数据线连接计算机控制系统，计算机控制系统采集待安装物的振动信息，并根据该信息驱动减震装置动作抑制待安装物振动。

所述的底板通过高强螺栓固定在待安装物上。

所述的直线导轨通过螺栓连接在底板上。

所述的待安装物包括建筑结构、振动台。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

(1)本发明采用线性电机作为系统的驱动，质量块的反应速度快，控制精度高，反应频率可以达到100Hz以上，能涵盖大部分土木结构的振动频率，并且占用空间小；

(2)本发明的质量块质量可调，可以满足不同结构的需求；

(3)本发明的质量块位移范围大，可以实现大幅度的运动，能更加有效的增加结构的阻尼比。

附图说明

图1为本发明大行程可变质量主动质量阻尼减振装置；

图2为单自由度控制系统的受力分析图；

图3为实施例中单自由度结构在地震荷载作用下的有控和无控的位移响应对比曲线图。

图中标号：1为底板，2为直线导轨，3为缓冲器，4为直线电机，5为可变质量块，6为阻尼器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

大行程可变质量主动质量阻尼减振装置，该减震装置包括底板1、直线导轨2、缓冲器3、直线电机4、质量块5和阻尼器6，底板1通过高强螺栓连接到待安装物结构或者振动台上，所述的直线导轨2有两个，分别通过螺栓连接到底板1上下两端，上下两端的直线导轨2上均设有质量块5，该质量块5连接直线电机4，由直线电机4驱动质量块5沿直线导轨2滑动，质量块5的重量由两侧的直线导轨2承担，而直线导轨2两侧设有缓冲器3，质量块的位移，避免超过最大行程。所述的缓冲器设置在限制所述的阻尼器穿过上下两端直线导轨上质量块中心，并通过阻尼器两端的阻尼器反力板固定在待安装物上。直线电机4通过数据线连接计算机控制系统，计算机控制系统采集待安装物的振动信息，并根据该信息通过合适的控制算法驱动减震装置动作抑制待安装物振动。

下面以一个单自由度控制系统为例来说明本发明的控制方法。

设上述减振装置的质量、阻尼和刚度分别为m₁，c₁，k₁，质量块的质量、阻尼和刚度分别为m₂，c₂，k₂。由图2所示的单自由度控制系统的受力分析图，两者的运动方程可以写为：

m_{1} {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{1} + c_{1} ({\overset{\cdot}{x}}_{1} - {\overset{\cdot}{x}}_{2}) + k_{1} (x_{1} - x_{2}) = F - m_{1} {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{g}

m_{2} {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{2} + c_{2} {\overset{\cdot}{x}}_{2} + k_{2} x_{2} = - F + c_{1} ({\overset{\cdot}{x}}_{1} - {\overset{\cdot}{x}}_{2}) + k_{1} (x_{1} - x_{2}) - m_{2} {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{g} - - - (1)

其中x₁，x₂分别是减振装置和质量块相对于地面的位移，

是相应的速度和加速度。

将(1)式改写为矩阵的形式可以得到：

M \overset{\cdot \cdot}{x} + C \overset{\cdot}{x} + Kx = b_{u} F + b_{g} {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{g} - - - (2)

其中

M = (\begin{matrix} m_{1} & 0 \\ 0 & m_{2} \end{matrix}),

C = (\begin{matrix} c_{1} & - c_{1} \\ {- c}_{1} & c_{1} + c_{2} \end{matrix}),

K = (\begin{matrix} k_{1} & - k_{1} \\ {- k}_{1} & k_{1} + k_{2} \end{matrix})

b_{u} = (\begin{matrix} 1 \\ - 1 \end{matrix}),

b_{g} = (\begin{matrix} {- m}_{1} \\ {- m}_{2} \end{matrix}) - - - (3)

令

Z = {[\begin{matrix} x_{1} & x_{2} & {\overset{\cdot}{x}}_{1} & {\overset{\cdot}{x}}_{2} \end{matrix}]}^{T}

可以将(3)式可以改写为状态方程的形式：

\overset{\cdot}{Z} = AZ + B_{g} {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{g} + B_{u} F - - - (4)

其中

A = (\begin{matrix} 0 & I \\ {- M}^{- 1} K & {- M}^{- 1} C \end{matrix})

B_{u} = {[\begin{matrix} 0 & M^{- 1} b_{u} \end{matrix}]}^{T}

B_g＝[0M^-1b_g]^T。

对于在减振装置上或者质量块上安装的位移、速度、加速度传感器，可以得到相应的输出矩阵：

Y＝CZ+DU (5)

其中

C = [\begin{matrix} - \frac{k_{1}}{m_{1}} & \frac{k_{1}}{m_{1}} & - \frac{c_{1}}{m_{1}} & \frac{c_{1}}{m_{1}} \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ \frac{k_{1}}{m_{2}} & - \frac{k_{1} + k_{2}}{m_{2}} & \frac{c_{1}}{m_{2}} & - \frac{c_{1} + c_{2}}{m_{2}} \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \end{matrix}],

D = [\begin{matrix} - 1 & 1 / m_{1} \\ 0 & 0 \\ 0 & 0 \\ - 1 & - 1 / m_{2} \\ 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{matrix}],

Z = [\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \\ {\overset{\cdot}{x}}_{1} \\ {\overset{\cdot}{x}}_{2} \end{matrix}],

U = [\begin{matrix} {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{g} \\ F \end{matrix}],

C，D的每一行代表一个传感器，从上到下分别是减振装置的加速度、速度、位移和质量块的加速度、速度、位移传感器。

建立了结构状态方程以后，就可以通过设计不同的主动控制算法对结构机型控制。当然，如果采用不同的传感器布置形式，结构输出向量y需要实际情况进行修改。图3是对某单自由度结构在地震荷载作用下的有控和无控的位移响应对比曲线。可以看出，安装了本发明大行程可变质量主动质量阻尼减振装置的有控待安装物的振动比无控的小。

Claims

1.大行程可变质量主动质量阻尼减振装置，其特征在于，该减震装置包括底板、直线导轨、质量块、直线电机、缓冲器和阻尼器，所述的底板固定在待安装物上，所述的直线导轨设置在底板上，直线导轨上设有质量块，该质量块连接直线电机，所述的缓冲器设置在直线导轨两端并限制质量块的位移，所述的阻尼器穿过质量块中心，由其两端的阻尼器反力板固定在待安装物上；

所述的质量块的质量根据待安装物的结构要求进行调节。

2.根据权利要求1所述的大行程可变质量主动质量阻尼减振装置，其特征在于，所述的质量块由直线电机驱动沿直线导轨滑动。

3.根据权利要求1所述的大行程可变质量主动质量阻尼减振装置，其特征在于，所述的直线电机通过数据线连接计算机控制系统，计算机控制系统采集待安装物的振动信息，并根据该信息驱动减震装置动作抑制待安装物振动。

4.根据权利要求1所述的大行程可变质量主动质量阻尼减振装置，其特征在于，所述的底板通过高强螺栓固定在待安装物上。

5.根据权利要求1所述的大行程可变质量主动质量阻尼减振装置，其特征在于，所述的直线导轨通过螺栓连接在底板上。

6.根据权利要求1所述的大行程可变质量主动质量阻尼减振装置，其特征在于，所述的待安装物包括建筑结构、振动台。