CN109811639A - 基于参数可调节阻尼器系统的智能减振装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参数可调节阻尼器系统的智能减振装置，包括采集系统、控制系统和参数可调节阻尼器系统。参数可调节阻尼器系统包括箱体和位于箱体内均布的多个阻尼器，阻尼器包括阻尼器外壳、控制器以及阻尼器外壳内部自下而上依次设置的第一电磁铁、可调质量块和第二电磁铁，第一电磁铁和第二电磁铁之间设有穿过可调质量块的导轨，可调质量块可沿导轨上下滑动；控制器分别与第一电磁铁、第二电磁铁和可调质量块相连接，控制电磁铁的磁场强度和可调质量块的质量。本发明减振装置中参数可调节阻尼器系统通过调节线圈中的电流强度，控制电磁铁的磁场强度，进而调整阻尼器系的弹性恢复力，调节其工作频率，使其工作频率可调性大、适应性强。

Description

基于参数可调节阻尼器系统的智能减振装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及用于车致激励下的桥梁结构减振装置，尤其涉及一种基于参数可调节阻尼器系统的智能减振装置及其控制方法。

背景技术

车辆荷载是导致桥梁振动的一个重要因素。随着交通运输业的发展，交通流量不断增大，桥梁上车辆密集度增大，车辆重量也相应加重，车致激励下的桥梁结构振动问题变得越来严重。由于路面的不平整，高速行驶的车辆对桥梁产生动力冲击作用，桥梁发生受迫振动，容易引发疲劳问题，进而影响桥梁结构的工作状态和使用寿命，同时，桥梁的振动也会降低行车的安全性和平稳性。一般来说，车桥耦合振动问题并不会导致桥梁的整体破坏，但疲劳问题使得桥梁结构性能不断劣化。有效控制桥梁结构的车致振动，对提高桥梁结构服役性能和保障行车舒适度具有重要意义。

随着结构控制理论研究与应用实践的发展，调谐质量阻尼器在土木工程中受到了广泛关注，成为结构控制技术的主要形式之一。调谐质量阻尼减振技术通过在结构某些部位(一般为响应最大处)安装惯性质量，根据参数分析结果配以一定刚度的弹簧和阻尼器，使其与结构发生谐振，从而达到吸收系统振动能量的效果，减小结构的振动响应。

然而，目前的调谐质量阻尼器参数固定，可以有效控制某一个或某几个特定的振动频率。由于车桥耦合作用的影响，各种车型车辆作用下的桥梁结构振动频率会发生明显改变。传统的调谐质量阻尼器难以有效控制多个频率成分的振动。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种解决现有调谐质量阻尼器控制振动频率单一的问题的参数可调节阻尼器系统。

本发明的第二目的是提供基于参数可调节阻尼器系统的一种有效控制车致激励下桥梁结构振动、保障桥梁结构的服役性能和行车舒适度的智能减振装置。

本发明的第三目的是提供该智能减振装置的控制方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种参数可调节阻尼器系统，包括箱体和位于箱体内均布的多个阻尼器，该阻尼器包括阻尼器外壳、位于阻尼器外壳内的控制器以及位于阻尼器外壳内的自下而上依次设置的第一电磁铁、可调质量块和第二电磁铁，第一电磁铁和第二电磁铁之间设有穿过可调质量块的导轨，可调质量块可沿导轨上下滑动；所述控制器分别与第一电磁铁、第二电磁铁和可调质量块相连接，控制第一电磁铁和第二电磁铁的磁场强度和可调质量块的质量。

其中，所述第一电磁铁和第二电磁铁均包括铁芯和绕在铁芯外的线圈，控制器与线圈连接，控制线圈的电流强度。

优选的，所述可调质量块包括质量块外壳和位于质量块外壳内用于将质量块分割成若干个相连通隔间的隔板，质量块外壳上设有阻尼液接口，阻尼液接口通过阻尼液管连接浸在阻尼液池内的阻尼液泵，控制器与阻尼液泵连接，控制阻尼液泵，进而调节进入质量块外壳内的阻尼液量；其中所述阻尼液池位于第二电磁铁上方的阻尼器外壳内。

本发明一种基于参数可调节阻尼器系统的智能减振装置，包括采集系统、控制系统和参数可调节阻尼器系统，所述采集系统包括图片采集仪、压力采集仪和基于卷积神经网络的车辆荷载信息识别模块，其中图片采集仪设于引桥上方，压力采集仪设置在引桥桥面上，阻尼器系统与桥梁结构固定连接。

本发明一种智能减振装置的控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)待识别车辆行驶过桥梁，图片采集仪采集车辆图像信息，压力采集仪采集压力信号，根据压力信号绘制压力时程图；

(2)采用车辆荷载信息识别模块中训练好的卷积神经网络，依据车辆图像信息、压力时程图进行车辆荷载信息识别，得到待识别车辆的车辆荷载信息；该卷积神经网络的训练方法包括如下步骤：

(2.1)采用标准车辆驶过桥梁，利用图片采集仪采集标准车辆图像信息，采用压力采集仪采集压力信号，根据压力信号绘制压力时程图；

(2.2)依据车辆图像信息、压力时程图和标准车辆荷载信息，对卷积神经网络进行训练，并验证卷积神经网络准确性是否满足要求，满足时则保存训练数据，得到训练好的卷积神经网络；不满足时则增加训练数据训练卷积神经网络，直至准确性满足要求；

(3)控制系统根据桥梁数据建立桥梁结构的有限元模型，根据车辆荷载信息识别模块所识别的车辆荷载信息，进行车桥耦合系统分析，计算考虑车桥耦合作用的桥梁结构振动响应；再采用多目标优化算法，以桥梁结构振动响应和各控制截面的应力为目标函数，以阻尼器系统参数为控制变量，优化阻尼器系统参数；

(4)根据优化后的阻尼器系统参数，计算阻尼器系统中线圈的电流强度和质量块中阻尼液体积，将计算结果输入阻尼器系统中。

其中，所述车辆荷载信息包括车辆的轴重、轴距和行车速度。

优选的，所述阻尼器系统参数包括阻尼器系统的质量、刚度和阻尼系数。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)本发明中参数可调节阻尼器系统利用通电的电磁铁所产生的磁场力提供弹性恢复力，避免了传统阻尼器工作过程中的疲劳问题；

(2)本发明中参数可调节阻尼器系统通过调整线圈中的电流强度，控制电磁铁的磁场强度，进而调整阻尼器系统的弹性恢复力，调节阻尼器系统的工作频率，阻尼器系统的工作频率可调性大，阻尼器系统的适应性强；

(3)本发明中参数可调节阻尼器系统通过调整质量块中阻尼液的体积，调节质量块的质量和阻尼器的阻尼系数，能够有效控制阻尼器系统的工作频率和耗能能力，克服传统调谐质量阻尼器控制频率单一的问题；

(4)本发明智能减振装置和控制方法利用采集系统、控制系统和参数可调节阻尼器系统协同工作。采集系统实时采集行驶车辆信息，结合桥梁模型信息，控制系统进行车桥耦合系统分析，并采用多目标优化算法对阻尼器参数进行优化；最后，阻尼器系统根据参数优化结果调整阻尼器工作参数，有效控制车致激励下的桥梁结构振动，保障桥梁结构的服役性能和行车舒适度；该智能减振装置安装维护方便、使用寿命长，适用范围广，可有效用于车致激励下桥梁结构的振动控制。

附图说明

图1为本发明中参数可调节阻尼器系统的俯视图；

图2为本发明中参数可调节阻尼器系统的侧视图；

图3为图2中的A-A向剖面图；

图4为本发明中阻尼器的俯视图；

图5为图4中的B-B向剖面图；

图6为本发明中第一电磁铁或第二电磁铁的俯视图；

图7为本发明中第一电磁铁或第二电磁铁的侧视图；

图8为本发明中可调质量块的俯视图；

图9为图8中的C-C向剖面图；

图10为图9中的D-D向剖面图；

图11为本发明中智能减振装置的工作流程图；

图12为本发明中信号采集仪的安装示意图；

图13为本发明中卷积神经网络训练过程示意图；

图14为本发明中基于卷积神经网络的车辆荷载参数识别模块的识别过程示意图；

图15为本发明中控制方法中控制系统的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，本发明一种参数可调节阻尼器系统，包括箱体1和位于箱体1内均布的多个阻尼器2，本实例采用三个阻尼器2均布在箱体1中，箱体1的底部和顶部开设有若干个螺栓孔，阻尼器系统通过螺栓与桥梁结构固定连接。

如图4和图5所示，本发明的阻尼器2包括阻尼器外壳3、控制器4、第一电磁铁5、可调质量块6、第二电磁铁7和导轨8。其中，第一电磁铁5、可调质量块6和第二电磁铁7自下而上依次设置在阻尼器外壳3内，控制器4也设置在阻尼器外壳3内。控制器4分别与第一电磁铁5、第二电磁铁7和可调质量块6相连接，控制第一电磁铁5和第二电磁铁7的磁场强度和可调质量块6的质量。导轨8穿过可调质量块6，两端分别与第一电磁铁5和第二电磁铁7相接，且可调质量块6可沿导轨8自由地上下滑动。导轨8采用无磁材料制成，如超强耐腐蚀无磁铝合金材料、碳纤维材料等，避免对阻尼器的工作性能产生影响，导轨8对可调质量块6起到一个限位作用，避免可调质量块6的无序运动。

如图6和图7所示，本发明的第一电磁铁5和第二电磁铁7均包括铁芯9和绕在铁芯9外的线圈10，控制器4与线圈10连接，控制线圈10的电流强度，其中铁芯9采用高磁导率的软性磁化材料，软磁体被磁化后的磁性很容易消失，控制器4能够有效控制电磁铁的磁场强度。线圈10尽可能地布满铁芯9上可容纳线圈的空间，线径、匝数要合理搭配，避免由于励磁线圈的设计不合理导致电磁铁发热。本发明中参数可调节阻尼器系统利用通电的电磁铁所产生的磁场力提供弹性恢复力，避免了传统阻尼器工作过程中的疲劳问题；本发明中参数可调节阻尼器系统通过调整线圈10中的电流强度，控制电磁铁的磁场强度，进而调整阻尼器系统的弹性恢复力，调节阻尼器系统的工作频率，阻尼器系统的工作频率可调性大，阻尼器系统的适应性强。

如图8、图9和图10所示，本发明的可调质量块6包括质量块外壳11和位于质量块外壳11内用于将质量块分割成若干个相连通隔间的隔板12，隔板12可保障质量块外壳内的阻尼液运动均匀。本发明的质量块外壳11和隔板12均采用具有优异磁性能的材料制成，如钕铁硼，该材料具有优异的磁性能，能够产生持续稳定的磁场。质量块外壳11上开设有阻尼液接口13，阻尼液接口13通过阻尼液管14连接浸在阻尼液池15内的阻尼液泵16，控制器4与阻尼液泵16连接，控制阻尼液泵16，调节进入质量块外壳11内的阻尼液量。如图5所示，本发明的阻尼液池15位于第二电磁铁7上方的阻尼器外壳3内，阻尼液池15与第二电磁铁7之间间隔有挡板。本发明中参数可调节阻尼器系统通过调整质量块中阻尼液的体积，调节质量块的质量和阻尼器的阻尼系数，能够有效控制阻尼器系统的工作频率和耗能能力，克服传统的调谐质量阻尼器控制振动频率单一的问题。本发明中阻尼器系统的初始参数，如铁芯大小、线圈粗细、线圈匝数及质量块大小等参数应根据桥梁结构的特点进行初始设计，以保证车致激励下桥梁结构振动响应得到有效控制。

如图11所示，本发明一种基于参数可调节阻尼器系统的智能减振装置，包括采集系统、控制系统和参数可调节阻尼器系统，所述采集系统包括图片采集仪17、压力采集仪18和基于卷积神经网络的车辆荷载信息识别模块。如图12所示，图片采集仪17设于引桥上方，压力采集仪18设置在引桥桥面上，阻尼器系统与桥梁结构固定连接。其中，图片采集仪17和压力采集仪18的数量至少为2个。本发明的阻尼器系统应安装在桥梁结构响应较大位置处，如桥梁跨中。此外，车辆行驶过程中车速会发生明显变化，采集系统中的图片采集仪17和压力采集仪18应布置在桥头，以保证采集信息的准确性及车桥耦合系统分析结果的正确性。本发明的智能减振装置安装完成之后应注意防尘防腐工作，桥梁结构工作环境复杂恶劣，应保减振装置工作过程中不受外部环境的影响。

如图15所示，本发明一种智能减振装置的控制方法，包括如下步骤：

(1)待识别车辆行驶过桥梁，图片采集仪17采集车辆图像信息，压力采集仪18采集压力信号，根据压力信号绘制压力时程图；

(2)如图14所示，采用车辆荷载信息识别模块中训练好的卷积神经网络，依据车辆图像信息、压力时程图进行车辆荷载信息识别，得到待识别车辆的车辆荷载信息，其中车辆荷载信息包括车辆的轴重、轴距和行车速度；如图13所示，该卷积神经网络的训练方法包括如下步骤：

(2.1)采用标准车辆驶过桥梁，利用图片采集仪17采集标准车辆图像信息，采用压力采集仪18采集压力信号，根据压力信号绘制压力时程图；

(2.2)依据车辆图像信息、压力时程图和标准车辆荷载信息作为训练数据对卷积神经网络进行训练，验证卷积神经网络准确性是否满足要求，满足时则保存训练数据，得到训练好的卷积神经网络；不满足时则增加训练数据，训练卷积神经网络直至准确性满足要求；

(3)控制系统根据桥梁数据建立桥梁结构的有限元模型，根据车辆荷载信息识别模块所识别的车辆荷载信息，进行车桥耦合系统分析，计算考虑车桥耦合作用的桥梁结构振动响应；再采用多目标优化算法，以桥梁结构振动响应和各控制截面的应力为目标函数，以阻尼器系统参数为控制变量，优化阻尼器系统参数；其中阻尼器系统参数包括阻尼器系统的质量、刚度和阻尼系数；

(4)根据优化后的阻尼器系统参数计算阻尼器系统中线圈10的电流强度和质量块中阻尼液体积，将计算结果输入阻尼器系统中。

本发明智能减振装置和控制方法利用采集系统、控制系统和参数可调节阻尼器系统协同工作，采集系统实时采集行驶车辆信息，结合桥梁模型信息，控制系统进行车桥耦合系统分析。根据分析结果，采用多目标优化算法对阻尼器参数进行优化；最后阻尼器系统调整阻尼器工作参数，有效控制车致激励下的桥梁结构振动，保障桥梁结构的服役性能和行车舒适度；该智能减振装置安装维护方便、使用寿命长，适用范围广，可有效用于车致激励下桥梁结构的振动控制。

Claims (7)

1.一种参数可调节阻尼器系统，其特征在于：包括箱体(1)和位于箱体(1)内均布的多个阻尼器(2)，该阻尼器(2)包括阻尼器外壳(3)、位于阻尼器外壳(3)内的控制器(4)以及位于阻尼器外壳(3)内的自下而上依次设置的第一电磁铁(5)、可调质量块(6)和第二电磁铁(7)，第一电磁铁(5)和第二电磁铁(7)之间设有穿过可调质量块(6)的导轨(8)，且可调质量块(6)可沿导轨(8)上下滑动；所述控制器(4)分别与第一电磁铁(5)、第二电磁铁(7)和可调质量块(6)相连接，控制第一电磁铁(5)和第二电磁铁(7)的磁场强度和可调质量块(6)的质量。

2.根据权利要求1所述的参数可调节阻尼器系统，其特征在于：所述第一电磁铁(5)和第二电磁铁(7)均包括铁芯(9)和绕在铁芯(9)外的线圈(10)，控制器(4)与线圈(10)连接，控制线圈(10)的电流强度。

3.根据权利要求1所述的参数可调节阻尼器系统，其特征在于：所述可调质量块(6)包括质量块外壳(11)和位于质量块外壳(11)内用于将质量块分割成若干个相连通隔间的隔板(12)，质量块外壳(11)上设有阻尼液接口(13)，阻尼液接口(13)通过阻尼液管(14)连接浸在阻尼液池(15)内的阻尼液泵(16)，控制器(4)与阻尼液泵(16)连接，控制阻尼液泵(16)，进而调节进入质量块外壳(11)内的阻尼液量；其中所述阻尼液池(15)位于第二电磁铁(7)上方的阻尼器外壳(3)内。

4.根据权利要求1至3任一所述的基于参数可调节阻尼器系统的智能减振装置，其特征在于：包括采集系统、控制系统和参数可调节阻尼器系统，所述采集系统包括图片采集仪(17)、压力采集仪(18)和基于卷积神经网络的车辆荷载信息识别模块，其中图片采集仪(17)设于引桥上方，压力采集仪(18)设置在引桥桥面上，阻尼器系统与桥梁结构固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种智能减振装置的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)待识别车辆行驶过桥梁，图片采集仪(17)采集车辆图像信息，压力采集仪(18)采集压力信号，根据压力信号绘制压力时程图；

(2)采用车辆荷载信息识别模块中训练好的卷积神经网络，依据车辆图像信息、压力时程图进行车辆荷载信息识别，得到待识别车辆的车辆荷载信息；该卷积神经网络的训练方法包括如下步骤：

(2.1)采用标准车辆驶过桥梁，利用图片采集仪(17)采集标准车辆图像信息，采用压力采集仪(18)采集压力信号，根据压力信号绘制压力时程图；

(2.2)依据车辆图像信息、压力时程图和标准车辆荷载信息，对卷积神经网络进行训练，并验证卷积神经网络准确性是否满足要求，满足时则保存训练数据，得到训练好的卷积神经网络；不满足时则增加训练数据训练卷积神经网络，直至准确性满足要求；

(3)控制系统根据桥梁数据建立桥梁结构的有限元模型，根据车辆荷载信息识别模块所识别的车辆荷载信息，进行车桥耦合系统分析，计算考虑车桥耦合作用的桥梁结构振动响应；再采用多目标优化算法，以桥梁结构振动响应和各控制截面的应力为目标函数，以阻尼器系统参数为控制变量，优化阻尼器系统参数；

(4)根据优化后的阻尼器系统参数，计算阻尼器系统中线圈(10)的电流强度和质量块中阻尼液体积，将计算结果输入阻尼器系统中。

6.根据权利要求5所述的一种智能减振装置的控制方法，其特征在于：所述车辆荷载信息包括车辆的轴重、轴距和行车速度。

7.根据权利要求5所述的一种智能减振装置的控制方法，其特征在于：所述阻尼器系统参数包括阻尼器系统的质量、刚度和阻尼系数。