CN110761432A - 转动惯量产生力矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例的转动惯量产生力矩控制方法，所述高速列车包括控制装置，所述控制装置包括车尾控制模块、列车侧向控制模块和车顶及车底控制模块，三个控制模块之间相互配合作用，产生对应方向的控制力矩，直接作用在列车车体，分别对高速列车的侧滚、点头、摇头动态行为进行抑制。该方法直接产生作用在车体上的控制力矩，实现列车带有转动动态行为如侧滚、点头、摇头的抑制。

Description

转动惯量产生力矩控制方法

技术领域

本申请实施例涉及工程振动抑制技术领域，尤其涉及转动惯量产生力矩控制方法。

背景技术

高速公路、铁路、桥梁、高层建筑、大跨度空间结构等结构的使用过程中，对结构影响较大的往往是动载作用，如地震、风、浪、流、冰、爆炸等，结构在这些动力荷载的作用下会产生振动，一般情况下会引起疲劳与可靠性问题，严重时会造成结构的破坏失效，造成人员伤亡及财产损失。结构在使用过程中，遭受动载作用后，如地震作用，结构产生倒塌破坏，无法继续使用，或者即使结构没有倒塌，但其内部的设备设施、装饰装修、安装系统受到破坏之后也无法继续使用，甚至造成次生灾害，这给使用人员造成了巨大的安全威胁和经济财产损失。

高层结构在风荷载作用下，会产生振动，在没有减隔震措施的情况下，处于高层的使用者会感到结构物的晃动，风力较大的情况下，结构物内部的设备设施甚至会受到由结构物振动引起的破坏，这不仅无法满足人们对结构物的舒适要求，也对经济财产造成威胁。

为了解决由结构物振动引起的各种问题，消除或减轻由外部荷载引起的振动，振动控制技术近年来得到了迅速的发展。不仅是在土木工程领域，振动控制技术在航空航天、汽车、机械、海洋工程、军事工程等领域也是热点方向。对于土木工程结构，在结构中恰当地安装振动控制系统能够有效地减轻结构的动力响应，减轻结构的破坏或者疲劳损伤，从而满足人们对结构的安全、舒适等需求，达到安全性、经济性、可靠性的合理平衡。大量研究表明，振动控制技术在土木工程的应用具有显著的效果和重要的意义，不仅可以防止或减轻结构的破坏，提高结构的防灾性能，保证人们的生命财产安全，还可以延长结构寿命，降低结构的维护成本，极大限度的满足人们对结构在极端条件下的舒适度要求。

土木工程结构振动控制技术主要分为以下四个方面：主动控制、被动控制、半主动控制以及混合控制。其中，被动控制技术的研究已经较为成熟，其中用于被动调谐吸能的装置主要包括调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)和调谐液体阻尼器(Tuned LiquidDamper,TLD)等，已经在诸多土木工程结构中得到了应用。TMD控制的原理是通过调整子结构即阻尼器的频率与主结构即受控结构一致或相近，使子结构与主结构共振，通过子结构内部阻尼机制耗散主结构振动能量，从而消减主结构动力响应，达到振动控制的目的。大量的研究和实际应用已经表明，例如：美国波士顿60层的John Hancock大楼、马来西亚吉隆坡的双子塔、中国台北101大楼均安装了TMD振动控制系统，通过在后期的应用证明了被动控制TMD系统具有稳定、良好的控制效果。

结构的运动形式具有复杂多样的特性，通常由平动以及扭转摆动组合而成。然而采用TMD系统控制悬吊质量体系摆动问题时发现：当结构悬挂方向与其摆振运动方向一致时，无论是在初始偏移还是简谐荷载激励输入下，TMD系统都能发挥有效的控制作用；当把TMD系统用于结构另一个方向摆振控制即当结构悬挂方向与其摆振运动方向相互垂直时，无论怎样调整系统参数(如结构摆长、控制系统位置等)，TMD系统始终无法工作。经过大量的理论分析和试验探索，提出了平动TMD控制系统只能控制结构的平动运动而对回转摆振控制无效的结论。经过学者的研究表明，其根本原因在于此时TMD、TLD等被动控制系统处于离心状态而失去作用，系统质量块(或TLD水箱中的水)根本不运动，甚至主动质量阻尼器/驱动器(英文名Active Mass Damper/Driver，AMD)控制系统主动控制力因需要克服质量块重力分量而使其控制效率大大折扣。然而具有回转摆振运动特性的结构运动形式极为常见，如：悬吊结构(吊钩、吊车等)的摆动；不规则建筑在风荷载作用下的扭转摆振；海洋平台在海浪、风、冰等耦合作用下的扭转摆振等。因此需要设计一种特殊的结构振动/运动控制系统，使其可以自动克服(或摆脱)重力场对控制系统自身的影响(离心力作用)，或者使控制系统自身的工作/运动规律与重力场解耦，系统自振不受重力影响，以上两个方面均可以达到使控制系统充分运动起来的目的，从而发挥控制系统对结构运动/振动的有效控制作用。

综上所述，现有的结构振动控制装置/系统在土木工程领域的应用具有不可或缺的作用，并且对保障结构使用者的生命和财产具有非常重要的意义。但是现有的结构振动控制装置/系统主要表现出以下的不足：控制装置只能产生直线力的控制力，或者由两个直线力组成的力矩，而不能直接产生控制力矩进行控制。而直线力和力偶不能相互等效，某些情况下受控对象的运动特征决定了转动运动形式必须由力矩来控制，以出力方式或线性运动的控制装置均会失效。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供转动惯量产生力矩控制方法，以解决现有技术中存在的问题。

本申请实施例解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种转动惯量产生力矩控制方法，通过力矩产生机构实现力矩控制，所述力矩产生机构包括转动惯量质量体、中心转轴和转动恢复力提供机构；

通过转动惯量质量体加速或减速运动直接产生控制力矩，所述控制力矩直接对被控对象进行控制。

进一步地，所述转动恢复力提供机构包括被动悬挂、半主动悬挂、主动悬挂三种类型悬挂方式中的任意一种。

进一步地，所述力矩产生机构与被控对象固定连接。

进一步地，所述转动惯量质量体形状为圆形、圆盘或者为圆环。

进一步地，所述转动惯量质量体平行于被控对象产生转动运动的转动面，所述转动恢复力提供机构与所述中心转轴垂直连接，所述中心转轴与转动惯量质量体垂直连接。

进一步地，所述方法可应用到以下力学运动模型中：单摆结构的自由摆动、受约束倒立摆结构的振动或刚体绕空间任意轴的定轴转动。

进一步地，所述方法适用于悬挂结构在重力作用下的摆振运动控制；或者

所述方法适用于刚体绕空间轴的定轴转动运动，具有转动运动成分的振动及耦合振动控制。

进一步地，所述方法适用于大跨度桥梁在风荷载外力作用下的具有转动成为的侧滚、点头和摇头运动及其耦合振动。

进一步地，所述方法适用于海洋平台在海浪、风和暗流联合作用下的摇摆运动；或者，

所述方法适用于船舶在海浪和风联合作用下的摇摆运动；或者，

所述方法适用于航天卫星在姿态调整外力作用下的摇摆运动；

其中，所述摇摆运动包括横摇、纵摇和首摇及其耦合振动。

进一步地，所述方法适用于车辆在道路不平顺作用下的具有转动成分的运动及其耦合振动；或者

所述方法适用于土木工程高层结构在地震或风外力作用下的扭转振动运动及其耦合振动；或者

所述方法适用于高层建筑、超高层建筑顶部的天线或桅杆的摆振，以及所述高层建筑、超高层建筑结构中的摇摆墙摆振。

本申请实施例具有以下有益效果：

本发明的转动惯量产生力矩控制方法，通过力矩产生机构实现力矩控制，所述力矩产生机构包括转动惯量质量体、中心转轴和转动恢复力提供机构；通过转动惯量质量体加速或减速运动直接产生控制力矩，所述控制力矩直接对被控对象进行控制。本发明的基本原理来自力学基本概念：力和力偶不能相互等效。某些情况下受控对象的运动特征决定了转动运动形式必须由力矩来控制，因此传统的以出力方式或线性运动的控制系统均将失效，本发明提出直接对被控对象施加控制力矩的控制方法，弥补了现有振动控制技术的空缺。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例转动惯量产生力矩控制方法的结构内部力矩产生机构的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：1、被控对象；2、连接板；3、转动恢复力提供机构；4、中心转轴；5、转动惯量质量体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明的一种转动惯量产生力矩控制方法与现有技术悬挂系统的控制方法不同，直接产生作用在被控对象上的控制力矩，实现被控对象带有转动动态行为的抑制；

如图1所示，本发明提出的转动惯量产生力矩控制方法实现通过直接安装在被控对象1发生转动形式运动的平面上，通过转动恢复力提供机构3驱动转动惯量体5发生回转运动，在其加速及减速转动过程中产生转动减速度，从而产生控制力矩，直接作用在被控对象1上。圆形外轮廓的转动惯量体5通过中心转轴4与转动恢复力提供机构3连接，转动恢复力提供机构3通过连接板2与被控对象1发生转动形式运动响应的表面固定连接。

进一步地，所述转动恢复力提供机构3包括被动悬挂、半主动悬挂、主动悬挂三种类型悬挂方式中的任意一种。

进一步地，所述力矩产生机构与被控对象1固定连接。

进一步地，所述转动惯量质量体5形状为圆形、圆盘或者为圆环。

进一步地，所述转动惯量质量体5平行于被控对象1产生转动运动的转动面，所述转动恢复力提供机构3与所述中心转轴4垂直连接，所述中心转轴4与转动惯量质量体5垂直连接。

进一步的，本发明适用于大跨度桥梁在风荷载等外力作用下的具有转动成为的运动(侧滚、点头和摇头)及其耦合振动；

进一步的，本发明适用于海洋平台在海浪、风、暗流等联合作用下的摇摆运动(横摇、纵摇和首摇)及其耦合振动；

进一步的，本发明适用于船舶在海浪、风等联合作用下的摇摆运动(横摇、纵摇和首摇)及其耦合振动；

进一步的，本发明适用于高速列车在轨道不平顺、列车会车气压差以及风、雨、雪等外界因素引起的动态行为中摇摆运动(点头、摇头和侧滚)及其耦合振动；

进一步的，本发明适用于车辆在道路不平顺等作用下的俯仰等具有转动成分的运动及其耦合振动；

进一步的，本发明适用于航天卫星在姿态调整等外力作用下的摇摆运动(横摇、纵摇和首摇)及其耦合振动；

进一步的，本发明适用于土木工程高层结构在地震、风等外力作用下的扭转振动运动及其耦合振动；

进一步的，本发明适用于高耸、超高层塔顶部的天线、桅杆的摆振，结构中的摇摆墙摆振；

进一步的，本发明适用于悬挂结构在重力作用下的摆振(单摆)运动控制；

进一步的，本发明适用于刚体绕空间轴的定轴转动运动，具有转动运动成分的振动及耦合振动控制。

本发明具有以下有益效果：

本发明的基本原理来自力学基本概念：力和力偶不能相互等效。某些情况下被控对象的运动特征决定了转动运动形式必须由力矩来控制，因此传统的以出力方式或线性运动的控制系统均将失效，本发明提出直接对被控对象施加控制力矩的控制方法，弥补了现有振动控制技术的空缺。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种转动惯量产生力矩控制方法，其特征在于，通过力矩产生机构实现力矩控制，所述力矩产生机构包括转动惯量质量体、中心转轴和转动恢复力提供机构；

通过转动惯量质量体加速或减速运动直接产生控制力矩，所述控制力矩直接对被控对象进行控制。

2.如权利要求1所述的转动惯量产生力矩控制方法，其特征在于，所述转动恢复力提供机构包括被动悬挂、半主动悬挂、主动悬挂三种类型悬挂方式中的任意一种。

3.如权利要求1或2所述的转动惯量产生力矩控制方法，其特征在于，所述力矩产生机构与被控对象固定连接。

4.如权利要求3所述的转动惯量产生力矩控制方法，其特征在于，所述转动惯量质量体形状为圆形、圆盘或者为圆环。

5.如权利要求4所述的转动惯量产生力矩控制方法，其特征在于，所述转动惯量质量体平行于被控对象产生转动运动的转动面，所述转动恢复力提供机构与所述中心转轴垂直连接，所述中心转轴与转动惯量质量体垂直连接。

6.如权利要求5所述的转动惯量产生力矩控制方法，其特征在于，所述方法可应用到以下力学运动模型中：单摆结构的自由摆动、受约束倒立摆结构的振动或刚体绕空间任意轴的定轴转动。

7.如权利要求5所述的转动惯量产生力矩控制方法，其特征在于，所述方法适用于悬挂结构在重力作用下的摆振运动控制；或者

所述方法适用于刚体绕空间轴的定轴转动运动，具有转动运动成分的振动及耦合振动控制。

8.如权利要求5所述的转动惯量产生力矩控制方法，其特征在于，所述方法适用于大跨度桥梁在风荷载外力作用下的具有转动成为的侧滚、点头和摇头运动及其耦合振动。

9.如权利要求5所述的转动惯量产生力矩控制方法，其特征在于，所述方法适用于海洋平台在海浪、风和暗流联合作用下的摇摆运动；或者，

所述方法适用于船舶在海浪和风联合作用下的摇摆运动；或者，

所述方法适用于航天卫星在姿态调整外力作用下的摇摆运动；

其中，所述摇摆运动包括横摇、纵摇和首摇及其耦合振动。

10.如权利要求5所述的转动惯量产生力矩控制方法，其特征在于，所述方法适用于车辆在道路不平顺作用下的具有转动成分的运动及其耦合振动；或者

所述方法适用于土木工程高层结构在地震或风外力作用下的扭转振动运动及其耦合振动；或者

所述方法适用于高层建筑、超高层建筑顶部的天线或桅杆的摆振，以及所述高层建筑、超高层建筑结构中的摇摆墙摆振。

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