CN115016562B - 用于实现Bang-Bang半主动控制的装置和Bang-Bang半主动控制方法 - Google Patents

用于实现Bang-Bang半主动控制的装置和Bang-Bang半主动控制方法 Download PDF

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CN115016562B CN202210602873.4A CN202210602873A CN115016562B CN 115016562 B CN115016562 B CN 115016562B CN 202210602873 A CN202210602873 A CN 202210602873A CN 115016562 B CN115016562 B CN 115016562B
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Abstract

本发明属于土木工程结构振动控制的半主动控制领域，具体涉及一种用于实现Bang‑Bang半主动控制的装置和Bang‑Bang半主动控制方法。一种用于实现Bang‑Bang半主动控制的装置包括齿条、齿轮、第一棘轮、第二棘轮和拨杆；齿条上设有第一拨块；齿轮啮合在齿条上；第一棘轮的棘齿布设方向与第二棘轮的棘齿布设方向相反；拨杆能够接通或者断开阻尼器开关；拨杆上设有第一棘爪、第二拨块和第二棘爪；在齿条往复运动过程中，第一棘爪能够顶住第一棘轮的棘齿，第二棘爪能够顶住第二棘轮的棘齿，第二拨块与第一拨块能够发生干涉。用于实现Bang‑Bang半主动控制的装置的结构简单可靠，且不含用电设备，不需要外接电源，能够适应恶劣的工作环境，解决因供电保障困难而影响施工的问题。

Description

用于实现Bang-Bang半主动控制的装置和Bang-Bang半主动控 制方法
技术领域
本发明属于土木工程结构振动控制的半主动控制领域，具体涉及一种用于实现Bang-Bang半主动控制的装置和Bang-Bang半主动控制方法。
背景技术
结构在动力荷载作用下容易产生振动，结构振动控制是确保结构安全的重要技术，按照是否需要提供外部能源分类，结构振动控制分为被动控制、主动控制和半主动控制。
半主动控制具有外部输入能量少、振动控制效果好的优点。其中，Bang-Bang半主动控制算法是目前最广泛应用的半主动控制方式，分为半主动变阻尼控制和半主动变刚度控制，其控制过程只有两种状态，也就是所谓的“开/关”控制。
在土木工程领域中，Bang-Bang控制的物理意义在于：当结构背离平衡位置振动时，半主动控制系统为结构提供最大阻尼或附加刚度，以阻止结构的振动；当结构向平衡位置振动时，半主动控制装置给结构提供最小阻尼或无附加刚度，使结构尽快返回平衡位置。
而采用Bang-Bang半主动控制时，需要由传感器、控制器、变阻尼或变刚度装置组成的实时闭环控制系统进行状态控制。目前，在结构控制领域中所实现的Bang-Bang半主动控制算法，是通过传感器感知结构的振动位移和速度，从而对结构当前速度与位移状态进行判断，用以确定此时作动器阻尼力的输出大小，最终来实现结构的Bang-Bang半主动变阻尼控制。而实际土木工程领域中的结构具有工作环境恶劣、服役期限长、可靠性要求高等特点，也存在因供电困难而影响控制阻尼器出力等问题，从而会大大限制Bang-Bang半主动控制在土木工程领域的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中，土木工程领域中的结构具有工作环境恶劣、服役期限长、可靠性要求高等特点，也存在因供电困难而影响控制阻尼器出力等问题，从而会大大限制Bang-Bang半主动控制在土木工程领域推广应用的问题，提供一种用于实现Bang-Bang半主动控制的装置和Bang-Bang半主动控制方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种用于实现Bang-Bang半主动控制的装置，包括
齿条，用于与外部结构相连，且外部结构能够带动齿条往复运动；齿条的下底面上设置有第一拨块；
齿轮，啮合在齿条上；
第一棘轮，与齿轮同轴设置，且第一棘轮与齿轮同步转动；
第二棘轮，与齿轮同轴设置，第二棘轮与齿轮同步转动，且第一棘轮的棘齿布设方向与第二棘轮的棘齿布设方向相反；以及
拨杆，设置于齿条的下方，拨杆的一端用于与阻尼器开关相连，且拨杆沿自身轴向转动时，拨杆能够接通或者断开阻尼器开关；
拨杆上设置有第一棘爪、第二拨块和第二棘爪，第二棘爪在拨杆上的安装方向与第一棘爪在拨杆上的安装方向相反，第一棘爪、第二拨块和第二棘爪分别位于第一棘轮、齿轮和第二棘轮的正下方，且在沿拨杆的轴线方向的投影上，第一棘爪、第二拨块和第二棘爪均呈夹角设置；
在齿条往复运动过程中，第一棘爪能够顶住第一棘轮的棘齿，第二棘爪能够顶住第二棘轮的棘齿，第二拨块与第一拨块能够发生干涉。
在本发明所提供的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置(以下简称本装置)使用时，先将齿条与外部结构相连，从而外部结构的来回往复运动能够带动齿条的往复运动。
在本装置中，由于齿轮与齿条啮合。所以，齿条的往复运动会带动齿轮转动。在本装置中，由于第一棘轮和第二棘轮与齿轮同步转动。所以，齿条的往复运动会使齿轮转动，进而会带动第一棘轮和第二棘轮的同步转动。
本装置还包括拨杆，当拨杆沿自身轴线转动时，拨杆能够接通或断开阻尼器的开关。本装置的齿条下底面设置有第一拨块，拨杆上设置有第一棘爪、第二棘爪和第二拨块，且在沿拨杆的轴线方向的投影上，第一棘爪、第二拨块和第二棘爪均呈夹角设置。
由于齿条是往复运动，假定齿条的“往”方向运动为第一方向的运动，且此时第一棘爪会顶住第一棘轮；假定齿条的“复”方向运动为第二方向的运动，且此时第二棘爪会顶住第二棘轮。
从而，当齿条在第一方向上运动时，会因第一棘轮与第一棘爪的配合使拨杆发生转动，从而会改变阻尼器开关的状态；而第一棘轮与第二棘轮的安装方向相反，所以在齿条在第一方向上运动时，第二棘轮不会影响拨杆的转动。而在第一拨块与第二拨块接触时，齿条的继续运动会再一次带动拨杆发生转动，进而再一次改变阻尼器开关的状态。
当齿条在第二方向上运动时，会因第二棘轮与第二棘爪的配合使拨杆发生转动，从而会改变阻尼器开关的状态；而第一棘轮与第二棘轮的安装方向相反，所以在齿条在第二方向上运动时，第一棘轮不会影响拨杆的转动。而在第一拨块与第二拨块接触时，齿条的继续运动会再一次带动拨杆发生转动，进而再一次改变阻尼器开关的状态。
本装置通过齿轮齿条的啮合以及通过棘轮和棘爪的配合，实现了对拨杆的转动，进而实现了对阻尼器开关状态的切换，以能够实现Bang-Bang半主动控制算法。
本装置全部由机械结构的配合以实现对拨杆的转动，进而实现对阻尼器开关状态的切换。本装置的结构简单可靠，不仅能够降低造价成本，而且还能够适应恶劣的工作环境。另外，本装置不含用电设备，不需要外接电源，在实际工作中，可尽量解决因供电困难而影响控制阻尼器出力的问题。
进一步的，拨杆上固设有开关触发件，开关触发件用于与阻尼器开关电路的一端相连；
在拨杆在沿自身轴向转动时，拨杆能够带动开关触发件转动，以实现开关触发件能够与阻尼器开关电路的另一端相连通或相断开。
进一步的，还包括传动轴，且第一棘轮、齿轮和第二棘轮通过传动轴同轴设置。
进一步的，拨杆上固设有第一转盘、第二转盘和第三转盘，第一棘爪与第一转盘可拆卸连接，第二拨块与第二转盘可拆卸连接，第二棘爪与第三转盘可拆卸连接。
进一步的，在沿拨杆的轴线方向的投影上，第二拨块位于第一棘爪和第二棘爪之间。
另一方面，本发明还提供了一种Bang-Bang半主动控制方法，采用直流电机作为带滚珠丝杠的电磁阻尼单元，并采用了上述的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置；
其中，齿条与外部结构相连。
在本发明所提供的Bang-Bang半主动控制方法(以下简称本控制方法)中，由于本控制方法使用了上述的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置。所以，本控制方法能够适应恶劣的工作环境；并且在实际工作，能够尽量解决因供电保障困难而影响施工的问题。
进一步的，阻尼单元的输出力为：
Figure GDA0003852819100000051
其中，
me为电机转子转动引起的表观质量；
Figure GDA0003852819100000052
为结构速度；
Figure GDA0003852819100000053
为结构加速度；
cd为带滚珠丝杠的电磁阻尼单元阻尼系数。
进一步的，带滚珠丝杠的电磁阻尼单元阻尼系数cd为，
Figure GDA0003852819100000061
其中，
η为滚珠丝杠旋转效率；
Ke为电机电动势；
Kf为电机转矩常数；
R为外接电阻；
r为电机内阻；
α为滚珠丝杠的传动效率；
L为滚珠丝杠的导程。
进一步的，控制阻尼力F可表示为：
Figure GDA0003852819100000062
其中，
x为结构位移；
v为结构速度；
cmax为带滚珠丝杠的电磁阻尼单元的最大阻尼系数；
cmin为带滚珠丝杠的电磁阻尼单元的最大阻尼系数。进一步的，控制力F可表示为，
Figure GDA0003852819100000071
其中，
Δk为附加刚度；
x为结构位移；
Figure GDA0003852819100000072
为结构速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明所提供的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置通过齿轮齿条的啮合以及通过棘轮和棘爪的配合，实现了对拨杆的转动，进而实现了对阻尼器开关状态的切换，以能够实现Bang-Bang半主动控制算法。
2、本发明所提供的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置全部由机械结构的配合以实现对拨杆的转动，进而实现对阻尼器开关状态的切换。本装置的结构简单可靠，不仅能够降低造价成本，而且还能够适应恶劣的工作环境。另外，本装置不含用电设备，不需要外接电源，可尽量解决实际工作中，因供电保障困难而影响施工的问题。
3、由于本发明所提供的Bang-Bang半主动控制方法使用了上述的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置。所以，本发明所提供的Bang-Bang半主动控制方法能够适应恶劣的工作环境；并且在实际工作，能够尽量解决因供电保障困难而影响施工的问题。
附图说明：
图1为本实施例中、阶段一的结构示意图。
图2为本实施例中、阶段二的结构示意图。
图3为本实施例中、阶段三的结构示意图。
图4为本实施例中、阶段四的结构示意图。
图5为实施例1在运动过程中齿条1的位移和速度状态的分解图。
图6为实施例2在运动过程中齿条1的位移和速度状态的分解图。
图中标记：1-齿条，11-第一拨块，2-齿轮，3-第一棘轮，4-第二棘轮，5-拨杆，51-第一棘爪，52-第二拨块，53-第二棘爪，54-开关触发件，55-第一转盘，56-第二转盘，57-第三转盘，6-传动轴。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本实施例1提供了一种用于实现Bang-Bang半主动控制的装置，且结构简单可靠，不仅能够降低造价成本，而且还能够适应恶劣的工作环境。同时，本实施例1提供的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置不含用电设备，不需要外接电源，在实际工作中，可尽量解决因供电困难而影响控制阻尼器出力的问题。
具体地，如图1至图4所示，本实施例1提供的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置包括齿条1、齿轮2、第一棘轮3、第二棘轮4和拨杆5。
在本实施例1中，齿条1和齿轮2相互啮合。并且，在本实施例1使用时，齿条1与外部结构相连，外部结构能够带动齿条1往复运动。在本实施例1中，齿条1的下底面设置由第一拨块11。优选地，第一拨块11可以为矩形块。
从而，在外部结构带动齿条1往复运动时，齿条1下底面的第一拨块11也跟随齿条1做往复运动；由于齿轮2与齿条1相互啮合，齿条1的往复运动会带动齿轮2转动。
在本实施例1中，将齿条1的“往”运动方向命名为第一运动方向，也即图1中的X方向；将齿条1的“复”运动方向命名为第二运动方向，也即图2中的Y方向。
本实施例1中的第一棘轮3和第二棘轮4均与齿轮2同轴设置，且第一棘轮3、第二棘轮4和齿轮2能够保持同步转动，第一棘轮3与第二棘轮4的安装方向相反。
为便于实施，本实施例1中的第一棘轮3、齿轮2和第二棘轮4可以通过传动轴6相连。具体地，第一棘轮3、齿轮2和第二棘轮4在传动轴6上的安装顺序不限。优选地，如图1所示，可以将齿轮2安装于传动轴6的中部，第一棘轮3和第二棘轮4分别位于传动轴6的两端。也即，在传动轴6上，齿轮2位于第一棘轮3和第二棘轮4之间。
本实施例1中的拨杆5设置在齿条1的下方，也即拨杆5设置于传动轴6的下方。在本实施例1中，拨杆5的轴线方向于传动轴6的轴线方向平行设置。
在本实施例1使用时，使拨杆5的一端与阻尼器开关相连，并且本实施例1中的拨杆5在沿自身轴向转动时，拨杆5能够接通或者断开阻尼器开关。
为便于实施，如图1至图4所示，可以在拨杆5上安装一个开关触发件54，并使开关触发件54与阻尼器开关电路的一端相连。在本实施例1中，开关触发件54应当具有可导电部分。在拨杆5在沿自身轴向转动时，拨杆5能够带动开关触发件54转动，以实现开关触发件54能够与阻尼器开关电路的另一端相连通或相断开。为便于实施，本实施例1中的开关触发件54可以设置为长条状结构。
在本实施例1中，拨杆5上设置有第一棘爪51、第二拨块52和第二棘爪53。其中，第二棘爪53在拨杆5上的安装方向与第一棘爪51在拨杆5上的安装方向相反，第一棘爪51、第二拨块52和第二棘爪53分别位于第一棘轮3、齿轮2和第二棘轮4的正下方，在沿拨杆5的轴线方向的投影上，第一棘爪51、第二拨块52和第二棘爪53均呈夹角设置；并且，在齿条1往复运动过程中，第一棘爪51能够顶住第一棘轮3的棘齿，第二棘爪53能够顶住第二棘轮4的棘齿，第二拨块52与第一拨块11能够发生干涉。
从而，在外部结构带动齿条1往复运动时，第一拨块11也会跟随齿轮2往复运动。由于齿轮2和齿条1相互啮合，齿轮2会发生转动，而齿轮2的转动会通过传动轴6带动第一棘轮3和第二棘轮4转动。在第一棘轮3、第二棘轮4和第一拨块11的运动过程中，通过第一棘爪51和第一棘轮3的配合、第二棘爪53和第二棘轮4的配合以及第一拨块11和第二拨块52的配合，可以使拨杆5沿自身轴线发生转动，进而以实现对阻尼器开关的通断。
优选地，在本实施例1中，可以在拨杆5上设置第一转盘55、第二转盘56和第三转盘57，并使第一棘爪51与第一转盘55可拆卸连接，使第二拨块52与第二转盘56可拆卸连接，使第二棘爪53与第三转盘57可拆卸连接，从而能够便于单独对第一棘爪51、第二棘爪53或第二拨块52进行更换或维修。为便于实施，可以使第一棘爪51和第一转盘55之间榫卯连接，或者使第一棘爪51和第一转盘55之间通过紧固件相连。可以使第二棘爪53和第三转盘57之间榫卯连接，或者使第二棘爪53和第三转盘57之间通过紧固件相连。可以使第二拨块52和第二转盘56之间榫卯连接，或者使第二拨块52和第二转盘56之间通过紧固件相连。
在本实施例1中，在沿拨杆5的轴线方向的投影上，第一棘爪51、第二拨块52和第二棘爪53均呈夹角设置，优选地，可以在沿拨杆5的轴线方向的投影上，使第二拨块52位于第一棘爪51和第二棘爪53之间。
本实施例1的工作流程为：
平衡状态是指外部结构不发生振动时的状态，此时外部结构不会带动齿条1运动。当外部结构处于平衡状态时，本实施例1处于的结构位置称为平衡位置。
在齿条1的运动过程中，将齿条1上的第一拨块11位于齿轮2的正下方，且第一拨块11与第二拨块52相接触时的位置状态命名为平衡位置。
在齿条1沿X方向运动时，将齿条1上的第一拨块11位于齿轮2的正下方时，且第一棘爪51位于第一棘轮3正下方、第二拨块52位于齿轮2下方并偏向齿条1的运动方向、第二棘爪53位于第二棘轮4下方并偏向齿条1的运动方向、开关触发件54与阻尼器开关相连通的位置状态命名为初始位置。且在初始位置时，当齿条1沿X方向运动时，第一棘轮3的转动不会对第一棘爪51出力。
阶段一：如图1所示，从初始位置开始，当外部结构带动齿条1沿X方向运动时，齿条1带动齿轮2顺时针转动，第一棘轮3和第二棘轮4跟随齿轮2沿顺时针方向同步转动。
此时，第一棘轮3转动时会与第一棘爪51接触，但此时第一棘轮3的转动不会对第一棘爪51出力，阻尼器开关处于电路连通的状态，即阻尼器开关的电路状态为“开”状态。
阶段二：如图2所示，当外部结构带动齿条1沿X方向运动到底后，外部结构开始掉头沿Y方向运动时。也即，外部结构带动齿条1沿Y方向运动。此时，齿轮2在齿条1的带动下逆时针转动，第一棘轮3和第二棘轮4跟随齿轮2沿逆时针方向同步转动。
第一棘爪51受到第一棘轮3的作用力，会使拨杆5发生转动。而拨杆5的转动会带动开关触发件54、第二拨块52、第一棘爪51和第二棘爪53的转动。此时，第二拨块52会转动至齿轮2的正下方，而开关触发件54的转动会断开阻尼器开关的电路，即阻尼器开关的电路状态为“关”状态。
阶段三：如图3所示，外部结构继续带动齿条1沿Y方向运动，齿轮2在齿条1的带动下逆时针转动，第一棘轮3和第二棘轮4跟随齿轮2沿逆时针方向同步转动。
当齿条1运动经过平衡位置时，第一拨块11和第二拨块52发生干涉。齿条1的继续运动会使第二拨块52发生转动，进而使拨杆5发生转动。而拨杆5的转动会带动开关触发件54、第二拨块52、第一棘爪51和第二棘爪53的转动。此时，第二棘爪53转动至第二棘轮4的正下方，但此时第二棘轮4的转动不会对第二棘爪53出力。而开关触发件54的转动会使阻尼器开关的电路接通，即阻尼器开关的电路状态为“开”状态。
阶段四：如图4所示，当外部结构带动齿条1沿Y方向运动到底后，外部结构开始掉头沿X方向运动时。也即，外部结构带动齿条1沿X方向运动，齿轮2在齿条1的带动下顺时针转动，第一棘轮3和第二棘轮4跟随齿轮2沿顺时针方向同步转动。
第二棘爪53受到第二棘轮4的作用而发生转动，从而使拨杆5发生转动。而拨杆5的转动会带动开关触发件54、第二拨块52、第一棘爪51和第二棘爪53的转动。此时，第二拨块52会转动至齿轮2的正下方，而开关触发件54的转动会断开阻尼器开关的电路，即阻尼器开关的电路状态为“关”状态。
阶段五：外部结构继续带动齿条1沿X方向运动，齿轮2在齿条1的带动下顺时针转动，第一棘轮3和第二棘轮4跟随齿轮2沿顺时针方向同步转动。
当齿条1运动经过平衡位置时，第一拨块11和第二拨块52发生干涉。齿条1的继续运动会使第二拨块52发生转动，进而使拨杆5发生转动。而拨杆5的转动会带动开关触发件54、第二拨块52、第一棘爪51和第二棘爪53的转动。
此时，第一棘爪51被转至第一棘轮3正下方；而开关触发件54的转动会使阻尼器开关的电路接通，即阻尼器开关的电路状态为“开”状态。
其中，在阶段五中，会出现齿条1上的第一拨块11位于齿轮2的正下方时，且第一棘爪51位于第一棘轮3正下方、第二拨块52位于齿轮2下方并偏向齿条1的运动方向、第二棘爪53位于第二棘轮4下方并偏向齿条1的运动方向、开关触发件54与阻尼器开关相连通的位置状态，也即齿条1的运动回到了初始位置。而齿条1的继续运动则会重复上述中的阶段一至阶段五的过程。
本实施例1通过齿轮2齿条1的啮合以及通过棘轮和棘爪的配合，实现了对拨杆5的转动，进而实现了对阻尼器开关状态的切换，以能够实现Bang-Bang半主动控制算法。并且，本实施例1采用两组棘轮和棘爪的配合，以及第一拨块11和第二拨块52的配合，使在齿条1的运动过程中可以分为四个区间段的运动，以能够满足结构做简谐振动的规律。
本实施例1中的齿条1由外部结构带动做往复运动，本实施例1在运动过程中齿条1的位移和速度相位关系图5所示：
一个周期内可划分为4个阶段，分别为：阶段I，平衡位置到最大正位移；阶段II，最大正位移回到平衡位置；阶段III，平衡位置到负最大位移；阶段IV，负最大位移到平衡位置。
本实施例1全部由机械结构的配合以实现对拨杆5的转动，进而实现对阻尼器开关状态的切换。本实施例1的结构简单可靠，不仅能够降低造价成本，而且还能够适应恶劣的工作环境。另外，本实施例1不含用电设备，不需要外接电源，在实际工作中，可尽量解决因供电保障困难而影响施工的问题。
实施例2
本实施例2提供了一种Bang-Bang半主动控制方法，能够适应恶劣的工作环境；并且在实际工作，能够尽量解决因供电保障困难而影响施工的问题。
本实施例2所提供的Bang-Bang半主动控制方法采用直流电机作为带滚珠丝杠的电磁阻尼单元，并采用了实施例1中的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置；其中，齿条1与外部结构相连。
从实施例1中的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置中的运动过程可知，实施例1所提供的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置采用两组棘轮和棘爪的配合，以及第一拨块11和第二拨块52的配合，使在齿条1的运动过程中可以分为四个区间段的运动，以能够满足结构做简谐振动的规律。
本实施例1中的齿条1由外部结构带动做往复运动。并且，在齿条1往复运动的一个周期内可划分为4个阶段，分别为：阶段I，平衡位置到最大正位移；阶段II，最大正位移回到平衡位置；阶段III，平衡位置到负最大位移；阶段IV，负最大位移到平衡位置，从而可以确定各阶段的阻尼系数及附加刚度，如图6所示。
本实施例2采用的是直流电机作为阻尼单元，所以，其阻尼单元的输出力可以根据：
Figure GDA0003852819100000151
进行计算。其中，me为电机转子转动引起的表观质量；
Figure GDA0003852819100000152
为结构速度；
Figure GDA0003852819100000153
为结构加速度；cd为带滚珠丝杠的电磁阻尼单元阻尼系数。
在本实施例2中，带滚珠丝杠的电磁阻尼单元阻尼系数cd可以根据：
Figure GDA0003852819100000154
进行计算。其中，η为滚珠丝杠旋转效率；Ke为电机电动势；Kf为电机转矩常数；R为外接电阻；r为电机内阻；α为滚珠丝杠的传动效率；L为滚珠丝杠的导程。
在本实施例2中，控制阻尼力F可以根据
Figure GDA0003852819100000155
进行计算，其中，x为结构位移；v为结构速度；cmax为带滚珠丝杠的电磁阻尼单元的最大阻尼系数；cmin为带滚珠丝杠的电磁阻尼单元的最大阻尼系数。
由控制阻尼力阻尼力表达式可以看出只有当结构位移与速度乘积为正时，即结构以远离平衡位置运动时，阻尼单元输出最大阻尼力；而结构位移与速度乘积为负时，则输出最小阻尼力。
在本实施例2中，控制力F可以根据
Figure GDA0003852819100000161
进行计算。其中，Δk为附加刚度；x为结构位移；
Figure GDA0003852819100000162
为结构速度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于实现Bang-Bang半主动控制的装置，其特征在于：包括
齿条(1)，用于与外部结构相连，且外部结构能够带动所述齿条(1)往复运动；所述齿条(1)的下底面上设置有第一拨块(11)；
齿轮(2)，啮合在所述齿条(1)上；
第一棘轮(3)，与所述齿轮(2)同轴设置，且所述第一棘轮(3)与所述齿轮(2)同步转动；
第二棘轮(4)，与所述齿轮(2)同轴设置，所述第二棘轮(4)与所述齿轮(2)同步转动，且所述第一棘轮(3)的棘齿布设方向与所述第二棘轮(4)的棘齿布设方向相反；以及
拨杆(5)，设置于所述齿条(1)的下方，所述拨杆(5)的一端用于与阻尼器开关相连，且所述拨杆(5)沿自身轴向转动时，所述拨杆(5)能够接通或者断开阻尼器开关；
所述拨杆(5)上设置有第一棘爪(51)、第二拨块(52)和第二棘爪(53)，所述第二棘爪(53)在所述拨杆(5)上的安装方向与所述第一棘爪(51)在所述拨杆(5)上的安装方向相反，所述第一棘爪(51)、所述第二拨块(52)和所述第二棘爪(53)分别位于所述第一棘轮(3)、所述齿轮(2)和所述第二棘轮(4)的正下方，且在沿所述拨杆(5)的轴线方向的投影上，所述第一棘爪(51)、所述第二拨块(52)和所述第二棘爪(53)均呈夹角设置；
在所述齿条(1)往复运动过程中，所述第一棘爪(51)能够顶住所述第一棘轮(3)的棘齿，所述第二棘爪(53)能够顶住所述第二棘轮(4)的棘齿，所述第二拨块(52)与所述第一拨块(11)能够发生干涉。
2.根据权利要求1所述的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置，其特征在于：所述拨杆(5)上固设有开关触发件(54)，所述开关触发件(54)用于与阻尼器开关电路的一端相连；
在所述拨杆(5)在沿自身轴向转动时，所述拨杆(5)能够带动所述开关触发件(54)转动，以实现所述开关触发件(54)能够与阻尼器开关电路的另一端相连通或相断开。
3.根据权利要求1所述的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置，其特征在于：还包括传动轴(6)，且所述第一棘轮(3)、所述齿轮(2)和所述第二棘轮(4)通过所述传动轴(6)同轴设置。
4.根据权利要求1所述的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置，其特征在于：所述拨杆(5)上固设有第一转盘(55)、第二转盘(56)和第三转盘(57)，所述第一棘爪(51)与所述第一转盘(55)可拆卸连接，所述第二拨块(52)与所述第二转盘(56)可拆卸连接，所述第二棘爪(53)与所述第三转盘(57)可拆卸连接。
5.根据权利要求1-4中任一所述的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置，其特征在于：在沿所述拨杆(5)的轴线方向的投影上，所述第二拨块(52)位于所述第一棘爪(51)和所述第二棘爪(53)之间。
6.一种Bang-Bang半主动控制方法，其特征在于：采用直流电机作为带滚珠丝杠的电磁阻尼单元，并采用了如权利要求5所述的用于实现Bang-Bang半主动控制的装置；
其中，齿条(1)与外部结构相连。
7.根据权利要求6所述的Bang-Bang半主动控制方法，其特征在于：带滚珠丝杠的电磁阻尼单元的输出力为：
Figure FDA0003852819090000031
其中，
me为电机转子转动引起的表观质量；
Figure FDA0003852819090000032
为结构速度；
Figure FDA0003852819090000033
为结构加速度；
cd为带滚珠丝杠的电磁阻尼单元阻尼系数。
8.根据权利要求7所述的Bang-Bang半主动控制方法，其特征在于：带滚珠丝杠的电磁阻尼单元阻尼系数cd为，
Figure FDA0003852819090000034
其中，
η为滚珠丝杠旋转效率；
Ke为电机电动势；
Kf为电机转矩常数；
R为外接电阻；
r为电机内阻；
α为滚珠丝杠的传动效率；
L为滚珠丝杠的导程。
9.根据权利要求6所述的Bang-Bang半主动控制方法，其特征在于：控制阻尼力F1可表示为：
Figure FDA0003852819090000041
其中，
x为结构位移；
v为结构速度；
cmax为带滚珠丝杠的电磁阻尼单元的最大阻尼系数；
cmin为带滚珠丝杠的电磁阻尼单元的最大阻尼系数。
10.根据权利要求6所述的Bang-Bang半主动控制方法，其特征在于：控制力F可表示为，
Figure FDA0003852819090000042
其中，
Δk为附加刚度；
x为结构位移；
Figure FDA0003852819090000043
为结构速度。
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