CN117212382B - 一种主动、半主动粘滞流体阻尼器的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于液压阻尼器技术领域，具体涉及一种主动、半主动粘滞流体阻尼器及其控制方法；包括缸筒、活塞杆和活塞；活塞杆穿过缸筒的流体空间以可直线位移的方式与缸筒密封接触；活塞安装在活塞杆上将缸筒的流体空间沿活塞杆位移方向分隔为第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体通过缸筒内的阻尼通道和旁通阻尼孔导通，旁通阻尼孔包括分别设置于缸筒两相对端的第一阻尼孔和第二阻尼孔，第一阻尼孔和第二阻尼孔分别与补偿油路连接形成压力调节回路；控制方法是，当待减振结构实际发生振动超过其振动限值时，补偿油路开始工作，施加主动控制力；当待减振结构实际发生振动低于其振动限值时，补偿油路停止工作，施加半主动控制力。
Description
技术领域
本发明属于液压阻尼器技术领域，具体涉及一种主动、半主动粘滞流体阻尼器及其控制方法。
背景技术
地震是一种突发性、毁灭性的自然灾害，它对人类社会构成严重威胁。如何减少工程结构在地震中遭受的损害，是一个现实而又重大的问题。对于传统的结构抗震方法，往往是通过结构自身的强度、刚度、变形能力、耗能能力来达到抵御地震的目的，但是这种通过结构自身弹塑性变形来耗散地震能量的方式会给工程结构带来损伤。目前，可以通过在工程结构的特定部位加入特定减隔震系统，由其与结构共同抵御外界动荷载作用，改变或调整结构的动力特性或动力反应，使工程结构在地震和风作用下的动力反应（加速度、速度、位移）得到合理的控制，从而保证工程结构的安全，这是积极主动的结构抗震对策。消能减震技术是在结构中设置消能装置，通过其局部变形提供附加阻尼，以消耗输入上部结构的地震能量，达到预期设防要求。
目前，全世界已有大量的工程使用粘滞流体阻尼器来减少结构或设备的震动。粘滞流体阻尼器的基本原理是:结构在地震（或风）力的作用下，与结构共同工作的粘滞流体阻尼器的活塞杆受力，推动活塞运动，活塞两边的高粘性阻尼介质产生压力差，使阻尼介质通过活塞上的阻尼孔，从而产生阻尼力，将结构振动的部分能量通过粘滞流体阻尼器中阻尼介质的粘滞耗能耗散掉，达到减小结构振动（地震或风振）反应的目的。
但是由于目前粘滞流体阻尼器的阻尼孔设置于活塞上，因阻尼孔的长度决定了阻尼器的力学参数，故导致活塞往往长度很大，这样也增大了阻尼器的长度。
发明内容
本发明为了解决传统的粘滞流体阻尼器的力学参数提高时伴随阻尼器的长度增大的问题。
本发明提供了如下技术方案：一种主动、半主动粘滞流体阻尼器，包括缸筒、活塞杆和活塞；活塞杆穿过缸筒的流体空间以可直线位移的方式与缸筒密封接触，流体空间内填充阻尼液；活塞安装在活塞杆上将缸筒的流体空间沿活塞杆位移方向分隔为第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体通过缸筒内的阻尼通道和旁通阻尼孔导通，旁通阻尼孔包括分别设置于缸筒两相对端的第一阻尼孔和第二阻尼孔，第一阻尼孔和第二阻尼孔分别与补偿油路连接形成压力调节回路；补偿油路包括泵，第一阻尼孔与补偿油路的第一接入节点和第一阻尼孔与第一腔体的第二接入节点之间安装第一可调节逆止阀，第二阻尼孔与补偿油路的第三接入节点和第二阻尼孔与第二腔体的第四接入节点之间安装第二可调节逆止阀。
进一步地，阻尼通道构造在活塞上或活塞与缸筒之间。
进一步地，缸筒包括缸体、缸盖和端盖，缸盖封闭缸体的第一端围成流体空间，活塞杆滑动密封保持在缸盖和缸体的导孔内，端盖连接在缸体的第二端用于遮蔽活塞杆，活塞杆的外露端连接上耳环，端盖上连接下耳环。
进一步地，阻尼液是硅油。
一种主动、半主动粘滞流体阻尼器的控制方法，主动、半主动粘滞流体阻尼器装配在相互接近或背离的一对结构之间，在这一对结构接近或背离时施加主动或半主动控制力；一对结构包括待减振结构和固定结构，当待减振结构实际发生振动超过其振动限值时，补偿油路开始工作，施加主动控制力；当待减振结构实际发生振动低于其振动限值时，补偿油路停止工作，施加半主动控制力。
进一步地，施加主动控制力时为主动控制状态，主动控制状态下，第一可调节逆止阀和第二可调节逆止阀完全关闭，补偿油路根据待减振结构动态反馈实时泵送阻尼液，产生与待减振结构运动同向的主动制动力；
施加半主动控制力时为半主动控制状态，半主动控制状态下，补偿油路停止工作，分别调节第一可调节逆止阀和第二可调节逆止阀改变第一阻尼孔和第二阻尼孔的流量调节阻尼器的输出力。
进一步地，主动控制状态下，通过控制算法生成阻尼器的最优主动控制力，以最优主动控制力作为控制目标，确定补偿油路中泵的泵油压力和流量；
采用以下代数式计算阻尼器的最优主动控制力；
式中，和/>分别表示待减振结构的位移和速度，/>和/>分别表示状态空间方程的系统矩阵和控制矩阵，/>表示最优主动控制力，/>是/>控制算法的控制增益；
采用以下代数式计算；
；
其中，P为解黎卡提方程的正定解，解黎卡提方程为：
；
其中和/>表示/>控制算法中的质量系数和能耗系数，/>为系统矩阵/>的转置，为控制矩阵/>的转置。
进一步地，半主动控制状态下，第一可调节逆止阀和第二可调节逆止阀在待减振结构绝对速度与相对速度同向时处于关闭状态，迫使所有阻尼液在缸筒内阻尼通道中流动，此时阻尼器输出其最大出力；当待减振结构绝对速度与相对速度异向时，第一可调节逆止阀和第二可调节逆止阀打开，阻尼液同时在旁通阻尼孔和缸筒内阻尼通道中流动，随着第一可调节逆止阀和第二可调节逆止阀的开启范围增大，阻尼器的输出力逐渐减小，第一可调节逆止阀和第二可调节逆止阀完全打开时阻尼器输出其最小出力。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明提供的一种主动、半主动粘滞流体阻尼器，具有较好的兼容性，面对不同的待减振结构可实现不同的控制方案。当待减振结构实际发生振动超过振动限值时，补偿油路开始工作，发挥主动控制作用，产生主动控制效果；当待减振结构振动低于该振动限值时，补偿油路停止工作，发挥半主动控制效果。且主动、半主动粘滞流体阻尼器具有简单、坚固的结构，不易损坏和失效，可以长期保持稳定和可靠的性能。
本发明的主动、半主动粘滞流体阻尼器是在装置两端设置装有可调节逆止阀的旁通阻尼孔，不仅大大提高了装置的阻尼效率，而且有效地缩短了装置的长度。并且在阻尼孔上设置有可调节逆止阀，可以通过控制可调节逆止阀实现调节出力。此外主动、半主动粘滞流体阻尼器可以适用于各种类型的结构，包括建筑、桥梁、机械设备等，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为控制算法控制回路示意图。
图中：1-缸盖；2-第一腔体；3-活塞；4-第一阻尼孔；5-活塞杆；6-上耳环；7-密封挡板；8-缸体；9-第二可调节逆止阀；10-补偿油路；11-密封橡胶；12-端盖；13-下耳环；14-第一可调节逆止阀；15-第二阻尼孔，16-第二腔体，a-第一接入节点，b-第二接入节点，c-第三接入节点，d-第四接入节点。
具体实施方式
结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示：一种主动、半主动粘滞流体阻尼器，包括缸筒、活塞杆5和活塞3；活塞杆5穿过缸筒的流体空间以可直线位移的方式与缸筒密封接触，流体空间内填充阻尼液；活塞3安装在活塞杆5上将缸筒的流体空间沿活塞杆5位移方向分隔为第一腔体2和第二腔体16，第一腔体2和第二腔体16通过缸筒内的阻尼通道和旁通阻尼孔导通，旁通阻尼孔包括分别设置于缸筒两相对端的第一阻尼孔4和第二阻尼孔15，第一阻尼孔4和第二阻尼孔15分别与补偿油路10连接形成压力调节回路；补偿油路10包括泵，第一阻尼孔4与补偿油路10的第一接入节点a和第一阻尼孔4与第一腔体2的第二接入节点b之间安装第一可调节逆止阀14，第二阻尼孔15与补偿油路10的第三接入节点c和第二阻尼孔15与第二腔体16的第四接入节点d之间安装第二可调节逆止阀9。
活塞3往复运动使活塞3两侧腔体中的阻尼液产生压力差，并流过阻尼通道、第一阻尼孔4和第二阻尼孔15，从而产生阻尼力。活塞3两侧的第一腔体2和第二腔体16内的压力由阻尼通道、第一阻尼孔4和第二阻尼孔15共同调节，第一阻尼孔4和第二阻尼孔15分别由第一可调节逆止阀14和第二可调节逆止阀9控制，通过控制可调节逆止阀实现调节阻尼器的输出力。
阻尼通道构造在活塞3上或活塞3与缸筒之间，即第一种实施方式是在活塞3上开孔，第二种实施方式是活塞3与缸筒之间预留间隙。
缸筒包括缸体8、缸盖1和端盖12，缸盖1封闭缸体8的第一端围成流体空间，缸盖1与缸体8之间安装密封挡板7密封，防止阻尼液渗流，活塞杆5滑动密封保持在缸盖1和缸体8的导孔内，活塞杆5的一端从缸盖1中外露、另一端从缸体8底部穿出，缸体8外安装密封橡胶，端盖12连接在缸体8的第二端用于遮蔽活塞杆5，活塞杆5的外露端连接上耳环6，端盖12上连接下耳环13。
具体的，阻尼液是硅油。缸体8为圆筒形结构，活塞杆5为钢制圆杆，活塞3为与活塞杆5同心的钢制圆环柱体，活塞杆5和活塞3焊接连接。
一种主动、半主动粘滞流体阻尼器的控制方法，所述主动、半主动粘滞流体阻尼器装配在相互接近或背离的一对结构之间，在这一对结构接近或背离时施加主动或半主动控制力；所述的一对结构包括待减振结构和固定结构，由待减振结构的动力特性及其重要性程度，根据规范制定相应的振动限值，当待减振结构实际发生振动超过其振动限值时，补偿油路开始工作，施加主动控制力；当待减振结构实际发生振动低于其振动限值时，补偿油路停止工作，施加半主动控制力。
施加主动控制力时为主动控制状态，主动控制状态下，第一可调节逆止阀14和第二可调节逆止阀9完全关闭，补偿油路10根据待减振结构动态反馈实时泵送阻尼液，产生与待减振结构运动同向的主动制动力；
施加半主动控制力时为半主动控制状态，半主动控制状态下，补偿油路10停止工作，分别调节第一可调节逆止阀14和第二可调节逆止阀9改变第一阻尼孔4和第二阻尼孔15的流量调节阻尼器的输出力。
如图2所示：主动控制状态下，通过控制算法生成阻尼器的最优主动控制力，以最优主动控制力作为控制目标，确定补偿油路10中泵的泵油压力和流量；
采用以下代数式计算阻尼器的最优主动控制力；
式中，和/>分别表示待减振结构的位移和速度，/>和/>分别表示状态空间方程的系统矩阵和控制矩阵，/>表示最优主动控制力，/>是/>控制算法的控制增益。
采用以下代数式计算；
；
其中，P为解黎卡提方程的正定解，解黎卡提方程为：
；
其中和/>表示/>控制算法中的质量系数和能耗系数，/>为系统矩阵/>的转置，为控制矩阵/>的转置。
半主动控制状态下，第一可调节逆止阀14和第二可调节逆止阀9在待减振结构绝对速度与相对速度同向时处于关闭状态，迫使所有阻尼液在缸筒内阻尼通道中流动，此时阻尼器输出其最大出力；当待减振结构绝对速度与相对速度异向时，第一可调节逆止阀14和第二可调节逆止阀9打开，阻尼液同时在旁通阻尼孔和缸筒内阻尼通道中流动，随着第一可调节逆止阀14和第二可调节逆止阀9的开启范围增大，阻尼器的输出力逐渐减小，第一可调节逆止阀14和第二可调节逆止阀9完全打开时阻尼器输出其最小出力。
安装时，先将阻尼器吊装到位，用钢销和薄螺母将阻尼器与双耳板连接，阻尼器一端的双耳板连接待减振结构，另一端的双耳板连接固定结构。将位移传感器安装在双耳叉的横加强筋上，然后布置位移传感器数据线，最后安装数据采集仪器盒，布置网线或电缆线，采集数据。无线传输时只需安装数据采集仪器盒。待减振结构在地震（或风）力的作用下，与待减振结构共同工作的主动、半主动粘滞流体阻尼器的活塞杆受力，推动活塞运动，活塞两边的阻尼液产生压力差，通过调节第一可调节逆止阀14和第二可调节逆止阀9实现调节出力，使阻尼液通过阻尼通道和旁通阻尼孔，从而产生阻尼力，将待减振结构振动的部分能量通过主动、半主动粘滞流体阻尼器中阻尼液的粘滞耗能耗散掉，达到减小振动（地震或风振）反应的目的。
以对斜拉桥半主动振动控制为例，斜拉桥为待减振结构，桥墩基础为固定结构。在主动、半主动粘滞流体阻尼器主动控制的基础上，对待减振结构的振动控制提出可靠且合理的控制策略，以Skyhook控制策略为例，常见的Skyhook控制策略一般有两种类型：非连续型（也称作双态、开关型），和线性连续型Skyhook策略。
本例中斜拉桥半主动振动控制采用Skyhook策略，以斜拉桥梁体的绝对运动速度和相对运动速度为状态量的一种半主动振动控制策略，如上述公式所示，其中“绝对”表示梁体的绝对速度，“/>相对”表示梁体与桥墩的相对速度，“/>”表示阻尼器的输出力。
斜拉桥梁体的绝对速度与相对速度同向时，第一可调节逆止阀14和第二可调节逆止阀9关闭，迫使所有阻尼液向缸筒内阻尼通道处流动，此处的通道相对狭窄，故阻尼器输出其最大出力；当斜拉桥梁体的绝对速度与相对速度异向时，第一可调节逆止阀14和第二可调节逆止阀9打开，大部分阻尼液由第一阻尼孔4和第二阻尼孔15流动，此处的通道相对宽敞，故阻尼器输出其最小出力。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种主动、半主动粘滞流体阻尼器的控制方法，其特征在于：
所述主动、半主动粘滞流体阻尼器包括缸筒、活塞杆(5)和活塞(3)；活塞杆(5)穿过缸筒的流体空间以可直线位移的方式与缸筒密封接触，流体空间内填充阻尼液；活塞(3)安装在活塞杆(5)上将缸筒的流体空间沿活塞杆(5)位移方向分隔为第一腔体(2)和第二腔体(16)，第一腔体(2)和第二腔体(16)通过缸筒内的阻尼通道和旁通阻尼孔导通，旁通阻尼孔包括分别设置于缸筒两相对端的第一阻尼孔(4)和第二阻尼孔(15)，第一阻尼孔(4)和第二阻尼孔(15)分别与补偿油路(10)连接形成压力调节回路；补偿油路(10)包括泵，第一阻尼孔(4)与补偿油路(10)的第一接入节点(a)和第一阻尼孔(4)与第一腔体(2)的第二接入节点(b)之间安装第一可调节逆止阀(14)，第二阻尼孔(15)与补偿油路(10)的第三接入节点(c)和第二阻尼孔(15)与第二腔体(16)的第四接入节点(d)之间安装第二可调节逆止阀(9)；
所述主动、半主动粘滞流体阻尼器装配在相互接近或背离的一对结构之间，在这一对结构接近或背离时施加主动或半主动控制力；所述的一对结构包括待减振结构和固定结构，当待减振结构实际发生振动超过其振动限值时，补偿油路开始工作，施加主动控制力；当待减振结构实际发生振动低于其振动限值时，补偿油路停止工作，施加半主动控制力；
施加主动控制力时为主动控制状态，主动控制状态下，第一可调节逆止阀(14)和第二可调节逆止阀(9)完全关闭，补偿油路(10)根据待减振结构动态反馈实时泵送阻尼液，产生与待减振结构运动同向的主动制动力；
施加半主动控制力时为半主动控制状态，半主动控制状态下，补偿油路(10)停止工作，分别调节第一可调节逆止阀(14)和第二可调节逆止阀(9)改变第一阻尼孔(4)和第二阻尼孔(15)的流量调节阻尼器的输出力；
主动控制状态下，通过lqr控制算法生成阻尼器的最优主动控制力，以最优主动控制力作为控制目标，确定补偿油路(10)中泵的泵油压力和流量；
采用以下代数式计算阻尼器的最优主动控制力；
Fc(t)＝-G·Z(t)
式中，Z(t)和分别表示待减振结构的位移和速度，A和B分别表示状态空间方程的系统矩阵和控制矩阵，FC(t)表示最优主动控制力，G是lqr控制算法的控制增益；
采用以下代数式计算G；
G＝R-1BTP；
其中，P为解黎卡提方程的正定解，所述的解黎卡提方程为：
PA+ATP-PBR-1BTP+Q＝0；
其中Q和R表示lqr控制算法中的质量系数和能耗系数，AT为系统矩阵A的转置，BT为控制矩阵B的转置；
半主动控制状态下，第一可调节逆止阀(14)和第二可调节逆止阀(9)在待减振结构绝对速度与相对速度同向时处于关闭状态，迫使所有阻尼液在缸筒内阻尼通道中流动，此时阻尼器输出其最大出力；当待减振结构绝对速度与相对速度异向时，第一可调节逆止阀(14)和第二可调节逆止阀(9)打开，阻尼液同时在旁通阻尼孔和缸筒内阻尼通道中流动，随着第一可调节逆止阀(14)和第二可调节逆止阀(9)的开启范围增大，阻尼器的输出力逐渐减小，第一可调节逆止阀(14)和第二可调节逆止阀(9)完全打开时阻尼器输出其最小出力。
2.根据权利要求1所述的一种主动、半主动粘滞流体阻尼器的控制方法，其特征在于：所述的阻尼通道构造在活塞(3)上或活塞(3)与缸筒之间。
3.根据权利要求2所述的一种主动、半主动粘滞流体阻尼器的控制方法，其特征在于：所述的缸筒包括缸体(8)、缸盖(1)和端盖(12)，缸盖(1)封闭缸体(8)的第一端围成流体空间，活塞杆(5)滑动密封保持在缸盖(1)和缸体(8)的导孔内，端盖(12)连接在缸体(8)的第二端用于遮蔽活塞杆(5)，活塞杆(5)的外露端连接上耳环(6)，端盖(12)上连接下耳环(13)。
4.根据权利要求1所述的一种主动、半主动粘滞流体阻尼器的控制方法，其特征在于：所述的阻尼液是硅油。
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