CN1311381A - 变刚度减振测控系统 - Google Patents

Abstract

一种变刚度减振测控系统,它是由液压执行机构、变刚度控制器、传感器及系统辅助件四部分组成的。液压执行机构又由液压油缸、电磁阀及液压管路组成;变刚度控制器由控制盒、电缆附件组成。当系统工作时,传感器感受建筑结构的位移和速度,并将信号送入变刚度控制电路以驱动电磁阀来实现油缸的油路切换从而达到变刚度控制减振的目的。该系统结构紧凑、外形美观、安装方便,因而在实际工程运用中具有广阔的前景。

Description

变刚度减振测控系统

本系统属于对建筑物减振的装置。为了提高建筑物的抗震抗风能力，对建筑结构进行振动控制，人们发明了主动式控制装置和被动式控制装置。由于主动式控制装置需要外界提供巨大的动力，因而难以在实际工程中得以推广应用；而被动式控制装置因不需要结构的振动信号，因而使其振动控制效果受到一定的限制。同时，无论是主动式还是被动式控制装置其受控结构的刚度都是不可变的。

本系统就是针对上述已有技术之不足，而提出的一种新的装置，它能够根据结构振动的信号，使可变刚度处于开或关状态，以达到有效地控制结构振动的目的。

本发明专利由液压执行机构、变刚度控制器、传感器及系统辅助件四部分组成。实现了系统的全部硬件化。避免了由于控制计算和信号转换引起的时滞问题。其中液压执行机构由液压油缸、电滋阀及液压管路组成；变刚度控制器是一个控制盒；传感器有两台拾震器和一台压差传感器；系统辅助件包括一个安装控制器、一个安装电磁阀及油路管等组成。

当控制器接收到结构的振动信号后，根据所设定的控制律，输出控制信号传送到液压执行机构中的电滋阀，使其处于截止或畅通状态，以实现可变刚度的开或关。

本发明专利具有三级逐级制约的控制律，第一优先级为缓压保护控制律，其次为抗干扰能级门槛保护控制律，最后为基本控制律。

下面结合附图对该系统做一说明：

图1为该系统的结构示意图，图2为控制器的原理方框图，图3为执行机构的结构示意图。

该系统由可变刚度构件Δk、活塞-油缸、控制器、控制电磁阀、上层传感器、下层传感器、安装盒、安装电磁阀块、安装油管、活动小油源和电缆组成，各部分之间的相互关系原理如图1所示。

其中，安装油管与电磁阀和油源之间连接采用快速接头。

24VDC是建筑结构常备24V直流电源接口，也是变刚度系统所需要的唯一电源，它直接接入控制器。

可变刚度构件的大小、形状可以根据具体应用情况而设计。

如图1所示：活塞杆与结构主体刚度构件在A处固接，油缸刚体与可变刚度构件Δk在B处固接。活塞-油缸、控制电磁阀和压差传感器装配成一个液压集成块，因为可变刚度构件Δk的开/关状态最终由活塞-油缸实现，所以称该集成块为液压执行机构。当系统安装时，控制电磁阀接收安装调试器的输出信号，与安装电磁阀块共同实现液压缸的补油、排气及安装就位。在工作状态，控制电磁阀接收控制器的输出信号实现可变刚度构件的ON/OFF控制状态。液压执行机构的总装图如图3所示。

其中，液压油缸采用FCS22系列对称电液伺服作动器的结构形式。油缸前端为球铰连接，以适应建筑结构的空间变形。在油缸的前后两端，均设有安装板作为过度联接件，旨在保证系统自身的精密性与完整性的同时，使得系统能够在结构工程的大公差条件下方便安装。

在结构控制的正常工作状态，控制器接收上/下层传感器及压差传感器的信号，根据控制律完成对控制电磁阀的控制。

当油缸两腔的油路不通时，由于油的不可压缩性，活塞在油缸中不能相对运动，油缸缸体与活塞构成一个刚体，所以可变刚度构件Δk的B处通过油缸活塞与结构主体刚度构件的A处(沿油缸轴线方向)固接，可变刚度构件Δk成为受控结构的一个刚度构件，此时，称Δk为ON状态。此时可变刚度状态为基本控制律所控制。

当油缸两腔的油路相通时，活塞能够相对油缸缸体滑动，油缸中的油液对该运动产生阻力，油缸缸体与活塞形成一个阻尼器，此时，该阻尼器与可变刚度构件Δk串联作用在受控结构中，此时，称Δk为OFF状态。

为了避免液压执行机构中电磁阀受到小能级信号干扰后的频繁响应，控制系统具有抗干扰能级门槛保护功能。当结构振动速度信号的能级小于或等于能级门槛设置值时，可变刚度构件为ON状态。相反则执行基本控制律。

为了对系统的最大工作压力作有效的控制，系统具有缓压保护功能。当液压系统所承受的力大于系统最大设计工作压力时，控制电磁阀开启，此时油缸与活塞之间产生相对滑动，可变刚度构件为OFF状态。否则可变刚度构件执行抗干扰能级门槛保护控制律。

本装置结构简单、造价低廉、易安装和维护、使用方便、振动控制效果好，由于其既可减小结构的动力反应，又不破坏结构的使用功能，因此具有广阔的前景。

Claims (5)

1．一种变刚度减振测控系统，它的特征在于整个系统实现全部硬件化。因此控制系统避免了由于控制计算和信号转换引起的时滞问题。其总体结构由液压执行结构、变刚度控制器、传感器及系统辅助件四部分组成。其中液压执行机构由液压油缸、电滋阀及液压管路组成；变刚度控制器是一个很小的硬件盒子，尺寸小于150mm×100mm×50mm；传感器使用一台压差传感器；系统辅助件包括安装盒及电缆附件。

2．根据权利要求1所述的一种变刚度减振测控系统，其特征在于对整个系统的运行控制上采用了三种逐级制约的控制律：

①.缓压保护控制律

当p(t)≤-p_s或p(t)≥p_s时，可变刚度构件为OFF控制；

当-p_s＜p(t)＜p_s时，可变刚度构件状态由下级控制律来控制。

其中，p(t)为液压缸两腔的压力差，p_s为缓压保护的设置值(正值)

②抗干扰能级门槛保护控制律

当 $-e_s\≤\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{y}\left(t\right)\≤e_s$ 时，可变刚度构件ON控制；

当 $\mathrm{\&Delta;}\stackrel{.}{y}\left(t\right)<-e_s$ 或 $\mathrm{\&Delta;}\stackrel{.}{y}\left(t\right)>e_s$ 时，可变刚度构件状态由再下级控制律来控制。

其中，e_s为能级门槛设置值(正值)。

③基本控制律

当 $\mathrm{\&Delta;y}\left(t\right)\mathrm{\&Delta;}\stackrel{.}{y}\left(t\right)\&GreaterEqual;0$ 时，可变刚度构件ON控制；

当 $\mathrm{\&Delta;y}\left(t\right)\mathrm{\&Delta;}\stackrel{.}{y}\left(t\right)<0$ 时，可变刚度构件OFF控制。

其中，Δy(t)为可变刚度系统上下层在控制方向的层问位移。

3．本系统的另一特征是控制律ps值和es值都可以在控制器上得以调节以满足系统的要求。

4．根据权利要求1所述的一种变刚度减振测控系统，其另一特征在于该系统在安装方式上具有独特的方面：液压油缸采用FCS22系列对称电液伺服作动器的结构形式，液压缸前端为球铰连接，后端为法兰连接，以适应建筑结构的空间变形。此处采用了过度联接件，在保证系统自身的精密性和完整性的同时，使得系统能够在结构工程的大公差条件下方便安装。

5．根据权利要求1和权利要求3所述的一种变刚度减振测控系统，其外形特征在于其整体结构紧凑(如工作压力为480KN时，其外形为890mm×435mm×300mm)、外形十分小巧。

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