CN202124956U - 用于抑制拉索振动的主动变刚度控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型用于抑制拉索振动的主动变刚度控制装置，其包括液压伺服作动器、液压站、主动控制系统，液压伺服作动器包括液压油缸，液压油缸的一端与拉索活动端相连，液压油缸的另一端与产生初始预拉力的弹簧相连，弹簧另一端固定在弹簧座上；拉索固定端设有第一拉压力传感器，拉索上还设有第一位移传感器，第一位移传感器、主动控制系统和液压伺服作动器、液压站通过数据线连接形成控制回路，液压站与液压伺服作动器通过油路相连。本实用新型的控制装置不仅可以提高拉索结构的安全保障，而且可以获得显著的综合效益。

Description

用于抑制拉索振动的主动变刚度控制装置

技术领域

本实用新型属于土木工程领域，涉及一种用于抑制拉索振动的主动变刚度控制装置。

背景技术

拉索结构由于结构合理、外形美观，从而在土木工程结构中得到了广泛的应用，但是由于拉索质量轻、柔性大、阻尼小，在风荷载作用下或端部支座有移动的情况下，容易产生横向振动。过大的振幅会使拉索发生疲劳断裂，影响了拉索结构的安全性，而可能有破坏性事故发生。

目前为止，工程界主要采用各种被动控制或半主动控制的减振装置来减少拉索结构中拉索的横向振动。虽然存在简便易行、安装方便等优点，但是被动控制或半主动控制对超长拉索的振动控制来说，其控制效果远远不能满足工程实际的要求。而随着现代建筑构形的不断发展，将会有更多的超长拉索出现在实际结构中，因此必须采用比被动或半主动控制更好的方法。

实用新型内容

本实用新型所要解决的问题是提供一种用于抑制拉索振动的主动变刚度控制装置，克服现有技术中存在的上述问题。

本实用新型用于抑制拉索振动的主动变刚度控制装置，其包括液压伺服作动器、液压站、主动控制系统，液压伺服作动器包括液压油缸，液压油缸的一端与所述拉索的活动端相连，液压油缸的另一端与产生初始预拉力的弹簧相连，弹簧的另一端固定在弹簧座上；所述拉索的固定端设有第一拉压力传感器，拉索上还设有第一位移传感器，第一位移传感器、主动控制系统和液压伺服作动器、液压站通过数据线连接形成控制回路，液压站与液压伺服作动器通过油路相连。

本实用新型所述液压伺服作动器还包括第二拉压力传感器、第二位移传感器、液压伺服阀和底座，第二拉压力传感器设在所述液压油缸和弹簧间，第二位移传感器设在所述液压伺服油缸的另一端上，所述液压伺服油缸和液压伺服阀一起固定在底座上，第二拉压力传感器及第二位移传感器与所述主动控制系统相连。

本实用新型所述液压站包括通过油管连通的蓄能器组、油箱和机泵组，机泵组和与所述主动控制系统相连的阀组相连，油箱内设有回油滤油器。

本实用新型所述主动控制系统包括信号依次相连的信号输入模块、信号分解模块、求导模块、乘积模块、控制模块和信号输出模块，信后输入模块与所述第一位移传感器相连，信号输出模块与所述液压伺服作动器、液压站相连。

通过以上技术方案，本实用新型的用于抑制拉索振动的主动变刚度控制装置，利用很少的能量沿拉索轴向施加主动最优控制力，在引起拉索横向刚度发生实时变化的同时，使拉索振动的频率和阻尼比也发生了相应的变化，从而达到减轻或降低拉索振动响应的目的。本实用新型的液压伺服主动控制装置能够很好地实现拉索振动的主动控制，且控制效果明显，适用于抑制各种拉索的振动。

附图说明

图1本实用新型的液压伺服作动器主视结构示意图。

图2本实用新型的液压伺服作动器俯视结构示意图。

图3本实用新型的液压站主视图。

图4本实用新型的液压站右视图。

图5本实用新型的液压站俯视图。

图6本实用新型的伺服主动控制装置液压原理图。

图7本实用新型用于抑制拉索振动的主动变刚度控制装置示意图。

图8本实用新型D-V-I Bang-Bang主动控制系统的框图。

图9本实用新型D-V-I Bang-Bang控制过程的力学模型示意图。

图10本实用新型试验一拉索振动L/2处的位移时程。

图11本实用新型试验一沿拉索轴向主动控制力时程。

图12本实用新型试验二拉索振动L/2的位移时程。

图13本实用新型试验二沿拉索轴向主动控制力时程。

具体实施方式

如图1及图7所示，本实用新型涉及一种用于抑制拉索振动的主动变刚度控制装置，其包括液压伺服作动器、液压站、主动控制系统85，液压伺服作动器包括液压油缸2，液压油缸2的一端与拉索5活动端相连，液压油缸的另一端与产生初始预拉力的弹簧15相连，弹簧15的另一端固定在弹簧座16上；拉索固定端设有第一拉压力传感器82，拉索5上还设有第一位移传感器83，第一位移传感器83、主动控制系统85和液压伺服作动器、液压站通过数据线84连接形成控制回路，液压站与液压伺服作动器通过油路相连。

如图1及图2所示，上述液压伺服作动器为动圈式液压伺服作动器，其还包括第二拉压力传感器14、第二位移传感器12、动圈式液压伺服阀3和底座4，第二拉压力传感器14设在液压油缸和弹簧间，第二位移传感器12设在液压伺服油缸的另一端上，液压伺服油缸2和动圈式液压伺服阀3一起固定在底座4上，第二位移传感器和第二拉压力传感器与主动控制系统相连。第二位移传感器的一侧还设有位移传感器挡片13。上述与拉索活动端固定的液压油缸拉头11、第二位移传感器12、位移传感器挡片13、第二拉压力传感器14及弹簧15、弹簧座16组成作动杆1，作动杆1给拉索施加轴向压力。

其中，动圈式液压伺服阀3、液压油缸2、第二拉压力传感器14组成力闭环，使动态拉压力跟随由针对拉索多阶模态振动响应的主动控制系统计算出来的指令信号变化。液压伺服油缸2的位移，由固定在缸头上的第二位移传感器12检测，通过转换开关的选择，第二位移传感器12也可以与动圈式液压伺服阀3、液压油缸2组成位置闭环以便调试设备时使用。

液压伺服油缸2由活塞21、缸底22、轴套23、缸盖24组成，轴套23套设在活塞21上，上述第二位移传感器设在缸盖24上。

动圈式液压伺服作动器的工作原理为：动圈式液压伺服阀3和液压油缸2一起固定在底座4上，作动杆1一端自由，一端通过拉头11和负载(拉索5)相连。静态时作动器能在拉索轴向产生一个初始预拉力T，作动时作动器能在拉索轴向产生一个动态拉压力(k或-k)。拉索中的初始预拉力由弹簧15产生，弹簧15的刚度为62.5N/mm，可通过调节弹簧座16任意调节拉索5中拉力的大小，拉索5中初始预拉力的值由第二拉压力传感器14输出。拉索5中的动态拉压力由动圈式液压伺服阀3和液压油缸2产生，液压油缸2两端的拉压力由第二拉压力传感器检测，经过求差后得到动态拉压力值。该动圈式液压伺服作动器能够产生的最大初始预拉力T≥3000N，动态拉压力可变范围-300N～300N。由于动圈式液压伺服阀3固定在靠近液压伺服油缸2的位置，确保作动器具有极佳的动态性能，最大作动频率45Hz。

本实用新型中的动圈式液压伺服作动器使用的是间隙密封。由于配合零件之间有间隙存在，所以摩擦力小，发热少，寿命长；由于不用任何密封材料，所以结构简单紧凑，尺寸小。

如图3、图4及图5所示，液压站包括通过油管63连通的蓄能器组61、油箱62和机泵组65，机泵组65和与主动控制系统相连的阀组64相连，油箱内设有回油滤油器69，还包括放油阀66、液位计67、内六角螺堵68。

整套液压站中配备的蓄能器组61，可用来进一步改善控制精度。油箱62中装配有回油滤油器69，可用来防止可能的污染物进入伺服阀，确保系统更长的使用寿命。

如图6所示动圈式液压伺服主动控制装置的液压原理图，油泵652将高压油打入蓄能器61保压，第二拉压力传感器14检测出蓄能器61的油压，当蓄能器油压达到上限油压时，控制电路切断电，电换向磁阀642将油泵652卸荷，直至蓄能器61油压降至下限时电换向磁阀642重新接通使油泵652加载，这种自动卸荷回路使伺服系统的空耗降低，而瞬时流量则依靠蓄能器61充放，能满足动圈式液压伺服阀3快速变化的需要。图中其他部件为电机651、闸阀插件71、压力表72，压力变送器73、溢流阀641、单向阀643。

如图7所示，拉索振动主动变刚度控制的试验布置是将拉索5固定端固定于反力墙81上，活动端和作动器端部的拉头11相连，且能够根据指令沿拉索轴向来回移动，使得拉索中的轴向索力也发生相应的变化。试验中需要利用第一压力传感器82测量拉索5中的初始预拉力T，主动控制系统优选D-V-I Bang-Bang主动控制系统，利用第一位移传感器83、数据线84、主动控制系统85和动圈式液压伺服作动器形成控制回路。D-V-I Bang-Bang主动控制系统85的simulink模型如图8所示，整个模型根据D-V-I Bang-Bang主动控制策略，由多个模块组成。如图8所示，信号输入模块851将检测到的位移信号传输给信号分解模块852，再通过求导模块853和乘积模块854实现了位移速度乘积积分的过程，并将结果交由D-V-I Bang-Bang主动控制模块857判断是选择执行主动控制力k模块855还是选择执行主动控制力-k模块856，最终将选择的主动控制力通过输出模块858施加在拉索的轴向。整个控制过程中的位移信号示波器模块8511和轴向主动控制力信号示波器模块8573是为了能够实时观察输入和输出的信号，导线损失补偿模块8571可以使控制精度更高，输出信号限值模块8572可以根据动圈式液压伺服作动器的最大行程来确定保护电压，以免控制力过大对作动器造成损伤。

本实用新型中主动变刚度控制依赖于针对拉索多阶模态振动响应的D-V-I Bang-Bang控制系统，即基于位移-速度乘积积分的Bang-Bang控制系统。具体工作原理表达形式如下：

$U\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}k& {\&Integral;}_0^{l}v(x,t)\&CenterDot;\stackrel{.}{v}(x,t)\mathrm{dx}>0\\ -k& {\&Integral;}_0^{l}v(x,t)\&CenterDot;\stackrel{.}{v}(x,t)\mathrm{dx}<0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，U(t)为需要通过D-V-I Bang-Bang控制系统求得各时刻在拉索轴向施加的主动最优控制力的大小。v(x，t)为拉索的位移响应，

为拉索的速度响应。k为控制增益。当主动控制力为k时表示控制装置处于ON状态，当其为-k时表示控制装置出于OFF状态，这样的开关控制算法，也称为ON/OFF控制算法或Switching控制算法，而

${\&Integral;}_0^{l}v(x,t)\&CenterDot;\stackrel{.}{v}(x,t)\mathrm{dx}=y^T\left(t\right)M\stackrel{.}{y}\left(t\right)---\left(2\right)$

式中，y(t)为拉索的模态位移向量，

为拉索的模态速度向量。采用上述控制策略，可以同时考虑多阶模态的响应，并加以控制。该控制策略的物理意义是：当拉索振动的模态位移与模态速度同号时，即按照某阶振型振动的拉索向背离平衡点的方向振动时，增加拉索的轴向力以附加结构的刚度；当拉索振动的模态位移与模态速度反号时，即按照某阶振型振动的拉索从远离平衡点的位置向平衡点振动时，减小拉索的轴向力以削减结构的刚度。D-V-IBang-Bang控制过程的力学模型示意图如图9所示，其中控制增益k可以取为拉索中初始预拉力的5％或10％。这样施加轴向主动控制力后拉索的运动方程实际上是非线性运动方程，它可以由求解非线性运动方程的任何一种数值积分方法求解。

整个控制过程基于独立式的控制和数据采集系统，数据采集卡与PC连接，其主要优势就在于控制和数据采集是完全集成一体并且同步的。可以通过商业应用软件Matlab中的simulink模块来组建D-V-I Bang-Bang主动控制系统模型。

根据上述控制装置来建立模型对拉索振动主动变刚度控制进行试验，根据试验结果来说明控制效果。

1)模型设计

模型拉索采用的是规格为7股，每股19丝，直径为4mm的钢丝绳。为了模拟拉索实际的振动频率，在拉索上沿全长每隔100mm布置一个质量块。质量块采用圆柱形状的铜块，单个质量块的质量为29.23g。经计算钢丝绳的各项参数如表1所示。

表1钢丝绳的各项参数

2)控制效果

采用本实用新型提出的针对拉索多阶模态振动响应的D-V-I Bang-Bang控制系统，将拉索自由振动有控位移时程试验结果和拉索自由振动无控位移时程试验结果的进行了对比。

①试验一：采用轴向主动控制力(k或-k)幅值为109.09N，占拉索中初始预拉力T的9.09％。试验结果中拉索振动L/2处的位移时程如图10所示，沿拉索轴向主动控制力时程如图11所示。从试验结果中可以看出没有施加轴向主动控制时拉索内阻尼(对数衰减率)很小，在外界激励后振动很难平息，无控位移RMS为20.08208。施加控制后的位移RMS值为7.713085，拉索位移的RMS减小了61.6％。

②试验二：采用轴向主动控制力(k或-k)幅值为272.7N，占拉索中初始预拉力T的22.725％。试验结果中拉索振动L/2处的位移时程如图12所示，沿拉索轴向主动控制力时程如图13所示，无控位移RMS为20.08208。施加控制后的位移RMS值为6.889152，拉索位移的RMS减小了65.7％。

试验结果验证了本实用新型控制装置整体工作的良好性能，该实用新型不仅可以提高拉索结构的安全保障，而且可以获得显著的综合效益。

Claims (4)

1.一种用于抑制拉索振动的主动变刚度控制装置，其特征在于，其包括液压伺服作动器、液压站、主动控制系统，动圈式液压伺服作动器包括液压油缸，液压油缸的一端与所述拉索的活动端相连，液压油缸的另一端与产生初始预拉力的弹簧相连，弹簧的另一端固定在弹簧座上；所述拉索的固定端设有第一拉压力传感器，拉索上还设有第一位移传感器，第一位移传感器、主动控制系统和动圈式液压伺服作动器、液压站通过数据线连接形成控制回路，液压站与动圈式液压伺服作动器通过油路相连。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述液压伺服作动器还包括第二拉压力传感器、第二位移传感器、液压伺服阀和底座，第二拉压力传感器设在所述液压油缸和弹簧间，第二位移传感器设在所述液压伺服油缸的另一端上，所述液压伺服油缸和液压伺服阀一起固定在底座上，第二拉压力传感器及第二位移传感器与所述主动控制系统相连。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述液压站包括通过油管连通的蓄能器组、油箱和机泵组，机泵组和与所述主动控制系统相连的阀组相连，油箱内设有回油滤油器。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述主动控制系统包括信号依次相连的信号输入模块、信号分解模块、求导模块、乘积模块、控制模块和信号输出模块，信后输入模块与所述第一位移传感器相连，信号输出模块与所述液压伺服作动器、液压站相连。

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