斜拉橋拉索mr模糊半主動控制研究

1、30斜拉橋拉索MR模糊半主動控制研究陳水生1張戩2黃曉東3（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院南昌330013）（2.江西省新余市城市建設(shè)局新余338000）（3.華東交通大學(xué)科研處南昌330013）摘要：考慮拉索垂度及抗彎剛度的影響，得出了索阻尼器系統(tǒng)振動偏微分方程，用中心差分法將偏微分方程在空間內(nèi)離散，導(dǎo)出了系統(tǒng)的面內(nèi)振動常微分方程組。提出了使用MR阻尼器(MagoRheologicalDamper)為控制設(shè)備，模糊集為基礎(chǔ)的半主動控制算

2、法，并運用提出的算法對索阻尼器系統(tǒng)進行了振動控制分析。本文方法的優(yōu)勢在于算法自身的魯棒性、處理非線性問題的能力和不需要結(jié)構(gòu)的精確數(shù)學(xué)模型，算法需要的輸入變量少，可以解決實際工程中斜拉索的振動響應(yīng)信息難以測量的困難。模糊算法的輸出直接控制MR阻尼器的輸出電壓，與LQRClipped算法不同，MR阻尼器的輸入電壓可以是零與最大值之間的任意值。本文以實際斜拉橋拉索為例，分析了拉索自由振動、諧荷載及風(fēng)荷載作用下的系統(tǒng)振動控制效果，數(shù)值結(jié)果表明，

3、本文提出的模糊半主動控制算法比MR被動控制效果好，且可以減小需要的控制力，使MR阻尼器的功能得到了更好的發(fā)揮。關(guān)鍵詞：橋梁工程；斜拉索；模糊控制；半主動控制；MR阻尼器0前言1965年，模糊集理論首次由Zedeh[1]提出，1974年，Mamdani[2]使用Zedeh提出的模糊語言表示法和模糊推理規(guī)則成功的在氣輪機的自動操作控制中使用了“IF－Then”規(guī)則，從而引起了廣泛的關(guān)注和研究。由于不需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)計算，大大減小了反饋的時間延

4、滯，在工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中使用模糊控制理論已被廣泛的研究[3]。Teng[4]等使用模糊推理對一個懸臂梁進行了主動控制，Battaini[5]等對一個28個自由度的Benchmark結(jié)構(gòu)使用了模糊控制，Li[6]等對一個單自由度系統(tǒng)分析了自適應(yīng)模糊控制算法的可行性，F(xiàn)aravell[7]等使用自適應(yīng)網(wǎng)格模糊控制對一個兩自由度系統(tǒng)地震響應(yīng)進行了控制，驗證了模糊控制算法的有效性。本文的目的在于提出更適合斜拉橋拉索振動控制使用的MR半主動控制算法，

5、由于LQRClipped算法[8]是據(jù)于最優(yōu)控制理論而提出的，它的使用需要知道系統(tǒng)狀態(tài)的所有振動信息，這在實際工程中是很難實現(xiàn)的，而且，MR的輸入電壓只能取零或者最大值。為此，本文使用模糊控制基本理論，只使用系統(tǒng)的很少信息，MR阻尼器的輸入電壓直接由模糊控制器調(diào)節(jié)，可以是允許的任意值。使用提出的算法對某一實際斜拉索的自由振動、諧荷載作用及風(fēng)荷載作用的振動控制效果進行了分析，并比較了收稿日期：20040720各種算法的控制效果。1斜拉索阻

6、尼器系統(tǒng)振動方程如圖1所示，定義X—Y平面的振動為面內(nèi)振動，不計索的軸向振動，由牛頓定律并考慮索的垂度及抗彎剛度，可以得出索—阻尼器系統(tǒng)的面內(nèi)振動方程：圖1索—阻尼器系統(tǒng)振動模型（左）及中心差分離散格式（右）(1)??)(122222244txfFtvctvmdxydhxvhHxvEIydy??????????????????為索的單位長度質(zhì)量，分別為單位長索m1c的面內(nèi)阻尼系數(shù)，為索的自重在Y方向產(chǎn)生的垂y度曲線，為阻尼器在Y方向作用

7、的控制力，dyF為Y方向作用的外荷載，為索的截面抗彎yfEI剛度，、分別為X方向靜、動張拉力，在整Hh個L范圍內(nèi)近似為常數(shù)。由幾何關(guān)系可知，可表示為：dyF012i1ii1n1n?30間，具有比被動控制更好的效果；同時，表2描述了各種控制算法的一階模態(tài)阻尼比及各種控制所需要的最大控制力，表明，對長索，模糊控制的阻尼比是LQR半主動控制的75％，比最大被動控制大約40%，應(yīng)該特別注意的是，模糊控制索需要的最大控制力均比LQR半主動控制和最

8、大被動控制小，對短索仍然有近似的結(jié)果。圖3表示了模糊控制時MR阻尼器輸入電壓變化曲線。表3一階自由振動，各種算法控制效果表控制方法被動(Off)被動(On)半主動(LQR)模糊控制阻尼比（％）0.340.611.130.85長索控制力（kN）35.087.693.868.0短索阻尼比（％）0.230.831.231.02控制力（kN）69.7174173148為進一步檢驗本文算法的控制效果，計算了短索在沿索長均勻分布的簡諧荷載作用下，系

9、統(tǒng)的振動效果。激勵荷載表示為：（12）)2sin()(0tFtf?????其中，為激勵幅值，是激勵頻率，為振動時0F?t間，在本節(jié)的計算中，，kNF8.00?Hz94.0??，總的計算時間為100秒。本節(jié)計算了在沒有控制和MR模糊控制時短索系統(tǒng)的振動響應(yīng)，模糊算法兩個輸入變量論域為：0.23～0.23、4.35～4.35。圖5給出了頻率－功率譜曲線（跨中點的響應(yīng)譜），顯示結(jié)果表明，在沒有阻尼器時，索的振動包括兩種頻率成分，即：索的一階固

10、有振動頻率及外激勵荷載頻率，而在有控制時，索的一階固有振動成分很小，同時，外激勵頻率成分的功率譜密度也一定的減小，這說明了振動控制有很好的效果。為便于比較，圖4同時給出了，在有無控制時索的跨中振動響應(yīng)時間歷程；結(jié)果表明，拉索在較短的時間便進入穩(wěn)態(tài)，并以外激勵頻率振動，而在進入穩(wěn)態(tài)之前（瞬態(tài)），索的振動包含了一定的一階固有頻率成分，這也可以解釋為什么在模糊振動控制時頻率－功率譜圖中有很少的一階固有頻率成分。（a）（b）圖2長索一階自由振動