磁流變阻尼器智能基礎隔震系統的模糊控制*

鄧 林

(黃山學院建筑工程學院，安徽黃山245041)

基礎隔震結構通過在基礎和上部結構之間設置剛度較小的隔震層，使結構自振周期延長，變形集中在隔震層位置，從而減小上部結構的地震反應［1］。因為結構的變形集中在隔震層位置，為了增加結構的阻尼，通常需要在隔震層位置布置一定的阻尼裝置，本研究將一種新型的智能控制裝置磁流變(MR)阻尼器和基礎隔震技術相結合，利用MR阻尼器可變阻尼的特點，改善了基礎隔震結構的性能。

1 系統組成

MR阻尼器是一種新型半主動控制裝置，通過改變控制電流或電壓，可以產生連續可變的阻尼力，且具有出力大，能耗低的特點［2］。根據MR阻尼器的這一特點，將MR阻尼器布置在隔震層位置，系統組成如圖1所示。系統的運動方程為

其中

M、C、K分別為結構的質量、阻尼和剛度矩陣，Γ為阻尼器的位置矩陣。令狀態變量，則上述運動方程可以寫成狀態方程形式為

其中

圖1 MR阻尼器基礎隔震系統組成

圖2 Bouc-Wen模型

2 MR阻尼器控制算法

MR阻尼器的力學性能受外加磁場、位移幅值和激勵頻率等因素影響，其動態阻尼力呈現強非線性關系。為模擬MR阻尼器的力學行為，必須建立精確的力學模型，本文采用修正的Bouc-Wen模型［3］，該模型由一個Bouc-Wen單元和一個線性阻尼單元并聯組成，如圖2所示，其阻尼力可以表示為

其中滯變位移z由下式決定

系統的控制效果很大程度上取決于阻尼器的控制算法，即如何根據結構反應的大小來改變控制電流或電壓，從而產生所需的阻尼力。由于MR阻尼器強非線性的特點，傳統的優化控制算法難以應用于MR阻尼器控制系統。模糊控制技術是模糊邏輯和控制技術相結合的產物，它不需要建立被控系統的數學模型，根據實際系統輸入輸出的數據，參考專家知識，就可以對系統進行實時控制，具有設計簡單、易于實現、控制效果好等優點。針對地震作用的特點，所設計的模糊控制器輸入為隔震層位移和速度，輸出為MR阻尼器的控制電流，隸屬函數選用三角形隸屬函數，隸屬函數的形狀如圖3～圖5所示。參考有關文獻［4－5］，所制定的模糊控制規則見表1，解模糊方法采用重心法，得到的模糊推理曲面見圖6.

圖3 速度輸入隸屬函數

圖4 位移輸入隸屬函數

圖5 輸出電壓隸屬函數

圖6 模糊輸出曲面

表1 模糊控制規則

3 仿真分析

為驗證MR阻尼器控制系統的減震控制效果，對1個三層隔震結構［6］進行了仿真分析，分析比較了3種不同的控制方案，分別為被動—開、被動—關及模糊控制。對結構輸入EI－Centro波，進行地震響應時程分析，得到各層的層間位移和加速度峰值見表2。

表2 層間位移和加速度響應峰值

觀察表中數據，可以發現模糊控制方案的減震效果明顯好于被動開和被動關方案。模糊控制方案的隔震層位移和加速度反應略大于兩種被動控制方案，但上部結構的位移和加速度都明顯小于被動方案，采用模糊控制器能夠更充分的發揮MR阻尼器可調阻尼的優勢。

4 結論

MR阻尼器是一種具有可調阻尼的智能控制裝置，本研究將MR阻尼器應用于基礎隔震結構，并設計了符合MR阻尼器特點的模糊控制器，通過研究，可以得以下結論:

(1)在基礎隔震結構中設置MR阻尼器可以減小上部結構的地震反應，提高基礎隔震的減震效果。

(2)通過模糊控制技術，可以充分發揮MR阻尼器可調阻尼的特點，仿真分析結果表明，模糊控制系統的控制效果明顯優于被動控制系統。

(3)模糊控制器的控制效果依賴于隸屬函數和模糊控制規則，如何針對不同結構系統來設計和優化模糊控制器有待進一步研究。

［1］ Kelly JM，Konstantinidis D.Mechanics of rubber bearings for seismic and vibration isolation［M］.John Wiley＆ Sons，Chichester，UK，2011.

［2］ 李忠獻，周云.磁流變阻尼器的構造設計及其阻尼力性能的試驗研究［J］.地震工程與工程振動，2003，23(1):128－132.

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［6］ Wongprasert N，Symans M D.Numerical evaluation of adaptive base－isolated structures subjected to earthquake ground motions［J］.Journal of engineering mechanics，2005，131(2):109 －119.