纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制装置及方法，方法为：采用磁流变阻尼器作为控制装置；使用磁流变阻尼器的spencer模型进行减震的模拟；采用LQR/LQG控制律进行主动控制的设计，采用经典线性最优控制算法LQR求得最优状态反馈增益；结合磁流变阻尼器特和渡槽结构使半主动控制装置近似达到主动最优控制力的效果，设计半主动控制律；采用梁段有限元法计算渡槽结构空间动力；通过试算最优控制力过程，不断的调整权矩阵Q和R的形式和大小，以获得控制效果和控制力综合最优的主动控制力；装置为：槽身、支架、盆式橡胶支座、铅芯橡胶支座、伸缩缝、磁流变阻尼器、墩顶；本发明专利技术的方法和结构简单，动态范围大、耐久性好、阻尼力连续可调。

【技术实现步骤摘要】
纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制装置及方法
本专利技术属于渡槽的减震控制
，尤其涉及一种纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制装置及方法。
技术介绍
目前，南水北调水利工程是为缓解我国华北及西北地区水资源缺乏的现状而兴建的大型水利工程，渡槽结构作为南水北调输水工程中的重要组成部分，是南水北调中线工程上应用较多的主要交叉建筑物之一，而中线工程的输水线路穿越我国地震高烈度区域，线路许多区段的抗震设防烈度达到8度，整个工程输水总干渠共有渡槽49座，累计长度达到5520m，流量达500m3/s，一旦发生地震，全线输水将要中断，且其临近京广、京九等重要铁路干线，可能导致严重的次生灾害，因此输水工程的抗震安全性非常重要。自1972年结构振动控制提出以来，经过近40年来的研究与应用，已经取得了长足的发展，各种控制技术在工程中的应用也越来越广泛。渡槽结构的减震控制目前多集中于被动控制，如利用铅芯橡胶支座进行的隔震等，其具有形式简单，易于实现，造价低廉及无需外部能源支持等优点，但是其控制效果和控制的适用范围有一定的局限。而主动控制方法虽然控制效果好且适应性强，但是系统构造复杂，造价昂贵，所需要的巨大能源在地震中得不到完全的保证，因此，其实用性受到限制，但可作为控制系统设计的理论参考。半主动控制技术则兼具了主动控制和被动控制的优点，既可以达到被动控制的可靠性，又具有主动控制的强适应性，且构造简单，所需能量小，是结构振动控制领域的前沿性研究课题之一，受到国内外研究者的广泛关注。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制装置及方法，旨在解决现有的渡槽控制方法存在的控制效果和控制的适用范围受限、构造复杂、造价昂贵的问题。本专利技术实施例是这样实现的，一种纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制的方法，该纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制的方法包括以下步骤：步骤一，利用加速度计对测点的绝对加速度进行记录，并采用所得数据作为控制系统的反馈数据，测力传感器将配制于每个控制装置上，每个加速度计的敏感性指标取为：Sa＝10V/g＝10V/9.81ms-2，每个力传感器的敏感性指标取为Sf＝10V/1000kN；采用磁流变阻尼器作为控制装置，通过控制磁场使磁流变体在毫秒级内实现自由流动的粘滞流体和半固体之间的可逆变化；步骤二，使用磁流变阻尼器的的spencer模型进行减震的模拟；阻尼力以下式进行计算式中：k1为磁流变阻尼器的蓄能器刚度，k0为高速时的控制刚度，x0为弹簧k1的初始位移，c0为速度较大时的粘滞阻尼系数，c1为粘性元件，用来产生力－速度关系中低速时的衰减，A,β,γ,n为常数，取值由磁流变阻尼器结构特性决定，u为产生相应阻尼力时磁流变阻尼器上的电压值，电压会稍稍滞后于计算期望值uc，需要校正：步骤三，采用LQR/LQG控制律进行主动控制的设计，LQG控制器由最优状态反馈增益和Kalman滤波器两部分组成，采用经典线性最优控制算法LQR求得最优状态反馈增益；步骤四，结合磁流变阻尼器特和渡槽结构使半主动控制装置近似达到主动最优控制力的效果，设计合理的半主动控制律；控制律可以描述为：uc＝U(f)*H{(fc-f)f}其中，U(f)为表征电压与力的连续函数，采用力与相对速度滞回环上部交点对应的力作为表征，以0.1v递增电压进行模拟，得到力与电压的离散关系；步骤五，采用梁段有限元法计算渡槽结构空间动力；步骤六，通过试算最优控制力过程，不断的调整权矩阵Q和R的形式和大小，以获得控制效果和控制力综合最优的主动控制力。进一步，在步骤二中，αa＝46.2kN·m-1，k0＝0.002kN·m-1，αb＝41.2kN·m-1·V，k1＝0.0097kN·m-1，c0a＝110kN·s·m-1，γ＝164m-2，c0b＝114kN·s·m-1·V，β＝164m-2，c1a＝8359kN·s·m-1，A＝1107.2，c1b＝7483kN·s·m-1·V，n＝2，x0＝0.0m，η＝100；以幅值为0.6m/s，周期为2.5s的正弦波作为激励，对模型进行数值模拟。进一步，在步骤三中，经典线性最优控制算法的具体步骤为：首先，在n个自由度的结构上添加r个控制器，则地震动一致输入下的结构半主动控制系统运动方程为：X(t0)＝X0式中，M、C和K分别是结构n×n维的质量、阻尼和刚度矩阵；X(t)、和分别是结构n维的位移、速度和加速度向量；是地震动加速度时程；U(t)是r×1维控制力向量；H0是n×1维地震动加速度位置矩阵；Bs是n×r维半主动控制阻尼器位置矩阵；引入状态向量则结构的运动方程可以表示为状态方程：Z(t0)＝Z0其中，C＝[0I]，Y为观测输出，为绝对加速度以作为反馈，v(t)为测量噪声；定义系统的性能目标函数为其中，Q和R为权矩阵，使性能目标函数取最小值，可以求得反馈增益G＝R-1BTP，是r×2n维状态反馈增益矩阵；P是2n×2n维矩阵，可由Riccati矩阵代数方程求解；由于反馈为绝对加速度，所以需要引入状态估计向量代替状态向量Z，使得对于输出反馈问题保持最优，状态估计向量由Kalman滤波器产生：式中滤波器增益L可表示为L＝P1CTV-1V＝E[v(t)vT(t)]为测量噪声协方差矩阵，E[·]表示数学期望，P1为下式的解AP1+P1AT+N-P1CTV-1CP1＝0式中，N＝E[w(t)wT(t)]为输入噪声协方差矩阵，Kalman滤波器使状态估计误差的渐进协方差达到最小。进一步，在步骤三中，将离散点进行拟合，最后将U(f)表示为：U(f)＝(af+b)*H{af+b}式中，a，b为力与电压的关系参数。进一步，在步骤五中，渡槽结构空间动力计算采用梁段有限元法，根据符拉索夫理论，渡槽在受力变形过程中，横截面的形状始终保持不变，横截面的位移为沿x轴，坐标原点取在形心c的横向位移u、沿y轴的竖向位移v、沿z轴的纵向位移w以及绕扭转中心S的扭转位移φ，若只取3阶对流谐振力等效弹簧—质量系统来研究，则的横向位移分别为ur1、ur3、ur5，每个梁段单元有2个结点，每个结点有10个自由度：ui、ui′、vi、vi′、wi、φi、φi′、ur1i、ur3i、ur5i，由于考虑截面的约束扭转变形，则结点位移应包括扭转角φi沿单元长度的变化率。本专利技术实施例的另一目的在于提供一种纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制装置，该纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制装置包括：槽身、支架、盆式橡胶支座、铅芯橡胶支座、伸缩缝、磁流变阻尼器、墩顶；铅芯橡胶支座设置在墩顶上，铅芯橡胶支座设置在盆式橡胶支座的下方，槽身连接支架，伸缩缝设置在相邻的槽身之间，磁流变阻尼器设置在伸缩缝上。进一步，槽身通过盆式橡胶支座连接支架。进一步，槽身的左端横、竖、纵向及竖、纵向转动自由度约束，右端横、竖向及纵向转动自由度约束。进一步，支架采用H型排架；采用止水材料封堵伸缩缝。进一步，该纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制装置采用磁流变阻尼器，阻尼器的两端分别通过螺栓固定于伸缩缝的两侧的渡槽槽身或采用磁流变阻尼器，两端分别通过铰支座连接在槽身和渡槽支架上两种设置方式。本专利技术提供的纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制装置及方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制的方法，其特征在于，该纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制的方法包括以下步骤：步骤一，利用加速度计对测点的绝对加速度进行记录，并采用所得数据作为控制系统的反馈数据，测力传感器将配制于每个控制装置上，每个加速度计的敏感性指标取为：Sa＝10V/g＝10V/9.81ms‑2，每个力传感器的敏感性指标取为Sf＝10V/1000kN；采用磁流变阻尼器作为控制装置，通过控制磁场使磁流变体在毫秒级内实现自由流动的粘滞流体和半固体之间的可逆变化；步骤二，使用磁流变阻尼器的的spencer模型进行减震的模拟；阻尼力以下式进行计算f=c0x·+αz]]>z·=-γ|x·-y·|z|z|n-1-β(x·-y·)|z|n+A(x·-y·)]]>y·=[αz+c0x·+k0(x-y)]/(c0+c1)]]>式中：k1为磁流变阻尼器的蓄能器刚度，k0为高速时的控制刚度，x0为弹簧k1的初始位移，c0为速度较大时的粘滞阻尼系数，c1为粘性元件，用来产生力－速度关系中低速时的衰减，A,β,γ,n为常数，取值由磁流变阻尼器结构特性决定，α=α(u)=αa+αbuc0=c0(u)=c0a+c0buc1=c1(u)=c1a+clbu]]>u为产生相应阻尼力时磁流变阻尼器上的电压值，电压会滞后于计算期望值uc，需要校正：u·=-η(u-uc);]]>步骤三，采用LQR/LQG控制律进行主动控制的设计，LQG控制器由最优状态反馈增益和Kalman滤波器两部分组成，采用经典线性最优控制算法LQR求得最优状态反馈增益；步骤四，结合磁流变阻尼器特和渡槽结构使半主动控制装置近似达到主动最优控制力的效果，设计半主动控制律；控制律可以描述为：uc＝U(f)*H{(fc‑f)f}其中，U(f)为表征电压与力的连续函数，采用力与相对速度滞回环上部交点对应的力作为表征，以0.1v递增电压进行模拟，得到力与电压的离散关系；步骤五，采用梁段有限元法计算渡槽结构空间动力；步骤六，通过试算最优控制力过程，不断的调整权矩阵Q和R的形式和大小，以获得控制效果和控制力综合最优的主动控制力。...

【技术特征摘要】
1.一种纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制的方法，其特征在于，该纵向地震动输入下大型渡槽减震半主动控制的方法包括以下步骤：步骤一，利用加速度计对测点的绝对加速度进行记录，并采用所得数据作为控制系统的反馈数据，测力传感器将配制于每个控制装置上，每个加速度计的敏感性指标取为：Sa=10V/g=10V/9.81ms-2，每个力传感器的敏感性指标取为Sf=10V/1000kN；采用磁流变阻尼器作为控制装置，通过控制磁场使磁流变体在毫秒级内实现自由流动的粘滞流体和半固体之间的可逆变化；步骤二，使用磁流变阻尼器的spencer模型进行减震的模拟；阻尼力以下式进行计算式中：k0为高速时的控制刚度，c0为速度较大时的粘滞阻尼系数，c1为粘性元件，用来产生力－速度关系中低速时的衰减，A1,β,γ为常数，取值由磁流变阻尼器结构特性决定，为阻尼器的位移随时间变化的函数，为x对时间的一阶导数，，为计算f过程中的随时间改变的中间变量，为对时间的一阶导数，为对时间的一阶导数，是磁流变阻尼器的一个计算参数，具体为阻尼力与电压之间的参数，u为产生相应阻尼力时磁流变阻尼器上的电压值，电压会滞后于计算期望值uc，需要校正：；在步骤二中，αa=46.2kN·m-1，k0=0.002kN·m-1，αb=41.2kN·m-1·V，c0a=110kN·s·m-1，γ=164m-2，c0b=114kN·s·m-1·V，β=164m-2，c1a=8359kN·s·m-1，A1=1107.2，c1b=7483kN·s·m-1·V，η=100；以幅值为0.6m/s，周期为2.5s的正弦波作为激励，对模型进行数值模拟；步骤三，采用LQR/LQG控制律进行主动控制的设计，LQG控制器由最优状态反馈增益和Kalman滤波器两部分组成，采用经典线性最优控制算法LQR求得最优状态反馈增益；在步骤三中，将离散点进行拟合，最后将表示为：式中，a，b为力与电压的关系参数，是赫维赛德阶跃函数，f是磁流变阻尼器提供的阻尼力；步骤四，结合磁流变阻尼器特性和渡槽结构使半主动控制装置近似达到主动最优控制力的效果，设计半主动控制律；控制律可以描述为：其中，U(f)为表征电压与力的连续函数，采用力与...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄亮，王博，徐伟，张威，闵博，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41