自感知自供能磁流變阻尼器及其控制系統(tǒng)研究.pdf

1、磁流變阻尼器因具有能耗低、出力大、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，已成為結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制新一代的高性能減振裝置。目前，磁流變阻尼器在理論與試驗(yàn)研究方面都取得了很大的進(jìn)展，但磁流變控制系統(tǒng)需要配置供電電源、傳感器及控制器等設(shè)備方可工作，這導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)可靠性降低，在一定程度上限制了磁流變減振技術(shù)的工程應(yīng)用。為了解決附加設(shè)備引入的問題，本文采用光電傳感器以實(shí)現(xiàn)磁流變阻尼器的自感知，采用壓電集能結(jié)構(gòu)或磁電集能結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)自供能，并對(duì)其相關(guān)技術(shù)展開研究，具體的研究工作如

2、下：
　　(1)考慮到磁電式速度自感知結(jié)構(gòu)存在漏磁、體積大、不易集成和高速下線性度差等問題，基于光電鼠標(biāo)的工作原理，設(shè)計(jì)制備了能耗低、體積小、易集成的光電傳感器，以實(shí)現(xiàn)阻尼器活塞桿速度的非接觸性測(cè)量。采用了平均速度代替瞬時(shí)速度的測(cè)量方法，并理論分析了該方法導(dǎo)致的速度測(cè)量相對(duì)誤差。通過樣機(jī)制備和性能測(cè)試，驗(yàn)證了光電速度自感知單元的有效性。將自感知單元與阻尼器進(jìn)行集成，搭建速度自感知磁流變控制系統(tǒng)，并測(cè)試分析了系統(tǒng)在速度自反饋控制策略

3、下阻尼力的輸出特性，結(jié)果表明，自感知阻尼器實(shí)際輸出阻尼力基本上可以跟蹤實(shí)現(xiàn)理論阻尼力，但在相位上略滯后于理論阻尼力。
　　(2)鑒于磁流變阻尼器僅需數(shù)瓦級(jí)的電能即可實(shí)現(xiàn)阻尼力的大幅度調(diào)節(jié)，將新能源壓電技術(shù)和磁流變控制技術(shù)相結(jié)合，提出了一種壓電自供能磁流變控制系統(tǒng)。基于簡(jiǎn)單Bang-Bang控制策略的改進(jìn)，提出了壓電自供能系統(tǒng)的控制策略。以變形協(xié)調(diào)和能量需求為準(zhǔn)則，提出了壓電集能裝置的設(shè)計(jì)方法。以濱州黃河大橋上的N26號(hào)原型索減振系

4、統(tǒng)和1個(gè)五層建筑隔震系統(tǒng)為例，通過設(shè)計(jì)與仿真，驗(yàn)證了壓電自供能控制系統(tǒng)的可行性與有效性。
　　(3)低頻高幅值荷載激勵(lì)條件下，對(duì)30層、50層和80層等三個(gè)層數(shù)不同的壓電堆（截面積為32×32mm2），在開路和外接電阻兩種狀態(tài)下進(jìn)行了測(cè)試，開展了壓電電壓系數(shù)和功率輸出特性隨預(yù)壓應(yīng)力、激勵(lì)頻率和壓應(yīng)力幅值等影響因素的變化規(guī)律研究。壓電堆集能裝置在預(yù)壓應(yīng)力上存在一個(gè)極限值，高于該極限值壓電裝置集能功率將大幅度降低。以最大出力為1t的磁

5、流變阻尼器能量需求為設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行了功率和阻抗匹配可行性分析,發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)阻尼器的功率需求，但阻抗匹配仍存在問題。
　　(4)鑒于已有磁電式自供能磁流變阻尼器的不足，基于滾珠絲杠與旋轉(zhuǎn)式永磁直流發(fā)電機(jī)，提出了一種集成化程度高的新型磁電自供能磁流變阻尼器?？紤]渦流效應(yīng)和材料磁滯特性對(duì)磁化電流的影響，對(duì)該類阻尼器進(jìn)行了理論分析，建立了其力學(xué)模型。通過對(duì)最大出力為10kN的原型機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試與分析，研究了所提阻尼器的電學(xué)

6、和力學(xué)特性隨外激勵(lì)的變化規(guī)律，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)所建立的理論模型進(jìn)行了參數(shù)識(shí)別和修正。
　　(5)基于磁電式自供能磁流變阻尼器，構(gòu)建了新型的自供能磁流變控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)采用的被動(dòng)自適應(yīng)控制策略與已有被動(dòng)控制策略和半主動(dòng)控制策略進(jìn)行了對(duì)比分析。以最大控制力相等準(zhǔn)則、最大功率需求準(zhǔn)則和控制指標(biāo)最優(yōu)化準(zhǔn)則，提出了系統(tǒng)中阻尼器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。對(duì)一個(gè)5層建筑隔震模型進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性，根據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析，并通過不同控