主动质量阻尼器(AMD)概要

基于H∞理论的压电陶瓷结构主动控制研究摘要：在一单层钢框架结构两侧分别粘贴两片压电陶瓷片，其中一片用作驱动器来控制结构的振动，另一片作传感器来测量结构的响应信息。

利用系统识别方法，建立了框架结构的数学模型，并基于h∞理论设计了相应的主动控制算法。

实验结果表明，用压电陶瓷片作驱动器能够有效减小结构的振动，从而验证了压电陶瓷片用作结构主动控制的可行性和h∞控制算法的有效性。

关键词：压电陶瓷系统识别主动控制 h∞理论1.简介位于地震区或强风区的建筑结构，在使用期间可能会在外部动力荷载作用下产生振动，这种振动的强度从无害到严重不等，如果振动的强度过高，可能会导致结构破坏。

工程师们还不能设计出在地震或强风作用下绝对安全的建筑结构，而结构控制的在减小结构振动方面是比较有发展前景的。

结构控制装置是指安装在结构上，为减小地震或风等外部荷载作用下结构振动的机构。

结构控制的目的是增强结构的安全性和建筑内人员的舒适度。

根据控制装置的类型，结构控制通常分为被动控制，主动控制及半主动控制。

主动控制系统能够适应外部不同的荷载条件并可控制结构的多模态振动（housner et al. 1997）。

最常用的主动控制装置是主动质量阻尼器（active mass dampers，amd），它是通过在被动调谐质量阻尼器（tuned liquid dampers，tmd）中加入一个主动控制作动器而形成的控制系统。

1989年，日本东京的kyobashi seiwa大厦成为世界上第一个实现主动控制的建筑结构(kobori et al. 1991)。

20世纪80年代初，一些学者采用压电陶瓷元件进行了柱状天线模型的控制，开创了运用压电陶瓷材料进行振动控制的先河。

压电陶瓷是一种能够利用压电效应将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，它具有响应速度快、频响范围宽的特点，其正逆电效应特性使得其既可以作为传感元件也可作为驱动元件，并且可以加工的很薄从而适合安装于结构表面或者埋在机构中。

高层建筑的风振控制研究摘要：高层建筑在风振作用下可能产生显著的振动，引起居住者或使用人员的不舒适感，降低生活质量或生产效率，因此结构抗风设计还必须满足舒适度的要求。

文中分析了高层建筑的外部风环境、内部风环，以及风振控制中的被动控制、主动控制和混合控制系统，这一研究对于高层建筑安全设计具有一定意义。

关键词：风振控制；建筑风环境；控制系统0 引言高层建筑和高耸结构正向着日益增高和高强轻质的方向发展，使得结构的刚度和阻尼不断下降，直接影响了高层建筑和高耸结构的正常使用。

建筑在风振作用下可能产生显著的振动，引起居住者或使用人员的不舒适感，降低生活质量或生产效率，因此结构抗风设计还必须满足舒适度的要求。

本文基于人员不舒适感分析了高层建筑风振控制，这一研究对于高层建筑安全设计具有一定意义。

1 高层建筑的风环境1.1 外部风环境根据高层建筑物的外形，相互布局情况及风的相对方向，有可能测得的建筑物外部环境的不舒适参数Ψ值，在风振舒适感控制中都是基于下述效应为基础。

（1）压力连通效应：当风垂直吹向错开排列的高层建筑物时，若建筑物间的距离小于建筑物的高度，则有部分压力较高的风流向背面压力较低的区域，形成街道风，在街道上形成不舒适区域。

（2）间隙效应：如图2所示，当风吹过突然变窄的剖面时（如底层拱廊），在该处形成不舒适区域。

图2 间隙效应（3）拐角效应：如图3所示，当风垂直吹向建筑物时，在拐角处由于迎面风的正压与背面风的负压连通形成一个不舒适的拐角区域；有时，当两幢并排建筑物的间距L≤2d（d为建筑物沿风向的长度）时，两幢间也形成不舒适区域。

图3 拐角效应（4）尾流效应：如图4所示，在高层建筑物尾流区里，自气流分离点的下游处，形成不舒适的涡流区。

图4 尾流效应（5）下洗涡流效应：如图5所示，当风吹向高层建筑物时，自驻点向下冲向地面形成涡流。

图5下洗涡流效应2.2内部风环境高层建筑的内部风环境是指，由于风荷载的作用，高层建筑受到脉动风影响而发生振动现象，这种振动会给生活或者工作在高层建筑内部人带来不舒适感，对高层建筑物的正常使用造成影响。

结构振动控制技术的原理和应用摘要：结构的振动控制是一个应用领域相当广泛的问题，不仅产生振动的根源的种类繁多，而且消除和降低振动的方法也很多，所谓的结构振动控制是指通过某种方法使结构的动力响应控制在工程所容许的范围内，不至对结构和设备造成损害，对人造成不适。

关键词：结构振动；控制技术；原理；应用1被动控制所谓的被动控制，它是指的一种无需借助任何外来能源，只要在结构的某部位添加一个子系统，或者是通过对于结构之中的某些构件的结构体系进行适当的处理，从而使得整个结构体系的动力特性发生改变。

如果采用被动控制的方式，其主要的优势就在于构造较为简单，而且其造价也相对低廉，在使用的过程中，保养和维护都十分的容易，应用该方式不需要其它的能源支持，所以在实际的建筑工程中这种方式已经开始得到运用。

被动控制又可以分成隔震、吸振和耗能三种控制形式。

1.1基础隔震所谓的基础隔震，就是指的通在上部结构和基础之间设置专门的隔震消能装置，使得地震能量在向上传输的过程中能够被吸收，有效地减轻上部结构的振动。

基础隔震能够降低结构的振动频率，但只能对高频地震波产生效果，因此不适用于高层建筑，主要被应用在短周期的中低层建筑与刚性结构上。

1.2吸振隔震而吸收隔震则是指的在主体结构之上附加一个吸振器子系统，通过这个子系统来对于振动的能量进行吸收，从而有效地减少主结构的振动。

就吸振器而言，它自身也是一个小型的振动系统，其主要是由质量系和弹簧系所构成的，其质量系能够产生惯性力，而这一惯性力可以作为控制力，然后再利用弹簧系使得这一个控制力作用到主结构之上。

一般情况下，吸振器都是配合粘滞阻尼器共同进行使用的。

其中，被动协调质量阻尼器（TMD）、摆式质量阻尼器等是质量系为固体的阻尼器，其中的TMD已经被广泛应用在高层建筑和桥梁上。

而摆式质量阻尼器则主要是用来对于高层建筑的振动加以控制，一般摆式质量阻尼器可以分为摆锤式、环状式以及倒置式集中类型。

当然，除了固体质量系的阻尼器之外，液体质量系的阻尼器也非常常见，比如说调谐液体阻尼器（TLD）、液压阻尼系统（HDS）、油阻尼器、质量泵等。

土木工程结构减震控制方法摘要：近几年来，结构振动控制的理论和技术日益引人注目，特别是在土木工程的结构设计中，一种以减震为手段的设计已在国内外一些地震多发地区得到了应用，本文分析了土木工程结构减震的控制方法。

关键词：土木结构；减震；控制方法 一、结构减震控制的概念及分类应用结构控制系统是解决结构工程安全性问题的一个可替代的方法，从而为结构控制理论在土木工程中的应用指出了光明的前景。

结构控制的概念可以简单表述为：通过对结构施加控制机构，由控制机构与结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结构的振动反应，使其在外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围内。

结构减震控制根据是否需要外部能源输入可分为被动控制、主动控制和混合控制。

被动控制是指不需要能源输入提供控制力，控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息的控制方法。

文中所讨论的基础隔震、耗能减震等均为被动控制。

 二、土木工程结构减震的控制方法1、被动控制结构被动控制是指控制装置不需要外部能源输入的控制方式。

其特点是采用隔震、耗能减震和吸能减振等技术消耗振动能量,以达到减小结构振动反应的目的。

被动控制的优点是构造简单、造价低、易于维护,并且不需要外部能源支持等。

目前,被广泛采用的被动控制装置有:1.1基础隔震体系。

基础隔振是在上部结构与基础之间设置某种隔振消能装置,以减小地震能量向上部的传输,从而达到减小上部结构振动的目的。

基础隔振能显著降低结构的自振频率,适用于短周期的中低层建筑和刚性结构。

由于隔振仅对高频地震波有效,因此对高层建筑不太适用。

1.2耗能减振体系。

常用的耗能元件有耗能支撑和耗能剪力墙等;常用的阻尼器有金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏弹性阻尼器、黏性液体阻尼器等。

1.3调谐减振系统。

常用的调谐减振系统有:调谐质量阻尼器(TMD )、调谐液体阻尼器(TLD)、液压质量振动控制系统(HMS)等。

调谐质量阻尼器是一个小的振动系统,由质量块、弹簧和阻尼器组成。

耗能方案性能来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，以满足结构抗震设防标准，小震不坏，可能无法满足安全性的要求；另一方面，在满足设计要求的情况下，结构构件的尺寸可能需做得很大木工程领域新兴一种新型的抗震方式——结构振动控制，即对结构施加控制机构，由控制机构和结构半主动控制和混合控制。

是由控制装置随结构一起振动变形而被动产生的。

被动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸是由控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。

主动控制系统由传感器、运算器和施力作术。

主动控制有主动拉索系统（ATS）、主动支撑系统（ABS）、主动可变刚度系统（AVSS）、主动质期开始研究主动控制。

目前，主动控制在土木工程中的应用已达30多项，如日本的Takenaka实验控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调置、半主动TMD、半主动力触动器、半主动变刚度装置和半主动变阻尼装置等。

主动控制，或者是同时应用不止一种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装：同时采用AMD和TMD的混合控制系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统以及主动控制和京的清水公司技术研究所。

，但由于建筑结构体形巨大导致所需的外加能源较大，加之控制装置的控制的算法比较复杂，而且存好，容易实现，目前发展最快，应用最广，尤其是其中的基础隔震技术已相当成熟，并得到了一定程主动控制低廉，而且不需要较大的动力源，因此其具有广阔的应用和发展前景；混合控制综合了某几和耗能减震技术。

置控制机构来隔离地震能量向上部结构传输，使结构振动减轻，防止地震破坏。

目前研究开发的基础和混合隔震等。

近年来，越来越多的国家开展了基础隔震技术的研究，因此，隔震技术也得到了飞速：日本94栋，美国21栋，中国46栋，意大利19栋，新西兰16栋，已采用了基础隔震技术。

最近有使结构的振动能量分散，即结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配，从而达到减小主结构振尼器（TLD）；（3）质量泵；（4）液压—质量控制系统（HMS）；（5）空气阻尼器。

目录0．前言 (1)0．1 结构振动控制研究与应用概况 (1)1．结构振动主动控制、半主动控制 (2)2．结构振动控制分类 (3)3．各类控制系统构造及性能 (4)3．1 结构振动主动控制概述 (4)3．1．1 主动控制控制原理 (5)3．1．2 加力方式及加力位置 (7)3．1．3 控制装置 (8)3．2 结构振动半主动控制概述 (8)4．结构振动主动控制、半主动控制算法 (11)4．1 主动控制算法 (12)4．1．2 几种算法的简单介绍 (13)4．2 半主动控制算法 (21)4．3 智能控制算法 (22)5．结构主动、半主动控制系统分析方法及设计方法 (24)5．1 主动控制系统的最优控制力设计与分析 (25)5．1．1 主动控制系统的最优控制力设计 (25)5．1．2 主动最优控制力和受控反应特征分析 (26)5．2 结构主动变阻尼和智能阻尼控制系统的最优控制力设计与分析 (30)5．2．1半主动最优控制力设计 (31)5．2．2系统反应分析 (36)5．3 结构主动变刚度控制系统的最优控制力设计与分析 (37)5．3．1主动变刚度最优控制力设计 (37)5．3．2系统反应分析 (40)6．结构振动主动控制、半主动控制系统的工程应用 (41)6．1 AMD控制系统的工程应用 (41)6．2 结构主动变刚度控制系统的工程应用 (41)6．3 结构主动变阻尼控制系统的工程应用 (42)6．4 其他结构振动控制系统的工程应用 (42)7．研究展望 (43)7．1 结构振动主动控制、半主动控制的研究与发展方向 (43)7．2 结构振动控制的有待研究的问题 (43)8．结语 (43)参考文献 (44)主动控制、半主动控制综述0．前言0．1 结构振动控制研究与应用概况结构振动控制技术与传统的依靠结构自身强度、刚度和延性来抵抗地震作用的做法不同，通过在结构中安装各种控制装置，从而达到减小结构地震反应、保障结构地震安全的目的。

技术改造浅析结构振动控制技术的原理和应用李维赞 谢 永（隔而固（青岛）振动控制有限公司，山东 青岛 266108）摘 要：当前建筑行业在振动控制技术方面还有很多问题有待进一步研究。

过去的抗振结构体系只通过提高结构本身的抗振性能来抵抗。

此方法影响有限，安全性较差。

因此，目前只有地震调整技术才能满足当前建设项目的需要，其发展前景和强大的经济效益日益突出。

关键词：结构振动；控制技术；原理；应用引言：近年来结构振动控制技术的应用日益广泛，结构振动控制技术的应用对象日益增多。

针对这一趋势，本研究介绍了常用的结构振动控制技术的原理，并对其优缺点进行了全面的说明；并简要介绍了相关应用。

1振动控制技术的必要性在中国，随着城市化进程的逐步加快，振动控制技术在建筑业中发挥着越来越大的作用。

第一，在建筑中应用防振技术，不仅可以有效地减少地震、水灾等自然灾害的破坏，还可以大大提高建筑的抗外部冲击能力。

第二，在建筑中应用防振控制技术可以有效地分配地震产生的能量。

近年来，国际建筑专家对这类结构监管的研究备受关注。

借助于结构本身和控制系统来承受荷载，结构处于不良状态，并能在发生大地震时保持球形的霍尔灵，有效地分配了地震带来的能量。

此外，该技术的工作原理和概念非常明确，适用于不同的建筑结构和不同程度的地震强度。

2被动控制2.1隔振技术所谓的减振，是指放置在建筑结构中有效地消耗地震能量的柔性连接，并通过设置这些柔性连接来降低地震能量。

此原则可控制建筑的变形，由于柔性连接可以起到"隔震"、"吸震"的作用，能够最大限度地减少地震产生的能量，保护建筑结构，并确保建筑结构的安全和稳定。

减轻地震对上部结构造成损坏的目的，而且建筑装修及室内设备也得到有效保护。

结构最常用的隔振技术是使用隔振支座来延长结构的自然振动周期，并避免土体的运动高峰时间，从而降低结构的地面运动能量。

此隔振方法减小了结构在地震荷载作用下的响应也存在一定的不足，仅适用于4层中低的剪力墙结构。

第 36 卷第 6 期2023 年12 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol. 36 No. 6Dec. 2023层间弯剪偏心结构精准模型快速建立方法及多维减震应用何浩祥，孙澔鼎，程扬（北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点试验室，北京 100124）摘要: 传统层间剪切模型与建筑结构真实受力状态不符，不能精准反映实际多维偏心结构的动力响应，工程可行性较低。

目前的弯剪型简化模型建立方法计算效率偏低且无法直接指导三维偏心结构的建模。

针对上述不足，根据结构力学中柔度法的基本原理提出一种精准的快速建立层间弯剪模型的方法。

在此基础上，考虑结构的偏心对结构动力响应的影响，建立三维弯剪偏心模型，并通过多维时程分析对比验证在双向及扭转地震波下该简化模型的动力响应相较于有限元模型的差异性。

结果表明，基于柔度法建立的三维弯剪偏心简化模型具有建模精度高和计算效率高的优点，并可以准确反映真实结构在多维地震作用下的动力响应。

在考虑实际偏心后优化布置调谐阻尼器可充分发挥减震性能。

关键词: 有限元模型；柔度法；弯剪模型；动力分析；扭转；减震控制中图分类号: TU311.4； TU973.2+3 文献标志码: A 文章编号: 1004-4523（2023）06-1590-12DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2023.06.014引言随着地震工程学的深化和拓展，结构抗震理论经历了静力法、反应谱法、静力弹塑性分析法及非线性时程分析方法等发展阶段，相应的结构动力学模型也逐步从单自由度结构发展到等效多自由度结构和精细化复杂体系等层次［1‑4］。

在此发展过程中，有限元建模和分析技术发挥了关键的引导和推动作用。

虽然利用有限元技术可以较真实地模拟结构在地震作用等激励下的动力响应，但也存在建模过程繁琐、计算效率偏低及通用性差等问题。

更重要的是，复杂有限元模型的刚度和质量等物理参数通常是庞杂且难以直接提取的，这导致其在结构主动控制和智能优化等研究方向应用时存在公开性和灵活性较差且计算效率低等局限。

土木工程中的智能感知与自适应控制技术研究在当今科技飞速发展的时代，土木工程领域也迎来了一系列的创新与变革。

其中，智能感知与自适应控制技术的出现，为土木工程的设计、施工和运维带来了全新的思路和方法。

这些技术的应用不仅提高了工程的安全性和可靠性，还优化了资源利用，降低了成本，对土木工程的可持续发展具有重要意义。

智能感知技术是获取土木工程结构和系统状态信息的关键手段。

通过在结构中嵌入各种传感器，如应变传感器、位移传感器、加速度传感器等，可以实时监测结构的受力、变形和振动等情况。

这些传感器能够将采集到的物理量转化为电信号，并通过数据传输系统发送到中央处理单元进行分析和处理。

与传统的监测方法相比，智能感知技术具有更高的精度、更快的响应速度和更强的抗干扰能力。

例如，在大型桥梁的监测中，智能感知技术可以精确地测量桥梁在车辆荷载和自然环境作用下的变形和应力分布。

通过对这些数据的分析，可以及时发现桥梁结构的潜在问题，如裂缝的产生、支座的位移等，并采取相应的维护措施，保障桥梁的安全运营。

在高层建筑的监测中，智能感知技术可以实时监测建筑物在风荷载和地震作用下的振动响应，为结构的抗震设计和抗风设计提供重要的依据。

自适应控制技术则是根据智能感知系统获取的信息，对土木工程结构和系统进行主动调节和控制，以达到预定的性能目标。

自适应控制技术的核心是控制器的设计，控制器能够根据输入的监测数据和预设的控制策略，计算出所需的控制动作，并通过执行机构施加到结构上。

在土木工程中，自适应控制技术的应用主要包括结构振动控制和形状自适应控制等方面。

结构振动控制是通过施加控制力来减小结构在地震、风等动力荷载作用下的振动响应。

常见的振动控制装置有调谐质量阻尼器（TMD）、主动质量阻尼器（AMD）和磁流变阻尼器（MRD）等。

这些装置可以根据结构的振动状态自动调整阻尼力或控制力的大小和方向，有效地降低结构的振动幅度，提高结构的舒适度和安全性。

形状自适应控制则是通过改变结构的形状或几何参数，来适应不同的荷载条件和使用要求。

结构振动控制的概念及分类-----------------------作者：-----------------------日期：耗能方案耗能减震技术的研究、应用与发展一、结构振动控制的概念及分类传统的抗震设计是通过增强结构本身的抗震性能来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，以满足结构抗震设防标准，小震不坏，中震可修，大震不倒。

而这种抗震方式缺乏自我调节能力，在不确定的地震作用下，很可能无法满足安全性的要求；另一方面，在满足设计要求的情况下，结构构件的尺寸可能需做得很大，这样既给建筑布置带来一定的困难，在经济上又要增加相当多的投资。

近年来，在土木工程领域新兴一种新型的抗震方式——结构振动控制，即对结构施加控制机构，由控制机构和结构共同承受地震作用，以调谐和减轻结构的地震反应。

结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。

被动控制——无外加能源的控制，其控制力是由控制装置随结构一起振动变形而被动产生的。

被动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸能减震技术。

主动控制——有外加能源的控制，其控制力是由控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。

主动控制系统由传感器、运算器和施力作动器三部分组成。

主动控制是将现代控制理论和自动控制技术应用于结构抗震的高新技术。

主动控制有主动拉索系统（ATS）、主动支撑系统（ABS）、主动可变刚度系统（AVSS）、主动质量阻尼系统（AMD）等。

主动控制研究较多的国家是美国、日本和中国，我国自80年代末期开始研究主动控制。

目前，主动控制在土木工程中的应用已达30多项，如日本的Takenaka实验大楼和Kankyu Chayamechi大楼。

半主动控制——有少量外加能源的控制，其控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调整自身的参数，从而起到调节控制力的作用。

现有的半主动控制技术包括：半主动隔震装置、半主动T MD、半主动力触动器、半主动变刚度装置和半主动变阻尼装置等。

第24卷第6期2004年12月地 震 工 程 与 工 程 振 动EARTHOUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATIONVoi.24，No.6Dec.2004收稿日期：2004-04-22； 修订日期：2004-05-18基金项目：国家高技术发展计划项目（“八六三”计划）（2001AA602015）；国家自然科学基金项目（50338020） 作者简介：吴斌（1970-），男，教授，博士，主要从事结构振动控制和结构动力试验技术研究.文章编号：1000-1301（2004）06-0154-06结构参数非匹配不确定性问题的滑动模态控制吴 斌，王倩颖，欧进萍（哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150090）摘要：本文针对结构参数非匹配不确定性问题，采用简化滑动模态控制方法，即在滑动面的设计中忽略非匹配不确定性的影响，对一个顶层放置AMD 系统的五层弹塑性建筑结构进行了主动控制数值分析，考虑了结构层屈服位移的不确定性。

数值模拟结果表明，简化方法具有很强的鲁棒性，结构参数相对于期望值的变化幅度为-40%至40%时，简化方法均有很好的控制效果。

关键词：滑动模态控制；非匹配不确定性；AMD 控制；建筑结构中图分类号：P315.966文献标识码：ASliding mode control of structural Vibration with unmatched uncertaintiesWu Bin ，Wang Oianying ，Ou Jinping（Schooi of Civii Engineering ，Harbin Institute of Technoiogy ，Harbin 150090，China ）Abstract ：A simpiified siiding mode controi aigorithm is introduced to controi the vibration of structures with para-metric unmatched uncertainty.The aigorithm is appiied to controi the vibration of a 5-story structure with active tuned mass damper （AMD ）induced by earthguake.The controiier is designed by the open-ciosed-ioop method.The uncertainty （yieiding dispiacement ）of structurai story is considered.The resuits of numericai anaiysis show the strong robustness of the simpiified SMC aigorithm.The structurai responses are effectiveiy controiied when the variety of structurai parameters ranges from -40%to 40%corresponding mean vaiues.Key words ：siiding mode controi ；unmatched uncertainty ；AMD controi ；civii engineering structure引言在控制理论中不确定性可以分为2类：如果不确定性的部位被控制输入覆盖，这种不确定性称为匹配不确定性；如果不确定性的部位不能完全被控制输入覆盖，这种不确定性可称为非匹配不确定性［1］。