磁流变阻尼器智能基础隔震系统的模糊控制*

邓 林

(黄山学院建筑工程学院，安徽黄山245041)

基础隔震结构通过在基础和上部结构之间设置刚度较小的隔震层，使结构自振周期延长，变形集中在隔震层位置，从而减小上部结构的地震反应［1］。因为结构的变形集中在隔震层位置，为了增加结构的阻尼，通常需要在隔震层位置布置一定的阻尼装置，本研究将一种新型的智能控制装置磁流变(MR)阻尼器和基础隔震技术相结合，利用MR阻尼器可变阻尼的特点，改善了基础隔震结构的性能。

1 系统组成

MR阻尼器是一种新型半主动控制装置，通过改变控制电流或电压，可以产生连续可变的阻尼力，且具有出力大，能耗低的特点［2］。根据MR阻尼器的这一特点，将MR阻尼器布置在隔震层位置，系统组成如图1所示。系统的运动方程为

其中

M、C、K分别为结构的质量、阻尼和刚度矩阵，Γ为阻尼器的位置矩阵。令状态变量，则上述运动方程可以写成状态方程形式为

其中

图1 MR阻尼器基础隔震系统组成

图2 Bouc-Wen模型

2 MR阻尼器控制算法

MR阻尼器的力学性能受外加磁场、位移幅值和激励频率等因素影响，其动态阻尼力呈现强非线性关系。为模拟MR阻尼器的力学行为，必须建立精确的力学模型，本文采用修正的Bouc-Wen模型［3］，该模型由一个Bouc-Wen单元和一个线性阻尼单元并联组成，如图2所示，其阻尼力可以表示为

其中滞变位移z由下式决定

系统的控制效果很大程度上取决于阻尼器的控制算法，即如何根据结构反应的大小来改变控制电流或电压，从而产生所需的阻尼力。由于MR阻尼器强非线性的特点，传统的优化控制算法难以应用于MR阻尼器控制系统。模糊控制技术是模糊逻辑和控制技术相结合的产物，它不需要建立被控系统的数学模型，根据实际系统输入输出的数据，参考专家知识，就可以对系统进行实时控制，具有设计简单、易于实现、控制效果好等优点。针对地震作用的特点，所设计的模糊控制器输入为隔震层位移和速度，输出为MR阻尼器的控制电流，隶属函数选用三角形隶属函数，隶属函数的形状如图3～图5所示。参考有关文献［4－5］，所制定的模糊控制规则见表1，解模糊方法采用重心法，得到的模糊推理曲面见图6.

图3 速度输入隶属函数

图4 位移输入隶属函数

图5 输出电压隶属函数

图6 模糊输出曲面

表1 模糊控制规则

3 仿真分析

为验证MR阻尼器控制系统的减震控制效果，对1个三层隔震结构［6］进行了仿真分析，分析比较了3种不同的控制方案，分别为被动—开、被动—关及模糊控制。对结构输入EI－Centro波，进行地震响应时程分析，得到各层的层间位移和加速度峰值见表2。

表2 层间位移和加速度响应峰值

观察表中数据，可以发现模糊控制方案的减震效果明显好于被动开和被动关方案。模糊控制方案的隔震层位移和加速度反应略大于两种被动控制方案，但上部结构的位移和加速度都明显小于被动方案，采用模糊控制器能够更充分的发挥MR阻尼器可调阻尼的优势。

4 结论

MR阻尼器是一种具有可调阻尼的智能控制装置，本研究将MR阻尼器应用于基础隔震结构，并设计了符合MR阻尼器特点的模糊控制器，通过研究，可以得以下结论:

(1)在基础隔震结构中设置MR阻尼器可以减小上部结构的地震反应，提高基础隔震的减震效果。

(2)通过模糊控制技术，可以充分发挥MR阻尼器可调阻尼的特点，仿真分析结果表明，模糊控制系统的控制效果明显优于被动控制系统。

(3)模糊控制器的控制效果依赖于隶属函数和模糊控制规则，如何针对不同结构系统来设计和优化模糊控制器有待进一步研究。

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

［2］ 李忠献，周云.磁流变阻尼器的构造设计及其阻尼力性能的试验研究［J］.地震工程与工程振动，2003，23(1):128－132.

［3］ Jansen L M，Dyke S J.Semiactive control strategies for MR dampers:comparative study［J］.Journal of Engineering Mechanics，2000，126(8):795 －803.

［4］ 杨润林.结构模糊振动控制的研究［D］.北京:中国建筑科学研究院，2002.

［5］ 王刚，欧进萍.结构振动的模糊建模与模糊控制规则提取［J］.地震工程与工程振动，2001，21(2):130－135.

［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.