[发明专利]一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置、方法及应用

说明书

本发明提供一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置、方法及应用。该装置包括：并联于簧上元件与簧下元件之间的负刚度元件和可变阻尼元件，用于测量簧上元件振动并传递振动信息的传感器一，用于测量簧下元件或基底振动并传递振动信息的传感器二，以及控制器；所述控制器接收传感器一和传感器二的振动信息，依据结构自身属性参数和控制算法调节负刚度元件的刚度系数与可变阻尼元件的阻尼系数，使负刚度元件与可变阻尼元件的合力实现理论最优控制力。本发明利用负刚度解决半主动控制无法提供方向与振动速度方向相同的控制力的问题，从而完整的执行控制算法出所计算出的理论最优控制力，获得与主动控制一样的振动控制效果。

技术领域

本发明涉及振动控制领域，具体地说是一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置、方法及应用。

背景技术

动态荷载可以造成很多危害，小至降低车辆的舒适度，大至地震造成的结构损坏坍塌。为保护主体结构降低动态荷载所引起的振动，各类振动控制技术应运而生。振动控制技术可以大致分为被动、半主动和主动三大模式。

被动控制不需要传感器和电源，但其控制力仅由结构自身响应决定，结构动能通过阻尼力耗散。常见的被动控制装置包括粘滞阻尼器、摩擦阻尼器、电涡流阻尼器、调谐质量阻尼器等。在保护主体结构时，被动控制通常仅针对某一种特定荷载进行设计，面临多种荷载时，其振动控制效果无法同时达到最优，例如，针对强地震设计的阻尼器，其性能在中震和低震情况下会降低。

主动控制需要传感器收集信息，控制器依据传感器测量信息和控制算法计算最优控制力，执行器施加控制力。相比于被动阻尼器，主动控制技术理论上可以取得更好的振动控制效果。然而，主动控制的控制力需要外部供给能量产生，所以耗能高，且在故障时可能会影响系统的稳定性，同时主动控制的可靠性及鲁棒性较低，所以在振动控制领域仍未被广泛采用。

半主动控制可以被认为是可控的被动装置。与主动控制相比，半主动控制不会给系统输入能量，因此，其能量需求要远远低于主动控制。常见的半主动控制装置包括可变孔阻尼器，变摩擦阻尼器电流变(ER)液体及磁流变(MR)液体阻尼器等。由于半主动控制只能提供方向与振动速度方向相反的阻尼力，无法提供方向与振动速度方向相同的控制力，所以无法完整的执行控制算法出所计算出的理论最优控制力，所以其振动控制效果不如主动控制。

发明内容

本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置、方法及应用，通过调节负刚度元件与可变阻尼元件，该方法可以获得与主动控制相同的振动控制效果，且与主动控制相比，具有成本低、可靠性高、耗能低等优点。

本发明的理论依据如下：

过往研究中发现，线性二次调节器(LQR)算法作为一种普遍采用的最优控制理论，可以产生一种具有显著负刚度特性的控制力-变形关系。受这一结论激发，本发明基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置，将负刚度与半主动控制结合在一起，利用负刚度解决半主动控制无法提供方向与振动速度方向相同的阻尼力的问题，从而完整的执行控制算法所计算出的理论最优控制力，获得与主动控制一样的振动控制效果，但与主动控制相比，又具有可靠性高，成本低、耗能小，不会影响系统稳定性的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、本发明提供一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置，包括：

并联于簧上元件与簧下元件之间的负刚度元件和可变阻尼元件，

用于测量簧上元件振动并传递振动信息的传感器一，

用于测量簧下元件或基底振动并传递振动信息的传感器二，

以及控制器；

所述控制器接收传感器一和传感器二的振动信息，依据结构自身属性参数和控制算法调节负刚度元件的刚度系数与可变阻尼元件的阻尼系数，使负刚度元件与可变阻尼元件的合力实现理论最优控制力。