一种粘弹性材料温度软化效应的补偿控制方法

摘要

本发明公开了一种粘弹性材料温度软化效应的补偿控制方法，当温度升高导致粘弹性材料耗能性能显著下降时，通过智能控制器增大对阻尼器的电流输入，即增大磁场强度，使得阻尼器内的磁性颗粒在磁场作用下发生磁流变效应，从而迅速提高阻尼器的刚度与阻尼，进而提高阻尼器的耗能性能；反之，当温度降低时，则通过智能控制器减小阻尼器的电流输入，减小磁场强度。本发明能够保证粘弹性阻尼器在工程结构中应用时，能在较大的环境温度范围内为结构提供较为稳定的耗能性能，其电流改变直接，效应速度较快，控制过程较为稳定，不需要过大的外部能量输入，可明显地改善温度软化效应对粘弹性阻尼器在实际工程结构中耗能减震效果的不利影响。

说明书

技术领域

本发明涉及结构工程和自动控制技术领域，具体是一种粘弹性材料温度软化效应的补偿控制方法。

背景技术

粘弹性阻尼器能给结构提供刚度和阻尼，其性能可靠、构造简单、耗能能力强，从美国纽约世贸大厦安装上万个粘弹性阻尼器来抵御强风作用到现在，粘弹性阻尼器已经在许多建筑、桥梁和大跨结构中得到运用。不过，粘弹性阻尼器也有其致命的弱点，那就是粘弹性材料是温度敏感材料，随着温度的升高，材料会发生软化效应，由弹性特征逐步向粘性特征转变，材料的储能模量发生几个数量级的急剧下降，损耗因子也下降迅速，这严重降低了粘弹性阻尼器的耗能能力和应用范围。因此，减小粘弹性阻尼器的温度软化效应对耗能减震效果产生的不利影响成为粘弹性阻尼器在大型工程结构振动控制中应用的方法问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制过程稳定、实现简单的粘弹性材料温度软化效应的补偿控制装置及其方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种粘弹性材料温度软化效应的补偿控制方法，当温度升高导致粘弹性材料耗能性能显著下降时，通过智能控制器增大对阻尼器的电流输入，即增大磁场强度，使得阻尼器内的磁性颗粒在磁场作用下发生磁流变效应，从而迅速提高阻尼器的刚度与阻尼，进而提高阻尼器的耗能性能；反之，当温度降低时，则通过智能控制器减小阻尼器的电流输入，减小磁场强度。

作为本发明进一步的方案：所述智能控制器包括单片机控制器、PI调节器、PWM调制电路和功率电路。

作为本发明再进一步的方案：所述智能控制器增大或减小对阻尼器的电流输入时，是 通过补偿控制策略的算法处理确定该温度下对应的阻尼器所需要补偿的电流值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种补偿控制方法来弥补粘弹性材料的温度软化效应，从而减小高温环境下粘弹性材料性能下降对阻尼器减震效果的影响，以保证粘弹性阻尼器在工程结构中应用时，能在较大的环境温度范围内为结构提供较为稳定的耗能性能；本发明中电流改变直接，效应速度较快，控制过程较为稳定，同时不需要过大的外部能量输入，实现起来比较简单，可明显地改善温度软化效应对粘弹性阻尼器在实际工程结构中耗能减震效果的不利影响。

附图说明

图1为本发明的方法实现原理图。

图2为本发明的方法原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-2，一种粘弹性材料温度软化效应的补偿控制方法，是采用粘弹性阻尼器对结构进行被动减震控制时，利用磁流变效应弥补高温环境下粘弹性材料软化效应对耗能减震效果产生不利影响的方法，当温度升高导致粘弹性材料耗能性能显著下降时，通过智能控制器增大对阻尼器的电流输入，即增大磁场强度，使得阻尼器内的磁性颗粒在磁场作用下发生磁流变效应，从而迅速提高阻尼器的刚度与阻尼，进而提高阻尼器的耗能性能；反之，当温度降低时，则通过智能控制器减小阻尼器的电流输入，减小磁场强度；这样，阻尼器能在各种不同温度环境下维持较为稳定、可观的耗能性能，进而拓宽粘弹性阻尼器的最佳工作温度范围。

所述智能控制器包括单片机控制器、PI调节器、PWM调制电路和功率电路，首先，单片机控制器根据温度传感器检测到的阻尼器的温度，经补偿控制策略的算法处理确定该温度下对应的阻尼器所需要补偿的电流值；补偿控制策略的原理是以阻尼器的单周期耗能值为指标，通过对阻尼器施加电流来增加其耗能值使得不同温度下阻尼器单周期耗能值与最优温度时对应的耗能值相等，从而达到温度补偿的目的。

所述补偿控制策略可用如下方程表示：

E_d＝E′_d+E″_d＝E_d(opt)>

式中，E_d为阻尼器总的单周期耗能值，E′_d和E″_d分别为粘弹性材料的耗能值与磁流变效应产生的耗能值，E_d(opt)为最佳使用温度时阻尼器的最优耗能值。它的基本方法是：在不同工作频率下，由监测到的阻尼器的实时温度，根据(公式1)确定该温度下需对阻尼器施加的补偿电流值。

确定了补偿电流值之后，通过单片机控制器的DAC数模转换器将这个电流控制信号I_ref输出。I_f是电流检测环节检测流过阻尼器的电流，并经过滤波处理产生的输出电流信号，代表了实际流过阻尼器的平均电流。PI调节器根据I_ref与I_f两者的误差信号产生一个电压控制信号对PWM脉宽控制器进行脉宽调制。通过控制输出PWM的占空比改变功率电路的脉宽从而改变流过阻尼器的电流。

本发明提供一种补偿控制方法来弥补粘弹性材料的温度软化效应，从而减小高温环境下粘弹性材料性能下降对阻尼器减震效果的影响，以保证粘弹性阻尼器在工程结构中应用时，能在较大的环境温度范围内为结构提供较为稳定的耗能性能；本发明中电流改变直接，效应速度较快，控制过程较为稳定，同时不需要过大的外部能量输入，实现起来比较简单，可明显地改善温度软化效应对粘弹性阻尼器在实际工程结构中耗能减震效果的不利影响。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。