一种斜拉索多模态控制自适应阻尼器及其参数优化方法技术

本发明专利技术公开了一种斜拉索多模态控制自适应阻尼器及其参数优化方法，所述自适应阻尼器包括多个并联的Maxwell单元，每个Maxwell单元由一个阻尼元件和一个刚度元件串联组成，本发明专利技术自适应阻尼器结构极为简单，成本较低，可用于桥梁斜拉索多模态控制，提升减振效果和稳定性。参数优化方法包括：以自适应阻尼器中各阻尼元件和刚度元件的参数为变量，建立自适应阻尼器的阻尼力在频域中的表达式，作为待定传递函数；通过待定传递函数拟合控制桥梁斜拉索各阶振动的最优阻尼系数对应的理想状态下的传递函数，得到变量寻优方程组，求解变量寻优方程组，得到自适应阻尼器的最优参数。使得自适应阻尼器能有效的控制拉索的多模态振动，提升减振效果和稳定性。减振效果和稳定性。减振效果和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种斜拉索多模态控制自适应阻尼器及其参数优化方法


[0001]本专利技术属于振动控制领域，更具体地，涉及一种斜拉索多模态控制自适应阻尼器及其参数优化方法。

技术介绍

[0002]斜拉索的振动控制方法一般有被动和半主动控制方法，对于短索，被动控制方法具有较好的控制效果，然而随着斜拉桥跨径的增大，斜拉索也越来越长，许多拉索已经超过了600米，此时的被动控制方法由于阻尼系数固定，因此难以对多阶模态均提供有效的控制。而半主动控制相比于被动控制虽然具有更好的控制效果，然而其需要外部供能，这对其的应用场景有一定的限制。因此，一种阻尼系数自适应的被动控制方法具有广泛应用前景，由于其自适应特性，其减振控制效果接近于半主动控制。
[0003]现在的拉索振动控制手段主要的问题如下：对于超长索(索长大于450米)，传统的被动控制方法难以起到有效的控制效果，而使用半主动控制则对能量来源有一定的要求，对于某些场景无法满足其供能，同时半主动控制的稳定性也低于被动控制。
[0004]由此可见，现有用于桥梁斜拉索的多模态振动控制技术存在减振效果较差、稳定性较差的技术问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种斜拉索多模态控制自适应阻尼器及其参数优化方法，现有用于桥梁斜拉索的多模态振动控制技术存在减振效果较差、稳定性较差的技术问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种斜拉索多模态控制自适应阻尼器，所述自适应阻尼器包括多个并联的Maxwell单元，每个Maxwell单元由一个阻尼元件和一个刚度元件串联组成，所述自适应阻尼器用于桥梁斜拉索多模态减振控制时，自适应阻尼器中Maxwell单元的数量与桥梁斜拉索需要控制的模态阶数相同。
[0007]按照本专利技术的另一方面，提供了一种斜拉索多模态控制自适应阻尼器的参数优化方法，包括：
[0008]获取桥梁斜拉索需要控制的模态阶数总数n及各阶对应的自振频率，此时，自适应阻尼器中Maxwell单元的数量为n；
[0009]将桥梁斜拉索的轴向索力与自适应阻尼器在桥梁斜拉索的安装位置和各阶对应的自振频率的积之比，作为控制桥梁斜拉索各阶振动的最优阻尼系数；
[0010]以自适应阻尼器中各阻尼元件和刚度元件的参数为变量，建立自适应阻尼器的阻尼力在频域中的表达式，作为待定传递函数；
[0011]通过待定传递函数拟合控制桥梁斜拉索各阶振动的最优阻尼系数对应的理想状态下的传递函数，得到变量寻优方程组，求解变量寻优方程组，得到n个Maxwell单元中各阻尼元件和刚度元件的最优参数。
[0012]进一步地，所述求解变量寻优方程组时，以控制的桥梁斜拉索模态阶数最大时的自振频率对应的自适应阻尼器的等效刚度最小为目标进行参数寻优。
[0013]进一步地，所述参数包括阻尼系数和刚度系数，所述待定传递函数为：
[0014][0015]其中，F(ω)为阻尼力在频域中的表达式，X(ω)为自适应阻尼器在桥梁斜拉索上的位移的频域表达形式，ω为桥梁斜拉索的自振频率，c
i
和k
i
为第i个Maxwell单元中的阻尼系数和刚度系数，j为虚数单位。
[0016]进一步地，所述参数包括阻尼系数和刚度系数，所述斜拉索各阶振动控制的最优阻尼系数为：
[0017][0018]根据最优阻尼系数得出理想状态下的传递函数为：
[0019][0020]其中，sgn()为符号函数，当ω为正时其值为1，否则为
‑
1，T为桥梁斜拉索的轴向索力，x
c
为自适应阻尼器在桥梁斜拉索的安装位置。
[0021]进一步地，所述变量寻优方程组为：
[0022][0023]其中，ω
l
为桥梁斜拉索第l个控制阶数的自振频率，ω
n
为桥梁斜拉索控制的模态阶数最大时的自振频率。
[0024]按照本专利技术的另一方面，提供了一种斜拉索多模态控制自适应阻尼器的参数优化系统，所述自适应阻尼器包括多个并联的Maxwell单元，每个Maxwell单元由一个阻尼元件和一个刚度元件串联组成，所述参数优化系统包括：
[0025]预处理模块，用于获取桥梁斜拉索需要控制的模态阶数总数n及各阶对应的自振频率，此时，自适应阻尼器中Maxwell单元的数量为n；将桥梁斜拉索的轴向索力与自适应阻尼器在桥梁斜拉索的安装位置和各阶对应的自振频率的积之比，作为控制桥梁斜拉索各阶振动的最优阻尼系数；
[0026]参数寻优模块，用于以自适应阻尼器中各阻尼元件和刚度元件的参数为变量，建立自适应阻尼器的阻尼力在频域中的表达式，作为待定传递函数；通过待定传递函数拟合控制桥梁斜拉索各阶振动的最优阻尼系数对应的理想状态下的传递函数，得到变量寻优方程组，求解变量寻优方程组，得到n个Maxwell单元中各阻尼元件和刚度元件的最优参数。
[0027]进一步地，所述参数寻优模块，用于在求解变量寻优方程组时，以控制的桥梁斜拉索模态阶数最大时的自振频率对应的自适应阻尼器的等效刚度最小为目标进行参数寻优。
[0028]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0029](1)相比于传统的被动控制阻尼器，本专利技术阻尼器具有自适应特性，自适应阻尼器用于桥梁斜拉索多模态控制时，自适应阻尼器中Maxwell单元的数量与桥梁斜拉索需要控制的模态阶数相同，对于斜拉索多模态振动的控制效果更好。本专利技术自适应阻尼器结构极为简单，成本较低，但能实现很好的控制效果。本专利技术自适应阻尼器本质上还是属于一种新型的被动控制结构，无需额外提供能量，因此受周围环境制约小，且由于是被动控制，其可靠性和稳定性都有保证。
[0030](2)自适应阻尼器中Maxwell单元的数量由桥梁斜拉索需要控制的模态阶数总数确定，能追踪斜拉索各阶振动模态下的最优阻尼系数值，具有自适应特性，同时由于其自适应特性，因此其控制效果接近半主动控制，对于斜拉索多模态振动的控制效果更好。通过n个Maxwell单元并联连接，研究其传递函数可知，理想状态下其阻尼系数近似与拉索振动频率成反比，而这个形式正是以往的研究中提出的拉索各阶振动控制下的最优阻尼系数的形式，因此，通过自适应阻尼器的传递函数拟合桥梁斜拉索各阶振动控制的最优阻尼系数对应的理想状态下的传递函数，可以求解Maxwell单元中各阻尼元件和刚度元件的最优参数，使得自适应阻尼器能有效根据拉索振动模态的阶数自适应调整阻尼系数以匹配当前振动阶数下的最优阻尼系数，有效的控制拉索的多模态振动，提升减振效果和稳定性。
[0031](3)拟合后得到的变量寻优方程组是无法求解的，因为只有n个方程，但未知数有2n个，需要限定约束条件，从而解出2n个参数。因为理论上阻尼力只与速度有关，所以理想状态下的传递函数只有虚部，本专利技术自适应阻尼器参数优化思想是让虚部完全拟合，而多出来的实部即等效刚度越小越好，基于此，约束条件中频率为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种斜拉索多模态控制自适应阻尼器，其特征在于，所述自适应阻尼器包括多个并联的Maxwell单元，每个Maxwell单元由一个阻尼元件和一个刚度元件串联组成，所述自适应阻尼器用于桥梁斜拉索多模态减振控制时，自适应阻尼器中Maxwell单元的数量与桥梁斜拉索需要控制的模态阶数相同。2.如权利要求1所述的一种斜拉索多模态控制自适应阻尼器的参数优化方法，其特征在于，包括：获取桥梁斜拉索需要控制的模态阶数总数n及各阶对应的自振频率，此时，自适应阻尼器中Maxwell单元的数量为n；将桥梁斜拉索的轴向索力与自适应阻尼器在桥梁斜拉索的安装位置和各阶对应的自振频率的积之比，作为控制桥梁斜拉索各阶振动的最优阻尼系数；以自适应阻尼器中各阻尼元件和刚度元件的参数为变量，建立自适应阻尼器的阻尼力在频域中的表达式，作为待定传递函数；通过待定传递函数拟合控制桥梁斜拉索各阶振动的最优阻尼系数对应的理想状态下的传递函数，得到变量寻优方程组，求解变量寻优方程组，得到n个Maxwell单元中各阻尼元件和刚度元件的最优参数。3.如权利要求2所述的参数优化方法，其特征在于，所述求解变量寻优方程组时，以控制的桥梁斜拉索模态阶数最大时的自振频率对应的自适应阻尼器的等效刚度最小为目标进行参数寻优。4.如权利要求3所述的参数优化方法，其特征在于，所述参数包括阻尼系数和刚度系数，所述待定传递函数为：其中，F(ω)为阻尼力在频域中的表达式，X(ω)为自适应阻尼器在桥梁斜拉索上的位移的频域表达形式，ω为桥梁斜拉索的自振频率，c
i
和k
i
为第i个Maxwell单元中的阻尼系数和刚度系数，j为虚数单位。5.如权利要求4所述的参数优化方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈文爱，龙振滔，朱宏平，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：