半主动冲击阻尼器结合遗传算法优化的模糊控制技术，用于在多种激励条件下降低结构振动

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Semi-active impact damper with genetic algorithm-optimized fuzzy control for structural vibration reduction under various excitations

针对传统半主动冲击阻尼器（SAID）依赖结构静力平衡位置预测的局限性，提出基于模糊控制与遗传算法优化的FSAID系统，验证其在地震和风荷载下的减震效果提升显著，尤其风荷载下仍保持14%-22%的位移减少率，证明其更强的鲁棒性和适应性。

　　

郑路|刘天翼|周梦瑶|王电超|傅俊东

同济大学结构减震系，上海，200092，中国

摘要

传统的半主动冲击阻尼器（SAIDs）控制策略依赖于对结构恢复到静态平衡位置的精确预测，这限制了它们在复杂激励下的适用性。为了解决这些限制，本研究提出了一种基于模糊控制的半主动冲击阻尼器（FSAID），并采用遗传算法（GA）优化了模糊控制器。验证了所提出的控制策略及其基于GA的优化效果。该方法为SAID系统引入了一种新的模糊控制策略，该策略无需依赖物理模型即可运行。在受到地震和风激励的结构中，系统地比较了FSAID和传统SAID的阻尼性能。在地震波作用下，FSAID在峰值位移和均方根位移减小方面分别比传统SAID提高了41.76%和30.28%。在风荷载作用下，FSAID和传统SAID的质量块冲击频率都有所降低。而FSAID系统在位移减小方面的控制性能仍然表现出色，提高了14%–22%。这些结果表明，FSAID系统在减轻不同激励下的结构振动方面具有更强的鲁棒性和适应性。

引言

高层建筑在复杂的地震和风激励下容易发生振动，可能导致过度位移、漂移，甚至结构不稳定或倒塌。为了提高结构安全性，人们广泛研究了多种振动控制技术。其中，冲击阻尼器通过碰撞过程中的动量交换来耗散振动能量，提供了一种非线性控制机制。该技术最初由Paget在1937年提出，用于抑制涡轮叶片的振动。Masri等人[2,3]研究了其在地震激励下的性能，发现其具有渐近稳定运动的特性。冲击阻尼器可以将振动能量从低阶模态传递到高阶模态[4]，并通过破坏振幅积累来减轻主结构的振动。冲击阻尼器具有频率带宽宽、占用空间小和成本低等优点[5]，使其成为调谐质量阻尼器（TMDs）在鲁棒振动控制方面的有吸引力的替代方案[6]。因此，冲击阻尼器引起了工程研究人员的广泛关注。单自由度（SDOF）结构的最佳阻尼参数已在参考文献[7]中得出。此外，这项技术已不断发展并应用于多自由度（MDOF）结构，如悬臂梁[8]、输电塔-线路系统[9]、高架桥系统[10]、海上风力涡轮机[11]和高层建筑[5]。然而，作为被动控制装置，冲击阻尼器由于其固定的机械特性，在复杂和不可预测的激励条件下存在固有的局限性。

主动和半主动控制技术通常被用来弥补被动控制的缺点。例如，主动调谐质量阻尼器（ATMD）可以在不同的振幅和频率下实现优异的阻尼性能[12]。然而，主动控制在土木工程中的应用受到能源需求高和运营成本高的限制[13]。相比之下，半主动控制技术（如半主动冲击阻尼器SAID）在能耗和有效振动减轻之间取得了平衡，因此吸引了大量研究关注[[14], [15], [16], [17]]。与传统的半主动装置（如磁流变（MR）阻尼器）相比，SAID设计更简单，避免了制造复杂性、装置泄漏和温度敏感性[18]。Karyeaclis和Caughey[19,20]的早期研究提出了一种包含无阻尼振荡器和自由旋转飞轮的SAID配置。这种控制策略旨在结构恢复到静态平衡位置时实现最佳冲击时机。虽然这种理想策略已被验证有效，但研究未考虑时间延迟效应。Masri等人[21]仍然使用理想策略，并根据主结构振动状态开发了带有可调止动器的SAID。他们进行了稳定性分析、数值模拟和模型实验，以确认这种控制方法的可靠性、实用性和鲁棒性。Lu等人[6,18,22]提出了一种更实用的半主动控制策略，用于应对冲击阻尼器的干扰。通过数值模拟和实验研究，验证了SAID在时间延迟、摩擦效应和随机激励下的振动控制性能和可靠性。与理想控制策略[21]不同，该策略考虑了冲击时间的偏差，并将冲击时间从结构位移的零交叉点延长到绝对值以进行设计调整。然而，这种控制策略仍然依赖于对结构接近静态平衡位置时的运动的精确预测，这需要准确计算结构运动。在引起显著结构位移漂移的激励条件下（如风荷载），其有效性可能会降低。

总之，目前关于半主动控制策略在冲击阻尼技术方面的研究仍然相对有限，主要是由于阻尼器内质量块的运动具有随机性和复杂的冲击行为。传统的SAID控制策略需要基于结构的物理模型进行精确的计算预测。这种策略往往导致控制性能不稳定，并且容易受到复杂激励引起的结构位移漂移的影响。基于早期工作中提出的SAID系统[6,18,22]，本研究提出了一种通过遗传算法（GA）优化的模糊控制策略，并实现了模糊控制的半主动冲击阻尼器（FSAID）。FSAID的阻尼机制与传统SAID相同。然而，与传统SAID不同，所提出的FSAID不依赖于基于物理模型的精确结构响应预测，表现出更好的鲁棒性和适应性。它在引起显著位移漂移的激励下仍能保持有效的控制性能。通过与传统SAID在地震和风激励下的比较，验证了所提出的策略。这项研究对于提高SAID技术在多种激励下减轻结构振动的应用具有实际意义。

部分摘录

机械模型

冲击阻尼系统是一种利用动量交换的非线性振动控制技术。图1显示了SAID系统的机械模型，其中F(t)是外部振动激励；m, c、k和x分别是主结构的质量、阻尼系数、刚度系数和绝对位移；m_p和x_p分别是块的质量和位移；k_p和c_p是冲击之间的接触刚度系数和阻尼系数

SAID的模糊控制策略

SAID系统的阻尼效果已通过振动台试验和数值模拟在SDOF和MDOF结构中得到验证[6,18,22,26]。然而，在以往的研究中，SAID系统是通过预测结构恢复到静态平衡位置的时间来控制冲击时机的[6]。这种方法严重依赖于对结构响应的精确计算预测。相比之下，模糊控制是一种智能方法，可以消除这种需求

FSAID系统的阻尼性能

现有研究已经证实了传统SAID系统在减轻地震振动方面的有效性[18]。然而，传统的控制策略严重依赖于对结构响应的精确计算预测。在复杂激励下（特别是风荷载），这可能导致性能下降。本研究提出的模糊控制策略旨在解决SAID系统的这些局限性。

结论

本研究开发了一种基于遗传算法（GA）优化的模糊控制策略，以解决传统半主动冲击阻尼器控制策略的局限性，特别是其对基于物理模型的结构运动精确预测的依赖性以及对其结构位移漂移的敏感性。通过对受到地震或风激励的MDOF结构进行系统的数值模拟，得出了以下主要结论：

(i)

所提出的模糊控制策略，特别是在

CRediT作者贡献声明

郑路：监督、资源管理、项目规划、概念构思。刘天翼：撰写——初稿、软件开发、数据整理。周梦瑶：撰写——审阅与编辑、验证、方法论研究。王电超：撰写——审阅与编辑、研究。傅俊东：验证、软件开发。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了北京建筑工程大学的多功能振动台实验室的科学研究基金（2023MFSTL01）的支持。此外，本工作还得到了国家自然科学基金（52578374, 52178296）的支持。