劉文斌，涂建維

黏彈性阻尼器溫度軟化效應(yīng)補(bǔ)償控制

劉文斌，涂建維

（武漢理工大學(xué) 道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

提出新型黏彈性阻尼器溫度軟化效應(yīng)的補(bǔ)償與控制策略，通過控制試驗(yàn)檢驗(yàn)智能控制器精度及溫度軟化效應(yīng)補(bǔ)償控制效果。據(jù)此研制出基于脈寬調(diào)制技術(shù)的溫度補(bǔ)償智能控制器，結(jié)果表明，智能控制器精度較高，所提出的溫度補(bǔ)償控制策略可以很好地補(bǔ)償黏彈性阻尼器溫度軟化效應(yīng)，控制器精度與補(bǔ)償效果均能滿足阻尼器實(shí)際工作要求。

振動與波；黏彈性阻尼器；溫度軟化效應(yīng)；補(bǔ)償控制策略；智能控制器；脈寬調(diào)制

黏彈性阻尼器是一種構(gòu)造簡單，造價便宜，性能可靠的被動減振裝置，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。然而，傳統(tǒng)黏彈性阻尼器的耗能特性會隨著溫度的升高而急劇下降，即存在明顯的溫度軟化效應(yīng)［1-2］，此缺陷制約了黏彈性阻尼器的發(fā)展與應(yīng)用。磁流變液是一種智能材料，外加磁場可以使其由黏性特征逐步向彈性特征轉(zhuǎn)化，即磁流變液存在明顯的流變效應(yīng)［3］。因此，設(shè)計制作了基于磁流變液智能材料的新型黏彈性阻尼器，提出運(yùn)用磁流變液的流變效應(yīng)來補(bǔ)償黏彈性材料的溫度軟化效應(yīng)。

新型黏彈性阻尼器的原理與實(shí)物如圖1所示。在黏粘彈性材料發(fā)生往復(fù)剪切變形時，磁流變液也要從磁流變閥處往復(fù)流動。當(dāng)溫度升高時，黏彈性材料由彈性特征逐步向黏性特征轉(zhuǎn)化，儲能模量與損耗模量迅速下降，這時我們可以通過增大磁流變閥處的外加磁場，使得磁流變液由黏性特征逐步向彈性特征轉(zhuǎn)化，從而補(bǔ)償黏彈性材料損失的儲能模量和損耗模量。反之，當(dāng)溫度降低時，可以逐步減小外加磁場，讓黏彈性阻尼器在各種溫度環(huán)境下都能始終保持最佳溫度時的性能。

在對新型黏彈性阻尼器進(jìn)行溫度軟化效應(yīng)的補(bǔ)償控制時，需要確定補(bǔ)償控制策略并設(shè)計制作精確的控制器。Lord公司為磁流變阻尼器研制出了Rheonetic系列控制器，有手動調(diào)節(jié)和外加電壓控制調(diào)節(jié)兩種方式［4］。余淼等以美國德州儀器公司推出的16位定點(diǎn)通用數(shù)字信號處理芯片為核心開發(fā)出了精確可控的電流控制器［5］。陳軍等提出了一種基于M68HC08 MCU的磁流變阻尼器控制系統(tǒng)設(shè)計方法［6］。李一平提出了一種磁流變阻尼器的可控電流驅(qū)動器的設(shè)計思路，并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［7］。本文在上述研究基礎(chǔ)上，提出了新型黏彈性阻尼器溫度軟化效應(yīng)的補(bǔ)償控制策略，并研制了一種基于脈寬調(diào)制技術(shù)的溫度補(bǔ)償控制器來實(shí)現(xiàn)此功能，具有電路簡單、易于控制，性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

圖1　新型黏彈性阻尼器的溫度軟化效應(yīng)補(bǔ)償原理和實(shí)物

1　新型黏彈性阻尼器的補(bǔ)償控制策略

利用磁流變效應(yīng)來補(bǔ)償黏彈性材料的溫度軟化效應(yīng)，使得新型黏彈性阻尼器的耗能特性在各種溫度下均可以保持在最優(yōu)溫度時的狀態(tài)。為了達(dá)到此目的，新型阻尼器的控制策略必須根據(jù)最優(yōu)的參數(shù)指標(biāo)得到需要實(shí)時調(diào)整的電流值。

將阻尼器在一個往復(fù)運(yùn)動周期內(nèi)的單周耗能Ed作為黏彈性阻尼器耗能特性的參數(shù)指標(biāo)，根據(jù)黏彈性阻尼器的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對Ed采用多元回歸分析來擬合，得到如下表達(dá)式

式中ω、T和γ0分別表示加載頻率、環(huán)境溫度以及應(yīng)變幅值。

圖2比較了回歸分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，說明式（1）可以很好地描述自制阻尼器單周期耗能與溫度之間的關(guān)系。

圖2　單周期耗能回歸結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

由于溫度、加載頻率是影響阻尼器性能的主要因素，故主要考慮這兩個因素變化下阻尼器的補(bǔ)償控制策略，應(yīng)變幅值恒定為40%。以單周期耗能Ed為參數(shù)指標(biāo)，為確定輸入電流大小與由磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的磁致耗能的具體關(guān)系，將輸入電流后新型阻尼器的單周期耗能數(shù)值減去常規(guī)黏彈性阻尼器的相應(yīng)值，可以近似地得到磁流變效應(yīng)可調(diào)部分的耗能，即磁致耗能ΔEd，其與電流大小有關(guān)。通過已知的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將40%應(yīng)變幅值各工況下的ΔEd取均值得到ΔEˉd，可以擬合出ΔEˉd與電流I之間的函數(shù)關(guān)系

結(jié)合式（1）、式（2），則新型阻尼器在各工況下所提供的總的單周期耗能為

為使新型阻尼器在任何溫度下工作，通過電流的補(bǔ)償都能達(dá)到最優(yōu)溫度下的耗能效果，從而彌補(bǔ)常規(guī)黏彈性阻尼器的溫度軟化效應(yīng)。假設(shè)阻尼器在最優(yōu)使用溫度0℃下的單周期耗能為Ed（opt），則不同頻率下阻尼器都對應(yīng)有一個該頻率下最佳溫度時的最優(yōu)耗能值Ed（opt），將其列于表1中。故只需式（3）中的單周期耗能Ed與相應(yīng)頻率下的Ed（opt）相等，即可實(shí)現(xiàn)對單周期耗能的實(shí)時補(bǔ)償控制。

理論上，在試驗(yàn)中能夠通過檢測到的阻尼器溫度以及加載頻率這兩個實(shí)時輸入狀態(tài)，得到需要對新型阻尼器輸入的電流值這個輸出狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對阻尼器性能的實(shí)時補(bǔ)償效果。然而在實(shí)際加載中，由于液壓伺服機(jī)在每個加載工況下的加載頻率一定，只有通過溫控裝置對阻尼器進(jìn)行實(shí)時溫度調(diào)節(jié)，故每次加載中，實(shí)際僅需要通過溫度的實(shí)時輸入狀態(tài)，而得到需補(bǔ)償?shù)碾娏髦颠@一輸出狀態(tài)，即采用單輸入-單輸出的補(bǔ)償控制策略。

表1　不同加載頻率下相對應(yīng)的最優(yōu)單周期耗能值

2　新型黏彈性阻尼器智能控制器的研制

由于常規(guī)黏彈性阻尼器性能受溫度影響較為顯著，其耗能能力隨溫度升高而逐漸下降。為了彌補(bǔ)阻尼器在高溫下性能的不足，可以通過調(diào)節(jié)外加磁場能使新型阻尼器中的磁性顆粒產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，來補(bǔ)償黏彈性材料的溫度軟化效應(yīng)，從而能夠減小黏彈性阻尼器受環(huán)境因素的影響，使其在各種溫度下都能夠保持最優(yōu)溫度時的耗能特性。因此，如何根據(jù)黏彈性材料的實(shí)時溫度得到穩(wěn)定的輸入控制電流是設(shè)計溫度補(bǔ)償控制器的關(guān)鍵。

圖3是補(bǔ)償控制器的系統(tǒng)框圖，控制器主要由單片機(jī)控制模塊和可調(diào)電流源模塊組成。單片機(jī)控制器和溫度傳感器組成了單片機(jī)控制模塊，其功能是通過溫度傳感器采集阻尼器的實(shí)時溫度，單片機(jī)經(jīng)過控制算法計算得到當(dāng)前溫度下需要的輸出電流，并將該電流控制信號Iref通過DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出給可調(diào)電流源模塊。可調(diào)恒流源模塊包括PI調(diào)節(jié)器、PWM調(diào)制電路、功率電路和電流檢測電路。電流檢測電路檢測流過阻尼器的電流，并經(jīng)過濾波處理產(chǎn)生實(shí)際流過阻尼器的平均電流If。PI調(diào)節(jié)器根據(jù)Iref和If兩者的誤差信號產(chǎn)生一個電壓控制信號對PWM脈寬控制器進(jìn)行脈寬調(diào)制。通過控制輸出PWM調(diào)制電路的占空比改變功率電路的脈寬從而改變阻尼器的輸入電流。

圖3　智能控制器原理圖

單片機(jī)控制模塊能夠以5毫秒一次的頻率采集溫度傳感器檢測到的溫度信號，并在單片機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)控制算法的計算功能，計算對應(yīng)溫度下所需要補(bǔ)償控制電流，并通過單片機(jī)的模擬信號輸出口將控制信號輸出。單片機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)了溫度采集，控制電流計算輸出的功能。單片機(jī)控制模塊實(shí)物如圖4所示。

圖4　單片機(jī)控制板實(shí)物圖

由于單片機(jī)控制模塊輸出電流的能力有限，不能將其直接輸入到阻尼器?？烧{(diào)垣流源模塊的主要功能就是實(shí)現(xiàn)將單片機(jī)輸出的模擬電流控制信號轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電流輸出信號?？烧{(diào)垣流源模塊的模擬信號控制端口能夠接收模擬的電流控制信號，并根據(jù)控制信號的大小設(shè)置垣流源模塊的輸出電流?？烧{(diào)電流源模塊的輸出電流范圍廣，能實(shí)現(xiàn)0 A到3 A的電流輸出。其受供電電源影響小，供電電源發(fā)生小范圍變化時，PWM調(diào)制電路可以保持輸出電流穩(wěn)定不變。因此，可調(diào)垣流源模塊能夠根據(jù)單片機(jī)的控制信號穩(wěn)定并且準(zhǔn)確地控制阻尼器的電流?？烧{(diào)恒流源模塊的實(shí)物圖如圖5所示。

圖5　可調(diào)恒流源模塊實(shí)物圖

3　新型阻尼器溫度軟化效應(yīng)補(bǔ)償控制實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

基于補(bǔ)償控制原理，對新型黏彈性阻尼器進(jìn)行溫度軟化效應(yīng)的補(bǔ)償控制試驗(yàn)，試驗(yàn)工況如表2所示，圖6為試驗(yàn)裝置圖。試驗(yàn)中，由溫控裝置對阻尼器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，使阻尼器的工作溫度在0℃～70℃之間變化，智能控制器由采集到的阻尼器實(shí)時溫度反饋控制電流輸出，產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，使得新型阻尼器在不同溫度工作下均能保持其在最佳溫度時的耗能特性，從而彌補(bǔ)高溫對阻尼器性能的影響。

表2　補(bǔ)償控制試驗(yàn)工況

圖6　補(bǔ)償控制實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證智能控制器件的精度以及所提出的新型阻尼器溫度軟化效應(yīng)補(bǔ)償控制策略的控制效果。對于前者，可將控制器實(shí)際輸出的電流值與由補(bǔ)償控制策略算得的預(yù)期電流值進(jìn)行比較。而實(shí)際的補(bǔ)償控制效果需要反映到新型阻尼器的耗能性能上，可將各頻率時不同溫度下補(bǔ)償后的阻尼器單周期耗能Ed與期望達(dá)到的阻尼器在最優(yōu)使用溫度時相應(yīng)的單周期耗能Ed（opt）進(jìn)行比較，此時阻尼器的最優(yōu)使用溫度為0℃。

由于控制實(shí)驗(yàn)的核心是根據(jù)最優(yōu)的參數(shù)指標(biāo)得到需要調(diào)整的電流值，因此實(shí)際輸出的電流值必須接近目標(biāo)的控制電流值，才能達(dá)到目標(biāo)控制補(bǔ)償效果。實(shí)驗(yàn)中我們采集到各溫度下控制器提供給阻尼器的輸出電流的實(shí)測值，將其與預(yù)期值進(jìn)行比較，部分比較結(jié)果如表3所示，可以看出電流預(yù)期值和實(shí)測值基本吻合，絕對誤差不超過0.01 A，最大相對誤差僅為5.3%，精度較高，故此智能控制器能夠滿足阻尼器的工作需要。

表3　實(shí)測電流值與預(yù)期電流值比較

為了驗(yàn)證補(bǔ)償控制效果，我們將阻尼器參數(shù)指標(biāo)單周期耗能補(bǔ)償前后的值進(jìn)行比較，圖7—圖10分別為加載頻率為1 Hz及2 Hz工況下補(bǔ)償前后阻尼器的滯回曲線以及單周期耗能值的對比?？梢悦黠@看出補(bǔ)償后各溫度下阻尼器的單周期耗能Ed都得到提高，并接近該頻率下最優(yōu)使用溫度時的值Ed（opt）。因此，控制試驗(yàn)達(dá)到了通過溫度的采集，實(shí)時改變阻尼器輸入電流，從而改變耗能性能，彌補(bǔ)其溫度軟化效應(yīng)的效果。

圖7　頻率為1 Hz時補(bǔ)償前后阻尼器的滯回曲線

圖8　頻率為2 Hz時補(bǔ)償前后阻尼器的滯回曲線

圖9　頻率為1 Hz時阻尼器單周期耗能的補(bǔ)償效果

圖10　頻率為2 Hz時阻尼器單周期耗能的補(bǔ)償效果

4　結(jié)語

本文設(shè)計制作了基于磁流變液智能材料的新型黏彈性阻尼器，提出運(yùn)用磁流變液的流變效應(yīng)來補(bǔ)償黏彈性材料的溫度軟化效應(yīng)的方法。之后研制出了基于脈寬調(diào)制技術(shù)的新型阻尼器智能控制器件，并進(jìn)行了新型阻尼器溫度補(bǔ)償控制實(shí)驗(yàn)。結(jié)論表明，所研制出的阻尼器溫度補(bǔ)償智能控制器件電路簡單、易于控制，能夠根據(jù)檢測到的阻尼器溫度對阻尼器輸入的補(bǔ)償電流進(jìn)行調(diào)整，且控制電流的實(shí)測情況和預(yù)期情況吻合，智能控制器件的精度較高，能夠滿足阻尼器的工作要求。

同傳統(tǒng)的黏彈性阻尼器相比，本文提出的基于磁流變液智能材料的新型黏彈性阻尼器，既具有傳統(tǒng)黏彈性阻尼器構(gòu)造簡單，造價便宜，性能可靠的特點(diǎn)，同時可以通過控制輸入電流來補(bǔ)償黏彈性材料的溫度軟化效應(yīng)；拓展了黏彈性材料的應(yīng)用領(lǐng)域，是一種具有良好應(yīng)用前景的智能減振裝置。對黏彈性體阻尼器在結(jié)構(gòu)抗振方面的應(yīng)用具有重要的意義。

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Compensation Control of Thermal Softening Effect for Viscoelastic Dampers

LIU Wen-bin，TU Jian-wei
（Hubei Key Laboratory of Roadway Bridge and Structure Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

A strategy for compensation and control of thermal softening effect for a new kind of viscoelastic dampers is proposed.By inputting proper control current to the damper according to the real-time temperature，the softening effect of the damper at high temperature can be compensated.Therefore，intelligent control devices are the core of the damper compensation control.In this paper，a thermal compensation intelligent control device based on pulse width modulation technique is developed.The results show that this intelligent control device is of high accuracy and the thermal softening effect can be compensated well by this control strategy.The control accuracy and the compensation effect can meet the actual engineering needs of the dampers.

vibration and wave；viscoelastic damper；thermal softening effect；compensation control strategy；intelligent control device；pulse width modulation

TB53

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.042

1006-1355（2016）03-0205-05

2015-11-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51178368；51478372）

涂建維（1975-），男，湖北人，博士，研究員。主要從事土木程結(jié)構(gòu)振動控制及特種混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail：waider1@163.com