磁流變阻尼器隔震結(jié)構(gòu)的模糊控制仿真與分析

摘" 要：該研究通過對配置磁流變（MR）阻尼器的4層框架基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，系統(tǒng)討論該結(jié)構(gòu)在2種控制策略作用下的隔震性能。結(jié)果表明，相較于經(jīng)典的bang-bang控制策略，采用模糊控制策略能同時降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的基底位移與上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，從而實現(xiàn)隔震性能的顯著提升。

關(guān)鍵詞：模糊控制；磁流變阻尼器；隔震結(jié)構(gòu)；地震響應(yīng)；仿真分析

中圖分類號：TU352.11" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0067-04

Abstract： In this paper， a four-story frame isolated-structure equipped with magnetorheological （MR） dampers is modeled， and the isolation performance of the structure under different control strategies is discussed. The results show that compared with the classical bang-bang control strategy， the implementation of a fuzzy control strategy can simultaneously reduce both the base displacement and the super structure acceleration response under seismic actions. This leads to a significant enhancement in seismic isolation performance.

Keywords： fuzzy control; magnetorheological（MR） damper; base-isolated structure; seismic response; simulation analysis

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)通過在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)間設(shè)置隔震層，延長結(jié)構(gòu)的自振周期，達(dá)到降低結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的目的[1]。常見的隔震層結(jié)構(gòu)采用內(nèi)含鉛芯的橡膠隔震支座附加阻尼裝置[2]，其中，MR阻尼器憑借裝置簡單、響應(yīng)快、阻尼力大和能耗小等優(yōu)勢成為隔震層的優(yōu)選組件[3]。MR阻尼器的工作原理：通過調(diào)節(jié)輸入阻尼器的電流來改變其內(nèi)部的磁場強(qiáng)度，引發(fā)磁流變液黏度的變化，進(jìn)而得到所需的阻尼力[4]。值得注意的是，采用不同的阻尼器控制策略會直接影響阻尼器的性能表現(xiàn)，進(jìn)而影響對隔震結(jié)構(gòu)的控制效果。因此，本研究深入探討了2種不同控制策略對該結(jié)構(gòu)隔震性能的具體影響：一是經(jīng)典的bang-bang控制策略，它基于簡單的閾值邏輯，通過迅速切換阻尼器的狀態(tài)以實現(xiàn)隔震效果；二是更為先進(jìn)的模糊控制策略，該策略利用模糊邏輯理論，能夠根據(jù)實時監(jiān)測到的地震動參數(shù)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，靈活調(diào)整阻尼器的輸入電流，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)震動的更精細(xì)控制。

1" 隔震系統(tǒng)

1.1" 隔震結(jié)構(gòu)模型

如圖1所示，本研究采用4層混合式基礎(chǔ)隔震建筑模型來評估地震響應(yīng)。隔震層由4個完全相同的直徑為100 mm的天然橡膠支座及4個MR阻尼器組成。隔震系統(tǒng)的運動方程為

1.2 MR阻尼器的力學(xué)模型

為了更好地描述 MR 阻尼器的非線性特性，本研究采用了Bouc-Wen模型來評估其力學(xué)性能，該模型因能通過參數(shù)識別精準(zhǔn)捕捉滯回動力響應(yīng)狀態(tài)，從而得到廣泛應(yīng)用。因此，MR阻尼力F可用Bouc-Wen模型（表1）表達(dá)為

1.3" 地震動輸入

為了評估MR阻尼器在不同控制策略下的性能，選用了4條地震波作為輸入激勵，分別是遠(yuǎn)斷層地震動記錄中的EI-Centro波、近斷層地震動記錄中的Ji-Ji、Kobe_FN和Kobe_FP波?？紤]到支座安全，需要對地震加速度進(jìn)行調(diào)幅，其中Ji-Ji波的峰值加速度被調(diào)至1.5 g，而剩余3個地震動峰值加速度被統(tǒng)一調(diào)至3 g，調(diào)幅后的加速度反應(yīng)譜如圖2所示。

2" 控制策略

2.1" Bang-bang控制

經(jīng)典的bang-bang控制策略是一種基于二進(jìn)制邏輯的簡化控制算法，其核心思想在于實施一種直接的“開-關(guān)”操作機(jī)制。當(dāng)隔震層位移x和速度■符號相同時，增大輸入阻尼器的電流，反之，則關(guān)閉電流。其控制方程如下

2.2" 模糊控制

模糊控制是一種基于模糊集合論、模糊語言變量及模糊推理原理的智能控制方法。該方法不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而是巧妙地總結(jié)專家知識和經(jīng)驗來執(zhí)行直觀、有效的控制，因此在結(jié)構(gòu)震（振）動控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。模糊控制的設(shè)計過程分為4個階段：①確定輸入和輸出變量，并界定其基本論域范圍；②定義隸屬度函數(shù)，將輸入精確值轉(zhuǎn)換為模糊值；③編寫推理規(guī)則并將輸入變量映射為輸出變量；④將輸出的模糊量轉(zhuǎn)換為精確量[5-6]。

本研究采用單輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng)，旨在優(yōu)化隔震系統(tǒng)的性能。具體而言，系統(tǒng)的輸入被設(shè)定為位移x和速度■的乘積，這一復(fù)合指標(biāo)能夠綜合反映結(jié)構(gòu)的震動狀態(tài)；而輸出則設(shè)定為阻尼器的控制電流。采用三角函數(shù)來表征輸入輸出的模糊集合的隸屬度，如圖3和圖4所示。其中，語言變量negative、zero和positive分別對應(yīng)于輸入變量的負(fù)值、零值及正值狀態(tài)，而low和high則分別代表了控制電流的低水平和高水平。

3" 仿真結(jié)果分析

為了全面且系統(tǒng)地評估2種不同的控制策略在4層隔震結(jié)構(gòu)中的控制性能表現(xiàn)，本研究采用MATLAB對目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，在此分析過程中，特別選取了具有代表性和實用價值的性能指標(biāo)，即峰值基底位移與峰值加速度，作為衡量控制效果的關(guān)鍵依據(jù)。仿真結(jié)果見表2。通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在面對這4種地震波輸入時，模糊控制策略相較于經(jīng)典的bang-bang控制策略，展現(xiàn)出了更為優(yōu)越的控制性能，不僅能夠有效地限制并減小基底位移的峰值，還能夠大幅度地降低加速度響應(yīng)的峰值，從而在多個維度上提升隔震結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。具體而言，在模糊控制策略下，峰值基底位移相較于bang-bang控制策略的最大降幅可達(dá)26.09%，更為顯著的是，峰值加速度的最大降幅更是高達(dá)50.29%，這一結(jié)果有力表明，簡單地在最大值與最小值之間切換MR阻尼器的電流，反而可能加劇結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，凸顯了模糊控制在提升隔震結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的顯著優(yōu)勢。

4" 結(jié)論

本研究采用了單輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng)作為核心控制策略，該系統(tǒng)反饋信息少，控制規(guī)則相對簡單，從而在仿真過程中展現(xiàn)出高效的計算速度。通過實施這一控制機(jī)制，系統(tǒng)能夠顯著地抑制基底位移和上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，控制效果優(yōu)于經(jīng)典的bang-bang控制，這對于提升結(jié)構(gòu)在地震作用下的整體穩(wěn)定性具有重要意義。此外，該系統(tǒng)還展現(xiàn)出了在不同地震輸入條件下的廣泛適應(yīng)性，即無論是面對遠(yuǎn)斷層地震還是近斷層地震，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定的控制性能，這一特性極大地拓寬了其在實際工程應(yīng)用中的潛在價值。綜上所述，本研究提出的單輸入單輸出模糊控制系統(tǒng)不僅優(yōu)化了控制隔震結(jié)構(gòu)的效率，還顯著增強(qiáng)了其在復(fù)雜地震環(huán)境下的實用性和可靠性。

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