劉文斌，涂建維

黏彈性阻尼器溫度軟化效應補償控制

劉文斌，涂建維

（武漢理工大學 道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070）

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

振動與波；黏彈性阻尼器；溫度軟化效應；補償控制策略；智能控制器；脈寬調制

黏彈性阻尼器是一種構造簡單，造價便宜，性能可靠的被動減振裝置，在實際工程中應用廣泛。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［1-2］，此缺陷制約了黏彈性阻尼器的發(fā)展與應用。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化，即磁流變液存在明顯的流變效應［3］。因此，設計制作了基于磁流變液智能材料的新型黏彈性阻尼器，提出運用磁流變液的流變效應來補償黏彈性材料的溫度軟化效應。

新型黏彈性阻尼器的原理與實物如圖1所示。在黏粘彈性材料發(fā)生往復剪切變形時，磁流變液也要從磁流變閥處往復流動。當溫度升高時，黏彈性材料由彈性特征逐步向黏性特征轉化，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化，從而補償黏彈性材料損失的儲能模量和損耗模量。反之，當溫度降低時，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行溫度軟化效應的補償控制時，需要確定補償控制策略并設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，有手動調節(jié)和外加電壓控制調節(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)設計方法［6］。李一平提出了一種磁流變阻尼器的可控電流驅動器的設計思路，并對其進行了實驗驗證［7］。本文在上述研究基礎上，提出了新型黏彈性阻尼器溫度軟化效應的補償控制策略，并研制了一種基于脈寬調制技術的溫度補償控制器來實現(xiàn)此功能，具有電路簡單、易于控制，性能穩(wěn)定的優(yōu)點。

圖1　新型黏彈性阻尼器的溫度軟化效應補償原理和實物

1　新型黏彈性阻尼器的補償控制策略

利用磁流變效應來補償黏彈性材料的溫度軟化效應，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)指標得到需要實時調整的電流值。

將阻尼器在一個往復運動周期內(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，根據(jù)黏彈性阻尼器的性能試驗數(shù)據(jù)，對Ed采用多元回歸分析來擬合，得到如下表達式

式中ω、T和γ0分別表示加載頻率、環(huán)境溫度以及應變幅值。

圖2比較了回歸分析結果與試驗結果，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系。

圖2　單周期耗能回歸結果與試驗結果比較

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償控制策略，應變幅值恒定為40%。以單周期耗能Ed為參數(shù)指標，為確定輸入電流大小與由磁流變效應產(chǎn)生的磁致耗能的具體關系，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值，可以近似地得到磁流變效應可調部分的耗能，即磁致耗能ΔEd，其與電流大小有關。通過已知的試驗數(shù)據(jù)，將40%應變幅值各工況下的ΔEd取均值得到ΔEˉd，可以擬合出ΔEˉd與電流I之間的函數(shù)關系

結合式（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，通過電流的補償都能達到最優(yōu)溫度下的耗能效果，從而彌補常規(guī)黏彈性阻尼器的溫度軟化效應。假設阻尼器在最優(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與相應頻率下的Ed（opt）相等，即可實現(xiàn)對單周期耗能的實時補償控制。

理論上，在試驗中能夠通過檢測到的阻尼器溫度以及加載頻率這兩個實時輸入狀態(tài)，得到需要對新型阻尼器輸入的電流值這個輸出狀態(tài)，從而實現(xiàn)對阻尼器性能的實時補償效果。然而在實際加載中，由于液壓伺服機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行實時溫度調節(jié)，故每次加載中，實際僅需要通過溫度的實時輸入狀態(tài)，而得到需補償?shù)碾娏髦颠@一輸出狀態(tài)，即采用單輸入-單輸出的補償控制策略。

表1　不同加載頻率下相對應的最優(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。為了彌補阻尼器在高溫下性能的不足，可以通過調節(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，來補償黏彈性材料的溫度軟化效應，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)黏彈性材料的實時溫度得到穩(wěn)定的輸入控制電流是設計溫度補償控制器的關鍵。

圖3是補償控制器的系統(tǒng)框圖，控制器主要由單片機控制模塊和可調電流源模塊組成。單片機控制器和溫度傳感器組成了單片機控制模塊，其功能是通過溫度傳感器采集阻尼器的實時溫度，單片機經(jīng)過控制算法計算得到當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)模轉換器輸出給可調電流源模塊?？烧{恒流源模塊包括PI調節(jié)器、PWM調制電路、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)生實際流過阻尼器的平均電流If。PI調節(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脈寬控制器進行脈寬調制。通過控制輸出PWM調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，并在單片機內(nèi)部實現(xiàn)控制算法的計算功能，計算對應溫度下所需要補償控制電流，并通過單片機的模擬信號輸出口將控制信號輸出。單片機控制模塊實現(xiàn)了溫度采集，控制電流計算輸出的功能。單片機控制模塊實物如圖4所示。

圖4　單片機控制板實物圖

由于單片機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{垣流源模塊的主要功能就是實現(xiàn)將單片機輸出的模擬電流控制信號轉換為實際的電流輸出信號?？烧{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)控制信號的大小設置垣流源模塊的輸出電流?？烧{電流源模塊的輸出電流范圍廣，能實現(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調制電路可以保持輸出電流穩(wěn)定不變。因此，可調垣流源模塊能夠根據(jù)單片機的控制信號穩(wěn)定并且準確地控制阻尼器的電流?？烧{恒流源模塊的實物圖如圖5所示。

圖5　可調恒流源模塊實物圖

3　新型阻尼器溫度軟化效應補償控制實驗及結果

基于補償控制原理，對新型黏彈性阻尼器進行溫度軟化效應的補償控制試驗，試驗工況如表2所示，圖6為試驗裝置圖。試驗中，由溫控裝置對阻尼器進行溫度調節(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時溫度反饋控制電流輸出，產(chǎn)生磁流變效應，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，從而彌補高溫對阻尼器性能的影響。

表2　補償控制試驗工況

圖6　補償控制實驗裝置

實驗目的是驗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補償控制策略的控制效果。對于前者，可將控制器實際輸出的電流值與由補償控制策略算得的預期電流值進行比較。而實際的補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償后的阻尼器單周期耗能Ed與期望達到的阻尼器在最優(yōu)使用溫度時相應的單周期耗能Ed（opt）進行比較，此時阻尼器的最優(yōu)使用溫度為0℃。

由于控制實驗的核心是根據(jù)最優(yōu)的參數(shù)指標得到需要調整的電流值，因此實際輸出的電流值必須接近目標的控制電流值，才能達到目標控制補償效果。實驗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測值，將其與預期值進行比較，部分比較結果如表3所示，可以看出電流預期值和實測值基本吻合，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　實測電流值與預期電流值比較

為了驗證補償控制效果，我們將阻尼器參數(shù)指標單周期耗能補償前后的值進行比較，圖7—圖10分別為加載頻率為1 Hz及2 Hz工況下補償前后阻尼器的滯回曲線以及單周期耗能值的對比。可以明顯看出補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，控制試驗達到了通過溫度的采集，實時改變阻尼器輸入電流，從而改變耗能性能，彌補其溫度軟化效應的效果。

圖7　頻率為1 Hz時補償前后阻尼器的滯回曲線

圖8　頻率為2 Hz時補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償效果

圖10　頻率為2 Hz時阻尼器單周期耗能的補償效果

4　結語

本文設計制作了基于磁流變液智能材料的新型黏彈性阻尼器，提出運用磁流變液的流變效應來補償黏彈性材料的溫度軟化效應的方法。之后研制出了基于脈寬調制技術的新型阻尼器智能控制器件，并進行了新型阻尼器溫度補償控制實驗。結論表明，所研制出的阻尼器溫度補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償電流進行調整，且控制電流的實測情況和預期情況吻合，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)黏彈性阻尼器構造簡單，造價便宜，性能可靠的特點，同時可以通過控制輸入電流來補償黏彈性材料的溫度軟化效應；拓展了黏彈性材料的應用領域，是一種具有良好應用前景的智能減振裝置。對黏彈性體阻尼器在結構抗振方面的應用具有重要的意義。

［1］吳波，郭安薪.黏彈性阻尼器的性能研究［J］.地震工程與工程振動，1998，18（2）：108-116.

［2］周云，徐趙東，鄧雪松.黏彈性阻尼器的性能試驗研究［J］.振動與沖擊，2001，20（3）：73-77+103.

［3］RABINOW J.The magnetic fluid clutch［J］.AIEE Transactions，1948（67）：1308-1315.

［4］Lord Corporation Product Brochure&Technical Report ［R］.2004.

［5］余淼，李傳兵，廖昌榮，等.基于DSP的磁流變阻尼器的控制方法［J］.半導體技術，2001（9）：63-66+72.

［6］陳軍，蕭蘊詩，岳繼光，等.基于M68HC08的磁流變阻尼器控制系統(tǒng)設計［J］.微計算機信息，2004（1）：25-26.

［7］李一平.一種磁流變阻尼器的可控電流驅動器及其應用［J］.科技資訊，2010，（7）：46.

［8］CAZENOVEJ.Anumericalandexperimental investigationonself-heatingeffectsinviscoelastic dampers［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2012（270：433-445.

［9］OVALLE R C.A finite strain thermo-viscoelastic constitutivemodeltodescribetheself-heatingin elastomeric materials during low-cycle fatigue［J］.Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2014（64）：396-410.

［10］NOBUHIKOHAGIWARA，SATSUYASODA，HISAAKI LMAZATO，et al.Experimental study on a temperature control system for viscoelastic dampers［C］. 13 th World Conference on Earthquake Engineering Canada，2004.

［11］隋杰英，程文瀼，常業(yè)軍.大溫差黏彈性阻尼器試驗研究［J］.建筑結構，2006（7）：30-31+70.

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

國家自然科學基金資助項目（51178368；51478372）

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