黏弹性阻尼器温度软化效应补偿控制

刘文斌，涂建维

黏弹性阻尼器温度软化效应补偿控制

刘文斌，涂建维

（武汉理工大学 道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉 430070）

提出新型黏弹性阻尼器温度软化效应的补偿与控制策略，通过控制试验检验智能控制器精度及温度软化效应补偿控制效果。据此研制出基于脉宽调制技术的温度补偿智能控制器，结果表明，智能控制器精度较高，所提出的温度补偿控制策略可以很好地补偿黏弹性阻尼器温度软化效应，控制器精度与补偿效果均能满足阻尼器实际工作要求。

振动与波；黏弹性阻尼器；温度软化效应；补偿控制策略；智能控制器；脉宽调制

黏弹性阻尼器是一种构造简单，造价便宜，性能可靠的被动减振装置，在实际工程中应用广泛。然而，传统黏弹性阻尼器的耗能特性会随着温度的升高而急剧下降，即存在明显的温度软化效应［1-2］，此缺陷制约了黏弹性阻尼器的发展与应用。磁流变液是一种智能材料，外加磁场可以使其由黏性特征逐步向弹性特征转化，即磁流变液存在明显的流变效应［3］。因此，设计制作了基于磁流变液智能材料的新型黏弹性阻尼器，提出运用磁流变液的流变效应来补偿黏弹性材料的温度软化效应。

新型黏弹性阻尼器的原理与实物如图1所示。在黏粘弹性材料发生往复剪切变形时，磁流变液也要从磁流变阀处往复流动。当温度升高时，黏弹性材料由弹性特征逐步向黏性特征转化，储能模量与损耗模量迅速下降，这时我们可以通过增大磁流变阀处的外加磁场，使得磁流变液由黏性特征逐步向弹性特征转化，从而补偿黏弹性材料损失的储能模量和损耗模量。反之，当温度降低时，可以逐步减小外加磁场，让黏弹性阻尼器在各种温度环境下都能始终保持最佳温度时的性能。

在对新型黏弹性阻尼器进行温度软化效应的补偿控制时，需要确定补偿控制策略并设计制作精确的控制器。Lord公司为磁流变阻尼器研制出了Rheonetic系列控制器，有手动调节和外加电压控制调节两种方式［4］。余淼等以美国德州仪器公司推出的16位定点通用数字信号处理芯片为核心开发出了精确可控的电流控制器［5］。陈军等提出了一种基于M68HC08 MCU的磁流变阻尼器控制系统设计方法［6］。李一平提出了一种磁流变阻尼器的可控电流驱动器的设计思路，并对其进行了实验验证［7］。本文在上述研究基础上，提出了新型黏弹性阻尼器温度软化效应的补偿控制策略，并研制了一种基于脉宽调制技术的温度补偿控制器来实现此功能，具有电路简单、易于控制，性能稳定的优点。

图1　新型黏弹性阻尼器的温度软化效应补偿原理和实物

1　新型黏弹性阻尼器的补偿控制策略

利用磁流变效应来补偿黏弹性材料的温度软化效应，使得新型黏弹性阻尼器的耗能特性在各种温度下均可以保持在最优温度时的状态。为了达到此目的，新型阻尼器的控制策略必须根据最优的参数指标得到需要实时调整的电流值。

将阻尼器在一个往复运动周期内的单周耗能Ed作为黏弹性阻尼器耗能特性的参数指标，根据黏弹性阻尼器的性能试验数据，对Ed采用多元回归分析来拟合，得到如下表达式

式中ω、T和γ0分别表示加载频率、环境温度以及应变幅值。

图2比较了回归分析结果与试验结果，说明式（1）可以很好地描述自制阻尼器单周期耗能与温度之间的关系。

图2　单周期耗能回归结果与试验结果比较

由于温度、加载频率是影响阻尼器性能的主要因素，故主要考虑这两个因素变化下阻尼器的补偿控制策略，应变幅值恒定为40%。以单周期耗能Ed为参数指标，为确定输入电流大小与由磁流变效应产生的磁致耗能的具体关系，将输入电流后新型阻尼器的单周期耗能数值减去常规黏弹性阻尼器的相应值，可以近似地得到磁流变效应可调部分的耗能，即磁致耗能ΔEd，其与电流大小有关。通过已知的试验数据，将40%应变幅值各工况下的ΔEd取均值得到ΔEˉd，可以拟合出ΔEˉd与电流I之间的函数关系

结合式（1）、式（2），则新型阻尼器在各工况下所提供的总的单周期耗能为

为使新型阻尼器在任何温度下工作，通过电流的补偿都能达到最优温度下的耗能效果，从而弥补常规黏弹性阻尼器的温度软化效应。假设阻尼器在最优使用温度0℃下的单周期耗能为Ed（opt），则不同频率下阻尼器都对应有一个该频率下最佳温度时的最优耗能值Ed（opt），将其列于表1中。故只需式（3）中的单周期耗能Ed与相应频率下的Ed（opt）相等，即可实现对单周期耗能的实时补偿控制。

理论上，在试验中能够通过检测到的阻尼器温度以及加载频率这两个实时输入状态，得到需要对新型阻尼器输入的电流值这个输出状态，从而实现对阻尼器性能的实时补偿效果。然而在实际加载中，由于液压伺服机在每个加载工况下的加载频率一定，只有通过温控装置对阻尼器进行实时温度调节，故每次加载中，实际仅需要通过温度的实时输入状态，而得到需补偿的电流值这一输出状态，即采用单输入-单输出的补偿控制策略。

表1　不同加载频率下相对应的最优单周期耗能值

2　新型黏弹性阻尼器智能控制器的研制

由于常规黏弹性阻尼器性能受温度影响较为显著，其耗能能力随温度升高而逐渐下降。为了弥补阻尼器在高温下性能的不足，可以通过调节外加磁场能使新型阻尼器中的磁性颗粒产生磁流变效应，来补偿黏弹性材料的温度软化效应，从而能够减小黏弹性阻尼器受环境因素的影响，使其在各种温度下都能够保持最优温度时的耗能特性。因此，如何根据黏弹性材料的实时温度得到稳定的输入控制电流是设计温度补偿控制器的关键。

图3是补偿控制器的系统框图，控制器主要由单片机控制模块和可调电流源模块组成。单片机控制器和温度传感器组成了单片机控制模块，其功能是通过温度传感器采集阻尼器的实时温度，单片机经过控制算法计算得到当前温度下需要的输出电流，并将该电流控制信号Iref通过DAC数模转换器输出给可调电流源模块。可调恒流源模块包括PI调节器、PWM调制电路、功率电路和电流检测电路。电流检测电路检测流过阻尼器的电流，并经过滤波处理产生实际流过阻尼器的平均电流If。PI调节器根据Iref和If两者的误差信号产生一个电压控制信号对PWM脉宽控制器进行脉宽调制。通过控制输出PWM调制电路的占空比改变功率电路的脉宽从而改变阻尼器的输入电流。

图3　智能控制器原理图

单片机控制模块能够以5毫秒一次的频率采集温度传感器检测到的温度信号，并在单片机内部实现控制算法的计算功能，计算对应温度下所需要补偿控制电流，并通过单片机的模拟信号输出口将控制信号输出。单片机控制模块实现了温度采集，控制电流计算输出的功能。单片机控制模块实物如图4所示。

图4　单片机控制板实物图

由于单片机控制模块输出电流的能力有限，不能将其直接输入到阻尼器。可调垣流源模块的主要功能就是实现将单片机输出的模拟电流控制信号转换为实际的电流输出信号。可调垣流源模块的模拟信号控制端口能够接收模拟的电流控制信号，并根据控制信号的大小设置垣流源模块的输出电流。可调电流源模块的输出电流范围广，能实现0 A到3 A的电流输出。其受供电电源影响小，供电电源发生小范围变化时，PWM调制电路可以保持输出电流稳定不变。因此，可调垣流源模块能够根据单片机的控制信号稳定并且准确地控制阻尼器的电流。可调恒流源模块的实物图如图5所示。

图5　可调恒流源模块实物图

3　新型阻尼器温度软化效应补偿控制实验及结果

基于补偿控制原理，对新型黏弹性阻尼器进行温度软化效应的补偿控制试验，试验工况如表2所示，图6为试验装置图。试验中，由温控装置对阻尼器进行温度调节，使阻尼器的工作温度在0℃～70℃之间变化，智能控制器由采集到的阻尼器实时温度反馈控制电流输出，产生磁流变效应，使得新型阻尼器在不同温度工作下均能保持其在最佳温度时的耗能特性，从而弥补高温对阻尼器性能的影响。

表2　补偿控制试验工况

图6　补偿控制实验装置

实验目的是验证智能控制器件的精度以及所提出的新型阻尼器温度软化效应补偿控制策略的控制效果。对于前者，可将控制器实际输出的电流值与由补偿控制策略算得的预期电流值进行比较。而实际的补偿控制效果需要反映到新型阻尼器的耗能性能上，可将各频率时不同温度下补偿后的阻尼器单周期耗能Ed与期望达到的阻尼器在最优使用温度时相应的单周期耗能Ed（opt）进行比较，此时阻尼器的最优使用温度为0℃。

由于控制实验的核心是根据最优的参数指标得到需要调整的电流值，因此实际输出的电流值必须接近目标的控制电流值，才能达到目标控制补偿效果。实验中我们采集到各温度下控制器提供给阻尼器的输出电流的实测值，将其与预期值进行比较，部分比较结果如表3所示，可以看出电流预期值和实测值基本吻合，绝对误差不超过0.01 A，最大相对误差仅为5.3%，精度较高，故此智能控制器能够满足阻尼器的工作需要。

表3　实测电流值与预期电流值比较

为了验证补偿控制效果，我们将阻尼器参数指标单周期耗能补偿前后的值进行比较，图7—图10分别为加载频率为1 Hz及2 Hz工况下补偿前后阻尼器的滞回曲线以及单周期耗能值的对比。可以明显看出补偿后各温度下阻尼器的单周期耗能Ed都得到提高，并接近该频率下最优使用温度时的值Ed（opt）。因此，控制试验达到了通过温度的采集，实时改变阻尼器输入电流，从而改变耗能性能，弥补其温度软化效应的效果。

图7　频率为1 Hz时补偿前后阻尼器的滞回曲线

图8　频率为2 Hz时补偿前后阻尼器的滞回曲线

图9　频率为1 Hz时阻尼器单周期耗能的补偿效果

图10　频率为2 Hz时阻尼器单周期耗能的补偿效果

4　结语

本文设计制作了基于磁流变液智能材料的新型黏弹性阻尼器，提出运用磁流变液的流变效应来补偿黏弹性材料的温度软化效应的方法。之后研制出了基于脉宽调制技术的新型阻尼器智能控制器件，并进行了新型阻尼器温度补偿控制实验。结论表明，所研制出的阻尼器温度补偿智能控制器件电路简单、易于控制，能够根据检测到的阻尼器温度对阻尼器输入的补偿电流进行调整，且控制电流的实测情况和预期情况吻合，智能控制器件的精度较高，能够满足阻尼器的工作要求。

同传统的黏弹性阻尼器相比，本文提出的基于磁流变液智能材料的新型黏弹性阻尼器，既具有传统黏弹性阻尼器构造简单，造价便宜，性能可靠的特点，同时可以通过控制输入电流来补偿黏弹性材料的温度软化效应；拓展了黏弹性材料的应用领域，是一种具有良好应用前景的智能减振装置。对黏弹性体阻尼器在结构抗振方面的应用具有重要的意义。

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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编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.042

1006-1355（2016）03-0205-05

2015-11-13

国家自然科学基金资助项目（51178368；51478372）

涂建维（1975-），男，湖北人，博士，研究员。主要从事土木程结构振动控制及特种混凝土结构方面的研究。E-mail：waider1@163.com