磁流变阻尼器隔震结构的模糊控制仿真与分析

摘" 要：该研究通过对配置磁流变（MR）阻尼器的4层框架基础隔震结构进行建模，系统讨论该结构在2种控制策略作用下的隔震性能。结果表明，相较于经典的bang-bang控制策略，采用模糊控制策略能同时降低结构在地震作用下的基底位移与上部结构的加速度响应，从而实现隔震性能的显著提升。

关键词：模糊控制；磁流变阻尼器；隔震结构；地震响应；仿真分析

中图分类号：TU352.11" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

基础隔震结构通过在建筑物基础与上部结构间设置隔震层，延长结构的自振周期，达到降低结构加速度响应的目的[1]。常见的隔震层结构采用内含铅芯的橡胶隔震支座附加阻尼装置[2]，其中，MR阻尼器凭借装置简单、响应快、阻尼力大和能耗小等优势成为隔震层的优选组件[3]。MR阻尼器的工作原理：通过调节输入阻尼器的电流来改变其内部的磁场强度，引发磁流变液黏度的变化，进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会直接影响阻尼器的性能表现，进而影响对隔震结构的控制效果。因此，本研究深入探讨了2种不同控制策略对该结构隔震性能的具体影响：一是经典的bang-bang控制策略，它基于简单的阈值逻辑，通过迅速切换阻尼器的状态以实现隔震效果；二是更为先进的模糊控制策略，该策略利用模糊逻辑理论，能够根据实时监测到的地震动参数和结构响应，灵活调整阻尼器的输入电流，从而实现对结构震动的更精细控制。

1" 隔震系统

1.1" 隔震结构模型

如图1所示，本研究采用4层混合式基础隔震建筑模型来评估地震响应。隔震层由4个完全相同的直径为100 mm的天然橡胶支座及4个MR阻尼器组成。隔震系统的运动方程为

1.2 MR阻尼器的力学模型

为了更好地描述 MR 阻尼器的非线性特性，本研究采用了Bouc-Wen模型来评估其力学性能，该模型因能通过参数识别精准捕捉滞回动力响应状态，从而得到广泛应用。因此，MR阻尼力F可用Bouc-Wen模型（表1）表达为

1.3" 地震动输入

为了评估MR阻尼器在不同控制策略下的性能，选用了4条地震波作为输入激励，分别是远断层地震动记录中的EI-Centro波、近断层地震动记录中的Ji-Ji、Kobe_FN和Kobe_FP波。考虑到支座安全，需要对地震加速度进行调幅，其中Ji-Ji波的峰值加速度被调至1.5 g，而剩余3个地震动峰值加速度被统一调至3 g，调幅后的加速度反应谱如图2所示。

2" 控制策略

2.1" Bang-bang控制

经典的bang-bang控制策略是一种基于二进制逻辑的简化控制算法，其核心思想在于实施一种直接的“开-关”操作机制。当隔震层位移x和速度■符号相同时，增大输入阻尼器的电流，反之，则关闭电流。其控制方程如下

2.2" 模糊控制

模糊控制是一种基于模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理原理的智能控制方法。该方法不依赖于被控对象的精确数学模型，而是巧妙地总结专家知识和经验来执行直观、有效的控制，因此在结构震（振）动控制领域得到广泛应用。模糊控制的设计过程分为4个阶段：①确定输入和输出变量，并界定其基本论域范围；②定义隶属度函数，将输入精确值转换为模糊值；③编写推理规则并将输入变量映射为输出变量；④将输出的模糊量转换为精确量[5-6]。

本研究采用单输入单输出的模糊控制系统，旨在优化隔震系统的性能。具体而言，系统的输入被设定为位移x和速度■的乘积，这一复合指标能够综合反映结构的震动状态；而输出则设定为阻尼器的控制电流。采用三角函数来表征输入输出的模糊集合的隶属度，如图3和图4所示。其中，语言变量negative、zero和positive分别对应于输入变量的负值、零值及正值状态，而low和high则分别代表了控制电流的低水平和高水平。

3" 仿真结果分析

为了全面且系统地评估2种不同的控制策略在4层隔震结构中的控制性能表现，本研究采用MATLAB对目标结构进行数值仿真分析，在此分析过程中，特别选取了具有代表性和实用价值的性能指标，即峰值基底位移与峰值加速度，作为衡量控制效果的关键依据。仿真结果见表2。通过对比分析可以发现，在面对这4种地震波输入时，模糊控制策略相较于经典的bang-bang控制策略，展现出了更为优越的控制性能，不仅能够有效地限制并减小基底位移的峰值，还能够大幅度地降低加速度响应的峰值，从而在多个维度上提升隔震结构的整体抗震性能。具体而言，在模糊控制策略下，峰值基底位移相较于bang-bang控制策略的最大降幅可达26.09%，更为显著的是，峰值加速度的最大降幅更是高达50.29%，这一结果有力表明，简单地在最大值与最小值之间切换MR阻尼器的电流，反而可能加剧结构的响应，凸显了模糊控制在提升隔震结构稳定性方面的显著优势。

4" 结论

本研究采用了单输入单输出的模糊控制系统作为核心控制策略，该系统反馈信息少，控制规则相对简单，从而在仿真过程中展现出高效的计算速度。通过实施这一控制机制，系统能够显著地抑制基底位移和上部结构的加速度响应，控制效果优于经典的bang-bang控制，这对于提升结构在地震作用下的整体稳定性具有重要意义。此外，该系统还展现出了在不同地震输入条件下的广泛适应性，即无论是面对远断层地震还是近断层地震，系统均能保持稳定的控制性能，这一特性极大地拓宽了其在实际工程应用中的潜在价值。综上所述，本研究提出的单输入单输出模糊控制系统不仅优化了控制隔震结构的效率，还显著增强了其在复杂地震环境下的实用性和可靠性。

参考文献：

[1] 李春祥，龙秋雨，曹黎媛.混合基础隔震体系优化设计及性能[J].振动工程学报，2024，37（1）：137-147.

[2] 杨卫星，刘曦.基于调谐惯容阻尼器的基础隔震结构性能优化研究[J].广州建筑，2023，51（6）：25-28.

[3] PARLAK Z， SAHIN I， PARLAK N. One-way coupled numerical model utilizing Viscoelastic Maxwell model for MR damper[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2022，33（19）：2391-2404.

[4] 贝伟明，李宏男.采用磁流变阻尼器的地震结构模糊控制[J].自然灾害学报，2006（4）：172-176.

[5] RAYEGANI A， NOURIG.Application of smart dampers for prevention of seismic pounding in isolated structures subjected to Near-fault earthquakes[J].Journal of Earthquake Engineering，2020，26（8）：4069-4084.

[6] 赵大海，李永兴，李宏男，等.基于多级模糊控制的半主动隔震结构减震研究[J].振动与冲击，2016，35（13）：78-84.