专利名称：斜拉桥拉索振动实行主动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于斜拉桥拉索振动控制技术领域，具体涉及一种基于磁致伸缩作动器的斜拉桥拉索振动实时主动控制系统。
背景技术：
拉索是斜拉桥的主要受力构件，承受着斜拉桥几乎所有的恒载和活载。由于其具有大柔度、小质量及小阻尼的特点，在风、风雨、支座振动等动力荷载激励下极易发生多种形式的有害振动。拉索的振动特别是风雨振、参数共振等引起的大幅振动容易引起索的疲劳，在索锚结合处产生疲劳裂纹，破坏索的防腐蚀系统，严重的还会造成索的失效，造成重大的财产损失。索的振动还会引起司乘人员的不舒适和对桥的安全性产生怀疑，引起社会恐慌。因此，研究大跨度斜拉桥拉索减振技术对于确保运营安全具有重要意义。现有拉索振动控制主要方法有空气动力学措施、机械阻尼减振、辅助索与主动控制等。国内外学者已采用压电作动器，通过在拉索锚固端施加沿拉索轴向的控制力，实现变刚度控制，提出了模态控制方法，并开展了试验研究；Gattulli等采用压电作动器在锚固端施加轴向控制力， 提出了多点优化控制的方法，进行了仿真和试验研究，具备一定的技术优势，但因其存在设备昂贵、复杂性以及可靠性等问题，仍没有得到实际应用。磁致伸缩作动器(Magnetostrictive actuator, MSA)是一种新型的智能控制元件，它利用稀土超磁致伸缩材料(GMM)在磁场的作用下磁致伸缩应变量大、能量密度高以及响应速度快等优点，具有结构紧凑、输出功率大的特点。超磁致伸缩材料最好的是分子式为 TbO. 27DyO. 73Fe2的Terfernol合金(即Terfernol-D棒)，其伸缩量是压电陶瓷的几十倍， 最大可达1500-2000ppm。采用智能材料GMM制作的减振驱动装置用于主动控制具有出力大、能耗小、反应迅速等特点。本申请专利采用磁致伸缩作动器进行斜拉桥拉索主动控制系统的研究，具有广阔前景的拉索减振技术。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种基于磁致伸缩作动器进行斜拉桥拉索振动实时主动控制系统体系。本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的该斜拉桥拉索振动实行主动控制系统，它包括一个安装于斜拉桥的拉索锚垫板之上并与锚垫板断开的拉索螺母，拉索螺母是一个圆环凹槽形的构件，其槽口对着锚垫板；拉索螺母内对称于拉索两边分别安装有一个磁致伸缩作动器，拉索螺母上相对于磁致伸缩作动器的中心处设有调节螺栓，调节螺栓顶住磁致伸缩作动器上部中心处的输出杆，使磁致伸缩作动器紧压在锚垫板上；在拉索上安装有一个传感器，传感器与一个实时控制设备相连，实时控制设备通过计算机控制算法作出分析和计算，且其输出端连接到电流放大器的输入端，电流放大器的输出端与磁致伸缩作动器相连，通过控制磁致伸缩作动器的电流大小，来调节磁致伸缩作动器通过锚垫板作用于拉索上的主动力，以减小拉索的振动。
更具体地说，所述磁致伸缩作动器是一个以磁致伸缩棒为轴心的轴对称结构体， 磁致伸缩棒的两端连接有导磁片，围绕磁致伸缩棒及导磁片外依次设有内线圈骨架和外线圈骨架，内线圈骨架绕有励磁线圈，外线圈骨架绕有偏置线圈；所述磁致伸缩棒、导磁片、励磁线圈和偏置线圈均设在由导磁上盖、导磁内壁和导磁下盖构成的导磁内壳里，磁致伸缩棒下端的导磁片与导磁下盖相接触；导磁内壳外还相应设有由非导磁上盖、非导磁外壁和非导磁下盖构成的非导磁外壳；导磁下盖底部中心处设有一凸块，该凸块与非导磁下盖中心上设有的一个凹槽相嵌；磁致伸缩棒上端的导磁片插入导磁上盖的中心孔内，十字架形的输出杆底部也插入导磁上盖的中心孔中，并与导磁片相抵，输出杆的上部从非导磁上盖的中心孔中伸出，在输出杆的横杆与非导磁上盖之间套有碟簧，用于给磁致伸缩棒提供预压力；在导磁上盖和非导磁外壁上设有导线孔；所述导磁上盖和导磁下盖分别与导磁内壁通过螺纹连接，非导磁上盖和非导磁下盖也分别与非导磁外壁通过螺纹连接；所述磁致伸缩棒采用超磁致伸缩材料即GMM制成。 所述电流放大器的输出电流范围是H本发明的工作原理是传感器将拉索振动的信号传输给本发明系统中的实时控制设备，经过实时控制设备的相应控制算法进行实时分析和控制分析后，将实时控制设备的反馈信号传输给电流放大器，电流放大器调节磁致伸缩作动器的电流大小，磁致伸缩作动器提供控制力，通过调节螺栓使磁致伸缩作动器紧密压在锚垫板上，磁致伸缩作动器的主动力通过锚垫板作用于拉索上，如此反复进行，从而达到对拉索的振动控制的目的。本发明将智能驱动材料GMM应用于拉索主动控制系统中，利用超磁致伸缩材料 (GMM)制作的驱动装置具有出力大、能耗小、反应迅速等优点，在控制过程中通过实时调节磁致伸缩作动器电流大小，来提供相应控制力的大小，方便、快捷地实现拉索的主动控制， 最终使拉索减振达到最优效果。本发明基于磁致伸缩作动器进行斜拉桥拉索的主动控制方法，对发展拉索减振控制系统，全面评估拉索主动控制效果，开发新的拉索减振技术具有重
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图1是本发明实施例的原理结构示意图。图2是图1中磁致伸缩作动器的结构图示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。参见图1，本实施例包括安装于斜拉桥的拉索锚垫板9之上并与锚垫板9断开的拉索螺母8，从图中可见，拉索螺母8是一个圆环凹槽形的构件，其槽口对着锚垫板9。在拉索螺母8内对称于拉索1两边分别安装有一个磁致伸缩作动器6，拉索螺母8上相对于磁致伸缩作动器6的中心处设有调节螺栓7，调节螺栓7顶住磁致伸缩作动器6上部中心处的输出杆，使磁致伸缩作动器6紧压在锚垫板9上。从图1中可见，在拉索1上安装有一个传感器2，传感器2与实时控制设备4相连，实时控制设备4通过计算机控制算法作出分析和计算，且其输出端连接到电流放大器5的输入端，电流放大器5的输出端与磁致伸缩作动器6 相连，通过控制磁致伸缩作动器6的电流大小，来调节磁致伸缩作动器6通过锚垫板9作用于拉索1上的主动力，以减小拉索1的振动。 参见图2，本实施例磁致伸缩作动器6是一个以磁致伸缩棒20为轴心的轴对称结构体，由图可见，磁致伸缩棒20的两端连接有导磁片17，围绕磁致伸缩棒20及导磁片17外依次设有内线圈骨架13和外线圈骨架14，内线圈骨架13绕有励磁线圈15，外线圈骨架14 绕有偏置线圈16。磁致伸缩棒20、导磁片17、励磁线圈15和偏置线圈16均设在由导磁上盖10、导磁内壁11和导磁下盖12构成的导磁内壳里，并且，磁致伸缩棒20下端的导磁片 17与导磁下盖12相接触。导磁内壳外还相应设有由非导磁上盖22、非导磁外壁23和非导磁下盖24构成的非导磁外壳。在导磁下盖12底部中心处设有凸块，该凸块与非导磁下盖 24中心上设有的凹槽相嵌。磁致伸缩棒20上端的导磁片17插入导磁上盖10的中心孔内， 十字架形的输出杆19底部也插入导磁上盖10的中心孔中，并与导磁片17相抵，输出杆19 的上部从非导磁上盖22的中心孔中伸出，在输出杆19的横杆与非导磁上盖22之间套有碟簧18，用于给磁致伸缩棒20提供预压力。在导磁上盖10和非导磁外壁23上设有导线孔， 用于将线圈的导线伸出。导磁上盖10和导磁下盖12分别与导磁内壁11通过螺纹连接，非导磁上盖22和非导磁下盖24也分别与非导磁外壁23通过螺纹连接。上述磁致伸缩棒20 采用超磁致伸缩材料即GMM制成。本实施例中，电流放大器5的输出电流范围是H本实施例中，计算机控制算法采用的是经典线性最优算法，其目标函数满足式 (1)
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其中，^(劝表示主动控制力矢量，t表示激励时间，[gj表示系统状态矢量的权矩阵， [R]表示系统控制力矢量的权矩阵，{m}表示系统的状态矢量。本实施例中，磁致伸缩作动器6安装在拉索螺母8内，调节调节螺栓7使磁致伸缩作动器6紧密压在锚垫板9上，且拉索螺母8与所述锚垫板9之间是断开的。传感器2将拉索1振动的信号传输给该系统中的实时控制设备4，经实时控制设备4的相应控制算法进行实时分析和控制计算，判断是否需要控制，若需要控制，则该系统中的实时控制设备4输出电流控制信号，传输至电流放大器5，电流放大器5的电流大小决定磁致伸缩作动器6的主动控制力，并且其主动控制力施加于锚垫板9，使拉索1的动力响应得到一定的减小，拉索1振动信号又传输给实时控制设备4，从而开始新一轮的控制，如此循环下去，直至所述拉索1的振动达到控制的目标。
权利要求
1.一种斜拉桥拉索振动实行主动控制系统，其特征在于它包括一个安装于斜拉桥的拉索锚垫板之上并与锚垫板断开的拉索螺母，拉索螺母是一个圆环凹槽形的构件，其槽口对着锚垫板；拉索螺母内对称于拉索两边分别安装有一个磁致伸缩作动器，拉索螺母上相对于磁致伸缩作动器的中心处设有调节螺栓，调节螺栓顶住磁致伸缩作动器上部中心处的输出杆，使磁致伸缩作动器紧压在锚垫板上；在拉索上安装有一个传感器，传感器与一个实时控制设备相连，实时控制设备通过计算机控制算法作出分析和计算，且其输出端连接到电流放大器的输入端，电流放大器的输出端与磁致伸缩作动器相连，通过控制磁致伸缩作动器的电流大小，来调节磁致伸缩作动器通过锚垫板作用于拉索上的主动力，以减小拉索的振动。
2.根据权利要求1所述的斜拉桥拉索振动实行主动控制系统，其特征在于所述磁致伸缩作动器是一个以磁致伸缩棒为轴心的轴对称结构体，磁致伸缩棒的两端连接有导磁片，围绕磁致伸缩棒及导磁片外依次设有内线圈骨架和外线圈骨架，内线圈骨架绕有励磁线圈，外线圈骨架绕有偏置线圈；所述磁致伸缩棒、导磁片、励磁线圈和偏置线圈均设在由导磁上盖、导磁内壁和导磁下盖构成的导磁内壳里，磁致伸缩棒下端的导磁片与导磁下盖相接触；导磁内壳外还相应设有由非导磁上盖、非导磁外壁和非导磁下盖构成的非导磁外壳；导磁下盖底部中心处设有一凸块，该凸块与非导磁下盖中心上设有的一个凹槽相嵌； 磁致伸缩棒上端的导磁片插入导磁上盖的中心孔内，十字架形的输出杆底部也插入导磁上盖的中心孔中，并与导磁片相抵，输出杆的上部从非导磁上盖的中心孔中伸出，在输出杆的横杆与非导磁上盖之间套有碟簧，用于给磁致伸缩棒提供预压力；在导磁上盖和非导磁外壁上设有导线孔；所述导磁上盖和导磁下盖分别与导磁内壁通过螺纹连接，非导磁上盖和非导磁下盖也分别与非导磁外壁通过螺纹连接；所述磁致伸缩棒采用超磁致伸缩材料即 GMM制成。
3.根据权利要求1或2所述的斜拉桥拉索振动实行主动控制系统，其特征在于所述电流放大器的输出电流范围是-3A 3A。
全文摘要
本发明公开了一种基于磁致伸缩作动器的斜拉桥拉索振动实时主动控制系统。本发明包括一个安装于锚垫板之上并与锚垫板断开的拉索螺母，拉索螺母内对称于拉索两边分别安装有一个磁致伸缩作动器，拉索螺母上的中心处设有调节螺栓，调节螺栓顶住磁致伸缩作动器上部的输出杆，使磁致伸缩作动器紧压在锚垫板上；在拉索上安装有一个传感器，传感器与一个实时控制设备相连，实时控制设备通过计算机控制算法作出分析和计算，且其输出端连接到电流放大器的输入端，电流放大器的输出端与磁致伸缩作动器相连。本发明通过控制磁致伸缩作动器的电流大小，来调节锚垫板作用于拉索上的主动力，以减小拉索的振动。
文档编号E01D19/16GK102359068SQ20111032411
公开日2012年2月22日 申请日期2011年10月23日 优先权日2011年10月23日
发明者孙洪鑫, 张贤才, 王修勇 申请人:湖南科技大学