（飞行器设计专业论文）起落架磁流变减震器控制算法及电路研究.pdf

中国民航丈学硕士学位论文 摘要 由磁流变液制成的半主动减震器响应速度快、功耗低、阻尼力大且连续可调，安全 性高，是一种典型的可控流体减震器，适用于结构振动控制及车辆悬架系统振动控制的 减震器。目前在振动控制中常采用半主动控制方法，这是由半主动控制无需附加能源、 能耗低、容易实现等特点决定的。在安装有磁流变减震器的减震系统中，通过改变阻尼 器的阻尼系数，可实现减震系统的半主动控制。本文对磁流变阻尼器的振动特性和半主 动控制方法进行了研究。 首先对自行设计的、多环形槽结构磁流变减震器进行了振动特性分析。从振动力学 的角度建立减震器的力学模型，进行了简谐激励下的受迫振动分析，得到系统振动特性 的传递率曲线。利用振动实验台对减震器的振动特性进行了实验，验证减震器设计合理 性；结合理论分析，优化减震器结构参数。 然后从模糊控制理论知识控制理论出发，设计了磁流变减震器阻尼力的模糊控制算 法。利用开关电源的d c d c 变换原理设计磁流变减震器励磁线圈的驱动电路。利用振 动实验台，比较被动控制和基于模糊控制的半主动控制下减震系统的减震效果。结果表 明：基于模糊控制的半主动控制是可行的，减震效果比被动控制的减震效果好。 关键词：磁流变减震器；模糊控制；开关电源；半主动控制 中国民航人学硕士学位论文 a b s t r a c t m m a g n e = t o r h e o l o g i c a l r ) f l u i da b s o r b e rh a sa d v a n t a g e so fs a f e ，l o wp o w e r , 、i d e d y n a m i cr a n g e sa n df a s tr e a c t i o n i ti sat y p i c a lc o n t r o l l a b l ef l u i da b s o r b e r i ti ss u i t a b l ef o r v i b r a t i o nr e d u c t i o no fs t r o g q u r e sa n dv e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e m s e m i - a c t i v ec o n t r o li so f t e n u s e di nv i b r a t i o nr e d u c t i o n t h e r ea r es o m ea d v a n t a g e si ns e m i - a c t i v ec o n t r o l ，w i t h o u te n e r g y s o u r c e ，e a s yg o i n g , e t c s e m i - a c t i v ev i b r a t i o nr e d u c t i o ni si ne f f e c tb yc h a n g i n gt h ed a m p c o e f f i c i e n to fm rf l u i da b s o r b e ri nv i b r a t i o nr e d u c t i o ns y s t e m t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n d t h es e m i - a c t i v ec o n t r o lm e t h o do f m rf l u i d a b s o r b e rw e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r 1 1 1 ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fm u l t i - r i n gg r o o v e ss t r u c t u r em rf l u i da b s o r b e rh a v eb e e n c o n s t r u c t e di nt h i sp a p e r 1 1 v i b r a t i o nm e c h a n i c sm o d e lo ft h ea b s o r b e ri se s t a b l i s h e d t h ef o r c e d o s c i l l a t i o na n a l y z e si sc a r d e do nu n d e rs i m p l eh a r m o n i c sd r i v e s t h et r a n s m i t t a n c ec u r v eo fs y s t e m v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci so b t a i n e d b yt h ev i b r a t i o nt e s t - b e dt h ea b b c r sv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci s e x p e r i m e n t e d ，a n dt h ea b s o r b e rd e s i g ni sp r o v e dt ob er a t i o n a l 。u n d e rt h eu n i o nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e a b s o r b e rd e s i g np a r a m e t e r si so p t i m i z e d 。 t h e nc o n t r o la l g o r i t h mi sd e s i g n e db yu s i n gf u z z yc o n t r o lt h e o r y t h ea c t u a t i o ne l e c o i cc i r c u i to f e x c i t i n gc o i li sd e s i g n e db yu s i n gt h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yt h e o r y u s i n gt h ev i b r a t i o nt e s t - b e d , t h e v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fp a s s i v ec o n t r o la b s o r b e ri sc o m p a r e dw i t ht h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f s e m i a c t i v ec o n t r 0 1 i ti si n d i c a t e dt h a ts e m i - a c t i v ev i b r a t i o nr e d u c t i o nb a s e do nf u z z yc o n t r o l h a sa na d v a n t a g eo v e rp a s s i v ec o n t r 0 1 s e m i - a c t i v ec o n t r o lb a s e do nf u s s yc o n t r o lt a k e s 姐 e f f e c t i v ep e r f o r m a n c ei nm rf l u i da b s o r b e rv i b r a t i o nr e d u c t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：m rf l u i da b s o r b e r ；f u z z yc o n t r o l ；s w i t c h i n gp o w e r ；s e m i a c t i v ec o n t r o l ； 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国民航大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盆拿日期：翘：互：巧 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全 部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权中国民航大学研究生部办理。 研触躲卑导师虢盏啪期：埤；：挲 中国民航大学硕士学位论文 绪论 l 、前言 飞机在着陆时，地面要对飞机产生很大的冲击力。飞机在起飞和着陆滑跑过程中， 也会由于地面的不平而与地面发生碰撞使飞机颠簸振动，这对飞机的结构和飞行安全都 非常不利。为了减小地面对飞机的冲击力，抑制飞机在滑跑过程中的颠簸跳动，飞机上 常采用缓冲装置来减小冲击和振动载荷，吸收飞机着陆和滑跑时的撞击能量。 目前飞机广泛采用的是油气式减震器，其主要特点是利用气体的压缩变形来吸收能 量，并利用液体高速流过小孔的摩擦来消耗能量。小孔阻尼的阻尼系数是一个常值，一 旦设定好，就不能修改；而飞机降落，滑跑遇到的冲击都是随机的，冲击过猛有可能使 减震器过载。因此，为了取得较好的减震效果，目前大多数减震器的油孔面积在工作过 程中是可以改变的。最常用的变油孔装置就是活塞上加装一个变截面的油针，油针的面 积下大上小，从而根据需要改变油孔面积。变油孔措施部分改进了油气式减震器，但是 它阻尼变化比较固定，范围也比较小。随着航空业的发展和新材料新技术的出现，新型 的减震器逐渐出现。 应用磁流变液这样智能流体的起落架是一种非常有潜力的方法【l 】。磁流变液作为一 中新型智能材料，具有可控的流动性和响应时间快的优点。因此基于磁流变液的起落架 拥有阻尼力连续可控和控制范围大等特点磁流变液本文研究的主要内容是对磁力变液 在飞机减震器上的应用可行性和有效性进行探索。 2 、 磁流变液减震器国外发展历史和现状 1 9 4 7 年美国学者w i n s l o w w m 首次报道电流变效应的同时，人们也发现了磁流变 效应。1 9 4 8 年，r a b i n o w j 在设计磁流变离合器时发明了磁流变液。但在随后的几十年 里，对磁流变液的研究一直处于停滞状态，少有人注意到它的存在。而电流变液得到了 广泛的重视，并取得了很大的进展。由于电流变液的剪切屈强度提高幅度过大以及电源 电压过高等问题一直无法解决，因而自上世纪9 0 年代人们又开始研究磁流变液的特性 和应用。 美国的l o r d 公司在磁流变液的研制和应用上处于国际领先地位【2 】。他们研制的磁流 变液及各种装置已应用于商业生产中。l o r d 公司在1 9 9 5 年的第五届国际电流变液、磁 流变液及其相关技术研讨会上，展示了一种应用磁流变液的卡车座位减震器，减震器全 长1 5 c m ，在磁场区域内有效的流体量仅为0 3 e m 3 ，用于产生磁场的电力功耗为1 5 w 。 这种磁流变液减震器可以直接代替普通减震器，使卡车座位的振幅减小2 0 到5 0 ，大 大减小了卡车司机在矿山等崎岖道路上驾车的危险【3 1 。 美国马里兰大学航空工程系在磁流变减震器的设计方面一直处于领先地位，代表着 中国民航大学硕士学位论文 世界先进水平，他们也开发了充气补偿结构的汽车磁流变减震器，该减震器采用流动工 作模式，单筒结构，工作缸采用低碳钢来制作以便提高磁路的导磁率，活塞采用软磁材 料，线圈位于活塞内部，在工作缸内部采用浮动活塞来隔离补偿气体，阻尼力变化范围 是3 5 0 n 一1 5 0 0 n 。 韩国学者s e u n gb o kc h o i 开发了客车悬架系统磁流变减震器，该减震器是双筒结 构，其阻尼通道位于工作缸的两端，在减震器外设计了膜片隔离气体补偿器，并利用全 车模型设计了基于天棚阻尼的p i d 控制器，控制目标是垂直加速度达到最小；实验室测 试表明利用磁流变减震器可以大幅度提高车辆的安全性和舒适性，目前正在进行路道实 验。 德国的研究人员设计了长行程的磁流变减震器，并在减震器实验台上进行了测试。 研究表明：在长行程减震器中，剪切率达到一定的数值以后，磁流变液在阀中的压力损 失与剪切率基本无关，活塞速度太大将影响磁流变效应。 美国德尔福公司推出的磁流变减震器【4 1 是一种高性能、半主动控制系统。在实际控 制中，根据监测车身和车轮运动状况的传感器输入的信息，对路况和驾驶环境做出实时 响应，以便减少车身振动和增加了车轮在各种路面上的附着力。 美国宾夕法尼亚州立大学的f a r b a ng a n d h i 将磁流变减震器睁悃于直升机水平旋翼 叶片的振动控制，提高了其稳定性。 可见在国外磁流变液减震器的技术己相当成熟，有了一定的成果和产品。 3 、 国内发展历史和现状 在我国，对磁流变液的研究起步较晚。目前主要是高校研究较多。 重庆大学的廖昌荣、杨建春、陈伟民、黄尚廉等人对汽车用磁流变液减震器做了很 多研究。他们对影响磁流变液减震器性能的因素、设计准则、阻尼通道的设计、磁芯材 料的选择、阻尼力的计算以及体积补偿等问题做了深入的研究。他们还按照长安微型汽 车的技术要求设计了磁流变液减震器，并根据长安微型汽车前悬架减震器的技术条件进 行了实验测试1 6 j 。 哈尔滨工业大学的欧进萍、关新春、杨飚等人对磁流变液减震器在基础隔振方面做 了很多研究，提出了可调滞回模型的磁流变液减震器及其实验方法，进行理论分析、实 验和算例分析，还建立了阻尼力的b o u c w e n 模型，并有多篇论文发表【引。青岛海洋大 学的管友海、李华军、黄维平等人基于现代最优控制理论，建立海洋平台磁流变液半主 动控制系统的数学模型，对磁流变液减震器进行了参数设计，分析了它对海洋平台振动 控制的有效性，仿真结果表明，采用磁流变液减震器对海洋平台进行半主动控制能够有 效的减小平台的动态响应【9 】。 南京航空航天大学的郭大蕾、胡海岩等人对磁流变液减震器在车辆悬架半主动控制 中的应用做了一定的研究【lo j 。周丽、张志诚运用神经网络技术建立m r 阻尼器的神经网 络模型来模拟其逆向动态特性，并设计与之相适应的控制系统。建立起基于m r 阻尼器 2 中国民航太学硕士学位论文 的结构振动控制的有效性分析方法。通过数值仿真结果探讨所提出的结构控制策略的有 效性【1 1 1 。 国内在磁流变阻尼器方面虽有一定的进展，但与国外发达国家尚有一定差距，所研 制的磁流变阻尼器还处于实验阶段，远未达到商业化应用的程度。研究范围主要集中在 对汽车悬架控制及基础隔振等方面。 4 、本文研究内容及意义 1 、研究内容 本文的研究内容是国家自然科学基金资助项目( 项目编号：6 0 5 7 2 1 6 3 ) 的组成部分。 本文研究对象是自行设计的单杆双作用、环形节流通道、带蓄能器的流动与剪切混 合工作模式的磁流变减震器。阻尼器的活塞上开有若干个矩形齿状环形槽。在环形槽处 外加磁场垂直于活塞运动方向，当磁流变液流经环形通道时，由于磁场作用，磁流变液 的粘度变化会产生较大的阻尼力变化。 在阅读大量有关磁流变阻尼器和半主动控制减震文献基础上，分析了国内外对磁流 变阻尼器减震系统的研究历史与现状；在充分研究半主动悬架的发展历程与各种控制策 略的基础上，本文选择模糊控制策略作为磁流变阻尼器减震系统半主动控制的方法。 基于模糊控制理论，建立了磁流变阻尼器模糊控制器。利用振动实验台对自行设计 的磁流变减震器作了振动特性实验，检验了算法。 利用开关电源理论设计并制作磁流变减震器励磁驱动电路。 2 、研究意义 磁流变减震器的受控参数主要为随不同的外加磁场场强可实现连续变化的粘度值， 由此可获得连续可调的阻尼力。在外加磁场的作用下，阻尼力可在几毫秒之内实现连续 调节，与计算机结合，可实现减震系统的在线半主动控制，并且可以随外加振动激励的 变化输出与之匹配的阻尼力。同时因为半主动控制无需附加能源，具有能耗较低和容易 实现的特点，所以非常适合磁流变阻尼器减震系统的振动控制。 本文通过对自行设计的多环形槽结构磁流变减震器的振动特性进行了研究，建立基 于模糊控制的半主动控制算法，设计驱动电路。对半主动控制磁流变减震器进行实验研 究，为其在飞机上的应用提供参考 中国民航大学硕士学位论文 1 1 磁流变液的介绍 1 i 1 磁流变液研究现状 第一章磁流变减震器 磁流变液是新型的智能材料，主要参数一粘滞系数随着外磁场的变化而变化。 具体表现就是：没有外磁场作用的时候磁流变液呈现牛顿液体性质，服从牛顿内摩 擦定律；在一定的磁场范围( 存在外磁场而且外磁场没有饱和) 内，随着外磁场的增加粘 滞系数随之单调增加，屈服剪切应力也随之相应增加。在这一范围内，如果磁流变液承 受的剪切应力小于屈服剪切应力，磁流变液呈现出刚体的性质，服从剪切虎克定律：如 果磁流变液承受的剪切应力大于其自身屈服剪切应力，则呈现出塑性性质，服从b i n g h a m 模型。随着外磁场的撤消，又恢复原来的牛顿液体性质。正是由于该流体具有这种力学 性质随着外磁场的变化而变化的现象，我们把它称为磁流变液。 早在1 9 4 8 年，j a c o br a i n b o w 等人就开始对磁流变液进行研究【1 2 l 。由于当时计算机 技术和控制技术的落后，使得磁路设计和激磁电路设计方面存在的缺陷，难以较好解决， 从而导致在几十年内磁流变液的发展几乎陷于停滞。 近年来，随着计算机技术的发展，计算能力和控制能力都得到了极大地提高，上述 瓶颈被打破，磁流变液的研究得到了飞速发展。现在，对磁流变液的研究方兴未艾，在 国外有相当多研究机构正在进行有关的研究工作，并且取得了丰富的成果；在国内有相 当多的高校和研究所正在进行相关的研究。 作为一种新兴的材料，磁流变液的应用前景非常广阔。采用磁流变液的器件具有很 多优点：具有电控机械器件的能力，系统结构简单，运动零件很少甚至没有，几乎没有 磨损等等。由于其独特的特点，它在机械、建筑、医疗、航空等方面都有很好的应用前 景。目前正在进行的研究中，有用于摩天大楼抗振、抗强风的减震器，用于汽车的悬挂 装置和制动器，还有用在电动机等原动机上的磁流变液软起动装置和离合器等。可以预 言，在不久的将来，磁流变液将会在航空领域得到应用。 目前国际上主要的磁流变液生产商是美国的l o r d 公司【1 3 1 ，其产品己经商品化、系 列化。国内对磁流变液材料的研究起步较晚，也有一些研究机构( 如中国科技大学、重 庆仪表材料研究所、浙江大学等) 进行少量生产，但尚未商品化。 1 1 2 磁流变的组成 磁流变液主要由3 种主要成分构成： l 、铁磁材料微粒：一般选用具有高导磁率的羟基铁软磁磁粉或镍铁合金等材料的 微粒，它们的直径为微米级别，典型的尺寸在1 0 至1 0 m 。这些微粒在磁流变液中起 着形成和传递磁场的核心作用。它们均匀的分布在载体液中，分散颗粒的体积浓度可以 4 中国民航人学硕士学位论文 达到5 0 。 2 、载体液：就是分散介质。其作用则是将铁磁材料微粒均匀地分散在载体当中。 这种分散作用是为了保证在外磁场为零时磁流变液具有牛顿液体性质。 常见的载体液包括矿物油、水和硅油几种。 3 、添加剂：用于确保磁流变液颗粒悬浮在载体液中的稳定剂。对于磁流变液而言， 稳定性主要是指阻止铁磁颗粒连接在一起的抗团聚稳定性和防止长时间放置后铁磁颗 粒下沉的抗沉降稳定性。为了保证磁流变液的稳定性，可以采用凝胶形成的附加剂，它 们可以在铁磁颗粒外表形成一层保护性的胶体结构，从而实现磁流变液的稳定 1 1 3 磁流变液的特征 表征磁流变液的性质的物理量主要有：粘滞系数，屈服剪切应力f ，( 日) ，剩磁上“ 和最高工作温度z 螂陋1 刀等。 l 、粘滞系数是衡量磁流变液流动性能的主要指标。对于磁流变液，外磁场为零 时有一个粘滞系数。，称为起始粘滞系数；在施加一定磁场，磁流变液所承受的剪切应 力大于屈服剪切应力，即磁流变液屈服后呈现流体性质时又有另一个粘滞系数“。这两 个粘滞系数是不同的，它们的大小相差甚远。 这是因为在施加外磁场之前，磁流变液的性质表现为牛顿液体性质，利用牛顿内摩 擦定律描述。在外磁场作用下，磁流变液中的铁磁颗粒产生磁偶极矩。为了达到能量最 小的要求，这些磁偶极子形成链状结构；随着外磁场的增强，铁磁材料微粒积聚成复杂 的团簇状结构，使得磁流变液呈现出非牛顿液体性质。这时磁流变液的具体性质和外磁 场的大小以及所承受的剪切应力的大小有关。 胁主要与载体液、铁磁材料微粒的多少和大小以及使用条件有关，而朋的决定因 素除载体液、铁磁材料的性质以外，外磁场的大小、频率和所受的剪切率的大小也是重 要因素。 2 、屈服剪切应力f 。( 日) ：对应于一个强度一定的外磁场，铁磁材料微粒所形成的 团簇状结构能够承受一定的剪切应力。但是这个剪切应力有一个上限。当剪切应力超过 这个上限，铁磁材料微粒所形成的磁链就会断裂。这个剪切应力的上限叫做屈服剪切应 力r r ( h ) 。屈服剪切应力f 。( ) 是衡量磁流变液力学性质的主要指标。 在施加外磁场前，外磁场强度为0 ，即f ，( 日) = f 。( 0 ) ，屈服剪切应力的数值很小， 就是载体液的屈服剪切应力r r ( o ) 。随着外磁场强度的增加，屈服剪切应力f 。( h ) 也随之 中国民航大学硕士学位论文 单调增大；当磁流变液中的磁场程度达到饱和的时候，f ，( h ) 达到最大值。可以认为， f 。( ) 是磁场强度日的单值函数。 影响屈服剪切应力f 。( 日) 的因素很多，除磁流变液本身外，外磁场的大小、频率、 剪切速率，甚至工作温度等都会对f 。( h ) 产生影响。 当工作温度超过一定限度时，f ，( 日) 将随着温度的升高而降低。这个温度的限度就 一 是磁流变液的最高工作温度。最高工作温度与磁流变液的载体液、铁磁材料微粒的性质 有关。 屈服剪切应力r 。( 日) 是使用磁流变液时需要首先考虑的最重要的力学指标。现在的 磁流变液屈服剪切应力t y ( 胃) 一般在3 0 - 4 0 k p a ( p b 磁场强度1 0 0 k a m ，剪切速率为1 0 s ， 工作温度2 5 1 2u 2 。 3 、剩磁z k ：铁磁材料微粒在外磁场消失以后，其磁性不能够完全消失。这种现象 叫剩磁。在磁流变液中也存在着相同的情况，具体表现就是当外磁场完全撤销后，磁流 变液的性质不能完全恢复到磁场施加前的流体性质，从而导致磁流变液性能的改变。剩 磁的大小主要是由所采用的铁磁材料微粒的性质以及微粒的大小、多少等决定。 4 、最高工作温度7 雌：在实际工作的时候，由于外力的作用，磁流变液的温度会 随时间的增加而升高。磁流变液的温度升高以后会产生一系列的变化：载体液的粘滞系 数t 。会减小，屈服剪切应力f 。( 日) 随之减小；如果磁流变液的温度继续升高，就会发生 载体液蒸发、铁磁材料微粒沉淀等一系列的问题，导致磁流变液完全失效。所以磁流变 液存在一个正常工作的温度范围。这个范围主要是由载体液的沸点和凝点所决定的。 1 2 磁流变液减震器设计 l 、工作模式的选择 从现有文献看，磁流变减震器设备的工作模式可分为三种；流动模式、剪切模式和 挤压模式。其中流动模式和剪切模式的可调范围宽，可得阻尼力大，以及结构简单等优 点而应用和研究最广。结合飞机起落架的工作特点和前期的研究成果，本文选择流动模 式和剪切模式混合工作模式。 2 、结构的选择 混合工作模式磁流变减震器采用类似活塞缸式的结构，活塞与缸体内壁间存在环形 间隙，按结构又可分为单出杆活塞缸结构和双出杆活塞缸结构，活塞的移动引起流体通 过环形间隙而流动，磁流变液在剪切和流动的组合模式下工作，电磁线圈可绕在活塞上。 6 中固民航大学硕士学位论文 飞机起落架不但要承受动载荷，还要承受静载荷，所以采用单出杆结构。采用单出杆活 塞缸结构需要考虑两方面，一方面需要考虑体积补偿；另一方面活塞通过活塞杆在缸体 内处于悬臂状态，稳定性差；因而需设计良好的活塞杆支撑结构，添加补偿装置和蓄能 装置，并有限制外载荷作用方向的措施。活塞的自身结构采用多环形槽设计。工作时， 磁流变液流过环形槽，有利于增大阻尼力和阻尼力变化范围。 3 、磁路设计 减震工作过程中，平行于磁流变液流动方向的磁力线分量对磁流变效应较小，垂直 于磁流变液流动方向的磁力线对磁流变效应作用较太。设计磁路时，要求磁力线垂直穿 过环形槽也就是垂直于磁流变液的运动方向。设计时需要考虑到材料的磁阻，漏磁等问 题。 基于上述分析，本文试验应用的磁流变减震器属于单杆双作用、环形节流通道、带 蓄能器的流动与剪切混合工作模式的减震器。 1 3 小结 利用磁流变液阻尼特性能够连续可控和响应时间快的特点，自行设计单出杆活塞 缸，带气囊式蓄能器的磁流变减震器。 该减震器有以下特点： 1 、刚度系数可变。采用气囊式蓄能器，使系统的刚度系数随充气压强变化而变化， 减震系统承受的负载也能够随之变化；但是气体刚度系数的非线性系统造成减震器振动 特性复杂。 2 、活塞单出杆。活塞杆在缸体内呈悬臂状态，稳定性差，需添加活塞杆支撑结构。 带来结构的复杂，加工精度要求高和额外的摩擦力。偏心和支撑结构带来摩擦力会影响 减震器特性。 3 、环形节流通道。环形节流通道能在磁流变液流过其时，增加阻尼力和阻尼力变 化范围。 7 中国民航人学硕士学位论文 第二章减震器振动特性分析 2 。1 减震器的振动方程 减震器的作用就是隔振【l s l 2 0 l 。隔离振动有两方面意思：一是隔离从基础传来的振动， 这种隔离称作运动隔振；一是减小机械振动对基础作用，这种隔离称之为力隔振。飞机 起落架上的减震器的作用兼具两方面自鱼作用，它在飞机降落时吸收飞机对跑道的冲击， 起到了力隔振的作用；在飞机滑跑时，吸收跑道不平传递给机身的振动，起到了运动隔 振的作用。在这里，主要从运动隔振的角度分析减震器的振动特性。 减震器一般由两部分组成，一部分是蓄能器，一部分是阻尼器。它可以简化成一个 单自由度线形阻尼系统，如图( 2 1 ) 所示：图中质量m 表示隔离物体，刚度系数k 表 示蓄能器的刚度，c 表示阻尼器的阻尼系数，x 表示隔离物体绝对位移，y 表示基础的绝 对位移。 考虑到弹簧的初始变形的弹性力和重力正好平衡，所以在运动中，作用在物体上的 净力就只有弹性恢复力和阻尼力。 图2 - 1 隔振力学模型 根据牛顿定律，列出运动方程： m x + 口+ h = c y + 砂 设基础的运动为； y = y c o s c o t 利用复数解法： i 堪 y = y e 8 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 中国民航大学硕士学位论文 x ：x e 佃曲= x d j 3 e m 将式2 3 和式2 4 带入式2 1 得： ( 一m o ) 2 + 弘国+ k ) x e p = ( k + j c 国) r 改写方程得： x p 。：生! 竺 y ( 七一m 6 ) 2 ) + 弦 对上式两端取模得： x 】， 利用阻尼 x 】， 参数： jk 2 + c 2 国2 1 ( 七一m ( 9 2 ) 2 + c 2 缈2 率孝和频率比，表示为： f1 + ( 2 9 y ) 2 、( 1 一，2 ) 2 + ( 2 钐) 2 掌= 三阻尼系数和临界阻尼系数之比 c c c 。= 2 r a p = 2 磊 临界阻尼系数 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ，是外部激励频率和系统固有振动频率的比 p 是系统的自由振动的固有角频率 等称为传递率，记为r 。传递率愈小意味着隔振效果越好。 图2 - 2 是被动系统放大率传递率比曲线，反映了以阻尼率f 为参数，传递率随频率 比变化的曲线。 9 竺p 后 i i = ， p 中国民航大学硕士学位论文 频率比垆帅 图2 - 2 被动系统放大率传递率比曲线( t - 7 ) 从图2 - 2 中可以看到： 1 、在低频段( 0 ，1 ) ，有乃* l 说明系统的绝对运动接近于基础的运动，它们 之间基本上没有相对运动。 2 、在共振频段( ，* 1 ) 附近，乃有峰值，说明基础运动经过弹簧和阻尼器后被放 大传递到质量块；增大系统的阻尼可以减小共振的峰值。 3 、根据幅频特性曲线的提示，可以证明，对于不同阻尼比的幅频特性曲线都在 ，= 2 时，死= 1 。 4 、在高频段( ， 2 ) ，乃z0 。说明基础运动被弹簧和阻尼器器隔离了。 5 、在0 2 口，而半主动减震器只要有足够大的阻尼，它的 减震范围是整个域：而且它还能够消除共振峰值。 在半主动控制的减震器的传递率曲线中，在整个频段内啪1 ，增大阻尼比可以降低传 递率，阻尼的增大，同时消耗了振动能量，有利于系统快速恢复到平衡位置。 由以上对比分析可以看出加了半主动控制系统的减震器，能够降低系统固有频率， 能够改善阻尼器的性能。因此半主动控制式减震器将得到越来越多的应用。 2 3 小结 l 、理论分析表明减震器系统加入半主动控制后不论频率比是多少，只要增大阻尼， 就能降低传递率。 2 、半主动控制增大了减震系统的等效质量，使系统的固有频率降低，增大隔振范 围。 总的说来，加入半主动控制后，有利于提高隔振效果。 中国民航人学硕士学位论文 第三章磁流变减震器控制算法研究 3 1 减震系统的控制方法分类 在实际使用中，一个减震系统包含有弹性元件和阻尼元件。弹性元件起缓冲振动冲 击的作用；阻尼元件起耗能的作用，它将机械振动的能量转变成热能或其它可以损耗的 能量。在汽车、飞机等交通工具中减震系统同样是由弹性元件和阻尼元件共同协调起减 震的作用。能提供阻尼力的元件被称为阻尼器。阻尼器的阻尼力越大，振动消除的就越 快；但却使弹性元件的作用不能充分发挥。过大的阻尼力还可能导致阻尼器连接零件及 振动对象的损坏；而阻尼力过小，就会使振动的衰减时间过长。所以，在减震系统中要 优化弹性元件和阻尼元件的作用。所以根据两者不同的优化过程可以将减震系统的控制 方法分成以下三类。 1 、被动控制 被动控制技术就是运用自身所固有的弹性元件、阻尼元件等装置来实现减震。其结 构参数是固定的，当装置做成成品后，其工作就是对外界激励被动的响应，系统不会实 时的根据外界情况来改变自身的特性来达到较好的工作效果。这种装置具有结构简单、 维修方便、成本低等特点。 被动控制己经广泛应用到建筑结构抗振、隔振、吸能以及汽车悬架减震等领域中。 大多数飞机起落架缓冲系统也是应用这种控制技术。但由于一般飞机缓冲器的设计为交 油孔技术，主要是为着陆阶段设计的，很难满足飞机滑跑时的减震效果，同时，对于低 于固有频率2 倍以下的低频外扰减震几乎无能为力【2 1 1 ，因此被动控制技术很难满足起 落架所要求的高效减震的需求。 2 、主动控制 为了解决被动控制系统能力有限的缺点，2 0 世纪七十年代初，美国n a s a 兰利研究 中心利用现代控制理论的最新成果开展了起落架主动控制技术( a c t i v ec o n t r o l t e c h n o l o g y ) 的研究，即在给定的下沉速度条件下，通过伺服系统和支柱位移来实现最 理想的飞机着陆状态，减缓飞机在着陆滑跑中的冲击。其基本规律就是：通过外界动力 源( 如液压泵) 来控制起落架中液压伺服阀使其移动并产生所需的流量和压力，从而调节 减震器的阻尼，控制起落架的运动形式。此后美国对串联液压主动控制起落架的研究耗 费了大量人力和物力。1 9 9 0 年，n a s a 兰利中心成功的将这一成果应用于f - 1 0 6 b 飞机前 起落架，并完成了落振实验 2 2 l 。此外法、德、英也在这方面开展研究工作。近年来，我 国科研人员开始涉足这一领域的研究，并取得了一些成剁2 3 1 1 2 4 1 。 主动控制早就在机械振动中有着较为深入的研究1 2 5 1 ，并在交通运输上程、建筑结构 防振等领域有着广泛的现实应用i 硐。主动控制技术的优点是可控性能好、缓冲和减震效 果好，但是由于需要外部的能源支持，增加了结构上的复杂性，一定程度上降低了可靠 中国民航大学硕：l 学位论文 性和安全性。 3 、半主动控制 由于上面两种控制方法的缺点，一种新的介于被动控制和主动控制之间的控制方法 应运而生，这就是半主动控制技术。其原理是根据输入信号( 如发动机激励、路况、行 驶状态下载荷等) 利用低功率作动器调节系统结构的参数，来优化系统的动力学特性， 由输入和反馈信息来切换控制系统的工作状态，实现最佳的减震效果。它与主动控制最 大的区别就是主动控制需要外部大功率能源的驱动，有较复杂的主动控制元件，比如常 用的伺服阀。半主动控制还是以被动控制为主，只在结构反应达到界限值时，施加少量 能量，使控制系统切换工作状态；但由前面分析可知，相对于被动控制，半主动控制只 要阻尼足够大，对于低于固有频率2 倍以下的低频外扰也有减震效果。它的设计简单， 质量轻便，安全性高，不需要大功率的外部能源。大多数半主动控制系统采用电池作为 电源进行工作，这一点对于能源供应系统瘫痪时的结构尤为重要。而且半主动控制系统 失效时完全可以退化为一个被动控制系统，系统不至于瘫痪，因而安全性很高。 半主动控制方法首先是由美国加州大学戴维斯分校的k a r n o o p 在1 9 7 4 年提出来的 例。这一方法先被用在结构控制领域中，目前则在车辆悬架系统中有着较为广泛的应用 田j 。而人们对于起落架缓冲器中的半主动控制技术研究相对较少，国外这方面的研究自 到上世纪九十年代才逐渐广泛起来。我国的起落架半主动控制研究起步很晚，大多数飞 机的起落架不具有半主动控制性能。有关半主动控制技术在起落架上应用的国内外文献 均很少，同时有关国家对这方面的技术资料严格进行保密和封锁。因此，对于飞机起落 架半主动控制方面的研究不仅具有现实的经济和军事价值，而更具有长远的军事和政治 意义。 半主动控制不考虑改变系统的刚度，而只考虑改变系统的阻尼，因此它是无动力源 且只有可控阻尼元件组成。半主动控制没有专门产生控制力的元件，它按照传感器传递 的数据由控制器算出所需的控制力，然后通过调节阻尼器的阻尼来输出控制力，以衰减 震动。半主动控制的研究集中在两个方面，一方面是执行器的研究，即阻尼可调阻尼器； 另一方面是控制方法的研究。阻尼可调阻尼器主要有两种：一种是通过改变节流孔的大 小调节阻尼；另一种是通过改变减震液的粘性调节阻尼。节流孔的大小一般通过电磁阀 或步进电机进行有级或无级的调节，这种方法成本较高，结构复杂。通过改变减震液的 粘性来改变阻尼系数，具有结构简单、成本较低、无噪音和冲击等特点，因此是目前发 展的主要方向。改变减震液的粘性主要有电流变液体和磁流变液体两种类型，目前磁流 变阻尼器发展最为迅速。 本文中研究的主要内容是研究基于磁流变阻尼器的半主动控制算法和硬件电路。 3 2 半主动控制减震方法概述 目前，磁流变阻尼器半主动控制减震领域发展最活跃的是汽车悬架的控制。多年来， 1 4 中国民航大学硕士学位论文 国内外专家和学者对半主动悬架的控制策略进行了大量的研究，提出了各种控制方法。 具有代表性的控制方法现归纳如下。 i 、最优控制方法 最优控制方法是应用“极大值原理”和“动态规划”等最优性原理，按照控制对象 的动态特性，选择一个容许控制，使得被控对象按照技术要求运动，同时使性能指标达 到最优值。它克服了古典控制理论设计控制系统的局限性。目标函数为状态向量和控制 向量的二次型的线性系统【鹩l 。 车辆的悬架系统是一个高阶的数学模型，对其采用最优控制的前提是获得大量的状 态信息。在实际工程中，大部分的状态变量要利用k a l m a n 滤波获得，通过求解r i c c a t i 方程，在使性能指标最小的基础上，综合控制规律，这就是通常所说的线性二次高斯控 制 l q o 控制) 。由于需要大量的状态信息，对硬件系统的要求很高，而且状态重构带 来一系列鲁棒性问题，因而l q o 最优控制在实际中利用的较少【2 9 】。但由于它的结果是 理论最优的，因而还是有众多学者对它进行了各种改进，期望提高该控制策略的鲁棒性。 最优控制方面研究得比较多，但应用到实际中的还少见报道。国外在最优控制方面的研 究，大多集中在上世纪9 0 年代初以前。 2 、自适应控制方法 振动的自适应控制研究始于8 0 年代初。它主要用于受控对象及其参数存在严重不 确定性的情况。在车辆悬架系统控制方法研究中，自适应控制方法研究受到各国研究者 的极大重视。由于车辆悬架系统的线性模型与实际悬架模型有误差，存在非线性和受控 车辆结构参数变化，许多学者认识到自适应控制的必要性。当车辆悬架系统的参数和工 况变化时，控制参数不能相应变化，其性能会下降。而自适应控制方法能使系统当参数 发生变化时，其性能趋近于理想的系统。 悬架的自适应控制包括自校正控制和模型参考控制，自校正控制需要根据输入输出 信息，在线递推悬架的有关参数，根据稳定性理论再由对象参数，修改主动悬架控制器 的参数，设计控制器的控制规律，最后通过悬架控制器输出信号对悬架的执行机构加以 控制，达到控制阻尼力的目的。自校正控制策略由于需要在线辨识大量的结构参数，因 而计算量大，实时性不好。模型参考控制策略将路面信息同时输给实际悬架和参考悬架 模型中，根据两者的广义误差，由李雅普诺夫理论，综合自适应规律，并通过数字控制 器的输出来控制悬架执行机构，进而调节悬架装置的阻尼。如果悬架参数由于突然的冲 击而在较大的范围变化，自适应控制的鲁棒性将变坏唧。 3 、半主动悬架的开关控制方法 在实际车辆悬架系统中，阻尼器一般安装在簧载质量与非簧载质量之间，其两端的 相对速度是可检测的。为了近似实现理想的“天棚”阻尼，提出了“o n - o f f ”半主动控 制策略。与主动悬架相比，“o n o f f ”半主动控制策略的主要优点是需要的能量少，需要 的能量仅用于改变阻尼器的“软”“硬”设置，作动器消耗振动能量。研究表明，悬架 的频响在高频段与主动悬架接近，在低频段比被动阻尼优越。“o n o f f ”半主动控制策略 中国民航丈学硕士学位论文 所需测试仪器较少，控制算法简单，是目前应用在实际车辆上最多的方法【姗。 4 、神经网络控制 人工神经网络是生物学中脑神经网络的某种抽象、简化和模拟，它是由大量类似人 脑神经元的基本信息处理单元通过广泛连接而构成的高度非线性超大规模连续时间动 力系统，反映了人脑功能的若干基本特性。作为一种并行分布式处理系统，它具有自动 知识获得、联想记忆、自适应性、良好的容错性和推广能力。但神经网络只能描述大量 数据之间的复杂函数关系，难于理解。而且不能直接处理结构化的知识，它需要大量的 训练数据，通过自学习的过程，并以并行分布结构来估计输入输出的映射关系1 3 n 。 5 、模糊控制 模糊控制是近年来迅速发展起来的新型控制方法，其最大的特点是允许控制对象没 有精确的数学模型，使用语言变量来代替数字变量，在控制过程中包含大量人的控制经 验和知识积累，与人的智能行为相似。它的这些优点使得它应用于在具有随机激励和复 杂数学模型的车辆悬架系统的应用中表现出了极强的优势。在过去的二十几年中，基于 专家知识和经验的模糊控制逐步成为解决具有非线性、复杂和不定因素系统的有效方法 【3 0 】。 6 、本文选择模糊控制的原因 因为磁流变阻尼器具有非线性和滞回特性，同时磁流变液的流变特性十分复杂，目 前的力学模型还不够精确，所以得出的数学模型与实际情况还有较大的误差，还有待继 续探索和研究。在目前数学模型还不够成熟的情况下，为了达到对m r 阻尼器的半主动 控制，应该选取一个对m r 阻尼器数学模型不甚敏感的控制方法。 因为模糊控制具有许多传统控制算法无法比拟的优点，即： 1 ) 在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控系统的 控制经验为依据而设计的控制器，因此，无需知道被控系统的数学模型。 2 ) 是一种反映人类智慧思维的智能控制。模糊控制采用人类思维中的模糊量，如 “高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推 理是人类通常智能活动的体现。 3 ) 易被人们所接受。模糊控制的核心是控制规则，这些规则是以人类语言表示的， 如“超调较大”，“偏差较小”，很明显这些规则易被人们所接受。 4 ) 构造容易。系统的软硬件实现都比较方便。硬件结构一般无特殊要求，用单片 机等来构造模糊控制系统，其结构