【优秀毕业论文】磁流变阻尼控制器的研制及其性能测试系统设计.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 磁流变阻尼控制器的研制及其性能测试系统设计 姓名：潘之茂 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：刘佐民 2003.2.1 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 磁流变阻尼控制器是发挥磁流变阻尼特性的关键操作系统，它 包括相应的硬件和软件。 本文对磁流变阻尼控制的原理、控制方法以及控制实施策略进 行了较为系统地分析与研究，建立了磁流阻尼通道励磁场强度与控 制电流以及磁流阻尼器阻尼力与控制电流之间的理论数学模型，并 在此基础之上，分别对基于m c s 一5 1 单片机、高性能单片机和工业 控制计算机作为处理器的三种磁流变阻尼控制系统进行了结构、控 制电路和控制软件等方面的研究，并根据磁流变阻尼控制的特殊工 况，开发出了一套高性能的磁流变阻尼控制器以及一套该控制器的 性能测试系统。 本论文通过对所研制的控制器及其性能测试系统的调试，验证 了该控制器的性能特性，结果表明：该控制器的输入和输出具有好 的线性关系，且磁流变阻尼器的示功曲线随着控制器输出的增大而 趋于饱满，从而有效地控制阻尼器的阻尼特性。 【关键词】磁流变阻尼器处理器控制系统性能测试 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p i n gc o n t r o l l e r i sa p i v o t a lo p e r a t i n g s y s t e mw h i c hc a nb e u s e da d j u s t s o m eo p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h e m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e ra n dt o r e c o r di n l i n et e s td a t a w h i l i n g t e s t t h ec o n t r o l l e ri sc o m p o s e do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h e p a p e r ，t h ep r i n c i p l ea n dm e a n sa n da c t u a l i z i n gg a m eo f m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p i n g c o n t r o l l e ra r e s y s t e m i c a l l y i n v e s t i g a t e d b a s e d o nt h e i n v e s t i g a t i o n ，t h e t h e o r e t i c a lm a t h e m a t i c m o d e l sb e t w e e nc o n t r o lc u r r e n ta n dm a g n e t i cd e n s i t yo ft h ec o n t r o l l e r a n db e t w e e nc o n t r o lc u r r e n ta n dt h e d a m p i n gf o r c e o fd a m p e ra r e r e s p e c t i v e l ye s t a b l i s h e d t h e s t r u c t u r ea n dc o n t r o lc i r c u i ta n dc o n t r o l s o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e ma r es t u d i e db a s e do nm c s - 51 s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r sa n do nh i g hp e r f o r m a n c es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r s a sw e l lo ni n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r i nt h ep a p e rah i g hp e r f o r m a n c e m a g n e t o - r h e o l o g i c a ld a m p i n gc o n t r o l l e rh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do n t i l e o p e r a t i n g c o n d i t i o no ft h e d a m p i n g c o n t r o l l e r as u i to f p e r f o r m a n c et e s t i n gs y s t e m f o r a d j u s t i n g t h i sc o n t r o l l e ri sa l s o d e s i g n e d a c c o r d i n g t or e s u l to ft h e d e b u g g i n g a n d e x p e r i m e n t o ft h e c o n t r o l l e ra n d t e s t i n gs y s t e m ，t h e r e i sa g o o d l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ei n p u ta n d o u t p u to f t h ec o n t r o l l e ra n dt h a tt h ed a m p e rf o r c e i n c r e a s e sw i t ho u t p u ta n dc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ff o r c ea l s of u n c t i o n o u t ti so b v i o u st h a tt h ec o n t r o 】l e rh a s ae f f e c t i v ef u n c t i o no i l c o n t r o l l i n g k e yw o r d s m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e r p r o c e s s o r c o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c e t e s t i n g 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磁流变液原理 2 0 世纪6 0 年代初，为了解决宇航服可动部位的密封和宇宙飞 船中在失重状态下的燃料补充问题，美国国家航空航天局( n a s a ) 最先研制开发出了磁流变液这一新型材料。所谓磁流变液，又称 磁性液体、铁磁流体，是一种能对周围磁场作出响应并且和磁场州 互影响的流体。它并非一种纯物质的磁性液体，而是一种用油酸等 表面活性剂包围在直径为i o n m 左右的强磁性超微粒子( 如f e ；0 。或 f e ，n 等) 表面上，并使其均匀地分散在基载液中形成一种固液相相 混的胶状溶液。这一结构使其即保持有基载液的液体特性又具有磁 特性的特殊材料( 见表1 ) “1 当磁流变液受到外加磁场的影响时 表i 磁流变液的结构模型及组分材料概况 磁流变液结构模型磁流变液组组分材料材劓作川 分 水、煤油、烃保持磁流变 氧化烃、双酯液的液体性 整载液聚米醚、镓，质 汞、铟锡合 金、金属有机 化合物 f e 3 0 f e i n显示磁性材 纛 磁性微粒f ec on i料性能使载 ( i o n m )体液譬现磁 性 活性剂汕酸防l r 磁性微 ( 分散剂)r 二酸粒相互间的 氟醚酸聚集或沉淀 武汉理工大学硕士学位论文 其固相颗粒的磁化矢量m 总是与外加磁场强度矢量h 的方向保持一 致。这样固相颗粒的微电流环平面将会垂直于外加磁场方向。另一 方面固相颗粒的旋转是由涡旋基载液所带动的。如果基载液的涡旋 矢量与外加磁场强度矢量相平行时，则当固相颗粒旋转时，它的微 小电流环就不切割磁力线，因而也不会产生附加磁力矩。这就表现 为外加磁场对磁流变液的粘度不发生影响。如果基载液的涡流矢量 与外加的磁场强度方向相垂直时，则当固相颗粒旋转时，它的微电 流环就会切割磁力线，从而产生磁力矩。而这个磁力矩总要阻碍固 相颗粒的旋转，从而造成固相颗粒间的涡旋基载液转速度差增大， 进而使固液相间的摩擦应力增加，表征在宏观上就是磁流变液的粘 度增大了，并且这种粘度还能随着外加磁场强度的增大而增大。同 时这种粘度还取决于磁流变液内固相颗粒所占的体积份量及其粒 度。 1 2 磁流变阻尼技术与磁流变阻尼器件 磁流变液的流变特性能随着外加磁场强度的变化而变化，因而 能实现磁流变液表观粘度无级可调。早在2 0 世纪4 0 年代r a b i n o w ，i 首次发现了磁流变现象”1 ，而后来的研究则进一步揭示了磁流变液 的表观粘度随着外加磁场强度增加时，其流动特性发生显著变化， 甚至变为固体，使其可作为力传递的介质；当外加磁场撤去日j ，磁 流变液又恢复到原来的液体状态，其响应时间仅为几毫秒。磁流变 液的这种可控特性使之成为了一种应用面很广的智能材料。基于磁 流变液的应用技术从2 0 世纪8 0 年代以来得到了迅速的发展，其中 把磁流变液应用做阻尼器中的工作介质，制成阻尼特性可控的磁流 变阻尼器具有体积小、功耗少、阻尼力大、动态范围广、频率响应 高、适用面大等特点，特别是它能根据系统的振动特性产生最佳阻 尼力，因而在智能结构领域具有广阔的应用前景，是国际上研究的 热门课题之一，在国内也逐渐得到重视14 1 0 磁流变阻尼技术包括磁流变材料技术、磁流变阻尼器两大关键 技术。前者主要从材料和力学角度出发，研究磁流变液的组成及物 武汉理工大学硕士学位论文 理特性：后者则从机械学、电子学、控制理论等角度出发，并坌古合 具体应用目标开展研究。磁流变阻尼技术研究的最终目标是利用磁 流变液在外加磁场作用下改变其流变特性这一特点，丌发各利，用途 的磁流变阻尼器件，其工作模式有以下几种“”： ( a ) 压力驱动模式 ( b ) 剪切模式( c ) 辚压模式 图卜l 磁流变阻尼器工作原理 ( 1 ) 力驱动模式( p r e s s u r ed r i v e f if l o wm o d eo rv a lv em o d e ) 这是目前应用很广的一种工作模式。其原理如图卜1 a 所示，磁 流变液在压力作用下通过固定的磁极，磁流变液流动方向与磁场强 度方向垂直，通过调节励磁线圈中的电流大小来控制磁流变f u 尼器 的阻尼力。该系统主要应用于伺服控制阀、阻尼器和减震器等。 ( 2 ) 剪切模式( d i r e c ts h e a fm o d e ) 如图1 一l b 所示，磁流变液在可移动磁极的作用下通过i i j 控磁 场，磁极移动方向与磁场方向相互垂直，这种系统可用二j 二离合器、 制动器、锁紧装置和阻尼器等。 ( 3 ) 挤压模式( c o m p r e s s i v es q u e e z ef i l mm o d e ) 如图1 一l c 所示，磁极移动方向与磁场方向相同，磁流变液在磁 极压力的作用下向四周移动，磁场方向与磁流变液流动方向垂直。 磁极移动位移较小，磁流变液产生的阻尼力较大，可应用于小位移 大阻尼的磁流变阻尼器等。 由于磁流变阻尼器具有优良阻尼可控性能，在工程领域上有着 广阔的应用前景，引起了有关工程技术领域的高度重视不少研究 人员致力于开发各种磁流变阻尼器件，主要应用在以下两个技术领 域。 武汉理工大学硕士学位论文 t 汽车制造业。传统的汽车悬架系统是按某种特定的路面状况 和车辆运行状态进行设计的，其减震器的阻尼特性是不可调的，当 路面状况和车辆运行状态超出设计条件时，固定阻尼特性的悬架系 统的减震效果将大为降低，轻则影响乘坐的舒适性，重则影响行车 安全。为此发达国家开发了各种各样的汽车悬架，其f j 以控制减震 器阻尼特性为目标的半主动悬架系统，以其价格低廉，制造工艺桐 对简单、减震效果较好等优 点”“”。比如美国l o r d 公司 开发的汽车座椅悬架阻尼器 ”“( 见图1 - 2 ) 采用压缩 氮气作补偿，在活塞上分布 有环形阻尼孔，电磁线圈绕 制在活塞上，通过活塞杆b 1图1 - 2 汽车座椅悬架磁流变阻尼器 出电源线，该阻尼器直径为4 l m m ，两连接孔中心距离为17 9 m m 活塞 行程为2 9 m m ，阻尼器输入电流1 a 时，输如功率为5 w 。该i ；【_ 【尼器 使用5 0 0 0 0 0 0 次无故障发生。 2 在建筑结构领域。建筑结构的振动是造成重大灾害的重要原 因，对其振动进行控制是近年来减震抗震研究的重要方向。美田 l o r d 公司的研究人员利用混 合工作模式( 剪切模式和压 力驱动模式) 开发的建筑结 构抗震磁流减震器“”“”“”， 其最大阻尼力为2 0 0 0 0 k g ，其 可调阻尼系数为l0 。该阻尼图1 3 建筑结构用磁流变阻尼器 器将简体作为磁路的一部分，外筒与活塞问的间隙作为阻尼通道， 为了增大阻尼力，采用3 组活塞进行串联，电磁线圈绕制在活塞上， 而且还设计了专门的补偿装置( 见图1 3 ) 。该活塞行程8 0 r a m ，内 径为2 0 3 m m ，总长约1 m ，使用了5 l 的磁流变体。 美国l o r d 公司最近又开发出了用于实时控制和主动控制的磁 流变阻尼器( 见图1 4 ) 。该阻尼器采用挤压模式，活塞为圆盘， 电磁线圈绕制在外筒上，由于行程较小，采用了弹性橡胶膜片进行 武汉理工大学硕士学位论文 密封，而不需考虑动力密封和滑动密封。由于该阻尼器采用了全部 密封设计，因而可采用水基 磁流变液，这样就可解决油 基磁流变液与密封橡胶的化 学作用。但这种阻尼器的行 程较小，约为3 m m ，该阻尼 器可用于紧锁装置。在阻尼 器的外面装上弹簧元件便可 制成可调阻尼的发动机机座，图1 4 实时控制用磁流变阻尼器 为抑制发动机引起的机械设备振动 提供了新的途径。 德国s a a r l a n d 大学的研究人员 基于压力驱动模式磁流变阻器原理 设计了长行程的磁流变阻尼器”1 ，如 图1 5 所示。为了减少磁流变阻尼器 的功耗，研究人员在磁路中安装了永 磁休，电磁线圈所产生的磁场用于增图1 5 长行程磁流变阻尼器 加或减少永磁体的磁场强度。 1 3 磁流变阻尼控制器的国内外现状及存在的问题 磁流变阻尼器由两部分组成：变阻尼器和控制器。l 讨占多从捌 料学和力学方面进行变阻尼器机械结构方面的设计与研究；后者则 结合控制理论、电子学等方面知识进行控制器方面的设汁与研究。 磁流变阻尼器的阻尼力是由不可控的磁流变液零磁场粘度引起的粘 滞阻尼力和可控的外加磁场引起的库仑阻尼力两部分组成。磁流变 阻尼控制器就是通过控制调节阻尼器的库仑阻尼力，从而来控制整 个阻尼器的阻尼力的大小。由于阻尼器的库仑阻尼力的大小是随着 外加磁场强度的变化而变化，所以可以通过控制磁场强度的大小末 控制阻尼力的库仑阻尼力的大小，而磁场强度的大小可以通过调j ， 励磁线圈的励磁电流来加以控制。这样磁流变阻尼控制器的：l 作原 理就是通过改变励磁线圈中的电流大小来获得不同的磁场强度，从 武汉理工大学硕士学位论文 而使阻尼器中的磁流变液的流动特性发生变化，进而改变阻尼力的 大小。因此，控制器只要能实时精确调节磁流变阻尼器的驱动电流， 就能达到控制磁流变阻尼器的目的。 在磁流变阻尼控制器原理研究、产品设计、批量生产等方面， 美国一直处于世界领先地位。美国l o r d 公司为其生产的r h e o n e t i c 系列磁流变阻尼器件而研制开发出的r d 一3 0 0 2 型磁流变阻尼控制 器“”，可以工作于手动调节和外加电压控制调节两种方式。r d 一 3 0 0 2 需要外加1 2 v ，2 a 的电源，外加控制电压为：0 5 v ，输出电 流为：0 2 a 。图1 6 所示为车辆悬架二自由度振动模型的悬架变阻 尼微机控制器原理图“”。采用加速度3 采样车身垂直振动加迷度， 经a d ( 模数) 转换后，以数字形式输入单片微机，进行控制算法运 算后，输出调节控制信 号，经过d a ( 数模) 转换放大后输入变阻 尼器，改变其阻尼特 性，从而调节悬架阻 尼，逐步达到最优状 态。半主动悬架是在被 动悬架的基础上，增加 了阻尼自动调节装置。 所以在设计半主动悬 架时，实际上就是设计图l 一6 悬架变阻尼微机控制原理图 变阻尼控制器( 调节器) ，其最终任务也可归结为寻找合适的控制钟 法“”，使之能够根据汽车的运行工况和路面条件，自动地凋节悬架 阻尼系数到最佳状态，以保证悬架具有最佳的平稳性和舒适性。目 前工业上应用极广的天棚阻尼器，其调节机构是在油缸上下两腔节 流口上设置一遮挡阀片( 节流阀) ，通过步进电机转动活塞上的这个 阀片，来改变节流口的过流面积，以调节悬架的阻尼系数。这种变 阻尼器的阻尼调节是采用机械式的，工作时间长后会i ：h 于磨擦磨损 而发生故障，而且也不好维修，使用寿命有限等缺点。近年来采用 磁流变阻尼器作汽车悬架减震器的研究取得不少成果。在这方面美 国已经有了实用化产品问世，其中德尔夫公司利用磁流变阻尼器作 武汉理工大学硕士学位论文 悬架减震机构，采用多种汽车悬架控制算法设计的磁流变阻尼控制 系统，实现了悬架系统的阻尼计算机自动调节，提高了汽车的安全 性和平顺性。该项目被评为1 9 9 9 年度世界1 0 0 大科技成果之。一“。 相对而言，国内无论是在磁流变技术还是在磁流变阻尼器件等 方面的研究都起步比较晚。北京航天航空大学出于国家航空航天领 域的需要，在此项研究上在国内起步较早。但由于磁流变阻尼技术 的众多优异性能和广阔的工业应用前景，近几年来，国内其他机构 也丌始加大研究力度，相关文献也多有报道。但是大多是从材料学、 力学、机械学等角度，对磁流变阻尼器件方面进行研究) r 发工作， 比如重庆大学智能结构研究中心对于汽车减震用磁流变阻尼器的研 究；南京航空航天大学在磁流变阻尼器实验建模等方而的研究：武 理工大学摩擦学研究所在磁流变阻尼器力学建模及结构设汁等方酥 的研究。至于从电子学、自动控制理论的角度出发，剥磁流变阻尼 器的控制方法、控制器件的硬件电路设计、控制方式算法的软件实 现以及控制实施的影响因数等方面的研究，在国内却少有文献报道， 而这也将是本文研究的主要内容。 1 4 本课题的研究内容 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 研究磁流变阻尼控制的原理及其控制方法。 研究新型磁流变阻尼控制器，设计并制作出其器件以及f f j 究 该控制器的抗干扰措施。 研究磁流变阻尼控制的性能测试方法，设计并制作出磁流变 阻尼控制器性能测试系统。 新型磁流变阻尼控制器性能测试试验及其结果分析。 1 5 本课题的研究意义 列于汽车而吉，优良的乘坐舒适性与操作稳定性是至关重要的。 7 武汉理工大学硕士学位论文 悬架系统性能的好坏直接关系到这两点是否理想，因此世界各重要 汽车生产公司一直都很重视轿车悬架性能的改良。近几年来汽车减 振技术在国内外都发展较快，但是从其新技术的研究以及新器件的 研制方面，我国都明显落后于汽车工业发达国家。但随着我国人民 生活水平的提高，人们对高档汽车需求量必会大幅度上升，而这将 大大增加剥高性能悬架系统的需求。磁流变阻尼器是一种新型阻尼 可控器件，若将其作为汽车悬架减振器使用，与传统汽车悬架系统 相比，装有磁流变阻尼器的悬架系统就是一种半主动悬架系统。磁 流变阻尼控制器就可以根据路面状况和车辆运行状况，能自动调节 阻尼器的阻尼力，而这将大大提高汽车的乘坐舒适性和行车安全性。 所以磁流变阻控制器的研制对于我国高性能轿车国产化将具有重要 意义的。 高层建筑和大型桥梁受到自然界因素影响易产g ! 振动，过去工 程结构振动控制研究主要局限于结构被动控制及主动控制。被动控 制虽然控制结构简单，成本低廉，且不需提供外部能源。但是被动 控制是根掘某种特定的地层状况和工程结构形态进行设计的，其抗 震的阻尼特性是不可调的，当地层状况和工程结构形态状态超出设 计条件时，固定阻尼特性的减震系统的减震效果将大为降低，这将 直接危机到人命和财产安全；而主动控制需要足够多的外部能源来 产生控制力，用以增加和耗散工程结构中的能量，对工程结构风振 动反应的减震效果良好，但对地震反应减震效果较难保证，而且所 需外部能源多，成本高，系统较为复杂并要求不断维护，运行可靠 性水平不高。磁流变阻尼器是一种稳定可靠的减震器件，将其与结 构构件帕结合，在控制器的控制下就能形成智能减震系统。山1 控 制器能实时调节磁流变阻尼器的阻尼特性，因而将其安装在结构巾， 所实现的结构控制为半主动控制；当控制器输出信号恒定于某一值 时，所实现的结构控制就是一种被动控制。因此在控制器的作用下， 磁流变阻尼器不仅可以单独作为半主动或被动结构减振器使用，而 且还可以利用控制器的远程通讯功能，配合其它阻尼装置组成多减 振器减振控制系统，这为大型结构的减振抗震提供了一种新的高性 能解决方案。因此磁流变阻尼控制器的研制将在土木工程中具有广 武汉理工大学硕士学位论文 阔的应用范围和良好的应用前景。 虽然磁流变阻尼控制器是针对磁流变阻尼器的阻尼调节控制而 研究的，但是由于控制器具有实时调节励磁线圈的励磁电流功能， 因而能提供一个可控磁场，而这列于磁流变液的在其它应用场合的 控制也具有重要意义。例如在机械制造行业中，利用磁流变液在磁 场的作用下发生固化的特性，可以对形状复杂的工件进行定位和央 紧，以便进行机械加工，而且加工完毕时的卸载也很方便，只需将 磁场撤去即可。由于磁场一般是利用励磁线圈来产生，就可以利川 磁流变阻尼控制器来控制这一过程，当进行工件定位和央紧时，将 控制器输出设定为最大值；当要卸载时，将控制器的输出调1 ，为零。 另外对于利用磁流变效应丌发出来的各种流量控制阀和压力控制 阀，本课题所研制的这种磁流变阻尼控制器也可以作为这些阀的控 制器来使用。因此磁流变阻尼控制器的研制剥于其它很多利州磁流 变液制成的新型器件的开发和应用具有重要意义。 1 6 课题来源 课题名称：磁流减振阻尼可控理论与应用研究 课题来源：武汉市晨光科技计划项目( 2 0 0 2 5 0 0 1 0 0 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 第二章磁流变阻尼控制器原理 及其控制策略研究 2 1 磁流变阻尼控制的理论分析 磁流变阻尼器的理论模型对于变阻尼控制非常重要。建模列 象参照见图2 一l 所示。该磁流变阻尼器的阻尼通道由两级阻尼通道 相串连而成。利用活塞与缸筒间的间隙来形成节流。活塞上安装有 l ，1 仆嗣 2 磁j _ l ；蹙澉3 线圈 4 浠浆 5 辍l 佗通道6 活糍补 图2 - i 磁流变阻尼器结构图 产生磁场的励磁线圈，线圈引线由活塞杆导出。阻尼器工作模式采 用了压力驱动工作模式和剪切工作模式共同作用的混合1 作模式。 2 1 1 磁场强度的计算 螺管线圈可以产生一个较为均匀的磁场，为了产生较大强度的 均匀磁场，磁流变阻尼器中一般采用多层螺管线圈。磁流变m 尼器 磁路的计算要依据具体的磁路结构以及阻尼器工作情况而定。假定 磁流变阻尼器的工作振动频率较低，励磁线圈的励磁电流变化的频 率也较低，零磁路损失。磁路结构见图2 l 所示，利用磁路中的安 武汉理工大学硕士学位论文 培环路定理可以得出阻尼通道中磁场强度的计算公式” 丝( 1 ) 掣。t ( n ，+ r 匹r 。 式中，h 是磁流变阻尼器阻尼通道的磁场强度，n 是励磁线圈的匝数 i 是励磁线圈的励磁电流，p 。是磁流变液的相对磁导率，设为8 ： r 。是磁路的总磁阻，l 、r i 、r z 为磁流变阻尼器结构参数。磁路 的g r 磁n r 。，可由下式得出： 只。= 眠m + 2 ( r + r ) r m + 2 ( r + 月m ) + r r m 其中：月“5 菥l i nr 3 + r 4 氐一= 音 r 2 l 。二墅一 r 萨篙手 r i2 ) ln ，= 嘉 l 。生土墅 r 。= 音 月。，= 瓦面l f 两r m = 瓦谲l j 币 其，p ，、u ：、p 。、u 。分别是活塞杆、工作缸、线圈绕线架平磁 流变液的相对磁导率，l 、1 、r 。、i t ：、r 。、r 。是磁流变阻器的结构参 数。 2 1 2 磁流变阻尼器的阻尼力计算 剥于工作于混合工作模式的磁流变阻尼器，其阻尼力为两种丁 作模式的阻尼力之和。假设工作中，磁流变液不被压缩，阻尼器的 左右两缸中的压力分布均匀，并且不考虑磁流变液的流动惯性和摩 擦力。 压力驱动工作模式的阻尼力由粘滞阻尼分量p ，和库仑阻尼分 量p 构成，根据文献“”它们可表达如下： 牛警4 ( 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 叱：型爿， ( 3 ) 其中，r 为未施加外磁场时磁流变液的粘度；f 。为磁场强度为i i 的 磁场作用下时的磁流变液剪切屈服应力；a ，为阻尼器活塞有效作用 面积；c 为比例系数，一般取( 2 3 ) 。 剪切工作模式的阻尼力也可以表示成粘滞阻尼力分量f ，和库仑 阻尼力f 分量之和。 f ，：业 ( 4 ) f = e y l e o ( 5 ) 混合工作模式的阻尼力为： f = 龌q 七醢t f 1 七f t = t 1 2 r i q l ”坐+ 型爿p + r 。l 珊 ( 6 ) g 。c og g 其中q = a s ，珊= 2 7 c r 3 ，g = r 5 一r 3 ，l = 2 l ，取c = 3 ，代入( 6 ) 式可得： f 蒜r + 器rr 羔rr 廿 刀矗】( 尺5 3 ) 3 5 3 5 3 5 l 压力驱动工作模式的粘滞阻尼与剪切工作模式的粘滞阻尼之比为： 一4 硼马i 1 2 q l a ； p ，r 5 一r 3x r 3 ( r 5 一r 3 ) ( 8 ) 设阻尼器活塞杆与活塞面积之比为o f ，则a ，= ( 1 一a ) r r r ；，代入( 8 ) 式得： 武汉理工大学硕士学- 位论文 墨：上里丛1 2 ( 9 ) 03 ( 1 一a ) lr ，j 压力驱动工作模式的库仑阻尼与剪切工作模式的库仑阻尼之比为： 等2 志l 警j ， 尸r3 ( 1 一口) l也j 由于在实际的阻尼器结构中( 矗，一r 3 ) r ，从( 9 ) 和( 10 ) 式t l 可 以看出 只，t p r 。因此阻尼器的阻尼力可近似表示为： f ：! ! 翌笙：s + 生f ( 11 ) x r 3 ( r 5 一r 3 ) 3r 5 一r 3 2 1 3 磁流变液屈服应力与磁场强度的关系 在外磁场的作用下，磁流变液表现为b i n g h a m 流体，则磁流变 液的应力一应变关系常用下式表示“”： f 2 g - 。s g n ( y ) + 7 2 ,( 1 2 ) 式中t 为剪应力，y 为剪切应变速度，t ，为由磁场引起的屈服应力， n 为流体的表观粘度。对于正的剪切应变率，剪切应力近似为( 2 h i f = f 。( )( 13 ) 由此可知阻尼器阻尼力f 是磁流变液屈服应力t y ( ) 的函数 而磁流变液屈服应力f ，( ) 又是阻尼通道磁场强度h 的函数。因此 可以通过建立磁流变液屈服应力与磁流变阻尼器阻尼通道磁场强度 的函数关系，再利用阻尼通道磁场强度h 与励磁线圈励磁电流t 的 对应关系，就可以确定磁流变阻尼器的阻尼力f 与励磁电流j 之f h j 的关系。但是磁流变液屈服应力与阻尼通道磁场强度之问的函数关 系的理论推算很复杂，而且边界条件也不好确定。实际应用中可以 通过测试不同磁场强度下的磁流变液剪切应力与切应变率的关系曲 线图来获得磁流变液的屈服应力“7 “1 。不同磁场强度下的剪切应 武汉理工大学硕士学位论文 力曲线在剪切应变率为零时的值就是不同磁场强度下对应的磁流变 液的屈服应力。用二次多项式逼近计算方法可以得出f ，( ) 的表达 式，如下式： f 。= m h2 + n h + 厂 ( 1 4 ) 用最小二乘法可以确定( 1 4 ) 式中m ，n ，f 的值，这样就可以得出屈 服应力与磁场强度的关系。将( 1 4 ) 式代入( 1 1 ) 式中就能得出磁 流变阻尼器的阻尼力f 与线圈励磁f e 流i 的关系如下： f ：! ! ! 鳗：s 斌3 ( r 5 一r 3 ) + r 6 ，l a ；尺, ，i 【m 二i ：i 靠 2 + ”二i ：i 靠+ 厂 2 2 磁流变阻尼控制工作原理分析 由上面的理论建模可知，磁流变阻尼器的阻尼力是励磁线圈电 流的函数，阻尼力大小可以通过调整励磁线圈中的电流的大小来进 行调节。若将其应用于减振抗震系统中，就可以通过控制励磁线圈 的电流来调节系统在振动过程中的阻尼力，进而控制系统的阻尼特 性以达到设定要求。图2 - 2 是将磁流变阻尼控制器应用于高级轿车 半主动悬架整车控制系统结构框图。垂直、纵向和横向加速度传感 器检测轿车车身的振动状态。转向制动车速检测车身在转向和制动 时的车速。这些信号首先进行信号放大、滤波、电平匹配以及模拟 运算后经a d 转换后输入汽车半主动悬架主控制器，主控制器进行 悬架控制算法的程序运算后输出阻尼调节信号给磁流变阻尼控制 器。磁流变阻尼器的控制给定一种是模拟给定方式，需要进行a d 转换；另一种是数字给定方式，可以直接输入处理器。磁流变阻尼 控制器将主控制器的控制给定与采样的反馈信号进行比较得出偏 差，再根据控制算法对偏差进行调节后输出调节信号，经d a 转换 武汉理工大学硕士学位论文 ( 或直接输出p w m 信号) 和放大后输入励磁主回路进行主回路的电 流调节，进而调节磁流变阻尼器内的励磁线圈中的电流，从而改变 磁流变阻尼器的阻尼力以调整汽车悬架的阻尼特性，保持车身在制 动、转向和加减速过程中具有平稳的运动姿态。 广 r 厂 广 l 传感器部分ll 控制器部分li 阻尼器部分li 汽1 1 悬架部分i 承肖 加速度 纵向 加速度 横向 加速度 转向制 动车速 信号 调理 悬架 摔制器 磁流 变阻尼 控制器 磁流变阻尼器h 前桥左恳架 磁流变阻尼器r 叫前桥右悬架 磁流变阻尼器卜_ 叫后桥左悬架 磁流变阻尼器卜_ 叫后桥z 恳架 图2 - 2 磁流变阻尼控制器在汽车悬架控制系统中的应用 图2 - 3 是磁流变阻尼控制系统框图，虚线包围部分就足磁流变 阻尼控制器结构组成框图。在有些控制不复杂的应用场合，应用系 统和磁流变阻尼控制器可以共用一个处理器；在一些集散控制系统 中，应用系统的处理器常作上位主机使用，而磁流变阻尼控制器r | j 图2 - 3 磁流变阻尼控制系统结构框图 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 磁流变阻尼控制策略的研究 磁流变阻尼控制器的功能就是根据控制设定实时精确调节阻尼 器励磁线圈中的电流，控制器就相当于一个电流调节器。在应用系 统中励磁线圈电流的实际测量值和设定值是具有一定偏差的，而这 利- 偏差调节方法的选用对于磁流变阻尼控制的性能是相当重要的。 不同的调节方法对线圈励磁电流的偏差调节的快速性和精确度足不 同的。 当给定控制信号为电流值，而且反馈信号仅只是励磁线圈的实 际电流值时，考虑到励磁线圈电流调节系统是一线性系统所以可 以采用p i d 调节方式。p i d 调节是根据实际测量值与设定值之州的 偏差，按比例一积分一微分的函数关系进行线性组合构成控制量， 然后用控制量去对对象进行控制的一种调节方式。p i d 调节的算法 实现方式有多种，其中增量式p i d 算法和位置式p i d 算法较为广泛。 但是位置式算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过 去偏差的累加值，容易产生较大的积累计算误差，而增量式算法只 需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算方法影响较小。 另外当控制从手动切换到自动时位置式算法有较大的冲击，而增量 式算法可以实现无冲击切换。因此控制器电流调节选用增量式f l d 控制算法比选用位置式算法的控制效果要好。 在某些应用系统中控制器给定值或者反馈值是阻尼力值叫，需 要控制器能实时调节阻尼器的阻尼力。虽然对于某一具体结构的磁 流变阻尼器而言，其阻尼力可以通过励磁线圈电流值计算出来( 见 上一节) ，但是由于磁流变阻尼器在工作过程中存在着磁路磁损、剩 磁、活塞与缸壁阃的摩擦以及磁流变液温升等问题，普通增量式i ，i i ) 调节器的控制效果不是很理想。这种情况下可以选用自整定f i d 调 节器“。自整定p i d 调节器是在常规p i d 调节器的基础上加上在线 观测t 别对象模型，然后根据识别结果计算新的k ，一和一，参数 值，然后将这新的参数设定为p i d 调节器的参数，从而使1 ) i d 控制 器达到最佳性能指标。自整定p i d 调节器有两种工作方式：种足 一次整定p i d 调节器，这种工作方式是根据计算得到的pj d 调= 常器 参数( k 。正和) ，只进行一次p i o 调节器参数设计，然后将这 武汉理工大学硕士学位论文 些参数转换为在线调节算法，并保持不变，直到重新进行参数设计， 才把这个算法清除；另一种是不断自整定p i d 调节器，它在每一个 采样周期内计算p i d 调节器参数值，然后设计参数，并及时调整参 数。这种方式不仅连续地适应时不变对象，而且对于时变对象也可 以得到较好的调节品质。 有时在一些减振抗震应用场合中磁流变阻尼控制器的控制给定 不是直接给定励磁线圈的电流值，而是系统的某些运动参数值，如 加速度值或速度值，而且反馈信号也不仅是电流值，而且还有系统 加速度值时，控制器的控制方式就较为复杂。由于磁流变| 5 j 1 尼器是 通过调节磁流变液的粘度来调节自身的阻尼特性的，应用在减振抗 震系统中时，仅只能调节系统的阻尼系数以控制系统能量的消耗特 性，而不涉及到能量供给，也就不能调节系统的刚度系数。所以磁 流变阻尼器一般只应用于半主动减振抗震控制场合，磁流变阻尼在 这方面的控制策略也主要是基于半主动控制方式。目前已有的j l i 二卜 动控制方式可分为以下三类：第一类是通过求解系统动力学问题， 获得可控减振或抗震环节的参数对系统动态特性的影响，而形成的 控制方式；第二类是根据系统的动力学模型和控制理论建立的控制 方式；第三类是无法建立系统动力学模型的情况下，基于在线辨识 并以白适应控制、模糊控制、神经网络控制等为代表的智能控制方 式。 笫一类控制方式通常用于较为简单的振动控制问题。 i 受控 系统的动力学问题可解，最终的控制方式往往是一简单的代数关系 或代数方程，可事先求解后固化在控制电路的r o m 中。例如对于可 调间隙动力吸振器，可以根据谐波平衡原则给出最优问隙所满足的 一元三角代数方程，可方便地在线求解或将离线求解结果插值后使 用“”。又如根据天棚阻尼和地棚阻尼原理设计的磁流变阻尼悬架系 统开关控制方式虽然不能用一种代数方程来求解整个动力学问题， 但是通过细分振动频段，在不同频段采用不同的动力学方程对车辆 悬架系统实施不同的控制以获得整体有效控制“”，这种根掂物理直 观思想提出的开关控制也属于这一类控制方式。 第二类控制方式。对于模型已知的线性时不变系统，可根掘控 制理论确定主动控制的控制规律。在半主动控制系统t h 由于无法 武汉理工大学硕士学位论文 产生主动力，所以只能调节系统中某个环节的刚度、惯性以及阻尼 特性。如磁流变阻尼器只能产生阻尼力。因此，应用最优控制理论 设计半主动控制方式有两种。一种是应用约束双线性最优控制原理 直接确定半主动控制方式“”，但是其公式的推导过程和计算方 程较为复杂。一种是先根据最优控制理论确定主动控制的控制规律， 然后由耗能原理设计的半主动控制方式。当要求产生主动力时，置 半主动控制为零，而在耗能阶段，则用半主动控制力来代替主动控 制规律要求的控制力”“。由于线性模型与实际模型有误差，存在。把 线性和受控系统的参数变化，这种场合应用自适应控制方法能使其 性能趋于理想系统。s a c h e 在对1 4 汽车悬架模型进行自适应控制 研究中，选用一系列路面样本用于车体i 响应分析，以车体加速度最 小为目标求极值，计算悬架在不同车速下最优刚度和阻尼系数。当 车辆在道路上行驶时，由车体的加速度找出对应的最优刚度和m 尼 系数，并且将比较结果与运动变化值保存下来进行最优设计，4 i 断 改进，使车体加速度明显减小“。在第二类控制方式的实现过程中， 有些场合要求用全状态变量或部分状态变量的信息量来确定控制 量，但是某些状态变量因不可测量或由于成本因素而不能直接获得， 这时可以采用状态观测器来重构变量“”。例如n a k a i 等在采用强：m 线性可控阻尼器的半主动悬架中引入预定增益观测器，由弹簧质量 加速度准确地估计弹簧质量与非弹簧质量间的相对速度”“。 第三类控制方式。当受控系统比较复杂并含有不确定性、非线 性和时变环节时，其精确数学模型往往难以建立：有些情况虽然可 以建模，但是精度差。基于这类模型得到的半主动控制系统的控制 效果往往不是很理想；或者是半主动控制规律的求解很困难。剥- i 这些系统，采用模糊控制、神经网络控制等智能控制方法可以得到 较好的控制效果。模糊控制特别适用于存在参数时变、二i e 线性、强 耦合系统，这类系统的精确数学模型的建立困难很大，甚至于无法 建模。模糊控制的基本思想类似于人的手动控制决策过程。d 经验 和理论分析总结出的控制规律是模糊控制的关键。由于模糊控制是 基于模糊控制规则经推理后去控制系统，故其鲁棒性特别强。关j 。 模糊控制技术在磁流变阻尼控制中的应用，已经有些学者做了探索 “2 1 o 神经网络具有很强的非线性映射能力，尤其适用于描述复 武汉理工大学硕士学位论文 杂非线性系统。神经网络控制多与传统控制相结合的形式出现，在 控制中用作系统辨识器和控制器。目| j ，控制器中常用的神经网络 多为多层前向误差反传网络，即b p 网络。神经网络运算过程中误差 的反复计算和迭代过程计算量大，在实时控制中，会遇到耗时过长 等问题。但是对于大型结构抗震控制和机械的低频减震控制，采用 一些措施后神经网络控制还是可行的。例如基于磁流变阻尼器的乍 辆：恐架神经网络控制系统”0 1 。 在硬件方面，磁流变阻尼控制器中的处理器的性能。岛低剥于控 制器的整体性能会有很大的影响，而且控制器应用领域的不同，其 对处理器性能的要求也会由简单至复杂各不相同。这方面将在下 章作仔细说明。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章磁流变阻尼控制器的软硬件开发 3 1 传感器信号调理电路设计 磁流变阻尼器的应用场合的不同，控制器所需检测的信号出会 有所不同。为了增强控制器的通用性和扩展灵活性，传感器信号调 理电路的设计中采用了模块式结构：将电源线布置在一块母板( 底 板) 上，板上安装若干个插槽，插槽电源引脚都是连接在同一根电 源线上的。各信号调理板卡都按照统一的规定设计，一块板卡仅只 处理一种传感器信号，每块板卡上部设置有传感器信号输入接口和 调理输出接口。传感器信号输入板卡后，进行放大、滤波、电平变 换等处理后，经由调理输出口输出。各板卡的电源由公共母板提供， 母板上设置有两组隔离电源，每一组电源都由一路+ 5 v ，一路+ l5 v 一路一15 v 和公共地线组成，并留有多组插槽接口以供各信号调理 板卡插入，各插槽接口功能一样，各信号调理板卡可插入任意插座。 下面就是一块应用于周期振动实验用加速度信号调理板的电路介 绍： 采用t a 一2 5 伺服加速度传感器，振动频率为l 5 0 1 1 z 。图 图3 一l加速度信号放大电路 3 - 1 是信号放大电路，其放大电路增益a 一计算如下： 分器 加速度信号经过放大后要进行滤波处理，由于振动频率为1 武汉理工大学硕士学位论文 5 0 h z ，设计中先用一有限增益可控源二阶低通滤波器衰减高频部分 信号，截至频率f o 为5 0 h z 。取c = c = c ：，r = r 。= r ，则由 r c ：上；0 0 0 3 1 8 2 矾 取c = 0 1 5 p f ，则r = 3 0 k 。然后低频部分采用单端反馈二阶商通 图3 - 2 滤波器电路 滤波器来衰减信号的低频部分( 见图3 - 2 ) 取阻带频率f = 1 h ， r 1 4 = r c 】= c 4 得 r c ：上：o 1 5 9 1 5 2 矾 取c = c 4 ；l t t f计算得r 1 4 = r i s = 1 6 0 k 在有些控制系统中还要检测振动速度，可以对力速度输出信号 进行模拟运算后得到，此在信号调理板卡中就设置了山运算放大器 构成的积分器如下图3 - 3 所示。由于实际的运放有失调输入，这样 运算放大器本身的失调电压和电流的积分会引起积分误差，输出还 可能处于饱和状况。为此，需要在基本积分电路上接入r 2 0 直流仍 反馈电阻，以稳定工作点。加速度信号经一级积分电路后得到的足 被测刚体运动的速度信号，但是相位却反相了，为使信号的梢位保 持同相关系，在积分电路输出处设置了一倒相器。所用的运算放大 器都采用低温漂运放。 励磁线圈电流检测在第3 7 节的中有介绍。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 3 积分电路 3 2 励磁线圈励磁主回路设计 励磁线圈采用直流激励方式，主回路电路如下图3 - 4 所示 t ：， d ld 2 j n i 一l k 与 g _ | 盛 赢 c lnn i p w b l 蹙 苎兰一c 2 阻 一 一一 尼 d 3d 4 嚣 一l一l 厂 图3 - 4 励磁主回路 图中d 1 、d 2 、d 3 、d 4 是整流二极管，d 5 是保护二极管，d 6 是续流 二极管。为了提高控制精度电流调节采用直流伺服p w m 控制方， 开关管q 1 采用功率m o s f e t 作为开关管。功率m o s f e t 是一种单极型 电压控制器件，具有