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1. 研究目的与意义
随着现代工业的发展以及工程装备向着高速重载方向发展,工程中所遇到的冲击问题的强度越来越大,而冲击必然会导致设备的损伤甚至报废,因此着力解决好冲击缓冲问题对于提高工程质量十分的重要[1]。
传统的冲击缓冲装置利用被动阻尼装置实现缓冲,难以实现最优的缓冲效果,并且无法根据冲击载荷的变化灵活进行调节[2]。然而,以磁流变液为工作介质的执行器为实现可控的冲击缓冲装置提供了可能。磁流变液体在外加磁场的作用下能产生明显的磁流变效应,即液体的性质由液态向类固态转化,磁流变液体的粘度可调,具有连续、可逆、响应快、易于控制的特点,可与计算机控制结合,实现主动控制。利用磁流变液体的流动阻尼可变和可控的特点,通过控制系统用主动控制的方法来控制缓冲装置中液体流动的阻尼,以适应外界载荷的变化,可获得良好的缓冲特性[3]。然而,由于磁流变液响应时间、磁路材料特性等因素的影响,使阻尼力的实现有一个时间过程,即磁流变阻尼器存在磁滞效应,并且随着磁场强度的增大而增大。磁滞效应形成了控制过程中的时滞效应,将会严重影响控制效果[4]。磁流变阻尼器的磁滞非线性主要来源于[5]:可调阻尼力和控制电流(fmr-i)之间的迟滞非线性(即磁滞特性),它是由于磁流变阻尼器内部结构中包含铁磁材料,其磁化特性导致的磁感应强度和磁场强度之间的迟滞非线性,即当铁磁体被磁化到饱和状态后,若将磁场强度由最大值逐渐减小时,其磁感应强度不是循着原来的途径返回,而是沿着比原来的途径稍高的一段曲线而减小,当 h=0时,b并不等于零,即磁性体中b的变化滞后于h的变化,也就是通常所说的磁滞回线。磁流变阻尼器是通过改变控制电流(i)的输入来控制可调阻尼力(fmr)的输出,而磁场强度是由控制电流(i)直接产生的,这样决定了输出的可调阻尼力是关于磁感应强度的函数。因此,b-h 之间的迟滞非线性关系将极大地影响阻尼力和控制电流之间的关系。
为了解决这个难题,过去的研究主要集中在磁流变阻尼器的动力学建模,或是利用模糊理论、神经网络等控制理论建立 mrd 迟滞模型,并在一定程度上提高了拟合精度。但是,很多模型中的实验参数会随着所应用磁场强度的变化而变
2. 国内外研究现状分析
除了利用力学建模方法来准确描述力-位移或力-速度的滞回非线性,补偿器也被常用来消除磁流变器件的磁滞非线性。不同于迟滞建模方法,华盛顿州立大学的 erol 等人采用磁通路径中嵌入霍尔传感器实时测量并反馈磁感应强度的补偿方法并结合 pid 控制器来消除 mr制动器中扭矩输出磁滞特性的影响。其实,它是根据制动扭矩 t 和阻尼通道内磁感应强度b的关系曲线不存在迟滞现象,从而确定可以通过实时测量阻尼通道的磁感应强度来确定扭矩。通过实验证明,该新方法在很大程度上消除了迟滞非线性和零输入时的扭矩。但是,该方法的一个限制就是所依赖的磁感应和扭矩的映射关系直接受到制动器内部的液体的影响。如果液体变化,映射关系就不得不重新做。而且,由于密封件和轴承的摩擦引起的轻微非线性是该方法不能消除的。
神经网络方法也常被用来建立磁流变阻尼器的正模型或逆模型,但是神经网络方法需要不断地更新参数,周期较长,不具备实时性。把包括磁流变阻尼器和其结构的总系统看做是一个非线性控制系统,那么就可以应用非线性控制设计的方法,如滑动模式控制,增益调度控制。 武汉理工大学的涂建维等[18]提出了采用神经网络预测的方法来减小磁滞效应对振动控制的不利影响。通过过去时刻和当前时刻的结构响应来预测将来时刻的结构响应,并用线性最优控制lgr 算法经将来时刻结构响应计算得到主动控制力。研究结果表明:通过神经网络预测能有效补偿磁滞时间,使控制效果接近无磁滞效应的控制效果。上海交通大学的谭永红教授提出一个迟滞因子将多映射的迟滞非线性转化成一一映射,然后采用神经网络对 preisach 类的迟滞非线性进行建模。利用该方法对压电执行器的迟滞非线性进行建模,与kp模型比较结果表明,该模型能够准确地逼近迟滞非线性。
加拿大西安大略大学的 yadmellat 等人提出了一种新的自适应控制方案,以补偿磁流变机器人驱动器的磁滞效应,并利用反馈线性方法消除系统的非线性。该方案使用一个二自由度的平面机器人作为一个测试台,通过实验以及与 pid控制器的比较,验证了此控制方案的有效性。这篇文献所提出的控制器的主要优点是,它只需要在磁场测量的基础上估计输出扭矩,避免了在控制回路使用任何额外的力/扭矩传感器。由于磁流变液的独特性能,所提出的方法有着显著的优势,既降低了系统成本也提高了系统性能。此外,从控制的角度来看,闭环控制系统的相对次数降低时,使用磁场测量作为一个反馈信号,控制器鲁棒性更好
3. 研究的基本内容与计划
一、研究内容:由于磁流变阻尼器输出信号具有非线性,因而设计一种基于labview的程序,采用pid等算法进行补偿,使得输出信号为线性信号。
二、研究计划:第1~3周:准备工作、确定设计方案明确毕业设计目的、任务和要求;
第4~5周:分析缓冲系统的动力学原理并建立系统数学模型和控制框架;
4. 研究创新点
1.使用以磁流变液体为工作介质制作的磁流变阻尼器,为实现可控的冲击缓冲装置提供了可能。
2.利用Labview搭建实验平台,方便高效,更有利于磁流变阻尼器实验的实施。
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