磁流變阻尼器控制算法設(shè)計(jì)及仿真分析目錄TOC\o"1-3"\h\u20352磁流變阻尼器控制算法設(shè)計(jì)及仿真分析 128991.1基本的磁流變阻尼器控制模型 122771.1.1Bingham模型 1168901.1.2Bouc-Wen模型 2293241.2磁流變阻尼器開關(guān)控制設(shè)計(jì)及仿真分析 4148041.2.1單頻正弦激勵(lì) 5214251.2.2多頻振動(dòng)激勵(lì) 717771.3磁流變阻尼器模糊控制設(shè)計(jì)及仿真分析 8150701.3.1模糊控制理論簡(jiǎn)介 814071.3.2模糊控制的基本原理 9174261.3.3磁流變阻尼器模糊控制器設(shè)計(jì) 10306941.3.4模糊控制的計(jì)算機(jī)仿真 13基本的磁流變阻尼器控制模型Bingham模型Bingham塑性模型最早是由Stanway在1987年提出的，經(jīng)過近35年理論與實(shí)踐驗(yàn)證，其已經(jīng)發(fā)展為比較成熟的并且相對(duì)簡(jiǎn)單的用于描述磁流變阻尼器力學(xué)性能的參數(shù)化模型。從微觀角度出發(fā)，由于本文研究的磁流變阻尼器剪切工作模式下的性能特點(diǎn)，所以在觀察磁流變液的微觀視角下的本構(gòu)模型時(shí)，主要觀察點(diǎn)集中在磁流變阻尼器的兩個(gè)平行極板與磁流變?cè)谄叫邢嗷ミ\(yùn)動(dòng)是的剪切應(yīng)力變化，并通過已經(jīng)有的Bingham半固體模型理論求解剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變的關(guān)系為： τ=τysgnγ+μγ (STYLEREF1\s3.SEQ公式\*ARABIC\s11式中，τ是磁流變液的剪切力；τyμ是磁流變液的動(dòng)力黏度系數(shù)，與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)；γ是磁流變液的剪切應(yīng)變速率。剪切屈服應(yīng)力τy與勵(lì)磁電流導(dǎo)致的磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，因此可看作為控制電流I τy=A1e?I+A2lnI+e式中，A1、A2、在Bingham模型中，阻尼器結(jié)構(gòu)由一個(gè)線性黏滯阻尼元件和一個(gè)庫(kù)倫摩擦元件并聯(lián)形成，其模型如REF_Ref69904056\h圖3.1所示。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s11Bingham模型示意圖磁流變阻尼器力-位移關(guān)系式為： Fd=C0x+Fmsgn(x) (式中，F(xiàn)dC0Fmx是阻尼器活塞相對(duì)于缸體的運(yùn)動(dòng)速度。Bingham模型對(duì)于磁流變阻尼器的描述效果自然是不錯(cuò)的，特別是在阻尼力-位移響應(yīng)上，由于模型建立在一個(gè)阻尼力-位移關(guān)系式上，以其對(duì)位移參數(shù)的取用是沒有經(jīng)過多余加工修飾的。在于阻尼力-位移關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步的參數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換，即可進(jìn)一步推斷模擬出阻尼力與其他參量的變化關(guān)系。這使得其本身具有簡(jiǎn)單明了的特性,而又方便了數(shù)學(xué)模型的建立。然而，在推導(dǎo)阻尼力與其他參數(shù)量關(guān)系的模型結(jié)構(gòu)上，Bingham模型不能很好解決阻尼力-速度之間關(guān)系的特性解讀。因?yàn)樵谀Ｐ偷募僭O(shè)前提下,沒有考慮到磁流變阻尼器屈服前的彈性性能。當(dāng)磁流變阻尼器的工作環(huán)境處于一個(gè)低速小位移的情況下是,未考慮彈性性能的小范圍內(nèi)移動(dòng)不容易通過阻尼力-速度形式來表現(xiàn)。Bouc-Wen模型針對(duì)Bingham模型存在的不能夠很好描述阻尼力-速度特性的缺點(diǎn)，使得用于描述磁流變阻尼器非線性的動(dòng)力滯回模型引起了研究者們的關(guān)注，Spencer等提出了基于Bouc-Wen磁滯模型的磁流變阻尼器現(xiàn)象模型，主要改進(jìn)在于加入了滯回單元。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s12Bouc-Wen模型示意圖如圖3.2所示，Bouc-Wen模型可以分解成為一個(gè)線性黏滯阻尼元件、一個(gè)線性彈簧元件和一個(gè)滯回單元的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，該模型的表達(dá)式為： F=αz+k0x?x0+c0(x z=?γxzzn?1?βxzn+A其中，F(xiàn)為磁流變阻尼器產(chǎn)生的阻尼力；z為反應(yīng)滯回環(huán)的變量，其由α、γ、β、A、n這幾個(gè)參數(shù)決定，這些參數(shù)都與磁流變液的參數(shù)及阻尼器的結(jié)構(gòu)有關(guān)；k0x0x和x分別為阻尼器活塞與筒體之間的相對(duì)位移和速度。Bouc-Wen模型最突出的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)拐點(diǎn)的處理方面，加載拐點(diǎn)與屈服指數(shù)n有關(guān)，當(dāng)n較大時(shí)它是雙線性模型，隨著n的減小加載拐點(diǎn)越來越光滑，但是Bouc-Wen的數(shù)學(xué)模型相對(duì)復(fù)雜，給參數(shù)識(shí)別帶來了一定的困難，Sireteanu用解析法對(duì)Bouc-Wen模型進(jìn)行了參數(shù)識(shí)別，這種方法的原理簡(jiǎn)單，但求解過程繁瑣，無(wú)法得到廣泛的應(yīng)用；Spencer和Dyke等人采用有約束的非線性優(yōu)化算法對(duì)Bouc-Wen模型進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，這種方法求解過程相對(duì)簡(jiǎn)單，但是沒有建立電流與各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系，不能準(zhǔn)確地辨識(shí)電流對(duì)參數(shù)的影響，因此無(wú)法應(yīng)用于半主動(dòng)控制。Bouc-Wen是一種參數(shù)識(shí)別相對(duì)復(fù)雜的模型，雖然它在拐點(diǎn)的處理方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但在進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用是，無(wú)法避免復(fù)雜困難的運(yùn)算來得到正確的參數(shù)識(shí)別結(jié)果，從而導(dǎo)致模型計(jì)算的正確性難以保證。即使以后研究人員采用一些加以約束的非線性算法來對(duì)于模型進(jìn)行優(yōu)化求解，但在簡(jiǎn)化了求解步驟的同時(shí)，卻沒能保證算法本身能夠涵蓋磁流變阻尼器模型中的各個(gè)重要的參數(shù)量。當(dāng)重要的參數(shù)缺失，則會(huì)進(jìn)一步影響主動(dòng)控制階段的輸入輸出，傳遞函數(shù)等環(huán)節(jié)的建立，從而無(wú)法達(dá)到主動(dòng)控制的目的。磁流變阻尼器開關(guān)控制設(shè)計(jì)及仿真分析磁流變液阻尼器所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力方向是有限的，始終與負(fù)載相對(duì)速度的方向相反。為利用方向有限的驅(qū)動(dòng)力盡可能地逼近控制器計(jì)算得到的主動(dòng)控制力，因此引入天棚控制模型。天棚控制模型算法的基本思想在于假設(shè)了一個(gè)靜止穩(wěn)定的基體作為“天棚”，將負(fù)載與“天棚”相連，并在二者之間安裝一個(gè)變阻尼或變剛度的控制單元，該控制單元的阻尼系數(shù)或剛度系數(shù)不斷變化，產(chǎn)生一個(gè)作用于負(fù)載的控制力以此控制負(fù)載的振動(dòng)情況并起到減振的效果。如圖3.3所示為天棚剛度控制理想模型。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s13天棚剛度模型理想情況下的天棚剛度模型系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程如下： mx2?k0x1?x2?c0x式中m——負(fù)載質(zhì)量；k0x2x2x1x1Fsky天棚主動(dòng)控制力的方向與負(fù)載絕對(duì)位移的方向相反，與負(fù)載相對(duì)位移方向相反的磁流變阻尼器驅(qū)動(dòng)力FMRE FMRE=??kxr=Fsky=?kskyx2 ksky為了使得上式得以成立，必須滿足負(fù)載的絕對(duì)位移x2和相對(duì)位移x Ic=Imaxx2xr≥00x2一般情況下，我們需求的磁流變阻尼器運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是在往復(fù)運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)離原點(diǎn)的過程中，勵(lì)磁電流增大，阻礙其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；當(dāng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)回歸原點(diǎn)時(shí)，勵(lì)磁電流減小，加快其恢復(fù)效率。而磁流變阻尼器本身在未通電的情況下作為一種被動(dòng)隔振的裝置時(shí)，其時(shí)刻保持阻尼力與負(fù)載的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙負(fù)載的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這是固定不變的。所以可以認(rèn)為磁流變阻尼隔振系統(tǒng)的是一個(gè)穩(wěn)定的隔振系統(tǒng)。單頻正弦激勵(lì)在其他條件相同，信號(hào)頻率改變的幾組輸入激勵(lì)條件下，模擬仿真不同激勵(lì)頻率下負(fù)載的加速度信號(hào)。設(shè)定激勵(lì)加速度峰值為2.0m/s2（a）激勵(lì)頻率80Hz（b）激勵(lì)頻率90Hz（c）激勵(lì)頻率100Hz（d）激勵(lì)頻率110Hz圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s14不同單頻正弦激勵(lì)下的仿真結(jié)果多頻振動(dòng)激勵(lì)在實(shí)際工作狀況中，相較于單頻正弦激勵(lì)，多頻振動(dòng)激勵(lì)的情況更為常見。進(jìn)行多頻振動(dòng)激勵(lì)的模擬仿真，設(shè)定外界頻率為110Hz、100Hz和90Hz的混合頻率振動(dòng)，加速度峰值設(shè)定與單頻激勵(lì)相同為2.0m/s圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s15多頻振動(dòng)激勵(lì)下仿真結(jié)果根據(jù)仿真結(jié)果可知，相對(duì)于完全的被動(dòng)隔振系統(tǒng)下，當(dāng)對(duì)磁流變阻尼器加以勵(lì)磁電流，其減振率相對(duì)來說得到了進(jìn)一步的提高。但是在激勵(lì)頻率逐漸升高的過程中，通電后的磁流變阻尼器減振效率開始降低，趨近于未通電時(shí)完全的被動(dòng)隔振效果。可知，在整體的隔振系統(tǒng)切換過程中，當(dāng)激勵(lì)頻率過高時(shí)，僅利用器件本身的力學(xué)特性進(jìn)行被動(dòng)隔振更加方便，有效。磁流變阻尼器模糊控制設(shè)計(jì)及仿真分析磁流變阻尼器隔振裝置的機(jī)械模型具有很強(qiáng)的非線性和滯后性，但是電流反饋控制主要基于簡(jiǎn)化的線性分析，這使得建立非常精確的關(guān)于受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是不可能的。這將會(huì)使得應(yīng)用磁流變阻尼隔振器會(huì)遇到一定困難，從而導(dǎo)致結(jié)果的精度低。傳統(tǒng)控制理論和現(xiàn)代控制理論都不能達(dá)到理想的應(yīng)用效果，傳統(tǒng)控制理論和現(xiàn)代控制理論都不能依靠受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)。上一節(jié)中的開關(guān)控制具有更好的防振性能，但是由于只能在0A或者是最大值下獲得電流，因此它會(huì)影響隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且無(wú)法時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整磁流變阻尼隔振裝置的阻尼性能。因此，需要使用更加智能的控制算法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)代控制算法。模糊控制邏輯可以說是一種典型的控制策略。模糊邏輯將人們的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)整合到控制算法中，以執(zhí)行對(duì)于系統(tǒng)的推理、判斷和預(yù)測(cè)。當(dāng)處理強(qiáng)非線性問題時(shí)，模糊控制具有明顯的優(yōu)勢(shì)。模糊控制理論簡(jiǎn)介作為一種新興的非線性智能控制器控制策略，模糊控制策略可以通過將專家級(jí)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)融入控制器設(shè)計(jì)中，將整個(gè)系統(tǒng)控制語(yǔ)言進(jìn)行更加細(xì)致的劃分，同時(shí)不改變?cè)械目刂苹鶞?zhǔn)。模糊控制的優(yōu)點(diǎn)還體現(xiàn)在它的簡(jiǎn)單易懂，其本質(zhì)是將平常生活中的一系列狀態(tài)判定的短語(yǔ)劃分為幾個(gè)不同的等級(jí)，以此來描述一個(gè)非線性系統(tǒng)的大致狀態(tài)，將非線性系統(tǒng)的復(fù)雜組成以特征點(diǎn)的形式分散在了線性的模糊語(yǔ)言上，極力改進(jìn)了控制系統(tǒng)的有效性與魯棒性。因此模糊控制策略非常適合于壓電堆隔振器和磁流變阻尼隔振器這樣的非線性控制器件上，發(fā)揮其系統(tǒng)本身的優(yōu)秀控制能力。模糊控制器的設(shè)計(jì)思想與傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)思想基本相同。簡(jiǎn)而言之，模糊控制器是在傳統(tǒng)控制器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，并且已經(jīng)在傳統(tǒng)控制器上進(jìn)行了改進(jìn)。無(wú)論是工程實(shí)踐還是理論模擬的工作中，經(jīng)常會(huì)在建立控制系統(tǒng)的過程中發(fā)生無(wú)法了解精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型而無(wú)從下手的情況。或是對(duì)于較為復(fù)雜的控制對(duì)象，由于無(wú)法精確了解其中的工作原理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)者很難下手完成一套有效的控制系統(tǒng)來完成需求的目的。模糊控制即是為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的模型情況化繁為簡(jiǎn)將非線性問題簡(jiǎn)化為線性問題的一種有效的控制方法。通過分析總結(jié)模型的特征點(diǎn)來確定模糊控制的各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，使用模糊化語(yǔ)言編寫響應(yīng)的模糊控制規(guī)則。在設(shè)計(jì)模糊控制器的過程中，最為重要的步驟是編譯模糊規(guī)則與模糊推理算法，這一方面需要對(duì)于模型本身的一部分專家級(jí)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，另一方面需要更為廣泛的基礎(chǔ)理論來完成編譯。模糊規(guī)則設(shè)計(jì)是模糊控制器設(shè)計(jì)的核心，決定了一個(gè)模糊控制器建立后運(yùn)行效果的好壞。模糊控制器的設(shè)計(jì)思想與傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)思想基本相同。簡(jiǎn)而言之，模糊控制器是在傳統(tǒng)控制器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，并且已經(jīng)在傳統(tǒng)控制器上進(jìn)行了改進(jìn)。當(dāng)無(wú)法建立控制系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型或不清楚被控制對(duì)象的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，模糊控制是一種非常有效的控制方法。通過分析，指導(dǎo)和總結(jié)，用模糊條件語(yǔ)言編寫了一些列的模糊規(guī)則。在設(shè)計(jì)模糊控制器的過程中，最重要的步驟是用專家水平的經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)來編譯模糊規(guī)則庫(kù)和模糊推理算法。在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，模糊規(guī)則設(shè)計(jì)是模糊控制器設(shè)計(jì)的核心。模糊控制的基本原理模糊控制器是整個(gè)模糊控制的核心組成部分，模糊控制的流程如圖3.6所示，在Matlab/simulink中已經(jīng)有包裝完成的模糊邏輯工具箱，按照模糊控制理論流程建立每一步對(duì)應(yīng)的程序可以逐個(gè)步驟高效完成。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s16模糊控制理論基本流程圖模糊控制器的基本工作進(jìn)程為：利用光學(xué)、位移、溫度或激光等于被測(cè)輸入量相關(guān)的傳感器收集模糊隔振系統(tǒng)的控制變量；根據(jù)專家級(jí)的經(jīng)驗(yàn)確定模糊控制中需要用到的隸屬函數(shù)，并將已得到的輸入控制變量代入隸屬函數(shù)中，通過模糊化計(jì)算處理，得到以人們?nèi)粘Ｉ钪屑s定俗稱的模糊量化詞匯確定的模糊變量。這樣的模糊變量可以用來形容一定范圍內(nèi)的系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)在將其返回送入模糊推理的控制模塊，根據(jù)已有的模糊控制規(guī)則來判斷下一步的決策，從而得到一個(gè)模糊控制量，最后依據(jù)輸出隸屬函數(shù)進(jìn)行反模糊化取得一個(gè)最終的理想的可以被傳感器識(shí)別的控制量。在整個(gè)模糊控制算法中，模糊規(guī)則是其核心的部分，其決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的效果好壞。模糊語(yǔ)言主要用于描述人類行為的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與常態(tài)習(xí)慣。只有模糊規(guī)則中的模糊語(yǔ)言正確的反應(yīng)了以上人類特定的經(jīng)驗(yàn)習(xí)慣時(shí)，才能認(rèn)為這個(gè)模糊推理系統(tǒng)的性能是優(yōu)秀的。通常模糊規(guī)則的表現(xiàn)形式都是以“if…then”來決定。前提條件一般是對(duì)于模糊語(yǔ)言變量的變化描述來表達(dá)，比如“水溫過高”“聲音很小”等等。模糊規(guī)則這種形式符合了人類日常生活中的慣用描述與表達(dá)，所以在基本的模糊規(guī)則理解上也比較透明易懂。磁流變阻尼器模糊控制器設(shè)計(jì)模糊控制器建立在開關(guān)控制的基礎(chǔ)之上，根據(jù)開關(guān)控制器的基本經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行模糊控制器控制邏輯的建立上，可以按照以下的方式：當(dāng)載荷負(fù)載的相對(duì)位移遠(yuǎn)離基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的原點(diǎn)，偏離平衡位置時(shí)，磁流變?cè)谕饧觿?lì)磁電流的激勵(lì)下，勵(lì)磁電流增大，阻礙其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；當(dāng)載荷負(fù)載的相對(duì)位移回歸基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的原點(diǎn)時(shí)，勵(lì)磁電流減小，加快其恢復(fù)效率。在數(shù)學(xué)層面的解釋可以看作，當(dāng)載荷負(fù)載原理平衡位置時(shí)，其相對(duì)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移與相對(duì)速度的乘積大于零；當(dāng)載荷負(fù)載回歸平衡位置時(shí)，其相對(duì)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移與相對(duì)速度的乘積小于零。給予系統(tǒng)和上一節(jié)內(nèi)容相同的正弦激勵(lì)，激勵(lì)加速度峰值為2.0m/s圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s17相對(duì)位移輸入隸屬度函數(shù)圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s18相對(duì)速度輸入隸屬度函數(shù)圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s19激勵(lì)電流輸出隸屬度函數(shù)根據(jù)上一節(jié)開關(guān)控制的仿真結(jié)果可知，載荷負(fù)載的相對(duì)位移變化范圍的值域?yàn)閇-0.025,0.025]，相對(duì)速度變化分為的值域?yàn)閇-1.25,1.25]，磁流變阻尼器輸入電流的變化范圍值域?yàn)閇0,3]。因此可以得到相對(duì)位移輸入模糊量化因子k1=320，相對(duì)速度輸入模糊量化因子k2根據(jù)開關(guān)控制的經(jīng)驗(yàn)，以及以確定的輸入輸出隸屬函數(shù)，制定了如表3.1所示的模糊控制系統(tǒng)的控制規(guī)則表。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11模糊控制規(guī)則表相對(duì)速度PBPMPSZONSNMNB相對(duì)位移PBNBNBNBNBZOZOZOPMNMNMNMNMZOZOZOPSNSNSNSNSZOZOZOZOZOZOZOZOZOZOZONSZOZOZOPSPSPSPSNMZOZOZOPMPMPMPMNBZOZOZOPBPBPBPB