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1、第五届全国流体传动与控制学术会议暨年中国航空学会液压与气动学术会议2008 基于模糊理论的磁流变阻尼器控制 田静，何军，祝世兴 （中国民航大学 航空工程学院，天津 300300） 摘 要:本文对多环形槽结构磁流变阻尼器进行理论分析和实验建模，建立了该阻尼器的力学模型。根据实验数据，给出了阻尼力与控制电流之间和阻尼器响应速度的关系,并以此为依据设计出磁流变阻尼器的控制器。由于磁流变阻尼器具有非线性和滞回特性，目前的力学模型还不够精确，本文采用将模糊控制方法对阻尼器进行控制仿真，结果表明其控制效果较好 关键词: 磁流变阻尼器 模糊控制 仿真 0. 引 言 磁流变阻尼器是一种阻尼可控器件,其工作原
2、理是调节励磁线圈中的电流获得不同强度的磁场, 使阻尼通道中磁流变液的流动特性发生变化,从而 改变阻尼器的阻尼力。磁流变阻尼器具有调节范围 宽、 功耗低、 响应速度快、 结构简单等特点,在汽车、 建筑、航空航天等领域具有应用广阔前景。目前国 内外的研究重点是磁流变阻尼器设计,对磁流变阻 尼器的控制研究得不多,而对磁流变阻尼器的控制 关系到阻尼器的动态响应和阻尼力的精确控制,直 接影响磁流变阻尼器的工程应用，因此本文将对磁 流变阻尼器控制问题进行探讨。 本文研究对象是自行设计的多环形槽结构磁流 变1。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
3、，为了达到对 MR 阻尼器的半主动控 制，应该选取一个对 MR 阻尼器数学模型不甚敏感 的控制方法，因此，本文采用模糊控制的方案。 1 磁流变阻尼器结构 自行设计的磁流变阻尼器的结构如图 1 所示。活塞杆在缸体内作往复直线运动，利用线圈产生的磁场来控制磁流变液在阻尼通道中的流动特性，从而改变阻尼器上下腔之间的压力差，实现阻尼力控制。 1. 磁流变液 2. 环槽式节流通道 3.活塞 4. 线圈 5. 弹簧 图 1 阻尼器结构图 2 磁流变阻尼器的力学模型 本文采用粘性滞后模型。其表达式如式（1）所示： +=0000000011001100auuxauuxfucauuxauuxfucF或或(1)
4、其中为粘性阻尼系数， 它与阻尼器的结构及磁流变液动力粘度0c有关；为屈服力，它与阻尼器的结构及磁流变液屈服应力0fy有关；x、u和分别为活塞相对于缸筒的位移、速度和加速度。该模型如图2所示。 a 国家自然基金资助项目(60572163)； 中国民航大学校基金资助（07qd11S） 。 第五届全国流体传动与控制学术会议暨年中国航空学会液压与气动学术会议2008 图 2 粘性滞后模型 磁流变阻尼器阻尼力的计算公式如式 （2） （3）所示： 2 p y32 p 3pp y3LA12LALD+u(t)+LD sgnu(t) (2) Dhhh F(t)= 3LA12LALD+u(t)+LD sgnu(t
5、)(3)Dhhh其中(2)的使用范围为，0x1uu00a0x1uuapA为活塞受到压力的有效面积； u(t)为活塞与缸体的相对流速；D 为活塞的直径；L 为活塞的长度；h 为工作间隙；是流体的动力粘度；y为屈服应力， 其中y和都与磁流变液的磁感应强度B有关，其它参数为已知。根据实验数据拟合得到 270403.246286 .178317 .710933+=IIIy (4) 3 模糊控制器的设计 3.1 确定输入输出变量的模糊语言值 对于在地面激励作用下的结构模糊控制问题，可以选用结构的位移，速度或加速度作为模糊控制器的输入量，选用电流作为模糊控制器的输出量，这个电流将输入给磁流变阻尼器，通过其
6、作用于结构，从而实现对结构的控制。 本文依据实际控制对象， 选用了二维模糊控制器 模糊控制器输入为激励加速度A和阻尼器负载位移 D, 取五个语言值，即：很小，小，中，大，很大， 模糊控制器输出电流 I 也取五个语言变量，即：很 小，小，中，大，很大。分别表示为： D=VS,S,M,B,VB A=VS,S,M,B,VB I=VS,S,M,B,VB 量化因子=1，位移因子=90，电流比例因子=1 aKdKIK3.2 隶属函数 隶属度函数可以通过总结操作者的操作经验或采用模糊统计方法来确定。本文输入、输出变量隶属度函数选为 trimf （三角）型函数见图（3） 、图（4） 、图（5） 。 图 3 位
7、移隶属函数曲线图 图 4 激励加速度隶属函数曲线图 图 5 电流隶属函数曲线图 3.3 建立糊控制规则 规则集的确定是一个复杂的问题，一般是根据经验来设计。本文规则集来源于三个方面：首先是对振动系统进行动力学分析的结论；第二是参考已有文献得出的规律；最后是将通过仿真调试得出的经验加以修正得出的。 第五届全国流体传动与控制学术会议暨年中国航空学会液压与气动学术会议2008 表 1 模糊控制规则表 D A VS S M B VB VS VS S M B VB S S M B B VB M M B B VB VB B B B VB VB VB VB VB VB VB VB VB 5 磁流变阻尼器的动
8、力学建模 在振动信号下的运动微分方程： pftaMltKytyCtyMg=+)()()()(? ? ? （5） 其中，M，C，K 分别为质量矩阵，阻尼矩阵，刚度矩阵。y(t)为位移，为激励加速度，为控制力，l为单位列向量，.将此微分方程转换为状态空间描述 （6） )(tag? ?f =+= CxyBuAxx ?式中，为状态变量，为控制力，为振动加速度和磁流变阻尼器控制力的组合。图 6 是 仿真框图。其中，阻尼器力学模型模块表现的是磁 流变阻尼器控制力的计算公式（2）（3）(4)。阻尼 器动力学模型模块表现的是状态空间描述式（6）。 =yyx? =CMKMIA110 =IB00IC =pfMta
9、 lug1)(=? ?将振源输入为一地震波，计算时间设为 8s。阻尼 器的负载加速度和速度时程曲线结果如图 7 和图 8 所示。 图 6 仿真框图 图 7 负载加速度 图 8 负载位移 第五届全国流体传动与控制学术会议暨年中国航空学会液压与气动学术会议2008 结果显示，磁流变阻尼器的模糊控制相对未加 控制器的响应，负载的加速度峰值下降了 80%，位 移的峰值下降了 30%，表明模糊控制能够较好的完 成对磁流变阻尼器的半主动控制，阻尼器有着较好 减震效果。 6 结论 本文对多环形槽结构磁流变阻尼器进行理论分 析和实验建模，建立了该阻尼器的力学模型。根据 实验数据，给出了阻尼力与控制电流之间的关
10、系, 并以此为依据设计出磁流变阻尼器的控制器。并且 采用将模糊控制方法对阻尼器进行控制，结果表明 其控制效果较好,控制器设计性能能够满足磁流变 阻尼器的控制要求。 参 考 文 献 1 Spencer B F, Dyke S J, Sain M K, et al. Phenomenological model of a magnetorheological damperrJ. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 1997,123(3):230-238 2 贾启芬， 基于磁流变阻尼器的汽车悬架半主动控制J,天津：天津大学学报，2006 3 李人厚， 智能
11、控制理论和方法M.西安： 西安交通大学出版社，1994 4 薛定宇， 基于 Matlab/Simulink 的系统仿真技术与应用M.北京：清华大学出版社，2002 5 欧进萍 结构振动控制-主动， 半主动和职能控制M.北京：科学出版社，2003 6 王刚,欧进萍.结构振动的模糊建模与模糊控制规则提取J.地震工程与工程振动,2001,21(2):130-135. 6 徐龙河,周云,李忠献.半主动磁流变阻尼控制方法的比较与分析J.世界地震工程,2000,16(3):95-100. Fuzzy Control of Magnetorheological Fluid Damper Tian Jing
12、He Jun Zhu Shixing (College of Aeronautical Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300) Abstract: In order to investigate the feasibility of Magnetorheological (MR) damper, based on the experiment data of self-made multi-ring grooves structure MR fluid damper, the relation betwe
13、en the damper force and control current is ascertained, and the dynamic model is structured. Because of the non-linear characteristic of Magnetorheological fluid, the passive control is not accurate enough, so the fuzzy logical method is applied to the control of the MR fluid damper, and the corresponding fuzzy controller is designed .The results of simulation show that the effect of fuzzy control is remarkable. Key words: MR fluid damper fuzzy control simulation 作者简介：田静，女(满族) ,辽宁人,副教授,主要研究方向为计算机控制 系统、流体传动及控制 E-mail:
