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半主动式范文（精选8篇）

半主动式第1篇

结构振动控制概念于1972年由美国教授T P Yao[1]提出。如今, 结构振动控制理论和实践的研究都已经取得了很大的成果。结构振动控制方法可分为主动控制、被动控制、半主动控制和混合控制[2]。半主动振动控制技术通过测量结构的振动反应和外载荷相关信息, 根据之前设定好的控制规律, 经由控制器来改变结构参数, 以达到降低结构动力反应的目的, 因此该技术属于参数化控制技术。与主动控制技术相比, 半主动控制技术只需要少量的外部能量就能实现接近于主动控制的效果。由于省去了施加控制力的结构装置, 使得半主动控制技术节约了控制成本, 并且易于控制。相比于被动控制技术, 半主动控制技术的控制效果更加可靠, 减振效果更佳。半主动控制技术兼具主动控制和被动控制的优点, 且装置简单、稳定, 耗能小, 因而具有非常广阔的应用前景。

半主动控制技术主要是通过控制改变刚度和阻尼这两个参数实现控制目的。目前, 半主动控制有半主动变刚度控制和半主动变阻尼控制两种。Kobori于1980年代提出了主动变刚度控制系统 (AVS) 的概念[3]。本文主要就变刚度半主动控制技术进行论述。

2 变刚度控制原理和控制系统

半主动变刚度振动控制技术作用原理是通过变刚度装置改变结构的附加刚度, 从而避免结构系统的自振频率与振源的振动频率接近或相同, 以实现不发生共振的目的, 最终保证结构的稳定和安全。从能量转换的角度来说, 结构主动变刚度控制是通过刚度元件的变形将结构部分振动能量转化为刚度元件的弹性变形能, 然后通过刚度元件释放其吸收的弹性变形能 (实际转换为伺服系统的热能) , 同时阻尼元件消耗部分结构振动能量[4]。

半主动变刚度系统由附加刚度部件、机械装置和控制器三部分组成, 如图1所示[5]。

根据附加刚度部件是否连接, 可变刚度系统可产生ON和OFF两种状态。结构系统通过接收到的载荷信号, 根据事先设定好的控制规律输出控制命令给机械装置, 也就是选择可变刚度系统的状态, 来实现对结构振动的有效控制。

刘季和李敏霞[6,7]研究开发了电液式可变刚度半主动控制系统, 并使用该装置进行了地震反应的半主动振动控制实验。主动变刚度控制系统还应用于日本Kajima研究所的三层钢结构建筑, 效果良好。彭凌云、周锡元、闫维明[8]提出一种具有变刚度特征的管式变摩擦阻尼器, 该阻尼器的主要部件包括套筒和装于其内并可来回移动的摩擦环。在结构中安装这种阻尼器, 可以使系统具有半主动变刚度的特征。潘法超、李杰和刘宏欣[9]针对加强层结构的特点, 研究了变刚度加强层高层建筑抗震效果。

3 变刚度半主动控制算法[2,10,11,12]

控制算法是变刚度半主动控制的关键组成部分。控制算法的好坏直接关系到减振效果。现总结了以下几种控制算法:

(1) Bang-Bang控制算法 (也称为ON/OFF控制算法) 。当结构的层间相对速度和位移同号时, 即结构背离平衡点的方向振动时, 变刚度控制系统给结构附加刚度;当结构的层间相对速度和位移反号时, 即结构从远离平衡点的位置向平衡点振动时, 变刚度控制系统不给结构附加刚度。

Bang-Bang控制算法是变刚度控制算法中应用最为广泛的一种算法。世界上唯一的变刚度控制系统的实际工程应用, 于1994年由非共振控制算法修改为开关控制算法。

(2) 脉冲开关控制算法 (也称为重设置开关位置控制算法) 。将变刚度控制系统一直保持ON的状态, 当结构反应满足一定条件时, 瞬间将控制装置置于OFF状态, 使存储在刚度元件中的弹性变形能瞬间释放给电液伺服阀, 瞬间再将变刚度控制装置置于ON状态。

脉冲开关控制算法可以减少伺服阀开关次数, 延长变刚度控制系统的寿命, 但对电液伺服阀的响应速度要求很高。

(3) 模态能量转换控制算法。考虑到结构的高阶模态比低阶模态具有更大的模态阻尼比, 可以消耗更多的结构振动能量, 从而抑制结构的反应或使结构的反应衰减更快。根据上述观点确定变刚度控制系统ON/OFF两种状态的切换准则。该方法可以限制结构的位移反应, 加快振动能量的耗散速度。

(4) 非共振控制算法。根据结构反应和观测的地震输入, 分析地震输入的频谱特性和结构的频谱特性, 以确定变刚度控制系统ON/OFF的切换动作, 使结构变刚度控制系统的振动频率远离振源的输入频率, 从而使结构的反应避开共振反应区域。

此外, 还有滑动模态控制理论[13]等。

4 结论

变刚度半主动控制技术具有诸多优点, 如今已成为振动控制技术研究的前沿热点。随着新型功能材料和控制技术的发展, 新的减振控制策略一定会不断跟进。以下总结了变刚度半主动振动控制技术存在的一些问题: (1) 常规变刚度控制系统抑振频带窄, 适用范围具有局限性[14]。变刚度控制装置一般可调频带范围较窄, 没有足够宽的可调频带, 使得控制效果不够明显。 (2) 很多需要减振的结构系统和非平稳的激励环境, 这些非线性的环节迫切需要提出更加先进可靠的半主动控制策略。因此, 基于人工智能的控制策略, 如模糊控制等技术需要得到更进一步的发展。 (3) 建立更加符合实际的结构数学模型, 是解决变刚度半主动控制的前提。 (4) 变刚度半主动控制技术在应用中需要用到很多硬件, 如信号测量与放大环节、控制器等配置。相关硬件质量和相应的系统集成也是需要关注的问题。

变刚度半主动振动控制经济可靠, 所需维护费用小, 具有很强的应用价值, 将具有非常广阔的前景。

摘要：变刚度半主动控制技术是一种半主动控制技术, 其目的是通过改变系统刚度来实现减振。文中介绍了变刚度半主动控制技术的控制原理、控制装置和控制算法, 并对该技术目前可能存在的问题进行了总结。

半主动式第2篇

海洋平台磁流变模糊半主动振动控制研究

为更有效地减小海洋平台动力响应,采用基于模糊控制算法的磁流变阻尼器对海洋平台的.振动进行控制.以海洋平台位移响应误差和误差变化为输入变量、以最优控制力为输出变量,优化设计出模糊控制器,根据磁流变半主动控制算法提供接近于最优控制力的半主动控制力.数值仿真结果表明:在模糊磁流变控制中,无论是对于位移反应、速度反应还是加速度反应都可以实现非常有效的控制.

作者：万乐坤嵇春艳尹群 WAN Le-kun JI Chun-yan YIN Qun 作者单位：江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,镇江,21 刊名：船舶工程 ISTIC PKU英文刊名：SHIP ENGINEERING 年，卷(期)： 29(4) 分类号：P751 关键词：海洋工程磁流变阻尼器模糊控制器半主动控制

机车悬挂半主动变结构控制仿真研究第3篇

基于磁流变阻尼器的机车车辆横向半主动悬架系统的变结构控制器, 通过Matlab/Simulink进行仿真验证, 结果表明该控制器有效抑制了车体的横向振动。

1 半主动车辆悬挂系统模型

研究的机车车辆模型以横摇振动为对象的半主动车辆横向悬挂系统, 其力学模型如图1所示。

具有车体横移 (x1) 、转向架横移 (x2) 、和车体测滚 (φ) 3 个自由度。

磁流变阻尼器采用修正的Bouc-Wen模型, 阻尼器的阻尼力为粘滞力与Bouc-Wen 滞变阻尼力之和。表达式为:

其中滞变位移Z由下式确定:

z=-γxz2-βxz2+Ax

式中γ、β和A 是与滞后环形状有关的参数, c0为粘滞系数, α为滞变位移系数。

悬架系统的动力学方程为:

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式中m1为转向架质量, m2为车体质量, Ir为车体横摇转动惯量, k1为每台转向架二系弹簧的横向刚度, k2为转向架一系弹簧的横向刚度, k3为二系弹簧的垂向刚度, 2b为垂直方向二系弹簧的横向间距, h1为横向的二系弹簧中心到车体重心的高度, h2为磁流变阻尼器到车体重心的高度, xr为轨道方向不平顺。

由式 (2) , 得系统状态方程为:

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式中:undefined为状态变量, undefined为输出变量, u为控制输入, w为扰动。

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2.1 变结构控制器设计思想

给定以下线性时不变系统

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其中:状态x∈Rn, 控制u∈Rm, 输出y∈Rl。假设 (A, B) 可控, (A, C) 可观, 且rank (CB) =m。

式中, G∈Rm×l, S∈Rm。

根据等效控制设计方法, 在滑模面上有

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由式 (5) 、 (6) 、 (7) 及 (8) 可得:

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由式 (9) 得到等效控制

Ueq= (GCB) -1GCAx (10)

将式 (10) 代入式 (5) , 得到滑动模态运动方程

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从式 (10) 、 (11) 看出, 要使等效控制和滑动模态存在, 就必须要求 (GCB) -1存在, 即

rank (GCB) =m (12)

由式 (12) 可得m

上式要求传感器的数量至少要等于执行器的数量。

2.2 滑模面的设计

由线性系统理论知, 由于 (A, B) 可控, 则可通过线性变换将式 (5) 、 (6) 变为以下简约型

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其中:B2∈Rm×m是非奇异矩阵, x1∈Rn-m, x2∈Rm。

在滑模面上有

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由于要求 (GCB) -1存在, 所以undefined也存在。由式 (16)

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将式 (17) 代入式 (14) , 得到降维滑动模态运动方程:

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必须选择适当的矩阵使得滑动模态运动方程式 (18) 稳定。令

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滑动模态运动方程式 (18) 变为

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可以用一般的线性系统输出反馈特征结构来设计, 然后再从undefined解出G。G存在的充分必要条件是

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对本文所研究的磁流变智能半主动悬架系统状态方程式 (2) , 定义滑模面

S=Gy (22)

其中undefined

式中G为滑模面矩阵。

在进行滑模面的设计时, 忽略式 (2) 中的外界激励xr, 而在控制器的设计中加以考虑。由于 (A, B) 可控, 则可通过线性变换

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将式 (2) 变为如式 (14) 、 (15) 所示的简约型。将降维滑动模态运动方程表示为式 (20) 的形式。式中V=[v1 v2 v3]。

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由于要求 (GCB) -1存在, 故要求:

g1Ir+m2h2g2≠0 (26)

将式 (21) 展开, 得到

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由式 (19) 得到

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根据滑动模态运动方程式 (20) 的Hurwitz稳定性判据可导出:

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在满足上述约束条件下选取v1=2、v3=0和g2=1则滑模矩阵

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2.3 半主动变结构控制器设计

由可控阻尼力对隔振质量做负功原理, 相应的半主动控制策略为

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式中MAX和MIN表示磁场强度为最大时和最小时磁流变阻尼器产生的阻尼力。

3 仿真及实验结果分析

系统仿真参数采用参考文献[3], 由于机车车辆在平直轨道上行驶时的运动形式为蛇行运动, 引起车体和转向架在横向平面内的振动, 故此取轨道方向不平顺为正弦扫频信号, 振幅为A=3mm。

图2、3别为扫频信号下无控制时和滑模变结构控制时加速度响应曲线, 从图2、3看出, 滑模变结构控制时

加速度比无控制时加速度小。由此说明, 变结构控制下的机车半主动悬架系统具有良好的减振效果。

4 结论

对带有磁流变阻尼器的机车车辆横向半主动悬架系统设计一种输出变结构控制器。仿真分析了悬架系统在正弦扫频信号下的车体加速度响应, 仿真结果表明半主动变结构控制悬架系统具有良好的减振效果。

摘要：针对机车横向稳定性控制问题, 对带有磁流变阻尼器的机车车辆横向半主动悬架系统设计一种变结构控制器。运用Matlab/Simulink软件平台, 对无控制作用悬架系统与变结构控制悬架系统进行对比仿真, 仿真结果表明, 变结构控制下的机车半主动悬架系统具有良好的减振效果。

关键词：磁流变阻尼器,半主动悬架,变结构控制

参考文献

[1]Liu H, Nonami K, Hagiwara T.Semi-active Fuzzy Slid-ing Mode Control of Full Vehicle and Suspensions[J].Journal of Vibration an Control, 2005, 11 (8) :1025-1042.

[2]SHIUH J H, KUO S H.An adaptive Fuzzy Siding ModeController for servomechanis disturbance rejection[J].IEEE Transaction on industrial Electronics, 2001, 48 (4) :845-852.

[3]高国生, 杨绍普, 郭京波.基于磁流变阻尼器的机车横向悬挂半主动控制研究[J].功能材料, 2006, 5 (37) :802-804.

半移动式破碎站控制系统的设计第4篇

目前, 我国大部分露天煤矿对煤炭的运输采用汽车运输或铁路-汽车联合运输的方式。据统计, 我国已有90%的露天煤矿转入或正在转入深凹或凹陷开采。随着露天煤矿开采深度加大, 运输距离也随之加长, 若仍采用以上运输方式, 将使得运输成本大幅增加, 严重阻碍矿山的生产和发展, 而改变这种状况的最有效措施之一是采用汽车-破碎站-胶带输送机的间断连续运输方式。该运输方式已经成为露天煤矿运输工艺的发展方向, 其中最重要的环节就是破碎站部分。可移动的大型半固定式破碎站是露天煤矿半连续工艺中的关键设备, 成为解决深凹露天煤矿运输问题的最佳方案。为此, 本文以一个实际项目为例, 对半移动式破碎站的控制系统加以研究, 为深凹型露天煤矿的运输提供了经济的工艺模式, 并为类似的控制方式提供了参考模式。

1 半移动式破碎站构成

半移动式破碎站一般由4个部分组成:重型板式给料机、破碎机、胶带输送机及可移动控制室, 如图1所示。其工作流程:由汽车将煤炭等物料卸入给料机料仓, 由给料机将物料运送给破碎机, 再由排料机输出粉碎后的物料, 最后经胶带输送机输出。

2 控制系统的构成

破碎机通常由大功率的高压电动机驱动, 板式给料机和胶带输送机等设备由低压电动机拖动, 故破碎站的控制系统通常由高低压开关柜、变压器、控制柜等电气设备组成。可移动控制室通常由箱体构成, 可现场装配。

本项目设备配置:1台板式给料机, 1台破碎机, 1台胶带输送机。控制系统以PLC为主控制器, 控制室设置人机操作面板供管理人员进行监控。电气系统配置:1台高压进线柜, 1台高压开关柜, 1台低压开关柜, 1台低压配电柜, 1台低压控制柜。具体设置:

(1) 板式给料机 (电动机:1×160 kW, 380 V, 变频调速, 单向运行) 线路布置:隔离开关+变频器+电动机。隔离开关负责电源供给;变频器负责调速、保护、拖动电动机;变频器输入控制端子接PLC输出端子, 变频器故障、状态输出端子接PLC输入端子。

(2) 破碎机 (电动机:2×250 kW, 6 kV, 不调速, 单向运行) 采用直接启动方式。线路布置:隔离开关+真空接触器+电动机。隔离开关负责电源供给;真空接触器负责拖动电动机;高压开关柜内的继电保护端子接PLC输入端子, 继电控制端子接PLC输出端子。

(3) 胶带输送机 (电动机:1×132 kW, 380 V, 不调速, 单向运行) 采用直接启动方式。线路布置:负荷开关+接触器+热继电器+电动机。负荷开关负责电源供给, 其附接点接PLC输入端子, 用于监测线路的短路、过载状况;热继电器负责保护电动机, 接点接PLC输出端子。

3 控制系统的实施

控制系统以PLC为主控制器, 采用触摸屏或工业组态软件作为上位机人机交互界面。为提高系统的智能化水平, 该系统采用分层结构化设计, 结构如图2所示。

在电气控制室设置与PLC相接的上位监控计算机, 其通信端口可接入网络, 供集控室对破碎站进行实时监控, 以实现管理的信息化和网络化。上位机主要功能:

(1) 显示每一台设备的运行状况;

(2) 显示每一个电源回路的动作信号;

(3) 显示破碎站生产过程中的故障信息;

(4) 监视电动机和轴承的温度;

(5) 监视破碎机等主要电动机的运行电流;

(6) 实现对破碎站的远程控制。

高压控制系统采用ABB高压柜和VD4/VS1控制开关, 控制高压进线和高压电动机 (破碎机电动机) 的高压部分, 构筑型式按其公司标配设置。电气原理如图3所示。

主控制器PLC置于低压控制柜中, 其输入/输出信号为加强抗干扰性, 采用继电器隔离方式, 具体输入/输出信号如表1所示。

续表

4 系统控制流程

为减小电网负荷, 各设备采取分时且逆料流启动、顺料流停车方案, 结合破碎站运行要求, 设置控制流程如下:

(1) 启车顺序:启动胶带输送机电动机 (直接启动) ;启动破碎机电动机 (直接启动) ;启动板式给料机风扇电动机 (直接启动) ;启动板式给料机电动机 (变速驱动) , 相对于破碎机电动机有60 s的延时。

(2) 停车顺序:关闭板式给料机电动机;关闭板式给料机风扇电动机;关闭破碎机电动机;关闭胶带输送机电动机。

(3) 闭锁关系:破碎机停-板式给料机停;板式给料机风扇停-板式给料机停;破碎机失速-破碎机停;破碎机跳闸-破碎机停;板式给料机跳闸-板式给料机停;破碎机绕组超温-破碎机停;板式给料机绕组超温-板式给料机停;板式给料机轴承超温-板式给料机停;物料开关报警-板式给料机停;胶带跑偏/打滑/撕裂/过载-胶带输送机停。

另外, 为保证系统正常运行以及方便调试检修, 对参控设备设置了就地箱。就地箱上几个按钮的作用:集中/就地转换钮, 用于集中/就地切换, 集中时, 由集控系统控制启停;就地启动/停止钮, 用于就地启动和停止;急停禁启钮, 此钮为自锁式, 既可作为故障急停又可作为禁启用。启动预告时, 如有故障, 现场司机按下此钮, 即为禁启, 启动过程被取消;故障处理好后, 旋起此钮, 重新启动;运行时, 如有故障, 现场司机按下此钮, 为故障停车, 处于来煤方向的设备全部停车。此信号接入PLC, 可显示在上位机上, 便于操作人员处理。集中控制时, 此钮也能停止设备, 具有最高现场控制级别。

5 结语

本文提出的露天煤矿煤炭运输系统中的半移动式破碎站控制系统以实际项目为设计背景, 结构紧凑, 功能完善。实际应用表明, 该控制系统运行稳定, 性能可靠, 控制灵活, 能够满足破碎站系统的运行控制要求, 为露天煤矿的破碎-运输系统提供了一种新的解决途径。

参考文献

[1]闻武, 孟如.胶带秤控制仪表的优化设计[J].工矿自动化, 2006 (3) :55~57.

基于形状记忆合金的半主动隔振研究第5篇

被动隔振器只有在激振力频率为固有频率的倍以上的情况隔振效果才得以体现,而对于低频段振动隔离难度较大。而主动隔振由于结构复杂,需要消耗大量的能量,也限制了它的发展。同时,在机器运转过程中载荷外扰动不可避免的要发生变化,针对这一问题,基于参数可调的半主动隔振技术是一个很好的选择,目前该技术主要是通过调节阻尼或刚度来改变系统的固有频率以适应激振力频率的变化。吴礼刚设计了一种解耦膜刚度可调的半主动液阻型橡胶隔振器,通过在线调节悬置内部的参数来实现不同工况下变刚度与阻尼的要求[1]。孙冰、聂景旭利用特性弹性元件与弹性阻尼限幅装置的组合设计了一种新型变刚度的复合结构隔振器,该隔振器承受载荷能力大、阻尼大,可以较好的隔离振动[2]。周卓亮采用齿形结构的电磁弹簧来改变隔振器的刚度,使隔振器能在不同外界扰动频率下变刚度运行,从而能实现在较宽的频带范围内无共振峰,改善隔振性能[3]。段勇等人发明了一种机械式自适应隔振器,通过对缸体内载荷的变化进行自适应调节,隔振效果良好,从而降低隔振设备与基础之间的振动传递[4]。

本文介绍了一种采用智能材料形状记忆合金来改变刚度的半主动隔振器,从而可以实现在较宽的频带范围内衰减振动,能有效的改善机器的振动。

2、变刚度隔振器的原理

在图1中,当隔振系统的刚度为kl时,其共振频率为ω1,频率响应曲线为abc;当隔振系统的刚度为k2时,其共振频率为ω2,系统的频率响应曲线为ade;变刚度隔振器的原理是:当激励频率较低时(在图1中(ω<ωg),调节系统的刚度为k2,此时频率响应曲线为agd,当ω增大到ωg时,通过改变刚度使系统的刚度为k1,此时的频率响应曲线为bge,经过调节刚度整个过程的响应曲线为agc,从而实现了隔离振动无共振峰[5]。

3、基于SMA的隔振器模型

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,以下简称为SMA)是一种具有形状记忆效能(Shape Memory Effect,SME)的智能材料,形状记忆效能是指合金在低温下具有一定的初始形状,施加塑性变形并消除残余应力后,当加热到某一临界温度后又可恢复到初始形状的的特性。[6]SMA内部存在着两种不同的晶体结构状态,即低温时为马氏体(M),高温时为奥氏体(A)。低温状态下马氏体相的弹性模量和屈服强度较低,通过加热变为奥氏体相时,弹性模量会相应的增大,实验数据显示Ehot=3Ecold[7],将SMA应用于隔振控制中,就是利用其弹性模量随温度变化的特性,调节或改变系统刚度,从而实现改变系统的固有频率,使系统避开共振。

如图2所示,基于SMA的隔振器由SMA丝组成的悬臂梁来充当弹性元件,根据外部激励频率的变化,通过施加电流或断电来控制SMA丝的温度,以改变其弹性模量,从而改变悬臂梁的刚度。当悬臂梁纵向运动时,取自由端为简化点,悬臂梁的等效刚度为:

系统的固有频率为:

基于SMA的力学模型如图3所示,假设设备受到正弦激励力F(t)=F0sinωt则其运动微分方程为:

机器的稳态振动响应为：x=Xsin(o)t-cp)

其幅频特性为:

于是,传到基础结构上的力为:

七式代表激振力传递到基础结构上的比率,称为力的传递率。

4、仿真结果分析

根据式(3-6)可知,力传递率在时,振动传递率的幅值为1;而对于的情况,振动传递率的幅值小于1,这时传递到基础机构上的力小于激振力,此时,隔振效果才得以体现.通过仿真得到了在冷却与加热状态下系统的力传递率,如图4所示,在冷却状态下系统的固有频率为1HZ,只有当外界激励频率大于时可以实现较好的隔振;加热状态下系统的固有频率为1.73HZ,当外界激振频率大于2.44HZ时隔振效果才得以实现。两种状态下对低频段的隔振难以实现且在激振力频率等于系统固有频率时会出现共振,因SMA丝的弹性模量随温度而变化,所以可以通过适时的调整电流最终改变系统的固有频率,当外界激振频率较小时,可以增大电流使系统的ωn取较大的值使幅值曲线沿agd,当外界激振频率增大到1.2HZ左右时,可以断电使系统的ωn取较小值使幅值曲线沿bgc,这样整个运行过程中幅值曲线为agc,虽然在g点附近出现了小的共振峰,但相比于之前两种状态共振峰已明显减小,从而获得对于低频段也有较好地隔振效果并且避开共振峰的的隔振性能。

5、总结

仿真结果表明设计的基于SMA的变刚度隔振器可以实现在较宽的频带内隔振,并且可以安全的避开共振峰,隔振效果显著。因其结构简单,易于操作,不需消耗外界过多能量,所以非常适合用于机器设备的隔振。

如何准确控制电流大小以调节悬臂梁刚度迅速适应外界激振力频率的变化,及SMA丝加热冷却存在着一定的滞后性,因此提高反应速度和控制精度将是后续进一步研究的重点。

摘要：针对被动隔振器对低频段的隔振能力差,主动隔振器结构过于复杂等问题,设计了一种基于形状记忆合金(SMA)的半主动隔振器,带有SMA丝的悬臂梁充当弹性元件,根据SMA的弹性模量随温度改变而变化的特性,通过适时的改变通入悬臂梁的电流,从而调节系统的固有频率使其随外部激振力频率的变化而改变。本文对变刚度隔振器的原理及基于SMA的隔振器的模型进行了分析,通过仿真得到了较宽的隔振频带并避开共振峰的响应曲线。

关键词：振动控制,隔振器,半主动隔振器,形状记忆合金

参考文献

[1]吴礼刚.半主动液阻型橡胶隔振器动态性能测试与计算分析[.J]Journal ofvibratton and shock Vol.30 NO.4 2011.

[2]孙冰.一种基于变刚度原理的新型隔振器设计[J]Joumal ofBeijing university ofaeronautics and astronautics 1999.25-6.

[3]余雄鹰.车载电子设备压电式自适应隔振技术研究[D]重庆:重庆工学院2008.

[4]段勇,谢基榕,吴文伟.机械式自适应隔振器[P]中国201310074252.4.

[5]周卓亮.可变刚度隔振器研究[D]哈尔滨:哈尔滨工程大学2006.

[6]赵艳妍基于形状记忆合金的主动调谐吸振器特性及其主动控制策略的研究[D]山东:山东大学2006.

半主动式第6篇

随着科技水平的进步,人们越来越重视主动和半主动悬架的研究。主动悬架具有优越的减振性能,然而其系统复杂、成本高昂、能耗大,因此难以普及。半主动悬架采用可调阻尼减振器,结构相对简单、能耗几乎为零,同时减振性能优良,所以逐渐得到国内外学者的重视。其一直没有得到广泛应用,主要是由于可调阻尼减振器技术尚未成熟以及对阻尼的控制存在困难[1]。半主动悬架体统具有明显的非线性特征,因此模糊控制成为有效的控制方法。

本研究通过比较1/2四自由度模型和1/4二自由度模型的运动微分方程,推导出模型简化需要的条件,并制定相应的模糊控制策略。

1 数学模型的建立

1.1 1/2与1/4被动悬架模型的对比分析

1/2被动悬架模型如图1所示。其系统运动微分方程为:

m1、m2-前、后轴非簧载质量;m3-汽车簧载质量;J-簧载质量绕其质心的转动惯量;k11、k12-前、后轮胎的等效刚度;k12、k22-前、后悬架的等效刚度;c1、c2-前、后悬架的等效阻尼系数;lf、lr-簧载质心对前、后轴心的水平距离;q1、q2-路面对前、后轮的激励;z1、z2-前、后轮轴心的位移;z′1、z′2-前、后轮轴心正上方簧载质量的位移;z3-簧载质量质心的位移;θ—车身的俯仰转角。

$m_{1} \overset{. .}{z_{1}} = - k_{11} (z_{1} - q_{1}) + k_{12} (z^{'}_{1} - z_{1}) + c_{1} (\dot{z^{'}}_{1} - \dot{z_{1}}) (1)$

$m_{2} \overset{. .}{z_{2}} = - k_{21} (z_{2} - q_{2}) + k_{22} (z^{'}_{2} - z_{2}) + c_{2} (\dot{z^{'}_{2}} - \dot{z_{2}}) (2)$

$\begin{array}{l} m_{3} \overset{. .}{z_{3}} = - k_{12} (z^{'}_{1} - z_{1}) - c_{1} (\dot{z^{'}}_{1} - \dot{z_{1}}) - k_{22} (z^{'}_{2} - z_{2}) - \\ c_{2} (\dot{z^{'}_{2}} - \dot{z_{2}}) (3) \\ J \overset{. .}{θ} = l_{f} [k_{12} (z^{'}_{1} - z_{1}) + c_{1} (\dot{z^{'}}_{1} - \dot{z_{1}})] - l_{r} [k_{22} (z^{'}_{2} - z_{2}) + \\ c_{2} (\dot{z^{'}}_{2} - \dot{z_{2}})] (4) \end{array}$

其中:

z′1=z3-θlf (5)

z′2=z3+θlr (6)

将如图1所示的1/2悬架模型拆解成两个独立的1/4悬架模型,如图2所示。

m4、m5-前、后悬架簧载质量;z4、z5-前、后悬架车轮轴心的位移;z′4、z′5-前、后悬架簧载质量质心的位移;其他参数与图1相同。

其系统运动微分方程为:

$m_{1} \overset{. .}{z_{4}} = - k_{11} (z_{4} - q_{1}) + k_{12} (z^{'}_{4} - z_{4}) + c_{1} (\dot{z^{'}_{4}} - \dot{z_{4}}) (7)$

$m_{4} \overset{. .}{z^{'}_{4}} = - k_{12} (z^{'}_{4} - z_{4}) - c_{1} (\dot{z^{'}_{4}} - \dot{z_{4}}) (8)$

$m_{2} \overset{. .}{z_{5}} = - k_{21} (z_{5} - q_{2}) + k_{22} (z^{'}_{5} - z_{5}) + c_{2} (\dot{z^{'}_{5}} - \dot{z_{5}}) (9)$

$m_{5} \overset{. .}{z^{'}_{5}} = - k_{22} (z^{'}_{5} - z_{5}) - c_{2} (\dot{z^{'}}_{5} - \dot{z_{5}}) (10)$

利用式(1)、式(2)和式(3)可以得到:

$\begin{array}{l} \overset{. .}{z_{3}} = - \frac{1}{m_{3}} [m_{1} \overset{. .}{z_{1}} + k_{11} (z_{1} - q_{1}) + \\ m_{2} \overset{. .}{z_{2}} + k_{21} (z_{2} - q_{2})] (11) \end{array}$

利用式(1)、式(2)和式(4)可以得到:

$\begin{array}{l} \overset{. .}{θ} = \frac{l_{f}}{J} [m_{1} \overset{. .}{z_{1}} + k_{11} (z_{1} - q_{1})] - \\ \frac{l_{r}}{J} [m_{2} \overset{. .}{z_{2}} + k_{21} (z_{2} - q_{2})] (12) \end{array}$

对式(5)两边求二次导数,得到:

$\overset{. .}{z^{'}_{1}} = \overset{. .}{z_{3}} - \overset{. .}{θ} l_{f} (13)$

将式(11)和式(12)代入式(13),整理得到:

$\begin{array}{l} \overset{. .}{z} ´_{1} = - [m_{1} \overset{. .}{z_{1}} + k_{11} (z_{1} - q_{1})] (\frac{1}{m_{3}} + \frac{l_{f}^{2}}{J}) - \\ [m_{2} \overset{. .}{z_{2}} + k_{21} (z_{2} - q_{2})] (\frac{1}{m_{3}} - \frac{l_{f} l_{r}}{J}) (14) \end{array}$

同理,可以得到:

$\begin{array}{l} \overset{. .}{z} ´_{2} = - [m_{2} \overset{. .}{z_{2}} + k_{21} (z_{2} - q_{2})] (\frac{1}{m_{3}} + \frac{l_{r}^{2}}{J}) - \\ [m_{1} \overset{. .}{z_{1}} + k_{11} (z_{1} - q_{1})] (\frac{1}{m_{3}} - \frac{l_{f} l_{r}}{J}) (15) \end{array}$

利用式(7)和式(8)可以得到:

$\overset{. .}{z} ´_{4} = - [m_{1} \overset{. .}{z_{4}} + k_{11} (z_{4} - q_{1})] \frac{1}{m_{4}} (16)$

利用式(9)和式(10)可以得到:

$\overset{. .}{z} ´_{5} = - [m_{2} \overset{. .}{z_{5}} + k_{21} (z_{5} - q_{2})] \frac{1}{m_{5}} (17)$

对比式(14)和式(16)可知:当以下条件:

$\frac{1}{m_{4}} = \frac{1}{m_{3}} + \frac{l_{f}^{2}}{J} | \frac{1}{m_{3}} - \frac{l_{f} l_{r}}{J} | ≪ | \frac{1}{m_{3}} + \frac{l_{f}^{2}}{J} | (18)$

得到满足时,式(14)和式(16)的解近似相等。

同理可知:当以下条件:

$\frac{1}{m_{5}} = \frac{1}{m_{3}} + \frac{l_{r}^{2}}{J} | \frac{1}{m_{3}} - \frac{l_{f} l_{r}}{J} | ≪ | \frac{1}{m_{3}} + \frac{l_{r}^{2}}{J} | (19)$

得到满足时,式(15)和式(17)的解近似相等。

由此可知,当式(18)和式(19)成立时,如图1所示的1/2悬架模型可以简化成如图2所示的两个独立的1/4悬架模型。

以某轿车为例,其1/2悬架结构参数,如表1所示。

由此可以得到:

$\begin{array}{l} | \frac{1}{m_{3}} - \frac{l_{f} l_{r}}{J} | = 1.1259 \times 10^{- 7} \\ | \frac{1}{m_{3}} + \frac{l_{f}^{2}}{J} | = 1.8 \times 10^{- 3} \\ | \frac{1}{m_{3}} + \frac{l_{r}^{2}}{J} | = 2.4 \times 10^{- 3} \end{array}$

且取:

$m_{4} = (\frac{1}{m_{3}} + \frac{l_{f}^{2}}{J})^{- 1} = 566.28$

$m_{5} = (\frac{1}{m_{3}} + \frac{l_{r}^{2}}{J})^{- 1} = 409.04$

则式(18)和式(19)成立,该轿车可以用两个独立的1/4悬架模型近似模拟1/2悬架模型的运动。

使用Matlab进行仿真计算。以正弦波作为路面位移输入,取:

$\begin{array}{l} q_{1} = 0.05 - 0.05 \sin (π t + \frac{π}{2}) \\ q_{2} = 0.05 - 0.05 \sin (π (t - \frac{l_{f} + l_{r}}{v}) + \frac{π}{2}) \end{array}$

其中,v为车速,取为10 m/s。

簧载质量垂直振动加速度是评价汽车悬架平顺性的主要指标[2],其仿真结果如图3所示。图1与图2所示两种悬架模型的簧载质量垂直振动加速度曲线几乎完全重合。由此可知,取该轿车的1/4悬架模型代替1/2悬架模型进行研究,结论将具有足够的精确度。

1.2 1/4半主动悬架模型及其状态方程

取该轿车前1/4悬架模型进行研究。为简化公式,将各符号重新定义,并将等效阻尼改为可调阻尼,化为1/4半主动悬架模型,如图4所示。

m1-非簧载质量;m2-簧载质量; k1-车轮轮胎的等效刚度;k2-悬架的等效刚度;c-悬架的可调阻尼;q-路面对车轮的激励;z1-非簧载质量的位移;z2-簧载质量的位移。

其运动微分方程与式(7)和式(8)类似。

取状态向量:

$\begin{array}{l} X = [z_{1} z_{2} \dot{z_{1}} \dot{z_{2}}]^{Τ} \\ Y = [\overset{. .}{z_{2}} z_{2} - z_{1} k_{1} (z_{1} - q)]^{Τ} \end{array}$

则其系统状态方程为:

$\begin{array}{l} \dot{X} = A X + B q \\ Y = C X + D q \end{array}$

其中:

$\begin{array}{l} A = [\begin{matrix} 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ - \frac{k_{1} + k_{2}}{m_{1}} & \frac{k_{2}}{m_{1}} & - \frac{c}{m_{1}} & \frac{c}{m_{1}} \\ \frac{k_{2}}{m_{2}} & - \frac{k_{2}}{m_{2}} & \frac{c}{m_{2}} & - \frac{c}{m_{2}} \end{matrix}] \\ B = [\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ \frac{k_{1}}{m_{1}} \\ 0 \end{array}] \\ C = [\begin{matrix} \frac{k_{2}}{m_{2}} & - \frac{k_{2}}{m_{2}} & \frac{c}{m_{2}} & - \frac{c}{m_{2}} \\ - 1 & 1 & 0 & 0 \\ k_{1} & 0 & 0 & 0 \end{matrix}] \\ D = [\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \\ - k_{1} \end{array}] \end{array}$

2 模糊控制器的设计

模糊控制规则是模糊控制器的核心[3],是模糊控制器决策的依据。从提高汽车平顺性的要求出发,以“最快地使簧载质量的加速度为零”为原则,制定模糊控制规则。

以簧载质量垂直振动加速度a和簧载质量与非簧载质量的相对运动v作为模糊控制器的输入,可调阻尼c作为输出。设a、v和c的物理论域为[-am,am]、[-vm,vm]和[0,cm],其模糊论域分别定为[-1,1]、[-1,1]和[0,1],则量化因子k1=1/am、k2=1/vm,比例因子k3=cm。控制器的语言变量a、v取NB、NS、ZE、PS和PB这5个模糊子集,c取ZE、PS和PB这3个模糊子集。a、v隶属函数为三角形,c隶属函数为s形和钟形。最终制定25条模糊控制规则,如表2所示。模糊控制输出清晰化算法采用面积中心法。

3 仿真计算

使用Matlab进行仿真计算,结构参数由本研究第1部分提供,分别为m1=98 kg,m2=566.28 kg,k1=604.69 kN·m-1,k2= 45.48 kN·m-1。设汽车以10 m/s驶过C级路面,则路面输入可由谱密度为0.031 8 m2·s-1的白噪声通过一积分器产生。仿真结果如表3、图5所示。

从结果可见,模糊控制半主动悬架簧载质量加速度的最大值(MAX)、最小值(MIN)和均方根值(RMS)均小于被动悬架,行驶平顺性明显提高[4,5,6,7,8]。

4 结束语

仿真计算表明,当1/2悬架模型的结构参数满足一定条件时,可以简化成1/4悬架模型进行研究,从而简化计算;模糊控制半主动悬架较之被动悬架具有更优的平顺性。同时,初期制定的模糊控制规则有可能存在稳定性不足的问题,因此需要在仿真过程中不断对比、调试、修改。略有不同的模糊规则也就可能产生迥异的仿真结果。

除平顺性之外,悬架的评价指标还包括安全性和可操控性等。模糊控制一般难以优化所有指标,因此复合控制将是一个值得深入研究的解决方案。

参考文献

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[7]胡杰辉,颜文俊.基于磁流变阻器的半主动悬架控制与仿真[J].机电工程,2007,24(6):74-76.

半主动式第7篇

LQG(Linear Quadratic Gaussian)是目前最广泛应用的控制算法之一[4]。磁流变阻尼器具有响应迅速、结构简单耐久性好、、动态范围大、阻尼力大[1]的特点。通过自身的通入很少的电流产生可变的较大的电磁力。通过局部传感器的反馈和LQG控制算法算法控制可以让磁流变阻尼器达到较好的结构减震效果,本文将测得的加速度对位移、速度进行估计从而得到最优反馈力,然后进行半主动控制。

2基于加速度反馈的LQG的半主动控制

使用的磁流变阻尼器[5]时,地震作用下的受控体系的运动方程可表示为:

其中Y是系统的输出。

式中0和I分别表示相应的零矩阵和单位矩阵。

本文采用了一个三层框架模型,并且仅观测结构各层的绝对加速度,由式(2)

3数值算例及分析

由图3、4及表1可以看出,在LQG控制下与未受控条件下结构比较,此时的磁流变半主动控制可以使结构模型的一层、二层、三层位移峰值分别减少36.6%、37.2%和44.1%,同时一层、二层、三层的加速度峰值分别减少了13.8%、32.9%和36.5%。通过各层最大加速度和位移的包络图可以看出结构在加速度反馈下的LQG算法能够有效的减少结构的位移和加速度反应,说明了磁流变阻尼器加速度反馈控制的优越性,是一种简便有效的控制算法。

4结论

本文研究了以加速度作为反馈的磁流变阻尼器半主动控制算法,并且进行了数值模拟研究,得到如下结论:

1)磁流阻尼器能够有效的减小结构的加速度和位移反应。

2)Kalman滤波器能够较好的估计结构的位移和速度,从而达到较好的控制效果。

摘要：目前结构半主动控制多以结构位移和速度作为状态反馈从而得到结构的最优控制力。但是考虑到结构的绝对位移测量不便和累积误差,本文研究了基于加速度反馈的线性二次高斯(LQG)算法,用测量简单、可靠的加速度作为反馈量,通过Kalman滤波器估计结构位移和速度,从而对结构进行半主动控制。数值算例分析结果表明,此控制算法能够有效地减小结构的地震反应。

关键词：磁流变阻尼器,加速度反馈,半主动控制

参考文献

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[8]欧进萍,结构振动控制-主动、半主动和智能控制[M].科学出版社.2003

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[10]李宏男,李忠献,祁剀,贾影.结构振动与控制[M].中国建筑工业出版社。

半主动式第8篇

中国是传统的农业大国, 而拖拉机及其改装车是最传统、最必不可少的农用机械。拖拉机在田间作业时存在路面不平、路况多变等客观现实, 而以往拖拉机座椅设备比较简陋, 为了改善乘坐舒适性, 对拖拉机座椅的研究和改进成为必要。为此, 可以从轮胎、车架和驾驶座3个方面实现减振, 但要求改变驾驶座的系统动态特性时不会影响整车的其他性能[1], 而且改变座椅性能应具有制造周期短、见效快及方便易行的优点。

目前, 一些大马力拖拉机为了提高乘坐舒适性, 驾驶座采用了空气弹簧的被动悬架。这种悬架虽然有一定减振作用, 但由于它只是被动地去适应地面传至座椅的振动[2], 而且其阻尼特性是根据固定体重的驾驶员而设计的, 这种悬架的缺点也非常明显。由磁流变液 (MRF) 制成的磁流变液阻尼器 (MRD) 应用于座椅悬架上, 可以有效耗散地面激励引起的车辆对驾驶员的振动, 改善乘坐舒适性[3];而且由于MRD具有响应快、造价低、寿命长、可调范围大等优点, 近年来受到人们极高关注。

因为被动座椅悬架的改善空间非常有限, 不能有效地减小低频段振动。所以, 本文重点叙述在被动座椅悬架模型的基础上构建半主动座椅悬架的模型来增加拖拉机乘坐舒适性的方法。同时, 提出将MRD应用于拖拉机座椅悬架中, 构建出阻尼可调的半主动座椅悬架模型, 并采用PID控制和模糊控制策略进行Simulink仿真, 验证模型的正确性。

1 建立各种模型

1.1 座椅模型

本文采用某拖拉机的相关参数, 结合理论动力学建模的基本理论和前人建模经验[4,5], 建立了1/2车型的五自由度振动模型。同时, 在此基础上, 改座椅悬架的固定阻尼为可变阻尼, 建立了基于磁流变阻尼器的半主动模型, 如图1所示。

根据牛顿第二定律, 被动模型和半主动模型的动力学方程分别为

1.2 地面输入模型

传递到拖拉机座椅的振动来源主要有发动机振动和地面输入两个方面。由于发动机运转引起的周期振动及其高频振动在很大程度上已经被座椅系统隔离, 所以应主要探讨由地面不平所引起的低频范围内的随机振动[5]。根据田间路面不平、路况多变的实际情况, 本文选取E级路面激励为非公路田间崎岖路面, 采取车速为2km/h。其路面不平度的时域表达式见式 (3) , 仿真框图如图2所示。

其中, q (t) 为路面位移;G0为E级路面不平度系数;u为车辆前进速度;w为均值为0的高斯白噪声;f0为下截止频率[6]。

1.3 磁流变阻尼器力学模型

参考Bingham粘弹-塑性模型, 可以将磁流变阻尼器的阻尼力等效为基值阻尼与可控阻尼之和;而两者分别与速度和电流相关[7], 其表达式为

关于可控阻尼力与电流之间的复杂关系, 因条件限制, 本文无法进行试验, 且该部分不是本文研究的重点。因此, 本文采用了文献[8]的试验数据, 对其数据进行三阶拟合得出阻尼力与电流的关系为

2 控制策略

由于拖拉机乘坐舒适性是以驾驶员承受的加速度来评价的[9], 因此本文以驾驶座的垂向加速度的均方根值 (RMS值) 最小作为控制的最终目标。MRD产生的阻尼力FM是输入电流与座椅相对运行的非线性函数, 所以选择可调磁流变阻尼器运动产生的电流作为控制的目标[8], 可以根据最终目标的变化进行实时调节控制, 达到最优目标。基于前人研究成果及MRD的非线性特性, 本文分别将PID控制、模糊控制应用于半主动座椅悬架系统中进行仿真, 并与传统被动模型进行对比分析。

2.1 PID控制

PID控制器作为一种线性控制器, 主要是根据偏差的变化情况来调节被控量的。本文采用位移式PID算法, 算法表达式见式 (6) , 其仿真框图如图3所示。

2.2 模糊控制

在设计模糊控制器时, 以拖拉机驾驶座的速度和速度变化率分别设定为控制器的两个输入E和d E, 阻尼器的控制电流设定为输出目标U;非模糊化 (defuzzifi cation) 采取重心法 (centroid) ;E、d E、U的隶属函数均采用三角函数;模糊子集的论域分别为[-2 2]、[-2 2]、[0 6];模糊子集分别为{NB (负大) , NS (负小) , Z (零) , PS (正小) , PB (正大) }、{NB (负大) , NS (负小) , Z (零) , PS (正小) , PB (正大) }、{Z (零) , S (小) , SM (小中) , M (中) , MB (中大) , B (大) };模糊规则语句为“if A and B, then C”;模糊规则及模糊控制器如表1和图4[10]所示。

3 基于Mat Lab/Simulink的仿真及分析

3.1 仿真

本文根据前面建立的地面输入模型、磁流变阻尼器模型、“车-椅”动力学模型, 以及PID控制器和模糊控制器模型, 在Simulink环境中分别建立了被动控制、PID控制和模糊控制的仿真框图, 如图5、图6和图7所示。同时, 结合Mat Lab编程绘制仿真结果。为便于明显观察和对比分析3种控制, 只截取仿真结果的其中一段图像进行展示, 并且将3种控制的加速度和速度分别绘于2个图中。将3种控制的加速度及速度的均方根值、变化范围和改变幅度制成表格形式, 如表2所示。加速度仿真结果如图8所示, 速度仿真结果如图9所示。

3.2 分析

由图8和图9可知:当拖拉机行车路况发生改变时, PID控制和模糊控制策略均能很好地跟踪模型。对比仿真结果图8、图9和均方根值表2可知:当白噪声信号激励路面时, 基于两种控制的磁流变半主动座椅悬架的座椅加速度和速度都远小于传统的被动座椅悬架;本文所建立的拖拉机五自由度模型正确可靠;采用磁流变阻尼器的半主动座椅悬架可以有效地衰减振动。表2中, 对比PID控制、模糊控制下的座椅加速度、速度相对于传统被动悬架的改善百分比和变化范围可以看出:两种控制都具有非常明显的效果, 而其中模糊控制为最佳。

4 结论

仿真结果表明:无论是PID控制, 还是模糊控制, 对基于磁流变阻尼器的拖拉机半主动座椅悬架系统都有非常有效的减振效果。本文建立的模糊控制模型中, 存在运行速度偏慢的问题, 初步判定原因是模型偏于复杂, 这将是系统须进一步解决和完善的问题。本文所建立的基于磁流变阻尼器的拖拉机半主动座椅悬架模型为今后改进拖拉机的舒适性提供了一种现实可行的思路和方向, 具有广阔的应用前景。

摘要：为了改善拖拉机的乘坐舒适性, 提出了将磁流变阻尼器应用于座椅悬架的新设计思路。为此, 利用地面输入模型、磁流变阻尼器模型和传统被动座椅悬架模型建立了新型的半主动座椅悬架模型, 并设计了PID控制器和模糊控制器, 在Mat Lab/Simulink仿真环境下对半主动座椅悬架与被动座椅悬架进行仿真。仿真结果表明:半主动座椅悬架相比于传统的被动座椅悬架, 在减振方面效果明显;而在两种控制方法中, 模糊控制效果最佳。

关键词：座椅悬架,磁流变阻尼器,控制,仿真,拖拉机

参考文献

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[3]张志勇.半主动座椅悬架控制理论与实验研究[D].长沙:湖南大学, 2008:1-5.

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