磁流变阻尼器及其控制系统动态响应试验研究
磁流变阻尼器半主动隔振系统试验研究
收 稿 日期 ：０ ６—３ ６ ２ ０ ０ ０
作者简介 ： 存治 潘
男 １６ ９６年出生 副教授
基金项 目： 国家 Ｆ然科学 金项 日（ ０ ７０ ３ ； Ｉ １４ ２ ７ ） 河北省 自然科学基金 资助项 目（ ２ ００ ０ ０ ） Ｅ ０ ５ ０ ５ ７
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验 。试验 结 果表 明 ， 阻尼 力 与速度之 间复 杂滞后 环 与位 移 激励 频 率 、 幅值 和励 磁 电流 密切 相 关 ， 并呈现 出一定 的 变化规律 ； 被动 隔振 效 果随 励 磁 电流 变化 规律 类似 线 性 阻尼 的情 形 ， 且 有调 并 节刚度 的效应 ； 主动控 制在 系统 共振 点 附近 的 隔振 效 果优 于被 动 隔振 ， 在 较 高频段 没 有优 半 但 势 ； 主动 隔振 数控 采样 频率越 低 ， 半 隔振 效 果越 差 ， 高频段 效果 劣化 较 明显 。 在
第 ３期
潘 存 治等 ： 磁流 变 阻尼器 半 主动 隔振 系统试 验 研 究
３ ７
环 随激励 幅值 变 化情 况 ， 图 ３ 见 。可看 出 ， 激励 幅值 对 滞后 环 沿 着 速度 轴 的宽 度 影 响 不 大 ， 随 激 励 幅值 但 的增 大 ， 滞后 环有 顺 时针倾 斜 的趋 势 ， “ 即 阻尼 变 软 ” 。 使位 移 幅值 为 ２Ｉｌ、 ｌｌ励磁 电流 为 ０３Ａ不变 ， 移激 励频 率分 别 为 ０５、 、 Ｈ ， Ｉ ｌ ． 位 ． ｌ２ ｚ考察 阻尼 力 与速 度 问 的滞后环 随位 移 激励 频率 变 化情 况 ， 图 ４． 见 ．可看 出 ， 激励 频率 对 阻尼 力幅 值影 响 不 大 ， 频 率越 大 ， 后 但 滞
磁流变阻尼器的动力学模型及其在车辆悬架中的应用研究
磁流变阻尼器的动力学模型及其在车辆悬架中的应用研究一、本文概述随着现代科技的不断进步和汽车工业的飞速发展，车辆悬架系统作为影响车辆行驶平稳性和安全性的关键部分，其性能优化越来越受到人们的关注。
其中，磁流变阻尼器作为一种新型智能材料阻尼器件，以其独特的性能调控能力和快速响应特性，在车辆悬架系统中展现出广阔的应用前景。
本文旨在深入研究磁流变阻尼器的动力学模型，探索其在车辆悬架系统中的应用效果，为提升车辆行驶性能提供理论支持和技术指导。
本文将系统介绍磁流变阻尼器的基本原理和特性，包括其工作机理、力学特性和调控方式等。
在此基础上，建立磁流变阻尼器的动力学模型，通过理论分析和数值仿真，探讨其动力学特性及影响因素。
本文将研究磁流变阻尼器在车辆悬架系统中的应用，分析其对车辆振动特性和行驶稳定性的影响。
通过构建车辆悬架系统模型，结合仿真实验和实车测试，评估磁流变阻尼器在改善车辆行驶性能方面的实际效果。
本文还将对磁流变阻尼器在车辆悬架应用中的关键技术问题进行探讨，提出相应的解决方案和优化策略，为其在实际工程中的应用提供参考。
通过本文的研究，旨在推动磁流变阻尼器在车辆悬架系统中的应用发展，为提升车辆行驶性能、增强驾驶舒适性和安全性提供有力支持。
也为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考和借鉴。
二、磁流变阻尼器概述磁流变阻尼器（Magnetorheological Dampers，简称MRDs）是一种基于磁流变液（Magnetorheological Fluid，简称MRF）的智能材料制成的被动或半主动控制元件，因其具有优良的阻尼特性和响应速度快等特性，近年来在车辆悬架系统、建筑振动控制以及军事领域等得到了广泛的应用。
磁流变液是一种由微米级铁磁颗粒和非导磁性载液混合而成的悬浮液，其粘度在磁场的作用下可以迅速并可逆地改变。
磁流变阻尼器正是利用了这一独特的物理特性，通过调整磁场强度，实现对阻尼力的连续、快速和可逆的控制。
基于磁流变阻尼器的高速动车组半主动控制与时滞分析的开题报告
基于磁流变阻尼器的高速动车组半主动控制与时滞分析的开题报告1. 研究背景及意义高速动车组是现代高速铁路的基础设施之一，在提高铁路运输效率方面具有重要作用。
然而，高速动车组在高速行驶过程中面对的多种复杂的运动状态和外界扰动，导致车辆的稳定性和安全性难以保证。
因此，如何提高高速动车组的稳定性和安全性成为了研究的重点。
磁流变阻尼器是一种能够通过改变流体阻尼特性来调节结构振动的智能材料技术。
通过在高速动车组中应用磁流变阻尼器，可以实现车辆的半主动控制，从而提高其稳定性和安全性。
本研究旨在探究基于磁流变阻尼器的高速动车组半主动控制方法，分析其控制效果和影响因素，进一步研究时滞对车辆稳定性的影响，为高速动车组的运营和安全提供理论支持和参考。
2. 研究内容及方法本研究将深入探究基于磁流变阻尼器的高速动车组半主动控制方法和时滞分析，主要研究内容包括：（1）磁流变阻尼器的工作原理和特性研究。
（2）高速动车组半主动控制系统建模和仿真。
（3）基于系统仿真结果，分析半主动控制方法对系统稳定性和运行安全的影响因素。
（4）针对时滞对磁流变阻尼器控制效果的影响，开展时滞分析及控制策略研究。
（5）通过对实验数据进行分析，验证半主动控制方法的效果和可行性。
本研究采用理论分析、计算机仿真、实验验证等方法，通过对磁流变阻尼器控制特性、系统稳定性分析和时滞分析等方面的研究，探讨高速动车组半主动控制方法的优化和完善，提高车辆的稳定性和安全性。
3. 预期研究成果（1）掌握磁流变阻尼器的工作原理和特性，深入了解高速动车组的运行机理和控制技术。
（2）建立高速动车组半主动控制系统的数学模型，并通过Simulink 仿真平台进行验证和优化。
（3）研究半主动控制方法对高速动车组稳定性的影响因素，并提出优化策略，提高车辆的控制性能。
（4）开展时滞分析，研究时滞对半主动控制策略的影响，提出有效的控制方案。
（5）通过实验验证半主动控制方法的效果和可行性，为高速动车组的实际运营和安全提供理论支持和参考。
磁流变阻尼器的自传感与自供能原理及关键技术
磁流变阻尼器的自传感与自供能原理及关键技术磁流变阻尼器是一种利用磁流变效应来实现阻尼控制的装置。
它具有自传感和自供能的特点，可以在无需外部电源的情况下实现阻尼控制，因此在工业生产和机械控制领域得到广泛应用。
磁流变阻尼器的自传感原理是指在磁场作用下，磁流变材料内部会产生感应电动势，这个电动势可以用来检测磁流变材料的变形情况。
当磁流变材料受到外力作用时，会发生形变，从而改变磁场分布，进而产生感应电动势。
通过测量这个电动势的大小，可以得到磁流变材料的变形情况，从而实现阻尼控制。
磁流变阻尼器的自供能原理是指在磁场作用下，磁流变材料内部会产生阻尼力，这个阻尼力可以用来控制机械系统的运动。
当机械系统受到外力作用时，会产生振动，磁流变阻尼器会根据自身的阻尼特性产生相应的阻尼力，从而抑制机械系统的振动。
由于磁流变阻尼器不需要外部电源，因此可以在恶劣的环境下使用，具有很高的可靠性和稳定性。
磁流变阻尼器的关键技术包括磁流变材料的制备和性能优化、磁路设计、控制电路设计等。
磁流变材料的制备需要控制材料的成分、微观结构和物理性能，以满足不同的应用需求。
磁路设计需要考虑磁场分布、磁场强度和磁场稳定性等因素，以确保磁流变阻尼器的阻尼特性稳定可靠。
控制电路设计需要考虑磁流变阻尼器的自供能和自传感特性，以实现精确的阻尼控制。
总之，磁流变阻尼器的自传感和自供能特性使其在工业生产和机械控制领域得到广泛应用。
磁流变阻尼器的关键技术包括磁流变材料的制备和性能优化、磁路设计、控制电路设计等，这些技术的不断发展和创新将进一步推动磁流变阻尼器的应用和发展。
磁流变阻尼器的自传感与自供能原理及关键技术
磁流变阻尼器的自传感与自供能原理及关键技术一、引言磁流变阻尼器是一种利用磁流变效应实现阻尼控制的装置。
它具有自传感和自供能的特性，能够根据外部条件自动调节阻尼力的大小。
本文将详细探讨磁流变阻尼器的自传感与自供能原理及关键技术。
二、磁流变阻尼器的基本原理磁流变阻尼器由磁流变液、激磁线圈、传感器和控制系统等组成。
其基本工作原理是通过改变磁场的强度来调节磁流变液的流变性能，从而实现阻尼力的控制。
磁流变液是一种特殊的流体，其流变性能可以在外加磁场下发生明显变化。
当磁流变液处于无磁场状态时，其粘度较低，流动性能较好；而当磁流变液受到磁场作用时，其粘度会迅速增加，从而产生较大的阻尼力。
激磁线圈是磁流变阻尼器中的关键部件，通过控制激磁线圈的电流来改变磁场的强度。
当激磁线圈通电时，会产生一个磁场，使磁流变液发生流变性能的变化，从而产生阻尼力。
传感器用于感知外部条件的变化，如位移、速度等。
传感器将感知到的信号传输给控制系统，控制系统根据信号的变化来调节激磁线圈的电流，从而实现阻尼力的自动调节。
三、磁流变阻尼器的自传感原理磁流变阻尼器的自传感原理是指磁流变阻尼器能够通过传感器感知到外部条件的变化，并将这些变化转化为电信号，从而实现阻尼力的自动调节。
1.传感器感知外部条件的变化。
传感器可以感知到磁流变阻尼器所连接的结构的位移、速度等信息。
当结构发生位移或速度变化时，传感器会感知到这些变化，并将其转化为电信号。
2.电信号传输给控制系统。
传感器感知到的电信号会被传输给控制系统，控制系统会根据信号的变化来判断外部条件的变化情况。
3.控制系统根据信号的变化调节激磁线圈的电流。
控制系统会根据传感器感知到的信号的变化情况来调节激磁线圈的电流。
当外部条件发生变化时，控制系统会根据变化的情况来调节激磁线圈的电流，从而改变磁场的强度，进而调节阻尼力的大小。
4.阻尼力的自动调节。
通过控制系统调节激磁线圈的电流，磁流变阻尼器可以实现阻尼力的自动调节。
磁流变阻尼器力学模型的研究现状_邓志党
12 2
振 动与 冲击
2006年第 25卷
为了描述磁流变液低剪切运动时的流变行为, 周强[ 7] 通过实验修正了 B ingham 模型, 数学形式如式 ( 4)所示:
F = fy sgn( x 1 ) + c0 x 1 + f 0 = kd ( x2 - x 1 ) + f0 ( 4) 式中 co 为粘滞阻尼系数, x1 为 B ingham 单元位移, x2 为阻尼器总位移, kd 为磁流变阻尼器的等效轴向刚 度, 它与磁流变液屈服前区的初始剪切模量和蓄能器的 刚度等有关, f 0 为由于蓄能器引起的阻尼器输出力偏差。 由于三段函数非光滑连续性以及函数中系数是通
减振器, 其阻尼力会随输入电流的大小而变化, 其得到了国 内外相关专 家的广泛 研究和应用。 先回顾前磁 流变阻尼器 力
学模型的研究情况, 并对各种模型进行对比分析, 最后讨论 了目前磁流变阻尼器研究中还有待解决的问题。
关键词: 磁流变阻尼器, 力学模型, 研究现状, 磁流变液
中图分类号: U 270. 2
1 磁流变阻尼器各种力学模型的研究
1 1 B ingham 粘塑性模型
Sham es等 [ 1- 4] 根据电流变体的 B ingham 模型来模
拟磁流变 阻尼器 力学 模型。
B ingham 模型是最简单的模型,
把磁流变液看作带有屈服应力
材料, 当剪切应力达到屈服应
力时, 磁流变液发生剪切流动, 剪 切 应力 与 剪切 率成 线 性关
12 3
1 6 修正的 Bouc-W en模型 文献 [ 13] 提出了如 图 9所示 修正的 Bouc- W en
模型。在该模型中, 阻尼器的阻尼力是粘滞力与 Bouc - W en滞变阻尼力之和。应用 Boue- W en模型磁流变 液在低应变下的粘弹性及高应变下的库仑特性所表现 出的复杂 非线性特 性。磁流 变阻尼器 阻尼力 的表达 式为:
逆变型磁流变阻尼器的设计及性能试验
的革命 。近 年来 ， 在智 能 材 料 研 究 领 域 出现 了一 个 重
要 的 分 支——磁 流 变 液 （ ｇ ｅ — ｅｌｇ ａ Ｆｕｄ） Ｍａｎ ｔ ｒ ｏ ｉ ｌ ｌｉ 。 ｏ ｈ ｏ ｃ 通 过 国 内外 大量 的研 究 ， 得 了一 定 的研 究 成 果 。 在 取 研究 磁 流变 液 自身 特性 的 同时 ， 由其制 成 的 ＭＲ（ ｇ Ｍａ－ ｎ ｔ． ｅｌ ｉ １ 阻 尼器 的试 验 研究 和工 程 应 用 开 展 得 ｅ ｒ ｏｏ ｃ ） ｏｈ ｇａ
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振
第２ ５卷第 ５期
动
与
冲 击
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＢＲＡＴＩ ＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ
逆 变 型 磁 流 变 阻 尼 器 的 设 计 及 性 能 试 验
杜修力 牛东旭 廖维 张 贾 鹏
（ 京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验 室 ， 北 北京 １０ ２ ） ００ ２
作性能 ， 并采用修正的 Ｂ ｕ ． ｎ模型 ， ｏ ｃＷｅ 结合试验结果 ， 定了其中的模型参数。所得到的结论 ： １ 将永久 磁场和 电流磁 确 （） 场结合起 来从 而实 现阻尼器的逆 向控制的设计思路时可行 的 ， 铜制 隔磁环 的设 置保证 了磁力线沿 理论 设计 的路径穿 行 ， 又使线 圈避免与磁流变液的长期接触腐蚀从而提高其耐 久性 ； ２ 所采用 的修正 的 Ｂ ｕ — ｎ 型能 较好地 模拟 阻尼器 （） ｏ ｃＷｅ 模 的高频性 能 ， 为此种 阻尼器在 高频 波下的应用 提供了理论依 据 ； ３ 试 验结果 表 明： （） 阻尼 力 一位 移滞 回曲线 比较饱满 ， 阻 尼力 一速度 曲线基本符合理论假定 。在 １ ５ Ｈ ５～ ０ 频段 内， 正的 Ｂ ｕ— ｎ模型 中的各参数取值较 为稳 定。 修 ｏｃＷｅ 关键词 ：逆变型磁流变 阻尼器 ， 高频波 ， 振动特性 ， 性能试验
磁流变阻尼器磁场响应时间分析和校正电路设计
磁流变阻尼器磁场响应时 间分析和校正电路设计
杨哲 ，朱超 ，郑佳佳 ，王炅
（ 南京理 工 大学机 械 工程 学 院 ， 江 苏南京 ２ １ ０ ０ ９ ４ ）
摘 要 ：响应 时间是衡量磁流变阻尼器性能的重要 指标 ，为 了缩短磁流变 阻尼 的响应时间 ，首先通过分析 不考虑涡流影 响的磁流变阻尼器线 圈的简化模型 ，建立了 电流响应的传 递函数 。然后通过 阶跃 信号下 电流和磁场 的响应实验 ，建立 了实 际情况 下磁 场的传递 函数 ，并根据超前校正传递函数 ，设 计 了超前校 正电路 。最后在 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ和 Ｐ Ｒ Ｏ Ｔ Ｅ Ｕ Ｓ软件 中对设计 的传递 函数 和校正 电路进行 了仿真实验 ，结果证 明 ，所设计 的校正 电路能有效地缩短磁流变阻尼器磁场 的响应时间 。 关键词 ：磁流变 阻尼器 ；响应时间 ；传 递函数 ；校正 电路
ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｏ — ｔ ｈ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ｌ ａ ｄ ａ ｍｐ ｅ ｒ ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｉ ｉ ｆ ｅ ｄ ｃ ｏ ｉ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ，ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｎ ｏ ｔ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｅ ｄ ｄ ｙ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｆ ｅ ｃ ｔ ．Ｔ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ
Ｙ Ａ Ｎ Ｇ Ｚ ｈ ｅ ，Ｚ ＨＵ Ｃ ｈ ａ ｏ ，Ｚ Ｈ Ｅ Ｎ Ｇ Ｊ ｉ ａ ｊ ｉ ａ ，ＷＡ Ｎ Ｇ Ｊ ｉ ｏ ｎ ｇ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ２ １ ０ ０ ９ ４，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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第18卷 第4期石家庄铁道学院学报Vol .18 No .42005年12月JOURNAL OF SH I J I A ZHUANG RA I L WAY I N STITUTE Dec .2005磁流变阻尼器及其控制系统动态响应试验研究潘存治1,2, 杨绍普2(1.北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京 100044;2.石家庄铁道学院机械工程分院,河北石家庄 050043) 摘要:磁流变阻尼器是一种阻尼可控器件,通过调节励磁线圈中的电流可以灵活改变磁流变液的流变特性,从而改变阻尼器的阻尼力。
指出了振动半主动控制对阻尼器及其控制系统动态响应要求,分析了阻尼器响应时间的影响因素,设计了响应时间试验系统。
经测试,阻尼器连同控制系统具有响应速度快、输出精度高等特点,能满足一定频率范围的半主动实时控制要求。
关键词:磁流变阻尼器;动态响应;半主动控制中图分类号:T B34 文献标识码:A 文章编号:10063226(2005)04000104收稿日期:20050919作者简介:潘存治 男 1966年出生 博士研究生基金项目:国家自然科学基金项目(10472073);河北省自然科学基金项目(E2005000507)1 引言磁流变液是一种可由磁场控制其流变性能的新型智能材料,用磁流变液研制的可控阻尼器具有阻尼力调节范围宽、功耗低、响应速度快、结构简单等特点,是一种较为理想的半主动控制元件,可望在汽车、建筑、航空航天等振动控制领域得以广泛应用。
近年来,关于磁流变(MR )阻尼器及其应用的研究主要围绕两个主题而展开,一是阻尼力建模研究,二是基于MR 阻尼器振动半主动控制策略的研究;模型研究已取得了较多成果,有代表性的如Bouc -W en 模型[1,2],改进型B ingham 弹性模型[3],非线性滞后双粘性模型[4],多项式模型[5]和神经网络模型等,需要指出的是,这些模型都是现象模型,试图将力学模型与设计参数对应起来的研究虽为阻尼器设计人员所急需,但尚未有系统性的成果;美国Lord 公司已有MR 阻尼器定型产品推出,却未见有设计依据的公开资料;半主动控制策略主要有“on -off 天棚”阻尼策略、嵌位优化控制策略、次优化控制策略[6]和随机优化控制策略[7]等,但应用控制策略时往往忽略了阻尼器的动态特性。
目前国内外的研究重点是MR 阻尼器结构设计与性能的稳态试验,在半主动振动控制研究中较少考虑MR 阻尼器及其控制系统的动态响应问题,事实上,在采用各种半主动控制策略对MR 阻尼器实时控制时,阻尼器的动态响应和阻尼力的精确控制是直接影响振动控制效果的关键技术之一。
通过测试手段,对MR 阻尼器及控制系统的动态响应进行研究。
2 M R 阻尼器及励磁控制动态响应2.1 半主动控制策略对M R 阻尼器动态响应的要求基于MR 阻尼器的振动半主动控制系统,尽管具体结构与控制策略随应用场合不同有差异,但对阻尼力的控制思路是一致的,基本原理见图1。
由传感器检测或通过状态估计确定系统当前时刻的状态x s (k )、 x s (k )和¨x s (k ),由系统当前时刻的状态确定系统下一时刻所期望的阻尼力F d (k +1),通过M R 阻尼器逆模型由控制器与电流输出驱动电路控制MR 阻尼器励磁电流I d ,达到对下一时刻所期望的阻尼力的跟踪控制,系统在该阻尼力的作用下输出下一时刻的状态x s (k +1)、 x s (k +1)和¨x s (k +1),如此不断循环。
对不同控制对象及不同控制策略,状态含义及由状态反馈确定的期望阻尼力不同,但对MR 阻尼器阻尼力的控制方法大体是一致的。
由图1看出,MR 逆模型表示的是电流与阻尼力之间的稳态关系,隐含的前提是阻尼力对电流的响应2 石 家 庄 铁 道 学 院 学 报第18卷在瞬间完成,这种假设对低频振动控制而言是可接受的,但对中频以上或有一定带宽的随机振动系统,研究其控制策略时,必须考虑阻尼器及控制系统的动态响应。
在采样控制系统中,采样间隔时间选取的直接依据是振动信号的最高频率和MR 阻尼器及其控制系统的响应时间,如果该时间和振动控制所要抑制的频率成分的周期处于同一数量级时,某些半主动控制策略(最简单的on -off 策略每周期也需切换2次)失效。
随着高速微处理器及A /D 器件的普及,高采样率在技术上是可实现的,制约实时控制效果的瓶颈技术则是控制律运算时间和阻尼器与驱动控制响应时间,前者与受控对象的复杂程度及控制策略有图1 M R 阻尼器半主动控制原理框图关,某些先进控制策略难以付诸实践的制约因素之一就是运算复杂、量大、实时性差;只对后者进行研究。
2.2 M R 阻尼器与驱动控制响应时间的影响因素分析MR 阻尼器及励磁控制电路原理见图2,一般把励磁线圈等效为一个电感L M 与电阻R M 串联再并联一个电容C M ,由于MR 励磁线圈电阻在工作过程中随温度变化较大,因此,励磁控制电路一般都采用电流负反馈模式,主回路电流信号由电流传感器(如取样电阻R s )获取,电流驱动一般采用P WM 技术或线性功率放大技术,电流控制可采用模拟技术,也可采用数字技术,采用模拟技术可以减轻微处理器负担。
励磁控制系统构成不同,电磁时间也不同。
MR 阻尼器与驱动控制响应时间主要由励磁控制的电磁时间和磁流变液流变响应时间构成,励磁控制部分的响应时间由电路系统动力学方程可以确定,相对而言,确定磁流变液的流变响应时间比较困难,该时间不仅与磁场切换幅度有关,也与磁流变液的初始流动状态与目标流动状态有关。
一般而言,磁流变液的流变响应时间主要与动力粘度和参与剪切的流变液膜厚度有图2 M R 阻尼器及电流驱动系统原理图关,动力粘度越小响应时间越长,液膜厚度越大响应时间越长[8]。
整个阻尼系统的响应时间则是由励磁控制动态过程和磁流变液流变响应动态过程耦合作用决定的,不是简单的相加或相乘关系。
研究表明,磁流变液在磁场中的磁化过程通常历时很短,为数个毫秒。
对具体的MR 阻尼器及其控制系统,由于励磁线圈电感、控制电路、阻尼器的具体结构以及工作状态的不同,实际阻尼力响应时间的影响因素比较复杂,难以在理论上进行精确计算。
对既成的MR 阻尼器,提高响应速度的唯一途径只能通过设计合适的励磁控制器来实现。
比如有试验[8]表明,阻尼力响应时间最大可达600m s,最小也有156m s,其值与电流切换幅度与切换方式有关。
显然,用所设计的阻尼器实现某些半主动控制策略时,响应时间是不可忽视的问题,将影响到半主动控制所适应的频率范围。
为了对Lord 公司产的MR 阻尼器的响应时间进行核实,并确定由所选的10A8放大器(Advanced Tech .公司产)连同MR 阻尼器所构成的整个系统的响应时间是否能够满足半主动(on -off )控制策略的要求,需通过试验进行验证。
3 M R 阻尼器与驱动控制响应时间试验3.1 实验系统简介 第4期潘存治等:磁流变阻尼器及其控制系统动态响应试验研究3 MR阻尼器的结构原理见图3。
本实验所用阻尼器为Lord公司产RD-1097-01型试验用MR阻尼器,工作行程为±25mm,励磁线圈电阻在25℃下为20Ω,连续最大工作电流为0.5A,电流大于1A时趋于饱和,最大阻尼力135N。
MR阻尼器响应时间试验系统构成见图4。
数据采集卡选用台湾凌华公司的PC I-9112测控卡,采样率可达100kHz,12位A/D可实现16路单端或8路差动模入,2路12位D/A模出;电流驱动放大器采用Advanced Tech.公司的10A8伺服放大器,将其设定为电流模式,连续运行工作电流可达6A。
力传感器是自制的等强度简支梁应变式的传感器。
用车床的走刀架拉(或推)动阻尼器的活塞杆,使其与阻尼器缸筒之间产生定速相对运动,设计部分夹具和连接装置即可。
利用这些硬件装置就可以对MR阻尼器及电图3 M R阻尼器结构简图 图4 磁流变阻尼器动态响应试验系统图5 励磁与磁化综合过程的阶跃响应 图6 机械过程的阶跃响应流驱动控制响应时间进行试验。
3.2 实验结果分析测定励磁过程和磁流变液流变响应过程的动态特性是在保持阻尼器速度不变,通过测定阶跃励磁指令电流下的阻尼力时间历程来进行。
实际测量中,在阻尼器活塞杆与缸筒之间处于稳速运行状态下,通过编程控制PC I-9112卡的D/A,使其产生具有足够长周期的方波信号(即使励磁电流在0和0.3A两个值之间开关切换),控制电流放大器对阻尼器进行励磁控制,同时启动A/D转换以固定的采样率(10 kHz)对阻尼力信号至少连续采样2周期以上的样值,通过处理阻尼力随时间变化的波形就可确定阻尼器 石 家 庄 铁 道 学 院 学 报第18卷4及电流驱动系统总的响应时间。
图5示出了励磁与磁化综合过程的阶跃响应的时间历程,纵坐标为实际测量的表示阻尼力的电压值(单位为V),通过简单作图分析可知,整个过程的响应时间常数大约10m s。
对不同的阻尼器件,速度跃变引起的阻尼力响应过程也不同,将这一过程称为阻尼力机械响应。
保持励磁电流不变(0.2A),测定阻尼力在跃变速度作用下的响应过程,测定结果见图6,纵坐标为测量电压值。
可看出,响应时间常数大约60m s。
4 结论为实现MR阻尼器阻尼力实时控制,指出了振动半主动控制对阻尼器及其控制系统动态响应要求,分析了阻尼力响应时间的影响因素,重点研究了从控制电路、电磁响应到阻尼力响应过程的动态特性。
经测试,所研究的阻尼器连同控制系统的响应速度快,对机械振动控制系统而言,该硬件系统能满足半主动实时控制要求。
阻尼力随相对速度变化的动态特性与阻尼器结构、磁流变液性能密切相关,迄今为止,还没有较理想的实时模型,可操作性的控制策略只能是一些简单的开关控制策略。
参 考 文 献[1]Spencer B F J r,Dyke S J,Sain M K J D,et al.Phenomenol ogical model of a magnet orheol ogical da mper[J].Journal ofEngineeringMechanics,ASCE.1997(123):230～238[2]Yao G Z,Yap F F,Chen G,et al.MR damper and its app licati on for se m i-active contr ol of vehicle sus pensi on syste m[J].Mechatr onics.2002(12):963～973[3]Ga mota D R,Filisko F E.Dyna m ic mechanical studies of electr orheol ogical materials:moderate frequencies[J].Journal ofRheol ogy.1991(35):399～425[4]W erely N M,Pang L.Nondi m ensi onal analysis of se m i-active electr orheol ogical and magnet orheol ogical dampers using ap2p r oxi m ate parallel p late models[J].S martM aterials and Structures.1998(7):732～743[5]Choi S B,Lee S K,Park Y P.A hysteresis model for the field-dependent da mp ing force of a magnet orheol ogical da mper[J].Journal of Sound and V ibrati on.2001,245(2):375～383[6]Dyke S J.,Spencer B F J r.A comparis on of se m i-active contr ol strategies for the MR da mper[C].Pr oceedings of the I A ST2E D I nternati onal Conference,I ntelligent I nfor mati on Syste m s.The Baha mas,1997[7]Ying Z G,Zhu W Q,Chen G,et al.A st ochastic op ti m al se m i-active contr ol strategy for ER/MR da mpers[J].Journal ofSound and V ibrati on.2003,259(1):45～62[8]吕建刚,易当祥,张进秋,等.履带车辆磁流变减振器响应时间研究[J].实验力学,2001,16(3):320～324[9]余淼,廖昌荣,李立新,等.磁流变减振器控制研究[J].化学物理学报,2001,14(5):60～61Test of the D ynam i c Respon se for M R Dam per and its Con trol SystemPan Cunzh i1,2,Yang Shaopu2(1.School of Mechanical and Electr onic Contr ol Engineering,Beijing J iaot ong University,Beijing100044,China;2.School of Mechanical Engineering,Shijiazhuang Rail w ay I nstitute,Shijiazhuang050043,China)Abstract:Magnet orheol ogical(MR)da mper is a kind of se m i-active contr ol device with contr ollable da mp2 ing force.This paper p resents the require ments f or the dyna m ic res ponse of MR da mper with its contr oller in se m i-active vibrati on contr ol.The influencing fact ors of the res ponse ti m e are analyzed,and the experi m ental syste m is set up.The tests sho w that the res ponse ti m e and the contr ol p recisi on of the da mper with its contr oller are satisfact ory for se m i-active vibrati on contr ol within certain frequency range.Key words:MR da mper;dyna m ic res ponse;se m i-active contr ol(责任编辑 杨继成)。