磁流变阻尼器智能减震控制结构的试验与研究

摘要

随着磁流变液这种智能材料的出现，磁流变阻尼器逐渐成为结构振动控制领域最具发展前景的控制装置之一。由于磁流变阻尼器具有所需外部能源少、控制精度高、响应快等优点，使其可广泛应用于土木建筑结构、航空航天、军工机械、民用家电、汽车等领域的减振（震）控制中。但是由于磁流变阻尼器仅是在最近的十几年来才发展起来的一种新型减振（震）装置，它的制作设计、性能试验、力学特性、控制算法及实际工程应用均需进一步完善。
　　 本文结合国家863高科技计划项目（项目编号：2009AA03Z106）的研究内容，研究磁流变阻尼器的力学特性，研究磁流变阻尼智能结构合理、快速和准确的控制算法及制作出适合实际工程应用的磁流变阻尼智能结构减震控制器为目的，主要进行了以下几个方面的研究：
　　 （1）磁流变阻尼器的性能试验研究。基于剪切阀式磁流变阻尼器的阻尼力计算模型和磁路欧姆定律设计制作了用于建筑结构减震的磁流变阻尼器；在控制电流分别为0A、0.6A、1.2A、1.8A和2.4A，以及激励频率分别为0.1Hz、0.2Hz、0.5Hz和1.0Hz，激励幅值分别为5mm、10mm、20mm和40mm的正弦位移输入下，对所研制的磁流变阻尼器进行了动力性能试验；根据试验数据绘制了该阻尼器的力-位移和力-速度滞回曲线；分析研究了磁流变阻尼器阻尼力及耗能性能随控制电流、激励频率和激励幅值变化的规律。
　　 （2）磁流变阻尼器数学模型的研究。基于流体力学理论推导出了磁流变阻尼器的阻尼力计算公式，并在不同控制电流、不同激励幅值和不同激励频率下将理论分析结果与试验结果进行了对比分析。
　　 （3）磁流变阻尼智能结构模糊控制算法的研究。磁流变阻尼智能结构需要在振动的极短时间步长内确定磁流变阻尼器的控制电流，本文基于模糊逻辑控制技术提出了磁流变阻尼智能结构的模糊控制算法，研究了模糊控制器输入变量的选择，模糊规则及隶属函数的确定对磁流变阻尼器控制电流的选择和磁流变阻尼智能控制结构减震效果的影响，还研究了同时对多个磁流变阻尼器的独立控制。
　　 （4）磁流变阻尼智能结构优化控制研究。基于微粒群算法提出了磁流变阻尼智能结构的微粒群优化控制方法，即采用被控建筑结构的位移和加速度作为减震优化目标，然后通过微粒群优化算法给出磁流变阻尼器各时刻的控制电流。
　　 （5）磁流变阻尼智能结构减震控制器的研究。为了便于磁流变阻尼器的实际应用，研究制作了磁流变阻尼智能结构减震控制器，并对该控制器进行了试验测试。试验结果表明：所研制的磁流变阻尼智能结构减震控制器可根据实时采集的振动加速度信号准确输出所需的控制电流。
　　 所取得的创新性体现在：
　　 （1）基于模糊控制技术提出了磁流变阻尼智能结构的模糊控制算法，给出了不同输入变量、模糊规则及隶属函数对减震效果的影响，实现了磁流变阻尼器控制电流准确而快速的选择，还实现了同时对多个磁流变阻尼器的独立控制。
　　 （2）以磁流变阻尼智能结构的位移和加速度共同作为优化目标，采用微粒群优化算法实现了磁流变阻尼智能结构的优化减震控制。
　　 （3）研制了便于实际安装应用的磁流变阻尼智能结构减震控制器，并对其进行了试验测试。试验结果表明：所研制的磁流变阻尼智能结构减震控制器可根据实时采集的振动加速度信号准确输出所需的控制电流。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 结构振动控制的研究现状

1.3 磁流变阻尼结构研究现状

1.3.1 磁流变液的研究现状

1.3.2 磁流变阻尼器的研究现状

1.3.3 磁流变阻尼智能结构的研究现状

1.3.4 智能控制在结构振动控制领域的研究现状

1.4 本文的研究意义及主要研究内容

1.4.1 研究目的及研究意义

1.4.2 研究内容及其创新性

第二章 磁流变阻尼器的性能试验

2.1 磁流变阻尼器的构造与设计

2.1.1 磁流变阻尼器的构造

2.1.2 磁流变阻尼器的设计

2.2 磁流变阻尼器的性能试验

2.2.1 试验设备

2.2.2 试验方法

2.2.3 试验现象

2.3 磁流变阻尼器性能试验数据分析

2.3.1 磁流变阻尼器阻尼力特性分析

2.3.2 磁流变阻尼器耗能特性分析

2.4 结论

第三章 磁流变阻尼器的力学模型

3.1 磁流变阻尼器的力学模型

3.1.1 Bingham模型

3.1.2 Bouc-Wen模型

3.1.3 等效粘滞阻尼模型

3.1.4 Sigmoid模型

3.1.5 带质量元素的温度唯象模型

3.2 磁流变阻尼器的流体本构模型

3.2.1 磁流变液的流体本构模型

3.2.2 磁流变阻尼器环形通道流体力学分析

3.2.3 磁流变阻尼器平板流体力学分析

3.3 磁流变阻尼器力学模型与试验的对比分析

3.3.1 相同激励频率和激励幅值,不同控制电流下的对比分析

3.3.2 相同激励频率和控制电流,不同激励幅值下的对比分析

3.3.3 相同激励幅值和控制电流,不同激励频率下的对比分析

3.4 结论

第四章 磁流变阻尼智能结构的模糊控制策略

4.1 模糊控制器的设计

4.2 受控系统的数学模型

4.2.1 磁流变阻尼器的力学模型

4.2.2 磁流变阻尼智能结构的运动方程

4.3 磁流变模糊控制器的设计

4.3.1 输入、输出变量的选择和论域的确定

4.3.2 隶属函数和模糊规则的设定

4.3.3 实例分析

4.4 结论

第五章 磁流变阻尼智能结构的微粒群优化控制研究

5.1 微粒群优化算法

5.1.1 基本微粒群算法

5.1.2 改进的微粒群算法

5.1.3 微粒群算法的设计步骤

5.2 磁流变智能系统的微粒群优化控制

5.2.1 磁流变阻尼结构的微粒群算法设计

5.2.2 实例计算

5.3 结论

第六章 磁流变阻尼智能结构减震控制器的研制与试验

6.1 磁流变阻尼智能结构减震控制器的研制

6.1.1 系统加速度信息采集部分

6.1.2 系统控制部分

6.1.3 磁流变阻尼智能结构减震控制器的制作

6.2 磁流变阻尼智能结构减振控制器的测试试验

6.2.1 试验仪器

6.2.2 试验方法

6.2.3 试验现象

6.3 结论

第七章 结语与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及取得的成果

致谢