基于MR阻尼器及并联机构的多维减振系统半主动控制研究

摘要

多维振动问题普遍存在于机械、航空航天、运输、仪器仪表等各个工程领域，严重影响了相关设备的性能和使用寿命。到目前为止，还没有多维减振技术和设备能切实有效的解决这一难题。因此，对多维振动展开研究具有重要的现实意义和应用价值。 在国家自然科学基金项目“仿橡胶多维减振平台设计的系统理论与非线性解耦控制(50375067)”的资助下，本文提出了采用三平移并联机构作为主体机构，磁流变阻尼器作为减振执行器，建立可控的三维减振系统，以期解决实际工程中存在的典型的三维振动问题。 首先，本文根据磁流变减振器的工作原理，结合磁路定理和磁隙效应，设计了适合多维减振的、基于混合模式的小型磁流变阻尼器，并通过试验对阻尼器的力学性能进行测试。 其次，本文采用3-PUU三平移并联机构作为主体机构建立三维减振平台，对所选用的3-PUU并联机构进行了运动学和动力学分析。为了提高并联机构自身的性能，将机型改进为3一PRRP（4R），并对其位置正反解、速度、加速度、动力学方程进行求解。 再次，联合磁流变阻尼器，建立多维减振系统的空间模型。针对机构模型耦合性较强的实际情况，采用模态分析方法对模型进行解耦。分析了多维减振系统的力学参数对动平台振动特性的影响，推导了固有频率和脉冲作用下系统的响应模型，并进行仿真验证。 针对磁流变多维减振系统的半主动控制，本文主要分析了两种控制方案：基于任务空间的参数反馈控制和基于支路加速度反馈的控制，分别采用线性二次型(LQR)控制器和模糊自适应控制器进行控制。文中采用基于ADAMS软件和MATALAB软件的联合仿真技术，从减振和隔振两个方面对系统进行控制仿真，从而验证了控制器的正确性和系统的多维减振效果。 最后，为了验证文中所建立的理论体系及仿真结果，建立了磁流变多维减振平台测控系统，整个测控系统包括磁流变多维减振系统实验样机、传感检测系统、数据采集处理系统、控制器、电流驱动器以及振源等。设计并实现了包括基于LPC2210的控制器、电流驱动器以及控制软件等关键技术。根据所设计的试验方案采用自适应模糊控制器进行控制试验，将所得数据进行比较分析。结果表明本文所设计的磁流变多维减振系统具有三向同时减振的功能，并具备较好的减振控制能力。 本文开创性地将磁流变阻尼技术和并联机构技术同时引入到多维减振领域中来，思路新颖，独具匠心。所设计的基于并联机构和MR阻尼器的多维减振半主动控制系统，结构简单紧凑，精确度高。本文的研究内容为多维减振领域提供了一个新的方向，具有广泛的理论意义和实用价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1课题的研究背景及问题的提出

1.2并联机构在多维减振中的应用

1.2.1多维减振研究现状

1.2.2并联机构及其应用现状

1.2.3并联机构的控制研究现状

1.2.3并联机构在多维减振中的应用

1.3磁流变技术的研究现状

1.3.1磁流变液和磁流变效应

1.3.2磁流变液研究进展

1.3.3磁流变液阻尼器及其应用现状

1.4基于磁流变阻尼器的减振控制技术

1.4.1振动控制技术的分类

1.4.2磁流变阻尼半主动控制算法

1.5本文需要完成的工作

1.6本章小结

第二章 MR可控阻尼器设计及其力学特性测试

2.1磁流变阻尼器的工作模式分析

2.2磁流变阻尼器的阻尼力分析

2.2.1环形通道模型的流变学方程

2.2.2基于平行板通道模型的流变学方程

2.3磁流变阻尼器的受力模型

2.3.1磁流变阻尼器Bingham塑性模型

2.3.2磁流变阻尼器的分段线性滞回模型

2.3.3磁流变阻尼器的非线性滞回模型

2.4磁流变液阻尼器设计

2.4.1磁流变液性能

2.4.2磁路设计

2.4.3用于多维减振系统的MR可控阻尼器的特点

2.5磁流变阻尼器的性能测试

2.5.1磁场强度的测量

2.5.2磁流变阻尼器阻尼力的测试

2.6本章小结

第三章多维减振平台主体机构运动学及动力学分析

3.1多维减振平台的总体结构与要求

3.2三平移减振主体机构设计

3.2.1三维减振问题的提出

3.2.2三平移减振主体机构的选择

3.3 3-PUU并联机构描述

3.4 3-PUU并联机构运动学分析

3.4.1位置逆解

3.4.2位置正解

3.4.3工作空间分析

3.4.4速度分析

3.4.5加速度分析

3.5动力学分析

3.6改进型三平移并联机构3-PRRP(4R)

3.6.1 3-PRRP(4R)并联机构的位置逆解

3.6.2位置正解

3.6.3工作空间分析

3.6.4速度和加速度分析

3.6.5 3-PRRP(4R)并联机构动力学分析

3.7 3-PRRP(4R)并联机构数值仿真

3.8本章小结

第四章多维减振系统的控制模型及振动特性分析

4.1多维减振系统的空间模型

4.2单维减振系统的动力学分析

4.3多维减振系统的动力学分析

4.4多维减振系统模型的解耦

4.5力学参数对系统振动特性的影响

4.5.1刚度系数和阻尼系数的选择

4.5.2弹簧刚度对系统振动特性的影响

4.5.3减振器阻尼系数对系统振动特性的影响

4.5.4动平台质量对系统振动特性的影响

4.6多维减振系统的振动分析

4.6.1多维减振系统的固有频率

4.6.2多维振动系统的响应模型

4.6.3脉冲激励下的动平台响应分析

4.7本章小结

第五章磁流变多维减振系统半主动控制

5.1磁流变多维减振系统的动力学模型

5.1.1磁流变多维减振系统的一般空间模型

5.1.2多维减振系统的简化模型

5.2多维减振系统的振动控制策略

5.2.1磁流变半主动多维减振系统的稳定性分析

5.2.2并联机构多维减振系统的控制方案

5.2.3多维减振系统的半主动控制算法分析

5.3基于任务空间的加速度反馈控制

5.3.1支路加速度的计算

5.3.2初始位形分析

5.3.3线性二次型最优控制原理

5.3.4阻尼力控制策略

5.3.5 LQR控制器设计

5.3.6数值仿真

5.4基于支路加速度反馈的解耦控制

5.4.1模糊控制算法

5.4.2模糊控制的基本原理

5.4.3磁流变阻尼多维减振系统的模糊控制器设计

5.4.4自适应模糊控制器设计

5.4.5数值仿真分析

5.5控制策略的比较和评价

5.6本章小结

第六章磁流变多维减振系统的半主动控制实验分析

6.1磁流变多维减振系统的实验样机设计

6.2磁流变多维减振测控试验系统的组成

6.2.1测控系统的总体结构

6.2.2传感器的选择和安装

6.2.3数据采集系统

6.2.4振源

6.3基于LPC2210的控制器硬件设计

6.3.1 LPC2210的性能和特点

6.3.2外部存储器的扩展

6.3.3控制器相关电路设计

6.4电流实时控制系统

6.4.1电流驱动器电路设计

6.4.2电流控制仿真

6.4.3电流驱动器的测试

6.5控制系统软件设计

6.5.1数据采集模块

6.5.2 PWM信号发生模块

6.5.3电流PID控制模块设计

6.5.4控制系统的整体软件设计

6.6磁流变多维减振系统的控制试验结果分析

6.6.1试验方案设计

6.6.2磁流变多维减振系统的控制试验及结果分析

6.6.3试验结果分析

6.7本多维减振系统的应用场合

6.8本章小结

第七章全文总结与展望

参考文献

致谢

附录

攻读博士学位期间参加的科研项目和发表的论文

参加的科研项目

发表的论文