一种磁流变阻尼器的磁滞补偿控制方法

摘要

本发明公开了一种磁流变阻尼器磁滞补偿方法。包括步骤为：以目标可调阻尼力为依据，根据磁流变阻尼器的设计参数计算相应的目标磁感应强度；将霍尔传感器嵌入到磁流变阻尼器的阻尼通道中，实时检测阻尼通道中垂直穿过磁流变液的磁感应强度；以目标磁感应强度与检测磁感应强度的误差作为分数阶PID控制器的输入；将所述分数阶PID控制器的输出传送至电流驱动器，电流驱动器产生相应的电流通入磁流变阻尼器的励磁线圈，构成磁感应强度闭环控制系统，使得实际磁感应强度跟踪目标磁感应强度，实现磁滞补偿控制。通过上述方式，本发明提供的一种磁流变阻尼器磁滞补偿方法，抑制磁流变阻尼器磁滞非线性特性对冲击缓冲控制系统响应速度、控制精度的负面影响。

说明书

技术领域

本发明涉及基于磁流变阻尼器的振动控制领域，特别涉及一种采用多点嵌入霍尔传感器测量磁感应强度和分数阶控制理论实现磁滞补偿的方法。

背景技术

磁流变阻尼器是利用磁流变液在外加磁场作用下可在毫秒量级内实现液体、粘滞体与半固体之间的连续且可逆变换而制成的一种新型智能装置，由于具有结构简单、阻尼力连续可控且可调范围大、响应速度快以及能耗低等优点，正逐渐应用于车辆工程、土木工程以及武器系统等领域。然而，磁流变阻尼器自身固有的磁滞非线性问题限制了其在工程上的广泛应用，极大的影响了阻尼器阻尼力的预测和控制精度。尤其在冲击缓冲系统中，磁流变阻尼器的磁滞特性尤为突出。原理上，磁流变阻尼器通过改变输入电流来控制输出阻尼力，而输入电流产生磁场强度H，另一方面，输出阻尼力是磁感应强度B的函数，因此，铁磁材料的B和H之间的磁滞现象就表现为可调阻尼力(库仑阻尼力)和输入电流之间的磁滞非线性，这种磁滞非线性特性给磁流变阻尼器的控制带来了极大的挑战，尤其在高速冲击缓冲环境中。目前，现有关于磁流变阻尼器的非线性研究主要从动力学角度出发，进行磁流变阻尼器的阻尼力和速度之间的滞回非线性建模或控制，而关于磁流变阻尼器由铁磁材料磁化导致的磁滞非线性问题的解决方法较少，为克服该问题，常用的方法在建立磁流变阻尼器的磁滞模型并集成到控制方法中，尽管可以通过数学模型表征磁滞非线性，但这种开环控制方法忽略了建模后系统参数的变化，并不能取得理想的控制效果。因此，磁流变阻尼器的磁滞补偿方法对提高磁流变阻尼器冲击缓冲系统的控制性能具有重要作用。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种磁流变阻尼器磁滞补偿方法，补偿由铁磁材料引起的磁流变阻尼器输出阻尼力与输入电流之间的磁滞非线性。

为解决上述技术问题，本发明的一种磁流变阻尼器的磁滞补偿控制方法，包括以下步骤：

1)根据磁流变液厂家提供的屈服剪切应力τ_y与磁感应强度B之间的τ_y～B特性曲线进行拟合，得到B与τ_y的函数关系：

B＝f(τ_y)

2)根据冲击缓冲控制要求设定目标可调阻尼力F_τ，计算目标磁感应强度B_desired：

其中，c₂为与磁流变阻尼器结构参数相关的阻尼系数；

3)将霍尔传感器嵌入到磁流变阻尼器的阻尼通道中，由霍尔传感器的输出电压实时计算出垂直穿过磁流变液的实际磁感应强度B_measured：

B_measured＝S·u

S为霍尔传感器的灵敏度(mv/G)，u为霍尔传感器输出电压(V)；

4)将目标磁感应强度B_desired与实际磁感应强度B_measured的误差作为分数阶PID控制器的输入，设计分数阶PID控制器，所述分数阶PID控制器的输出形成电流驱动器的控制量，电流驱动器产生相应的电流通入磁流变阻尼器的励磁线圈，构成磁感应强度闭环控制系统；

5)整定分数阶PID控制器参数，使得实际磁感应强度跟踪目标磁感应强度，实现磁流变阻尼器磁滞补偿控制。

上述的磁流变阻尼器的磁滞补偿控制方法，整定分数阶PID控制器参数的步骤如下：

6)采用实验法建立磁流变阻尼器的磁滞模型；向磁流变阻尼器的励磁线圈中通入变化的电流，同时采集输入电流的数值和霍尔传感器的输出；

7)采用Jiles-Atherton模型作为磁流变阻尼器的磁滞模型，具体为：

式中，M_an为无磁滞磁化强度(A/m)

其中，coth(·)为双曲余切函数，M_s是饱和磁化强度(A/m)；c是可逆磁化系数；α是分子场的系数；a是无磁滞磁化强度曲线形状参数(A/m)；k为牵制参数(A/m)；δ表示磁场变化方向的参数，当dH/dt>0时，δ＝1，dH/dt<0时，δ＝-1。

磁路中磁场强度的数学计算式为：

其中，N为励磁线圈的匝数；I为励磁电流(A)；L_e为有效磁路长度(m)；

磁感应强度B数学计算式为：

B＝μ₀(H+M)

其中，B为磁感应强度(T)，μ₀为真空磁导率μ₀＝4π×10^-7N/A²，H为磁场强度(A/m)，M为磁化强度(A/m)；

8)采用粒子群优化算法辨识磁滞模型参数，具体步骤为：

确定目标函数

其中，B_m是实验测量值，B_d为模型计算值，N为实验数据点数；

所述粒子群优化辨识Jiles-Atherton模型参数的过程是：初始化产生粒子群，将粒子群中的粒子依次赋值给Jiles-Atherton模型的5个参数M_s、a、α、c、k，然后根据Jiles-Atherton模型计算得到该组参数对应的目标函数计算值，该值传递到粒子群算法中作为该粒子的适应值，直到满足终止条件；

9)所述分数阶PID控制器是指误差信号进行比例、任意阶次积分与任意阶次微分的线性组合，数学计算式为：

式中，u(t)是分数阶PID控制器的输出，e(t)是磁感应强度的理想值与测量值的误差，K_p、K_i、K_d分别是比例、积分、微分系数，λ、μ分别是积分与微分阶次；

10)在Matlab/Simulink动态仿真软件中，通过建立磁流变阻尼器的Jiles-Atherton动态模型，对于磁流变阻尼器磁滞分数阶控制系统分析得到满足磁滞补偿控制要求的K_p、K_i、K_d、λ、μ。

上述的磁流变阻尼器的磁滞补偿控制方法，所述磁流变阻尼器包括缸筒、活塞、缸盖、活塞杆；活塞外圆周绕有励磁线圈，活塞与缸筒内壁之间的间隙构成磁流变液环形阻尼通道；两根活塞杆穿过缸筒左、右两端的缸盖与活塞两端相连；活塞将缸筒内分隔为左、右磁流变液腔室，左、右磁流变液腔室内有磁流变液；霍尔传感器贴装在活塞外圆周上，用于检测阻尼通道的磁场；

对于该磁流变阻尼器，阻尼系数c₂：式中，L为活塞的长度(mm)，D为缸筒内径(mm)，d为活塞直径(mm)，h为阻尼通道宽度(mm，即活塞外壁与缸筒内壁之间的间隙大小)。

本发明的有益效果是：本发明提供的磁流变阻尼器磁滞补偿方法，抑制磁流变阻尼器磁滞非线性特性对冲击缓冲控制系统的负面影响，满足冲击缓冲振动控制系统对阻尼力响应速度和控制精度的要求。

附图说明

图1是本发明一种磁流变阻尼器磁滞补偿方法的原理图；

图2是嵌入霍尔传感器的磁流变阻尼器的结构示意图；

图3是整定分数阶PID控制器参数的流程图；

图4是粒子群优化算法辨识Jiles-Atherton磁滞模型参数的流程图；

图5是磁流变阻尼器磁滞特性实验建模实例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明提供一种磁流变阻尼器磁滞补偿方法，包括步骤为：

(1)将磁流变阻尼器安装在其使用的冲击缓冲控制系统中，并根据冲击缓冲控制要求计算磁流变阻尼器的目标可调阻尼力F_τ；

(2)根据目标可调阻尼力和磁流变阻尼器的结构设计参数计算相应的目标磁感应强度，计算步骤如下：

根据磁流变阻尼器的结构以及工作原理其可控阻尼力为：

F_τ＝c₂τ_ysgn[v(t)]

其中，v(t)为活塞的运动速度(m/s)，sgn[·]为符号函数；

a)、计算与阻尼器结构设计参数相关的阻尼系数c₂：

参见图2，所述磁流变阻尼器包括缸筒1、活塞2、缸盖3、活塞杆4；活塞外圆周的两个凹槽内绕有励磁线圈5，活塞与缸筒内壁之间的间隙构成磁流变液环形阻尼通道；两根活塞杆穿过缸筒左、右两端的缸盖与活塞两端相连；活塞将缸筒内分隔为左、右磁流变液腔室，左、右磁流变液腔室内有磁流变液；多个霍尔传感器6贴装在活塞外圆周上的沉孔中，用于检测阻尼通道的磁场；

阻尼系数c₂：

式中，L为活塞的长度(mm)，D为缸筒内径(mm)，d为活塞直径(mm)，h为阻尼通道宽度(mm)；

b)、计算磁流变液体的屈服剪切应力τ_y(kPa)：

c)、根据磁流变液厂家提供的τ_y～B特性曲线进行拟合B与τ_y的函数关系：

B＝f(τ_y)

d)、计算目标磁感应强度B_desired：

(3)嵌入到磁流变阻尼器的阻尼通道中的霍尔传感器，实时检测阻尼器通道中垂直穿过磁流变液的磁感应强度；由霍尔传感器的输出电压计算实际磁感应强度B_measured：

B_measured＝S·u

式中，S为霍尔传感器的灵敏度(mv/G)，u为霍尔传感器输出电压(V)；

(4)将步骤(2)计算的目标磁感应强度与步骤(3)检测的磁感应强度的误差作为分数阶PID控制器的输入，设计分数阶PID控制器，所述分数阶PID控制器的输出形成电流驱动器的控制量，电流驱动器产生相应的电流通入磁流变阻尼器的励磁线圈，构成磁感应强度闭环控制系统；

所述的分数阶PID控制器是指误差信号进行比例、任意阶次积分与任意阶次微分的线性组合，数学计算式为：

式中，u(t)是分数阶PID控制器的输出，e(t)是磁感应强度的理想值与测量值的误差，K_p、K_i、K_d分别是比例、积分、微分系数，λ、μ分别是积分与微分阶次。

(5)整定分数阶PID控制器参数，使得实际磁感应强度跟踪目标磁感应强度，实现磁流变阻尼器磁滞补偿控制。

参见图3，整定分数阶PID控制器参数的方法包括下列步骤：

a)、采用实验法建立磁流变阻尼器的磁滞模型；向磁流变阻尼器的励磁线圈中通入变化的电流，同时采用数据采集系统采集输入电流的数值和霍尔传感器的输出；

b)、采用Jiles-Atherton模型作为磁流变阻尼器的磁滞模型，具体为：

式中，M_an为无磁滞磁化强度(A/m)

其中，coth(·)为双曲余切函数，M_s是饱和磁化强度(A/m)；c是可逆磁化系数；α是分子场的系数；a是无磁滞磁化强度曲线形状参数(A/m)；k为牵制参数(A/m)；δ表示磁场变化方向的参数，当dH/dt>0时，δ＝1，dH/dt<0时，δ＝-1。

磁路中磁场强度的数学计算式为：

其中，N为励磁线圈的匝数；I为励磁电流(A)；L_e为有效磁路长度(m)；

磁感应强度B数学计算式为：

B＝μ₀(H+M)

其中，B为磁感应强度(T)，μ₀为真空磁导率μ₀＝4π×10^-7N/A²，H为磁场强度(A/m)，M为磁化强度(A/m)；

c)、采用粒子群优化算法辨识磁滞模型参数，具体步骤为：

确定目标函数

其中，B_m是实验测量值，B_d为模型计算值，N为实验数据点数。

参见图4，所述粒子群优化辨识Jiles-Atherton模型参数的过程是：初始化产生粒子群，将粒子群中的粒子依次赋值给Jiles-Atherton模型的5个参数M_s、a、α、c、k，然后根据Jiles-Atherton模型计算得到该组参数对应的目标函数计算值，该值传递到粒子群算法中作为该粒子的适应值，最后判断是否满足终止条件。

d)在Matlab/Simulink中建立磁感应强度闭环控制系统的仿真模型，通过数值计算整定分数阶PID的参数。

具体地说，在Matlab/Simulink动态仿真软件中，分别建立磁流变阻尼器的动态模型、分数阶PID控制的模型，形成磁感应强度闭环控制系统，通过多次阶跃响应，整定分数阶PID控制器的参数，直到实际磁感应强度能够准确跟踪目标磁感应强度，再将所述参数输入到实际控制器中，实现磁感应强度闭环控制。

图5是通过本发明的磁滞补偿控制方法建立的模型磁滞曲线与实测磁滞曲线对比图。

总而言之，本发明公开的一种磁流变阻尼器磁滞补偿方法，包括步骤为：以目标可调阻尼力为依据，根据磁流变阻尼器的设计参数计算相应的目标磁感应强度；将霍尔传感器嵌入到磁流变阻尼器的有效阻尼通道中，实时检测阻尼通道中垂直穿过磁流变液的磁感应强度；以目标磁感应强度与检测磁感应强度的误差作为分数阶PID控制器的输入；将所述分数阶PID控制器的输出传送至电流驱动器，电流驱动器产生相应的电流通入磁流变阻尼器的励磁线圈，构成磁感应强度闭环控制系统，使得实际磁感应强度跟踪目标磁感应强度，实现磁滞补偿控制。通过上述方式，本发明提供的一种磁流变阻尼器磁滞补偿方法，抑制磁流变阻尼器磁滞非线性特性对冲击缓冲控制系统响应速度、控制精度的负面影响。