磁流变减振系统控制算法仿真研究

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1、磁流变减振系统控制算法仿真研究摘要:本文运用模拟技术分析的方法，对磁流变阻尼器减振系统力学模型和动力学特性进行了研究，并以现代控制观点出发建立适宜实际应用的控制策略在外部激励作用下的半主动控制进行了研究。对多自由度简单屋架结构进行仿真分析。关键字：磁流变阻尼器、控制、SIMULINK仿真、LQRThisdissertationpaysmoreattentionsontheuseoftheoreticalanalysisandnumericalsimulationapproachareconductedtocharacterizethedynamicalperformanceofth

2、eMRdamperandvibrationdampingcontrolalgorithmforthedesignandimplementationofresearch.Withmoderncontroltheorytoestablishthepracticalapplicationofappropriatecontrolstrategywhichcanbeappliedtorooftrusses,largespacestructuresunderexternalexcita/tionofthesemi-activecontro1.Keyword：Magneto-Rheologica

3、ldamper,Control,SIMULINK、LQR中图分类号：0441.2文献标识码：A文章编号:0引言磁流变液是近年来发展迅速的一种智能材料。由磁流变阻尼器构成的磁流变减振系统具有阻尼连续可调、功耗低、动态范围宽、响应速度快等特点，是比较理想的半主动减振系统。磁流变阻尼器减振系统应用于大型结构减振的研究还处于起步阶段，因此对磁流变阻尼器减振系统的控制策略与应用的研究非常有意义。许多学者已经提出对于半主动装置的控制策略［1］,或在控制算法中采用本地信息［2］,或以状态反馈为基础［3］。基于状态空间描述的最优控制在土木工程结构中是被认为是可行的［4］。从简单结构入手进行分析,研

4、究系统动力学特性，结合磁流变阻尼器减振系统特性，选择适当的控制策略来满足空间结构半主动控制的目的。利用理论分析和数值仿真来验证控制策略的实用效果。1服从Binham模型的磁流变阻尼器非线性库仑阻尼力模型磁流变阻尼器模型的粘性阻尼系数分为两个部分［6］,分别是屈服后液体粘度有关的粘性阻尼系数和与磁场强度有关的库伦阻尼力系数。改进的Binham模型［5］：其中，a为残余速度，为屈服力，与磁场强度有关的库仑阻尼力；为磁流变减振器的粘滞阻尼系数；为减振器活塞杆的相对运动速度；;根据已有阻尼器模型参数［7］,得到磁流变阻尼器的非线性滞回输出力为：二+其中，是磁流变液剪切屈服应力；是流体的表观

5、粘度；L是磁流变减震器的活塞有效长度；D是缸体内径；是活塞的有效面积且；d是活塞轴径；h是活塞与缸体间的间隙；是介于0.8-1之间的修正系数。2多自由度受控系统的状态空间模型对于多自由度受控结构运动方程表示为：(1)其中，为阶质量、阻尼、刚度矩阵；为3n维加速度、速度、位移向量；为3n维地震作用力向量；为r维控制力向量；P为维控制力矩阵；Q为维地震力位置矩阵。受控结构采用磁流变阻尼器作为控制力，即(2)应用线性二次(LQR)最优控制的状态空间表达为［5］：(3)令误差向量为(4)其中，为理想控制输出向量，为输出向量引入性能指标，使其取得最小。(5)其中，为系统终端误差；M为对称半正

6、定常数矩阵；N为对称半正定矩阵；R为对称正定矩阵；n、1、r分别为结构节点数、输出状态向量个数、作动器个数。最优解的必要条件为：协态方程：(6)控制方程：(7),,(8)得到最优控制力(9)其中，为Riccati矩阵函数，Riccati方程为非线性矩阵微分方程：(10)控制系统为闭环控制系统，采用力反馈的方法使MR阻尼器产生与所期望的控制力大致相等的力，采用线性最优控制器根据观测响应y和MR阻尼器实际输出的控制力设计所期望的控制力。(11)其中，为拉普拉斯变换。利用阻尼器控制点在最优控制下得到的反馈信息如速度、加速度及位移，控制电流驱动器所产生的磁场强度从而使磁流变阻尼器产生的阻尼

7、力与设计的最优控制力相同，并且阻尼器的磁场强度保持不变；若磁流变阻尼器产生的力比设计的最优控制力小，且两个力同号，磁流变阻尼器的磁场强度增到最大值以增大的阻尼力使之与最优设计控制力相等；反之，则将磁场强度置为零。控制电压的选择方法用下式表示，其中，为与MR阻尼器磁场饱和强度相关的电压；为Heaviside阶跃函数。将(3)式转换成状态空间模型，以为状态向量，在状态空间中，受控系统可以用下述状态方程描述：(13)其中，,为系统矩阵；,为作动器位置矩阵；为地震作用力位置矩