含磁流变阻尼器自动武器缓冲系统控制理论与技术的研究

论文摘要

近年来,振动控制技术不论是在理论研究领域还是工程应用领域都得到了快速的发展。其中,半主动控制技术由于仅需要较小的外部能量,但却能达到与主动控制几乎同样的效果,已经成为一个越来越具有吸引力的研究领域。作为一种典型的智能材料,磁流变液应用前景也变得越来越广阔。目前,利用磁流变液开发的磁流变阻尼器由于具有结构简单、阻尼力连续可调、反应迅速、输出阻尼力大、能量消耗小等优点,因而成为新一代的变阻尼半主动控制器件。磁流变阻尼器具有很强的非线性以及时滞性等特性,建立合适的动力学模型,使其既能适合于实时控制的需要,又能用于磁流变阻尼器的结构设计,是磁流变阻尼减振系统需要解决的一个关键性问题,而建立实际有效的控制策略是磁流变阻尼器减振系统的另一关键技术。根据理论分析和数值仿真,本文建立了磁流变阻尼器在冲击载荷下的动力学模型,对冲击载荷下磁流变阻尼器的动力学特性以及半主动控制策略和控制系统设计与实现进行研究。具体工作包括以下几个方面：1针对在冲击载荷作用下的磁流变液高速剪切情况,研究了磁流变阻尼器参数化动力学模型。通过研究,冲击载荷下磁流变阻尼器所能提供的阻尼力主要包括节流阻力、粘性阻力、库伦阻力、惯性力以及摩擦力等。其中在阻尼器所能提供的总阻尼力中,库仑力是唯一可以调节的阻尼力分量,调节方式是通过改变流经阻尼器中励磁线圈上的电流强度进而改变磁场强度来实现,而总阻尼力中的其他部分在阻尼器结构确定之后则保持固定,不可调节,它们只与所研究的磁流变液本身的特性以及磁流变阻尼器的结构有关,比较全面的描述了磁流变阻尼器在冲击载荷下的力学特性。2从器件响应时间和磁流变体响应时间两个方面对冲击载荷下磁流变阻尼器的响应时间进行了讨论,分析了磁流变液的响应时间、励磁线圈的响应时间、控制时延、结构时延对系统时延的影响。接着针对带有输入时滞和状态时滞的不确定模糊系统,通过构造全新的Lyapunov函数和广义模型变换的方法,本文获得了一个全新的时滞相关稳定性准则。并进一步给出了H∞控制器存在的充分条件。同时,利用锥补线性化算法,得到了H∞控制器的设计方案.3为了对磁流变阻尼器工作时状态进行预测,本文结合混沌粒子群与支持向量回归模型(SVR)的特点,提出一种状态预测的新方法,混沌粒子群能克服粒子群优化算法容易陷入局部最优且收敛速度较慢等缺点,以获得高预测性能的支持向量回归模型。在分析支持向量回归算法和混沌粒子群算法基础上,采用混沌粒子群算法选取合适的支持向量回归模型,并利用训练集建立混沌粒子群SVR状态预测模型。实验结果表明,与粒子群SVR相比,混沌粒子群SVR的预测精度有了较大幅度提高。4利用TMS320LF2407对磁流变阻尼器的电流驱动器进行了详细的设计,使它能够按照本文设计的控制算法去控制阻尼器的运行。电流驱动器操作简单,能够显示和记录数据,并具有自我保护和故障检测功能。5在MATLAB环境下以及弹簧压力机平台上,利用前文设计的控制算法对阻尼器模型进行数值仿真和实验验证,分析算法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 磁流变技术简介
• 1.3 减振技术的发展概况
• 1.4 磁流变技术的研究现状
• 1.5 磁流变技术在军事领域的研究现状
• 1.6 学术构想与思路、主要研究内容及拟解决的关键技术
• 1.7 课题的创新点
• 第二章 磁流变阻尼器建模及其特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 磁流变液力学特性分析
• 2.3 磁流变阻尼器力学模型分析
• 2.3.1 磁流变阻尼器模型简介
• 2.3.2 磁流变阻尼器的基本结构
• 2.3.2.1 励磁线圈缠绕方式
• 2.3.2.2、磁流变阻尼器基本结构类型
• 2.3.3 磁流变阻尼器的工作模式
• 2.4 冲击载荷下磁流变阻尼器工作原理
• 2.5 冲击载荷下磁流变阻尼器动力学模型
• 2.5.1 环形阻尼孔内粘性阻力与库伦阻力
• 2.5.2 磁流变阻尼器节流阻力
• 2.5.3 磁流变液惯性阻力
• 2.5.4 结构附加阻力与冲击系统内摩擦阻力
• 2.6 冲击载荷下磁流变阻尼器模型
• 2.7 小结
• 第三章 磁流变阻尼器时滞控制算法研究
• 3.1 磁流变阻尼器的时滞分析
• 3.1.1、磁流变液响应时间
• 3.1.2 控制时延
• 3.1.3 励磁线圈的响应时间
• 3.1.4 结构时延
• 3.1.5 磁流变阻尼器响应时间的优化途径
• 3.2 自动武器系统承受冲击环境及其要求
• 3.3 基于时滞相关T-S模糊系统的磁流变阻尼器鲁棒控制
• 3.3.1 问题描述
• ∞控制'>3.3.2 T-S模糊系统的H_∞控制
• 3.3.2.1 T-S模糊系统的稳定性分析
• 3.3.2.2 T-S时滞模糊系统控制算法
• 3.3.3 仿真实例
• 3.4 小结
• 第四章 磁流变阻尼器工作时的状态预测算法
• 4.1 基于混沌粒子群SVR的机电产品状态预测方法
• 4.1.1 支持向量回归模型
• 4.1.2 混沌粒子群算法
• 4.1.3 采用混沌粒子群选择SVR参数
• 4.2 应用分析
• 4.3 小结
• 第五章 控制系统软硬件设计
• 5.1 硬件设计准则
• 5.2 可编程磁流变阻尼器电流驱动器的设计
• 5.2.1 信号调理模块设计
• 5.2.2 MOSFET电流驱动模块设计
• 5.2.3 电流检测模块设计
• 5.3 主控模块设计
• 5.3.1 DSP主控制模块软件总体设计方案
• 5.3.2 主程序设计
• 5.4 CAN通讯模块设计
• 5.5 系统的可靠性设计
• 5.5.1 电磁兼容设计
• 5.5.2 系统保护电路的设计
• 5.5.3 软件的抗干扰设计
• 5.6 小结
• 第六章 冲击载荷下磁流变阻尼器缓冲控制系统仿真及实验验证
• 6.1 磁流变阻尼器缓冲控制算法数值分析
• 6.2 弹簧压力机平台实验
• 6.3 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文及所取得的研究成果