磁流变减振系统关键技术研究

论文摘要

磁流变液体是近年来发展迅速的一种智能材料，在强磁场作用下能在瞬间（毫秒级）从自由流动的液体转变为半固体，呈现可控的屈服强度，而且这种变化是可逆的。由磁流变阻尼器构成的磁流变减振系统具有阻尼力大、调节范围宽、温度适应性强、响应速度快、能耗低等特点，是理想的半主动减振系统。但由于磁流变阻尼器具有强的非线性阻尼特性，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，是磁流变减振系统需要解决的一个关键技术；建立实际有效的控制策略是磁流变减振系统的另一关键技术。 本文旨在对磁流变减振系统关键技术进行较为详细的分析和研究。从磁流变液流变学特性和本构关系出发，通过磁流变阻尼器动力学分析、实验及数据分析，建立磁流变阻尼器数学模型；从现代控制理论出发，建立适宜实际应用的 控制策略；通过自行设计的1／4车身实验台架和基于dSPACE的磁流变减振实验测控系统，实验验证控制策略的有效性，为磁流变减振系统的实际应用提供可靠的理论依据和应用方法。 本文的研究内容及结论主要体现在以下几个方面： 1、分析了磁流变液特性，根据磁流变液的Bingham塑性流体特性，分别用轴对称模型和平行平板流动模型，运用Navier-Stokes方程和磁流变液体的本构关系式，建立了磁流变阻尼器的阻尼力计算表达式。 2、根据电磁场理论用电磁场有限元分析方法对磁流变阻尼器磁场结构进行分析，仿真分析得到了磁流变阻尼器的磁感应强度分布图，根据分布图得到了阻尼间隙的平均磁感应强度，为校核磁流变阻尼器磁路设计提供了依据。提出了磁流变阻尼器的阻尼头结构和磁路设计方法，其结果为磁流变阻尼器的结构设计提供了较为有用的理论依据。 3、分析比较了磁流变阻尼器的数学模型，通过对自行设计的汽车用双筒磁流变阻尼器动力学实验和实验数据分析，建立了双筒磁流变阻尼器的数学模型，公式中各项与理论相对应，具有清晰的物理意义，各参数的物理量可以根据实验数据确定，其表达形式易于实际控制器设计和磁流变阻尼器的结构设计。通过对不同电流、不同加速度下磁流变阻尼器的动力学实验，验证了磁滞现象与加速度有关。 4、研究了磁流变减振系统的反馈控制及时滞对反馈控制的影响，提出了基于Lyapunov稳定性理论的控制策略、基于Lyapunov稳定性理论的模糊控制策略和基于加速度速度反馈的控制策略。仿真结果表明所提出的控制策略比传统的Skyhook控制更有效，并且对比了几种控制策略的优越性。 5、对1／4车身磁流变半主动悬架控制实验系统进行了设计，设计了基于脉宽调制控制的磁流变阻尼器驱动电路，构造了基于dSPACE系统的磁流变半主动悬架实验控制系统，在自行设计的1／4车身磁流变半主动悬架实验台上对所提出的二自由度悬架系统的半主动控制策略进行实验，通过实验数据分析验证了所提出的控制策略的有效性和优越性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景、目的和意义
• 1.2 相关的国内外研究概述
• 1.2.1 国内外磁流变液研究现状
• 1.2.2 磁流变减振系统应用研究现状
• 1.2.3 磁流变阻尼器结构研究
• 1.2.4 磁流变阻尼器数学模型研究
• 1.2.5 磁流变减振系统控制策略研究
• 1.3 本文所做的主要工作
• 2 磁流变液
• 2.1 概述
• 2.2 磁流变液特性
• 2.2.1 磁流变液物理特性
• 2.2.2 磁流变液流变学特性
• 2.2.3 磁流变液磁特性
• 2.2.4 磁流变液动力学特性
• 2.3 磁流变液与电流变液比较
• 2.3.1 液体性能比较
• 2.3.2 磁流变液阻尼器与电流变液阻尼器相比
• 2.5 本章小结
• 3 磁流变阻尼器动力学分析及结构设计
• 3.1 磁流变阻尼器流场分析
• 3.1.1 轴对称模型
• 3.1.2 平行平板流动模型
• 3.2 磁流变阻尼器电磁场有限元分析
• 3.2.1 电磁场分析方法
• 3.2.2 磁流变阻尼器电磁场有限元分析
• 3.3 磁流变阻尼器的结构设计
• 3.3.1 磁流变阻尼器阻尼头结构设计
• 3.3.2 磁流变阻尼器的磁路设计
• 3.4 本章小结
• 4 磁流变阻尼器数学模型
• 4.1 引言
• 4.2 磁流变阻尼器的数学模型
• 4.2.1 参数化模型
• 4.2.2 非参数化模型
• 4.3 双筒磁流变阻尼器的数学模型
• 4.4 本章小结
• 5 磁流变减振系统控制策略研究
• 5.1 引言
• 5.2 单自由度系统
• 5.2.1 单自由度系统的自由运动
• 5.2.2 受谐振基础激励的单自由度系统减振性能
• 5.2.3 单自由度系统的反馈控制
• 5.2.4 时滞对反馈控制的影响
• 5.2.5 基于速度反馈的半主动减振系统控制策略
• 5.2.6 基于加速度和速度反馈的半主动减振系统控制策略
• 5.2.7 算例及其分析
• 5.3 二自由度悬架系统的半主动控制策略
• 5.3.1 Skyhook控制策略
• 5.3.2 基于Lyapunov稳定性理论的控制策略
• 5.3.3 基于Lyapunov稳定性理论的模糊控制策略
• 5.3.4 二自由度系统的加速度速度反馈控制策略
• 5.4 本章小结
• 6 1／4车身磁流变半主动悬架控制策略实验研究
• 6.1 1／4车身磁流变半主动悬架控制实验系统
• 6.2 磁流变阻尼器驱动电路研究
• 6.2.1 磁流变阻尼器驱动方式分析
• 6.2.2 脉宽调制（PWM）控制磁流变阻尼器驱动电路
• 6.3 DSPACE控制系统
• 6.3.1 dSPACE并行处理平台系统结构
• 6.3.2 磁流变半主动悬架dSPACE控制系统实现
• 6.4 1／4车身磁流变半主动悬架控制策略实验结果及对比
• 6.5 本章小结
• 7 整车控制策略研究
• 7.1 引言
• 7.2 整车模型
• 7.3 整车磁流变半主动悬架控制策略
• 7.4 整车模型控制仿真
• 7.4.1 Skyhook控制、模糊控制和基于Lyapunov稳定性理论的控制策略整车模型的仿真结果比较
• 7.4.2 Skyhook控制、加速度速度反馈控制和基于Skyhook的加速度速度反馈控制策略整车模型的仿真结果比较
• 7.5 本章小结
• 8 全文工作总结
• 8.1 概述
• 8.2 本文完成的主要工作及结论和创新点
• 8.3 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文