冲击载荷下磁流变阻尼器动态特性分析及其控制系统设计

论文摘要

火炮与自动武器发射时,由于高温高压火药燃气的瞬时作用产生的强冲击载荷将引起武器发射时的振动和跳动,影响着射击精度和稳定性。武器系统中采用反后坐原理对发射时的冲击作用载荷进行有效控制。面对现代武器向大威力,轻量化及高机动性的发展要求,被动式的液压阻尼缓冲装置越来越显示出它的不足和局限性。随着材料科学的发展,以智能材料磁流变液为工作介质的磁流变阻尼器,相比传统的被动阻尼缓冲装置,其输出阻尼力受工作电流实时可控,同时还具有输出阻力大、动态范围宽、响应速度快、低功耗等优良特性,为研究自动武器发射时的冲击缓冲及振动稳定性问题带来了新的机遇和挑战。将磁流变阻尼器用于武器系统的冲击缓冲装置中,建立后坐阻力闭环控制系统,期望能够对后坐阻力规律和后坐运动进行更好的控制,从而提高武器发射精度,保证发射时的静止性、稳定性,满足对架体载荷和后坐长度的要求。本文以武器系统冲击缓冲为应用背景,采用理论分析,仿真设计,试验验证的方法,深入研究了冲击载荷下,磁流变阻尼器的动态特性及其后坐缓冲控制系统,主要内容及创新之处如下:（1）对冲击载荷下磁流变阻尼器的动态特性进行了研究。通过非线性最小二乘法对试验数据拟合得到:基于Herschel-Bulkley非线性磁流变液本构特性的平行平板恒流模型能够准确描述冲击载荷下后坐过程速度下降阶段磁流变阻尼器的动态特性。针对以上模型在高低速时函数表达不同且形式复杂的缺点,采用双曲正切函数描述低速时阻尼力随速度的平滑下降特性,提出了一种形式统一、表达简洁的磁流变阻尼器动态模型,并对模型进行了参数辨识。通过对冲击后坐过程的数值仿真,证明了以上简化模型的正确性。（2）对磁流变阻尼器在冲击缓冲应用中的可控性进行分析得到:磁流变阻尼器后坐速度峰值由冲击载荷的能量决定,相同冲击载荷下控制电流对磁流变阻尼器后坐速度峰值影响很小;对后坐运动的控制区为后坐速度峰值过后的速度下降区域。（3）对磁流变阻尼器的动态响应时间进行了研究。通过对电磁回路的理论分析和试验测试得到,磁流变阻尼器线圈电磁回路中电流的响应时间是磁流变阻尼器响应时间不理想的主要因素。通过对电磁回路的设计校正,改善了电磁回路中电流响应的动态性能,缩短了磁流变阻尼器的响应时间,对于几百毫秒的后坐控制过程,该研究解决了冲击缓冲应用中磁流变阻尼器响应时间过慢的问题。（4）对磁流变阻尼器后坐控制系统进行了研究。对于系统的非线性,采用逆系统方法加以解决,并对反馈线性化的伪线性系统进行了PI校正;考虑控制系统简化建模引起的未建模动态,以及控制系统参数的不确定性,并针对后坐过程迅速的特点,采用模型参考自适应控制加以解决。通过后坐缓冲试验测试得到:在相同的后坐行程下,运用PI校正和自适应控制方法均能实现对后坐阻力峰值的有效控制,使后坐阻力曲线达到良好的充满度,后坐动态特性令人满意。两种控制方法相比,自适应控制方法比PI校正更为有效。以上结论证明了磁流变阻尼器后坐控制系统设计方法的有效性。（5）对冲击载荷下磁流变阻尼器的结构优化设计方法进行了研究。提出了冲击缓冲应用中,对磁流变阻尼器的性能要求及设计指标,并采用基于Herschel-Bulkley磁流变液本构特性的平行平板恒流模型,运用多目标规划方法,对磁流变阻尼器进行了优化设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁流变技术及其发展
• 1.2.1 磁流变液特性
• 1.2.2 磁流变液材料
• 1.2.3 磁流变液材料的研究进展
• 1.2.4 磁流变技术发展概况
• 1.3 磁流变阻尼器及其应用
• 1.3.1 磁流变阻尼器的工作方式
• 1.3.2 磁流变阻尼器应用研究现状
• 1.4 磁流变阻尼器在冲击缓冲应用研究中的关键技术
• 1.4.1 冲击载荷下磁流变阻尼器的动态特性及建模
• 1.4.2 冲击载荷下磁流变阻尼器后坐控制方案的确定
• 1.4.3 冲击缓冲应用中磁流变阻尼器的结构优化设计
• 1.5 本文研究内容
• 1.6 小结
• 2 冲击载荷下磁流变阻尼器动态特性及试验建模
• 2.1 引言
• 2.2 磁流变阻尼器冲击动态特性
• 2.2.1 冲击试验原理
• 2.2.2 冲击试验方案
• 2.2.3 冲击动态特性分析
• 2.3 冲击载荷下磁流变阻尼器建模分析
• 2.3.1 基于Herschel-Bulkley磁流变液本构特性的建模分析
• 2.3.2 磁流变阻尼器模型参数辨识
• 2.3.3 简化模型
• 2.2.4 磁流变阻尼器可控性分析
• 2.4 冲击后坐过程仿真
• 2.4.1 冲击载荷的辨识
• 2.4.2 后坐运动诸元数值仿真结果
• 2.5 小结
• 3 磁流变阻尼器动态响应时间研究
• 3.1 引言
• 3.2 电流控制器工作原理
• 3.3 阻尼器线圈电磁回路电流响应时间测试
• 3.3.1 试验原理
• 3.3.2 试验方案
• 3.3.3 电磁回路的响应时间分析
• 3.3.4 电磁回路的设计校正
• 3.3.5 校正后电磁回路的响应时间
• 3.4 50型磁流变阻尼器动态特性
• 3.4.1 动态特性试验方案
• 3.4.2 50型磁流变阻尼器的动态特性分析
• 3.5 磁流变阻尼器响应时间试验测试
• 3.5.1 试验原理
• 3.5.2 磁流变阻尼器响应时间分析
• 3.6 小结
• 4 磁流变阻尼器控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 磁流变冲击缓冲原理
• 4.3 磁流变阻尼器后坐控制系统总体设计方案
• 4.4 磁流变阻尼器控制系统建模
• 4.5 逆系统方法
• 4.5.1 反馈线性化
• 4.5.2 伪线性系统设计
• 4.6 自适应控制
• 4.6.1 自适应控制的功能及特点
• 4.6.2 模型参考自适应控制
• 4.6.3 李雅普诺夫稳定性
• 4.6.4 磁流变阻尼器自适应控制系统设计
• 4.6.5 自适应控制系统仿真分析
• 4.7 磁流变阻尼器控制系统仿真分析
• 4.8 磁流变阻尼器后坐控制系统冲击试验
• 4.8.1 冲击试验系统
• 4.8.2 控制系统冲击试验验证
• 4.9 小结
• 5 冲击载荷下磁流变阻尼器改进优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 磁流变阻尼器结构设计模型
• 5.3 后坐缓冲应用中对磁流变阻尼器的性能要求
• 5.4 磁流变阻尼器结构尺寸的优化
• 5.4.1 尺寸优化
• 5.5 磁流变阻尼器磁路设计
• 5.5.1 磁路设计步骤
• 5.5.2 关键尺寸的确定
• 5.5.3 磁场有限元分析
• 5.6 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文的主要成果
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 未来的研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士期间发表论文情况