主动变刚度/阻尼控制算法研究

建立了主动变刚度／阻尼（ＡＶＳＤ）控制系统的理论模型；基于瞬时最优控制算法推导了ＡＶＳＤ系统的开关控制律，并从控制结构的层间位移出发提出了一种直接根据结构动力反应符号确定的开关控制律。对这两种控制律进行了计算机仿真分析，研究了控制装置的参数对控制效果的影响规律，并比较了这两种控制律的控制效果。

结构半主动控制的新技术──主动变刚度/阻尼控制

本文首先介绍主动变刚度和主动变阻尼控制系统的研究进展情况，进而介绍基于这两种控制系统的有机结合的一种崭新的半主动控制技术一主动变刚度阻尼控制（AVSD），指出了AVSD系统几个急需解决的问题。

基于改进遗传算法的磁流变阻尼半主动控制系统整体优化

为解决磁流变阻尼半主动控制系统中控制算法参数、阻尼器参数与布置位置优化问题,提出一种改进的自适应小生境遗传算法.该遗传算法在选择策略、交叉和变异操作、交叉概率和变异概率的自适应调整等方面作了改进,并同时采用预选择机制和共享机制这两种小生境技术.算例分析结果表明:改进的自适应小生境遗传算法和改进的基本遗传算法优化结果总体一致,表明前者分析结果是正确的;前者首次得到最优解耗费的机时比后者平均少32.7%,可见前者比后者收敛速度更快;30次优化分析结果表明,前者比后者稳定性更强;经前者优化的磁流变阻尼半主动控制系统取得良好减振效果,El Centro波、集集波、人工波输入时,半主动控制结构层间位移角和绝对加速度的最大值较无控时分别平均减小64.1%、54.7%、55.9%.算例表明了改进的自适应小生境遗传算法的有效性,实现了对磁流变阻尼半主动控制系统的整体优化.

磁流变阻尼器改进型多项式建模及其半主动控制应用

针对磁流变阻尼器动态建模中存在的模型复杂、拟合精度差、计算速度慢等问题,文中提出一种改进型“速度分级多项式模型”。该模型在传统多项式模型的基础上加入两个速度切换点,在不同速度段分别采用不同函数进行拟合,从而在保证模型拟合精度的同时,有效避免了Runge振荡现象,也适当提高了计算速度。以RD-8040-1型号阻尼器为对象,对其进行特性测试和模型参数辨识。将该模型替换CRH3高速动车组二系横向减振器,采用开关天棚阻尼控制策略实现高速动车组二系悬挂的横向半主动控制整车动力学仿真,仿真模型中考虑到磁流变阻尼器卸荷、响应时滞等实际特性。结果表明,基于磁流变阻尼器的二系悬挂半主动控制能有效抑制高速列车的横向振动,与被动悬挂相比,在速度300 km/h直线运行工况下,车体横向加速度幅值谱最大幅值和加速度均方根值分别下降38.1%和37.6%。

MRE耗能阻尼器力学性能及半主动控制分析

根据磁流变弹性体(magnetorheological elastomer,简称MRE)的可调力学特性提出了基于MRE的新型耗能阻尼器,并对制备完成的硅橡胶基磁流变弹性体及阻尼器分别进行力学性能试验。利用Matlab/Simulink对各层均装有MRE阻尼器的7层框架结构进行建模仿真分析,将被动控制与基于半主动控制策略的经典最优控制和序列最优控制进行比较。力学测试结果表明:MRE在0~500 mT磁感应强度下其剪切模量变化值达到132.43 kPa,磁流变效应约提高274%;增大加载幅值和加载速率,均能提高MRE阻尼器的力学性能;对阻尼器施加电流激励,在0~10 A增大过程中其等效刚度和阻尼可以实现连续可调。仿真结果表明:基于MRE阻尼器的半主动控制系统可以有效减小结构在地震作用下的响应,3种控制均能对结构动力响应起到良好的控制效果,其中序列最优控制算法的控制效果最为显著且精确度更高;系统在实际测试中需考虑多方面因素影响,尽可能减小误差。

柔性底层结构的主动变刚度/阻尼抗震控制

提出了一种适用于柔性底层结构抗震控制的主动变刚度 /阻尼装置 ,建立了安装此装置的柔性底层结构的地震反应方程 .算例表明 ,该装置对柔性底层结构的地震反应有良好的控制作用 .此外 ,还讨论了该装置的刚度和阻尼对控制效果的影响 .

基于变刚度的自动制孔末端执行器半主动振动控制方法研究

自动制孔机器人末端执行器在制孔过程中会产生轴向振动,甚至会引起机体颤振,导致制孔精度降低,因此提出一种变刚度半主动振动控制方法。首先在分析各参数对振动控制器绝对位移传递率影响的基础上,优化了无扰动情况下的被动系统参数,并对其振动控制效果进行了仿真;然后运用绝对位移传递率图像特征分析法,获得激励频率与位移传递率的关系,通过调节吸振器刚度,使振动控制器的位移传递率随激励频率变化保持在最佳状态;最后运用MATLAB仿真验证了该方法的可行性。

利用负刚度磁流变阻尼器的单层球面网壳三维隔震研究

网壳结构三维隔震是备受关注的研究热点之一。已有的研究聚焦于被动型三维隔震装置,其在竖向的性能参数无法实时调控。为解决这一问题,将负刚度磁流变阻尼器(magnetorheological negative stiffness dampers,MRNSDs)与预压弹簧装置(prepressed spring devices,PSDs)并联,形成一种可调节阻尼力的竖向隔震装置(MRDNSD-PSD)。面向延长受控结构竖向自振周期的目标,建立了MRNSD的控制策略及其实施方法,利用其模拟了该控制装置的滞回响应。以某周边支承单层球面网壳作为研究对象,将含有MRNSD-PSD的半主动三维隔震系统、两种不同的被动三维隔震系统分别用于提升该结构的抗震性能。通过数模模拟,对上述受控和无控结构进行了地震响应分析。数值结果表明,三种隔震系统均可有效降低结构地震响应,但半主动隔震系统较被动型隔震系统能够提供更优的竖向加速度和竖向位移控制效果。

重型车辆半主动磁流变悬架系统动态逆自抗扰控制器设计

针对现有重型车辆半主动磁流变悬架系统控制方法受模型中存在非仿射问题和控制增益不确定等问题,提出了一种引入动态逆的线性自抗扰控制器的设计方法。设计了线性扩张状态观测器和动态逆控制器,线性扩张状态观测器估计系统的状态和总和扰动,动态逆用以求解非仿射情况下的控制律。通过仿真试验表明,悬架系统所要求的性能指标明显改善,定量分析得到半主动动态逆线性自抗扰磁流变悬架的车体垂直加速度均方根值与被动悬架和半主动线性自抗扰磁流变悬架相比,分别下降了38.9%、17.8%,悬架动行程下降了7.8%、1.8%,车轮动变形下降了26.5%、11.5%,半主动动态逆线性自抗扰磁流变悬架性能明显优于被动悬架和半主动线性自抗扰磁流变悬架。因此,动态逆线性自抗扰控制技术既解决了重型车辆半主动磁流变悬架系统模型中存在的非仿射问题,同时也避免了经典线性自抗扰控制中控制增益标称值选取困难的问题,可以广泛应用于实际工程中。

基于被动变阻尼变刚度装置组合隔震新体系性能化设计方法

被动变阻尼变刚度装置是一种无需外部能源输入和反馈控制的装置,具有变阻尼耗能和变刚度限位功能。当与隔震支座组合使用时,这种装置构成了一种新的隔震体系,能够有效控制不同类型和烈度大小的地震波。根据性能化设计理论,提出了针对组合隔震体系的设计方法,通过该方法可以完成隔震层中被动变阻尼变刚度装置和隔震支座的参数设计工作。研究还提供了完整的设计流程和详细的设计过程说明,并通过工程实例验证了设计方法的可行性和有效性。这种性能设计方法可以广泛应用于组合隔震新体系的工程设计领域,为相关工程提供了一种可靠的设计方法和技术支持。通过这种先进的设计方法,可使结构能够更好地应对地震带来的灾害,保障结构的安全性和稳定性。

磁流变半主动悬架变负载MRAC控制

针对车辆负载变化影响车辆综合性能的不确定性问题,建立了包含负载力的1/4车辆半主动悬架数学模型。选用磁流变阻尼器作为半主动部件,采用模型参考自适应控制(MRAC)衰减振动,运用李雅普诺夫定理证明了该系统的稳定性。以车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷的均方根值为评价指标,进行了变负载工况下的仿真分析。结果表明,在随机路面激励下,基于MRAC的磁流变半主动悬架在空载、负载1 kN和负载2 kN的情况下,悬架的3个性能指标与被动悬架相比均得到明显优化。

非线性阻尼变刚度半主动结构振动控制

提出了具有非线性阻尼器的可变刚度系统及其半主动振动控制理论与方法，通过对５层钢框架试验模型的仿真计算，分析了非线性阻尼变化对结构振动响应的影响。分析结果表明：所提出的半主动控制系统能够有效地减小结构的振动反应。

结构主动变刚度·阻尼控制系统及其优化设计

介绍了一种新型开关控制型的半主动控制系统——主动变刚度.阻尼(AVS.D)系统的装置组成及其减振控制机理,阐述了该系统所特有的反应放大原理,建立了该控制系统的运动方程。基于瞬时最优控制的思想推导了该控制系统的开关控制律。为了充分发挥该控制装置的作用,优化了主动变刚度.阻尼装置的参数设计,并基于遗传算法研究了主动变刚度.阻尼装置在结构中的空间位置优化方法。计算机仿真分析结果显示,主动变刚度.阻尼系统是一种性能非常优越的半主动控制系统,所推导的瞬时最优半主动开关控制律是很有效的。对不同数目的主动变刚度.阻尼装置进行位置优化,结果表明,所提出的位置优化方法对于优化多个主动变刚度.阻尼装置的位置是相当高效的,可以最大限度地发挥该控制系统的性能。

主动变刚度-阻尼系统预测最优控制的理论与试验研究

介绍了一种具有自主知识产权的新型开关控制型半主动控制系统——主动变刚度.阻尼(AVS.D)系统的减振控制机理,建立了AVS.D结构振动控制体系的运动方程。为了合理补偿AVS.D系统实时控制过程中不可避免地存在着的控制时滞,本文提出一种预测最优控制算法,推导了其开关控制律。为了检验AVS.D系统的减震控制效果及预测最优控制算法的有效性,我们设计研制出AVS.D装置,编制了AVS.D系统预测最优控制的实时控制软件,在某单层钢框架模型上进行了AVS.D系统的模拟地震振动台试验,比较了不同控制方式时的减震效果。研究结果表明,本文所提出的预测最优控制算法是非常有效的,可推广应用于所有开关控制型半主动控制系统。AVS.D系统具有反应放大功能,经济可靠、安全有效,可望有较好的工程应用前景。

主动变刚度／阻尼系统的变结构控制

本文提出了主动变刚度／阻尼（ＡＶＳＤ）控制系统的理论模型，分析这一半主动控制系统的工作原理，基于变结构控制理论（ＶＳＣ）推导了ＡＶＳＤ控制系统全状态输出反馈控制律，还从实际工作应用出发，提出了一种只需观测系统部分状态的直接输出反馈的开关控制律。

可变刚度和阻尼的半主动悬架控制方法研究

以一自由度半主动悬架模型为研究对象,通过调节模型中的阻尼来实现悬架刚度和阻尼的同时可调。建立5种不同的开关阻尼控制形式及被动悬架模型,分别以正弦输入和白噪声输入作为路面输入激励,在MATLAB中建模并仿真。从幅频响应和时频响应两个方面分析仿真结果,得出开关阻尼控制方法能有效的改善车辆平顺性的理论依据。

考虑时滞问题的磁流变阻尼器半主动悬架最优控制

针对磁流变阻尼器(MRD)的半主动悬架控制问题,建立了双曲正切模型的MRD力学模型,并利用遗传算法对模型各参数进行辨识。引入BUCK降压电路作为驱动电路,实现对MRD输入电流的连续可控。由于MRD在工作中会出现一定程度的响应时滞,对控制性能会造成一定程度的影响。针对此问题,根据泰勒级数展开法,建立了扩展状态空间方程,并结合LQG控制理论,实现对未来时刻理想控制力的预测。最后以凸包路面作为输入,分别对被动悬架、基于LQG控制的半主动悬架以及结合泰勒级数的LQG(TLQG)控制的半主动悬架进行仿真分析。结果表明,在考虑响应时滞的情况下,基于TLQG控制的磁流变半主动悬架具有更好的控制性能。

主动变刚度·阻尼系统的滑动模态控制

采用滑动模态控制理论设计主动变刚度·阻尼系统的开关控制律 ,并在此基础上提出一种旨在减少开关切换次数的界限开关控制律 。

变刚度和阻尼半主动悬架的模糊控制研究

为提高车辆的乘坐舒适性,建立了一种新型的四自由度的变刚度和阻尼半主动悬架模型。根据模糊控制理论,设计了两种适用于此模型的模糊控制器:常规模糊控制器和变论域模糊控制器。在MATLAB/SIMULINK仿真软件中建模,以积分白噪声随机路面输入作为激励,对被动悬架模型、常规模糊控制和变论域模糊控制的半主动悬架模型进行了仿真。仿真结果表明,与被动悬架相比,变刚度和阻尼半主动悬架能够有效降低车身垂直加速度和车身俯仰角加速度,有效地提高了车辆的乘坐舒适性。同时还表明,悬架的变论域模糊控制的减振效果优于常规模糊控制的。

高速列车磁流变半主动悬挂控制策略研究

为了提高列车运行平稳性,在经典的天棚控制和加速度控制的基础上,提出了一种新型混合控制策略,对高速列车磁流变半主动悬挂控制系统进行了仿真和实验研究.首先,对磁流变阻尼器(MRD)的力学特性测试分析,引入具有电流饱和特性的修正函数,建立了MRD的修正扩展双曲正切模型.然后,设计了面向列车平稳性的新型混合控制策略,通过分析车体加速度传递特性,比较了不同控制策略在全频域内的控制效果.此外,从相频特性的角度阐释了新型混合控制策略在全频段的控制优势.将MRD修正模型应用于悬挂控制,利用UM和Simulink软件建立了整车磁流变半主动悬挂控制系统联合仿真模型,分析不同控制策略对车辆动力学性能的影响.最后,构建了基于MRD的整车悬挂系统硬件在环实验台,通过开展硬件在环实验分析不同控制策略下的车体响应.结果表明,相比传统的控制策略,新型混合控制策略能兼顾低频段和高频段的振动控制效果,不仅可以提高列车的运行平稳性,而且不会恶化列车的运行安全性.硬件在环实验证明了新型混合控制策略的有效性,以及高速列车应用半主动控制悬挂的可行性.