磁流变技术在气动控制中的工程应用

磁流变液是一种在外加磁场作用下可在毫秒时间内由牛顿流体转变为黏度、屈服应力较高的智能流体,且这种变化可控、连续、可逆。因此,它有着广阔的应用前景。该文阐述了一种利用磁流变液技术的气动控制技术新概念,并列举了几种国外已有的磁流变气动元件与装置。

磁流变弹性体及其振动控制应用综述

磁流变弹性体是将磁性颗粒(微米级)分散到聚合物弹性体中制备而成的一种磁控智能材料,其不仅拥有颗粒增强复合材料的优异力学特性,还具备迅速、连续且可逆的磁控特性,在智能传感、电磁屏蔽及缓冲减振等领域具有广泛的前景。为了促进磁流变弹性体及其振动控制技术的发展,综述了磁流变弹性体的材料组成,制备方法。总结了磁流变弹性体在振动控制领域的应用现状及对应用前景进行了展望。

磁流变超精密加工硅晶圆片的力学特性及其质量控制

晶圆是一种超薄且具有硬脆性的高精度光学材料,传统加工难度较大且具有一定的局限性,高集成度的集成电路发展对硅晶圆片表面的线宽、硅晶片的平直度要求越来越苛刻。磁流变超精密加工技术作为柔性加工手段通过调控磁场的变化规律,进而控制磁流变抛光液的流变特性,实现晶圆表面材料去除和表面误差校正。为揭示磁流变超精密加工晶圆表面质量控制规律,基于晶圆材料的JH2本构模型,对磁流变超精密加工过程中的表面应力、表面压力及切削方向规律残余压力进行探讨,获得磁流变超精密加工晶圆的力学特性,形成磁流变超精密加工硅晶圆片的质量控制。

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.

直升机主减磁流变隔振系统自适应控制研究

为了有效减小直升机旋翼通过主减速器向机身传递的多方向、宽频带振动,提出一种基于全系数自适应控制的新型直升机主减磁流变隔振系统。首先,对剪切阀式磁流变阻尼器进行力学特性测试,并采用Bouc-Wen模型建立磁流变阻尼器动力学模型。其次,介绍主减磁流变隔振系统的结构方案及其工作原理,并采用拉格朗日能量法推导系统的动力学方程,对其动力学特性进行仿真分析。随后,针对主减磁流变隔振系统的振动特性,设计基于特征模型的全系数自适应控制器,在扫频激励下进行数值仿真。最后,搭建磁流变隔振实验台,进行垂向振动控制验证实验。结果表明,与被动隔振及天棚控制相比,基于特征模型的全系数自适应控制器具有更好的隔振性能,能有效减小直升机旋翼向机身传递的振动。

基于磁流变技术的发动机隔振控制

悬置阻尼和刚度可调对发动机在宽频范围内实现积极隔振具有重要意义。在建立发动机3自由度隔振模型基础上,提出用可调阻尼的磁流变阻尼器和可调刚度的磁流变弹性体构成磁流变并联悬置系统,以降低发动机对基座的垂向传递力和抑制横向动反力矩为目标,设计出用仿人智能思想在线修改参数的垂直隔振模糊自适应控制器,并对各磁流变并联悬置的刚度和阻尼进行协调控制。用Matlab对发动机整机隔振进行仿真,搭建出发动机隔振台架试验系统,在宽频激励条件下对不同悬置的隔振效果进行对比研究。仿真表明基于磁流变并联悬置的发动机隔振控制具有明显的优势,台架试验结果表明相对于橡胶和液压悬置,磁流变液悬置能在较宽频范围把力和力矩的绝对传递率降低到约30%以内,可提高乘坐舒适性。

汽车磁流变半主动悬架模糊控制技术

在对磁流变减振器的特性进行理论分析的基础上,建立了1/4车辆的磁流变半主动悬架模 型,设计了双输入单输出的自适应模糊控制器,并进行了仿真研究。仿真结果表明,相对于被动悬架和 简单模糊控制器,自适应模糊控制器能够更好地抑制车身的垂直振动,提高乘坐的舒适性。

海洋平台磁流变阻尼器控制技术研究

为了更有效地减小海洋平台动力响应,采用基于模糊控制算法的磁流变阻尼器对海洋平台的振动进行控制。以海洋平台位移响应误差和误差变化为输入变量,以最优控制力为输出变量,优化设计出模糊控制器。考虑实际磁流变阻尼器输出控制力上限存在限制,采用半主动控制算法计算接近于最优控制力的半主动控制力。以一固定式海洋平台为算例研究磁流变阻尼器的振动控制效果及其模糊性,仿真结果表明模糊磁流变控制器对于平台的振动可以实现非常有效的控制,且控制效果对结构阻尼和环境的不确定性具有较好的模糊性。

采用磁流变阻尼器的人体座椅悬架系统模糊ANFIS-PID复合控制技术研究

对座椅悬架用单出杆式磁流变阻尼器进行阻尼特性试验,并借助MATLAB多项式拟合工具箱对改进多项式模型中未知参数进行辨识。分析人体振动特性,建立五自由度人体座椅悬架模型。综合模糊控制器与自适应模糊神经推理系统(Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System,ANFIS)整定PID控制器的优点,提出一种模糊ANFIS-PID复合控制策略。采用正弦信号作为外界激励,分别对被动悬架、传统模糊控制、ANFIS-PID控制及模糊ANFIS-PID复合控制人体座椅悬架系统进行仿真分析。结果表明,辨识得出的参数和建立的改进多项式模型均可满足后续仿真要求;采用模糊ANFIS-PID复合控制策略的隔振效果明显优于传统模糊控制及ANFIS-PID控制,能有效改善人体座椅悬架系统的行驶平顺性及驾乘人员乘坐舒适性。

基于磁流变的气动位置速度复合控制策略

为了提高线性气缸的定位精度、减小制动冲击,提出了基于磁流变阻尼器的位置速度复合控制策略。依据气缸两腔压力差和磁流变阻尼特性,建立了气动系统定位过程的动力平衡方程,通过分析阻尼控制电流的变化规律和系统响应对定位精度的影响,分别提出了速度柔性控制和位置补偿控制算法。在该算法下采用位置速度复合控制策略进行试验研究表明定位误差随着负载质量的增大而增大,随着目标位置的增大而减小,对气源压力波动有较好鲁棒性。该控制策略在改善系统冲击特性的基础上提高了定位精度,为磁流变技术在气动位置伺服控制中的应用提供了理论与试验依据。

基于预瞄技术的汽车磁流变半主动悬架控制方法

在综合利用磁流变减振器控制电流与输出阻尼力的关系、以及轴距预瞄控制技术的基础上,提出汽车磁流变半主动悬架预瞄控制方法,通过理论分析和计算机仿真,研究在不同行驶速度下汽车磁流变半主动悬架动态性能,实验表明,该法具有提高悬架系统的控制性能,使悬架承受的冲击响应小、振动强度低和汽车行驶平顺性好等特点。

气动位置控制磁流变流体制动器的研究

利用磁流变流体在外加磁场作用下的流变特性,设计了用于气动位置控制的磁流变流体制动器,给出了制动器结构及工作原理,采用磁场有限元分析方法,对制动器工作间隙中磁场分布及磁场强度进行了分析和计算,对制动器制动力特性进行了分析,对工作间隙中磁场强度及制动力进行了实验测试,对制动器动态制动特性进行了试验研究,并给出了提高制动精度的方法。

基于磁流变弹性体动力吸振器的掘进装备振动控制

针对掘进装备在自适应截割控制下的截割部宽减振问题,基于磁流变弹性体的动力吸振技术,提出了一种掘进装备截割部的振动控制方法。首先,以连续采煤机为研究对象,根据动量矩定理,建立了截割部-磁流变弹性体动力吸振器(MREDVA)耦合动力学模型,从理论上分析了MREDVA的减振机理;然后,为保证MREDVA的磁路以及移频特性满足需求,详细阐述了MREDVA的设计流程,提出了一种新的MREDVA结构,对其磁场和移频特性进行了仿真验证;最后,计算了不同截割状态下MREDVA对截割部的振动抑制能力,并建立了半主动控制方法,比较了被动和半主动振动控制方法下MREDVA的振动抑制能力。研究结果表明:对于所选煤层1和煤层2,截割部的振幅衰减分别达到41.53%和49.80%;对于所选煤层3,半主动控制下截割部振幅衰减可以达到45.10%。该方法可以有效降低掘进装备在宽频激励下的振动幅度。

基于磁流变技术的气压传动与控制

研制了把气缸和MR阻尼器串联组成的气 -MR阻尼缸 ,并对其阻尼力进行分析计算和仿真实验。由气 -MR阻尼缸作为执行件方便设计成MR气动闭环控制系统 ,对MR气压传动与控制系统的控制算法进行了初步的分析研究。

基于磁流变技术的AUV收放防摆装置设计与仿真

针对高海况下水下机器人(AUV)布放回收作业中存在的负载摇摆幅度过大的问题,设计一种基于磁流变阻尼器的AUV半主动式布放回收防摆装置,将其布置于船舶A型架上。分析摆角与磁流变阻尼器的动态力学关系,建立船舶在横摇和纵摇工况下的防摆装置动力学模型。利用Simulink-Adams软件进行联合仿真,结果显示,在设定的3种工作场景下,时变电流策略控制下的防摆装置平均摆动抑制率相比无防摆措施均提升70%以上,能耗相比定电流策略下降50%以上。仿真结果表明该防摆装置有效,研究成果可供下一步试验参考。

基于磁流变技术的船用起重机防摆装置设计及仿真分析

针对船用起重机在海上作业时,受到耦合激励致使吊重难以定位的问题,将具有半主动控制特性的磁流变阻尼器引入船用起重机防摆领域,设计一种机械结构简单、阻尼连续可调且响应速度快的机械防摆装置。针对特定的船舶工况设计了磁流变阻尼器,仿真验证了磁流变阻尼器磁路设计的合理性。建立船-起重机-吊点-防摆装置-吊重的三维动力学模型。基于ADAMS搭建虚拟样机并联合MATLAB进行仿真分析,验证了方案的可行性。结果表明:该防摆装置对吊重的摆动有良好的抑制效果,在设定海况下,吊重在面内摆动幅度减小85%,吊重在面外摆动幅度减小87%。研究成果可为船用起重机机械防摆提供参考。

基于模糊滑模控制的磁流变半主动最优抗冲击技术

为弥补被动隔振系统抗冲击设计中存在的不足,根据最优抗冲力理论,设计了磁流变阻尼器与隔振器并联的隔振抗冲系统,针对磁流变阻尼器非线性强、冲击时间短幅值大和滑膜控制存在抖振等特点,设计了模糊滑模抗冲击控制器并进行了模拟仿真。仿真结果表明,基于模糊滑模控制的磁流变半主动最优抗冲设计可以在保证设备安全的前提下,减小冲击加速度和系统位移,提高了被动隔振系统的抗冲击性能,具备较好的可控性和鲁棒性。

基于磁流变减振器和天棚ON-OFF控制的汽车半主动悬架研究

介绍了磁流变减振器的特点与结构,论述了天棚ON-OFF控制的原理,基于磁流变减振器和天棚ON-OFF控制,对汽车半主动悬架进行运动仿真分析,并与被动悬架进行对比。研究结果表明,基于磁流变减振器和天棚ON-OFF控制的半主动悬架能够提升汽车行驶的稳定性。

磁流变阻尼器建模及阻尼力跟踪控制试验研究

为了提升磁流变阻尼器阻尼力跟踪控制的精度,采用向量加权平均算法和贝叶斯非线性回归网络分别建立阻尼器的正向和逆向动力学模型;构建前馈逆模型与模糊控制反馈相结合的复合控制策略来实现半主动阻尼力跟踪控制。开展试验比较逆模型前馈控制与复合控制策略的跟踪效果以及复合控制策略在各个频率段的跟踪适用性。结果表明,复合控制策略能够达到较好的跟踪效果且比前馈逆模型控制策略的跟踪精度提高了6.4%;复合控制策略在0~7 Hz的频率段逼近精度基本在95%以上;在7~10 Hz,也能达到85%以上的逼近精度,验证了力跟踪控制算法的有效性。

磁流变变刚度变阻尼扭转振动仿人智能控制

有效的扭转刚度控制可以通过调节系统的固有特性和共振频率改善系统的扭转振动性能、恰当的扭转阻尼调节可以通过耗散扭转振动的能量来抑制扭转振动的幅值。针对扭转刚度和扭转阻尼对传动系统扭转振动的不同影响规律,提出一种基于混合田口遗传算法的磁流变(magneto-rheological,MR)传动系统变刚度变阻尼扭转振动仿人智能控制策略。首先根据所设计的磁流变扭转减振器建立了磁流变变刚度变阻尼传动系统动力学模型;基于混合田口遗传算法对磁流变传动系统扭转刚度和扭转阻尼控制参数的动态寻优结果,设计了一种兼顾时域和频域、具有分区协同、多模态多控制器的仿人智能控制器;随后进行了仿真分析和试验研究,结果表明,在较宽频段内,基于混合田口遗传算法的仿人智能控制均能有效抑制磁流变传动系统的扭转振动;当试验激励频率为3.5 Hz时,相对于被动传动系统和改进天棚控制系统,所提仿人智能控制分别将系统的峰值角位移和角速度减小44%、48%和14%、18%,其控制效果明显优于改进天棚控制,显著改善磁流变传动系统的输出特性。