[发明专利]一种面向冲击负荷的磁流变缓冲单元结构及其控制方法

权利要求书

1.一种面向冲击负荷的磁流变缓冲单元结构，其特征在于：它包括磁流变阻尼器（3）及磁流变液腔（3-6），上述磁流变阻尼器（3）与磁流变液腔（3-6）均为腔体结构，其中磁流变液腔（3-6）设在磁流变阻尼器（3）的腔体内，磁流变液腔（3-6）上端两翼分设回油孔（3-2）；两侧分设侧油孔（3-5），所述磁流变液腔（3-6）内设励磁线圈（3-3），励磁线圈（3-3）内侧形成一主油孔（3-4），上述磁流变阻尼器（3）内设空气腔（3-1）与磁流变液腔（3-6）的腔体相通，磁流变液腔（3-6）通过密封装置在磁流变阻尼器（3）内移动。

2.一种用于如权利要求1所述的面向冲击负荷的磁流变缓冲单元结构的冲击试验平台，其特征在于：该平台包括上支撑体（10）及底座（1），上支撑体（10）及底座（1）间设有滑杆（6），滑杆（6）上安装有配重（7），配重（7）与滑杆（6）间采用滚动轴承连接，配重（7）下面装有磁流变阻尼器（3）；磁流变阻尼器（3）通过支承架（4）与两个轮胎（2）连接，配重（7）通过永磁铁（8）与吊钩（9）及吊绳连接，并通过上支撑体（10），与升降滑轮组（12）相连，其升降由滑轮座（14）上的摇柄（13）控制，配重（7）及底座（1）内安装有位移传感器（11），磁流变阻尼器（3）与压力传感器（5）直接相连。

3.一种针对如权利要求1所述的面向冲击负荷的磁流变缓冲单元结构的控制方法，该方法是分离磁流变系统建模与其控制器设计，控制器与系统建模独立构成各自闭环，同时针对面向冲击负荷的磁流变缓冲单元结构，提出了面向冲击负荷磁流变阻尼单元结构力学模型及状态方程的构建方法，具体过程如下：

（1）磁流变液阻尼器特性试验与模型参数辨识

磁流变阻尼器建模方法，得到如下磁流变阻尼单元阻尼力模型如下：

Fd(I,δ,δ·)=cdδ·+τd(I)sgn(δ·)---(1)]]>

其中，F_d表示磁流变阻尼器阻尼力；τ_d(I)是磁流变液体的屈服力，与活塞处的磁场强度有关，磁场强度与电流I有关；c_d则是磁流变液的粘度系数；k_d表示弹性系数；δ表示阻尼器活塞杆伸缩长度；表示阻尼器活塞杆伸缩速度，各参数可通过试验，采用参数辨识算法得到；

（2）阻尼器压缩过程动力学建模

基于自制的冲击试验平台，其中在配重及磁流变阻尼器上各放置一个位移传感器，面向冲击负荷磁流变阻尼单元力学模型，同时建立被控对象的离散状态方程；

x·1=x2m1x·2+k[(x3(0)-x1(0))-(x3-x1)]+Fz-m1g=0x·3=x4m2x·4-k[(x3(0)-x1(0))-(x3-x1)]-m2g-Fz+kt[x3-x3(0)]=0---(2)]]>

其中x₂，x₄代表速度，x₁，x₃代表位移。进一步整理可得

x·1=x2x·2=g-k[(x3(0)-x1(0))-(x3-x1)]m1-1m1Fzx·3=x4x·4=k[x3(0)-x1(0)-(x3-x1)]m2+g-ktm2[x3-x3(0)]+1m2Fz---(3)]]>

对式(3)进行离散化处理

x1(k+1)=x1(k)+τx2(k)]]>

x2(k+1)=x2(k)+τ(g-k[(x3(0)-x1(0))-(x3(k)-x1(k))]m1-1m1Fz)]]>

=[x2(k)+τg-τk[(x3(0)-x1(0))-(x3(k)-x1(k))]m1]-τm1Fz]]>

x3(k+1)=x3(k)+τx4(k)]]>

x4(k+1)=x4(k)+τ(k[(x3(0)-x1(0))-(x3(k)-x1(k))]m2+g-ktm2(x3(k)-x3(0))+1m2Fz)]]>

=[x4(k)+τg+τk[(x3(0)-x1(0))-(x3(k)-x1(k))]m2-τktm2(x3(k)-x3(0))]+τm2Fz]]>

(4)]]>

于是可得如下结构系统模型

x(k+1)=f(x(k))+g(x(k))u(k)y(k)=Ax(k)---(5)]]>

其中

x(k)=x1(k)x2(k)x3(k)x4(k),]]>g(x(k))=0-τm10τm2,]]>u(k)＝F_z,A=010-1]]>

f(x(k))=x1(k)+τx2(k)x2(k)+τg-τk[(x3(0)-x1(0))-(x3(k)-x1(k))]m1x4(k)+τg+τk[(x3(0)-x1(0))-(x3(k)-x1(k))]m2-τktm2[x3(k)-x3(0)],]]>

（3）控制策略及实现方法

模型预测控制算法的核心是可预测未来的动态模型，在线反复优化计算并滚动实施的控制作用和模型误差的反馈校正，它的思想与具体的模型无关，但是实现则与模型有关，基于模型预测控制方法，针对所建的冲击负荷磁流变缓冲控制系统动力学模型，即方程5，对其进行控制算法设计，在上述的配重（7）及磁流变阻尼器（3）上各放置一个位移传感器，这样便可实时的通过这两个传感器得到配重的位移、运动速度及阻尼器的位移、运动速度四个参数，这四个参数将作为控制算法程序的输入信号，于是，每次采样后都将根据所设计的控制策略及传感器反馈值进行一次在线最优化运算，从而得到控制输出，即：阻尼力，进而根据(1)式或根据阻尼力、压缩速度及电流强度间的对照表进行插值运算，得到所需的电流强度，最终将得到的电流强度值输入到磁流变阻尼器当中，完成一个周期的采样，计算及控制，当配重接地时刻的速度给定，通过油气式主动缓冲单元得到磁流变阻尼单元的理想压缩速度变化曲线，即，如果磁流变阻尼器可以按照这一压缩速度变化曲线进行第一冲程的压缩，那么阻尼单元将会最有效的吸收落震冲击产生的冲击能量，相应的控制目标为磁流变阻尼单元的实际压缩速度与理想压缩速度间的误差值控制到最小，这一控制目标可以通过对模型预测控制算法中目标函数进行设计来实现；

（4）基于模型预测的面向冲击负荷磁流变阻尼单元控制算法设计

a、控制算法设计

针对冲击系统动力学方程（5）进行控制器设计，在方程（5）中x(k)∈Rⁿ表示状态，u(k)∈R^m是控制输入，y(k)∈R^p是测量输出。f(·),g(·)为已知非线性函数，A是已知的具有适当维数的常数矩阵，且系统满足如下约束条件：

u_min≤u(k)≤u_max,|Δu(k)|≤Δu_max,y_min≤y(k)≤y_max

其中

Δu(k+j|k)＝u(k+j|k)-u(k+j-1|k)

表示控制输入的增量，研究的主要问题是针对冲击模型方程(5)，设计控制器满足闭环系统稳定的同时被调输出y(k)能够快速跟踪参考信号r(k)且没有稳态误差,即

limk→∞ϵ(k)=0,ϵ(k)=r(k)-y(k)]]>

设计出的控制算法不但要保证无稳态误差而且还要具有快速性，只有这样才能满足落震缓冲的工作要求，在每一个采样时间k对系统状态进行估计，并通过求解最优化过程得到最优的控制向量，对于上述模型预测控制方法，可以构建如下结构的目标函数：

J(k)=Σj=1N||r(k+j|k)-y(k+j|k)||Q2+Σj=0Nu-1||Δu(k+j|k)||R2---(6)]]>

其中r(k+j|k)代表参考信号，y(k+j|k)代表预测输出，N,N_u分别代表预测长度和控制长度，Q∈R^p×p,R∈R^m×m为适当维数的加权矩阵，||·||_Q及||·||_R的范数定义为为了能够对当前采样时刻的系统状态进行预测，需要得到上一时刻的各预测值，其表达式如下：

x(k+1|k)＝f(x(k))+g(x(k))(u(k-1)+Δu(k|k),

x(k+2|k)＝f(x(k+1|k-1))+g(x(k+1|k-1))(u(k-1)+Δu(k|k)+Δu(k+1|k)),

          ·

          ·

          ·

x(k+N|k)＝f(x(k+N-1|k-1))+g(x(k+N-1|k-1))

(u(k-1)+Δu(k|k)…+Δu(k+N-1|k)).

定义如下向量

y‾(k)=y(k+1|k)···y(k+N|k)T∈RNp,]]>

x‾(k)=x(k+1|k)···x(k+N|k)T∈RNn,]]>

Δu‾(k)=Δu(k|k)···Δu(k+Nu-1|k)T∈RNnm,]]>

y‾(k)=A~x‾(k)=A~(G(k-1)Δu‾(k)+K(k-1)+F(k-1))]]>

其中

G(k-1)=g(x(k-1)······0g(x(k+1|k-1))g(x(k+1|k-1))···0············g(x(k+N-1|k-1))g(x(k+N-1|k-1))···g(x(k+N-1|k-1))∈RNn×Nm]]>

K(k-1)=g(x(k))u(k-1)g(x(k+1|k-1))u(k-1)···g(x(k+N-1|k-1))u(k-1)∈RNn]]>

F(k-1)=f(x(k))f(x(k+1|k-1))···f(x(k+N-1|k-1))∈RNn]]>

于是模型预测控制器设计问题可以转化为不断的求解如下最优化问题：

min||r‾(k)-A~F(k-1)-A~K(k-1)-A~G(k-1)Δu‾(k)||Q2+||Δu‾(k)||R2,]]>

s.t.-Δu‾max≤Δu‾(k)≤Δu‾max,]]>(7)]]>

u‾min≤u‾(k-1)+HΔu‾(k)≤u‾max,]]>

y‾min≤A~(F(k-1)+K(k-1)+G(k-1)Δu‾(k))≤y‾max,]]>

其中

u‾(k)=u(k)···u(k)∈RNum,]]>

r‾(k)=r(k+1|k)···r(k+N|k)T∈RNp,]]>

Δu‾max=Δumax···ΔumaxT∈RNum,]]>

u‾min=umin···uminT∈RNum,]]>

u‾max=umax···umaxT∈RNum,]]>

y‾min=ymin···yminT∈RNp,]]>

y‾max=ymax···ymaxT∈RNp,]]>

定义变量最优化问题（7）可转化为如下二次规划问题：

min12vTWv+cTv,s.t.lmin≤Ev≤lmax---(8)]]>

其中

lmin=-∞Δu‾minT∈R3Num+2Np,]]>

lmax=bΔu‾maxT∈R3Num+2Np,]]>

W=2(A~G(k-1)TQA~G(k-1)+R)∈RNum×Num,]]>

c=-2A~G(k-1)TQ(r‾(k)-K(k-1)-F(k-1))∈RNum,]]>

E=-HH-A~G(k-1)A~G(k-1)IT∈R(3Num+2Np)×Num,]]>

b=-u‾min+u‾(k-1)u‾max-u‾(k-1)-y‾min+A~F(k-1)+A~K(k-1)y‾max-A~F(k-1)-A~K(k-1)∈R2Num+2Np]]>

综上从配重的位移、运动速度及阻尼器的位移、运动速度四个参数到控制输出，即：阻尼力的具体计算方法，即求解二次规划问题（8），从而完整的给出了针对起落架系统的控制策略；

b、控制效果及分析

针对自制落震平台，在面向冲击负荷磁流变阻尼单元力学方程（5）中，令

m₁＝2000kg,m₂＝20kg,k_t＝100000,τ＝0.001,N＝N_u＝5,Q=1000001000001000001000001]]>

参考信号y_r(t)取冲击负荷磁流变阻尼单元阻尼力理想输入曲线，控制落震高度为0.45米，则配重的接地速度近似为3米/秒，得到如下控制效果，参考信号r(t)取现有阻尼器落振测试数据y_r(t)为磁流变阻尼器阻尼力理想输入曲线，假设减震器接地速度为3米/秒，系统的速度变化曲线与目标曲线y_r(t)重合，设定配重的接地速度为3米/秒，其中理想的阻尼器压缩速度变化曲线为某型号起落架的落震速度，真实系统的阻尼器压缩速度变化曲线，与目标曲线，重合。