冲击缓冲用磁流变阻尼器磁滞补偿控制算法研究文献综述

1. 引言

磁流变阻尼器因为具有阻尼力可调、响应快速，输出阻力大等优点，目前正广泛应用于建筑、桥梁、车辆和机械等领域。冲击缓冲用磁流变阻尼器在抗冲击减振领域具有良好的应用前景，相比于传统冲击缓冲装置，其输出阻尼力可调可控，可以实现半主动控制，是一种智能型的冲击缓冲装置。由于磁流变阻尼器结构包含铁磁材料，其本身固有的磁滞特性影响了磁流变冲击缓冲装置的控制效果和快速性。

根据拟定的冲击缓冲用磁流变阻尼器的磁滞补偿方法，设计合理的控制算法，从而获得最佳的磁滞补偿效果，对于磁流变阻尼器在冲击缓冲环境中的应用具有重要的意义。

1. 磁流变液在冲击缓冲装置中的应用

磁流变阻尼器由于具有较大的阻尼调节范围，较快的响应速度，较低的电源功耗，既具有主动控制系统参数可调，又具有被动控制的可靠性等优良特性，因而被广泛应用^[[1]]。然而，磁流变液的性能是磁流变技术发展的一大制约因素。优质磁流变液应具有屈服应大、沉降稳定性好、零磁场粘度低、响应时间快、工作温度范围宽、耐用性好和使用寿命长等特征^[[2]]。在冲击载荷下，磁流变液表现出一定的特殊性能，对此，Browne使用自由飞行落塔装置进行了磁流变阻尼器的冲击试验，研究了其在不同冲击速度和磁场强度下的冲击性能，得出了冲击力能量缓冲仍取决于磁流变液磁场强度变化的结论^[[3]]。Ahmadian亦设计了磁流变缓冲器在冲击荷载下的分析实验，该测试分别采用单级双出杆活塞和双极单出杆活塞式磁流变缓冲器，得出了磁流变液压而非磁流变液流经阻尼器阀时的流动阻力导致最大冲击受力的结论^[[4]]。董小闵等针对传冲统缓着陆装置阻尼刚度不可调节的局限性，提出采用基于磁流变技术的自适应变阻尼变刚度缓冲装置，并基于能量守恒原理和天棚阻尼控制技术，设计了飞行器缓冲着陆的自适应控制器^[[5]]。

1. 磁流变阻尼器的磁滞特性

可调阻尼力和控制电流(Fmr-I)之间的迟滞非线性（即磁滞特性），它是由于磁流变阻尼器内部结构中包含铁磁材料，其磁化特性导致的磁感应强度(B)和磁场强度之间的迟滞非线性，即当铁磁体被磁化到饱和状态后，若将磁场强度(H)由最大值逐渐减小时，其磁感应强度不是循着原来的途径返回，而是沿着比原来的途径稍高的一段曲线而减小，当H=0时，B并不等于零，即磁性体中B的变化滞后于H的变化，也就是通常所说的磁滞回线。磁流变阻尼器是通过改变控制电流（I）的输入来控制可调阻尼力（Fmr）的输出，而磁场强度是由控制电流（I）直接产生的，这样决定了输出的可调阻尼力是关于磁感应强度的函数。因此，B-H之间的迟滞非线性关系将极大地影响阻尼力和控制电流之间的关系。

可调阻尼力和控制电流之间的迟滞非线性在大部分低速振动系统，由于其实时性要求不高，因而对磁流变阻尼器的控制影响不大^[[6]]。因此，长期以来Fmr-I之间的迟滞非线性并未引起足够的重视。另一方面，通过动力学建模来消除或减小这部分磁滞特性也是极其困难的。与低速减振过程不同的是，冲击缓冲过程一般仅持续在几百毫秒至几秒的较短时间内，控制电流的瞬态变化导致的迟滞特性严重影响了缓冲控制性能。MR阻尼器的这种固有迟滞非线性行为使得磁流变阻尼器的控制具有一定的挑战性，且控制效果不理想。而若想消除磁滞特性对于磁流变阻尼器的影响，合适的模型和控制算法非常重要。

1. 磁流变阻尼器的常用控制算法

在通常的磁流变阻尼器中，最常见的控制算法即为PID控制和模糊控制。

PID（比例－积分－微分）控制是振动控制领域应用最早的控制算法之一，该算法是以系统的输出值与期望值的误差作为输入信号，将误差信号的比例、积分和微分进行线性組合来求出结构所需控制量，完成对结构的振动控制。PID因具有算法简单、易于使用、鲁棒性好、可靠性高、参数意义明确等优点，自理论提出至今PID控制策略在工业控制中仍具有极强的实用价值^[[7]]。

模糊控制是一种智能的控制策略，由美国学者L.A.Zadeh于1965年提出，经过短短30多年的发展，模糊控技术取得了飞速发展，各种各样的模糊控制系统应运而生。模糊控制技术被广泛应用于家电、工业、交通运输、机器人、航空航天等诸多领域。模糊控制与传统经典控制址最大的区别在于不需要知道被控对象的精确模型，只需根据人们的经验和专家知识,通过其特有的推理算法，就可以完成整个控制过程，得到理想的控制效果。磁流变阻尼器具有很强的迟滞性和非线性，以及模型的不准确性,所以非常适合模糊控制^[[8]]。