冲击缓冲用磁流变阻尼器磁滞补偿控制实验研究文献综述

1. 引言

随着现代工业的发展以及工程装备向着高速重载方向发展，工程中所遇到的冲击问题的强度越来越大，而冲击必然会导致设备的损伤甚至报废，因此着力解决好冲击缓冲问题对于提高工程质量十分的重要^[1]。

传统的冲击缓冲装置利用被动阻尼装置实现缓冲，难以实现最优的缓冲效果，并且无法根据冲击载荷的变化灵活进行调节^[2]。然而，以磁流变液为工作介质的执行器为实现可控的冲击缓冲装置提供了可能。磁流变液体在外加磁场的作用下能产生明显的磁流变效应，即液体的性质由液态向类固态转化，磁流变液体的粘度可调，具有连续、可逆、响应快、易于控制的特点，可与计算机控制结合，实现主动控制。利用磁流变液体的流动阻尼可变和可控的特点，通过控制系统用主动控制的方法来控制缓冲装置中液体流动的阻尼，以适应外界载荷的变化，可获得良好的缓冲特性^[3]。然而,由于磁流变液响应时间、磁路材料特性等因素的影响,使阻尼力的实现有一个时间过程,即磁流变阻尼器存在磁滞效应,并且随着磁场强度的增大而增大。磁滞效应形成了控制过程中的时滞效应,将会严重影响控制效果^[4]。磁流变阻尼器的磁滞非线性主要来源于^[5]：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。

为了解决这个难题，过去的研究主要集中在磁流变阻尼器的动力学建模，或是利用模糊理论、神经网络等控制理论建立 MRD 迟滞模型，并在一定程度上提高了拟合精度。但是，很多模型中的实验参数会随着所应用磁场强度的变化而变

化，所以，系统取得理想的控制性能是非常困难的^[6]。此外，很多现有的迟滞非线性模型都是针对阻尼力和速度（F-V）之间的迟滞特性建模，并没有考虑可调阻尼力和控制电流（Fmr –I）之间的迟滞非线性。如今，即使数学模型在磁滞效应的影响上能取得不同程度的成功，但是这些大都是开环的方法，忽略了系统参数在构建模型后会发生变化^[7]。因此，在冲击载荷下研究磁流变阻尼器迟滞非线性的消除方法与控制，对于提高磁流变冲击缓冲系统的控制性能有重大意义且十分迫切。

1. 磁流变阻尼器冲击缓冲应用

磁流变阻尼器是以磁流变液体为工作介质制成的阻尼器，是一种性能优良的半主动控制器件，具有结构简单，输出阻尼力受工作电流控制，响应快速，动态范围大，阻尼力可调范围宽，并且连续可调可控等特点，即便在控制系统失效的情况下仍可作为被动器件使用，可靠性高，同时又具有主动控制的控制效果好，适应性强等特点。目前，在建筑结构振动控制、汽车悬架减振、军用装备和机器人等领域受到广泛的关注，展现出良好的应用前景。美国Notre Dame大学的Spencer等人和Lord公司Carlson等人合作将磁流变阻尼器用于大型结构地震或风振响应控制。国内哈尔滨工业大学的欧进萍等人对磁流变阻尼器应用于土木工程结构的减振做了深入的研究，分析了磁流变耗能器的阻尼力模型。在汽车制造领域，Delphi和美国Lord公司和德国BASF公司制造展开合作，用磁流变阻尼器代替传统的液压式装置，更新车辆的主悬挂系统^[8]。 国内在相关领域的应用研究也紧随其后，南京理工大学、中北大学、南京航空航天大学等相继开展了冲击载荷下磁流变减振研究，并取得了一定的研究进展，如设计了冲击条件下的长行程减振器，并分析了减振器的动态响应特性，建立了冲击条件下的动力学模型，以及构建了冲击试验台并进行了控制策略的实验验证等^[9,10]。这些研究揭示了磁流变器件在冲击载荷条件下的力学特性，验证了其在冲击缓冲控制中的有效性和可行性。

以上国内外的研究进展一方面表明了磁流变技术应用于冲击缓冲系统具有充分的可行性和先进性，相对于传统冲击缓冲装置，磁流变液可调、可控的智能特性有其显著的优势。 另一方面，在高速条件下，磁流变阻尼器的有效性虽然得到了实验验证，但其在抗冲击系统中的缓冲性能仍有待进一步提高，以满足现代高端工程装备的抗冲击要求。

3.磁流变阻尼器的数学建模

磁流变液是一种非牛顿液体，它的剪切应力是由屈服应力和液体的粘性两部分组成，而随着外界磁场的增加，动态屈服应力也增加。通过对外加磁场强度的控制，可在毫秒级时间内改变液体的流变特性，使其由液态变为半固态，从而实现对阻尼器特性的主动控制^[11]。