结构振动的滑模变结构半主动控制

研究应用磁流变阻尼器(MRD)对结构振动半主动控制的算法和原理。研制并对磁流变阻尼器进行了阻尼特性实验，采用非线性滞回双粘性模型描述磁流变阻尼器的阻尼特性，模型结果与实验结果非常一致。采用滑模控制算法和趋近律方法设计了半主动控制器。利用滑模控制方法所建立的控制器，本文给出了地震激励下结构振动半主动控制算例。计算分析表明，半主动滑模控制具有控制效果明显、鲁棒性好等优点，是一种非常有发展前途的控制方法。     

随机激励下汽车悬架磁流变阻尼半主动控制研究

本文研究了在被动控制、半主动线性控制、半主动磁流变非线性控制三种控制策略情况下，采用磁流变阻尼的1／4车体模型的运行效果，所采用的路面激励为对正弦的摄动激励和随机激励。研究结果表明磁流变阻尼应用于车辆半主动控制后具有很好的效果，证实了磁流变阻尼在汽车控制中的可行性及优越性。     

磁流变阻尼器半主动控制方法的实验研究

由于磁流变阻尼器是一种高度非线性的装置,因此建立与之相适应的控制系统是半主动控制问题的关键。本文采用改进的Bingham模型建立了磁流变阻尼器的动力学特性模型,根据天棚阻尼开关控制、天棚阻尼连续控制和模糊控制三种控制方法,确立了从系统速度响应到磁流变阻尼器励磁电流之间的关系,并开发了一套半主动控制系统。在一个两自由度的简化车辆试验平台上进行半主动控制试验,对比研究了三种控制方法的控制效果。实验结果表明,在1.3Hz~2.0Hz的低频段内,开关控制的最佳减振效果为15.1%,连续控制的最佳减振效果为14.9%,模糊控制的最佳减振效果为20.1%。可见,三种控制方法都能有效的减小车体的振动,模糊控制的减振效果最佳。     

基于分数阶磁流变液阻尼器模型的车辆悬架组合控制

磁流变液阻尼器的分数阶Bingham模型结构形式简单, 而且可以更好地描述系统的滞回特性. 建立了含有分数阶Bingham模型的单自由度1/4车辆悬架系统模型, 利用磁流变液阻尼器对在路面简谐激励下的非线性车辆悬架系统进行振动控制. 研究了含有分数阶Bingham模型的悬架系统在天棚阻尼半主动控制下的主共振响应, 利用平均法得到了系统的近似解析解. 求解了系统定常解的幅频响应方程, 并根据李雅普诺夫稳定性理论得到了悬架系统的稳定性条件. 通过绘制数值解和解析解的幅频响应曲线对比图, 验证了近似解析解的正确性. 利用簧载质量垂直方向的加速度均方根值分析了半主动控制对车辆乘坐舒适性的影响, 发现天棚阻尼半主动控制策略在低频激励区域反而会降低车辆的乘坐舒适性. 因此提出了一种被动控制与半主动控制相结合的组合控制策略, 并分析了半主动控制参数对振动控制效果的影响. 分析结果表明, 该组合控制策略不但能够提高车辆的乘坐舒适性, 而且能有效抑制悬架系统的主共振振动幅值.      

含分数阶Bingham模型的阻尼减振系统时滞半主动控制

针对基于磁流变液阻尼器的半主动控制系统中存在的时滞问题, 采用了一种将可控的时滞变量引入半主动控制切换条件的控制策略, 研究了考虑时滞的天棚阻尼控制切换条件对半主动阻尼减振系统的影响, 分析了含有分数阶Bingham模型的线性刚度系统在基础激励下的振动特性. 利用平均法得到了系统在含时滞半主动控制策略下主共振响应的近似解析解, 根据Lyapunov理论分析了系统的稳定性. 通过数值解验证了近似解析解的准确性, 二者具有较好的一致性. 利用近似解析解分析了固定激励频率下时滞对系统幅频响应特性的影响, 以及主共振峰值响应和共振频率随时滞变化的特性规律. 结果表明, 含时滞的半主动控制系统存在一个小时滞区间, 使得系统的振幅在主共振峰对应的频率附近低于不考虑时滞时系统的振幅, 且存在最优时滞使得系统的振幅大幅度降低; 而大时滞的引入会加剧系统的振动, 导致系统的颤振. 确定了基于分数阶Bingham模型的线性刚度系统在天棚阻尼半主动控制下的时滞选取原则, 为振动系统半主动阻尼控制中的时滞选取提供了参考.      

MRD与滑移隔震混合控制结构及其优化设计

为了改善滑移隔震结构的减震效果和适用范围,提出3种磁流变阻尼器(MRD)与滑移隔震混合方案,建立了MRD与滑移隔震混合控制结构的动力分析模型,对6层MRD与滑移隔震混合控制结构进行地震反应分析。MRD与滑移隔震混合结构的3种混合方案的相对加速度峰值、相对速度峰值、相对位移峰值和层间剪力峰值分别比滑移隔震结构有不同程度的降低,而混合方案3的控制效果更加明显。在此基础上,建立了MRD与滑移隔震混合结构优化设计模型,采用IHGA程序对结构进行优化设计。结果表明,MRD与滑移隔震混合结构的各项地震反应均得到了更好地控制。     

磁流变整星隔振平台频域加权LQR控制研究

设计磁流变六杆隔振平台,以改善星箭界面低频振动环境.采用牛顿-欧拉法建立整星隔振平台动力学模型,利用固定界面模态综合法得到卫星和隔振平台动力学模型.由于星箭界面低频振动环境在特定频段存在振动量级较大的问题,采用频域加权LQR(linear quadratic regulator)方法,利用直接分解法扩展系统状态变量,进行磁流变阻尼器半主动控制系统设计.仿真结果表明,相对传统控制方法,频域加权LQR方法在特定频段减振效果明显改善,且在其他频段没有恶化,验证了算法有效性.     

FREQUENCY-SHAPING LQR CONTROL OF WHOLE-SPACECRAFT VIBRATION ISOLATION PLATFORM BASED ON MR DAMPER1)

设计磁流变六杆隔振平台,以改善星箭界面低频振动环境.采用牛顿-欧拉法建立整星隔振平台动力学模型,利用固定界面模态综合法得到卫星和隔振平台动力学模型.由于星箭界面低频振动环境在特定频段存在振动量级较大的问题,采用频域加权LQR (linear quadratic regulator)方法,利用直接分解法扩展系统状态变量,进行磁流变阻尼器半主动控制系统设计.仿真结果表明,相对传统控制方法,频域加权LQR方法在特定频段减振效果明显改善,且在其他频段没有恶化,验证了算法有效性.     

履带车辆磁流变减振器响应时间研究

磁流变减振器是应用磁流变液在强磁场下的快速可逆变特性而制造的一种新型振动控制装置,是履带车辆主动悬挂系统的核心部分。本文从理论上分析磁流变减振器响应时间的组成,在磁流变液的Bingham模型和流体力学的基础上,分析了流体流变响应时间的影响因素,提出了近似算法,并在磁流变减振器的实验基础上,作出阻尼力与位移的曲线图,求出阻尼力突变并达到稳定的响应时间。     

考虑土-结构相互作用下桥梁震动的半主动控制研究

研究了考虑土-结构相互作用下桥梁结构的MRD半主动震动控制.将桥梁结构简化成14自由度模型,作动器布置在桥台和主梁之间.采用子结构方法考虑土-结构之间的相互作用.为简化计算,地基阻抗函数采用与激励频率无关的时域阻抗函数.分别用LQR和H_∞控制算法控制桥梁结构的响应.研究表明:在场地土较弱时,土-结构相互作用明显改变结构的动力特性,对桥梁结构的MRD半主动控制的控制效果有重要的影响;控制理论设计的控制器更具有鲁棒性,在剪切波速较大时,控制效果和LQR半主动控制接近;在剪切波速较小时,仍然对桥梁结构有控制效果,而LQR半主动控制的控制效果变差,甚至是增大结构的响应.     

Analysis of vibration and frequency transmission of high speed EMU with flexible model

When the operation speed of the high-speed train increases and the weight of the carbody becomes lighter,not only does the sensitivity of the wheel/rail contact get higher,but also the vibration frequency range of the vehicle system gets enlarged and more frequencies are transmitted from the wheelset to the carbody.It is important to investigate the vibration characteristics and the dynamic frequency transmission from the wheel/rail interface to the carbody of the high-speed electric multi-uint（EMU）.An elastic highspeed vehicle dynamics model is established in which the carbody,bogieframes,and wheelsets are all dealt with as flexible body.A rigid high-speed vehicle dynamics model is set up to compare with the simulation results of the elastic model.In the rigid vehicle model,the carbody,bogieframes and wheelsets are treated as rigid component while the suspension and structure parameters are the same as used in the elastic model.The dynamic characteristic of the elastic high speed vehicle is investigated in time and frequency domains and the di ff erence of the acceleration,frequency distribution and transmission of the two types of models are presented.The results show that the spectrum power density of the vehicle decreases from the wheelset to the carbody and the acceleration transmission ratio is approximately from 1%to 10%for each suspension system.The frequency of the wheelset rotation is evident in the vibration of the flexible model and is transmitted from the wheelset to the bogieframe and to thecarbody.The results of the flexible model are more reasonable than that of the rigid model.A field test data of the high speed train are presented to verify the simulation results.It shows that the simulation results are coincident with the field test data.     

Optimal control of the dynamic stability for robotic vehicles in rough terrain

In this paper, we mount semi-active suspensions between the wheels and platform of a robotic vehicle to absorb the vibrations caused by movement over rough terrain. The semi-active suspension consists of a spring and a magneto-rheological damper. By combining the dynamic model of the suspended robotic vehicle and the control model of the damper, we propose a new methodology to evaluate the dynamic stability of the vehicle. The model considers the configuration of semi-active suspensions and the road-holding ability of robotic vehicles. Based on the stability criterion, we use the particle swarm optimization method to search the optimum semi-active damping characteristics. The control model of the semi-active damper is checked by sinusoidal response analysis. To verify the dynamic stability criterion and the control method, we evaluate the proposed methodology by simulating a rough pavement condition and comparing the effectiveness of the method to a passive suspension. The results show that the proposed stability criterion is feasible, and the optimal control method yields a substantially improved dynamic stability when the vehicle moves through rough terrain.     

NEURAL NETWORK MODEL OF MAGNETORHEOLOGICAL DAMPER FOR VIBRATION ISOLATION PLATFORM OF WHOLE-SPACECRAFT

为改善星箭界面振动环境,设计六杆隔振平台,采用磁流变阻尼器作为半主动控制元件,替代原有锥壳过渡支架.对整星隔振平台用磁流变阻尼器进行性能测试,得到反映磁流变阻尼器阻尼特性的实验数据.建立具有两个隐含层的反向传播神经网络对阻尼器进行建模,用于预测磁流变阻尼器阻尼特性以及控制系统设计.提出一种串行算法优化网络结构、权值和阈值,保证网络具有较好的泛化能力和稳定性.仿真结果表明,与参数化模型相比,提出的神经网络模型具有较小的训练误差和较强的泛化能力,能够很好地预测阻尼器的阻尼特性.     

DYNAMICAL ANALYSIS ON A KIND OF SEMI-ACTIVE SUSPENSION WITH TIME DELAY

对一类采用有限相对位移控制的含时滞单自由度半主动悬架系统进行了动力学分析.首先通过平均法得到了该系统的一阶近似解, 然后基于Lyapunov理论建立了系统的稳定性条件, 结果表明近似解的稳态幅值和稳定性条件都是时滞量的周期函数, 并且和外激励具有相同周期.通过对数值解和解析解的幅频曲线进行比较, 验证了一阶近似解析解的准确性, 并且解释了半主动控制中的高频颤振现象.研究了被动悬架系统并且和半主动悬架系统进行了比较, 证实了半主动悬架系统的优越性.最后, 探讨了一些关键的系统参数, 如控制间隙、时滞量、最小阻尼比等对半主动悬架系统稳态幅值的影响.     

Semi-active hydropneumatic spring and damper system

This paper is concerned with the development of a semi-active hydropneumatic spring and damper system, comprising of a two state hydropneumatic spring and a two state hydraulic damper. The system was specifically developed to improve the ride comfort and handling of large off-road vehicles. The suspension requirements for good ride comfort and handling for heavy off-road vehicles are discussed with special reference to the advantages of semi-active hydropneumatic springs and semi-active dampers. The layout and functioning of an experimental spring and damper unit used for laboratory tests are discussed. Spring and damper characteristics, as well as valve response times for both the semi-active spring and semi-active damper were determined. A single degree of freedom test rig with a sprung mass of 3 tons was used to perform first order ride comfort tests. Tests include step response and random input response. The test rig was also used to evaluate semi-active control strategies for both spring and damper as well as a control strategy for implementing ride height adjustment without using an external hydraulic pump.     

DYNAMICAL ANALYSIS ON A KIND OF SEMI-ACTIVE VIBRATION ISOLATION SYSTEMS WITH DAMPING CONTROL 1)

研究了一类基于相对速度反馈的含立方刚度的单自由度非线性半主动隔振系统.通过平均法得到了系统分别在基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略、速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略和位移-相对速度反馈的地棚阻尼控制策略下主共振响应的近似解析解,并利用数值解验证了近似解析解的准确性.通过 Lyapunov 理论对不同控制策略下系统的稳定性进行了分析,讨论了系统参数对控制效果的影响.分析结果表明,对 3 种基于相对速度反馈的控制策略进行解析研究时,切换条件中的控制参数具有相同的表达式;在抑制共振响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略在低频时的减振效果最好,而基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略在高频时的减振效果最优;在抑制瞬态响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略的减振效果最好.此类解析研究方法可应用到其他半主动开关控制策略中,为半主动隔振系统的控制策略研究提供了有效的方法和手段.     

一类阻尼控制半主动隔振系统的解析研究

研究了一类基于相对速度反馈的含立方刚度的单自由度非线性半主动隔振系统.通过平均法得到了系统分别在基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略、速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略和位移-相对速度反馈的地棚阻尼控制策略下主共振响应的近似解析解,并利用数值解验证了近似解析解的准确性.通过 Lyapunov 理论对不同控制策略下系统的稳定性进行了分析,讨论了系统参数对控制效果的影响.分析结果表明,对 3 种基于相对速度反馈的控制策略进行解析研究时,切换条件中的控制参数具有相同的表达式;在抑制共振响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略在低频时的减振效果最好,而基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略在高频时的减振效果最优;在抑制瞬态响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略的减振效果最好.此类解析研究方法可应用到其他半主动开关控制策略中,为半主动隔振系统的控制策略研究提供了有效的方法和手段.      

Performance evaluation of electronic control suspension featuring vehicle ER dampers

This paper presents ride comfort and driving stability performances of electronic control suspension (ECS) equipped with controllable electrorheological (ER) damper and appropriate control strategy. In order to achieve this goal, a cylindrical type ER damper which is applicable to Macpherson strut type suspension of a mid-sized passenger vehicle is designed and manufactured on the basis of the required damping force level of an existing passenger vehicle. After experimentally evaluating the field-dependent damping force and dynamic characteristics of the controllable ER damper, ECS consisting of sprung mass, spring, tire and controller is established in order to investigate the ride comfort and driving stability performances. On the basis of the governing equation of motion of the suspension system, five control strategies (soft, hard, comfort, sports and optimal mode) are formulated. The proposed control strategies are then experimentally realized with the quarter-vehicle ECS system. Control performances such as vertical acceleration of the car body and tire deflection are evaluated in both time and frequency domains under various road conditions. In addition, a comparative work is undertaken to investigate inherent control characteristics of each control strategy.