磁流变隔振缓冲系统的仿人智能控制

1、磁流变隔振缓冲系统的仿人智能控制                          参考文献：1杨润林,闫维明,周锡元,等.结构离复位控制的可行性研究J.振动工程学报,2005,18(4):512?518.传统的隔振缓冲器主要是由弹性元件或阻尼元件构成，其系统结构往往固定不变，即使有一些变结构参数的隔振缓冲器，其调节范围也有限，且不能根据激励条件的变化实时调

2、节，因而极大地限制了系统在冲击振动条件下的工程应用。传统变刚度控制系统从动力学避免共振的角度出发，采取瞬时切换结构刚度的方法，但由于调整的频带宽度有限，所以，不利于抑制防冲物体的加速度响应。此外，有学者提出的离复位控制1，也只能有限控制防冲物体的加速度响应。作为磁流变材料的一个新分支磁流变弹性，是一种流变性能可由外界磁场控制的新型智能材料。诸多材料性能均与磁场有关，其中最有标志性的就是其磁致剪切模量，它直接影响材料的剪切刚度。由于磁流变弹性体响应快(ms量级)，可逆性好，可控能力强，因而可以广泛应用于机械传动、减振隔振、机器人和智能执行机构等领域2，但是由于材料和器件具有非线性和时滞，控制策略

3、设计非常困难。基于以上原因，本文作者以磁流变隔振缓冲器为控制对象，设计一种仿人智能控制(HSIC)策略，专门用于防冲物体的加速度控制，并将它用于仿真，以研究其控制效果。1隔振缓冲器动力学模型的建立该隔振缓冲器主要用于自由跌落，图1所示是2自由度的隔振缓冲器动力学模型。图1中，m1为上质量块即防冲物体；m2为下质量块即受激励的质量块；c为阻尼系数；k1和k2为刚度，其中k1是磁流变弹性体的不可调刚度即原始刚度；F为由磁流变弹性体磁致剪切刚度所提供的可调恢复力；f为当该隔振缓冲器跌落地面时地面给m2的冲击力；y1和y2分别为m1和m2的垂直振动位移。假设模型只受到垂直方向的作用力，且隔振缓冲器具有

4、线性阻尼，从而动力学方程可写成：1 1 1 1 2 1 2m y =?k (y ?y )?c( y ?y )+F(1)2 2 1 1 2 1 2 2 2m y =k (y ?y )+c( y ?y )?k y ?F +f(2)图1隔振缓冲器动力学模型Fig.1 Dynamic model of MRE isolation buffer假设隔振缓冲器跌落前k1和k2处于自由状态，并且为基座触地时，以质量m1和m2的位置作为y1和y2的原点，同时，以基座触地瞬时作为时间坐标的原点，则可将初始条件表示为：y1(0)=y2(0)=0，(0)=(0)=12yy?2gH，其中g是重力加速度，H是跌落高度；

5、输入变量为可调恢复力F。2仿人智能控制器设计仿人智能控制器的原形算法是在1979年由重庆大学周其鉴教授等提出的，1983年在国际上正式发表。经过20多年的发展，仿人智能控制控制已经形成了一套完善的理论体系和比较系统的设计方法，并在一些比较复杂的难控对象上得到应用。其基本思想就是仿人、仿智，采用多模态的控制策略，通过在线辨识和特征记忆，判断当前的特征模态，然后采取相应的控制策略3?4。仿人智能控制器的内部模型可以用三元组描述：KGPMAS=S,S,S(3式中：SP为感知图式集，SM为运动图式集，SA为关联图示集。2.1感知图式本文作者根据仿人智能控制器的设计方法5，以，1y1y作为ee，构成状态

6、特征信息源。特征基元集如下：SP6=(R6,Q6,K6,6)(4式中：R6为传感器输入，Q6为特征基元，K6为关联矩阵，6为感知特征模态。为了有效提取隔振缓冲器的运行状态，特征基元的选取如下：Q6=q1,q2,q3,q4,q5,q6(5其中：|，11q?e|，2q?eM|32q?e0，4q?ee/，51q?eec|/；62q?ee+c式中，1,M2,c1和c2为阈值参数，可根据实验具体情况加以调整。本文将相平面e?e划分为6个特征模式类，如图2所示，图中虚线表示参考目标轨迹。关联矩阵设置如下：采用保持加积分的模态控制，减少静态误差F=kKp·+=()d；0,eKettInimi当速度

7、朝着增大方向运动时，对应2，采用比例模态控制，使速度偏差尽量减小：F=；0,=+niPpmiKekKe当速度朝减小方向运动，但其值偏大且加速度偏小时，对应3，应调整当前控制模态：=?+niPpmiFkKekKe0,(1)；当速度朝减小方向运动,且速度和加速度值均适中时，对应4，应采取保持模态控制：=ipmiFkKe0,；速度朝减小方向运动，但其值偏小且加速度偏大时，对应5，采取抑制模态控制，防止出现回调：=+nippmiFKekKe0,；当速度超出某一值时，对应16，采取磅磅模态控制：maxF=?sign( e)U。由上述控制力构成运动图式基元集：P6=p1,p2,p3,p4,p5,p6，其中

8、pi表示对应i的控制力，设置模态选择运算矩阵：L6=E6。控制模态集为=?=,=123456T666LPp1,p2,p3,p4,p5,p6(8)2.3关联图式根据隔振缓冲器的运行状态，判断其所处的特征模态，然后采取相应的模态控制。6666=AS,?6=w1,w2,w3,w4,w5,w6(9)jjjw:ifthen3仿真分析本研究以实验室自行研究的磁流变隔振缓冲器为依据，利用Simulink进行仿真，如图3所示，参数设置如下：m1=3 kg,m2=0.3 kg,c=35 N·s/m,k1=37.5 kN/m,k2=350.0 kN/m。4结论建立了一种基于磁流变弹性体的隔振缓冲器动力学模型，设计了一种基于仿人智能控制理论的智能控制策略。仿真结果表明，此控制策略比传统的离复位模糊控制有优越性，能很好地控制上质量块的加速度最大峰值和两质量块的相对位移，有效地改善了隔振缓冲器的隔振缓冲效果。摘要：在建立磁流变弹性体隔振缓冲器动力学模型的基础上，提出一种基于仿人智能控制理论的控制策略。它将隔振缓冲器的工作状态划分为6个特征模态，对不同的特征模态采取不同的控制模态。仿真结果表明，仿人智能控制与传统的离复位模糊控制相比，能很好地控制上质量块即仿冲物体的加