磁流变阻尼器半主动控制技术研究综述

磁流变阻尼器半主动控制技术研究综述

曹春枝

广州大学广东广州510006

摘要：磁流变阻尼器因其具有体积小、能耗少（<50W,工作电压只需2-25V）,阻尼力大，动态范围宽，结构简单、响应速度快、阻尼力连续可调等优点，是结构实施半主动、智能控制的理想装置。半主动控制仅需少量能源用于调节半主动装置的特性，以适应其对最优控制力的跟踪，半主动控制综合了主动控制和被动控制的优点，比主动控制有更好的可靠性与稳定性，比被动控制有更好的适应性和控制效果，与此同时，其控制效果与主动控制效果相当。而控制算法是是结构半主动控制的基础，因此，研究磁流变阻尼器半主动控制算法具有重大意义。本文简要综述了各种磁流变阻尼器,介绍了磁流变流体特点和半主动控制策略等。

关键词：磁流变阻尼器；半主动控制；加压方式

流变阻尼器主要包括：旋转磁流变阻尼器、自感知磁流变阻尼器、永磁式磁流变阻尼器、单双出杆磁流变阻尼器、自供电式磁流变阻尼器、旁通式磁流变阻尼器、铅-磁流变阻尼器等。旋转磁流变阻尼器工作原理：鼓式旋转磁流变阻尼器有效的剪切面积在于径向剪切面上，而盘片式磁流变阻尼器的有效剪切面则集中在轴向方向上的端面间隙处。通过加大或改变阻尼器的几何尺寸（径向长度，轴向长度，剪切面形状）或合理设置磁路均可提高阻尼器的阻尼力。永磁式磁流变阻尼器工作原理：通过在阻尼器内部或外部布置永磁铁，使得阻尼器中部分或全部磁流变液在未通电的情况下就具有较大的屈服强度。自感知磁流变阻尼器工作原理：不需要通过外部的传感系统，而只需集成于阻尼器内部的传感元件就可以感知自身运动状态（位移、速度、加速度）。自供电式磁流变阻尼器直线式发电的原理：当活塞杆发生相对移动时，线圈在永磁体的磁场内做切割磁感线运动，从而产生电流。而旋转式发电与直线式发电略有不同，主要是通过直线-转动传动装置（齿轮齿条机构、链条链轮传动、滚珠丝杠）把活塞的直线运动转换为电机转盘的旋转从而做切割磁感线运动。而压电集能技术首先是由法国居里兄弟发现的更为先进的集能方式，其工作原理是经过极化处理的压电材料，在受力发生形变时，表面产生与形变成正比的电荷。单双出杆磁流变阻尼器结构形式：对于直线式磁流变阻尼器，可分为单出杆和双出杆两种类型。旁通式磁流变阻尼器原理：旁通式磁流变阻尼器就是指把阻尼发生器置于阻尼器外，通过设置于阻尼器外部的阻尼发生器产生可控阻尼力。铅-磁流变阻尼器：也用一些研究人员通过把磁流变阻尼器与其它阻尼器组合，从而大幅提高阻尼器的输出力，通过增加金属铅的挤压流动而产生的阻尼力，使得阻尼器具有更大的输出力。除了铅-磁流变阻尼器外，为达到的目的不同，组合形式可能有多种多样，但原理都是一样的，此处不再赘述。

目前普遍适用的磁流变液是由基液和铁磁性颗粒组成的，由于磁流变液载体与铁磁性颗粒密度相差较大，容易出现磁性颗粒沉降的问题，特别在土木工程等阻尼器经常处于久置状态的领域，沉降的现象会大大影响磁流变液阻尼器的性能，这对结构振动控制是非常不利的。而目前研究人员对沉降问题大都是从添加剂或设置搅拌装置的角度进行研究的，并不能从根本上解决这一问题。因此，对磁流变液久置沉降的问题进行深入地研究是目前亟待解决的问题。

应用磁流变阻尼器进行半主动控制时，磁流变阻尼器是通过改变磁场来调整阻尼力，它不可能在任意瞬时都能达到最优主动控制算法计算出的最优主动控制力，必须调整阻尼力的参数来使其阻尼力趋于最优控制力。磁流变阻尼器主要是根据输入电压/电流的变化来调整磁场的强度进而产生趋于最优主动控制力的阻尼力。因此，阻尼器能否充分发挥连续顺逆可调特点的关键是对磁流变阻尼器加压方式的设计，并且该加压方式的设计会影响到控制的效果。到目前为止，国内外学者提出了针对磁流变阻尼器控制策略的加压方式，主要有恒定加压式、Heaviside函数式、动力逆模型加压式、离散加压式、智能加压式等几种。

恒定加压方式一般包括passive-off和passive-on两种形式，分别表示对MR阻尼器施加恒定的零电压与最大电压。在这种加压方式下，磁流变阻尼器相当于普通的被动阻尼器。对于建筑结构来说这种阻尼器不能满足要求，在一些竖向悬架结构上可用作隔震装置。

Lyapunov理论的控制策略是Leitnann于1994年利用Lyapunov理论，为了减少结构的相对位移和层间位移而设计的半主动控制装置；MoClanroch和Gavin提出了最初用于电流变阻尼器上的分散bang-bang的控制策略，该控制策略在控制相对位移上效果并不是很理想，但是对于控制结构的加速度，具有十分明显的效果；Dake等1996年提出了Clipped-optimal控制策略，这是一种结构简单，效果明显的控制方法。研究表明：该策略在控制结构的层间相对位移和最大绝对加速度方面有比较明显的效果；滑移相似摩擦控制策略的原理是当半主动控制装置的变形为极值时，施加在摩擦接触面上的正应力会调整到一个新值；最大能量耗散控制策略可以说是分散bang-bang的控制策略的变形，采用了类似分散bang-bang的控制策略的研究方法，即采用了Lyapunov函数来表示结构的相对振动能，而不是总动能。而Heaviside函数加压式是在Lyapunov理论的控制策略、分散bang-bang的控制策略、Clipped-optimal控制策略、滑移相似摩擦控制策略以及最大能量耗散控制策略等的基础上利用Heaviside阶跃函数的性质，将由不同主动控制算法计算出的主动最优控制力与所测得的阻尼力作为Heaviside阶跃函数的自变量，进而求出施加在阻尼器上的电压。该加压方式需测出MR阻尼器的出力大小，其突出的特点是不需要MR阻尼器的动力模型，减少许多复杂的计算量，总的来说，Heaviside函数加压式控制策略都是有效的。

动力逆模型加压式就是求出MR阻尼器的输入电压(电流)关于阻尼力和磁流变阻尼器所在位置处位移，速度的函数。这种控制策略的设计思想是先求出结构所需要的理想控制力，然后由动力逆模型求出需要对磁流变阻尼器施加的电压(电流)，从而使磁流变阻尼器产生趋近于理想控制力的阻尼力。这是目前最常用的加压方式，但这种方法计算量大，而且需要磁流变阻尼器的精确动力模型，实现起来仍然存在困难。

离散加压方式是指对磁流变阻尼器施加有限个档位的电压(电流)，可以是两个档位:0和某一常值，或者再增加一两个档位而形成多态控制。这种方法根据不同的判断条件具有多种形式。离散加压式控制策略形式简单，操作方便，但由于只选取有限个档位施加电压，不能够充分发挥MR阻尼器连续顺逆可调的优点，不能保证MR阻尼器在每一瞬时始终处于最大耗能状态，因此这些控制策略的控制效果不是很理想。

智能加压方式是指利用智能算法对磁流变阻尼器施加电压，这些智能算法包括人工神经网络，模糊逻辑，遗传算法等。神经网络和模糊控制具有高度的鲁棒性和自学能力，对于处理非线性，不确定性，高度复杂性的问题十分有效，是磁流变阻尼器控制策略研究的一个发展方向。

目前，磁流变阻尼器半主动控制技术理论与实际研究已经日趋成熟并越来越多地应用于实际工程中，并被动控制后形成可指导实际设计的规范或规程,从而会大量应用于实际工程中。