磁流变阻尼器力跟踪算法及其控制效果研究

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磁流变阻尼器(MRD)具有阻尼力大小可调整且能耗低等优点,在智能结构振动控制中被广泛应用,具有很好的控制效果。MRD材料的磁滞特性导致产生的控制力出现时滞,使得智能控制系统的性能下降。研究一种能够有效减少时滞效应的方法,对提高智能控制系统的控制效果具有重要意义。为此,本文提出一种力跟踪算法,并对其力跟踪效果进行了理论和试验研究。
  本文首先提出了基于前馈-反馈的力跟踪控制算法。前馈部分根据半主动控制MRD的期望阻尼力和MRD三段线性逆模型计算期望力所需预估电流,反馈部分根据MRD期望阻尼力和MRD实际阻尼力的误差,通过模糊自适应PID控制计算校正电流和期望电流;同时,当期望电流小于零时,对MRD线圈施加反向电流来加速MRD磁性材料的退磁,改善力跟踪控制效果。
  开发基于NIcRIO嵌入式系统的LabVIEW力跟踪算法控制程序,进行四种半主动控制律下仅前馈控制、仅反馈控制、前馈-反馈控制的力跟踪控制效果试验研究,验证前馈-反馈力跟踪控制算法的有效性和鲁棒性。试验结果表明,双极电流源产生的反向电流加速了MRD磁性材料退磁,改善力跟踪控制效果。仅前馈控制依赖模型精确性,无法补偿系统误差,力跟踪控制效果最差;仅反馈控制能实现较好的力跟踪控制效果,但由于缺乏前馈模型提供预估电流,控制过程易波动;前馈-反馈控制结合两者的优势,能够实现很好的力跟踪控制效果。
  为获得半主动控制律的最优控制参数,采用Matlab/Smulink对四层隔震框架结构的地震反应进行仿真分析,基于LQR主动控制算法获得限界Horvat最优控制参数,验证了期望阻尼力无时滞的情况下,限界Horvat最优控制和负刚度控制,均能实现很好的控制效果。
  通过隔震层设置有MRD的四层隔震框架结构振动台试验,研究仅前馈控制和前馈-反馈控制的力跟踪效果及其对系统控制性能的影响。试验结果表明,前馈-反馈控制的力跟踪控制效果优于仅前馈控制,比仅前馈控制最大层间位移响应减小16%,最大加速度响应减小18%,提高MRD动态响应性能。
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