磁流變阻尼器的自傳感與自供能原理及關鍵技術.pdf

1、磁流變（Magnetorheological,MR）阻尼器具有響應快、阻尼力連續(xù)可調、結構簡單、耐久性好和低功耗等特點，被認為是極具應用前景的半主動執(zhí)行器件之一，逐漸被用作車輛懸架、醫(yī)療設備、土木建筑、航空航天器以及武器裝備等結構的減震耗能器件進行研究或應用，成為保障諸多結構的耐久性、舒適性與安全性的重要途徑。然而要充分發(fā)揮采用MR阻尼器構成的半主動控制系統(tǒng)的特長，實現(xiàn)反饋控制是必不可少的，其前提是能夠采用傳感器獲取應用對象的動態(tài)信息。

2、現(xiàn)有的基于MR阻尼器的半主動控制系統(tǒng)通常采用與MR阻尼器“分離”的傳感器實現(xiàn)動態(tài)傳感，由此引起的明顯問題是使系統(tǒng)更復雜，導致需要更大的安裝空間、增加重量、提高系統(tǒng)成本、降低系統(tǒng)可靠性等缺點。此外，基于MR阻尼器的半主動控制系統(tǒng)需要額外配置供電電源，也將很大程度上縮小基于MR阻尼器的半主動控制系統(tǒng)的應用環(huán)境。因此，如何簡化基于 MR阻尼器的半主動控制系統(tǒng)的結構、降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)可靠性是實現(xiàn)MR阻尼器的大規(guī)模工業(yè)化應用亟待解決的問題，

3、開展這方面的研究具有重要的學術意義和工程應用前景。
　　為了解決上述問題，本文在Wang和Wang(2009)提出的集成相對位移自傳感MR阻尼器(Integrated relative displacement self-sensing magnetorheological damper,IRDSMRD)的原理的基礎上，開發(fā)了一種IRDSMRD原型及其電子系統(tǒng)；提出了一種能量自供給的相對位移自傳感MR阻尼器(Self-powere

4、d self-sensing magnetorheological damper,SPSSMRD)的原理，開發(fā)了一種SPSSMRD原型；建立了基于MTS849和實時仿真實驗系統(tǒng)(Type:DS1103,dSPACE GmbH)的實驗測試系統(tǒng)對SPSSMRD/IRDSMRD原型進行了實驗測試；在此基礎上，一方面提出了一種基于“Pareto優(yōu)化”原理實現(xiàn)對SPSSMRD/IRDSMRD的性能的協(xié)調優(yōu)化的方法，另一方面提出并實現(xiàn)了一種基于SP

5、SSMRD/IRDSMRD的單自由度(Single degree-of-freedom,SDOF)半主動振動與沖擊控制系統(tǒng)。
　　本文的主要研究工作和創(chuàng)新點可以歸納為以下五個方面：
　　1.開發(fā)并研究了一種基于Wang和Wang(2009)提出的IRDSMRD原理的IRDSMRD原型及其相應的實現(xiàn)集成相對位移傳感與可控阻尼力的電路系統(tǒng)，包括IRDSMRD相對位移調制/解調器、線性可控電流驅動器和傳感載波信號與勵磁電流的信號疊

6、加電路，建立了基于MTS849減震器測試系統(tǒng)和實時仿真系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)對IRDSMRD原型及其電子系統(tǒng)進行了實驗研究。
　　2.針對IRDSMRD的IRDS及基于IRDSMRD的半主動控制系統(tǒng)的電子系統(tǒng)的能量供給問題，提出并研究了一種SPSSMRD的原理，建立了在考慮電磁擴散情況下的SPSSMRD的能量拾取線圈上的感生電能量、IRDS以及可控阻尼力的數(shù)學模型，分析了SPSSMRD的能量獲取特性、IRDS性能以及可控阻尼力性能。

7、>　　3.基于SPSSMRD及其電子系統(tǒng)的原理，設計并開發(fā)了一種SPSSMRD原型及其電子系統(tǒng)，建立了基于MTS849減震器測試系統(tǒng)和實時仿真系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)對SPSSMRD原型的性能進行了實驗測試，包括能量獲取轉換性能、IRDS的相對位移傳感性能（線性度、靈敏度和遲滯誤差）以及可控阻尼力性能（可控阻尼力范圍和動態(tài)可控阻尼比）。
　　4.針對SPSSMRD/IRDSMRD的可控阻尼力特性和相對位移傳感特性相互影響的特點，為了權衡和優(yōu)

8、化在缸體體積一定時SPSSMRD/IRDSMRD的可控阻尼力性能和相對位移傳感性能，提出并研究了一種基于“Pareto優(yōu)化”原理實現(xiàn)針對目標函數(shù)為SPSSMRD/IRDSMRD的可控阻尼力性能和相對位移傳感性能優(yōu)化其關鍵結構參數(shù)的方法。在作用于SPSSMRD/IRDSMRD的勵磁線圈上的最大磁動勢一定時，獲取表征權衡IRDSMRD的可控阻尼力性能與相對位移傳感性能之間的關系的Pareto最優(yōu)曲線（即Pareto前沿）。根據(jù)Pareto前

9、沿上的點所對應的SPSSMRD/IRDSMRD的關鍵結構參數(shù)，開發(fā)了三種具有不同尺寸組合的SPSSMRD/IRDSMRD原型，并建立了基于MTS849減震器測試系統(tǒng)和實時仿真系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)對具有優(yōu)化結構尺寸的SPSSMRD/IRDSMRD進行的實驗研究。
　　5.由于SPSSMRD/IRDSMRD的可控阻尼力特性和相對位移傳感特性相互影響，為衡量相對位移傳感性能對半主動控制系統(tǒng)的影響程度，建立了基于SPSSMRD/IRDSMRD的

10、SDOF半主動振動與沖擊控制系統(tǒng)，比較了半主動振動與沖擊控制系統(tǒng)在使用SPSSMRD/IRDSMRD集成的相對位移傳感器(Integrated relative displacement sensor,IRDS)和LVDT(Linear variable differential transformer)情況下的控制效果，討論了SPSSMRD/IRDSMRD在SDOF半主動振動與沖擊控制系統(tǒng)中應用的可行性。
　　本文的研究工作為簡