基于闭环PID控制的磁流变液阻尼减振器减振性能测试

　　建筑或机械设备的结构设计制造完成后,其力学性能(例如刚度系数、阻尼系数等)是不易改变的。近年来,电流变和磁流变等功能材料的出现为调节结构的减振系统的刚度和阻尼提供了新的途径。磁流变液和电流变液都是可控流体,在磁场或电场作用下,可从牛顿流体变为剪切屈服应力较高的黏塑性体,而且这种改变具有连续、可逆、迅速和易于控制的特点[1],使得振动控制系统具有感知、智能逻辑判断与适应外部振动环境变化的能力,实现自检测、自诊断、自校正、自适应、自修复等功能。为了实现振动系统的智能控制,验证磁流变液减振器的减振效果,往往需要检测和控制系统状态的各种参数,根据参数的变化来判断系统的状态,从而决定系统的调整程度,而这种控制和检测需要对各种数据进行采集和处理来实现。

　　针对某结构的振动特性及磁流变液阻尼器的工作方式,设计了一套用于检测其磁流变液阻尼器减振效果的测试系统,根据传感器检测到结构的信号传给磁流变液阻尼器的控制器,通过PID方法控制伺服电机的回转速度和方向及外界磁场强度,从而改变输出控制力和阻尼的大小,达到了有效降低结构振动响应幅值的目的,提高磁流变液阻尼器的减振控制性能。

　　1 结构的振动特性

　　实验结构如图1所示,根据试验的需要,将磁流变液阻尼减振器安装在框架结构的顶层,其中各部分的质量和刚度如下[2]:m1=m2=651133 6 kg,m3=1181211 6 kg,k1=k2=k3=217@107N/m,将由弹簧、阻尼器和质量构成的减振器安装在钢框架试验模型的顶部,构成一个4自由度振动系统。

　　由上述分析,m1、m2、m3已知; k1、k2、k3为已知;因此,在结构一定的情况下,可以通过调节阻尼系数和k4的大小来对建筑结构进行减振。

　　考虑外界激振力的频率一般在f=0~20 Hz的范围内,激振力作用下的响应幅值不超过10 mm,所研究的结构的第一阶固有频率为f1=171201 Hz,第二阶f2=351102 Hz,第三阶f3=561107 8 Hz,根据力学模型求得减振器质量为m4=110 kg、阻尼系数为c4=13111 N#s/m和刚度系数为k4=8 33816 N/m。

　　2 实验系统设计

　　在磁流变液阻尼器结构确定的条件下,其提供的阻尼力大小与活塞运动的速度和外界的磁场强度有关,可以通过其调节阻尼力。在通过传感器检测到外界的力幅后,通过调节活塞运动速度和磁场,使阻尼力与外界激振力的大小接近,方向相反,同时使磁流变液减振器的运动频率与激振力频率相近,来进一步提高减振效果。

　　磁流变液阻尼减振器的效果性能检测测试系统如图2所示,其中,伺服电机选用日本富士电机的FALDIC-W系列产品,在系统初始化和调试结束以后,开启系统的软件和硬件,使系统运转。在用激振力对振动系统进行激振后,由传感器检测振动响应信号,通过电荷放大器进行滤波和信号放大,输入到采集卡上,计算机为采集卡分配地址内存,将数据存在地址中,通过编写的程序读取存储的数据,然后通过计算机显示出来,识别外界振动量信号;同时,传感器还将模型装置的状态输入到磁流变液减振器的控制器中,控制器通过对加速度、速度、位移等反馈输入后,控制施加在磁流变液阻尼器中电磁线圈的电压/电流的大小,达到控制磁流变液阻尼器磁流变特性以及控制对象振动特性的目的;计算机通过数据采集板卡,识别外界振动量以后,输入控制信号,经D/A转换及数字驱动控制装置,驱动电机按照控制信号进行旋转,通过控制电机的转速和阻尼器活塞移动的距离,改变振动控制力的频率和幅值,达到振动控制的目的。