基于磁流变阻尼器的冲击缓冲系统控制方法

　　磁流变阻尼器因为具有较大的阻尼调节范围，较快的响应速度，较低的电源功耗，既具有主动控制系统参数可调，又具有被动控制的可靠性等优良特性，正逐渐应用于建筑、桥梁、汽车、机械等减振控制领域［1－3］。将磁流变阻尼器应用于冲击缓冲系统，提高结构的抗冲击能力是磁流变技术具有现实意义和应用价值的研究方向［3，4］。磁流变阻尼器的控制方法，是影响磁流变阻尼器应用效果的关键因素之一，目前已成为磁流变技术领域备受关注的问题之一，取得了许多有益的研究成果［5－7］。然而，这些研究主要集中在磁流变阻尼器工作在低速条件下进行的，而在冲击缓冲系统中磁流变阻尼器的动力学模型、试验系统与方法、控制算法、评价指标等与低速条件下均存在较大不同。

　　本文以后坐缓冲系统为对象，在磁流变阻尼器动态试验分析的基础上，设计以后坐力为输入的一维模糊控制器和以位移及速度为输入的二维模糊控制器，用仿真和实验验证控制方法的有效性，并定义量化的充满度指标来评价缓冲效果。

　　1 磁流变后坐缓冲装置及其力学模型

　　磁流变后坐缓冲装置的核心元件是磁流变阻尼器，其工作原理主要基于剪切模式、流动模式和挤压模式等。课题组设计了基于流动模式和剪切模式的磁流变阻尼器，并进行了加工制作。考虑加工和安装方便，采用单筒单出杆式结构。为提供足够的阻尼通道长度，阻尼器结构采用三级线圈串联，同时为满足后坐行程的长度，阻尼器的最大行程设计为 440 mm。磁流变阻尼器的结构如图 1 所示。

　　该系统中，后坐运动由冲击主动力即炮膛合力 Fpt引起，其作用时间短，瞬时能量大，在较宽的频率范围内存在频率分量。磁流变后坐缓冲试验装置通过耗散能量把瞬时的炮膛合力转化为较为平稳的后坐阻力作用在炮架上，以减小火炮的振动，提高射击精度。系统运动方程如下:

　　Fpt－( Fmr+Fk+Ff) = m¨x ( 1)

　　式中: Fpt由火炮型号、装药质量、弹丸质量等确定，Fmr为由磁流变阻尼器提供的阻尼力，Fk为由复进弹簧提供的弹性力，Ff为导轨对后坐部分的摩擦力，x 为后坐位移。m 为后坐质量，是火炮身管、磁流变阻尼器、轴套等的质量之和。由于后坐运动时磁流变阻尼器工作在高速条件下，阻尼力Fmr不能由简单的 Bingham 模型得出［8］，本文利用韩国学者 Choi S B 提出的多项式模型［9］，用该模型描述火炮磁流变阻尼器速度的非线性行为，其阻尼力可表示为

　　Fmr=∑ni = 0( bi+ciI) vin = 5 ( 2)

　　式中: bi和 ci为多项式系数，通过试验拟合获得; I为施加在阻尼器线圈的电流; v 为阻尼器活塞与缸筒的相对速度。5 阶多项式拟合可以同时体现低速时的剪切稀化特性和高速时的惯性力和空气压力作用，容易由阻尼力反解出所需电流，且计算量不至于过大，便于实时控制。对表达式( 2) 反解求出需要施加的控制电流: