磁流变阻尼器S型滞环模型的改进及辨识

　　0 引言

　　磁流变阻尼器是一种可控变阻尼的新型缓冲装备，它具有良好的可控性，较低的功耗，很短的响应时间，已经成为振动控制领域中一种良好的控制实现器件，而且其在武器装备系统中的应用也已显示出了广阔的应用前景，例如将磁流变阻尼器应用在火炮反后坐装置中，代替制退机提供阻尼力就是一个应用方向[1]，并希望通过磁流变阻尼器能提高发射时火炮的稳定性和射击精度。

　　将磁流变阻尼器应用到冲击领域的首要任务是建立阻尼器模型，目前理论比较成熟的模型为Bouc-Wen 模型[2]。它能很好描述阻尼力的滞后非线性特性，但由于含有 14 个参数，计算复杂，限制了其实际工程应用。杨礼康等人借鉴各种模型的优缺点建立了一种参数更少的 S 型滞环模型[3]，且表达式简单，易于程序化，非常适合磁流变阻尼器的工程应用。但在高速冲击过程中，磁流变液会发生剪切稀化，S 型滞环模型高速区阻尼力-速度关系接近于线性，与实际不符。为了使模型能够更好的拟合磁流变阻尼器的特性曲线，本文基于考虑剪切稀化的 Herschel-Bulkle 模型，对 S 型滞环模型进行了改进，并根据试验数据，采用遗传算法与传统算法相结合的方法拟合数据，辨识出模型的参数值。

　　1 模型的建立

　　S 型滞环模型的形式如下

　　式中，tansig为神经网络模型的神经元 S 型传递函数，它的作用是将输入范围 , + 映射到1, 1 ；sgn 为符号判断函数，加速度 为正输出1，为负输出 1； 为磁流变阻尼器阻尼力； 为可控阻尼力；1为斜率调节系数；2为滞环宽度的调节系数；为磁流变液屈服后粘性系数；气囊为引入气囊产生的阻尼力，可以表示为

　　式中， 为弹性系数；0为气囊初始力。

　　磁流变液在高剪切速率下容易发生剪切稀化，Herschel-Bulkley 剪切模型是 Bingham 模型的修正，在 Herschel-Bulkley 模型中，剪切力和剪切应变率之间的关系为[4]

　　式中， 为磁流变流体的屈服应力， 为流体的粘性系数， 为流体的行为指数。NormanM. Wereley等人对 Herschel-Bulkley 模型研究表明：行为指数的值取为0.44可以很好反映磁流变液的剪切稀化现象[5]。将行为指数 =0.44 引入到 S 型模型并将模型改进为如下形式

　　2 试验分析

　　磁流变阻尼器性能直接影响到控制器的性能，也直接影响半主动控制系统的性能。由于磁流变阻尼器模型的非线性，目前对阻尼器的模型仍需通过试验确定其主要参数。以下为选用的阻尼器及为确定模型参数设计的试验。

　　选用的磁流变阻尼器的结构如图 1 所示，图 2为磁流变阻尼器的实物图。选用的磁流变阻尼器为单出杆式，活塞在缸桶内往复运动时缸桶内存储磁流变液的腔室体积的变化由气囊补偿。