新型可控磁流液阻尼器的应用研究

　　0　引言

　　迄今为止,普通的液压式阻尼器件一直广泛地应用于各种需要抑制振动的工程结构系统,但由于该器件是无源的且不可控,对应用系统性能的进一步提高带来了限制.为此,从上个世纪50年代起,工程科学家们就一直致力于开发研制能代替普通液压式阻尼器件的新一代可控阻尼器件.人们发现,利用磁场和电场的可控制特性可以改变特殊液体的流变特性,这就是著名的由Rabinow[1]和Winslow[2]几乎同期首次提出的可控磁流液(MR)和可控电流液(ER)概念,它们都是含有微米数量级可极化颗粒的非胶状特殊液体,对可控电流液及其器件的研究在较长时间内远胜于对磁流液及其器件的研究[3,4].此外,人们还着力开发研制用于汽车工业的能实现完全主动和半主动控制的新型可控液压阻尼器件[5,6],其基本思想是基于改造普通的液压阻尼器结构实现阀调节控制.经过数十年来的研究,尽管在对ER和可控液压阻尼器件的研究方面已取得了重大进展,但是发现这两种器件在实际工程应用中均存在致命的弱点:ER阻尼器件需要能产生3~5MV/m电场的外部强控制电压;而可控液压阻尼器件结构复杂、体积庞大,且需要正常难以承受的高额成本.因此,目前对两种器件的进一步研究已基本处于停滞状态.

　　近几年来磁流液及其器件的研究方面已经取得了突破性进展[7].由美国Lord公司率先推出了系列化MR阻尼器件商业化产品,从而掀起了对MR阻尼器件性能及控制应用的研究热潮.该器件具有半主动控制、快恢复、体积小、输入功率低、易于工程安装、安全可靠、噪声低、性价比高等优点,可望取代普通的无源液压式阻尼器件,成为新一代工程振动抑制阻尼器件,将给所有需要抑制振动的工程结构性系统(如武器平台、飞机、车辆、房屋、桥梁、洗衣机、健身器等)的性能提高带来革命性的突破.如:文献[8]、[9]和[10]的作者分别提出了用该器件进行房屋抗地震、车辆悬架振动抑制和洗衣机减振的应用研究.

　　然而,有关MR阻尼器的实际工程应用成果尚没有任何报道,已发表的成果仍限于理论和实验研究成果.该器件之所以还没有投入实际的工程应用,原因在于磁流液同其它智能材料一样,具有严重的滞环及饱和非线性特性.因此,对MR阻尼器的性能建模是首先要解决的挑战性工作,目前已有数种滞环非线性模型被相继提出[8,9,11~15].另一要解决的挑战性工作是对滞环及饱和非线性应用系统的控制器设计问题,这一工作也是控制界研究的热点课题之一,目前也有一些相关的研究成果报道[16~18],但还没有一般性的成熟方法.而且,关于MR阻尼器的滞环及饱和非线性应用控制问题还没有专门的成果发表.因此,对于MR阻尼器的滞环及饱和非线性性能建模和应用控制问题的研究具有广阔的空间,不仅对现代控制理论的非线性控制方法的发展具有积极的推动作用,而且对将MR阻尼器产品尽早推向实际工程应用具有极重要的军工和民用价值.