磁流变液气动伺服系统的控制算法研究

　　1　引言

　　磁流变液是美国科学家Rabinow于1948年发明的可控流体,它是由非胶体的可磁化的细小颗粒分散于绝缘载液中,并加入一些表面活性剂形成的悬浮液。它在磁场的作用下,可以在几个ms内由流动良好的牛顿流体变为半固态的宾汉姆体,具有一定的屈服特性,其屈服强度随磁场强度的增加而增加。作为一种新型的智能材料,磁流变液已广泛应用于航天航空、电子、化工、能源、仪表、医疗、卫生等诸多领域,其中,利用磁流变液制作的阻尼器具有装置简单、体积小、可实现连续变化、出力大、调节范围宽、温度适应性强、响应速度快、能耗低的特点,是一种理想的半主动控制减振器,可广泛用于各种机械振动系统[1-2]。

　　2　磁流变液气动伺服系统的基本结构、原理及模型

　　基于磁流变液的气动伺服系统由如下几个部分组成:磁流变液-气动伺服系统(磁流变阻尼器、功率放大电路、模拟载荷系统、气源、气缸等)、传感测试系统(力传感器和位置传感器等)和数据处理系统(工控机、数据采集卡、软件等)。

　　在本系统中,磁流变液阻尼器与气缸同轴连接组成系统的被控对象,分别通过位移、力传感器测量反馈量,并将这些反馈量送至工控机进行处理,然后根据相应的控制策略,通过驱动电路对磁流变液内的线圈施加控制电流和对气缸的比例阀进行控制。

　　在此系统中,通过改变线圈中的电流强度来提高气压伺服系统的动态性能。原理如下:通过改变线圈中的电流强度来调整磁场强度,在磁流变效应的作用下,磁流变液的流体性能发生变化,其阻力也有所改变,从而影响到气动伺服系统的等效阻尼。该系统的控制框图如图1所示。

　　为了便于分析和研究,根据本系统的压力流量方程及微分方程,在不改变系统特性的前提下,忽略次要因素,将系统简化为二阶线性系统[3~4]:

　　可以通过改变磁流变阻尼器中的线圈电流来调整动态阻尼ξ,从而改变系统性能。

　　用PID仿真时,采用G(s)=1s2+2ξs+1,取PID参数为:kp=0.8,ki=0.2,kd=0.2,ξ=0.5。仿真得系统阶跃响应曲线如图1b所示。

　　3　控制原理及策略

　　为了使系统能够在稳定性的前提下达到较好的快速性和准确性的要求,提出了基于Bang-Bang和模糊PID相结合的双模控制算法。

　　3.1　变结构的Bang-Bang控制器设计

　　Bang-Bang控制是一种时间最优控制,又称为快速控制法。作为一种开关控制,它可以按照一定的法则加以切换,从而使系统在很短的时间内从一个状态转到另一个状态。选用这一方法,主要是为了实现定位的快速性。