基于機理的磁流變減震器滯回特性魔術公式模型

薛兵　杜永昌　劉源　王巖　危銀濤

摘要：為了發展一種新的、簡單通用的磁流變減震器模型，以適用于半主動懸架的動力學分析與控制。通過對磁流變減震器進行運動學和流變學分析，將減震器的作用力分為剪切項、黏性項、摩擦項、彈性項和慣性項。對于其中表征磁流變液特性的剪切項，使用魔術公式進行描述，變化魔術公式中的系數可以適應不同使用工況，達到精度和適應性的統一。以魔術公式描述剪切項是該文的特色，因此將所提出的模型稱為魔術公式模型。通過參數辨識獲得各項參數與施加電流的關系，建立起磁流變減震器滯回特性魔術公式模型。該模型形式簡單、參數一致且參數物理意義明確，方便用于半主動懸架系統動力學分析與控制器開發。通過試驗數據與仿真結果對比，證明模型有較好的精度和適用性。

關鍵詞：減震器；磁流變液；滯回特性；參數辨識；半主動懸架

引言

本文的目的是發展一種新的、簡單通用的磁流變減震器模型，以適用于半主動懸架的動力學分析與控制。磁流變液（Magneto Rheological Fluids，MRF）是一種主要由載液、高導磁低磁滯的磁性顆粒和添加劑等構成的新型可控流體，是當前智能材料研究的一個重要分支。在磁場作用下，磁流變液在毫秒級的時間內可連續、可逆地轉變為具有高黏度、低流動性Bingham流體，表觀黏度能增加2個數量級以上，具有類似固體的力學性質，表現出Bingham塑性流體行為，有著明顯的屈服應力，此效應被稱為磁流變效應（MR Effect）。20世紀40年代，瑞士Rabinow最早發明了磁流變液，并開發出磁流變離合器應用裝置。Pinkos等于1994年使用了電流變液和磁流變液作為減震器的工作介質，研究了新型半主動懸架系統。磁流變減震器以其優越的阻尼調節作用、可靠性好、耗能小等特點，在振動控制領域，特別在半主動懸架中得到越來越多的應用。磁流變減震器可以以較小的耗能快速調節半主動懸架的阻尼特性，因此可實現汽車平順性、操縱穩定性和抓地力等性能的最佳平衡。而準確且方便用于控制系統的磁流變減震器模型是實現上述功能的關鍵。

描述磁流變液的上述特性的磁流變減震器模型可分為兩類：唯像模型和物理模型。唯像模型通過實驗數據確定模型參數。唯像模型又分為兩類：參數模型和非參數模型。參數模型中，各模型參數有一定的物理意義，如彈簧、阻尼和摩擦等。參數模型包括Bone-Wen模型、Bingham模型、Dahl模型、LuGre模型等，參數模型中如Bone-wen模型，廣泛用于表征磁流變減震器的滯回特性，但模型參數不是施加電流和激勵頻率的函數，只在單一工況可以較好地表征磁流變減震器的滯回特性，因此在不同的工況下，需要重新計算模型參數，難以預測多工況下減震器的作用力，且在參數辨識過程中參數的解通常不唯一。非參數模型中，各參數不必有明確的物理意義，如神經網絡模型、模糊邏輯模型等。與唯像模型相對應，物理模型通過減震器的幾何參數和磁流變液的材料特性確定減震器的阻尼力。物理模型包含解析模型和數值模型。物理模型較為復雜，一般用于減震器幾何等參數的設計，難以應用于控制系統。

本文假設磁流變液在特定磁場強度下行程的鏈狀磁偶極子的剪應變正比于磁流變減震器活塞運動速度，在剪應變超過特定值時屈服，并采用魔術公式描述該非線性特征?；诖?，提出一種形式簡單、模型參數物理意義明確、各電流下參數統一、適用于控制系統的磁流變減震器滯回特性魔術公式模型，并進行了試驗對比，驗證模型的有效性。