CN109114152B - 一种磁流变减震装置的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁流变减震装置的控制系统，本发明磁流变减震装置的控制系统，不仅能够实现磁流变减震装置的能源自供给，为整个系统提供稳定且充足的外部能源，而且还实现了对磁流变减震装置输出电流的准确控制，从而提高减震装置的工作效率；其采用的模糊控制器能够高效地搜集太阳能，同时其能够依据外部振动信号输出对应大小的电流，控制线圈磁场，进而控制磁流变材料的阻尼力，从而大大提高减震效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种可实现能源自供给的磁流变减震控制系统，属于智能仪器技术领域。
背景技术
磁流变材料是一种智能材料，它会因其周围磁场强度的变化而输出对应的阻尼力，通常将控制电流输入线圈，线圈产生对应磁场，磁场使磁流变材料输出对应阻尼力。将磁流变材料填充进减隔振装置中，以此制成的磁流变减振装置因其变刚度变阻尼的特性，被大量运用在减振环境中。在大部分应用场合下，磁流变减震装置都需要一个能量输出稳定且充足的外部电源设备。考虑到磁流变减震装置在工程实际应用中的灵活性，开发一种能够实现能源自供给的磁流变减震装置的控制系统具有十分重大的意义。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种磁流变减震装置的控制系统，该控制系统能够实现磁流变减震装置能源的自供给，同时保证输出给系统供电模块的能量稳定且充足，并且还能够依据外部振动信号输出对应大小的电流，通过控制线圈磁场实现对磁流变材料阻尼力的控制。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种磁流变减震装置的控制系统，由充电控制模块和电流控制模块组成；
所述充电控制模块包括太阳能电池板、模糊控制器、Buck-boost电路和充电电池，模糊控制器由信号采集模块、模糊控制芯片以及驱动电路组成；Buck-boost电路的电源输入端连接太阳能电池板，Buck-boost电路的负载端与充电电池的正负极连接，信号采集模块采集太阳能电池板的电压和电流，模糊控制芯片输出的PWM波通过驱动电路驱动Buck-boost电路中的MOSEFT开关管并控制其开关占空比，使Buck-boost电路产生稳定的电压输出给充电电池；充电电池为整个控制系统供能，充电电池分别与控制板、传感器以及外围电路连接；模糊控制器能够使太阳能电池板在光照不足的情况下以最大功率给充电电池充电，从而实现太阳能的高效充电；
所述电流控制模块包括位移传感器和加速度传感器、电流控制芯片和外围电路模块，位移传感器和加速度传感器将采集到的位移信号和加速度信号通过AD转换模块传输给电流控制芯片，电流控制芯片对信号进行处理后输出PWM波，然后通过外围电路模块将PWM波转换成电流信号输出给磁流变减震装置。
其中，充电控制模块中的充电电池初始状态为电量饱和状态，充电电池为整个系统中所有用电装置供能，包括充电控制芯片和电流控制芯片、磁流变减震装置、位移和加速度传感器、外围电路模块；太阳能电池板利用光伏作用给充电电池充电。
其中，模糊控制器的信号采集模块为电压和电流传感器，模糊控制芯片的输入端与电压和电流传感器连接，电压和电流传感器与太阳能电池板连接，采集太阳能电池板的电压和电流。
其中，所述外围电路模块包括光耦隔离电路、低通滤波和驱动放大电路以及压控电流电路。
其中，所述位移传感器和加速度传感器采集建筑结构的位移信号和加速度信号，位移传感器和加速度传感器的输出端都与电流控制芯片的AD转换接口连接，AD转换模块将位移和加速度的模拟信号转换为数字信号，,电流控制芯片对AD转换的位移和加速度值进行判断，选择对应占空比的PWM波输出；压控电流电路将该电流控制芯片输出的PWM波电压信号转换为电流信号输入给磁流变减震装置。
其中，所述压控电流电路中，运算放大器A1处于深度负反馈状态，并起到放大电压的作用。运算放大器串联两个三极管的发射结，两个三极管的集电极相连接，共同接12V电源，前面三极管的发射极与后面三极管的基极相连接，两个三极管串联成达林顿管，电流的放大倍数为两个三极管的乘积，提升了电路放大电流的能力。由运算放大器的“虚短虚断”得出，电阻R20两端的电压与输入压控电流电路的电压相等。电流从接口RS0输出至磁流变阻尼器，由于所控制的磁流变阻尼器的阻值<<100k，因此流过磁流变阻尼器的电流和流过R20的电流相等。因此，流过磁流变阻尼器的电流与压控电流电路的输入电压VOUT以及R20的阻值有关，设置R20阻值便可得到与输入电压所对应的电流值。
电流控制模块依据振动源的振动信号计算出控制系统理论输出的电流信号，并输出对应的PWM波(电压信号)，其通过调用Linux系统的API函数，实现对采集数据的处理以及PWM波的输出；外围电路再将输出的电压转化为电流，输入到磁流变减震装置，磁流变减震装置给出相应阻尼力实现对建筑结构的减震。
与现有技术相比，本发明技术方案具有的有益效果是：
本发明磁流变减震装置的控制系统，不仅能够实现磁流变减震装置的能源自供给，为整个系统提供稳定且充足的外部能源，而且还实现了对磁流变减震装置输出电流的准确控制，从而提高减震装置的工作效率；其采用的模糊控制器能够高效地搜集太阳能，同时其能够依据外部振动信号输出对应大小的电流，控制线圈磁场，进而控制磁流变材料的阻尼力，从而大大提高减震效果。
附图说明
图1为本发明磁流变减震装置控制系统的原理框图；
图2为充电控制模块的原理图；
图3为充电控制模块的结构框图；
图4为充电控制模块的控制流程图；
图5为充电控制模块的太阳能电池板仿真模型；
图6为充电控制模块的模糊控制器输入量e的隶属函数；
图7为充电控制模块的模糊控制器输入量ec的隶属函数；
图8为充电控制模块的模糊控制器输出量D的隶属函数；
图9为充电控制模块的模糊控制器的模糊规则；
图10为本发明控制系统模拟仿真的模糊控制器仿真模型；
图11为充电控制模块中Buck-boost转换电路图；
图12为电流控制模块仿真模型；
图13为电流控制模块的原理图；
图14为充电控制模块的结构框图；
图15为电流控制模块的控制流程图；
图16为从PWM波到电流输出的信号处理图；
图17为光耦隔离电路的电路图；
图18为低通滤波和驱动放大电路的电路图；
图19为压控电流电路的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明磁流变减震装置的控制系统，由充电控制模块和电流控制模块组成；充电控制模块包括太阳能电池板、模糊控制器、Buck-boost电路和充电电池，模糊控制器由信号采集模块、模糊控制芯片以及驱动电路组成；Buck-boost电路的电源输入端连接太阳能电池板，Buck-boost电路的负载端与充电电池的正负极连接，信号采集模块采集太阳能电池板的电压和电流，模糊控制芯片输出的PWM波通过驱动电路驱动Buck-boost电路中的MOSEFT开关管并控制其开关占空比，使Buck-boost电路产生稳定的电压输出给充电电池；充电电池为整个控制系统中所有用电装置供能，充电电池分别与控制板、传感器以及外围电路连接；模糊控制器能够使太阳能电池板在光照不足的情况下以最大功率给充电电池充电，从而实现太阳能的高效充电；电流控制模块包括位移传感器和加速度传感器、电流控制芯片和外围电路模块，位移传感器和加速度传感器将采集到的位移信号和加速度信号通过AD转换模块传输给电流控制芯片，电流控制芯片对位移信号和加速度信号进行处理后输出PWM波，然后通过外围电路模块将PWM波转换成电流信号输出给磁流变减震装置。电流控制芯片首先对从建筑结构上采集到的位移和加速度信号进行AD转换，再通过算法计算得出对应的PWM波并输出至外围电路，经电压电流转换电路得到对应的电流，最终将电流输入至建筑结构中的磁流变减震装置，实现对建筑结构的减震。
如图2～4所示，本发明控制系统的充电控制模块，首先将太阳能电池板的电压和电流进行计算处理得到两个输入量功率差和功率差与电流的比例并进行模糊化处理，将其作为模糊控制器的两个输入，再经模糊控制器的模糊规则推理得到电压控制量D，将控制量解模糊化得到精确的占空比命令(PWM波)并输入MOSEFT驱动电路中，对Buck-boost电路中的开关管进行开关占空比控制，进而控制充电电池充电的电压。
如图5所示，为本控制系统的太阳能电池板仿真模型，是利用Matlab中的simulink库搭建的模型。其中，T为环境温度，S为太阳光照强度，Vm和Im对应最大功率点的电压电流，UOC和ISC为开路电压和短路电流。
如图6～9所示，为模糊控制器两个输入和一个输出的隶属函数图以及模糊规则。
本发明的模糊控制器采用双输入单输出的二维结构模式，采用Mamdani型模糊控制系统。模糊控制器采集太阳能电池板的电流和电压信号，经计算处理可以得到功率。模糊控制器的两个输入量是分别是第n次和第n-1次采样点功率差e，以及两点功率差与采样周期的比值，即功率变化率ec，模糊控制器的输出量是开关管占空比控制量d。模糊控制器的输入输出量的隶属函数均采用三角隶属函数与钟形隶属函数相结合，如图6,7,8。模糊语言变量都选择7挡，{NL,NM,NS,Z,PS,PM,PL}，对应{负大、负中、负小、负零、正零、正小、正中、正大}。(“负大”表示当前值偏向理想标准值负方向很多，“负中”表示当前值偏向理想标准值负方向较多，“负小”表示当前值偏向理想标准值负方向较小，以此类推。)本系统的控制规则建立的原则如下：
当两个采样点功率差e为负时，即目前功率在减小，此时需要增大功率，则提高开关管占空比控制量d，以提高充电电压来增大功率；反之则减小d。
当两个采样点功率变化率ec为负大时，即目前功率在快速减小，此时需要提高开关管占空比控制量d,以快速将功率增大到理想值；反之则减小d。
当温度、日照强度等因素发生变化导致光伏电池输出功率发生较大变化时，系统能够作出快速的反应。
考虑到周围环境(温度，光照等)对太阳能电池的影响，综合多次实验经验，得出模糊控制器的模糊规则如图9所示。
如图10所示，为本控制系统模拟仿真的模糊控制器的仿真模型。
如图11所示，为充电控制模块中的Buck-boost转换电路图。当开关管导通时，电容C1的能量通过L2、C2、R回路释放，同时向C2、L2储能，同时电源向Ll、C储存能量；在开关管关闭时，C、Ll上的电流通过二极管续流，同时向C1充电。
如图12所示，为充电控制模块在Matlab中的simulink库中的整个仿真模型。
如图13所示，为本控制系统磁流变减震装置的电流控制模块的原理框图。充电电池为整个系统中所有需要用电的装置供能，包括充电控制芯片和电流控制芯片、磁流变减震装置、位移和加速度传感器和外围电路模块；充电电池初始状态为电量饱和状态，太阳能电池板利用光伏作用给充电电池充电。控制器(电流控制芯片)采集建筑结构的位移和振动加速度，然后经过信号处理和算法计算后得到对应的PWM波信号，该PWM波信号经外围电路将电压信号转换为电流信号，最终输入给建筑结构中的磁流变减震装置中，实现对建筑结构的减震。流程步骤见图15。
如图16所示，为从PWM波到电流输出的信号处理图。外围电路由光耦隔离、低通滤波、驱动放大以及压控电流电路组成。将PWM波经外围电路转换成对应大小的电流信号输入至磁流变减震装置，磁流变减震装置根据电流输出阻尼力，实现对建筑结构的减震。
如图17所示，为光耦电路图。控制器输出PWM波的大小主要与设置的占空比有关，但外界环境的干扰同样会对其输出有一定的影响，如温度、供电电压等，因此PWM波的输出精度难以得到保证。而磁流变减震装置所需电流比控制器内部的电路电流大的多，若将外围电路与控制器直接相连，控制器内部的电路将会被烧坏。为了让控制器输出高精度的PWM波，同时保护控制器内部的电路不受大电流的影响，本控制器PWM波输出端加入光耦合器对输出的PWM波进行整形，利用光耦合器将控制器输出的PWM波整定在适宜范围内。光耦合器同时保护了控制器内部的电路不受大电流的影响。本发明所选用得光耦合器型号为TLP52。
如图18所示，为低通滤波和驱动放大电路。由于PWM脉冲波中包含了1个直流、1个1次谐波和1个高次谐波的分量，因此只要将1次谐波分量滤掉，高次谐波分量就不存在了，即可得到波动很小的直流电压分量。因此使用二阶RC低通滤波器来对控制器输出的PWM波进行滤波。低通滤波器的时间常数是根据电路设计响应时间以及PWM的输出频率确定的，其时间常数要远大于控制器输出PWM波的频率。此外，在二阶RC低通滤波器后加上电压跟随器和功率放大器可以减小电路的输出阻抗，增强电路的负载能力。输出电压与PWM脉冲波的占空比成正比，比例系数为控制器所输出PWM波的占空比，具体可表示为VOUT＝duty*VCCW5，duty为PWM波的占空比，VCCW5为外接5V电源。
如图19所示，为压控电流电路。在此电路中，运算放大器A1处于深度负反馈状态，并起到放大电压的作用。两个NPN型大功率三极管2N3055串联成达林顿管起到放大电流的作用。根据运算放大器“虚短虚断”可得，U3-U4＝VOUT，电阻R20两端的电压和压控电流电路的输入电压VOUT相等，则通过R20的电流I为：I＝VOUT/R20。电流从RS0输出至磁流变减震装置，由于所控制的磁流变减震装置的阻值<<100k，因此流过磁流变减震装置的电流和流过R20的电流相等。由此可见，流过磁流变减震装置的电流由压控电流电路的输入电压VOUT以及R20的阻值有关，设置R20阻值为2.5Ω，由于输入电压VOUT的范围为0～5V，因此压控电流电路的输出电流为0～2A。
Claims (6)
1.一种磁流变减震装置的控制系统，其特征在于：由充电控制模块和电流控制模块组成；
所述充电控制模块包括太阳能电池板、模糊控制器、Buck-boost电路和充电电池，模糊控制器由信号采集模块、模糊控制芯片以及驱动电路组成；Buck-boost电路的电源输入端连接太阳能电池板，Buck-boost电路的负载端与充电电池的正负极连接，信号采集模块采集太阳能电池板的电压和电流，模糊控制芯片输出的PWM波通过驱动电路驱动Buck-boost电路中的MOSEFT开关管并控制其开关占空比，通过占空比控制Buck-bost电路使Buck-boost电路产生稳定的电压输出给充电电池；
所述电流控制模块包括位移传感器、加速度传感器、电流控制芯片和外围电路模块，位移传感器和加速度传感器将采集到的位移信号和加速度信号通过AD转换模块传输给电流控制芯片，电流控制芯片对位移信号和加速度信号处理后输出PWM波，然后通过外围电路模块将PWM波转换成电流信号输出给磁流变减震装置。
2.根据权利要求1所述的磁流变减震装置的控制系统，其特征在于：充电控制模块中的充电电池初始状态为电量饱和状态，充电电池为整个系统中所有用电装置供能，包括充电控制芯片和电流控制芯片、磁流变减震装置、位移和加速度传感器、外围电路模块；太阳能电池板利用光伏作用给充电电池充电。
3.根据权利要求1所述的磁流变减震装置的控制系统，其特征在于：模糊控制器的信号采集模块为电压和电流传感器，模糊控制芯片的输入端与电压和电流传感器连接，电压和电流传感器与太阳能电池板连接，采集太阳能电池板的电压和电流。
4.根据权利要求1所述的磁流变减震装置的控制系统，其特征在于：所述外围电路模块包括光耦隔离电路、低通滤波和驱动放大电路以及压控电流电路。
5.根据权利要求4所述的磁流变减震装置的控制系统，其特征在于：所述位移传感器和加速度传感器采集建筑结构的位移信号和加速度信号，位移传感器和加速度传感器的输出端都与电流控制芯片的AD转换接口连接，AD转换模块将位移和加速度的模拟信号转换为数字信号，电流控制芯片对AD转换的位移和加速度值进行判断，选择对应占空比的PWM波输出；压控电流电路将电流控制芯片输出的PWM波电压信号转换为电流信号输入给磁流变减震装置。
6.根据权利要求4所述的磁流变减震装置的控制系统，其特征在于：所述压控电流电路中，运算放大器(A1)处于深度负反馈状态，运算放大器(A1)串联两个三极管的发射结，两个三极管的集电极相连接，共同接12V电源，第一个三极管的发射极与第二个三极管的基极相连接，两个三极管串联成达林顿管，电流的放大倍数为两个三极管的乘积。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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