CN115013468A - 一种冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统及方法，属于磁流变智能材料减振应用领域，该控制系统包括依次连接的数据检测模块、信号调理模块、数据处理模块、驱动电路模块和减振器执行模块；数据检测模块用于采集冲击载荷工况下的机电装置后座的加速度数据；信号调理模块用于对加速度数据进行滤波处理；数据处理模块用于根据滤波处理之后的数据计算电流值；驱动电路模块用于根据电流值驱动减振器执行模块输出阻尼力。本发明能够克服在大功率高冲击载荷条件下，传统磁流变减振器实时可控性差和输出阻尼力不能满足需求，以及复杂控制算法不易使用于实际控制器的问题。
Description
技术领域
本发明涉及磁流变智能材料减振应用领域，特别是涉及一种冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统及方法。
背景技术
随着近些年来对机电产品性能要求的不断提升以及应用环境的不断复杂，装置的抗冲击能力逐渐成为衡量产品性能的重要标志，提高在冲击载荷环境下产品的抗冲击性能成为工程界的迫切需求。
与传统的阻尼器相比，磁流变阻尼器是一种磁流变智能材料介质的半主动减振器，其可以根据外界的变化，通过在较小且准确的电流的驱动下，输出合适的阻尼力以达到最优的减振效果。而采用磁流变脂为介质的磁流变阻尼器具有结构简单、能耗低、阻尼力连续可调范围大以及响应迅速等特点。采用通过可变电流控制阻尼变化的控制方式可充分发挥阻尼力的实时可控性，提高系统减振效果。
而目前应用最广泛的抗冲击磁流变减振器产品中，大多数采用固定电流的控制方式，使得系统的实时可控性不高；或者采用的是磁流变液等其他智能材料，所产生的可控阻尼力有限，在不增加器件的尺寸的前提下，其难以满足不断发展的大功率高冲击载荷装置的减振要求；再者是在设计控制器是使用复杂的控制算法而难以实现代码移植。
发明内容
本发明的目的是提供一种冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统及方法，能够克服在大功率高冲击载荷条件下，传统磁流变减振器实时可控性差和输出阻尼力不能满足需求，以及复杂控制算法不易使用于实际控制器的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统，包括依次连接的数据检测模块、信号调理模块、数据处理模块、驱动电路模块和减振器执行模块；
所述数据检测模块用于采集冲击载荷工况下的机电装置后座的加速度数据；所述信号调理模块用于对所述加速度数据进行滤波处理；所述数据处理模块用于根据滤波处理之后的数据计算电流值；所述驱动电路模块用于根据所述电流值驱动减振器执行模块输出阻尼力。
可选的，所述数据检测模块包括加速度传感器。
可选的，所述信号调理模块包括加速度信号调理电路。
可选的，所述数据处理模块包括ARM处理器、CameraLink Full模式数据输出电路、数据接收转换子板、数据存储器和CameraLink Full模式数据输入电路，所述ARM处理器、CameraLinkFull模式数据输出电路、数据接收转换子板和CameraLink Full模式数据输入电路依次连接，所述数据存储器与所述ARM处理器和数据接收转换子板连接。
可选的，所述驱动电路模块包括磁流变阻尼器脉冲调制控制驱动电路。
可选的，所述减振器执行模块包括磁流变阻尼器。
可选的，所述加速度信号调理电路包括电荷放大器、增益放大器和滤波器。
可选的，所述ARM处理器与数据存储器之间通过逻辑电路和IO接口电路连接。
可选的，所述磁流变阻尼器缸筒内含智能材料磁流变脂。
一种冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制方法，包括：
利用实验获取加速度-位移-电流之间的对应关系；
获取待控制的机电装置后座的加速度值；
根据所述加速度值计算位移量；
根据所述对应关系、加速度值和位移量计算电流值；
根据所述电流值控制磁流变阻尼器阻尼力。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明的控制系统实时可控性高，控制系统结构简单、可靠性强，减振效果良好；同时，控制过程是采用简单的控制算法，实现了在冲击载荷工况条件下，阻尼减振器具有阻尼可变的效果，解决了传统磁流变阻尼器减振控制系统中因为采用复杂控制算法而导致难以运用于实际控制器的问题，以及传统的固定电流控制方式中的磁流变阻尼器减振效果差的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统工作流程示意图；
图2是本次发明冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统的结构图；
图3是本次发明依据加速度-位移量-电流值三维空间状态量关系图的动态查找算法流程图。
符号说明：
1-第一外接电源，2-驱动电路，3-磁流变阻尼器，4-第二外接电源，5-第一控制开关，6-ARM处理器，7-CameraLink Full模式数据输出电路，8-数据接收转换子板，9-数据存储器，10-CameraLink Full模式数据输入电路，11-加速度信号调理电路，12-加速度传感器，13-第二控制开关，14-第三控制开关，15-第四控制开关。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统及方法，能够克服在大功率高冲击载荷条件下，传统磁流变减振器实时可控性差和输出阻尼力不能满足需求，以及复杂控制算法不易使用于实际控制器的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
结合图1，一种冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统，包括依次连接的数据检测模块、信号调理模块、数据处理模块、驱动电路模块和减振器执行模块；
其中，数据检测模块用于采集冲击载荷工况下的机电装置后座的加速度数据；信号调理模块用于对加速度数据进行滤波处理；数据处理模块用于根据滤波处理之后的数据进行数据分析与动态查找，得到电流值；驱动电路模块用于根据电流值驱动减振器执行模块输出阻尼力。
上述冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统具体硬件结构之间的连接关系如图2所示：
其中，数据检测模块包括加速度传感器12、第二外接电源4、第二控制开关13、第三控制开关14和第四控制开关15，第二外接电源4为5V直流电源，加速度传感器12能够实时检测冲击载荷系统装置后座的加速度数据。
信号调理模块包括加速度信号调理电路11，加速度信号调理电路11包括电荷放大器、增益放大器和滤波器几部分。电荷放大器主要由一个高增益反向电压放大器和电容负反馈组成；增益放大器采用共基极接法；滤波器采用RC滤波电路；电荷放大器的输出端与增益放大器的输入端相连接，增益放大器的输入端与滤波器的输入端相连接；电荷放大器、增益放大器和滤波器共用同一个3.3V电源。
数据处理模块主要包括ARM处理器6、CameraLink Full模式数据输出电路7、数据接收转换子板8、数据存储器9、CameraLink Full模式数据输入电路10；其中，ARM处理器6、CameraLink Full模式数据输出电路7、数据接收转换子板8和CameraLink Full模式数据输入电路10依次连接，数据存储器9与所述ARM处理器6和数据接收转换子板8连接；具体的，ARM处理器6通过逻辑电路、IO接口电路和数据存储器9连接。
工作时，CamerLink Full模式数据输入电路10将得到的数据传输到数据接收转换子板8，然后从CameraLink Full模式数据输出电路7将数据输出到所述的嵌入式ARM处理器6进行数据分析和动态查找和按内插法计算规则处理，并将得到的数据结果输出。其中，所有数据实时存储在数据存储器9中。
驱动电路模块由磁流变阻尼器脉冲调制控制的驱动电路2构成，驱动电路2通过导线与第一外接电源1和磁流变阻尼器3连接，成为第一外接电源1和磁流变阻尼器3之间的中介模块，驱动电路2还通过第一控制开关5与ARM处理器6连接，第一外接电源1为12V直流电源。
减振器执行模块是磁流变阻尼器3，磁流变阻尼器3缸筒内含智能材料磁流变脂。
其中，磁流变阻尼器3是一种采用智能材料的阻尼减振装置，主要包括磁芯、线圈、活塞、缸筒等结构，磁流变阻尼器3提供的阻尼力由三部分组成，一部分为液体(磁流变材料)流动时粘性产生的粘滞阻尼力，一部分为磁流变效应产生的最大剪切阻尼力，另一部分是由活塞杆与缸体之间的摩擦力。
上述系统具体的控制原理为：
机电装置在冲击载荷的作用下，控制系统通过向装置内的磁流变阻尼器输入不同的电流产生相应的阻尼力，以达到为机电装置的后座提供抗冲击的阻尼力，实现为机电装置提供减振的效果。
具体控制过程为：
加速度传感器12检测冲击载荷下系统的后座装置的加速度值，经过加速度信号调理电路11滤波，去除噪声，将得到的数据通过CamerLink Full模式数据输入电路10传输到数据接收转换子板8，然后从CameraLink Full模式数据输出电路7将数据输出到所述的嵌入式ARM处理器6进行数据分析和动态查找和按内插法计算规则处理，所有数据实时存储在数据存储器9，ARM处理器6将得到的电流值数据输出，即电流值通过指令传输到磁流变阻尼器脉冲调制控制的驱动电路2，驱动电路2向磁流变阻尼器3内部的线圈供电，线圈在通电的情况下产生磁场，使得磁流变阻尼器3内部的磁性智能材料在磁场的作用下发生状态变化，进而使得磁流变阻尼器3产生阻尼力，减小冲击载荷下的系统产生的振动，其中阻尼力的大小随电流值的大小发生改变。
在该套控制系统和方法中，通过加速度传感器检测得到机电装置后座实时的加速度数值，并利用数值积分的方式得到实时位移量；通过大量实验的前提下，即在使用该套减振装置且能实现良好减振效果的实验结果下，统计加速度-位移量-电流值数据，得到三维空间状态量关系图，分别对应空间向量中x，y，z，其中加速度x、位移量y和电流值z；该控制系统中，将实时加速度作为控制系统的输入，位移量为系统状态变量之一，电流值为控制系统的输出；采用ARM处理器作为整个控制系统的数据处理中心和控制器，ARM处理器根据加速度值x和位移量y，利用事先根据三维空间状态量关系图编写的动态查找程序，动态查找和按内差法计算出对应的电流值z，然后控制电流的输出，进而控制磁流变阻尼器阻尼力的输出数值。
如图3所示，动态查找控制算法主要是通过先前大量的实验，将加速度-位移量-电流值这3个状态量构成三维空间状态量关系图，3个状态量在三维空间中对应(x，y，z),即加速度x、位移量y和电流值z，以一种动态查找的方式进行逻辑运算，即数据处理中根据加速度值x和位移量y直接动态查找或按内插法计算电流值z的大小。
与现有技术相比，本发明还公开了如下技术效果：
在装置收到冲击载荷的条件下，通过ARM处理器对检测到的装置后座实时加速度数据进行数据处理，利用动态查找的方式和按内插法计算规则确定需要输出电流的数值，经过驱动电路控制磁流变阻尼器输出阻尼力的大小。本发明的控制系统实时可控性高，系统结构简单、可靠性强，控制方法简便有效。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统，其特征在于，包括依次连接的数据检测模块、信号调理模块、数据处理模块、驱动电路模块和减振器执行模块；
所述数据检测模块用于采集冲击载荷工况下的机电装置后座的加速度数据；所述信号调理模块用于对所述加速度数据进行滤波处理；所述数据处理模块用于根据滤波处理之后的数据计算电流值；所述驱动电路模块用于根据所述电流值驱动减振器执行模块输出阻尼力。
2.根据权利要求1所述的冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统，其特征在于，所述数据检测模块包括加速度传感器。
3.根据权利要求1所述的冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统，其特征在于，所述信号调理模块包括加速度信号调理电路。
4.根据权利要求1所述的冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统，其特征在于，所述数据处理模块包括ARM处理器、CameraLink Full模式数据输出电路、数据接收转换子板、数据存储器和CameraLink Full模式数据输入电路，所述ARM处理器、CameraLink Full模式数据输出电路、数据接收转换子板和CameraLink Full模式数据输入电路依次连接，所述数据存储器与所述ARM处理器和数据接收转换子板连接。
5.根据权利要求1所述的冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统，其特征在于，所述驱动电路模块包括磁流变阻尼器脉冲调制控制驱动电路。
6.根据权利要求1所述的冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统，其特征在于，所述减振器执行模块包括磁流变阻尼器。
7.根据权利要求3所述的冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统，其特征在于，所述加速度信号调理电路包括电荷放大器、增益放大器和滤波器。
8.根据权利要求4所述的冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统，其特征在于，所述ARM处理器与数据存储器之间通过逻辑电路和IO接口电路连接。
9.根据权利要求6所述的冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制系统，其特征在于，所述磁流变阻尼器缸筒内含智能材料磁流变脂。
10.一种冲击载荷下的磁流变阻尼器减振控制方法，其特征在于，包括：
利用实验获取加速度-位移-电流之间的对应关系；
获取待控制的机电装置后座的加速度值；
根据所述加速度值计算位移量；
根据所述对应关系、加速度值和位移量计算电流值；
根据所述电流值控制磁流变阻尼器阻尼力。
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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 | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220906 |
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