一种馈能式磁流变弹性体车辆减振装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于车辆减振装置技术领域，具体涉及一种馈能式磁流变弹性体车辆减振 装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 磁流变液是一种智能材料，在外磁场作用下能在瞬间（毫秒级)从自由流动液体转 变为半固体，呈现可控的屈服强度，而且该变化是可逆的，以智能材料磁流变液为工作液体 的阻尼器相比于常规阻尼器，具有结构简单、输出阻尼力连续可调、动态范围宽、响应速度 快、方便与计算机控制相结合等优异特性。已经开始广泛地应用于交通运输、工程建筑、航 空宇航以及自动武器系统等振动控制领域，并取得了良好的控制效果。将磁流变阻尼器用 在车辆悬架上，构成了车辆半主动悬架，通过匹配合适的控制策略，即可根据车辆的运动状 态和路面状况来抑制车身的振动，达到与主动悬架一样的控制效果，从而解决了被动悬架 的刚度、阻尼系数等特性参数是固定不变的缺陷，以及主动悬架能耗高，系统复杂及可靠性 较差等问题。但是，当前采用的磁流变材料通常为液体材料，制成的减振阻尼装置在使用过 程中存在易沉降、稳定性差和密封困难等问题。
[0003] 磁流变弹性体作为磁流变材料的一个新的分支，是由高分子聚合物(如橡胶等)和 铁磁性颗粒在外加磁场作用下固化而成，兼有磁流变材料和弹性体的优点，又克服了磁流 变液易沉降、稳定性差等缺点，故在结构的振动隔离与控制中有望具有更好的应用前景。同 时由于磁流弹性体在工作时需要外部电源设备为其活塞线圈提供直流电能，以产生控制内 部磁性颗粒的磁场。然而如果能够收集外界环境振动能给磁流变阻尼器供电，又能够把多 余的电能储存起来，供给汽车其他用电设备，省去外加电源设备，实现磁流弹性体减振器的 自供电，即可减小振动控制系统的体积、重量、成本，提高可靠性，从而促进磁流变减振技术 进一步发展。
[0004] 申请号为201510213495.0的中国专利公开了一种智能磁流变弹性体减振器，主要 由绝缘外壳、减震杆、上导电压板、下导电压板、压电陶瓷、导磁支架、线圈、上永磁体、下永 磁体及磁流变弹性体组成，其压电陶瓷安装在上导电压板和下导电压板之间，以实现馈能， 线圈安装在导磁支架外壁上的环形凹槽内，以产生磁流变弹性体控制所需的磁场，磁流变 弹性体位于上永磁体和下永磁体之间，从而产生预紧弹性力，虽然也能实现馈能与减振的 目的，但是，一方面磁流变弹性体只有一块且其形状是圆柱形的，减振变形不太明显，虽然 加上了导磁支架，但在所需大的可控阻尼力情况下，不能更好的提供所需的磁场强度，另一 方面由于只有一层压电材料，馈能有限，有可能不能满足所需的电能，从而极大影响了其减 振效果，此外还未涉及到控制方面。
[0005] 现有技术中还缺乏结构紧凑、工作稳定性和可靠性高、馈能效率高、能够有效减振 的馈能式磁流变弹性体车辆减振装置。而且，现有技术中对馈能式磁流变弹性体车辆减振 装置的控制方法还有待改善，还不能够使馈能式磁流变弹性体车辆减振装置处于最佳的减 振状态。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构紧 凑、实现方便且成本低、能有效地回收振动能量、馈能效率高、工作稳定性和可靠性高、减振 性能好、实用性强的馈能式磁流变弹性体车辆减振装置。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种馈能式磁流变弹性体车辆 减振装置，其特征在于:包括减振装置本体和减振装置控制器，所述减振装置本体包括缸筒 和设置在缸筒内的活塞杆，所述活塞杆的上部通过上滑动轴承连接有上弹簧卡座，所述活 塞杆的中部套装有多个压电模块和多个磁流变弹性体，多个压电模块和多个磁流变弹性体 相互间隔设置，相邻的压电模块和磁流变弹性体通过双面粘性薄铁板粘接，所述双面粘性 薄铁板上粘接有位于磁流变弹性体外侧的导磁支架，所述导磁支架上缠绕有励磁线圈，所 述压电模块中镶嵌有压电振子;所述活塞杆的下部通过下滑动轴承连接有下弹簧卡座和固 定连接在下弹簧卡座顶部的下弹簧压板，所述下弹簧卡座内卡合连接有下端与缸筒内底壁 固定连接的下传力弹簧，所述下弹簧压板通过双面粘性薄铁板与位于最底层的磁流变弹性 体粘接;位于最顶层的压电模块的顶部通过双面粘性薄铁板粘接有上弹簧压板，所述上弹 簧卡座内卡合连接有下端与上弹簧压板固定连接的上传力弹簧，所述上弹簧卡座的顶部固 定连接有支撑架，所述支撑架的顶部固定连接有上吊环，所述缸筒的底部固定连接有下吊 环;所述减振装置控制器的输入端接有用于对簧载质量位移进行检测的簧载质量位移传感 器和用于对非簧载质量位移进行检测的非簧载质量位移传感器，所述缸筒的外壁上设置有 控制盒，所述减振装置控制器设置在控制盒内，所述控制盒内还设置有整流器、用于为车载 蓄电池充电的蓄电池充电电路和用于为励磁线圈提供稳定的输入电流的可控恒流源电路， 所述蓄电池充电电路接在整流器与车载蓄电池之间，所述可控恒流源电路与车载蓄电池的 输出端和减振装置控制器的输出端连接，所述励磁线圈与可控恒流源电路的输出端连接， 所述整流器的输入端与串联后的多个压电振子连接。
[0008] 上述的一种馈能式磁流变弹性体车辆减振装置，其特征在于:所述活塞杆的轴向 中心设置有供连接励磁线圈与可控恒流源电路的输出端的导线以及连接整流器的输入端 与串联后的多个压电振子的导线穿过的中心孔。
[0009] 上述的一种馈能式磁流变弹性体车辆减振装置，其特征在于:所述下传力弹簧的 刚度大于上传力弹簧的刚度。
[0010] 上述的一种馈能式磁流变弹性体车辆减振装置，其特征在于:所述导磁支架的厚 度小于磁流变弹性体的厚度。
[0011] 上述的一种馈能式磁流变弹性体车辆减振装置，其特征在于:所述磁流变弹性体 为中间粗两端细的形状。
[0012] 上述的一种馈能式磁流变弹性体车辆减振装置，其特征在于:所述双面粘性薄铁 板的厚度为0.5mm~0.15mm。
[0013] 本发明还提供了一种实现方便、控制效率高、能够使馈能式磁流变弹性体车辆减 振装置处于最佳的减振状态的馈能式磁流变弹性体车辆减振装置的控制方法，其特征在于 该方法包括以下步骤：
[0014] 步骤I、簧载质量位移传感器对簧载质量位移进行实时检测，非簧载质量位移传感 器对非簧载质量位移进行实时检测;减振装置控制器对簧载质量位移和非簧载质量位移进 行周期性采样；
[0015] 步骤Π 、当车辆行驶在不平路面上时，一方面，上吊环与下吊环产生相对运动，上 吊环带动支撑架和上弹簧卡座上下运动，上弹簧卡座把其所受的力通过上传力弹簧传递给 上弹簧压板，上弹簧压板再把其所受的力通过双面粘性薄铁板传递给压电模块和压电振 子，使压电振子发生正压电效应，产生电能并通过整流器整流后，再经过蓄电池充电电路给 车载蓄电池充电，车载蓄电池输出电能给可控恒流源电路(28);另一方便，所述减振装置控 制器根据模糊PID控制的方法对其采样得到的簧载质量位移和非簧载质量位移进行分析处 理，得到励磁线圈需要的输入电流并控制可控恒流源电路(28)的输出电流为励磁线圈需要 的输入电流，实时调节励磁线圈的输入电流，从而产生强度可变的磁场作用在磁流变弹性 体上，即实时调节磁流变弹性体的刚度和阻尼，磁流变弹性体将其所受的力依次向下传递， 通过下弹簧压板和下弹簧卡座进一步将力传递给下传力弹簧，实现了馈能减振的目的。
[0016] 上述的方法，其特征在于:步骤Π 中所述减振装置控制器根据模糊PID控制的方法 对其采样得到的簧载质量位移和非簧载质量位移进行分析处理，得到励磁线圈需要的输入 电流的具体过程为：
[0017] 步骤一、减振装置控制器根据公式
对其第i次采样得到的簧载质量位 移和非簧载质量位移X.作差，得到第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的 偏差ei;
[0018] 步骤二、减振装置控制器根据公式
对第i次采样时系统簧载质量位移与非 簧载质量位移的偏差M求导，得到第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏 差ei随时间t的变化率< ;
[0019] 步骤三、减振装置控制器根据公式
吋第i次采样时系统簧载质量位移与 非簧载质量位移的偏差&进行量化，得到偏差&的量化量E1;其中，和为第i次采样时系统 簧载质量位移与非簧载质量位移的偏差W的量化因子，晨丨的取值方法为：当I & I〈〇 . 02时， 與的值取为150，当0 · 02 < I ei I < 0 · 04时，瓦;'的值取为120，当I ei I >0 · 04时，尺;的值取为 100;偏差ei的量化量Ei的论域为[-7，7 ];
[0020] 步骤四、减振装置控制器根据公式乾对第i次采样时系统簧载质量位移 与非簧载质量位移的偏差ei随时间t的变化率 < 进行量化，得到偏差ei随时间t的变化率《 的量化量￡：;其中，为第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏差ei随时 间t的变化率 < 的量化因子，砣的取值方法为：当
时，每的值取为7,当
时，< 的值取为6，当
时，g的值取为4;偏差ei随时间t的变化率< 的量化量$的论域为[-7,7];
[0021] 步骤五、减振装置控制器对偏差ei的量化量E1按照四舍五入的方法进行整数化，得 到偏差&的量化量整数化结果具，并将偏差ei的量化量E1的整数化结果罵作为模糊控 制的第一个输AE/ ;
[0022] 步骤六、减振装置控制器对偏差ei随时间t的变化率e丨的量化量茗按照四舍五入 的方法进行整数化，得到偏差&随时间t的变化率ej的量化量笔的整数化结果忠作为模糊 控制的第二个输入
[0023] 步骤七、减振装置控制器根据模糊PID控制的第一个输入E/和模糊控制的第二个 输入焉，查询存储在减振装置控制器内部存储器中的由减振装置控制器预先制定好的模糊 控制查询表，得到第i次采样时模糊控制部分的输出AK Pi、AKii、AKcU，即第i次采样时PID 控制部分的比例参数的动态调整量△ Kpi、积分参数的动态调整量△ Kii和微分参数的动态 调整量AKdi;
[0024] 步骤八、减振装置控制器根据公式 对第i次采样时 PID控制部分比例参数的动态调整量△ Kpi、积分参数的动态调整量△ Kii和微分参数的动态 调整量A KcU进行整定，得到第i次采样时PID控制部分的比例控制参数KP(i)、积分控制参数 Ki(i)和微分控制参数Kd(i);其中，KP(i-l)为第i-Ι次采样时控制PID控制部分的比例控制 参数，Ki(i-l)为第i-Ι次采样时控制PID控制部分的积分控制参数，Kd(i-l)为第i-Ι次采样 时控制PID控制部分的微分控制参数，q P为PID控制部分的比例控制参数的校正速度量且qP 的取值为1~10，qi为PID控制部分的积分控制参数的校正速度量且取值为1~10，qD为 PID控制部分的微分控制参数的校正速度量且qi的取值为1~10;
[0025] 步骤九、减振装置控制器根据公式
计算得 到励磁线圈需要的输入电流Ki)，即减振装置控制器控制可控恒流源电路(28)的输出电流 Ki);其中，k为0~i的自然数。
[0026] 上述的方法，其特征在于：步骤七中所述减振装置控制器预先制定模糊控制查询 表的过程为：
[0027] 步骤701、簧载质量位移传感器对簧载质量位移进行实时检测，非簧载质量位移传 感器对非簧载质量位移进行实时检测;减振装置控制器对簧载质量位移和非簧载质量位移 进行周期性采样；
[0028] 步骤702、减振装置控制器根据公式
对其第i次采样得到的簧载质量位 移尤和非簧载质量位移尤作差，得到第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的 偏差ei;其中，i的取值为自然数；
[0029] 步骤703、减振装置控制器根据公式
对第i次采样时系统簧载质量位移与 非簧载质量位移的偏差^求导，得到第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的 偏差ei随时间t的变化率< ;
[0030] 步骤704、减振装置控制器根据公式马对第i次采样时系统簧载质量位移 与非簧载质量位移的偏差^进行量化，得到偏差&的量化量E1;其中，馬为第i次采样时系 统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏差 ei的量化因子，~的取值方法为：当I ei I〈0.02 时，反丨的值取为150，当0.02 < I ei I < 0.04时，々的值取为120，当I ei I >0.04时，瓦f的值取为 100;偏差ei的量化量Ei的论域为[-7，7 ];
[0031] 步骤705、减振装置控制器根据公式￡：=< xC对第i次采样时系统簧载质量位移 与非簧载质量位移的偏差e i随时间t的变化率e丨进行量化，得到偏差e i随时间t的变化率g 的量化量民；其中，C丨为第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏差ei随时 间t的变化率4的量化因子，衫的取值方法为：当I < 0·08时，€的值取为7，当 0.08 <|e丨卜0.6时，K的值取为6，当|e丨I > 0.6时，g的值取为4;偏差ei随时间t的变化率4的 量化量乾的论域为[_7,7];
[0032]步骤706、减振装置控制器对偏差&的量化量E1进行模糊化处理，其具体过程如下： [0033]步骤7061、定义偏差ei的量化量Ei的模糊状态集合为{正大、正中、正小、零正、零 负、负小、负中、负大};
[0034] 击骤70fi2、M振奘罟棹制！根据偏差ei的量化量Ei的三角形隶属函数
计算得到偏差ei的量化量E1对应的模糊状态的 隶属度值trimf·(Ei，a1，b1，C1)，并根据最大隶属度原则确定偏差 ei的量化量Ei对应的模糊状 态，且当偏差ei的量化量E1在两种不同的模糊状态下对应的隶属度值相等时，选取小于偏差 ei的量化量匕的数据对应的模糊状态为偏差&的量化量匕对应的模糊状态;其中，ai为偏差 ei的量化量Ei的三角形隶属函数对应的三角形底边左顶点的横坐标，bi为偏差ei的量化量Ei 的三角形隶属函数对应的三角形底边右顶点的横坐标，Ci为偏差ei的量化量Ei的三角形隶 属函数对应的三角形上部顶点的横坐标;当模糊状态为正大时，ai = 5，bi = 7,ci = 9;当模糊 状态为正中时，ai = 3，bi = 5，ci = 7;当模糊状态为正小时，ai = l，bi = 3，ci = 5;当模糊状态 为正零时，ai = _l，bi = l，ci = 3;当模糊状态为负零时，ai = -3，bi = _l，ci = l;当模糊状态为 负小时，ai = -5，bi = -3，ei = -1;当模糊状态为负中时，ai = -7，bi = -5，Ci = -3;当模糊状态 为负大时，ai = -9，bi = -7，ci = _5;
[0035] 步骤707、减振装置控制器对偏差&随时间t的变化率 < 的量化量进行模糊化处 理，其具体过程如下：
[0036] 步骤7071、定义偏差&随时间t的变化率< 的量化量￡：的模糊状态集合为{正大、 正中、正小、零正、零负、负小、负中、负大};
[0037] 步骤7072、减振装置控制器根据偏差ei随时间t的变化率^的量化量趑的三角形 隶属函数
汁算得到偏差e i随时间t的变化率< 的量化量式对应的模糊状态的隶属度值(￡;,a:，b:,c:),并根据最大隶属度原则确定偏 差ei随时间t的变化率< 的量化量笔对应的模糊状态，且当偏差ei随时间t的变化率< 的量 化量式在两种不同的模糊状态下对应的隶属度值相等时，选取小于偏差^随时间t的变化 率g的量化量$的数据对应的模糊状态为偏差&随时间t的变化率^的量化量￡：对应的模 糊状态;其中，a 2为偏差ei随时间t的变化率e〖的量化量Γ的三角形隶属函数对应的三角形 底边左顶点的横坐标，b 2为偏差ei随时间t的变化率 < 的量化量巧的三角形隶属函数对应 的三角形底边右顶点的横坐标，C2为偏差ei随时间t的变化率< 的量化量成的三角形隶属 函数对应的三角形上部顶点的横坐标；当模糊状态为正大时，a2 = 5，b2 = 7，c2 = 9;当模糊状 态为正中时，32 = 3，匕2 = 5，〇2 = 7;当模糊状态为正小时，32=1，匕2 = 3，〇2 = 5;当模糊状态为 正零时，32 = -1，匕2=1，02 = 3;当模糊状态为负零时，32 = -3，匕2 = -1，02=1;当模糊状态为负 小时，32 = -5，匕2 = -3,02 = -1;当模糊状态为负中时，32 = -7，匕2 = -5,02 = -3;当模糊状态为 负大日寸，a2 = _9，b2 = _7，C2 = _5;
[0038] 步骤708、定义模糊控制部分的输出Δ KPi、Δ Kii和Δ Kdi的模糊状态集合均为{:正 大、正中、正小、零正、零负、负小、负中、负大}，制定模糊控制根据偏差ei的量化量Ei对应的 模糊状态和偏差&随时间t的变化率?ξ的量化量友对应的模糊状态得到模糊控制部分的输 出Δ Kpi、△ Kii和△ Kdi的模糊状态的模糊控制规则，并根据所述模糊控制规则确定出模糊 控制部分的输出A KPi、Δ Kii和Δ Kdi的模糊状态；
[0039]其中，所述模糊控制规则为：
[0040]当偏差ei的量化量Ei