一种磁流变执行器的闭环控制方法
技术领域
本发明涉及振动控制技术领域，具体涉及一种磁流变执行器的闭环控制方法。
背景技术
磁流变执行器由于其阻尼实时可调，且具有很宽的动态范围、较高的响应速度、较低的功耗、相对简单的结构，在车辆悬架、土木桥梁，发动机悬置，火炮后坐力缓冲等振动与冲击控制领域具有广泛的应用前景。作为磁流变振动控制系统的核心，振动系统及磁流变执行器的控制策略决定了结构的振动抑制的能力。
现有技术中存在的主要问题和不足包括：目前磁流变执行器的控制方式有两种。其中最常用的是根据执行器的阻尼力/力矩、速度、位移、加速度、温度和电流等映射关系建立阻尼力-电流/电压的逆模型，如多项式模型、Bingham类模型、Bouc-Wen模型、双曲正切类代数模型和神经网络模型等。然而由于磁流变执行器内部复杂的电磁场、流场和温度场等多场耦合作用影响，磁流变执行器的力学行为存在迟滞、温度依赖、频率依赖等现象，建立的力学模型通常存在一定的误差。磁流变执行器难以避免的力学模型失配不仅会导致控制性能严重偏离初始设计值，还会使系统的稳定性与可靠性难以评估，这在某些结构振动控制领域如大型土木结构和桥梁斜拉索，是不能接受的。
常用的磁流变执行器阻尼力/力矩-电流/电压的逆模型控制是一种开环控制策略，存在一定的误差，而利用采用闭环控制可以提高控制精度。现有的闭环控制算法如美国圣路易斯华盛顿大学Dyke等学者提出的基于Heaviside函数的控制方法是一种只有两个模态的切换控制方法，通过在Imax和Imin或Vmax和Vmin不断切换来控制阻尼力/力矩，从而存在阻尼力/力矩高频抖振的现象(如图1所示)。阻尼力/力矩的高频抖振不仅会给结构带来一定的冲击，还会引起磁流变执行器机械结构的疲劳损伤，极大地降低其使用寿命。
因此，探索一种控制电流/电压光滑的控制策略，对于改善振动控制系统的控制性能和可靠性，延长磁流变执行器的使用寿命具有重要的理论意义和工程应用价值。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题和不足，本发明提供了一种磁流变执行器的闭环控制方法，该方法通过阻尼力/力矩监测系统实时监测阻尼力/力矩的变化，进而通过逻辑切换模块根据期望阻尼力/力矩与实际阻尼力/力矩之间的误差信息和映射关系选择对应的控制模式，进而利用专家经验总结出模糊控制规则并推理出连续光滑的控制电流/电压的增量，从而得到更为光滑的控制电流/电压。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种磁流变执行器的闭环控制方法，包括阻尼力/力矩监测系统、切换逻辑模块、模糊控制器、磁流变执行器、执行器控制器和电流驱动器，所述执行器控制器包括切换逻辑模块和模糊控制器；
所述阻尼力/力矩监测系统用于实时监测所述磁流变执行器当前时刻的当前时刻的实际阻尼力/力矩值，并反馈给所述执行器控制器；所述切换逻辑模块用于根据期望阻尼力/力矩与由阻尼力/力矩监测系统实时监测磁流变执行器当前时刻的实际阻尼力/力矩值的分布关系判断出执行器控制器的控制模式；所述模糊控制器用于根据期望阻尼力/力矩与实际阻尼力/力矩之间的误差通过模糊控制规则得到对应连续光滑的电流/电压控制增量，并经由所述电流驱动器控制磁流变执行器的阻尼力/力矩。
进一步，所述阻尼力/力矩监测系统用于实时监测磁流变执行器当前时刻的实际阻尼力/力矩值通过实际物理的力/力矩传感器测试系统实现或由虚拟的力/力矩监测系统实现。
再进一步，所述实际物理的力/力矩传感器测试系统：利用现有磁流变执行器的阻尼力/力矩关于速度、位移、加速度、温度和电流因素的映射模型，如多项式模型、Bingham类模型、Bouc-Wen模型、双曲正切类代数模型和神经网络模型等，根据上一时刻磁流变执行器的可测/可预测状态估计当前时刻的阻尼力/力矩值；所述虚拟的力/力矩监测系统为利用现代控制理论中的(增广状态、干扰)观测器设计技术或具有存储功能的系统辨识模块，根据振动控制系统的状态，重构出当前时刻的阻尼力/力矩值。
进一步，所述切换逻辑模块用于根据期望阻尼力/力矩与由阻尼力/力矩监测系统实时监测磁流变执行器当前时刻的实际阻尼力/力矩值的分布关系判断出执行器控制器的控制模式，具体为：
如果期望的阻尼力/力矩与实际的阻尼力/力矩在同一象限，当控制电流时则控制模式为：
I(k)＝I(k-1)+ΔI(k)
其中I(k)表示当前时刻的控制电流，I(k-1)表示前一时刻的控制电流，ΔI(k)表示由模糊控制规则得到对应连续光滑的电流控制增量；
当控制电压时则控制模式为：
U(k)＝U(k-1)+ΔU(k)
其中U(k)表示当前时刻的控制电压，U(k-1)表示前一时刻的控制电压，ΔU(k)表示由模糊控制规则得到对应连续光滑的电压控制增量；
如果期望的阻尼力/力矩与实际的阻尼力/力矩在不同象限，当控制电流时则控制模式为：
I(k)＝0；
当控制电压时则控制模式为：
U(k)＝0。
再进一步，所述当前时刻的控制电流需要限定在控制可行域内，即0≤I(k)≤Imax；所述当前时刻的控制电压需要限定在控制可行域内，即0≤U(k)≤Vmax。
进一步，所述期望阻尼力/力矩与实际阻尼力/力矩之间的误差定义为e(k)＝Fc(k)-Fa(k)，其中Fc(k)表示当前时刻期望的阻尼力/力矩，Fa(k)表示当前时刻实际的阻尼力/力矩。
进一步，所述模糊控制规则为利用归一化方法将所述期望阻尼力/力矩与实际阻尼力/力矩之间的误差从自然论域[-emin,emax]映射到模糊论域[-1,1]，并在模糊论域里定义模糊子集表示输入的模糊状态或表示输出的模糊状态。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
针对现有磁流变执行器开环控制精度不高和基于Heaviside阶跃函数的磁流变执行器闭环双模态控制方法抖振的问题，本发明提供了一种基于模糊控制的磁流变执行器闭环控制方法，摈弃了Heaviside阶跃函数电流/电压控制量跳跃的缺点，通过增量式方法，对前一时刻的电流/电压值进行修正，得到光滑的控制电流/电压，从而降低磁流变执行器阻尼力/力矩的抖振。
附图说明
图1为基于Heaviside阶跃函数的磁流变执行器闭环控制方法实验效果；
图2为磁流变执行器闭环控制系统组成；
图3为磁流变执行器阻尼力/力矩跟踪误差隶属度函数；
图4为磁流变执行器闭环控制程序。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图2，本发明公开了一种磁流变执行器的闭环控制方法，包括阻尼力/力矩监测系统、切换逻辑模块、模糊控制器、磁流变执行器、执行器控制器和电流驱动器，所述执行器控制器包括切换逻辑模块和模糊控制器；
所述阻尼力/力矩监测系统用于实时监测所述磁流变执行器当前时刻的实际阻尼力/力矩值，并反馈给所述执行器控制器；阻尼力/力矩监测系统用于实时监测磁流变执行器当前时刻的实际阻尼力/力矩值通过实际物理的力/力矩传感器测试系统实现或由虚拟的力/力矩监测系统实现，虚拟的力/力矩监测系统通过增广状态观测器的方法或具有存储功能的系统辨识模块。
所述切换逻辑模块用于根据期望阻尼力/力矩与由阻尼力/力矩监测系统实时监测磁流变执行器当前时刻的实际阻尼力/力矩值的分布关系判断出执行器控制器的控制模式，具体为：
如果期望的阻尼力/力矩与实际的阻尼力/力矩在同一象限，当控制电流时则控制模式为：
I(k)＝I(k-1)+ΔI(k)
其中I(k)表示当前时刻的控制电流，I(k-1)表示前一时刻的控制电流，ΔI(k)表示由模糊规则得到对应连续光滑的电流控制增量；
当控制电压时则控制模式为：
U(k)＝U(k-1)+ΔU(k)
其中U(k)表示当前时刻的控制电压，U(k-1)表示前一时刻的控制电压，ΔU(k)表示由模糊规则得到对应连续光滑的电压控制增量；
如果期望的阻尼力/力矩与实际的阻尼力/力矩在不同象限，当控制电流时则控制模式为：
I(k)＝0；
当控制电压时则控制模式为：
U(k)＝0。
所述当前时刻的控制电流需要限定在控制可行域内，即0≤I(k)≤Imax；所述当前时刻的控制电压需要限定在控制可行域内，即0≤U(k)≤Vmax。
所述模糊控制器用于根据期望阻尼力/力矩与实际阻尼力/力矩之间的误差通过模糊控制规则得到对应连续光滑的电流/电压控制增量，并经由所述电流驱动器控制磁流变执行器的阻尼力/力矩，所述期望阻尼力/力矩与实际阻尼力/力矩之间的误差定义为e(k)＝Fc(k)-Fa(k)，其中Fc(k)表示当前时刻期望的阻尼力/力矩，Fa(k)表示当前时刻实际的阻尼力/力矩；所述模糊规则为利用归一化方法将所述期望阻尼力/力矩与实际阻尼力/力矩之间的误差从自然论域[-emin,emax]映射到模糊论域[-1,1]，并在模糊论域里定义模糊子集表示输入的模糊状态或表示输出的模糊状态。
具体包括以下步骤：
(1)定义阻尼力/力矩跟踪误差为e(k)＝Fc(k)-Fa(k)，则利用归一化方法将误差从自然论域[-emin,emax]映射到模糊论域[-1,1],同理将控制电流增量映射到对应的模糊论域。
(2)定义输入输出变量模糊集合及隶属度函数，由于模糊控制器是一个单输入单输出系统，输入和输出变量需要相同的模糊子集数，一般选五个或七个，如：{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，输入变量的隶属度函数如下，输出变量的隶属度函数与此类似，如图3所示。
(3)根据归一化后的误差信息和实际阻尼力/力矩的方向，设计如下2组模糊控制规则：
(4)将模糊控制的电流/电压增量映射到对应的控制自然域。
(5)利用饱和限幅函数将控制电流/电压限制在[0,Imax]或[0,Vmax]范围内。
备选地，电流控制增量ΔI(k)除了由上述模糊控制器实现，也可以选择经典的PID控制策略或自适应控制等策略。
针对现有磁流变执行器开环控制精度不高和基于Heaviside阶跃函数的磁流变执行器闭环双模态控制方法抖振的问题，本发明提供了一种磁流变执行器闭环控制方法，摈弃了Heaviside阶跃函数电流/电压控制量跳跃的缺点，通过增量式方法，对前一时刻的电流/电压值通过光滑的控制方法进行修正，得到光滑的控制电流/电压，从而降低磁流变执行器阻尼力/力矩的抖振。相比传统的基于Heaviside阶跃函数的磁流变执行器控制方法，本发明具有更高的控制精度，能够提高结构振动控制的性能和可靠性，延长磁流变执行器的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
