磁流变液阻尼器Preisach模型研究

论文总字数：22760字

摘 要

本文介绍了磁流变液阻尼器的原理和Preisach模型及其离散化方法。并使用自行设计搭建的实验平台，对回转式磁流变液阻尼器进行实验，研究了解其磁滞特性。实验采用了步进电机、扭矩传感器、A/D转换模块等器材，并使用单片机将各部分连接。实验过程中，通过保持输入力矩不变即步进电机转速不变的情况下，改变对磁流变液阻尼器的输入电流，检测其输出力矩。得到电流-扭矩曲线。再通过文中介绍的离散化Preisach模型，建立描述磁流变液阻尼器的离散Preisach模型。实验结果得到的磁流变液阻尼器的磁滞回线与计算得到的磁滞回线形状基本符合，表明了该磁流变液阻尼器的电流-力矩特性可以使用Preisach模型进行较为完整的描述。

关键字：磁流变液阻尼器，Preisach模型，磁滞曲线，滞回特性

A STUDY ON magnetorheological fluid damper’S pREISACH MODEL

Abstract

In this thesis,we introduce the magnetorheological fluid damper and Preisach model.Design and make the experimental platform in order to test the rotary magnetorheological fluid damper,research its hysteresis characteristic.The experiment uses stepping motor, torque sensor, A/D conversion module and single chip computer.

During the experiment,we give the damper a constant torque by the stepping motor,and read the output torque correspond to different input current.Then draw the current-torque curve，using the data we get in the experiment,through the curve,we can build the discreted Preisach model for the magnetorheological fluid damper.The result shows that thetheoretical curve is similar to the experimental data.It prove that the Preisach model can make a comparatively comprehensive analysis on the magnetorheological fluid damper’s current-torque characteristic.

目录

第一章 绪论 - 1 -

1.1 选题背景及意义 - 1 -

1.2 国内外研究现状 - 1 -

1.2.1 磁流变液阻尼器研究现状 - 1 -

1.2.2 各种磁滞模型研究现状 - 3 -

1.3 测试磁流变液阻尼器的方法 - 4 -

1.4 本文主要研究内容 - 5 -

第二章 测试系统 - 6 -

引言 - 6 -

2.1 TJN-5静态扭矩传感器 - 6 -

2.2 单路精密放大器 - 7 -

2.3 步进电机 - 8 -

2.3.1 步进电机的特性 - 8 -

2.3.2 步进电机驱动器 - 9 -

2.4 A/D转换模块 - 11 -

2.5 串口模块 - 13 -

2.6 磁流变液阻尼器 - 14 -

第三章 建模方法 - 16 -

3.1 Preisach模型简介 - 16 -

3.2 Preisach模型的几何解释 - 17 -

3.3 公式推导 - 18 -

第四章 实验结果及数据处理 - 19 -

4.1 实验过程 - 19 -

4.2 实验结果 - 19 -

4.3 数据分析 - 20 -

4.4 数据处理与结果分析 - 22 -

第五章 总结与展望 - 24 -

致谢 - 25 -

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义。

近年来，作为。应用材料系统的一部分，智能材料研究与应用发展飞速，其中的磁流变液、压电材料和形状记忆合金等的研究均取得了重大进展。这些智能材料可以作为多种控制系统的执行器被有效利用。而在诸多智能材料中,磁流变液作为。阀门系统、减震。器、发动机。减震垫等被广。泛研究。

本文的研究对象，磁流变液阻尼器中的磁流变液（Magnetorheological Fluid , 一般被称为MRF）是。一种可控流体，在各种智能材料中是一个热门项目[1]。磁流变液的组成分为两个部分：不导磁的液体和磁性微粒。在1948年，。磁流变现象由Rabinow 发现，发现该种现象后。通过不断地实验，发明了磁流变液，之后的。实验研究发现了，磁流变液作为液体的重要特性——表。观。粘度，会根据作用磁场的变化而变， 它的流动特性在这个过程中也会变，直至变为固体。而随着作用磁场输入的取消，MRF又会变为原来的液体状态， 实验中测得的响应时。间仅为几毫秒。这种可控性使磁流。变液成为了理想的工控材料。

使用磁流变液的磁滞特性为原。理制作的阻尼器即为磁流变液阻尼器，它拥有能耗低、体积小、适应面大、结构。简单、动态范围广、频率响较高、产生的阻尼力大等诸多特点， 其中最为主要的是，这种阻尼器会根据系统的振动状态十分适中的阻尼力。凭借以上特点，使得磁流变液阻尼器在智能结构领域。具有了十分广阔的应用发展前景，目前在国际上已成为研究。的热门课题之一，在国内也开始逐步受到重视[1]。

磁流变液通常作为宾汉流体进行建模，但它在动态条件，如切变率和外加磁场变化时，产生的磁滞现象，难以用大部分模型准确且完整得描述，而Preisach模型则可以解决这一问题。

Preisach模型是在上世纪三十年代由德国物理学家F.Preisach提出的，它是一种基于。磁化机理的磁滞模型。六十年代后期，又由前苏联数。学家Krasnoselskii将其一般化，抽象出一。种纯数学工具，一般化后的Preisach模型能不受不同结构、现象的具体物理特点限制，而适用于诸多具。有滞回特性的。非线性物理过程[2]。

本课题需要对磁流变液阻尼器建立力矩或磁场强度关于电流的Preisach模型，以数学模型的方式描述其工作方式。在磁流变液阻尼器应用日益广泛的今天，本文旨。在研究学习磁流变液阻尼器及Preisach模型，利用Preisach模型能完整描述磁滞现象及拥有较强预测能力的特点，使今后磁流变液阻。尼器的设计与应用更为方便。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 磁流变。液。阻尼器研究现状

1948年，Rabinow便提出。了“磁流变液”这一概念。它是将。微米尺寸的磁。极化颗粒分。散于非磁性液体，主要是一些油质，在其中形成颗粒。悬浮液。在没有输入场情况。下，磁流变液是一种有不错流动性。能的液体,其表观粘。度很小;而在收到强磁场作用，它会在十分短的时刻(毫秒级。)内表观粘度提高一百多倍以上,并。可能出现类固体特性的现象。而且这种转变过程呈现一种连续的、可逆。的情况，随后去掉磁。场，该液体的状态会恢复到。原本。然。而从1950-1990期间,由于。没有认识到它的剪切。应力的潜。在性以及存在。悬浮性、腐蚀。性等问题,磁流。变液发展。一直非常缓。慢。进如90年代后，制备技术有了大跨度的提高，磁流变液研究。又被搬上前台，成为。当前智能材。料研究领域。的一个重要分支[3]。

就目前。而言，国外已有。十几个国家。相继投入巨。额资金,对该项。目进行加。速研究。和开发,竞相。发展这一技术。目前，磁流变液。。阻尼器在国。外已应。用于建筑、机械。和汽车。。结构等领域。 美、德、日等国家在。磁流变。阻尼器的研发、制造于。世。界上处于。领导地位；相较之下，国内的磁。。流变液阻尼器研究。工。作起步偏晚，在现阶段还在进行这实验和摸索阶段。

不仅被制成阻尼器，MRF还被装配在研磨工艺、阀门技术和密封工艺、普通的健身器材、机械手构成里的的抓取零部件、装配车。间。不规则。形体的依托。架、以及自动化。仪表、机器人的传。感器和采矿、印刷。。等行业。

在其众多应。用领。域当中，研究。最多、发展最。快的应。用。领域是汽。车。座位。减振器、刹车。器、主动。驱动器。以。及土模机。构。减振器。

众所周知，高层建筑和大型桥梁。受强风等外界不良影响会产生可能破坏其结构的振动，为解决该问题，使用磁流。变液就可以制造阻尼力可控。的阻尼器， 以实现对振动。的半主动控制。

2001年，足尺磁流变液阻尼器在土木结构中得到了首次应用， 日本科学。未来馆的三层和五层之。间分别安装。了两三十吨的磁流变阻。尼器，很好地起到了。抗震减灾的功效。

美国Lord公司的研究人员采取了。混合工作模式开发出。建筑结构抗振的阻尼器， 其最大。阻尼力180千牛，可调整的阻尼。系数十。

在汽车制造行业，利。用磁流变阻尼技术。制造出来的的悬架减振器和汽车座椅。减振系统，大幅提升了汽车使用时的安全性和。舒适性。特尔斐公司利用磁流变阻尼器研制出了汽车悬架系统，实现了可调。节的悬架系统阻。尼。，大幅升高了汽车在使用时的用户体验。 该项目被。评为1999年度世界100。。大科。技成果之一。 该系统已于2000。。年。装车试验。

而美国Lord公司，已成功研制出了在。工。业中实现实时控。制和主动控制的。磁流变阻尼器， 该阻尼器。采用挤压。模式，活塞。为圆盘，电磁线。圈绕制。在外筒上。 由于行。程较小，可采。用有弹性的橡。胶膜片进行密封， 不用在意动力。和滑动密封。并且阻尼器制成后被。全部密封，因此可采取水基磁流。变液， 解决了。油基 (碳氢化合物) 磁流变液与橡胶。的。化学作用。 这种结构。的磁流变。阻尼。器行程受到限。制锁紧装。置， 在阻尼器的外面。。装上弹簧元件就。能制成使阻尼力自由变换的机器发动。机机座，这个发明使减小机体发动机运转引起的机械设备振动多出了新的思路。

此外，磁流变液阻尼器还可运用于洗衣机、天文望远镜、着陆缓冲等诸多领域，市场前景广阔。

比起国外百花齐放的研究现状，我国在这方面的研究起步可以说已经相当晚了， 但是近年来取得。了明显的进步，最近数年。国内就有中科大、复旦、西北工业。大学、重庆大。学。等数十家。科研机构。和院。校也都相继。开展这一方。面的研究工作。研究逐渐深入的过程中，随着磁流变液本身性能的提高,该技。术显。示了巨。大的市场。应用。潜力。国产的磁流变。液及阻尼器。已经进入了工程试验与试。。、用阶段。 哈尔滨。工业大学的欧。进萍等研制的磁流。变阻尼器成功安装于山东。滨州黄河公路大。桥上的部。分斜拉索， 还成功地。应用于渤海某平台。。香港理工大学的倪一清等将。磁流变阻尼器应用于洞庭湖。大桥上，以控。制斜拉索的风雨振。现象， 取得了良。好的效果。 [4]。

磁流变阻尼器归类为为半主动控制的机构。相对而言，它的控制技术在工程应用和技术研究中开始偏晚，可是因为他的可控性能远优于同成本机构，从而获得了较快的发展速度，并且被认为很具有市场潜力，也因此引起了国内外各个方面的高度重视，在中国已有不少单位及个人开始大力研究和磁流变阻尼技术，并投入实际应用。 但磁。流变阻尼。控制理论。与技术。及其应。用依然有不少问题。亟待解决：
（1）磁流变阻尼器的。性能与制。造工艺。需要更好地改进。包括当使用时间长时，磁流变液出现的沉。降现象、确定铁磁材。料和磁流变液的工作。点以及阻尼器的内外。部结构设计等问题。
（2）完善统。一磁流变阻尼器的测试。设备， 以便确定标。准， 更加准确地测。得磁流变阻。尼器的力学性。能，并方便对不。同单位生产的磁。流变阻尼。器进行对比。
（3）由于磁流变阻。尼器的动力学系统呈现复杂的。非线性动力学特征， 目前所建立。的磁流变动力学模。型还不完善， 因此探讨合理。的数学。模型和研究。其非线性动力学。特征存在很重要的理论价值和应用价值。
（4） 实际工程。应用中的磁流变阻。尼器控制系。统以及分析。系统也有待进一步改进和完善。

1.2.2 各种磁滞模型研究现状

很久以来，滞回现象一直是学。术界。广泛探讨与研。究的课题，滞回行。为的研究。涉及物理、 材料、非线。性科学、自控等。众多方面，是特别。有应用。潜力的科研领。域。对于滞回。现象的数。学建。模，在历来。的研。究中也。被充分的讨。论与研究。

滞回现象的一般特性。已被总结出来，这些特性主要有：擦除特性（wiping-out property）、返回点记忆特性（return-point memory）和同余特性（minor-loop congruence property）等。

为描述滞回现象。而建立的模型具有多种分类方式：如按物理及半。物理模型进行分类，前者是根据物理。现象总结的模型，后者则是唯像模型；前者包括JA模型。麦克斯韦模型。等，而后者包括类齿。隙模型、简化戴逸模型、类神经网络模型、Bouc-Wen模型、多项式。近似模。型及本文所采用的Preisach模型[5]。各种模型的。特点可用下表描述：

表 1.1 滞回模型的比较

可以看到，Preisach模型是现阶段公认的，能最完整描述滞回特性的模型。

1935年，德国学者Preisach就铁磁材料中普遍存在的磁滞现象建立的经典Preisach模型。随后，70年代两名前苏联学者使用泛函分析法对各式各样的磁滞现象进行了抽象化处理，同时得出了Preisach模型中的单个磁偶极子可以用别的拥有磁滞现象的单元替代。与此同时进行的，美国学者Mayergoyz将Preisach模型应用到了具体工程中去并且出版了相关专著，总结了该方面的研究成果。1990年，Restorff和Clark在超磁致伸。缩材料领域首次应用了Preisach模型，建造出GMM的Preisach模型。随后两人通过进一步研究，又提出了使用在力学上的Preisach模型。

1.3 测试磁流变液阻尼器的方法

该节主要介绍参考文献[7]中给出的测试回转式磁流变液阻尼器的方法。该方法为本文使用的实验平台设计提供了重要参考。

该文献针对回转。式磁流变液阻尼器。研究的需要，使用了通用工。控机作为实验用具，LabVIEW 进行上位机显示，成功制造出一套阻尼器性。能测试实验系统。其总体结构。如下图所示：

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