0 引言
磁流变液作为一种新型的智能材料已在汽车、建筑、航空、机械、医疗等领域得到了广泛的研究与应用,但在飞机减震器上的研究目前所见资料甚少。本文利用磁流变液阻尼可控性以及模糊控制理论,对磁流变减震器进行了半主动控制系统研究,通过仿真与被动控制减振系统进行比较,得出前者减震效果明显优于后者。就此,探讨了这种新型减震器在飞机起落架上应用的可行性。
1 起落架减震系统模型分析
飞机在着陆冲击以及在不平跑道上高速运行时,都会产生较大的冲击载荷。为避免过大的载荷产生,现代飞机都装有减震器和轮胎。通常把减震器和轮胎组成的系统叫做减震系统。飞机起落架的减震系统主要由减震器和轮胎组成,其中减震器起主要作用。图1为以磁流变液作为减震油液的飞机减震系统模型。
假设:起落架的运动只限于垂直地面的运动,忽略减震器腔体、支柱以及机轮的结构变形,假定阻尼油液是不可压缩的,则图1飞机起落架减震系统可简化为图2模型,其中质量m代表负载,x1表示振动激励的位移,x3表示负载的位移。列出该模型的运动学微分方程:
F(I)为可控屈服阻尼力,其大小与电流强度有关。因此,可以通过控制器来调节输给磁流变减震器的电流大小,从而改变减震器阻尼力,实现起落架系统的半主动控制。
2 模糊控制器的设计
根据以上模型,在设计磁流变减震器模糊控制器时选取负载垂直方向的加速度与参考模型的加速度值的差值作为控制器输入变量e,选取差值的变化率作为另一输入变量ec,选取加到减震器上的电流值为输出变量u(图2)。
选用二维模糊控制器,输入取NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL这7个语言值。输出取ZO、S、SM、M、SL、ML、L这7个语言变量。输入、输出变量隶属度函数选用trimf型函数(图3)。
对上述进行规一化处理,应用振动系统动力学分析的结论和已有文献得出的规律,得出半主动模糊控制规则表(表1)。模糊推理和解模糊化方法分别采用Mamdani推理法和面积重心法。
3 仿真结果与分析
以K= 30000 Nm-1,M= 50 kg,C= 25000Nms-1时,振源输出为正弦激励,振幅为8 mm,频率为0.3 Hz时,对被动控制和半主动控制进行仿真分析,如图4a所示。由于负载垂直方向加速度是评价减震效果的主要指标,因此,比较被动控制和半主动控制在相同震动激励下的负载加速度值的大小,可以得出二者减震效果的优劣。由仿真结果比较可以看出采用半主动模糊控制的加速度值比被动控制有显著的下降，峰值下降30%,从而提高了减震效果。
为了检验在随机激励作用下模糊控制算法的有效性,将同一白噪声激励下被动控制和采用半主动模糊控制的负载加速度进行比较,负载加速度随时间变化如图4b所示。可以看出,模糊控制下的加速度峰值和标准差小于被动控制下的值。说明在随机激励下,模糊控制器可以有效的减少负载的加速度值,较好的抑制震动的传导,减震效果较优。
4 结论及展望
设计了一种磁流变减震器的模糊控制器,应用于起落架减震系统。模型仿真结果优于被动控制,且控制方法简单,成本较低,无噪音和冲击,可根据外界激励,通过控制器控制输入电流,从而实现控制其阻尼力的变化。本文从减震效果分析,表明磁流变减震器应用于飞机起落架上具有可行性。在飞机起飞着陆过程中,可更有效地减缓起落架受地面的负载冲击,达到提高乘员舒适性的目的。
从磁流变减震器的阻尼特性方面考虑,其在飞机起落架减震系统中应用有很好的发展前景。但从磁流变液与目前所采用的减震器中的液压油相比,磁流变液的稳定性、流动性还不够好,并且有一定的磁滞现象,组成的磁流变液减震器动力特性复杂,特别是磁流变液减震器在工作时,必须要施加电流产生磁场,磁场是否对飞机上的电子设备产生干扰,这些都是值得研究和关注的问题。
