CN103034254A - 基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法，它把四个半主动的磁流变脂隔振器安置于浮置板下，能够抑制浮置板在垂向、横摇、纵摇上的振动能量；充分利用了磁流变脂隔振器可控阻尼优势，采用不依赖数学模型的垂向-横摇-纵摇模糊隔振控制及自适应策略，在宽频范围内分别降低浮置板振动能量在垂、横、纵三个方向上向地基的传递，克服了传统被动隔振器不能随激振变化自适应调节阻尼值、低频隔振效果差等系列问题，可以解决地铁浮置板轨道多向振动耦合的宽频隔振难题。

Description

基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别是一种基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法。

背景技术

地铁浮置板轨道既是地铁交通的振源也是将轮轨振动向地基传递的中间途径，其振动具有宽频、多方向耦合特征，能在较宽频范围隔振的轨道支承***，可以有效降低轮轨振动能量的传播，减少对地铁沿线建筑物结构、居民生活、精密仪器的不良影响和危害.

目前，浮置板一般采用橡胶、钢弹簧被动隔振***，能够在较宽频范围内实现轮轨振动的有效隔离，但被动隔振器其参数不能根据激振情况实时可调可控，尤其是对小于20Hz的低频振动隔离能力不足，而这些低频振动却对人体、精密仪器有着重大的影响。

近年来，磁流变智能器件成为隔振装置的重要发展方向，国内外对磁流变材料器件的研究已经基本成熟，广泛应用于车辆、航空航天机械、动力装置***的隔减振中。其中，用磁流变脂制成的隔振器，能够在可控电流产生的可控磁场下，通过改变磁流变脂的流动特性，在宽频范围实现阻尼可调可控，且长期放置无沉降性。因此，可用基于磁流变脂器件的浮置板轨道振动隔离方式，充分利用磁流变脂器件具有的阻尼宽频可控优势进行隔振。但地铁运行产生的轮轨激振是一个宽频的垂向、纵横摇耦合振动，具有不确定性，难以建立精确数学模型，需要采用兼顾多向振动的半主动控制方法。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法，它采用一种不依赖于精确模型的半主动控制方法，根据激振方向、激振频率和振动能量传递率来改变隔振器的阻尼值，达到有效隔振的效果。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有作为浮置板下方四个支承点的四个磁流变脂隔振器、四个分别安装在浮置板四个支承点上的加速度传感器和四个分别安装在四个隔振器下端的力传感器，所述隔振器含并联的磁流变脂阻尼器和橡胶元件，具体控制方法如下：

1）通过加速度传感器采集隔振器正上方浮置板各点的振动加速度；通过力传感器采集轮轨激励传给地基的垂向振动力；

2）对步骤1）中采集到的振动加速度信号进行快速傅立叶变换，把三个最大振动能量对应的频率作为浮置板的三个振动激励主频率；用力传感器采集到的垂向振动力信号结合浮置板和隔振器的位置关系，计算出力矩传递率；

3）以浮置板振动的各激励频率和垂向力矩传递率作为输入，采用模糊推理控制的方式推导不同频率下隔振器的垂向阻尼值，再根据各频率对应的振幅大小，采用加权平均法分别计算出各隔振器的垂向阻尼初值；

4）以轮轨激振力的各激振频率和浮置板横摇纵摇力矩传递率为输入，采用模糊推理控制的方式推导不同频率下各磁流变脂隔振器的横摇纵摇阻尼值再根据各频率对应的振幅大小，采用加权平均法分别计算出各隔振器的横摇阻尼初值和纵摇阻尼初值；

5）根据步骤3）和步骤4）计算得到的隔振器的垂向、横摇和纵摇的阻尼初值，计算每个隔振器的最终阻尼值；

6）根据每个隔振器的最终阻尼值求解隔振器的控制电流。

进一步，步骤3）中所述模糊推理控制规则为：在振动激励频率相对较小的工作区域采用相对较大阻尼；在振动激励频率相对较大工作区域采用相对较小阻尼；在基座受到的垂向绝对力传递率相对较大时，采用相对较大阻尼；在基座受到的绝对力传递率相对较小时，采用相对较小阻尼，垂向阻尼模糊推理规则表如下：

模糊化输入变量时，振动激励频率和力的传递率的模糊子集分别为W、TZ，输出变量垂向阻尼的模糊子集为C，输入输出变量的模糊语言值都设置为零ZE、正小PS、正中PM、正大PB、正最大PL。

进一步，步骤4）中所述模糊推理控制规则为：建立横、纵摇隔振模糊控制规则，根据浮置板振动各激励频率和力矩传递率，实时改变隔振器的横、纵摇阻尼值；浮置板隔振***若能很好的抑制横、纵摇力矩，则在低频段各个隔振器采用中等大小的阻尼值，若在高频段，各个隔振器采用较小的阻尼值；横、纵摇力矩若被放大，如果在低频段，就增加阻尼值，且在横、纵摇向幅度较大的那侧其隔振器使用大阻尼、另一侧使用中等阻尼；若在高频段，横、纵摇向幅度较大的其隔振器使用中等阻尼，另一侧使用小阻尼；横摇阻尼模糊控制规则如下表：

纵摇阻尼模糊控制规则如下表：

振动激励频率、横摇力矩传递率、纵摇力矩传递率的模糊子集分别为W、TX、TY，横、纵摇阻尼的模糊子集为C，输入激振频率和输出阻尼的模糊语言值均为零ZE、正小PS、正中PM、正大PB、正最大PL，输入力矩传递率的模糊语言值为负大NB、负小NS、零ZE、正小PS、正大PB。

进一步，步骤3）中计算垂向阻尼初值的方法为：

根据垂向阻尼模糊推理规则表，得到各条推理规则的R_γ计算公式为：

R_γ=W_l×C_n∩T_m×C_n=R_Wγ∩R_Tγ  l,m,n=1,2,…,5；γ=1,2,…,25

式中，W_l、T_m、C_n分别是模糊子集W、TZ、C中的元素，R_Wγ和R_Tγ分别为振动激励频率和垂向力传递率对应的规则；

已知振动激励频率输入为ω₀，力的传递率为T_Z0，可以得到控制量C_n：

设K_o表示输出比例因子，

表示垂向阻尼各状态输出的权重，反模糊化得到半主动控制器的输出垂向阻尼值C_zij：

$C_{\mathrm{zij}}=K_o\·\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{o_n}\left(C_n\right)C_n\right]/\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{o_n}\left(C_n\right)\right]$

根据各个频率下垂向振动的幅值A_j，用加权平均法计算获得各个隔振器的垂向隔振阻尼初值：

$C_{\mathrm{Zi}}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j{C}_{\mathrm{zij}}/\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j,i=\mathrm{1,2,3,4}$

其中C_zi为各个隔振器垂向隔振阻尼初值；i＝1,2,3,4分别表示四个隔振器。

进一步，步骤4）中计算横向阻尼初值的方法为：

根据横摇阻尼模糊推理规则表，得到各条推理规则的R_x计算公式为：

R_x=W_l×C_n∩T_x×C_n=R_Wx∩R_Tx  l,m,n=1,2,…,5；x=1,2,…,25

式中，W_l、T_x、C_n分别是模糊子集W、TX、C中的元素，R_Wx和R_Tx分别为振动激励频率和横摇力矩传递率对应的规则；

已知振动激励频率输入为ω₀，横摇力矩的传递率为T_X0，可以得到控制量C_Xn：

设K_x表示输出比例因子，

表示横向阻尼各状态输出的权重，反模糊化得到半主动控制器的输出横向阻尼值C_xij：

$C_{\mathrm{xij}}=K_x\·\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{x_n}\left(C_n\right)C_n\right]/\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{x_n}\left(C_n\right)\right]$

根据各个主频率下横摇力矩的幅值X_j，用加权平均法计算获得各个隔振器的横向隔振阻尼初值：

$C_{\mathrm{Mxi}}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{X}_j{C}_{\mathrm{xij}}/\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{X}_j,i=\mathrm{1,2,3,4}$

其中C_Mxi为各个隔振器横向隔振阻尼初值；i＝1,2,3,4分别表示四个隔振器。

进一步，步骤4）中计算纵向阻尼初值的方法为：

根据纵摇阻尼模糊推理规则表，得到各条推理规则的R_y计算公式为：

R_y=W_l×C_n∩T_y×C_n=R_Wy∩R_Ty  l,m,n=1,2,…,5；y=1,2,…,25

式中，W_l、T_y、C_n分别是模糊子集W、TY、C中的元素，R_Wy和R_Ty分别为振动激励频率和纵摇力矩传递率对应的规则；

已知振动激励频率输入为ω₀，纵摇力矩的传递率为T_y0，可以得到控制量C_yn：

设K_y表示输出比例因子，

表示纵向阻尼各状态输出的权重，反模糊化得到半主动控制器的输出纵向阻尼值C_yij：

$C_{\mathrm{yij}}=K_y\·\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{y_n}\left(C_n\right)C_n\right]/\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{y_n}\left(C_n\right)\right]$

根据各个主频率下纵摇力矩的幅值Y_j，用加权平均法计算获得各个隔振器的纵向隔振阻尼初值：

$C_{\mathrm{Myi}}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_j{C}_{\mathrm{yij}}/\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_j,i=\mathrm{1,2,3,4}$

其中C_Myi为各个隔振器纵向隔振阻尼初值；i＝1,2,3,4分别表示四个隔振器。

进一步，步骤5）中计算每个隔振器的最终阻尼值的公式为：

C_i=k_ziC_zi+k_MxiC_Mxi+k_MyiC_i  i＝1,2,3,4

其中，C_i为每个隔振器最终的阻尼值，k_zi、k_Mxi、k_Myi分别为垂向、横摇、纵摇各个隔振器阻尼值的调节参数，i＝1,2,3,4代表了四个隔振器，具体计算步骤如下：

5-1）设定浮置板垂向-横摇-纵摇三目标隔振模拟退火模型

选取各个阻尼调节参数作为优化的状态变量：

X=[k_z1,k_z2,k_z3,k_z4,k_Mx1,k_Mx2,k_Mx3,k_Mx4,k_My1,k_My2,k_My3,k_My4]^T

***优化的目标函数公式为：T_z(X)=Min,T_x(X)=Min,T_y(X)=Min

通过加权方法将三个目标函数线性的组合成一个函数：

E(X)=E_zT_z(X)+E_xT_x(X)+E_yT_y(X)

其中0<E_z、E_x、E_y<1，并且E_z+E_x+E_y=1；

5-2）初始化相关参数

设各个隔振器的阻尼调整参数值都在0至1之间，初始化最优值状态变量为X=[1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1]；初始化停止温度为T；

5-3）更新最优解

更新最优状态值X_new，X_new在X领域随机选择而产生；

5-4）计算目标函数值及其增量

取E_z>E_x(E_y)且E_x=E_y，将当前最优状态X_new带入目标函数

E(X)=E_zT_z(X)+E_xT_x(X)+E_yT_y(X)

计算目标函数值E(X_new)以及其增量，再根据Metropolis规则判断是否接受X_new：

$p=\left\{\begin{array}{cc}1& E\left(X_{\mathrm{new}}\right)<E\left(X_{\mathrm{old}}\right)\\ \exp (-\frac{E\left(X_{\mathrm{new}}\right)-E\left(X_{\mathrm{old}}\right)}{T})& E\left(X_{\mathrm{new}}\right)\&GreaterEqual;E\left(X_{\mathrm{old}}\right)\end{array}\right.$

5-5）优化结束

判断是否满足终止条件T≤T₀，若不满足转向步骤5-2），若满足则优化结束并计算出隔振器的最终控制阻尼值C_i，i＝1,2,3,4分别表示4个隔振器。

进一步，步骤6）中根据每个隔振器的最终阻尼值求解隔振器的控制电流的公式为：C_MRG=(aI+b)e^-ρf+d

其中，C_MRG为最终阻尼值；a、b、ρ、d为常系数；f为隔振器工作频率。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明把四个半主动的磁流变脂隔振器安置于浮置板下，能够抑制浮置板在垂向、横摇、纵摇上的振动能量；充分利用了磁流变脂隔振器可控阻尼优势，采用不依赖数学模型的垂向-横摇-纵摇模糊隔振控制及自适应策略，在宽频范围内分别降低浮置板振动能量在垂、横、纵三个方向上向地基的传递，克服了传统被动隔振器不能随激振变化自适应调节阻尼值、低频隔振效果差等系列问题，可以解决地铁浮置板轨道多向振动耦合的宽频隔振难题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的结构示意图；

图2为控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法，针对地铁浮置板在铅垂方向上的振动及横摇和纵摇振动，采用磁流变脂阻尼器和橡胶元件并联构成的半主动隔振器，结合加速度传感器和力传感器，构成可控阻尼的地铁轨道多向振动隔离方式。如图1所示，原点G代表浮置板静平衡质心位置，X轴平行于轨道方向，Z轴平行于浮置板中心线指向浮置板上方，垂直于地基，Y轴垂直于X、Z坐标轴，C_i表示磁流变脂隔振器的阻尼系数。磁流变脂隔振器分别放置于浮置板下方的四个支承点，上下端分别与浮置板底部和地基相接，主要表现出可控阻尼C_i；加速度传感器分别安装在靠近隔振器上端的浮置板上，可测浮置板振动；力传感器分别安装在隔振器下端的基座上，可测传递到地基的力；控制器用于计算各磁流变脂隔振器的在不同激振状态下的阻尼值，抑制浮置板振动能量向地基的传递。

加速度传感器获取磁流变脂隔振器正上方浮置板各点的振动加速度，对加速度信号进行快速傅立叶变换，把三个最大振动能量对应的频率作为浮置板振动激励的三个主频率；力传感器信号获取轮轨激励传给地基的垂向振动力，结合浮置板和隔振器位置关系，计算出其相应的力矩传递率。

地铁浮置板主要表现出为垂向、横摇和纵摇振动，地铁运行中产生的各向振动具有动态不确定性，难以建立精确模型，必须采用不依赖于精确模型的半主动控制方法。因此，对基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动隔离问题，用基于模糊推理及自适应优化算法的垂向-横摇-纵摇隔振控制求解是合适的，即根据浮置板振动激励频率、力矩的传递率，经过模糊自适应控制后改变各隔振器阻尼值，抑制三向振动能量的传递。

由隔振理论，要在宽频范围内抑制基于磁流变技术的浮置板垂向振动能量向地基的传递，关键是根据浮置板振动激励频率和力传递率来改变隔振器的垂向阻尼。以浮置板振动的各激励频率和力传递率作为半主动控制器输入量，采用模糊推理方式，求解不同频率下隔振器的阻尼值。

输入量和输出量采用不同的三角形隶属函数。模糊化输入变量时，振动激励频率和力的传递率的模糊子集分别为W、TZ，输出变量垂向阻尼的模糊子集为C，输入输出变量的模糊语言值都设置为零ZE、正小PS、正中PM、正大PB、正最大PL。

建立垂向隔振模糊控制规则时，根据浮置板垂向振动各激励频率和力传递率，实时改变各隔振器垂向阻尼值。在振动激励频率较小工作区域尽量采用较大阻尼，在振动激励频率较大工作区域采用较小阻尼；同时，在基座受到的垂向绝对力传递率较大时，采用较大阻尼，而在绝对力传递率较小时采用较小阻尼。再根据频率加权平均法分别计算出磁流变脂隔振器在垂向的阻尼初值。表1是求解隔振器垂向阻尼的模糊推理规则表。

表1求解垂向阻尼的模糊控制规则

由于轮轨激振具有多频、多方向的特点，浮置板轨道振动会在隔振器上产生横摇、纵摇反力矩，为了使浮置板保持稳定且让隔振***具有更好的整体隔振效果，通过计算得出隔振器产生的横摇、纵摇反力矩，结合力矩传递系数，对各隔振器在基础上产生的横摇、纵摇动反力矩加以抑制。模糊控制器的输入为轮轨激振力的各激振频率ω_j（j=1,2,3）、浮置板横摇、纵摇力矩传递率T_x、T_y，输出为在不同频率下各磁流变脂隔振器的横、纵摇阻尼值c_Mxij、c_Myij。

振动激励频率、横摇力矩传递率和纵摇力矩传递率的模糊子集分别为W、TX、TY，横、纵摇阻尼的模糊子集为C，输入激振频率和输出阻尼的模糊语言值均为零ZE、正小PS、正中PM、正大PB、正最大PL，输入力矩传递率的模糊语言值为负大NB、负小NS、零ZE、正小PS、正大PB表示。

建立横、纵摇隔振模糊控制规则，根据浮置板振动各激励频率和力矩传递率，实时改变隔振器的横、纵摇阻尼值。浮置板隔振***若能很好的抑制横、纵摇力矩，则在低频段各个隔振器采用中等大小的阻尼值，若在高频段，各个隔振器采用较小的阻尼值。横、纵摇力矩若被放大，如果在低频段，就增加阻尼值，且在横、纵摇向幅度较大的那侧其隔振器使用大阻尼、另一侧使用中等阻尼；若在高频段，横、纵摇向幅度较大的其隔振器使用中等阻尼，另一侧使用小阻尼。再根据频率加权平均法分别计算出各个磁流变脂隔振器横、纵摇的阻尼初值。表2是求解横摇阻尼的模糊推理规则表，表3是求解纵摇阻尼的模糊推理规则表。

表2求解横摇阻尼的模糊控制规则

表3求解纵摇阻尼的模糊控制规则

推理求解隔振器的垂向、横摇、纵摇阻尼。这里以求垂向阻尼为例，根据表1，可以得到各条推理规则R_γ的计算公式：

R_γ=W_l×C_n∩T_m×C_n=R_Wγ∩R_Tγ  l,m,n=1,2,…,5；γ=1,2,…,25

式中，W_l、T_m、C_n分别是模糊子集W、TZ、C中的元素，R_Wγ和R_Tγ分别为某振动激励频率和某垂向力传递率对应的规则。

如果已知振动激励频率输入为ω₀，力的传递率为T_Z0，则由表1的各条规则推理后，可以得到控制量C_n：

最后，设K_o表示输出比例因子，

表示垂向阻尼各状态输出的权重，反模糊化得到半主动控制器的输出垂向阻尼值C_zij：

$C_{\mathrm{zij}}=K_o\&CenterDot;\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_{o_n}\left(C_n\right)C_n\right]/\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_{o_n}\left(C_n\right)\right]$

因为不同的频率经过模糊控制得到的垂向阻尼值是不同的，在这里结合各个频率下振动的垂向幅值A_j，用加权平均法计算获得各个隔振器的垂向隔振阻尼初值。

$C_{\mathrm{Zi}}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_j{C}_{\mathrm{zij}}/\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_j,i=\mathrm{1,2,3,4}$

其中C_zi为各个隔振器垂向隔振阻尼初值；i＝1,2,3,4分别表示前左、前右、后左、后右的隔振器。

同样，可以由模糊推理得到半主动控制器计算出的各隔振器横摇阻尼值C_Mxi、纵摇阻尼值C_Myi。

由于浮置板垂向、横摇、纵摇三个方向的振动之间存在着一定的非线性耦合关系，要对这三个方向耦合振动进行解耦是非常难的，但是各个隔振器的输出只能为一个阻尼值C_i，所以要兼顾浮置板在垂向-横摇-纵摇耦合振动隔离，以降低浮置板整体的振动能量传递为目标，计算出每个隔振器的最终阻尼值，设

C_i=k_ziC_zi+k_MxiC_Mxi+k_MyiC_Myi  i＝1,2,3,4

其中，C_i为每个隔振器最终的阻尼值，k_zi、k_Mxi、k_Myi分别为垂向、横摇、纵摇各个隔振器阻尼值的调节参数，i＝1,2,3,4代表了前左、前右、后左、后右的隔振器。这里采用模拟退火算法优化隔振器阻尼调节参数，解决浮置板垂向-横摇-纵摇振动间相互制约又相互协调的关系，实现在浮置板轨道三个振动方向隔振的自适应优化。具体优化步骤为：

1、设定浮置板垂向-横摇-纵摇三目标隔振模拟退火模型

选取各个阻尼调节参数作为优化的状态变量，如下：

X=[k_z1,k_z2,k_z3,k_z4,k_Mx1,k_Mx2,k_Mx3,k_Mx4,k_My1,k_My2,k_My3,k_My4]^T

改变X中参数的值，从而改变各个隔振器的最终输出阻尼值，进而改变浮置板轨道磁流变隔振方式的垂向力传递率T_z、横摇力矩传递率T_x和纵摇力矩传递率T_y，因此***优化的目标函数可用下式表示：

T_z(X)=Min,T_x(X)=Min,T_y(X)=Min

为了便于模拟退火模型求解，由于表示能量传递形式的目标函数都是非负值，可以通过加权方法将三个目标函数线性的组合成一个函数，将三目标转化为单目标问题，如下式。

E(X)=E_zT_z(X)+E_xT_x(X)+E_yT_y(X)

其中0<E_z、E_x、E_y<1，并且E_z+E_x+E_y=1。

2、初始化相关参数

设各个隔振器的阻尼调整参数值都在0至1之间，初始化最优值状态变量为X=[1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1]；为了避免算法陷入局部最优，模拟退火算法中初始温度T₀要求充分的高，且设初始化停止温度为T。

3、更新最优解

更新最优状态值X_new，且X_new是在X领域随机选择的而生产的。

4、计算目标函数值及其增量

由于浮置板轨道垂向激振是最主要的，其权重在垂向-横摇-纵摇耦合隔振中占有主导地位，取E_z>E_x(E_y)且E_x=E_y，将当前最优状态X_new带入目标函数E(X)=E_zT_z(X)+E_xT_x(X)+E_yT_y(X)计算目标函数值E(X_new)以及其增量，再根据Metropolis

判断是否满足终止条件T≤T₀，若满足，计算结束，否则转向步骤②。如此得到最终最优解，从而得到各个隔振器的最佳阻尼调节系数。

最后根据模拟退火算法得到的最优阻尼调节参数计算出各个隔振器的最终控制阻尼值C_i，i＝1,2,3,4分别表示前左、前右、后左、后右的隔振器。

在得到了各个隔振器的最终阻尼值后，由于磁流变隔振器是用电流驱动的，因此还需要求解磁流变脂隔振器的可控输入电流值大小。

下式表明了磁流变脂隔振器的阻尼特性与电流的关系，根据这些关系和求解出来的隔振器最终阻尼值，求解控制电流。

C_MRG=(aI+b)e^-ρf+d

其中，C_MRG为阻尼值；a、b、ρ、d为常系数；f为隔振器工作频率。特别地，当电流I=0时，代表了该类磁流变脂阻尼器工作于被动隔振方式。

控制器接电流驱动器后，按上述公式把阻尼值转换成驱动电流，然后该驱动电流输入磁流变脂隔振器，改变隔振器中线圈产生的磁场强度，使磁流变隔振器表现出受控的阻尼值，在宽频隔振范围内实现基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板垂向-横摇-纵摇振动的模糊自适应控制，降低浮置板轨道振动的整体能量传递率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法，其特征在于，包括有作为浮置板下方四个支承点的四个磁流变脂隔振器、四个分别安装在浮置板四个支承点上的加速度传感器和四个分别安装在四个隔振器下端的力传感器，所述隔振器含并联的磁流变脂阻尼器和橡胶元件，具体控制方法如下：

1）通过加速度传感器采集隔振器正上方浮置板各点的振动加速度；通过力传感器采集轮轨激励传给地基的垂向振动力；

2）对步骤1）中采集到的振动加速度信号进行快速傅立叶变换，把三个最大振动能量对应的频率作为浮置板的三个振动激励主频率；用力传感器采集到的垂向振动力信号结合浮置板和隔振器的位置关系，计算出力矩传递率；

3）以浮置板振动的各激励频率和垂向力矩传递率作为输入，采用模糊推理控制的方式推导不同频率下隔振器的垂向阻尼值，再根据各频率对应的振幅大小，采用加权平均法分别计算出各隔振器的垂向阻尼初值；

4）以轮轨激振力的各激振频率和浮置板横摇纵摇力矩传递率为输入，采用模糊推理控制的方式推导不同频率下各磁流变脂隔振器的横摇纵摇阻尼值再根据各频率对应的振幅大小，采用加权平均法分别计算出各隔振器的横摇阻尼初值和纵摇阻尼初值；

5）根据步骤3）和步骤4）计算得到的隔振器的垂向、横摇和纵摇的阻尼初值，计算每个隔振器的最终阻尼值；

6）根据每个隔振器的最终阻尼值求解隔振器的控制电流。

2.如权利要求1所述的基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法，其特征在于，步骤3）中所述模糊推理控制规则为：在振动激励频率相对较小的工作区域采用相对较大阻尼；在振动激励频率相对较大工作区域采用相对较小阻尼；在基座受到的垂向绝对力传递率相对较大时，采用相对较大阻尼；在基座受到的绝对力传递率相对较小时，采用相对较小阻尼，垂向阻尼模糊推理规则表如下：

模糊化输入变量时，振动激励频率和力的传递率的模糊子集分别为W、TZ，输出变量垂向阻尼的模糊子集为C，输入输出变量的模糊语言值都设置为零ZE、正小PS、正中PM、正大PB、正最大PL。

3.如权利要求2所述的基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法，其特征在于，步骤4）中所述模糊推理控制规则为：建立横、纵摇隔振模糊控制规则，根据浮置板振动各激励频率和力矩传递率，实时改变隔振器的横、纵摇阻尼值；浮置板隔振***若能很好的抑制横、纵摇力矩，则在低频段各个隔振器采用中等大小的阻尼值，若在高频段，各个隔振器采用较小的阻尼值；横、纵摇力矩若被放大，如果在低频段，就增加阻尼值，且在横、纵摇向幅度较大的那侧其隔振器使用大阻尼、另一侧使用中等阻尼；若在高频段，横、纵摇向幅度较大的其隔振器使用中等阻尼，另一侧使用小阻尼；横摇阻尼模糊控制规则如下表：

纵摇阻尼模糊控制规则如下表：

振动激励频率、横摇力矩传递率、纵摇力矩传递率的模糊子集分别为W、TX、TY，横、纵摇阻尼的模糊子集为C，输入激振频率和输出阻尼的模糊语言值均为零ZE、正小PS、正中PM、正大PB、正最大PL，输入力矩传递率的模糊语言值为负大NB、负小NS、零ZE、正小PS、正大PB。

4.如权利要求3所述的基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法，其特征在于，步骤3）中计算垂向阻尼初值的方法为：

根据垂向阻尼模糊推理规则表，得到各条推理规则的R_γ计算公式为：

R_γ＝W_l×C_n∩T_m×C_n＝R_Wγ∩R_Tγ  l，m，n＝1，2，…，5；  γ＝1，2，…，25

式中，W_l、T_m、C_n分别是模糊子集W、TZ、C中的元素，R_Wγ即和R_Tγ分别为振动激励频率和垂向力传递率对应的规则；

己知振动激励频率输入为ω₀，力的传递率为T_Z0，可以得到控制量C_n：

设K_o表示输出比例因子，

表示垂向阻尼各状态输出的权重，反模糊化得到半主动控制器的输出垂向阻尼值C_zij：

$C_{\mathrm{zij}}=K_o\&CenterDot;\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_{o_n}\left(C_n\right)C_n\right]/\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_{o_n}\left(C_n\right)\right]$

根据各个频率下垂向振动的幅值A_j，用加权平均法计算获得各个隔振器的垂向隔振阻尼初值：

$C_{\mathrm{Zi}}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_j{C}_{\mathrm{zij}}/\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_j,i=\mathrm{1,2,3,4}$

其中C_zi为各个隔振器垂向隔振阻尼初值；i＝1，2，3，4分别表示四个隔振器。

5.如权利要求4所述的基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法，其特征在于，步骤4)中计算横向阻尼初值的方法为：

根据横摇阻尼模糊推理规则表，得到各条推理规则的R_x计算公式为：

R_x=W_l×C_n∩T_x×C_n＝R_Wx∩R_Tx  l，m，n＝1，2，…，5；x＝1，2，…，25

式中，W_l、T_x、C_n分别是模糊子集W、TX、C中的元素，R_Wx和R_Tx分别为振动激励频率和横摇力矩传递率对应的规则；

己知振动激励频率输入为ω₀，横摇力矩的传递率为T_X0，可以得到控制量C_Xn：

设K_x表示输出比例因子，

表示横向阻尼各状态输出的权重，反模糊化得到半主动控制器的输出横向阻尼值C_xij：

$C_{\mathrm{xij}}=K_x\&CenterDot;\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_{x_n}\left(C_n\right)C_n\right]/\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_{x_n}\left(C_n\right)\right]$

根据各个主频率下横摇力矩的幅值X_j，用加权平均法计算获得各个隔振器的横向隔振阻尼初值：

$C_{\mathrm{Mxi}}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_j{C}_{\mathrm{xij}}/\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_j$ i＝1，2，3，4

其中C_Mxi为各个隔振器横向隔振阻尼初值；i＝1，2，3，4分别表示四个隔振器。

6.如权利要求5所述的基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法，其特征在于，步骤4)中计算纵向阻尼初值的方法为：

根据纵摇阻尼模糊推理规则表，得到各条推理规则的R_y计算公式为：

R_y＝W_l×C_n∩T_y×C_n＝R_Wy∩R_Ty  l，m，n＝1，2，…，5；y＝1，2，…，25

式中，W_l、T_y、C_n分别是模糊子集W、TY、C中的元素，R_Wy和R_Ty分别为振动激励频率和纵摇力矩传递率对应的规则；

己知振动激励频率输入为ω₀，纵摇力矩的传递率为T_Y0，可以得到控制量C_Yn：

设K_y表示输出比例因子，

表示纵向阻尼各状态输出的权重，反模糊化得到半主动控制器的输出纵向阻尼值C_yij：

$C_{\mathrm{yij}}=K_y\&CenterDot;\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_{y_n}\left(C_n\right)C_n\right]/\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_{y_n}\left(C_n\right)\right]$

根据各个主频率下纵摇力矩的幅值Y_j，用加权平均法计算获得各个隔振器的纵向隔振阻尼初值：

$C_{\mathrm{Myi}}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_j{C}_{\mathrm{yij}}/\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_j$ i＝1，2，3，4

其中C_Myi为各个隔振器纵向隔振阻尼初值；i＝1，2，3，4分别表示四个隔振器。

7.如权利要求6所述的基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法，其特征在于，步骤5)中计算每个隔振器的最终阻尼值的公式为：

C_i＝k_ziC_zi+k_MxiC_Mxi+k_MyiC_Myi  i＝1，2，3，4

其中，C_i为每个隔振器最终的阻尼值，k_zi、k_Mxi、k_Myi分别为垂向、横摇、纵摇各个隔振器阻尼值的调节参数，i＝1，2，3，4代表了四个隔振器，具体计算步骤如下：

5-1)设定浮置板垂向-横摇-纵摇三目标隔振模拟退火模型

选取各个阻尼调节参数作为优化的状态变量：

X＝[k_z1，k_z2，k_z3，k_z4，k_Mx1，k_Mx2，k_Mx3，k_Mx4，k_My1，k_My2，k_My3，k_My4]^T

***优化的目标函数公式为：T_z(X)＝Min，T_x(X)＝Min，T_y(X)＝Min

通过加权方法将三个目标函数线性的组合成一个函数：

E(X)＝E_zT_z(X)+E_xT_x(X)+E_yT_y(X)

其中0＜E_z、E_x、E_y＜1，并且E_z+E_x+E_y＝1；

5-2)初始化相关参数

设各个隔振器的阻尼调整参数值都在0至1之间，初始化最优值状态变量为X＝[1，1，l，1，1，1，1，1，1，1，1，1]；初始化停止温度为T；

5-3）更新最优解

更新最优状态值X_new，X_new在X领域随机选择而产生；

5-4）计算目标函数值及其增量

取E_z>E_x(E_y)且E_x=E_y，将当前最优状态X_new带入目标函数

E(X)=E_zT_z(X)+E_xT_x(X)+E_yT_y(X)

计算目标函数值E(X_new)以及其增量，再根据Metropolis规则判断是否接受X_new：

$p=\left\{\begin{array}{cc}1& E\left(X_{\mathrm{new}}\right)<E\left(X_{\mathrm{old}}\right)\\ \exp (-\frac{E\left(X_{\mathrm{new}}\right)-E\left(X_{\mathrm{old}}\right)}{T})& E\left(X_{\mathrm{new}}\right)\&GreaterEqual;E\left(X_{\mathrm{old}}\right)\end{array}\right.$

5-5）优化结束

判断是否满足终止条件T≤T₀，若不满足转向步骤5-2），若满足则优化结束并计算出隔振器的最终控制阻尼值C_i，i＝1,2,3,4分别表示4个隔振器。

8.如权利要求1所述的基于磁流变脂隔振器的地铁浮置板三向振动控制方法，其特征在于，步骤6）中根据每个隔振器的最终阻尼值求解隔振器的控制电流的公式为：C_MRG=(aI+b)e^-ρf+d

其中，C_MRG为最终阻尼值；a、b、ρ、d为常系数；f为隔振器工作频率。

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