CN106286685B - 压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置及其控制方法 - Google Patents
压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置，包括减振装置本体和减振装置控制器，减振装置本体包括缸筒、压力支撑浮动活塞、中间隔离浮动活塞、活塞杆、压电发电模块、弹簧压板、传力弹簧、弹簧卡座、下永磁体、磁力线圈、上永磁体、隔磁版、活塞、励磁线圈绕组、电磁感应线圈固定杆和电磁感应线圈；缸筒的外壁上设置有控制盒，减振装置控制器设置在控制盒内，控制盒内还设置有整流器、蓄电池充电电路、第一可控恒流源电路和第二可控恒流源电路；本发明还公开了一种压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置的控制方法。本发明具有压电与电磁感应双重馈能的功能，既实现了改变阻尼的作用，又达到了改变刚度的目的，减振性能好。
Description
技术领域
本发明属于磁流变减振器技术领域，具体涉及一种压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置及其控制方法。
背景技术
磁流变液是智能材料中的一个重要分支，具有特殊的物理效应，在外磁场作用下能在瞬间(毫秒级)发生液一固两相相互转换，即从自由流动液体转变为半固体，呈现可控的流变效应，而且该变化是可逆的。鉴于此，由于利用磁流变液制成的磁流变减振器，具有响应快、阻尼力大、能量需求小、机构简单、耐久性好、阻尼力可以实现无级可调、在控制系统失效的情况下仍可充当被动减振器件等优点，从而在土木、桥梁、车辆悬架上等行业得到了前所未有的发展。
在车辆磁流变半主动悬架系统中，磁流变减振器是最为核心的部件之一，其性能的优劣，直接影响着车辆的安全性与操纵稳定性，但必须有外部电源为其供电，以产生所需实时阻尼力控制时的磁场，从而通过控制输入电流的大小，来改变磁场的强弱，达到实时控制所需阻尼力的目的，对外部电能需求，一方面，增加了磁流变半主动悬架系统的电能消耗，另一方面，一旦电能供给出现问题，对于磁流变减振器正常的工作，将产生巨大不稳定性的影响，车辆在行驶过程中由路面不平产生的振动能量，大部分都被减减振系统以各种形式耗散掉，并最终被转化为热能和摩擦能浪费掉了。有研究表明，一辆3500磅的车辆在2cm、3Hz路面不平度工况下，四个减振器能产生1.3kW的能量，可见这部分能量是比较大的，反言之，如能把车辆行驶过程中有由路面不平引起的大部分振动能量回收利用，不仅能给磁流变减振器提供电能、提高系统可靠性、安全性和稳定性，从而赋予系统自供电功能，而且可以把多余的电能储存起来，供给车辆上的其他耗电设备，进一步降低了系统成本，为磁流变减振系统技术的推广应用向前迈进了一大步。
近年来，车辆振动能量回收成为一个关注度很高的研究领域，但几乎全部处于理论尝试和试验验证的阶段。S.B Choi利用齿轮齿条机构提出了一种馈能磁变减振器的设计方案，当悬架系统在一阶固有频率工况激励下，馈能功率达28W，但增加了中间部件馈能效率较低，而且当处在工作在比较恶劣的环境时，容易产生冲击，从而损坏零部件，影响减振馈能减振性能；王代华等利用电磁感应原理，将馈能装置集成在磁流变减振器中，实现了磁流变减振器的振动能量回收，但感应线圈与励磁线圈相对运动幅度较小，磁通量变化较慢，能量回收效率很低；Jung利用磁感应能量收集装置给磁流变阻尼器供电，在初步试验基础之上，达到了预期的控制效果，但没有把能量收集装置与磁流变阻尼集成为一个整体，占用空间较大。
申请号为201310471102.7的中国发明专利公开了一种自供电磁流变阻尼器，主要包括缸筒、定位筒、补偿单元、空心线圈和永磁体等，其永磁体设置在空心线圈的内腔并与所述补偿单元固定，当活塞往复运动时，补偿单元带动永磁体在空心线圈的内腔往复运动将机械能转化为电能，一方面补偿单元的位移形成较短，产生的能量有限，不能满足提供实时阻尼力所需的电能，另一方面其产生的阻尼力有限，不能适应所需大阻尼的工况，同时其补偿室所起的补偿作用不能改变，当然也不能起到变相改变刚度的目的。
发明内容
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，提供一种压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置，其结构简单，实现方便且成本低，使用操作方便，具有压电与电磁感应双重馈能的功能，既实现了改变阻尼的作用，又达到了改变刚度的目的，减振性能好，安全性高，实用性强，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置，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以及依次从上到下间隔设置在缸筒内的压力支撑浮动活塞、中间隔离浮动活塞和活塞杆，所述压力支撑浮动活塞的上部固定连接有支撑架，所述支撑架的上部固定连接有上吊环，所述缸筒外底部固定连接有下吊环，所述缸筒内底部设置有位于活塞杆周围的多个压电发电模块，所述压电发电模块的顶部固定连接有弹簧压板，所述弹簧压板的顶部固定连接有传力弹簧，所述传力弹簧的顶部固定连接有弹簧卡座，所述弹簧卡座的顶部固定连接有下永磁体和磁力线圈，所述下永磁体设置在磁力线圈的外围，所述磁力线圈通过下滑动轴承滑动连接在活塞杆上，所述下永磁体和磁力线圈的上方设置有上永磁体，所述上永磁体与下永磁体的极性设置方向相反，所述上永磁体通过上外滑动轴承滑动连接在活塞杆上，所述下永磁体和磁力线圈与上永磁体之间的空间为补偿室，所述上永磁体的上端面上固定连接有隔磁版，所述活塞杆为中空结构，所述活塞杆的上端固定连接有活塞，所述活塞上缠有用于产生磁场的励磁线圈绕组，所述活塞和励磁线圈绕组与缸筒的内壁之间设置有阻尼液通道，所述活塞杆内部设置有电磁感应线圈固定杆和用于产生电磁感应的电磁感应线圈，所述电磁感应线圈固定连接在电磁感应线圈固定杆上，所述电磁感应线圈的外侧设置有内永磁体，所述内永磁体通过上内滑动轴承滑动连接在活塞杆内壁上，所述上内滑动轴承与上外滑动轴承设置在同一高度上，所述压力支撑浮动活塞与中间隔离浮动活塞之间的空间为液压油腔，所述液压油腔内设置有液压油，所述中间隔离浮动活塞与隔磁版之间的空间为磁流变液腔，所述磁流变液腔内设置有磁流变液；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、用于为励磁线圈绕组提供稳定的输入电流的第一可控恒流源电路和用于为磁力线圈提供稳定的输入电流的第二可控恒流源电路，所述减振装置控制器的输入端接有用于对车身加速度进行实时检测的加速度传感器，所述蓄电池充电电路接在整流器与车载蓄电池之间，所述第一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均连接，所述励磁线圈绕组与第一可控恒流源电路的输出端连接，所述第二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均连接，所述磁力线圈与第二可控恒流源电路的输出端连接，所述整流器的输入端与电磁感应线圈的输出端和压电发电模块的输出端均连接。
上述的压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置，其特征在于：所述液压油腔的横截面面积大于所述磁流变液腔的横截面面积。
上述的压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置，其特征在于：所述压电发电模块粘接在缸筒内底部，所述弹簧压板粘接在压电发电模块的顶部。
本发明还公开了一种实现方便、控制效率高、能够使磁流变减振装置处于最佳的减振状态的压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤Ⅰ、当车辆在不平路面上行驶时，加速度传感器对车身加速度进行实时检测，减振装置控制器对车身加速度进行周期性采样；
步骤Ⅱ、减振装置控制器调用PID神经网络控制模块对其采样得到的车身加速度进行分析处理，得到励磁线圈绕组的输入电流和磁力线圈的输入电流，并控制第一可控恒流源电路的输出电流为励磁线圈绕组的输入电流，控制第二可控恒流源电路的输出电流为磁力线圈的输入电流，励磁线圈绕组和磁力线圈通电产生磁场；车辆振动带动上吊环与下吊环产生相对运动，带动支撑架和压力支撑浮动活塞上下运动，当支撑架和压力支撑浮动活塞向下运动时，使液压油向下运动，使中间隔离浮动活塞向下运动，此时磁流变液经过阻尼通道，在励磁线圈绕组产生的磁场的作用下，磁流变液产生磁流变效应，磁流变液的向下运动带动隔磁板和上永磁体向下运动，上永磁体的向下运动带动内永磁体向下运动，内永磁体向下运动时，与电磁感应线圈发生相对运动，发生电磁感应使电磁感应线圈产生电能，上永磁体与下永磁体产生互斥的作用力，当上永磁体向下运动时，与下永磁体之间的互斥作用力增强，增强了所述减振装置的刚度，同时，下永磁体和磁力线圈向下运动的力，通过弹簧卡座传递给传力弹簧，再通过弹簧压板传递给压电发电模块，压电发电模块发生正压电效应产生电能，电磁感应线圈产生的电能和压电发电模块产生的电能通过整流器整流后，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第一可控恒流源电路和第二可控恒流源电路，实现了馈能减振的目的；当支撑架和压力支撑浮动活塞向上运动时，使液压油向上运动，使中间隔离浮动活塞向上运动，此时磁流变液经过阻尼通道，在励磁线圈绕组产生的磁场的作用下，磁流变液产生磁流变效应，磁流变液的向上运动带动隔磁板和上永磁体向上运动，上永磁体的向上运动带动内永磁体向上运动，内永磁体向上运动时，与电磁感应线圈发生相对运动，发生电磁感应使电磁感应线圈产生电能，电磁感应线圈产生的电能通过整流器整流后，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第一可控恒流源电路和第二可控恒流源电路，实现了馈能减振的目的。
上述的方法，其特征在于：步骤Ⅱ中减振装置控制器调用PID神经网络控制模块对其采样得到的车身加速度进行分析处理，得到励磁线圈绕组的输入电流和磁力线圈的输入电流的具体过程为：减振装置控制器将车身加速度的控制目标值和车身加速度的采样值输入预先建立并训练好的PID神经网络中，得出PID神经网络的输出，PID神经网络的输出即为励磁线圈绕组的输入电流和磁力线圈的输入电流；
其中，预先建立并训练PID神经网络的具体过程为：
步骤201、建立PID神经网络：以车身加速度的控制目标值和车身加速度的采样值作为PID神经网络的输入神经元，输入节点数为2；以PID控制的比例系数、积分系数和微分系数作为PID神经网络的隐含层神经元，隐含层节点数为3；以励磁线圈绕组的输入电流和磁力线圈的输入电流作为PID神经网络的输出神经元，输出节点数为2，建立PID神经网络；
步骤202、训练PID神经网络：在车身加速度的控制目标值和车身加速度的采样值的可能取值范围内，随机配对m个车身加速度的控制目标值和车身加速度的采样值作为所述PID神经网络的输入，并以m个励磁线圈绕组的输入电流和磁力线圈的输入电流作为所述PID神经网络的输出，构建训练样本，对所述PID神经网络进行训练并得到训练好的PID神经网络；其中，m的取值为50～500。
上述的方法，其特征在于：步骤201中PID神经网络的输入神经元的输入值到输出值的计算公式为：
xi(k)＝ai(k),i＝1,2
其中，ai(k)为第k个采样时刻输入神经元的输入值，a1(k)为第k个采样时刻车身加速度的控制目标值，a2(k)为第k个采样时刻车身加速度的采样值；xi(k)为输入神经元的输出值，x1(k)为与a1(k)对应的输入神经元的输出值，x2(k)为与a2(k)对应的输入神经元的输出值；k为正整数；
步骤201中隐含层神经元的输入值netj(k)的计算公式为：
其中，wij为PID神经网络的输入层至隐含层的连接权重值且取值范围为0.2～0.8，net1(k)为第k个采样时刻比例系数神经元的输入，第k个采样时刻比例系数神经元的输出u1(k)＝net1(k)；net2(k)为第k个采样时刻积分系数神经元的输入，第k个采样时刻积分系数神经元的输出u2(k)＝net2(k)+u2(k-1)，u2(k-1)为第k-1个采样时刻积分系数神经元的输出且u2(0)＝0；net3(k)为第k个采样时刻微分系数神经元的输入，第k个采样时刻微分系数神经元的输出u3(k)＝net3(k)-u3(k-1)，u3(k-1)为第k-1个采样时刻微分系数神经元的输出且u3(0)＝0；
步骤201中输出神经元的输出值Ih(k)的计算公式为:
其中，w′jh为PID神经网络的隐含层至输出层的连接权重值且取值范围为0.2～0.8，I1(k)为第k个采样时刻励磁线圈绕组的输入电流，I2(k)为第k个采样时刻磁力线圈的输入电流。
上述的方法，其特征在于：步骤201中w11＝w21＝0.7，步骤201中w12＝w22＝0.5，步骤201中w13＝w23＝0.6。
上述的方法，其特征在于：步骤201中w′11＝w′12＝0.7，步骤201中w′21＝w′22＝0.5，步骤201中w′31＝w′32＝0.6。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置的结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低，使用操作方便。
2、本发明应用了连通器的原理，如同液压千斤顶结构，通过中间隔离浮动活塞将液压油工作空间与磁流变液工作空间隔离开来，一方面，当产生磁流变效应时不仅可以产生更大的阻尼力，而且还可以增大永磁体运动的行程，从而回收更多的振动能量。
3、本发明考虑到单一馈能的不足，产生能量的有限，在结合当前的压电馈能和电磁感应馈能两种馈能方式基础之上，设计了双重馈能的馈能结构。
4、本发明补偿室设计为磁力作用的形式，不仅有固定的磁力作用，而且还可以通过改变磁力线圈电流的大小，来变相改变此磁流变减振装置的刚度，既实现了改变阻尼的作用，又达到了改变刚度的目的。
5、本发明通过设置传力弹簧，不仅能把作用力传递给压电发电模块，以产生电能，而且还可以提高此磁流变减振装置的操作舒适性与稳定性。
6、本发明即使在减振装置控制器失效的情况下，依然可以作为被动减振器来使用，提高了安全性。
7、本发明的压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置的控制方法的实现方便，控制效率高，能够使磁流变减振装置处于最佳的减振状态。
8、本发明充分考虑了减振装置多方面的问题，并结合实际，把最新的技术应用于设计当中，并且融为一体，结构紧凑、易加工、便于安装、适应性强，应用范围广，既实现了减振的目的，又节约了电能，并且对于多余的电能可以进行有效的回收，供给其他耗能设备使用。
9、本发明能够达到连续有效减振的目的，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明实现方便且成本低，使用操作方便，具有压电与电磁感应双重馈能的功能，既实现了改变阻尼的作用，又达到了改变刚度的目的，减振性能好，安全性高，实用性强，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置的结构示意图。
图2为本发明减振装置控制器与其它各部分的电路连接关系示意图。
图3为本发明PID神经网络的拓扑结构示意图。
附图标记说明:
1—下吊环； 2—压电发电模块； 3—弹簧压板；
4—传力弹簧； 5—弹簧卡座； 6—下永磁体；
7—补偿室； 8—上永磁体； 9—隔磁版；
10—磁流变液； 11—励磁线圈绕组； 12—活塞；
13—活塞杆； 14—中间隔离浮动活塞； 15—液压油；
16—压力支撑浮动活塞； 17—上吊环； 18—支撑架；
19—阻尼液通道； 20—上内滑动轴承； 21—上外滑动轴承；
22—内永磁体； 23—电磁感应线圈； 24—电磁感应线圈固定杆；
25—磁力线圈； 26—下滑动轴承； 27—缸筒；
28—减振装置控制器； 29—加速度传感器； 30—控制盒；
31—整流器； 32—车载蓄电池； 33—蓄电池充电电路；
34—第一可控恒流源电路； 35—第二可控恒流源电路。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置，包括减振装置本体和减振装置控制器28，所述减振装置本体包括缸筒27以及依次从上到下间隔设置在缸筒27内的压力支撑浮动活塞16、中间隔离浮动活塞14和活塞杆13，所述压力支撑浮动活塞16的上部固定连接有支撑架18，所述支撑架18的上部固定连接有上吊环17，所述缸筒27外底部固定连接有下吊环1，所述缸筒27内底部设置有位于活塞杆13周围的多个压电发电模块2，所述压电发电模块2的顶部固定连接有弹簧压板3，所述弹簧压板3的顶部固定连接有传力弹簧4，所述传力弹簧4的顶部固定连接有弹簧卡座5，所述弹簧卡座5的顶部固定连接有下永磁体6和磁力线圈25，所述下永磁体6设置在磁力线圈25的外围，所述磁力线圈25通过下滑动轴承26滑动连接在活塞杆13上，所述下永磁体6和磁力线圈25的上方设置有上永磁体8，所述上永磁体8与下永磁体6的极性设置方向相反，所述上永磁体8通过上外滑动轴承21滑动连接在活塞杆13上，所述下永磁体6和磁力线圈25与上永磁体8之间的空间为补偿室7，所述上永磁体8的上端面上固定连接有隔磁版9，所述活塞杆13为中空结构，所述活塞杆13的上端固定连接有活塞12，所述活塞12上缠有用于产生磁场的励磁线圈绕组11，所述活塞12和励磁线圈绕组11与缸筒27的内壁之间设置有阻尼液通道19，所述活塞杆13内部设置有电磁感应线圈固定杆24和用于产生电磁感应的电磁感应线圈23，所述电磁感应线圈23固定连接在电磁感应线圈固定杆24上，所述电磁感应线圈23的外侧设置有内永磁体22，所述内永磁体22通过上内滑动轴承20滑动连接在活塞杆13内壁上，所述上内滑动轴承20与上外滑动轴承21设置在同一高度上，所述压力支撑浮动活塞16与中间隔离浮动活塞14之间的空间为液压油腔，所述液压油腔内设置有液压油15，所述中间隔离浮动活塞14与隔磁版9之间的空间为磁流变液腔，所述磁流变液腔内设置有磁流变液10；所述缸筒27的外壁上设置有控制盒30，所述减振装置控制器28设置在控制盒30内，所述控制盒30内还设置有整流器31、用于为车载蓄电池32充电的蓄电池充电电路33、用于为励磁线圈绕组11提供稳定的输入电流的第一可控恒流源电路34和用于为磁力线圈25提供稳定的输入电流的第二可控恒流源电路35，所述减振装置控制器28的输入端接有用于对车身加速度进行实时检测的加速度传感器29，所述蓄电池充电电路33接在整流器31与车载蓄电池32之间，所述第一可控恒流源电路34与车载蓄电池32的输出端和减振装置控制器28的输出端均连接，所述励磁线圈绕组11与第一可控恒流源电路34的输出端连接，所述第二可控恒流源电路35与车载蓄电池32的输出端和减振装置控制器28的输出端均连接，所述磁力线圈25与第二可控恒流源电路35的输出端连接，所述整流器31的输入端与电磁感应线圈23的输出端和压电发电模块2的输出端均连接。
本实施例中，所述液压油腔的横截面面积大于所述磁流变液腔的横截面面积。由于磁流变液10的工作空间的横截面面积比液压油15的工作空间的横截面面积小,依据连通器原理，使得工作时给励磁线圈绕组11小的励磁电流，依两者工作空间横截面面积的比值，便能产生成倍的作用力。
所述压电发电模块2粘接在缸筒27内底部，所述弹簧压板3粘接在压电发电模块2的顶部。
本发明的压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置的控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤Ⅰ、当车辆在不平路面上行驶时，加速度传感器29对车身加速度进行实时检测，减振装置控制器28对车身加速度进行周期性采样；
步骤Ⅱ、减振装置控制器28调用PID神经网络控制模块对其采样得到的车身加速度进行分析处理，得到励磁线圈绕组11的输入电流和磁力线圈25的输入电流，并控制第一可控恒流源电路34的输出电流为励磁线圈绕组11的输入电流，控制第二可控恒流源电路35的输出电流为磁力线圈25的输入电流，励磁线圈绕组11和磁力线圈25通电产生磁场；车辆振动带动上吊环17与下吊环1产生相对运动，带动支撑架18和压力支撑浮动活塞16上下运动，当支撑架18和压力支撑浮动活塞16向下运动时，使液压油15向下运动，使中间隔离浮动活塞14向下运动，此时磁流变液10经过阻尼通道19，在励磁线圈绕组11产生的磁场的作用下，磁流变液10产生磁流变效应，磁流变液10的向下运动带动隔磁板9和上永磁体8向下运动，上永磁体8的向下运动带动内永磁体22向下运动，内永磁体22向下运动时，与电磁感应线圈23发生相对运动，发生电磁感应使电磁感应线圈23产生电能，由于上永磁体8与下永磁体6磁性相反，上永磁体8与下永磁体6产生互斥的作用力，当上永磁体8向下运动时，与下永磁体6之间的互斥作用力增强，增强了所述减振装置的刚度，同时，下永磁体6和磁力线圈25向下运动的力，通过弹簧卡座5传递给传力弹簧4，再通过弹簧压板3传递给压电发电模块2，压电发电模块2发生正压电效应产生电能，电磁感应线圈23产生的电能和压电发电模块2产生的电能通过整流器31整流后，再经过蓄电池充电电路33给车载蓄电池32充电，车载蓄电池32输出电能给第一可控恒流源电路34和第二可控恒流源电路35，实现了馈能减振的目的；当支撑架18和压力支撑浮动活塞16向上运动时，使液压油15向上运动，使中间隔离浮动活塞14向上运动，此时磁流变液10经过阻尼通道19，在励磁线圈绕组11产生的磁场的作用下，磁流变液10产生磁流变效应，磁流变液10的向上运动带动隔磁板9和上永磁体8向上运动，上永磁体8的向上运动带动内永磁体22向上运动，内永磁体22向上运动时，与电磁感应线圈23发生相对运动，发生电磁感应使电磁感应线圈23产生电能，电磁感应线圈23产生的电能通过整流器31整流后，再经过蓄电池充电电路33给车载蓄电池32充电，车载蓄电池32输出电能给第一可控恒流源电路34和第二可控恒流源电路35，实现了馈能减振的目的。具体实施时，还可以通过调节输入给磁力线圈25的电流来调节下永磁体6与上永磁体8之间的作用力，使下永磁体6与上永磁体8之间的作用力大小范围更宽。
本实施例中，步骤Ⅱ中减振装置控制器28调用PID神经网络控制模块对其采样得到的车身加速度进行分析处理，得到励磁线圈绕组11的输入电流和磁力线圈25的输入电流的具体过程为：减振装置控制器28将车身加速度的控制目标值和车身加速度的采样值输入预先建立并训练好的PID神经网络中，得出PID神经网络的输出，PID神经网络的输出即为励磁线圈绕组11的输入电流和磁力线圈25的输入电流；
其中，预先建立并训练PID神经网络的具体过程为：
步骤201、建立PID神经网络：如图3所示，以车身加速度的控制目标值和车身加速度的采样值作为PID神经网络的输入神经元，输入节点数为2；以PID控制的比例系数、积分系数和微分系数作为PID神经网络的隐含层神经元，隐含层节点数为3；以励磁线圈绕组11的输入电流和磁力线圈25的输入电流作为PID神经网络的输出神经元，输出节点数为2，建立PID神经网络；
步骤202、训练PID神经网络：在车身加速度的控制目标值和车身加速度的采样值的可能取值范围内，随机配对m个车身加速度的控制目标值和车身加速度的采样值作为所述PID神经网络的输入，并以m个励磁线圈绕组11的输入电流和磁力线圈25的输入电流作为所述PID神经网络的输出，构建训练样本，对所述PID神经网络进行训练并得到训练好的PID神经网络；其中，m的取值为50～500。
本实施例中，步骤201中PID神经网络的输入神经元的输入值到输出值的计算公式为：
xi(k)＝ai(k),i＝1,2
其中，ai(k)为第k个采样时刻输入神经元的输入值，a1(k)为第k个采样时刻车身加速度的控制目标值，a2(k)为第k个采样时刻车身加速度的采样值；xi(k)为输入神经元的输出值，x1(k)为与a1(k)对应的输入神经元的输出值，x2(k)为与a2(k)对应的输入神经元的输出值；k为正整数；
步骤201中隐含层神经元的输入值netj(k)的计算公式为：
其中，wij为PID神经网络的输入层至隐含层的连接权重值且取值范围为0.2～0.8，net1(k)为第k个采样时刻比例系数神经元的输入，第k个采样时刻比例系数神经元的输出u1(k)＝net1(k)；net2(k)为第k个采样时刻积分系数神经元的输入，第k个采样时刻积分系数神经元的输出u2(k)＝net2(k)+u2(k-1)，u2(k-1)为第k-1个采样时刻积分系数神经元的输出且u2(0)＝0；net3(k)为第k个采样时刻微分系数神经元的输入，第k个采样时刻微分系数神经元的输出u3(k)＝net3(k)-u3(k-1)，u3(k-1)为第k-1个采样时刻微分系数神经元的输出且u3(0)＝0；
步骤201中输出神经元的输出值Ih(k)的计算公式为:
其中，w′jh为PID神经网络的隐含层至输出层的连接权重值且取值范围为0.2～0.8，I1(k)为第k个采样时刻励磁线圈绕组11的输入电流，I2(k)为第k个采样时刻磁力线圈25的输入电流。
本实施例中，步骤201中w11＝w21＝0.7，步骤201中w12＝w22＝0.5，步骤201中w13＝w23＝0.6。
本实施例中，步骤201中w′11＝w′12＝0.7，步骤201中w′21＝w′22＝0.5，步骤201中w′31＝w′32＝0.6。
综上所述，本发明通过中间隔离浮动活塞14将液压油工作空间与磁流变液工作空间隔离开来，一方面，当产生磁流变效应时不仅可以产生更大的阻尼力，而且还可以增大永磁体运动的行程，从而回收更多的振动能量；既实现了减振的目的，又节约了电能，并且对于多余的电能可以进行有效的回收，供给其他耗能设备使用；控制方法的控制效率高，能够使磁流变减振装置处于最佳的减振状态。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置，其特征在于：包括减振装置本体和减振装置控制器(28)，所述减振装置本体包括缸筒(27)以及依次从上到下间隔设置在缸筒(27)内的压力支撑浮动活塞(16)、中间隔离浮动活塞(14)和活塞杆(13)，所述压力支撑浮动活塞(16)的上部固定连接有支撑架(18)，所述支撑架(18)的上部固定连接有上吊环(17)，所述缸筒(27)外底部固定连接有下吊环(1)，所述缸筒(27)内底部设置有位于活塞杆(13)周围的多个压电发电模块(2)，所述压电发电模块(2)的顶部固定连接有弹簧压板(3)，所述弹簧压板(3)的顶部固定连接有传力弹簧(4)，所述传力弹簧(4)的顶部固定连接有弹簧卡座(5)，所述弹簧卡座(5)的顶部固定连接有下永磁体(6)和磁力线圈(25)，所述下永磁体(6)设置在磁力线圈(25)的外围，所述磁力线圈(25)通过下滑动轴承(26)滑动连接在活塞杆(13)上，所述下永磁体(6)和磁力线圈(25)的上方设置有上永磁体(8)，所述上永磁体(8)与下永磁体(6)的极性设置方向相反，所述上永磁体(8)通过上外滑动轴承(21)滑动连接在活塞杆(13)上，所述下永磁体(6)和磁力线圈(25)与上永磁体(8)之间的空间为补偿室(7)，所述上永磁体(8)的上端面上固定连接有隔磁版(9)，所述活塞杆(13)为中空结构，所述活塞杆(13)的上端固定连接有活塞(12)，所述活塞(12)上缠有用于产生磁场的励磁线圈绕组(11)，所述活塞(12)和励磁线圈绕组(11)与缸筒(27)的内壁之间设置有阻尼液通道(19)，所述活塞杆(13)内部设置有电磁感应线圈固定杆(24)和用于产生电磁感应的电磁感应线圈(23)，所述电磁感应线圈(23)固定连接在电磁感应线圈固定杆(24)上，所述电磁感应线圈(23)的外侧设置有内永磁体(22)，所述内永磁体(22)通过上内滑动轴承(20)滑动连接在活塞杆(13)内壁上，所述上内滑动轴承(20)与上外滑动轴承(21)设置在同一高度上，所述压力支撑浮动活塞(16)与中间隔离浮动活塞(14)之间的空间为液压油腔，所述液压油腔内设置有液压油(15)，所述中间隔离浮动活塞(14)与隔磁版(9)之间的空间为磁流变液腔，所述磁流变液腔内设置有磁流变液(10)；所述缸筒(27)的外壁上设置有控制盒(30)，所述减振装置控制器(28)设置在控制盒(30)内，所述控制盒(30)内还设置有整流器(31)、用于为车载蓄电池(32)充电的蓄电池充电电路(33)、用于为励磁线圈绕组(11)提供稳定的输入电流的第一可控恒流源电路(34)和用于为磁力线圈(25)提供稳定的输入电流的第二可控恒流源电路(35)，所述减振装置控制器(28)的输入端接有用于对车身加速度进行实时检测的加速度传感器(29)，所述蓄电池充电电路(33)接在整流器(31)与车载蓄电池(32)之间，所述第一可控恒流源电路(34)与车载蓄电池(32)的输出端和减振装置控制器(28)的输出端均连接，所述励磁线圈绕组(11)与第一可控恒流源电路(34)的输出端连接，所述第二可控恒流源电路(35)与车载蓄电池(32)的输出端和减振装置控制器(28)的输出端均连接，所述磁力线圈(25)与第二可控恒流源电路(35)的输出端连接，所述整流器(31)的输入端与电磁感应线圈(23)的输出端和压电发电模块(2)的输出端均连接。
2.按照权利要求1所述的压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置，其特征在于：所述液压油腔的横截面面积大于所述磁流变液腔的横截面面积。
3.按照权利要求1所述的压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置，其特征在于：所述压电发电模块(2)粘接在缸筒(27)内底部，所述弹簧压板(3)粘接在压电发电模块(2)的顶部。
4.一种对如权利要求1所述的压电与电磁感应双重馈能式磁流变减振装置进行控制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤Ⅰ、当车辆在不平路面上行驶时，加速度传感器(29)对车身加速度进行实时检测，减振装置控制器(28)对车身加速度进行周期性采样；
步骤Ⅱ、减振装置控制器(28)调用PID神经网络控制模块对其采样得到的车身加速度进行分析处理，得到励磁线圈绕组(11)的输入电流和磁力线圈(25)的输入电流，并控制第一可控恒流源电路(34)的输出电流为励磁线圈绕组(11)的输入电流，控制第二可控恒流源电路(35)的输出电流为磁力线圈(25)的输入电流，励磁线圈绕组(11)和磁力线圈(25)通电产生磁场；车辆振动带动上吊环(17)与下吊环(1)产生相对运动，带动支撑架(18)和压力支撑浮动活塞(16)上下运动，当支撑架(18)和压力支撑浮动活塞(16)向下运动时，使液压油(15)向下运动，使中间隔离浮动活塞(14)向下运动，此时磁流变液(10)经过阻尼通道(19)，在励磁线圈绕组(11)产生的磁场的作用下，磁流变液(10)产生磁流变效应，磁流变液(10)的向下运动带动隔磁板(9)和上永磁体(8)向下运动，上永磁体(8)的向下运动带动内永磁体(22)向下运动，内永磁体(22)向下运动时，与电磁感应线圈(23)发生相对运动，发生电磁感应使电磁感应线圈(23)产生电能，上永磁体(8)与下永磁体(6)产生互斥的作用力，当上永磁体(8)向下运动时，与下永磁体(6)之间的互斥作用力增强，增强了所述减振装置的刚度，同时，下永磁体(6)和磁力线圈(25)向下运动的力，通过弹簧卡座(5)传递给传力弹簧(4)，再通过弹簧压板(3)传递给压电发电模块(2)，压电发电模块(2)发生正压电效应产生电能，电磁感应线圈(23)产生的电能和压电发电模块(2)产生的电能通过整流器(31)整流后，再经过蓄电池充电电路(33)给车载蓄电池(32)充电，车载蓄电池(32)输出电能给第一可控恒流源电路(34)和第二可控恒流源电路(35)，实现了馈能减振的目的；当支撑架(18)和压力支撑浮动活塞(16)向上运动时，使液压油(15)向上运动，使中间隔离浮动活塞(14)向上运动，此时磁流变液(10)经过阻尼通道(19)，在励磁线圈绕组(11)产生的磁场的作用下，磁流变液(10)产生磁流变效应，磁流变液(10)的向上运动带动隔磁板(9)和上永磁体(8)向上运动，上永磁体(8)的向上运动带动内永磁体(22)向上运动，内永磁体(22)向上运动时，与电磁感应线圈(23)发生相对运动，发生电磁感应使电磁感应线圈(23)产生电能，电磁感应线圈(23)产生的电能通过整流器(31)整流后，再经过蓄电池充电电路(33)给车载蓄电池(32)充电，车载蓄电池(32)输出电能给第一可控恒流源电路(34)和第二可控恒流源电路(35)，实现了馈能减振的目的。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤Ⅱ中减振装置控制器(28)调用PID神经网络控制模块对其采样得到的车身加速度进行分析处理，得到励磁线圈绕组(11)的输入电流和磁力线圈(25)的输入电流的具体过程为：减振装置控制器(28)将车身加速度的控制目标值和车身加速度的采样值输入预先建立并训练好的PID神经网络中，得出PID神经网络的输出，PID神经网络的输出即为励磁线圈绕组(11)的输入电流和磁力线圈(25)的输入电流；
其中，预先建立并训练PID神经网络的具体过程为：
步骤201、建立PID神经网络：以车身加速度的控制目标值和车身加速度的采样值作为PID神经网络的输入神经元，输入节点数为2；以PID控制的比例系数、积分系数和微分系数作为PID神经网络的隐含层神经元，隐含层节点数为3；以励磁线圈绕组(11)的输入电流和磁力线圈(25)的输入电流作为PID神经网络的输出神经元，输出节点数为2，建立PID神经网络；
步骤202、训练PID神经网络：在车身加速度的控制目标值和车身加速度的采样值的可能取值范围内，随机配对m个车身加速度的控制目标值和车身加速度的采样值作为所述PID神经网络的输入，并以m个励磁线圈绕组(11)的输入电流和磁力线圈(25)的输入电流作为所述PID神经网络的输出，构建训练样本，对所述PID神经网络进行训练并得到训练好的PID神经网络；其中，m的取值为50～500。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤201中PID神经网络的输入神经元的输入值到输出值的计算公式为：
xi(k)＝ai(k),i＝1,2
其中，ai(k)为第k个采样时刻输入神经元的输入值，a1(k)为第k个采样时刻车身加速度的控制目标值，a2(k)为第k个采样时刻车身加速度的采样值；xi(k)为输入神经元的输出值，x1(k)为与a1(k)对应的输入神经元的输出值，x2(k)为与a2(k)对应的输入神经元的输出值；k为正整数；
步骤201中隐含层神经元的输入值netj(k)的计算公式为：
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<mo>,</mo>
<mn>3</mn>
</mrow>
其中，wij为PID神经网络的输入层至隐含层的连接权重值且取值范围为0.2～0.8，net1(k)为第k个采样时刻比例系数神经元的输入，第k个采样时刻比例系数神经元的输出u1(k)＝net1(k)；net2(k)为第k个采样时刻积分系数神经元的输入，第k个采样时刻积分系数神经元的输出u2(k)＝net2(k)+u2(k-1)，u2(k-1)为第k-1个采样时刻积分系数神经元的输出且u2(0)＝0；net3(k)为第k个采样时刻微分系数神经元的输入，第k个采样时刻微分系数神经元的输出u3(k)＝net3(k)-u3(k-1)，u3(k-1)为第k-1个采样时刻微分系数神经元的输出且u3(0)＝0；
步骤201中输出神经元的输出值Ih(k)的计算公式为:
<mrow>
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其中，w′jh为PID神经网络的隐含层至输出层的连接权重值且取值范围为0.2～0.8，I1(k)为第k个采样时刻励磁线圈绕组(11)的输入电流，I2(k)为第k个采样时刻磁力线圈(25)的输入电流。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤201中w11＝w21＝0.7，步骤201中w12＝w22＝0.5，步骤201中w13＝w23＝0.6。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤201中w′11＝w′12＝0.7，步骤201中w′21＝w′22＝0.5，步骤201中w′31＝w′32＝0.6。
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