动力吸振器控制算法研究及在舰船设备减振中的应用

摘要

振动控制一直是工程界和学术界努力解决的重要问题，它涉及的领域包括舰船结构及其机电设备隔振抗冲，土木结构防风减震，汽车悬架减振，等等。其中，现代军事工业的飞速进步使得舰船柴油机等动力设备向着高功率高转速的趋势发展，这意味着船体结构和设备振动问题将进一步突出，而与此同时，对舰船隐身性能，抗冲性能以及舰载灵敏设备的保护要求都更加苛刻。动力吸振器(DynamicVibrationAbsorber,i.e.DVA)是解决这一矛盾的有效手段。本论文基于船用设备振动控制这一工程背景，对动力吸振器的被动控制和主动控制都做了深入的分析研究，对减振与隔振中的动力吸振器最优设计给出了重要结论，论文还运用实验手段研究了虚拟吸振器算法的有效性，主要研究内容和成果总结如下： 一、将舰船设备简化为单自由度系统，运用Lyapunov方程以及矩阵Kronecker积求解了与设备附连吸振器的最优设计。其具体方法是利用Lyapunov方程将二次型积分目标函数转化为初始状态向量的矩阵二次型，然后针对初速度或初位移条件将矩阵二次型变为多项式，最后采用Kronecker积以及列展开将多项式的系数转化为吸振器调谐频率比以及阻尼比的表达式，并令多项式取极小值，即可得到最优参数。在忽略被控结构阻尼的情况下，得到了封闭解析解；如果考虑阻尼，给出了以被控结构粘性阻尼比幂级数表达的二阶摄动解。与以往研究最大的不同是，在本文给出的最优设计中包含初速度比或初位移比变量，因此，采用不同的初速度比和初位移比可以得到各种条件下的最优设计-特殊条件下，给定初速度比为0或1可求解外力激励或基础加速度激励下的经典H2最优。本研究还比较了二阶摄动解与梯度寻优得到的数值最优解之间的差别，证明二阶摄动解具有较高的稳定性。 二、在我国的某型舰艇上已经将多重调谐质量阻尼器应用于柴油机减振，本文提出运用微积分手段分析多重调谐质量阻尼器(MTMD)在TMD个数趋于无穷多条件下的性能指标和迭代寻优。以往的研究针对包含TMD个数较多的MTMD，只能通过大量数值现象来猜测其最终趋势，迭代效率低下。本研究将单个TMD视为并联的小单元，每个小单元都对被控结构产生作用力，并具有独立的传递函数，因此在TMD趋于无穷多时，每个小TMD单元相当于一个微元，将所有的微元作用积分即可得到无穷多TMD的传递函数，基于该传递函数可求出基础加速度激励或外力激励下无穷MTMD的极限性能，而且数值仿真还证明，无穷MTMD迭代效率高，它的最优设计可直接代替包含20个以上的TMD组成的MTMD设计。 三、双层隔振技术在当前舰船设备隔振中有广泛应用，但它引入了二次谐振峰，这对于中频段的隔振极为不利，本文为了解决这一问题，提出了中间小质量隔振技术-其本质就是将多重调谐质量阻尼器的吸振思想扩展到隔振设计，并利用无穷维动力系统近似有限维系统的方法分析它的最优设计。在中间小质量无穷多的前提下，中间系统的传递特性可利用积分方法得到，而这也正是有限个中间小质量在个数较多时的近似。然后，基于给定的静变形上限求解简单双层隔振，多个小中间质量隔振以及无穷多小中间质量隔振的最优刚度比以及初始频率比，最后利用高频段的传递特性确定中间小质量分布的频带宽度。虽然采用多个小中间质量隔振会抬高传递率曲线的高频段，但如果容许高频段有稍许的上移，则多个小中间质量隔振可以消除简单双层隔振的二次谐振峰。最优设计为中间质量系统的质量比以及高频段容许上移量的解析表达式。 四、当前舰船设备的振动控制，主动吸振器技术应用十分有限，本文针对两种具有较强抗干扰能力的主动控制技术，即滑模控制和鲁棒控制，从理论上进行了一些探索。首先，纠正了以往研究对于主动吸振器滑模控制中作动力出现直流分量的错误解释，并定量的给出了出现直流分量的判定标准。次之，给出了主动吸振器鲁棒控制权函数的选择技巧。这些对于主动吸振器在舰船振动控制领域的应用都具有一定价值。 五、采用实验手段研究了虚拟吸振器算法的控制性能。结果表明，虚拟吸振器算法可以有效地抑制结构振动，它的重要优点在于对结构摄动具有相当高的稳定性，而且信号处理和反馈不需要全局处理，十分有利于大型结构的分散控制。 面对舰船结构控制领域不断出现的新问题，以及当前控制理论各个方面的突破，主动或被动吸振器的振动控制也是一个不断进步的领域，所以本文也对主被动吸振器研究未来的发展做了若干展望。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:主要符号一览表

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景及其意义

1.2结构控制研究状况

1.3本论文研究工作简要介绍

参考文献

第二章基于Lyapunov方程的调谐质量阻尼器最优设计

本章简介

2.1引言

2.2模型分析和目标函数

2.3最优参数推导

2.4数值结果比较

2.5总结

参考文献

第三章H无穷准则下无穷多调谐质量阻尼器性能和参数研究

本章简介

3.1引言

3.2主结构和IMTMD系统建模以及动力放大系数

3.3第一种假设

3.4第二种假设

3.5最优化方法

3.6数值结果和比较

3.7总结

参考文献

第四章多个小中间质量隔振设计

本章简介

4.1引言

4.2模型分析和传递率

4.3设备重力静变形约束及其简化

4.4最优的隔振器刚度比SRUVL和固有频率起始系数NFSC

4.5高频段性能分析和最优NFBC

4.6数值结果和仿真

4.7总结

参考文献

第五章单自由度结构的主动吸振器控制

本章简介

5.1引言

5.2主结构和吸振器系统建模

5.3滑模控制

5.4虚拟TMD控制

5.5鲁棒控制

5.6LQR控制

5.7滑模控制非零平衡点存在性的数值仿真验证

5.8滑模控制，鲁棒控制，虚拟TMD摔制和LQR控制相关性质的讨论

参考文献

第六章吸振器主动控制实验研究

本章简介

6.1结构布置

6.2虚拟TMD相关参数

6.3实验一

6.4实验二

6.5无橡胶隔振支架的结构实验

6.6结论

参考文献

总结及展望

攻读学位期间发表的学术论文目录

附录

致谢