磁气混合主被动浮筏隔振系统建模及控制研究

摘要

潜艇声隐身能力是我国海军建设的重中之重，牵系国家整体安危。隔振能够隔离机械振动传向基座成为潜艇减振降噪的关键技术。作为被动隔振的气囊隔振器具有动态调整主辅机与轴系的对中、方便安装与施工、承载大、结构尺寸小、固有频率低、无驻波效应、高频隔振性能好等优点，能够显著降低船舶的结构噪声，这一点对于军事舰艇尤其重要。因此，将气囊隔振器应用于具有“质量效应”、“混抵效应”、“调谐效应”等优点的浮筏隔振系统中，能扩宽浮筏隔振系统的振动隔离频段，改善中高频的隔振效果。然而，作为被动隔振器及隔振系统的气囊隔振器及浮筏隔振系统只能对特定的高频段振动起到衰减作用，无法避免被动隔振固有的局限——低频隔振性能差，对系统谐振频率附近的干扰信号起到放大作用的缺点不能完全克服。而主动隔振是通过主动单元（如：主动隔振器等）根据设定的控制规律动态地调整系统的支承特性参数，解决低频及谐振频率附近的减振降噪问题，将主被动隔振的理论、方法与技术结合起来，可以有效隔离潜艇机械振动，降低潜艇机械噪声，提高潜艇声隐身能力。　　通过分析与实验对比的方法得到气囊隔振器“高度-承载力-刚度”、“电磁作动器输入电压-电流-电磁力/加速度”的关系。结果表明气囊隔振器及电磁作动器的优势明显且能够更好地拓宽浮筏隔振频段。将气囊隔振器及电磁作动器应用至浮筏隔振系统组成磁气混合主被动浮筏隔振系统，将动态子结构和四端参数法相结合推导柔性浮筏隔振系统动力学模型。　　采用功率流为评价指标，对浮筏隔振系统功率流进行了分析，采用ADAMS分析了柔性浮筏隔振系统的影响因子—刚/柔筏架、负载电机质量、隔振器刚度/阻尼、隔振器数量、隔振器布置方式对柔性筏架系统的输出功率流的影响。根据分析的结果设计了磁气混合主被动浮筏隔振实验平台，采用ANSYS软件建立起实验平台有限元模型，对实验平台筏架、基座及激励源进行了仿真分析。　　基于磁气混合主被动浮筏隔振实验平台采集的包含噪声的输入/输出数据，采用卡尔曼滤波系统辨识方法得到实验平台控制通道SISO和MIMO数学模型，在频响拟合度、时域输出、零极点、脉冲响应等方面评价了辨识模型的精确度、稳定性、瞬态响应等性能。根据不同比例噪声的输入输出数据，分析了卡尔曼滤波系统辨识方法的鲁棒性，并和预测误差辨识方法相比较。以单位脉冲响应作为模型降阶指标，对MIMO磁气浮筏隔振系统模型进行降阶处理，得到的低阶数学模型包含了系统的绝大部分动力学信息。　　基于输入/输出的系统辨识方法进行仅有输出信号的卡尔曼滤波系统辨识研究。系统辨识方法的输入数据由不可知的电机激励信号提供，采用仅有输出信号的卡尔曼滤波系统辨识方法，得到实验平台模态参数，为多电机作为浮筏隔振系统的输入信号的系统辨识研究提供了一种新的途径及框架。　　选取最小加速度振级落差作为磁气混合主动浮筏隔振系统隔振指标，采用改进的归一化FXLMS前馈控制算法设计单激励源浮筏系统SISO、MIMO控制器，将辨识的模型及设计的前馈控制器在Simulink中进行仿真，结果表明归一化FXLMS对单频扰动具有很好的抑制效果。采用H∞鲁棒控制算法来实现多源频率波动扰动控制，根据辨识出的模型及需要抑制主频设计SISO、MIMO控制器，并在Simulink中进行仿真分析，结果表明设计的H∞控制器在抑制多频波动扰动的抑制的有效性。　　搭建磁气混合主被动隔振柔性浮筏实验平台，将辨识的系统模型及设计的控制器分别在单个电机、多个电机工作的情况下进行主动隔振实验，实验结果与仿真结果基本吻合。实验结果显示：设计的归一化FXLMS控制算法及H∞控制算法对主频波动扰动的隔振效果优于被动系统和模糊控制隔振系统，验证了设计的控制器及辨识的系统模型的正确性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1论文的研究背景

1.2论文的研究目的和意义

1.3国内外发展概况

1.4论文的主要工作与课题支撑

第2章 磁气混合主被动隔振系统动力学特性研究

2.1引言

2.2 气囊隔振器特性

2.3 电磁作动器特性

2.4 磁气混合主被动隔振系统工作原理

2.5 柔性浮筏隔振系统建模

2.6 本章小结

第3章 浮筏隔振系统参数对隔振效果的影响研究

3.1引言

3.2 浮筏隔振系统的理论仿真分析

3.3 浮筏隔振系统动力学分析

3.4 小结

第4章 基于OKID的磁气混合主被动浮筏隔振系统辨识研究

4.1 引言

4.2 系统辨识

4.3 卡尔曼滤波系统辨识

4.4 磁气混合主被动浮筏隔振系统辨识实验研究

4.5 仅有输出信号的系统辨识研究

4.6 小结

第5章 磁气混合主动浮筏隔振控制系统及仿真研究

5.1 引言

5.2 浮筏隔振系统激励源

5.3 归一化FXLMS控制算法

5.4 H∞控制算法

5.5本章小结

第6章 磁气混合主动浮筏隔振控制实验研究

6.1 引言

6.2 浮筏主动隔振平台

6.3 浮筏主动控制实验研究

6.4 本章小结

第7章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 本文创新

7.3 研究展望

致谢

附录

A. DI算法

B. DP算法

C. ERA算法

D. ERA-DC算法

E. 辨识的降阶模型及控制器

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及发明专利

1. 发表论文

2. 授权发明专利

攻读博士学位期间参与的项目