磁气混合主被动浮筏隔振系统建模及控制研究

发布时间：2020-04-07 14:25

【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。
【图文】：

隔振系统,单层隔振,双层隔振系统,隔振

有 10-20dB 的隔振效果[43,44]。当隔振对象的激励频率大于等于 2 倍的隔振系统的固有频率时隔振系统才会有效。可以通过减小隔振系统的固有频率来增大隔振系统隔振频率的带宽，降低隔振系统的固有频率会影响其稳定性[45]。为提高单层隔振系统的隔振效果，高负载低刚度的隔振器被研发出来。文献[46]设计了圆柱弯曲梁隔振；文献[47]在隔振器中增加永磁体，通过磁体作用，获得较低的刚度，从而提高了隔振性能。双层隔振系统是基于单层隔振系统发展起来的，在隔振对象和基础之间增加两层隔振器及中间质量。相对于单层隔振系统，当激励频率大于二次谐振频率时，双层隔振传递率以衰减，而单层隔振系统传递率以2衰减。但是当激励频率小于二次谐振频率时，双层隔振系统传递率将会增大。需要对双层隔振系统进行合理的设计来满足双层隔振的要求，近年来对其进行了系统深入的研究[48-50]。双层隔振系统的中间质量增加系统的刚度，在保证了更好的隔振效率的同时增强了系统的稳定性。但是中间质量导致系统整体质量增加导致其在舰船上应用受到限制[51]。

论文,总体结构,浮筏隔振

第4章采用OKID系统辨识方法对磁气混合主被动浮筏隔振系统进行系识研究，并对该方法的鲁棒性能进行了相关对比研究，并与预测误差辨识（PEM）的辨识结果进行对比，对辨识出的多输入多输出系统模型进行降理，并分析降阶后的性能。多个电机作为系统辨识的输入，采用 O3KID 并拓展对仅有输出数据的系统辨识研究，，通过实验得到系统的结构参数估计第 5 章针对浮筏隔振系统进行控制实验研究，选择加速度振级落差作为指标，采用归一化 FXLMS 自适应前馈控制对单激励源单通道、多通道控制及仿真研究；采用 H∞鲁棒控制对多激励源频率波动扰动设计相应的控制器行多激励源单通道、多通道控制仿真研究。第 6 章搭建磁气混合主被动浮筏隔振实验平台，在不同的激励下进行相实验研究来验证设计的正确性及有效性。第 7 章全文的总结与展望，总结全文所做的工作及得到的结论，突出研作的创新点，展望下一步的研究工作。依照各章内容，本文总体结构安排如下：
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U674.76

【参考文献】