直驅式轉葉舵機沖擊干擾及控制策略研究.pdf

1、隨著艦船制造業(yè)的飛速發(fā)展，艦船噸位越來越大，對操縱性的要求越來越高，對舵機的要求也越來越高。直驅式容積控制轉葉式液壓舵機，具有結構緊湊、占地面積小、安裝方便、維護簡便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，因此受到廣泛關注。但是由于直驅式容積控制電液伺服系統(tǒng)動態(tài)特性不是很好，并且液壓系統(tǒng)自身含有復雜的非線性特性，限制了該轉葉舵機的廣泛應用。另外，隨著科學技術的進步以及武器的發(fā)展，在軍事戰(zhàn)斗中炸藥的使用變得越來越頻繁，艦船及其設備受到非接觸爆炸襲擊的概率越來越

2、高，因此，在艦船作戰(zhàn)過程中，舵機極有可能遭受水下非接觸爆炸武器的攻擊，導致整個系統(tǒng)在劇烈的沖擊作用下失效。在此情況下，依靠傳統(tǒng)的控制策略很難達到期望的控制效果。因此，有必要研究直驅式轉葉舵機伺服系統(tǒng)動態(tài)性能，以及艦船設備在非接觸水下爆炸沖擊干擾作用下的響應特性，增強系統(tǒng)魯棒性。
　　論文首先詳細介紹水下爆炸沖擊載荷特性，重點研究艦船設備在非接觸水下爆炸沖擊載荷作用下結構響應中的流固耦合現(xiàn)象。根據結構力學、流體力學以及有限元等相關理

3、論，推導出舵結構非接觸水下爆炸沖擊響應的流固耦合方程。并根據該方程的特點，提出采用中心差分法作為求解結構響應的數值計算方法。利用有限元軟件ANSYS根據舵的實際尺寸建立舵結構有限元模型，選用顯性動力學分析軟件LS-DYNA模擬舵結構遭受非接觸水下爆炸沖擊載荷作用的全過程，并利用任意拉格朗日歐拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，簡稱 ALE）算法處理響應中流固耦合問題，最終得出結構動態(tài)響應特性。
　　基于

4、艦船設備抗沖擊設計中沖擊環(huán)境預報難的問題，提出采用自回歸滑動平均模型（auto-regressive moving average model，簡稱ARMA模型）的時間序列分析法預報艦船設備沖擊環(huán)境的新方法。以多組艦船仿真數據為基礎，建立預測沖擊環(huán)境的ARMA模型，引入遺傳算法確定 ARMA模型階數。通過分析所建模型的殘差序列特性，檢驗ARMA模型的有效性。利用加速度響應傅里葉譜和偽速度譜之間的關系，將預測出的結果作為轉葉舵機抗沖擊設計

5、基礎輸入，分別利用譜分析和瞬態(tài)分析研究轉葉舵機的抗沖擊性能，并對轉葉舵機螺栓進行疲勞分析，給出螺栓等效應力云圖和螺栓疲勞壽命分布圖。結果表明，對于本文設計的轉葉舵機在預測得出的沖擊環(huán)境下難以長時間正常工作，并進一步驗證了本文提出的沖擊環(huán)境預報方法的可行性。
　　掌握直驅式容積控制轉葉舵機伺服系統(tǒng)的基本組成結構。針對異步電動機變壓變頻調速系統(tǒng)和控制轉差頻率的變頻調速系統(tǒng)存在的不足，采用異步電動機矢量控制系統(tǒng)，詳細闡述矢量控制變頻調速

6、系統(tǒng)的基本原理，推導異步電動機的數學模型。在此基礎上，建立包括異步電動機、泵控液壓動力機構、反饋傳感器等環(huán)節(jié)在內的直驅式轉葉舵機電液伺服系統(tǒng)模型。對所設計的矢量控制變頻調速系統(tǒng)進行仿真分析，驗證其合理性，并得出調速系統(tǒng)模型參數。最后通過分析不同擾動作用下直驅式轉葉舵機系統(tǒng)的響應特性，研究控制系統(tǒng)魯棒性。
　　針對直驅式轉葉舵機控制系統(tǒng)存在非線性以及不確定外界擾動等問題，提出基于模糊消抖的滑模變結構控制策略。設計直驅式轉葉舵機伺服系