浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)研究.pdf

1、潛艇的聲隱身能力是關(guān)系其生命力和戰(zhàn)斗力的重要因素之一，因此降低潛艇的振動(dòng)噪聲水平是一件非常重要的工作。浮筏是目前廣泛應(yīng)用于各國(guó)潛艇的一種減振降噪設(shè)備，它能顯著地降低艇內(nèi)設(shè)備的高頻段振動(dòng)向艇體的傳遞，但在低頻段的減振效果卻不甚理想。 本文以提高浮筏的低頻減振能力為目標(biāo)，開(kāi)展浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)主動(dòng)控制研究。研究主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：帶有主動(dòng)吸振器的浮筏系統(tǒng)的建模，主動(dòng)吸振器安裝位置的優(yōu)化配置，單頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)的自適應(yīng)前饋控制，考慮作動(dòng)

2、器飽和約束的自適應(yīng)前饋控制，以及在模擬浮筏系統(tǒng)上的振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究。 浮筏是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組合式系統(tǒng)，在理論分析中通常需要對(duì)它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化。本文首先將浮筏的中間筏架用一個(gè)規(guī)則形狀的薄板近似；然后再將浮筏系統(tǒng)分解成若干個(gè)子系統(tǒng)，如板式筏架子系統(tǒng)、彈性基礎(chǔ)子系統(tǒng)等，運(yùn)用四端參數(shù)網(wǎng)絡(luò)建立了它們的動(dòng)力學(xué)傳遞方程，傳遞特性由導(dǎo)納矩陣描述；接著，將動(dòng)力吸振器和主動(dòng)吸振器的分析統(tǒng)一于一個(gè)框架內(nèi)，獲得了與吸振器耦合的板式筏架子系統(tǒng)的動(dòng)

3、力學(xué)傳遞特性；最后，根據(jù)各子系統(tǒng)在各界面上的作用力和速度的相互關(guān)系，通過(guò)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)納綜合方法獲得了整個(gè)板式浮筏系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)傳遞方程，并在此基礎(chǔ)上獲得了系統(tǒng)的力傳遞函數(shù)模型。 由于浮筏的主體結(jié)構(gòu)是由彈性體組成的，因此在對(duì)它進(jìn)行振動(dòng)主動(dòng)控制之前，必須研究作動(dòng)器的優(yōu)化配置問(wèn)題。本文著重研究了作動(dòng)器安裝位置的優(yōu)化配置，提出了兩種配置準(zhǔn)則：基于狀態(tài)反饋的閉環(huán)優(yōu)化配置準(zhǔn)則和基于分段加權(quán)面積性能指標(biāo)的優(yōu)化配置準(zhǔn)則。其中，前者適用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)主

4、動(dòng)控制的作動(dòng)器配置，而后者適用于寬頻振動(dòng)主動(dòng)控制的作動(dòng)器配置。最后，分別運(yùn)用提出的優(yōu)化準(zhǔn)則，確定了主動(dòng)吸振器在板式浮筏系統(tǒng)上的最佳安裝位置在簡(jiǎn)諧振動(dòng)的自適應(yīng)前饋控制中，準(zhǔn)確、穩(wěn)定的參考信號(hào)是控制成功的關(guān)鍵，但在工程應(yīng)用中卻很難直接獲得。為此，本文提出了一種基于自適應(yīng)帶通濾波器的信號(hào)頻率估計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上人工生成參考信號(hào)。該方法通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整濾波器參數(shù)，使濾波器的通帶頻率與待估計(jì)信號(hào)頻率相同，此時(shí)帶通濾波器輸出的平方最大。由于帶通濾波

5、器的帶寬可以設(shè)置的很窄，這樣通帶頻率以外的信號(hào)進(jìn)入濾波器后都將大幅衰減，從而提高了待估計(jì)信號(hào)的信噪比，保證了本文提出的信號(hào)頻率估計(jì)方法具有較好的抗噪聲能力。本文采用基于濾波x-最小均方(LMS)算法的自適應(yīng)前饋控制實(shí)現(xiàn)對(duì)單頻簡(jiǎn)諧信號(hào)激勵(lì)的浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)主動(dòng)控制。從系統(tǒng)特性對(duì)濾波x-LMS算法性能的影響出發(fā)，得出了增加系統(tǒng)控制通道的等效阻尼能夠顯著提高濾波x-LMS算法性能的結(jié)論。提出了兩種增加控制通道等效阻尼的方法：閉環(huán)子系統(tǒng)阻尼補(bǔ)償和

6、自適應(yīng)前饋等效阻尼補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上，分別推導(dǎo)出了相應(yīng)的改進(jìn)濾波x-LMS算法，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)算法的有效性。 本文在考慮作動(dòng)器飽和約束對(duì)采用自適應(yīng)前饋控制律的振動(dòng)主動(dòng)控制效果影響的基礎(chǔ)上，提出了一種理想抗飽和策略：在控制器自適應(yīng)更新過(guò)程中，一旦輸出控制量幅值達(dá)到飽和約束值時(shí)，控制器就停止(或基本停止)更新。給出了該策略的兩種截然不同的LMS算法實(shí)現(xiàn)：基于控制量連續(xù)約束的抗飽和IJMS算法和預(yù)測(cè)變步長(zhǎng)抗飽和LMS算法。理論

7、分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，基于兩種抗飽和LMS算法的前饋控制器都嚴(yán)格地滿(mǎn)足控制量飽和約束條件，同時(shí)也最大程度地降低了誤差信號(hào)。最后將兩種算法推廣到濾波x-LMS算法情形，得到了相應(yīng)的抗飽和濾波x-LMS算法。 建立了一套具有4個(gè)主動(dòng)吸振器的模擬浮筏振動(dòng)主動(dòng)控制物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并采用基于分段加權(quán)面積性能指標(biāo)的作動(dòng)器優(yōu)化配置準(zhǔn)則確定了主動(dòng)吸振器的最佳安裝位置。采用實(shí)驗(yàn)建模的方式，離線辨識(shí)出了系統(tǒng)16個(gè)控制通道在10～30Hz頻段內(nèi)各實(shí)