動(dòng)力吸振器控制算法研究及在艦船設(shè)備減振中的應(yīng)用.pdf

1、振動(dòng)控制一直是工程界和學(xué)術(shù)界努力解決的重要問(wèn)題，它涉及的領(lǐng)域包括艦船結(jié)構(gòu)及其機(jī)電設(shè)備隔振抗沖，土木結(jié)構(gòu)防風(fēng)減震，汽車懸架減振，等等。其中，現(xiàn)代軍事工業(yè)的飛速進(jìn)步使得艦船柴油機(jī)等動(dòng)力設(shè)備向著高功率高轉(zhuǎn)速的趨勢(shì)發(fā)展，這意味著船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題將進(jìn)一步突出，而與此同時(shí)，對(duì)艦船隱身性能，抗沖性能以及艦載靈敏設(shè)備的保護(hù)要求都更加苛刻。動(dòng)力吸振器(DynamicVibrationAbsorber,i.e.DVA)是解決這一矛盾的有效手段。本論文

2、基于船用設(shè)備振動(dòng)控制這一工程背景，對(duì)動(dòng)力吸振器的被動(dòng)控制和主動(dòng)控制都做了深入的分析研究，對(duì)減振與隔振中的動(dòng)力吸振器最優(yōu)設(shè)計(jì)給出了重要結(jié)論，論文還運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段研究了虛擬吸振器算法的有效性，主要研究?jī)?nèi)容和成果總結(jié)如下： 一、將艦船設(shè)備簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)，運(yùn)用Lyapunov方程以及矩陣Kronecker積求解了與設(shè)備附連吸振器的最優(yōu)設(shè)計(jì)。其具體方法是利用Lyapunov方程將二次型積分目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為初始狀態(tài)向量的矩陣二次型，然后針對(duì)

3、初速度或初位移條件將矩陣二次型變?yōu)槎囗?xiàng)式，最后采用Kronecker積以及列展開(kāi)將多項(xiàng)式的系數(shù)轉(zhuǎn)化為吸振器調(diào)諧頻率比以及阻尼比的表達(dá)式，并令多項(xiàng)式取極小值，即可得到最優(yōu)參數(shù)。在忽略被控結(jié)構(gòu)阻尼的情況下，得到了封閉解析解；如果考慮阻尼，給出了以被控結(jié)構(gòu)粘性阻尼比冪級(jí)數(shù)表達(dá)的二階攝動(dòng)解。與以往研究最大的不同是，在本文給出的最優(yōu)設(shè)計(jì)中包含初速度比或初位移比變量，因此，采用不同的初速度比和初位移比可以得到各種條件下的最優(yōu)設(shè)計(jì)-特殊條件下，給定初

4、速度比為0或1可求解外力激勵(lì)或基礎(chǔ)加速度激勵(lì)下的經(jīng)典H2最優(yōu)。本研究還比較了二階攝動(dòng)解與梯度尋優(yōu)得到的數(shù)值最優(yōu)解之間的差別，證明二階攝動(dòng)解具有較高的穩(wěn)定性。 二、在我國(guó)的某型艦艇上已經(jīng)將多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器應(yīng)用于柴油機(jī)減振，本文提出運(yùn)用微積分手段分析多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(MTMD)在TMD個(gè)數(shù)趨于無(wú)窮多條件下的性能指標(biāo)和迭代尋優(yōu)。以往的研究針對(duì)包含TMD個(gè)數(shù)較多的MTMD，只能通過(guò)大量數(shù)值現(xiàn)象來(lái)猜測(cè)其最終趨勢(shì)，迭代效率低下。本研究將

5、單個(gè)TMD視為并聯(lián)的小單元，每個(gè)小單元都對(duì)被控結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力，并具有獨(dú)立的傳遞函數(shù)，因此在TMD趨于無(wú)窮多時(shí)，每個(gè)小TMD單元相當(dāng)于一個(gè)微元，將所有的微元作用積分即可得到無(wú)窮多TMD的傳遞函數(shù)，基于該傳遞函數(shù)可求出基礎(chǔ)加速度激勵(lì)或外力激勵(lì)下無(wú)窮MTMD的極限性能，而且數(shù)值仿真還證明，無(wú)窮MTMD迭代效率高，它的最優(yōu)設(shè)計(jì)可直接代替包含20個(gè)以上的TMD組成的MTMD設(shè)計(jì)。 三、雙層隔振技術(shù)在當(dāng)前艦船設(shè)備隔振中有廣泛應(yīng)用，但它引入了

6、二次諧振峰，這對(duì)于中頻段的隔振極為不利，本文為了解決這一問(wèn)題，提出了中間小質(zhì)量隔振技術(shù)-其本質(zhì)就是將多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的吸振思想擴(kuò)展到隔振設(shè)計(jì)，并利用無(wú)窮維動(dòng)力系統(tǒng)近似有限維系統(tǒng)的方法分析它的最優(yōu)設(shè)計(jì)。在中間小質(zhì)量無(wú)窮多的前提下，中間系統(tǒng)的傳遞特性可利用積分方法得到，而這也正是有限個(gè)中間小質(zhì)量在個(gè)數(shù)較多時(shí)的近似。然后，基于給定的靜變形上限求解簡(jiǎn)單雙層隔振，多個(gè)小中間質(zhì)量隔振以及無(wú)窮多小中間質(zhì)量隔振的最優(yōu)剛度比以及初始頻率比，最后利用高頻

7、段的傳遞特性確定中間小質(zhì)量分布的頻帶寬度。雖然采用多個(gè)小中間質(zhì)量隔振會(huì)抬高傳遞率曲線的高頻段，但如果容許高頻段有稍許的上移，則多個(gè)小中間質(zhì)量隔振可以消除簡(jiǎn)單雙層隔振的二次諧振峰。最優(yōu)設(shè)計(jì)為中間質(zhì)量系統(tǒng)的質(zhì)量比以及高頻段容許上移量的解析表達(dá)式。 四、當(dāng)前艦船設(shè)備的振動(dòng)控制，主動(dòng)吸振器技術(shù)應(yīng)用十分有限，本文針對(duì)兩種具有較強(qiáng)抗干擾能力的主動(dòng)控制技術(shù)，即滑?？刂坪汪敯艨刂疲瑥睦碚撋线M(jìn)行了一些探索。首先，糾正了以往研究對(duì)于主動(dòng)吸振器滑?？?/p>

8、制中作動(dòng)力出現(xiàn)直流分量的錯(cuò)誤解釋，并定量的給出了出現(xiàn)直流分量的判定標(biāo)準(zhǔn)。次之，給出了主動(dòng)吸振器魯棒控制權(quán)函數(shù)的選擇技巧。這些對(duì)于主動(dòng)吸振器在艦船振動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用都具有一定價(jià)值。 五、采用實(shí)驗(yàn)手段研究了虛擬吸振器算法的控制性能。結(jié)果表明，虛擬吸振器算法可以有效地抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)，它的重要優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)結(jié)構(gòu)攝動(dòng)具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性，而且信號(hào)處理和反饋不需要全局處理，十分有利于大型結(jié)構(gòu)的分散控制。 面對(duì)艦船結(jié)構(gòu)控制領(lǐng)域不斷出現(xiàn)的新問(wèn)題