舰船主推进系统的建模理论、控制策略及优化设计

论文摘要

舰船推进轴系是舰船动力装置的重要组成部分,它的稳定性是舰船生命力的基本保证。因此,对于船舶推进轴系的建模理论及其振动控制的研究成为舰船推进轴系研究的重要内容。然而舰船推进轴系在建模方法和控制理论方面尚有许多问题待解决,如①考虑转速影响的弹性体动力学建模方法;②同时考虑支撑刚度和油膜刚度的油膜力模型;③冲击和随机海浪作用下的控制理论问题;④在支撑刚度、阻尼等控制参数不变条件下的最佳控制效果问题,即优化设计等问题。本文针对这些问题作了深入的探讨。首先,本文综述了舰船推进系统在建模方法、控制理论和优化设计方面的研究现状和存在的问题。其次,针对经典推进轴系建模方法存在的局限性,本文提出了一种新的推进轴系的弹性体动力学建模方法,并研究了转速对于推进轴系的冲击响应的影响。通过与有限元方法的比较,证明了该方法的可靠性。在此基础上,本文采用平均本征值方法,建立了舰船推进轴系同时考虑油膜刚度和支撑刚度的油膜力模型。考虑了油膜涡动效应和挤压效应以及多个轴承油膜力的耦合影响;研究了油膜力的影响以及油膜参数和转速对于推进轴系的冲击响应的影响;同时,通过与近似解析法的比较证明了该方法的正确性。再次,将随机最优控制方法探索性地用于舰船推进系统的冲击控制和隔振器参数设计研究。利用Pierson—Moscowitz海浪谱以及最小误差条件下实际海浪谱分数多项式拟合的快速迭代算法,由系统的频率响应特性数据直接拟合系统的传递函数,实现了随机海浪谱的仿真。在本文建议的弹性动力学模型基础上,以冲击和随机海浪作用下推进轴系为研究对象,对舰船推进系统的准最优控制方法和最优参数设计方法进行了探讨,对控制系统在不同控制方法下的冲击控制效果进行了比较分析,阐明舰船推进系统的动力学特性和冲击控制机理。接着针对控制过程中存在的摄动,提出了具有鲁棒性的变结构控制方法。采用二次型最优控制理论建立切换面,并采用了单位向量控制形式的最终滑动模态控制器,设计了推进轴系的变结构控制器。初步对推进轴系的变结构控制方法进行了探讨。然后,本文采用遗传算法对推进系统的支撑位置进行了优化设计,并对比了优化前后的控制效果,为推进系统的支撑位置设计提供理论参考。最后,本文对全文进行了总结,并对存在的不足和拟展开的进一步工作进行了简要的讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 本文的工程背景和意义
• 1.2 推进轴动力学研究
• 1.2.1 动力学建模方面
• 1.2.2 动力学研究方面
• 1.2.3 抗冲击研究方面
• 1.3 推进轴油膜力研究
• 1.4 振动控制研究
• 1.4.1 推进轴系振动控制研究
• 1.4.2 变结构控制方面
• 1.4.3 最优控制理论方面
• 1.4.4 控制算法
• 1.5 推进轴系优化设计
• 1.6 本文的工作
• 第2章 舰船主推进系统的弹性体动力学模型
• 2.1 引言
• 2.2 弹性体动力学
• 2.2.1 变形和速度描述
• 2.2.2 运动方程建立
• 2.3 主推进轴模型的建立
• 2.4 弹性模态函数的选取
• 2.5 结构参数
• 2.6 主推进轴系冲击响应分析
• 2.6.1 冲击作用函数
• 2.6.2 模态阶数的选取
• 2.6.3 转轴的冲击响应图
• 2.6.4 转速对响应的影响
• 2.6.5 轴的不同位置的位移响应比较
• 2.7 有限元验证
• 2.7.1 有限元方法的编程实现
• 2.7.2 轴系冲击位移响应的计算方法
• 2.7.3 有限元方法的软件实现
• 2.8 本章小结
• 第3章 考虑油膜力作用的舰船主推进系统冲击研究
• 3.1 引言
• 3.2 平均本征值法
• 3.3 油膜轴承模型的建立
• 3.4 转轴模型的建立
• 3.5 状态方程及型函数
• 3.6 主推进轴系冲击响应分析
• 3.6.1 半速涡动特性
• 3.6.2 油膜力影响
• 3.6.3 转轴的冲击响应图
• 3.6.4 油膜厚度影响
• 3.7 平均本征值方法的验证
• 3.8 本章小结
• 第4章 冲击和随机载荷作用下主推进系统最优控制及其参数设计
• 4.1 引言
• 4.2 最优控制论
• 4.2.1 受白噪声干扰的系统
• 4.2.2 受有色噪声干扰的系统
• 4.3 准最优方法
• 4.4 由系统的频率响应特性数据拟合系统的传递函数
• 4.5 海浪谱滤波器构造
• 4.6 推进轴系动力学模型
• 4.7 推进轴系在冲击作用下的最优控制
• 4.8 推进轴系在随机载荷作用下的最优控制
• 4.9 控制参数设计——等效最优控制特性法（ECPM）
• 4.10 算例及结果
• 4.10.1 冲击作用函数
• 4.10.2 结果与讨论
• 4.11 本章小结
• 第5章 舰船推进轴系变结构控制
• 5.1 引言
• 5.2 推进轴系控制模型
• 5.3 变结构控制器设计
• 5.3.1 线性部分的确定
• 5.3.2 非线性部分的确定
• 5.3.3 切换函数设计
• 5.4 算例及结果
• 5.4.1 切换函数的变化以及控制参数的影响
• 5.4.2 与最优控制的比较
• 5.4.3 变结构系统的不变性
• 5.5 本章小结
• 第6章 基于遗传算法的推进轴系支撑位置优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 推进轴模型及优化目标
• 6.3 遗传算法模型
• 6.3.1 遗传算法简介
• 6.3.2 编码与解码
• 6.3.3 构造适应度函数
• 6.3.4 选择
• 6.3.5 交叉/基因重组
• 6.3.6 变异
• 6.4 结果及讨论
• 6.4.1 仅以位移为优化目标
• 6.4.2 以位移和加速度为目标的联合优化
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果