论文摘要
潜艇的声隐身能力是关系其生命力和战斗力的重要因素之一,因此降低潜艇的振动噪声水平是一件非常重要的工作。浮筏是目前广泛应用于各国潜艇的一种减振降噪设备,它能显著地降低艇内设备的高频段振动向艇体的传递,但在低频段的减振效果却不甚理想。本文以提高浮筏的低频减振能力为目标,开展浮筏系统的振动主动控制研究。研究主要包括以下几个方面的内容:带有主动吸振器的浮筏系统的建模,主动吸振器安装位置的优化配置,单频简谐振动的自适应前馈控制,考虑作动器饱和约束的自适应前馈控制,以及在模拟浮筏系统上的振动主动控制实验研究。浮筏是一种结构复杂的组合式系统,在理论分析中通常需要对它的结构进行一些简化。本文首先将浮筏的中间筏架用一个规则形状的薄板近似;然后再将浮筏系统分解成若干个子系统,如板式筏架子系统、弹性基础子系统等,运用四端参数网络建立了它们的动力学传递方程,传递特性由导纳矩阵描述;接着,将动力吸振器和主动吸振器的分析统一于一个框架内,获得了与吸振器耦合的板式筏架子系统的动力学传递特性;最后,根据各子系统在各界面上的作用力和速度的相互关系,通过子系统结构导纳综合方法获得了整个板式浮筏系统的动力学传递方程,并在此基础上获得了系统的力传递函数模型。由于浮筏的主体结构是由弹性体组成的,因此在对它进行振动主动控制之前,必须研究作动器的优化配置问题。本文着重研究了作动器安装位置的优化配置,提出了两种配置准则:基于状态反馈的闭环优化配置准则和基于分段加权面积性能指标的优化配置准则。其中,前者适用于结构振动主动控制的作动器配置,而后者适用于宽频振动主动控制的作动器配置。最后,分别运用提出的优化准则,确定了主动吸振器在板式浮筏系统上的最佳安装位置在简谐振动的自适应前馈控制中,准确、稳定的参考信号是控制成功的关键,但在工程应用中却很难直接获得。为此,本文提出了一种基于自适应带通滤波器的信号频率估计方法,并在此基础上人工生成参考信号。该方法通过自适应调整滤波器参数,使滤波器的通带频率与待估计信号频率相同,此时带通滤波器输出的平方最大。由于带通滤波器的带宽可以设置的很窄,这样通带频率以外的信号进入滤波器后都将大幅衰减,从而提高了待估计信号的信噪比,保证了本文提出的信号频率估计方法具有较好的抗噪声能力。本文采用基于滤波x-最小均方（Least Mean Square;LMS）算法的自适应前馈控制实现对单频简谐信号激励的浮筏系统的振动主动控制。从系统特性对滤波x-LMS算法性能的影响出发,得出了增加系统控制通道的等效阻尼能够显著提高滤波x-LMS算法性能的结论。提出了两种增加控制通道等效阻尼的方法:闭环子系统阻尼补偿和自适应前馈等效阻尼补偿。在此基础上,分别推导出了相应的改进滤波x-LMS算法,并通过仿真实验验证了改进算法的有效性。本文在考虑作动器饱和约束对采用自适应前馈控制律的振动主动控制效果影响的基础上,提出了一种理想抗饱和策略:在控制器自适应更新过程中,一旦输出控制量幅值达到饱和约束值时,控制器就停止（或基本停止）更新。给出了该策略的两种截然不同的LMS算法实现:基于控制量连续约束的抗饱和LMS算法和预测变步长抗饱和LMS算法。理论分析和仿真实验结果都表明,基于两种抗饱和LMS算法的前馈控制器都严格地满足控制量饱和约束条件,同时也最大程度地降低了误差信号。最后将两种算法推广到滤波x-LMS算法情形,得到了相应的抗饱和滤波x-LMS算法。建立了一套具有4个主动吸振器的模拟浮筏振动主动控制物理实验系统,并采用基于分段加权面积性能指标的作动器优化配置准则确定了主动吸振器的最佳安装位置。采用实验建模的方式,离线辨识出了系统16个控制通道在10～30Hz频段内各实验频率点处的有限脉冲响应序列模型。进行了单频简谐信号激振条件下的模拟浮筏振动主动控制实验。其中,控制律采用本文提出的基于预测变步长抗饱和滤波x-LMS算法的多变量自适应前馈控制律,人工生成参考信号,信号频率通过本文提出的自适应带通滤波器估计方法获得。实验结果表明,本文研究的振动主动控制方法可以显著地提高模拟浮筏物理实验系统在实验频段内的减振能力。
论文目录
相关论文文献
标签：浮筏论文; 主动吸振器论文; 振动主动控制论文; 建模论文; 优化配置论文; 频率估计论文; 自适应带通滤波器论文; 自适应前馈控制论文; 滤波算法论文; 阻尼补偿论文; 作动器饱和约束论文; 理想抗饱和策略论文; 模拟浮筏物理实验系统论文;