直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機(jī)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(lái)越大，對(duì)操縱性的要求越來(lái)越高，對(duì)舵機(jī)的要求也越來(lái)越高。直驅(qū)式容積控制轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛關(guān)注。但是由于直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性不是很好，并且液壓系統(tǒng)自身含有復(fù)雜的非線性特性，限制了該轉(zhuǎn)葉舵機(jī)的廣泛應(yīng)用。另外，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(lái)越頻繁，艦船及其設(shè)備受到非接觸爆炸襲擊的概率越來(lái)越

2、高，因此，在艦船作戰(zhàn)過(guò)程中，舵機(jī)極有可能遭受水下非接觸爆炸武器的攻擊，導(dǎo)致整個(gè)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(dá)到期望的控制效果。因此，有必要研究直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機(jī)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，以及艦船設(shè)備在非接觸水下爆炸沖擊干擾作用下的響應(yīng)特性，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。
　　論文首先詳細(xì)介紹水下爆炸沖擊載荷特性，重點(diǎn)研究艦船設(shè)備在非接觸水下爆炸沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)中的流固耦合現(xiàn)象。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)以及有限元等相關(guān)理

3、論，推導(dǎo)出舵結(jié)構(gòu)非接觸水下爆炸沖擊響應(yīng)的流固耦合方程。并根據(jù)該方程的特點(diǎn)，提出采用中心差分法作為求解結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法。利用有限元軟件ANSYS根據(jù)舵的實(shí)際尺寸建立舵結(jié)構(gòu)有限元模型，選用顯性動(dòng)力學(xué)分析軟件LS-DYNA模擬舵結(jié)構(gòu)遭受非接觸水下爆炸沖擊載荷作用的全過(guò)程，并利用任意拉格朗日歐拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，簡(jiǎn)稱 ALE）算法處理響應(yīng)中流固耦合問(wèn)題，最終得出結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
　　基于

4、艦船設(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)中沖擊環(huán)境預(yù)報(bào)難的問(wèn)題，提出采用自回歸滑動(dòng)平均模型（auto-regressive moving average model，簡(jiǎn)稱ARMA模型）的時(shí)間序列分析法預(yù)報(bào)艦船設(shè)備沖擊環(huán)境的新方法。以多組艦船仿真數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立預(yù)測(cè)沖擊環(huán)境的ARMA模型，引入遺傳算法確定 ARMA模型階數(shù)。通過(guò)分析所建模型的殘差序列特性，檢驗(yàn)ARMA模型的有效性。利用加速度響應(yīng)傅里葉譜和偽速度譜之間的關(guān)系，將預(yù)測(cè)出的結(jié)果作為轉(zhuǎn)葉舵機(jī)抗沖擊設(shè)計(jì)

5、基礎(chǔ)輸入，分別利用譜分析和瞬態(tài)分析研究轉(zhuǎn)葉舵機(jī)的抗沖擊性能，并對(duì)轉(zhuǎn)葉舵機(jī)螺栓進(jìn)行疲勞分析，給出螺栓等效應(yīng)力云圖和螺栓疲勞壽命分布圖。結(jié)果表明，對(duì)于本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)葉舵機(jī)在預(yù)測(cè)得出的沖擊環(huán)境下難以長(zhǎng)時(shí)間正常工作，并進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的沖擊環(huán)境預(yù)報(bào)方法的可行性。
　　掌握直驅(qū)式容積控制轉(zhuǎn)葉舵機(jī)伺服系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)。針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和控制轉(zhuǎn)差頻率的變頻調(diào)速系統(tǒng)存在的不足，采用異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述矢量控制變頻調(diào)速

6、系統(tǒng)的基本原理，推導(dǎo)異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，建立包括異步電動(dòng)機(jī)、泵控液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)、反饋傳感器等環(huán)節(jié)在內(nèi)的直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)模型。對(duì)所設(shè)計(jì)的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證其合理性，并得出調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)。最后通過(guò)分析不同擾動(dòng)作用下直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)特性，研究控制系統(tǒng)魯棒性。
　　針對(duì)直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機(jī)控制系統(tǒng)存在非線性以及不確定外界擾動(dòng)等問(wèn)題，提出基于模糊消抖的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略。設(shè)計(jì)直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機(jī)伺服系