動力吸振器控制算法研究及在艦船設備減振中的應用.pdf

1、振動控制一直是工程界和學術界努力解決的重要問題，它涉及的領域包括艦船結構及其機電設備隔振抗沖，土木結構防風減震，汽車懸架減振，等等。其中，現(xiàn)代軍事工業(yè)的飛速進步使得艦船柴油機等動力設備向著高功率高轉速的趨勢發(fā)展，這意味著船體結構和設備振動問題將進一步突出，而與此同時，對艦船隱身性能，抗沖性能以及艦載靈敏設備的保護要求都更加苛刻。動力吸振器(DynamicVibrationAbsorber,i.e.DVA)是解決這一矛盾的有效手段。本論文

2、基于船用設備振動控制這一工程背景，對動力吸振器的被動控制和主動控制都做了深入的分析研究，對減振與隔振中的動力吸振器最優(yōu)設計給出了重要結論，論文還運用實驗手段研究了虛擬吸振器算法的有效性，主要研究內容和成果總結如下： 一、將艦船設備簡化為單自由度系統(tǒng)，運用Lyapunov方程以及矩陣Kronecker積求解了與設備附連吸振器的最優(yōu)設計。其具體方法是利用Lyapunov方程將二次型積分目標函數(shù)轉化為初始狀態(tài)向量的矩陣二次型，然后針對

3、初速度或初位移條件將矩陣二次型變?yōu)槎囗検?，最后采用Kronecker積以及列展開將多項式的系數(shù)轉化為吸振器調諧頻率比以及阻尼比的表達式，并令多項式取極小值，即可得到最優(yōu)參數(shù)。在忽略被控結構阻尼的情況下，得到了封閉解析解；如果考慮阻尼，給出了以被控結構粘性阻尼比冪級數(shù)表達的二階攝動解。與以往研究最大的不同是，在本文給出的最優(yōu)設計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)設計-特殊條件下，給定初

4、速度比為0或1可求解外力激勵或基礎加速度激勵下的經(jīng)典H2最優(yōu)。本研究還比較了二階攝動解與梯度尋優(yōu)得到的數(shù)值最優(yōu)解之間的差別，證明二階攝動解具有較高的穩(wěn)定性。 二、在我國的某型艦艇上已經(jīng)將多重調諧質量阻尼器應用于柴油機減振，本文提出運用微積分手段分析多重調諧質量阻尼器(MTMD)在TMD個數(shù)趨于無窮多條件下的性能指標和迭代尋優(yōu)。以往的研究針對包含TMD個數(shù)較多的MTMD，只能通過大量數(shù)值現(xiàn)象來猜測其最終趨勢，迭代效率低下。本研究將

5、單個TMD視為并聯(lián)的小單元，每個小單元都對被控結構產(chǎn)生作用力，并具有獨立的傳遞函數(shù)，因此在TMD趨于無窮多時，每個小TMD單元相當于一個微元，將所有的微元作用積分即可得到無窮多TMD的傳遞函數(shù)，基于該傳遞函數(shù)可求出基礎加速度激勵或外力激勵下無窮MTMD的極限性能，而且數(shù)值仿真還證明，無窮MTMD迭代效率高，它的最優(yōu)設計可直接代替包含20個以上的TMD組成的MTMD設計。 三、雙層隔振技術在當前艦船設備隔振中有廣泛應用，但它引入了

6、二次諧振峰，這對于中頻段的隔振極為不利，本文為了解決這一問題，提出了中間小質量隔振技術-其本質就是將多重調諧質量阻尼器的吸振思想擴展到隔振設計，并利用無窮維動力系統(tǒng)近似有限維系統(tǒng)的方法分析它的最優(yōu)設計。在中間小質量無窮多的前提下，中間系統(tǒng)的傳遞特性可利用積分方法得到，而這也正是有限個中間小質量在個數(shù)較多時的近似。然后，基于給定的靜變形上限求解簡單雙層隔振，多個小中間質量隔振以及無窮多小中間質量隔振的最優(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量分布的頻帶寬度。雖然采用多個小中間質量隔振會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，則多個小中間質量隔振可以消除簡單雙層隔振的二次諧振峰。最優(yōu)設計為中間質量系統(tǒng)的質量比以及高頻段容許上移量的解析表達式。 四、當前艦船設備的振動控制，主動吸振器技術應用十分有限，本文針對兩種具有較強抗干擾能力的主動控制技術，即滑?？刂坪汪敯艨刂?，從理論上進行了一些探索。首先，糾正了以往研究對于主動吸振器滑?？?/p>

8、制中作動力出現(xiàn)直流分量的錯誤解釋，并定量的給出了出現(xiàn)直流分量的判定標準。次之，給出了主動吸振器魯棒控制權函數(shù)的選擇技巧。這些對于主動吸振器在艦船振動控制領域的應用都具有一定價值。 五、采用實驗手段研究了虛擬吸振器算法的控制性能。結果表明，虛擬吸振器算法可以有效地抑制結構振動，它的重要優(yōu)點在于對結構攝動具有相當高的穩(wěn)定性，而且信號處理和反饋不需要全局處理，十分有利于大型結構的分散控制。 面對艦船結構控制領域不斷出現(xiàn)的新問題