详情

原文传递直驱式转叶舵机冲击干扰及控制策略研究

论文题名：	直驱式转叶舵机冲击干扰及控制策略研究
关键词：	转叶舵机;伺服系统;冲击干扰;控制策略
摘要：	随着舰船制造业的飞速发展，舰船吨位越来越大，对操纵性的要求越来越高，对舵机的要求也越来越高。直驱式容积控制转叶式液压舵机，具有结构紧凑、占地面积小、安装方便、维护简便、节能环保等优点，因此受到广泛关注。但是由于直驱式容积控制电液伺服系统动态特性不是很好，并且液压系统自身含有复杂的非线性特性，限制了该转叶舵机的广泛应用。另外，随着科学技术的进步以及武器的发展，在军事战斗中炸药的使用变得越来越频繁，舰船及其设备受到非接触爆炸袭击的概率越来越高，因此，在舰船作战过程中，舵机极有可能遭受水下非接触爆炸武器的攻击，导致整个系统在剧烈的冲击作用下失效。在此情况下，依靠传统的控制策略很难达到期望的控制效果。因此，有必要研究直驱式转叶舵机伺服系统动态性能，以及舰船设备在非接触水下爆炸冲击干扰作用下的响应特性，增强系统鲁棒性。　　论文首先详细介绍水下爆炸冲击载荷特性，重点研究舰船设备在非接触水下爆炸冲击载荷作用下结构响应中的流固耦合现象。根据结构力学、流体力学以及有限元等相关理论，推导出舵结构非接触水下爆炸冲击响应的流固耦合方程。并根据该方程的特点，提出采用中心差分法作为求解结构响应的数值计算方法。利用有限元软件ANSYS根据舵的实际尺寸建立舵结构有限元模型，选用显性动力学分析软件LS-DYNA模拟舵结构遭受非接触水下爆炸冲击载荷作用的全过程，并利用任意拉格朗日欧拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，简称 ALE）算法处理响应中流固耦合问题，最终得出结构动态响应特性。　　基于舰船设备抗冲击设计中冲击环境预报难的问题，提出采用自回归滑动平均模型（auto-regressive moving average model，简称ARMA模型）的时间序列分析法预报舰船设备冲击环境的新方法。以多组舰船仿真数据为基础，建立预测冲击环境的ARMA模型，引入遗传算法确定 ARMA模型阶数。通过分析所建模型的残差序列特性，检验ARMA模型的有效性。利用加速度响应傅里叶谱和伪速度谱之间的关系，将预测出的结果作为转叶舵机抗冲击设计基础输入，分别利用谱分析和瞬态分析研究转叶舵机的抗冲击性能，并对转叶舵机螺栓进行疲劳分析，给出螺栓等效应力云图和螺栓疲劳寿命分布图。结果表明，对于本文设计的转叶舵机在预测得出的冲击环境下难以长时间正常工作，并进一步验证了本文提出的冲击环境预报方法的可行性。　　掌握直驱式容积控制转叶舵机伺服系统的基本组成结构。针对异步电动机变压变频调速系统和控制转差频率的变频调速系统存在的不足，采用异步电动机矢量控制系统，详细阐述矢量控制变频调速系统的基本原理，推导异步电动机的数学模型。在此基础上，建立包括异步电动机、泵控液压动力机构、反馈传感器等环节在内的直驱式转叶舵机电液伺服系统模型。对所设计的矢量控制变频调速系统进行仿真分析，验证其合理性，并得出调速系统模型参数。最后通过分析不同扰动作用下直驱式转叶舵机系统的响应特性，研究控制系统鲁棒性。　　针对直驱式转叶舵机控制系统存在非线性以及不确定外界扰动等问题，提出基于模糊消抖的滑模变结构控制策略。设计直驱式转叶舵机伺服系统的模糊滑模控制器，给出系统控制律、切换函数以及模糊控制规则，理论验证控制系统的稳定性。结合液压系统本身存在的非线性摩擦特性以及转叶舵机水下爆炸冲击环境，对系统存在不同外界扰动作用的情况进行动态性能仿真研究，验证本文提出的基于模糊消抖的滑模变结构控制策略可以有效地改善系统动态性能，提高系统鲁棒性。
作者：	荀盼盼
专业：	控制理论与控制工程
导师：	梁利华
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文