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原文传递直驱翻边式转叶舵机控制系统及动态特性研究

论文题名：	直驱翻边式转叶舵机控制系统及动态特性研究
关键词：	船舶舵机;控制系统;抗冲击性能;动态特性
摘要：	现代船舶的发展趋势对舵机系统提出了占用空间小、能耗噪声低等要求。此外，由于船舶在水中航行时也经常面临各种复杂特殊（如水下大载荷冲击）的工作环境，因此对船舶舵机的生存能力和动态特性同时提出了更高的要求。为此，研究人员不断从各方面寻求提高船舶舵机在特殊工作环境中的生存能力与舵机系统动态特性的方法。直驱翻边式转叶舵机具有体积小、能耗低等特点，尤其是翻边式结构具有较强的抗冲击能力。但抗冲击结构对舵机动态特性的不良影响使其难以快速、准确、稳定地跟踪期望的舵角指令，严重制约了其在实船上的应用。通过本文的研究，在量化设计翻边式转叶舵机抗冲击结构的基础上，通过对直驱翻边式转叶舵机数学模型的建立解决抗冲击柔性结构对舵机动态特性难以描述的难题，并通过设计相应的控制策略解决舵机系统刚柔耦合的复杂的非线性控制的问题。这对于提高船舶舵机的抗冲击性能及改善舵机的动态特性，提高船舶的操纵性能有着重大的理论及工程实践意义。　　本文针对翻边式转叶舵机的结构及抗冲击特性，设计并优化了抗冲击柔性结构，提出了冲击系统数学模型及仿真验证方案。以水下大载荷外部冲击为背景环境，设计了抗冲击柔性结构的关键参数。针对转叶舵机的抗冲击响应问题，建立了描述转叶舵机冲击过程的冲击系统模型，并仿真验证了设计参数的有效性。针对抗冲击性能与舵机动态性能的矛盾，对结构参数进行了优化。经过有限元模型的仿真验证，在考虑舵机动态特性的前提下，经过优化设计得到的结构参数可以在所给定的水下大载荷外部冲击环境中正常工作。　　针对研究了舵机控制系统中的非线性问题，建立了包含摩擦与刚柔耦合问题的舵机系统数学模型，并研究了其对动态特性的影响。建立了刚性无限大时的舵机系统数学模型，在分析系统稳定的基础上，针对舵机固有的非线性摩擦问题首次提出了转叶舵机LuGre摩擦模型，解决了转叶舵机的摩擦现象难以描述的问题。此外，详细分析了翻边式转叶舵机的刚柔耦合问题对舵机动态特性影响的作用过程，首次提出了翻边式转叶舵机的刚柔耦合数学模型，解决了该型舵机抗冲击柔性结构对系统动态特性影响难以描述的问题。通过建立理论模型仿真，研究了舵机刚柔耦合问题对系统动态特性的影响，并与建立AMESim模型对比仿真，验证了刚柔耦合数学模型的正确性和合理性。　　针对所提出的系统的非线性摩擦及刚柔耦合对舵机动态特性的影响，提出一种混合控制策略，用以解决舵机控制中的非线性问题，改善系统动态特性。设计自适应鲁棒控制器来抑制舵机系统固有的非线性摩擦问题。通过奇异摄动分解的方法对系统进行降阶处理，将其分解为慢变子系统和快变子系统。设计混合控制方法来改善舵机系统刚柔耦合对动态特性所带来的不良影响。二者叠加形成新的混合控制策略。通过理论模型仿真，验证了所设计的控制方法的有效性，并采用AMESim模型仿真对理论模型仿真的有效性与合理性进行验证。　　为了验证控制策略的有效性，本文利用实验室现有的直驱式容积控制电液伺服舵机样机，搭建与直驱翻边式转叶舵机等效的原理验证实验平台。通过原理验证实验的方式，分别针对舵机系统的非线性摩擦的抑制策略及刚柔耦合混合控制策略进行了实验验证。经过对实验结果的分析，证明本文所提出的控制方法可以有效地改善直驱翻边式转叶舵机系统的动态特性。　　本文在设计并优化影响翻边式转叶舵机抗冲击性能的结构关键参数的基础上，充分考虑系统固有及抗冲击柔性结构导致的摩擦及刚柔耦合等非线性因素对舵机动态特性影响，提出了非线性问题的建模方法及混合控制策略，有效的提高了直驱翻边式转叶舵机系统的动态特性，设计结果均经过仿真及实验验证。本研究对直驱翻边式转叶舵机在复杂特殊的工作环境中的应用有着重要的理论与工程实践意义，并为今后的进一步研究提供了基础，有着重要的参考价值。
作者：	王路阳
专业：	控制科学与工程
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：	2021