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原文传递潜艇舵机系统流固耦合与优化控制策略研究

论文题名：	潜艇舵机系统流固耦合与优化控制策略研究
关键词：	潜水艇;舵机系统;动态特性;流固耦合;优化设计
摘要：	潜艇技术以及军队作战水平飞速发展的同时，也给潜艇操舵系统带来了新的挑战，提出了更高的要求。潜艇的操纵性主要表现为潜艇利用操纵装置控制其运动方向、运动姿态等性能。操纵性的好坏不但关系到潜艇的航行安全，而且关系到军队的整体作战水平，同时对提高经济性等问题也是十分重要的。液压舵机系统是潜艇舵机系统中应用最广的操舵装置，其控制性能直接影响潜艇航行的操纵性、经济性和安全性。在液压舵机系统工作过程中，不可避免地会产生管路的流固耦合振动，该振动不仅会降低管道及液压部件的寿命，严重时还会造成管壁破裂、管路支撑结构破坏，引起支撑刚度下降、管路系统失效、液压油液泄露，从而降低潜艇的安全性和可靠性。因此，本文在综述潜艇液压舵机系统研究现状的基础上，对其进行了建模仿真、管路系统流固耦合、优化控制以及实验方案的研究和设计。　　首先根据潜艇液压舵机系统的构成，通过液压系统建模的方法，建立潜艇舵机转舵机构、变量泵排量控制系统和舵机控制系统的数学模型，并给出舵面水动力的干扰特性。同时利用工程系统高级建模环境软件建立变量泵系统以及潜艇舵机液压系统仿真模型，为后续仿真研究做准备。　　以某小型潜艇舵机为研究对象，根据搭建好的仿真模型对潜艇液压舵机系统以及变量泵排量控制系统动态特性进行研究，从频域和时域两方面分析系统参数变化和外负载干扰对系统动态性能的影响。结合系统性能指标和动态响应特性，设计合理的控制器，仿真验证其控制效果。　　研究潜艇液压舵机管路动态特性，建立带有管路动态特性的潜艇舵机液压系统仿真模型。利用该模型仿真研究不同工作情况下管路动态特性对潜艇液压舵机系统性能的影响。根据潜艇舵机液压管路系统的实际布局，利用有限元软件建立管路振动的计算模型，对舵机管路系统进行有限元仿真，分别给出简单直管路和舵机液压管路系统的模态分析结果。该结果有助于潜艇舵机液压管路系统分布设计及减震降噪方案的提出。　　根据潜艇舵机系统的技术要求、选用原则以及优化设计、液压控制系统优化的基本理论，确定了潜艇液压舵机系统优化控制的技术方案，提出基于遗传算法的潜艇舵机优化控制策略。根据优化后的控制器参数对系统进行仿真，并和采用传统PID控制器的系统的性能进行对比，检验优化后控制器的控制效果。结果表明，本文提出的优化设计方案可以有效的抑制噪声，提高系统的稳定性。　　最后，结合前面的理论研究内容，利用某型潜艇液压舵机系统模拟实验装置，分别针对潜艇液压舵机系统的动态特性和液压管路耦合振动进行了实验方案设计。根据系统在快速操舵、恒速操舵以及正弦操舵三种不同工作情况下的实验响应曲线，得出相应结论：操舵速度越大，舵机控制系统的控制效果越差，管路振动和压力波动的幅值也越大。在系统采用优化控制策略后，不但改善了系统的跟踪性能，而且有效地抑制了管路振动和压力波动，实验验证了本文提出的优化控制策略的优越性和可行性。
作者：	刘惠媛
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：	2014
正文语种：	中文