直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機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，艦船噸位越來越大，對操縱性的要求越來越高，對舵機的要求也越來越高。直驅(qū)式容積控制轉(zhuǎn)葉式液壓舵機，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安裝方便、維護簡便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，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)葉舵機的廣泛應(yīng)用。另外，隨著科學(xué)技術(shù)的進步以及武器的發(fā)展，在軍事戰(zhàn)斗中炸藥的使用變得越來越頻繁，艦船及其設(shè)備受到非接觸爆炸襲擊的概率越來越

2、高，因此，在艦船作戰(zhàn)過程中，舵機極有可能遭受水下非接觸爆炸武器的攻擊，導(dǎo)致整個系統(tǒng)在劇烈的沖擊作用下失效。在此情況下，依靠傳統(tǒng)的控制策略很難達到期望的控制效果。因此，有必要研究直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機伺服系統(tǒng)動態(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，提出采用中心差分法作為求解結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)值計算方法。利用有限元軟件ANSYS根據(jù)舵的實際尺寸建立舵結(jié)構(gòu)有限元模型，選用顯性動力學(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程，并利用任意拉格朗日歐拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，簡稱 ALE）算法處理響應(yīng)中流固耦合問題，最終得出結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)特性。
　　基于

4、艦船設(shè)備抗沖擊設(shè)計中沖擊環(huán)境預(yù)報難的問題，提出采用自回歸滑動平均模型（auto-regressive moving average model，簡稱ARMA模型）的時間序列分析法預(yù)報艦船設(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)。通過分析所建模型的殘差序列特性，檢驗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)測出的結(jié)果作為轉(zhuǎn)葉舵機抗沖擊設(shè)計

5、基礎(chǔ)輸入，分別利用譜分析和瞬態(tài)分析研究轉(zhuǎn)葉舵機的抗沖擊性能，并對轉(zhuǎn)葉舵機螺栓進行疲勞分析，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，對于本文設(shè)計的轉(zhuǎn)葉舵機在預(yù)測得出的沖擊環(huán)境下難以長時間正常工作，并進一步驗證了本文提出的沖擊環(huán)境預(yù)報方法的可行性。
　　掌握直驅(qū)式容積控制轉(zhuǎn)葉舵機伺服系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)。針對異步電動機變壓變頻調(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，采用異步電動機矢量控制系統(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)異步電動機的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，建立包括異步電動機、泵控液壓動力機構(gòu)、反饋傳感器等環(huán)節(jié)在內(nèi)的直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機電液伺服系統(tǒng)模型。對所設(shè)計的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)進行仿真分析，驗證其合理性，并得出調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)。最后通過分析不同擾動作用下直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機系統(tǒng)的響應(yīng)特性，研究控制系統(tǒng)魯棒性。
　　針對直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機控制系統(tǒng)存在非線性以及不確定外界擾動等問題，提出基于模糊消抖的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略。設(shè)計直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機伺服系