艦船結構振動主動控制的理論和試驗研究.pdf

1、摘要本論文面向?qū)嶋H工程應用，將主動最優(yōu)控制技術引入艦船結構振動控制設計中，鋇1重于方法論的探討，首先結合船舶振動工程特點，拓展了最優(yōu)控制理論，其次從數(shù)值仿真和船模試驗入手，作船模上層建筑振動主動控制嘗試，即在考慮到船舶營運狀態(tài)受到未知外激勵持續(xù)作用的一般情況下，提出了基于持續(xù)未知、具有部分先驗知識外激勵作用、加速度響應輸出最優(yōu)控制設計策略，通過多自由度離散系統(tǒng)數(shù)值仿真對所提出的改進最優(yōu)控制策略作驗證，針對模型試驗和工程應用探討了控制對象

2、系統(tǒng)的自身特性、權函數(shù)、外激勵模型類型、外激勵模型精確性、子結構模型精確性對控制效果的影響與對控制設計的要求，并在作一定的簡化假設條件下，以空氣中自由狀態(tài)船模為研究對象的振動控制試驗具體研究了改進最優(yōu)控制的實現(xiàn)和船舶結構的主動控制的實施過程，分析了船舶振動主動控制應用所要涉及的問題和可能瓶頸，為主動最優(yōu)控制理論在船舶振動工程的實用化進一步鋪平道路。論文首先從公開發(fā)表的船舶工程振動控制文獻出發(fā)，簡單敘述了這些研究者將振動主動控制方法引入船

3、舶工程所作的努力和具體控制裝置在船舶工程中實際應用，分析闡述了他們在理論上所存在的缺陷和具體實現(xiàn)上的局限，汲取他們將控制理論運用于船舶振動主動控制領域的嘗試中可取之處，以船舶結構振動最優(yōu)控制的一般工程應用為最終目的，分別在理論的拓展、試驗的實施和軟件集成環(huán)境的定制方面作如下的研究和創(chuàng)新。比較了研究開發(fā)較早、實現(xiàn)機理簡單的被動控制和適應面廣泛靈活、研究理論及具體實施復雜的主動控制，指出它們在物理特性上的共通之處，集中介紹了主動控制相關問題

4、，包括現(xiàn)代控制理論中所常提及的時域、頻域控制的概念，基于計算機輔助振動分析的主動控制一般流程，復雜繁多的主動控制方法的本質(zhì)，以及本論文所提出的控制方法的最基本相關理論一二次型最優(yōu)控制理論，這種具有相對嚴格數(shù)學意義，并同時兼顧控制性能和控制敏感性的經(jīng)典時域控制方法。在分析船舶振動一般特性和船舶振動控制的特殊性基礎上，提出了基于持續(xù)未知、具有部分先驗知識的外激勵作用下的改進最優(yōu)控制策略，其基本思想是利用未知外激勵模型的先驗微分方程組可描述性

5、，適當修改評價函數(shù)中的控制力相關懲罰項，通過一系列數(shù)學處理、狀態(tài)變換，引入新的狀態(tài)變量和新的控制量使得描述控制系統(tǒng)的方程中未知的外激勵項得以‘消隱’，從而可以利用一切經(jīng)典最優(yōu)控制的相關成熟結論。在相關理論推演的基礎上，面向船舶振動控制提出了由結構動態(tài)系統(tǒng)、狀態(tài)觀察器系統(tǒng)、外激勵發(fā)生器系統(tǒng)、MLQR最優(yōu)控制系統(tǒng)4部分構成的振動一控制仿真系統(tǒng)以完成結構動力分析、系統(tǒng)狀態(tài)變量的觀測、滿足一定先驗知識的外激勵的產(chǎn)生以及最優(yōu)控制的實施這一系列仿真

6、分析功能。最后闡述了理論推演中所涉及到的可控、可觀性及可控性指標的物理概念，以及控制問題中所常見的Riccati方程的數(shù)值解法和Hamilton矩陣解法。從泛函描述角度考察了基于持續(xù)未知外激勵作用下最優(yōu)控制問題的提出及外力模型微分形式可描述前提下的解決方案。從理論上詳細推導了加速度響應輸出反饋控制的問題，并給出了不同輸出模型下控制系統(tǒng)設計和最小觀察器設計的結論。通過3自由度離散質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)的振動控制數(shù)值仿真具體說明了所涉及到的運

7、動系統(tǒng)模型處理、外激勵模型建立、最小狀態(tài)觀察器設計、最優(yōu)控ABSTRACTAimingatengineeringapplicationhowtotakeconsiderationofactiveoptimalcontrolinshipstructuralvibrationcontroldesignisdiscussedmainlyintheareaofmethodologyfirstlytheoptimalcontroltheoryis

8、modifiedtobesuittoshipcraftvibrationengineeringsecondlycertainatemptationistakingonvibrationcontrolbasedonnumericalsimulationandshipmodelexperiment.Indetailsinthenormalcaseofshiponservicesubjecttoimmeasurablecontinuousdi

9、sturbanceswithonlylitleprioriknowledgebeingknownamodifiedoptimalcontroldesignstrategyisproposedtodealwithsuchunknowndisturbancesandaccelerationresponseoutputhowthecontrolplantselfcharactersweightfunctionsdisturbancesmode

10、ltypesdisturbancesmodelaccuracyandsubstructuremodelaccuracyafectthecontroldemandandcontrolresultisstudiedinnumericalsimulationthoughsomesimplificationsaretakeninshipmodelexperimentmodifiedoptimalcontroltheoryrealizationa

11、ndactivecontrolexecutionprocedurealsogiveageneralviewofbotleneckandproblemsthosemightbefacedinthefutureshipvibrationactivecontrolutilities.Simplesurveyisgivenontheexistingstudiesinwhichlotsofresearchworkershadtakeneither

12、onshipvibrationcontrolmethodologicalframeworkoractivecontroldeviceadoptedinshipengineeringshortcomingintheoryandlimitationinspecificrealizationarepointedout.Inthisthesisauthordrawthehighlightsoftheformaltrialsandmakefurt

13、herstudyandinnovationontheorycontinuationexperimentexecutionandintegratedsoftenvironmentmakingseparatelyasfollows.Activecontroliscomparedwithpassivecontrolwhilethecommonpointinphysicalcharacterisalsoshown.Theflowofactive

14、controlbasedoncomputeraidedvibrationcontrolanalysisandtheclassificationsofactivecontrolarepresented.TheideaofclassicoptimalcontrolwhichbelongstotimedomaincontrolisintroducedBasedontheanalysisofshipvibrationcharacterandsh

15、ipvibrationcontrolpeculiaritymodifiedoptimalcontrolstrategyisproposedtodealwiththestructuresubjecttoimmeasurablecontinuousdisturbanceswithonlylitleprioriknowledgebeingknown.Forasuitableselectedquadratictypeperformanceind

16、exandcertainchangesinstateequationswiththeconsiderationofusingminimumstatesobserveranewapproachformultiinputmultioutput(MIMO)systemoptimalcontrolcanbeformulated.Asaresultwhentheimmeasurabledisturbancessatisfyspecialdifer

17、entialrelationstheoptimalfeedbackcontrolwillneverbeanexplicitfunctionofthedisturbancesandcanbeexpressedtobelinearfunctionofthestatevariablesandtheirintegrals.Thenewvibrationcontrolsystemiscomposedoffourparts:disturbances

18、ystemdynamicsystemobserversystemandlinearquadraticregulator.NumericalmethodtosolvethefamousRiccatiequationsisprovidedthoughHamiltonmatrixsolutionisusedinthefollowinghandling.Fromtheviewpointoffunctionaldescriptiontheputi

19、ngforwardofoptimalcontrolunderimmeasurablecontinuousdisturbancesandthewayoutunderthepremisedisturbancesmodeldiferentialdescriptionpossibilityarestudied.Theformulaofaccelerationresponseoutputfeedbackcontrolisdeducedandcon