艦船結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制的理論和試驗(yàn)研究.pdf

1、摘要本論文面向?qū)嶋H工程應(yīng)用，將主動(dòng)最優(yōu)控制技術(shù)引入艦船結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制設(shè)計(jì)中，鋇1重于方法論的探討，首先結(jié)合船舶振動(dòng)工程特點(diǎn)，拓展了最優(yōu)控制理論，其次從數(shù)值仿真和船模試驗(yàn)入手，作船模上層建筑振動(dòng)主動(dòng)控制嘗試，即在考慮到船舶營(yíng)運(yùn)狀態(tài)受到未知外激勵(lì)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(yàn)知識(shí)外激勵(lì)作用、加速度響應(yīng)輸出最優(yōu)控制設(shè)計(jì)策略，通過(guò)多自由度離散系統(tǒng)數(shù)值仿真對(duì)所提出的改進(jìn)最優(yōu)控制策略作驗(yàn)證，針對(duì)模型試驗(yàn)和工程應(yīng)用探討了控制對(duì)象

2、系統(tǒng)的自身特性、權(quán)函數(shù)、外激勵(lì)模型類型、外激勵(lì)模型精確性、子結(jié)構(gòu)模型精確性對(duì)控制效果的影響與對(duì)控制設(shè)計(jì)的要求，并在作一定的簡(jiǎn)化假設(shè)條件下，以空氣中自由狀態(tài)船模為研究對(duì)象的振動(dòng)控制試驗(yàn)具體研究了改進(jìn)最優(yōu)控制的實(shí)現(xiàn)和船舶結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控制的實(shí)施過(guò)程，分析了船舶振動(dòng)主動(dòng)控制應(yīng)用所要涉及的問(wèn)題和可能瓶頸，為主動(dòng)最優(yōu)控制理論在船舶振動(dòng)工程的實(shí)用化進(jìn)一步鋪平道路。論文首先從公開發(fā)表的船舶工程振動(dòng)控制文獻(xiàn)出發(fā)，簡(jiǎn)單敘述了這些研究者將振動(dòng)主動(dòng)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(shí)際應(yīng)用，分析闡述了他們?cè)诶碚撋纤嬖诘娜毕莺途唧w實(shí)現(xiàn)上的局限，汲取他們將控制理論運(yùn)用于船舶振動(dòng)主動(dòng)控制領(lǐng)域的嘗試中可取之處，以船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)最優(yōu)控制的一般工程應(yīng)用為最終目的，分別在理論的拓展、試驗(yàn)的實(shí)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(shí)現(xiàn)機(jī)理簡(jiǎn)單的被動(dòng)控制和適應(yīng)面廣泛靈活、研究理論及具體實(shí)施復(fù)雜的主動(dòng)控制，指出它們?cè)谖锢硖匦陨系墓餐ㄖ?，集中介紹了主動(dòng)控制相關(guān)問(wèn)題

4、，包括現(xiàn)代控制理論中所常提及的時(shí)域、頻域控制的概念，基于計(jì)算機(jī)輔助振動(dòng)分析的主動(dòng)控制一般流程，復(fù)雜繁多的主動(dòng)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(guān)理論一二次型最優(yōu)控制理論，這種具有相對(duì)嚴(yán)格數(shù)學(xué)意義，并同時(shí)兼顧控制性能和控制敏感性的經(jīng)典時(shí)域控制方法。在分析船舶振動(dòng)一般特性和船舶振動(dòng)控制的特殊性基礎(chǔ)上，提出了基于持續(xù)未知、具有部分先驗(yàn)知識(shí)的外激勵(lì)作用下的改進(jìn)最優(yōu)控制策略，其基本思想是利用未知外激勵(lì)模型的先驗(yàn)微分方程組可描述性

5、，適當(dāng)修改評(píng)價(jià)函數(shù)中的控制力相關(guān)懲罰項(xiàng)，通過(guò)一系列數(shù)學(xué)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(lì)項(xiàng)得以‘消隱’，從而可以利用一切經(jīng)典最優(yōu)控制的相關(guān)成熟結(jié)論。在相關(guān)理論推演的基礎(chǔ)上，面向船舶振動(dòng)控制提出了由結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、狀態(tài)觀察器系統(tǒng)、外激勵(lì)發(fā)生器系統(tǒng)、MLQR最優(yōu)控制系統(tǒng)4部分構(gòu)成的振動(dòng)一控制仿真系統(tǒng)以完成結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析、系統(tǒng)狀態(tài)變量的觀測(cè)、滿足一定先驗(yàn)知識(shí)的外激勵(lì)的產(chǎn)生以及最優(yōu)控制的實(shí)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(biāo)的物理概念，以及控制問(wèn)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(lì)作用下最優(yōu)控制問(wèn)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(xì)推導(dǎo)了加速度響應(yīng)輸出反饋控制的問(wèn)題，并給出了不同輸出模型下控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和最小觀察器設(shè)計(jì)的結(jié)論。通過(guò)3自由度離散質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)的振動(dòng)控制數(shù)值仿真具體說(shuō)明了所涉及到的運(yùn)

7、動(dòng)系統(tǒng)模型處理、外激勵(lì)模型建立、最小狀態(tài)觀察器設(shè)計(jì)、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