电磁主动浮筏隔振系统建模与前馈控制系统设计开题报告

1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1主动浮筏隔振系统的国内外研究现状

经过20多年国内外学者的研究，浮筏隔振系统己经成功在船舶、潜艇上得到应用。国外使用情况表明，浮筏减振相对于单层隔振及双层被动隔振具有更好的减振效果、较小的附加重量、更高的抗冲击能力和优异的系统稳定性，是未来动力机械超静隔振的趋势。

澳大利亚学者采用6个作动器及4个橡胶弹簧使双层隔振平台中间筏架，在6个自由度方向运动最小化的控制策略，利用动能控制和模态控制，实现了船用主机为振源主动隔振，并取得比较好的仿真及实验效果^[1]。美国通用电气研究中心在浮筏支承系统上增加32个三方向的电磁作动器，及500多个传感器采集位移、加速度、磁通量的信号经过高性能处理器DSP的处理，解决大型浮筏主动控制系统的运算效率问题^[2]。英国学者对于舰船上机器和支承机构造成的结构共振，在原有刚性模态的被动隔振系统中设计了一个“智能弹簧”组成一个主被动混合隔振系统，能够有效的解决机器及支承结构(如浮筏)结构共振，同时变阻尼控制吸收由残余力和次级通道引起的结构振动，成功应用在大型的舰船上^[3]。

国内在浮筏隔振系统上起步较晚，起初主要是建立浮筏系统的动力学模和系统动力特性分析，浮筏隔振系统的设备、筏体、隔振器及基础构成一个空间的物理结构，一般意义上讲，这是一个具有分布质量、分布弹性和分布阻尼的物理系统，是一个连续参数系统，通常是离散化参数分析，就形成了如多刚体建模分析方法、有限元建模分析、导纳/阻抗综合法、四端参数法。上海交通大学张智勇等将筏架作为刚体讨论，采用振型叠加法或数值积分法求得浮筏振动系统的响应^[4]。华中科技大学黄其柏等利用有限元法，建立了两种筏体的有限元模型，采用复刚度法并结合振级落差方法可以比较精确的预测浮筏隔振系统的隔振效果^[5]。张鲲、吴广明建立了浮筏系统各子系统的导纳阻抗矩阵，提出了等效导纳及等效阻抗方法或阻抗综合法形成模态阻抗法，来描述浮筏整个系统中子结构或者子系统直接连接处机械动态耦合的相互作用，可以预测在复杂耦合结构中子系统连接处的力矢量、速度矢量以及功率流^[6]。上海交通大学严济宽研究四端参数法研究隔振系统的传递率，隔离器内驻波效应和基础非刚性对传递率的影响。可以有效解决弹性元件中的驻波效应，机器支脚的刚性不足，以及非刚性基础的振动隔离等用一般方法较难处理的问题^[7]。

后由于隔振结构越来越复杂，需要考虑多维的振动传递模型，就需要大量的矢量来描述结构振动传递到隔振装置、基础的传递能量。1980年Goyder和White两人提出了功率流的理论来描述结构振动传递能量关系。可以定量和比较隔振系统中各元件的振动情况。功率流可以同时考虑传递到结构上的力和速度，就能反应振源对结构的能量传递及各隔振点的能量传递情况^[8]。Yajun Luo,Yingqi Zhang等人对具有不同反馈策略的主动隔离系统的传递函数进行了数值分析。根据具有不同反馈增益因子的模拟,发现相对加速度和位移反馈在扩展隔振频率范围方面具有优势。而绝对加速度反馈可以抑制高阶模态响应。具有绝对加速度,相对位移和速度的混合反馈具有最佳性能^[10]。

采用理论建模时，针对较复杂的系统，常常会遇到一些参数难以确定的情况，无法建立满足要求的数学模型。这时候可以使用系统辨识法，系统的输入信号与输出信号是可以采集的，且测量的输入/输出数据蕴含被控系统的动态特性，故对机理尚不清楚或过于复杂的系统，可采用系统的输入/输出数据所包含的信息建立系统的辨识模型，而无需深入了解其内部机理。

本次毕业设计，我研究的是“电磁主动浮筏隔振系统建模与前馈控制系统设计”。隔振器采用电磁悬浮技术，该技术在磁悬浮列车^[21]、磁悬浮轴承^[22]等方面的应用，已经取得了一定的研究成果，但针对电磁悬浮隔振系统的研究还比较少，采用电磁悬浮技术的隔振器还不多见。

1.2前馈控制系统设计的研究现状

提高声隐身性能是当今潜艇研究的一个重大课题。有效实现潜艇低频隔振是提高声隐身能力的关键。主动隔振器具有能动态调整系统支承参数，有效抑制结构振动的能量传递，对低频隔振效果好的特点。主动隔振与浮筏相结合的主动浮筏隔振技术是提高潜艇的声隐身能力的关键。研究主动隔振技术在潜艇的减振降噪具有非常重要的作用。对我国保护领土不受侵犯，抵御外敌具有重要的战略意义。

前馈控制作为主动控制与浮筏隔振相结合的形式近年来在国内外学者的努力下取得了一些成果，目前发达国家己经在航空、舰船、汽车振动等领域得到非常多的实际应用。1991年，C.R.Fuller结合LMS算法，实现宽带结构自适应控制，在对飞机壁板试验中使得振动减小了12dB^[11]。Scott.D.S于1991年提出了结构振动多通道法LMS自适应控制方案^[12];同时，S.J.Elliott,P.A.Nelson等把自适应前馈应用于汽车噪声控制上,提高汽车的舒适型^[13]。对于简谐振动的控制，主要运用基于滤波X-LMS算法的自适应前馈控制是当前主要的噪声振动控制的方法。EricH.Anderson等利用Fx-LMS算法及反馈及前馈相结合的算法，应用于航天器的隔振平台，进行单输入单输出的FXLMS前馈控制，实现了40dB的隔振效果^[14]。但多输入多输出的前馈控制还需要进一步研究。A.J.Hillis等人比较了FXLMS自适应算法及误差信号最小化控制分析方法,应用在汽车发动机的主被动隔振系统中，主动控制后，宽频带振动减小了50-90%^[15]。Kim等人为避免前馈控制需要稳定的，干扰小的参考信号，对于谐波振动主动控制，提出自适应陷波器频率估计产生参考信号及结合前馈控制的方法，构造前信号可以与控制点信号抵消的策略，取得比较好的隔振效果^[16]。

与国外相比,国内在振动主动控制技术的理论研究方面己有了一定的基础,但在应用基础研究和工程应用方面与国外相比尚存在相当的差距。何其伟、严正涛等人对双隔振平台的单通道主动控制采取了改进的变步长控制算法，并在simulink中加以验证，提高了FXLMS算法的收敛速度和识别精度^[17]。孟令雷研究了磁悬浮隔振器的建模与控制，以及做了自适应前馈控制隔振器的实验，但缺乏在浮筏隔振系统的实验，以及对控制算法的改进^[18]。鲁民月，杨铁军，顾仲权等利用FXLMS算法前馈控制器结合鲁棒反馈控制两输入两输出的自由-自由梁的振动鲁棒控制及混合控制研究，并取得较好的控制效果^[19]。王俊芳主要研究自适应主动隔振的理论和实验研究，研究时滞环节对振动控制稳定性的影响，同时对算法进行的优化并做了多通道主动隔振的仿真和实验，但多方向的主动隔振尚未研究，以及优化隔振器的组合产生更加全面、有效的控制效果尚未研究^[20]。主动控制降低了被控点的振动，但增加了作动器本身的振动，但反馈信号传递的时滞性很敏感，如何避免时滞的不利影响，需要进一步考虑。

本次毕业设计，我研究的是“电磁主动浮筏隔振系统建模与前馈控制系统设计”。设计一套稳定的、效果显著的前馈主动电磁浮筏隔振系统是我的目的。

我计划通过模型辨识的方法的对浮筏隔振系统进行建模。前馈控制系统设计我选择对简谐振动控制非常有效的基于陷波器滤波结合 FXLMS算法的自适应前馈控制，提高隔振系统的稳定性。

2、基本内容和技术方案

基本内容：

1） 查阅资料，建立电磁浮筏隔振系统模型；

2） 查阅资料，了解自适应滤波的前馈控制算法原理；

3） 设计基于电磁浮筏隔振系统的基于陷波器的FXLMS算法；

4） 软件仿真，根据实验结果调整建模与算法；

5） 整理资料，完成毕业论文的写作，准备好答辩工作；

6） 完成毕业论文的答辩工作。

技术方案：

1）查阅资料，建立电磁浮筏隔振系统模型；

2）查阅资料，设计基于电磁浮筏隔振系统的基于陷波器的FXLMS算法；

3）MATLAB仿真，根据实验结果调整建模与算法；

4）对设计进行总结；