两自由度非线性隔振系统线谱混沌化控制技术研究

线谱混沌化是提高潜艇声隐身性能的主要手段,但难以实现小振幅下的持续混沌化;同时,非线性隔振系统由于多个吸引子共存,混沌化品质依赖于初始条件和系统参数。为此,利用开环加非线性闭环方法研究两自由度非线性隔振系统的吸引子迁移和线谱混沌化。建立两自由度非线性隔振系统的动力学方程并分析其全局性态,得到系统的全局分岔特性及吸引子共存规律;通过开环加非线性闭环方法实现不同吸引子之间的迁移控制,使系统在不同初始条件下始终运行于基础振动最小的混沌吸引子上;利用开环加非线性闭环耦合方法实现驱动系统和响应系统之间的广义混沌同步,使系统在不同参数下始终处于小振幅持续混沌运动。仿真结果表明该方法具有可行性和稳定性,能实现隐匿线谱信息和保持隔振性能的双重功能。     

准零刚度隔振系统吸引子迁移控制研究

以准零刚度隔振系统为对象,建立动力学模型,画出分岔图研究吸引子共存现象,并利用点映射方法分析共存吸引子的吸引域。在共存吸引子的吸引域之间建立一条目标轨道,分别采用开环、闭环和开环加闭环控制方法使系统迁移至目标轨道,实现系统吸引子迁移控制。同时,对开环加闭环控制方法的稳定性和可行性进行了分析。仿真结果表明:该系统同时存在两个稳定的不同振幅的周期1吸引子,开环和闭环控制方法难以使系统迁移至目标轨道,无法实现吸引子迁移控制;开环加闭环控制可使系统沿着目标轨道在两个周期1吸引子的吸引域之间进行迁移,当其运行在较大振幅的周期1吸引子上时,可控制系统迁移至较小振幅的周期1吸引子上,从而实现减振降噪。该方法为提高非线性隔振系统的隔振效果提供了新的思路。     

两自由度非线性隔振系统的吸引子迁移控制

针对非线性隔振系统存在多个不同拓扑特性的吸引子,提出了实现不同吸引子之间迁移控制的方法。对两自由度非线性隔振系统进行全局分岔分析,证明系统存在多个吸引子;利用控制方法实现系统不同吸引子之间的迁移。仿真结果表明:开环加非线性闭环控制方法相比开环、闭环和开环加线性闭环控制方法,传递域是全局的,且不受目标函数的影响,为降低潜艇辐射水声中的低频线谱特征提供了新的思路。     

两自由度高静低动刚度隔振系统的广义混沌同步化

针对目前潜艇动力机械系统的线谱控制方法难以实现小能量控制混沌化、变工况下持续混沌化和小振幅混沌化难题,提出了基于状态反馈和开环加非线性闭环耦合的两自由度高静低动刚度隔振系统广义混沌同步化方法。首先,建立两自由度高静低动刚度隔振系统的动力学模型,分析其全局性态;然后,利用Chen系统作为驱动信号,采用HookeJeeves方法优化控制增益,通过状态反馈实现变工况下的持续混沌化;最后,利用开环加非线性闭环耦合的广义混沌同步实现高静低动刚度隔振系统大参数范围和小振幅混沌化。仿真结果表明,虽然基于状态反馈的广义混沌同步能实现两自由度高静低动隔振系统持续混沌化且线谱强度有所降低,但基座的振动幅值相比未混沌化前急剧加大;而基于开环加非线性闭环耦合的广义混沌同步能同时实现两自由度高静低动隔振系统变工况下的持续混沌化和小振幅下的混沌化,不仅能显著降低线谱强度,而且能有效抑制被隔振物体的振幅,解决了一般意义的混沌化方法无法解决的线谱抑制和振动隔离之间的冲突。     

混沌同步控制策略构造方法研究

水下辐射噪声中的低频线谱是影响潜艇声隐身性能的主要因素,线谱混沌化控制技术通过处于混沌状态的非线性隔振系统将低频线谱转换为宽频混沌谱,可以实现频谱重构并降低线谱强度。前期研究表明,利用广义混沌同步方法可以实现变工况下隔振系统的持续混沌化,在某些情况下还能显著减小振幅,为线谱混沌化控制理论提供了新思路。然而,目前要利用广义混沌同步产生小振幅的持续混沌运动,只能通过"试错"来选择合适的混沌同步控制策略,还没有形成系统的方法。为此,提出了一种混沌同步控制策略构造方法。结合耦合Duffing隔振系统对该构造方法进行验证和说明,并将该方法应用于两自由度非线性隔振系统。     

基于离散混沌化方法的线谱控制技术研究

船舶辐射水声中的线谱成分是被动声纳在水声对抗中检测、跟踪和识别目标的主要特征信号,对线谱成分进行控制能有效提高船舶的水声隐声性能。传统的隔振方法无法改变隔振系统的线谱成份,利用反馈混沌化控制原理,采用时变反馈参数的离散混沌化方法,通过调整和优化控制器参数,使隔振系统在谐波激励下能够产生稳定的混沌,改变通过隔振系统输入到船体的频谱结构,从而改变船舶辐射水声的频谱结构,并降低辐射水声中的线谱成分,达到有效降低辐射水声线谱成分的目的。     

硬弹簧Duffing隔振系统跳跃性对广义混沌同步影响分析

针对将线谱混沌化控制方法用于工程实际时存在如何在隔振系统中实现持续的混沌运动难题,采用参数驱动广义混沌化同步原理控制方法驱动硬弹簧Duffing隔振系统的混沌同步,实现隔振系统在较宽参数范围内产生稳定的混沌运动;分析Duffing系统的跳跃性对广义混沌同步影响,在跳跃区间初始条件不同系统产生的混沌吸引子亦不同,而不同混沌吸引子又决定系统不同的隔振效果。     

柔性基础混沌化线谱控制技术研究

船舶辐射水声中的线谱成分是被动声纳在水声对抗中检测、跟踪和识别目标的主要特征信号,对线谱成分进行控制能有效提高船舶的水声隐声性能。传统的隔振方法无法改变隔振系统的线谱成份,利用反馈混沌化控制原理,采用时变反馈参数的离散混沌化方法,通过调整和优化控制器参数,使基于柔性基础的隔振系统在谐波激励下能够产生稳定的混沌,改变通过隔振系统输入到船体的频谱结构,从而改变船舶辐射水声的频谱结构,并降低辐射水声中的线谱成分,达到有效降低辐射水声线谱成分的目的。     

基于跟踪混沌化方法的线谱控制技术研究

船舶辐射水声中的线谱成分是被动声纳在水声对抗中检测、跟踪和识别目标的主要特征信号,混沌隔振技术利用隔振系统处于混沌状态时其响应功率谱呈连续谱这一特征来抑制动力机械对艇体的线谱激励。针对目前混沌隔振技术在工程实际应用中存在如何在小振幅条件下实现持续混沌运动的难题,提出了利用跟踪控制使隔振系统混沌化方法,抑制辐射水声中的线谱成分,同时解决了跟踪目标建立的难题,试验结果证明了该方法的有效性。     

基于反馈混沌化方法的多线谱控制技术研究

船舶辐射水声中的线谱成分是被动声纳在水声对抗中检测、跟踪和识别目标的主要特征信号,混沌线谱控制技术利用混沌系统响应功率谱为宽频谱的特殊性质,把集中于某一频率的能量分散到较宽的频带上来抑制线谱成分,提高船舶的声隐身性能。利用反馈混沌化理论,对多谐波激励条件下隔振系统的混沌化进行了研究,提出了多谐波激励多自由度隔振系统的反馈混沌化方法,掌握了隔振系统进入混沌的条件和途径,突破了激励频率增加引起隔振系统混沌运动难以保持的技术难题。根据反馈混沌化原理设计了双层隔振系统试验装置,开展了隔振系统多线谱控制试验研究,试验结果证明了该方法的有效性,可作为混沌隔振系统设计的理论和试验依据。     

参数扰动广义混沌同步化线谱控制技术研究

舰船辐射水声线谱是被动声纳进行目标参数估计和类型识别的主要依据,传统的隔振系统无法改变系统线谱特征,对舰船的隐身性能构成了严重危害。根据线谱混沌化原理和舰船隔振系统的特点,提出了参数扰动广义混沌同步化线谱控制方法,能够使系统在小能量条件下转变为混沌运动状态,达到削弱线谱强度和改变频谱结构的目的,数值仿真验证了该方法的有效性。     

基于碰撞振动的隔振系统混沌化实验研究

针对混沌线谱控制研究中如何在小振幅下实现隔振系统在较宽频带内的混沌运动这一难题,提出了基于碰撞振动的隔振系统混沌化方法,构建了实验系统并开展了实验研究。实验结果表明:被隔振设备的振幅小于0.2 mm时,也能使得隔振系统呈现出较强的混沌运动特征;在混沌状态下,不仅传递到基座的振动功率谱整体有所下降,而且主要线谱强度也显著降低;这些结论均验证了该方法的有效性。     

投影混沌同步试验研究

针对混沌线谱控制技术遇到的如何在变工况和小振幅条件下试现持续混沌的难题,在理论研究的基础上,根据工程实际,设计了试验台架、线性隔振元件和混沌驱动器,对投影同步进行了试验研究。结果表明,该方法能够使隔振系统在变工况和小振幅条件下稳定地产生混沌响应,控制器具有较强的鲁棒性,因而利用混沌同步降低辐射线谱幅度是可行的。     

基于滑模控制投影混沌同步在隔振系统中的应用研究

线谱是潜艇辐射噪声谱中最显著的特征,即使在潜艇以低速航行,产生最低的噪声辐射的情况下也可以探测到。利用混沌的宽频特性来降低潜艇辐射噪声线谱,提高其隐身能力已被广泛研究,但由于混沌的内在不确定特性,当系统处于混沌状态时,整体隔振性能不能得到保证。提出应用滑模变结构控制实现隔振系统和混沌系统投影同步的新方法,在保持原有隔振系统隔振性能的前提下有效的消除了线谱。该方法不用计算Lyapunov指数,且对参数失配具有很强的鲁棒性。通过对两自由度隔振系统和Duffing方程的数值仿真,验证了该方法可成功消除线谱且明显改善隔振系统的隔振性能。     

一类新离散混沌系统的前馈控制方法

用离散混沌系统状态变量的前向演化偏差设计了一个新控制器,对混沌吸引子中不稳定低周期轨道进行闭环稳定化控制.用非线性系统稳定性理论,证明了受控系统在原系统不稳定不动点处的稳定性系数的绝对值小于1.通过对一类新离散混沌系统的数值仿真,证实了本文提出的闭环前馈控制方法的有效性与鲁棒性.     

基于多自由度控制的主被动隔振器研究EI北大核心CSCD

船用大型动力装置运行时所产生的线谱振动是水下辐射噪声产生的重要原因之一,通常在振源设备与船体安装基座之间采取隔振措施,抑制宽频带振动的传播。针对隔振系统振动传递路径复杂而难以有效控制的问题,在功率流传递特性分析的基础上提出一种新型主被动隔振器,在被动隔振的基础上通过主动控制进一步衰减线谱振动通过隔振器的传递。该隔振器具有多自由度振动传递控制的特点,可避免通常存在的振动传递路径切断不彻底的弊端。该研究对隔振器的静态特性、动态特性以及主被动隔振效果进行了分析和测试,仿真及试验结果均表明,通过结合加权误差反馈自适应控制算法和多自由度同步控制,主被动隔振可显著抑制弹性基础在300 Hz内的线谱振动。     

辐射噪声线谱多涡卷混沌同步化方法研究

针对非线性隔振系统不容易产生小幅值混沌振动的难题,选择合适的多涡卷混沌系统及其参数,实现了非线性隔振Duffing系统与涡卷混沌系统同步,重构了隔振系统响应信号的频谱,得到小幅值的宽频动力学行为。研究了不同参数条件下涡卷混沌行为以及对应的频谱特征,通过计算系统响应的最大Lyapunov指数,证实该系统处于混沌状态。通过参数驱动同步策略,发现非线性隔振系统在周期状态下,能够被有效地同步到混沌状态。而且从系统的分岔图以及吸引子相图可以看出,同步后系统的混沌响应具有明显的小幅值特性;同时驱动系统的涡卷参数可调,可以满足不同系统的同步需求。     

基于最优时延反馈控制的主-被动非线性隔振方法研究

非线性隔振系统的有效隔振频率区间要求越过跳跃区间,大于向下跳跃频率.然而,在跳跃区间内,当系统响应振幅位于幅频曲线的非共振支上时,系统具有隔振效果,问题在于如何将振幅保持在非共振支上.当初始条件或激励频率变化使系统响应幅值位于共振支时,提出利用最优时延反馈控制将幅值从共振支切换至非共振支.时延反馈控制虽然使系统处于混沌状态,但振幅得到了充分降低.待混沌状态稳定,且系统状态位于趋向于非共振支的流域中时,撤除反馈控制,系统将恢复简谐振动且振幅最终落在非共振支上,实现了在跳跃区间内的有效隔振,从而拓宽了非线性隔振的频率区间.通过数值仿真计算,验证了本方法的有效性;同时,也证实了基于最优时延反馈控制和准零刚度的非线性隔振系统适用于低频隔振.     

一种基于频率估计的自适应主动控制方法

主动控制是隔离水下航行器机械振动的有效方式,受安装空间限制及设备间耦合复杂激励作用,往往不便或难以有效拾取高信噪比参考信号,这将严重影响基于参考信号的主动控制算法应用及其效果。以滤波自适应算法为基础,通过频率识别和信号数字合成理论,提出一种不需要外界参考信号的自适应控制策略,并应用于旋转设备双层隔振系统主动控制。结果表明:两种算法可有效降低隔振系统残差信号,传统算法基频线谱控制能力较好,而频率估计自适应算法多线谱控制能力更优,但两者稳态控制力基本相当,说明要抑制同样激励均需消耗等量次级振源能量;因此,所提频率估计和数字合成方法能获得稳定有效的参考信号,可应用于复杂安装环境下旋转机械的振动主动控制。     

混沌隔振装置的设计

介绍了如何应用无反馈控制混沌技术中的系统设计法，通过恰当设计隔振系统参数以实现系统的混沌振动，进而达到降低或消除特征线谱的目的，并通过实验验证了这种方法的可行性。