水下航行器多源耦合宽频振动的可调优化控制研究

The stealth performance is an important tactical index of underwater vehicles. However, vibration is a key factor restricting the development of stealth performance. Breaking through the traditional restriction, taking the vibration frequency and amplitude as control points to change vibration radiation characteristics, the adjustable optimal control of multisource coupled wide frequency range vibration will be promoted in this project to improve the stealth performance of the underwater vehicles. Deep exploration will be taken to the three key problems: modeling, optimal allocation and control algorithm. To the basic problem of low-middle-high wide frequency range modeling, the multiscale adaptive stochastic wavelet finite element method will be studied to conquer the drawbacks of the traditional finite element method, hybrid model method and statistical energy analysis method, and reveal the mechanism of multisource coupled wide frequency range vibration. To the key problem of optimal allocation of sensors/actuators, the optimization criterion and multiparameter optimization algorithm will be constructed based on vibration model and vibration characteristics to reveal the influence mechanism of optimal allocation. To the core problem of control algorithm, the corresponding study will be taken to deal with the multiparameter precise control and parallel processing of vibration response based on transform-domain adaptive optimization algorithm. Combining these three points together, the adjustable optimal control of multisource coupled wide frequency range vibration for underwater vehicles will be achieved. Taking the scaled model of underwater vehicle as control object, the experimental and engineering study will be implemented. Through this project, the new theory and technology will be provided to improve the stealth performance of underwater vehicles.

水下航行器的隐身性能是其重要的战术指标，振动是制约其发展的关键因素。本项目拟开展多源耦合宽频振动的可调优化控制研究，突破传统抑振思路的限制，以振动响应的频率和幅值为控制要素，改变稳态响应的辐射特性，实现水下航行器隐身性能的提升。重点针对宽频建模、优化配置、控制算法三类核心问题展开深入研究。针对低-中-高宽频动力学建模基础问题，研究多尺度自适应随机小波有限元法，克服传统有限元、混合模型法以及统计能量法的不足，揭示宽频耦合振动机理；针对传感器/作动器优化配置关键问题，基于模型和振动特征信息，构造优化准则及多参数优化算法，揭示优化配置的影响机制；针对多源耦合宽频振动的可调优化控制核心问题，基于变换域自适应优化算法，研究适宜于多参数精确控制与响应信息并行处理的控制算法，实现在线响应的可调优化控制；针对水下航行器比例模型开展实验研究和工程验证。为水下航行器隐身性能的提升提供新的理论与技术。

本项目开展了多源耦合宽频振动的可调优化控制研究，通过宽频动力学理论、优化配置理论与控制方法三类核心问题的研究，突破传统抑振思路的限制，实现水下航行器隐身性能的提升。. 针对宽频动力学理论，以分析方法构造理论为途径，开展了三方面研究。（1）提出了基础结构件的小波有限元构造方法，针对筋板壳等开展了性能分析；（2）提出了随机小波有限元构造方法，突破参数随机性对中高频分析的限制；（3）提出了小波有限元宽频跨尺度分析方法，实现了单一单元的宽频跨尺度分析与验证。. 针对优化配置理论，以传递路径分析方法为载体，针对其中的核心技术—载荷识别理论开展研究。（1）提出了稀疏载荷识别理论，建立了载荷稀疏识别框架，研究了稀疏正则化方法，精确指导传感器/作动器的优化配置；（2）提出了混合小波有限元构造方法，实现载荷的精确反演与传感器/作动器优化配置。. 针对控制方法，以水下航行器振动响应频率特性为控制目标开展研究。（1）提出了变频率特性主动控制方法，构造混合误差准则，实现响应特性在线控制；（2）提出了混合多源多频控制方法，设计次级通道，实现多点多目标响应特性控制与频率失配问题优化并开展性能验证。. 综合以上三点理论创新与研究成果，开展工程应用。（1）潜艇壳体：构造1:5潜艇舱段模型实验平台，开发软件系统，针对不同目标、不同工况开展全方位验证与工程应用，相关成果核心支撑了某型号潜艇隐身装置的研制；（2）智能主轴：横向扩展构造智能主轴应用平台，针对颤振控制核心模块，构建软硬件系统并开展工程应用，支撑了智能高速主轴样机的工程化构建。. 通过本项目的研究，共发表学术论文24篇，其中SCI论文16篇（1篇ESI高被引论文），申报发明专利12项，授权5项。受邀担任IEEE仪器与测试协会TC-7分会技术委员会成员、陕西省振动工程学会常务理事、中车集团重大专项咨询组成员等，入选2016中国博士后科学基金资助者选介（全国100人），获批基金面上项目和“十三五”装发预研项目各一项。