潜艇机械设备混沌振动自适应预测控制技术研究

In the research of submarine radiated noise linear spectrum chaotification, chaotic vibration adaptive predictive controlling is one of the paramount techniques to ensure that the nonlinear vibration isolation system works with a persistant low chaotic amplitude and excellent performance in vibration reduction. However, there are some intractable issues in the practical engineering, and thus the issues are researched in this project including: The prediction model of submarine complex mechanical equipment chaotic vibration single variable time series is presented, and the nonlinear chaotic adaptive predictive filter NLMS algorithm are designed to control the chaotic vibration isolation system. Moreover, for the sake of realizing the control process, the optimization design and parameter identification of actuator are carried out, and the coupled nonlinear mathematic model are derived. Furthermore, the active control technology based on sliding mode variable structure algorithms is studied in detail. Combined with regularization, optimal control and the maximum value theory, the designed sliding mode algorithm and the stability of the algorithm are analyzed with Lyapunov theory. According to characteristics of the controlled object, the improved filter adaptive algorithm concerning variable step size, online identification of secondary channel, and internal feedback is researched. Finally, the experiment of chaotic vibration prediction controlling is conducted, and the nonlinear chaotic vibration isolation system setup is established. The self-adaptive prediction program is compiled to verify the practical effect of the theoretical results.

混沌振动自适应预测控制技术是确保非线性隔振系统产生持久低幅值的混沌振动以及实现潜艇辐射噪声线谱混沌化的关键技术之一，但将混沌预测控制理论应用于工程实际时，还有一些瓶颈问题亟待解决，为此，本项目将围绕如下问题开展研究：建立潜艇机械设备混沌振动单变量时间序列预测数学模型，提出非线性混沌自适应滤波预测NLMS算法，对混沌振动进行实时预测；研究主动执行机构设计与优化、模型辨识与控制算法，推导其耦合非线性数学模型，应用智能优化算法对模型进行参数辨识；研究基于状态反馈的混沌振动滑模变结构控制算法，以正则化方法、最小值原理设计神经网络滑模变结构控制器并进行稳定性分析；针对被控系统的特点，研究次级通道可在线辨识、有内部反馈通道及变步长的滤波自适应控制算法；开展混沌振动预测控制实验研究，设计非线性隔振系统混沌振动控制实验台，编写混沌自适应预测控制算法程序，验证算法在试验平台上的控制效果。

对非线性隔振系统，当它的参数处于混沌参数区域时，系统会呈现出混沌响应，其功率谱具有宽谱特征，利用这一特性可以将潜艇辐射特征线谱成分显著降低，从而提高隐身性。但非线性隔振系统的混沌参数区通常处于大幅值振动区，这与工程实际的低幅值振动要求相矛盾.为此，工程实际应用中迫切需要对非线性混沌隔振系统的振动进行主动控制，确保系统处于低幅值混沌状态并具有良好的隔振效果。本项目研究取得了如下成果：.（1）针对非线性隔振系统承载变化的工况，设计和研制可调式高静低动刚度隔振器。将磁悬浮应用于正刚度装置设计中以满足动刚度可调的基本需求；根据负刚度装置的工作原理和实际需要，将三永磁体与螺旋线圈结合实现电磁负刚度装置的结构优化，达到可调式高静低动刚度隔振器的设计要求。利用Maxwell有限元仿真软件对数学模型进行验证。.（2）研究了高静低动刚度隔振系统的半主动自适应控制，结合自适应控制算法，引入主通道在线辨识和内反馈通道补偿方法，设计混合改进型滤波自适应算法，提高控制算法的收敛性和鲁棒性。.（3）针对传统方法中混沌吸引子处于大幅值运动的问题，研究了吸引子的迁移控制，主要保证控制过程中的稳定性，避免繁琐计算，使系统始终运行在振幅较小的混沌吸引子上以及实际工程中的具体实现。. （4）研究了多线谱激励下的小波包自适应控制算法，基于小波包实现频带划分，采取并行控制的策略同时控制多根线谱，为每个频带设立独立的控制器和变步长实现快速稳定收敛。. （5）研究了多通道自适应控制中通道耦合，主要为分散解耦控制方法，将通道耦合的影响补偿至各自的控制回路中，搭建双层隔振试验台架进行试验，利用.dSPACE与matlab联合开发，实现控制算法，进行四通道控制试验。.（6）针对连续结构中，非线性混沌控制参数优化问题，提出基于粒子群的PID逆迟滞补偿控制算法，根据双势阱理论分析非线性梁的运动状态，并基于粒子群PID控制器进行主动控制仿真和试验研究，验证算法的有效性。