多层流体浮筏时延反馈控制降线谱的理论与方法

Chaotic vibration isolation is a novel technique to reduce line spectra, which is of great significance for improving the acoustic stealth of submarines. However, it is difficult for the presented chaotic vibration isolation method to achieve persistent chaotic motion and great reduction of vibration amplitude simultaneously. In this project, a chaotic vibration isolation method combined with multi-layer floating raft based on anti-resonance is presented, by which it is anticipated to achieve persistent chaotic motion and reduce line spectra greatly. The line spectra are transformed to continuous spectrum of chaos by a nonlinear time-delay feedback control method and the multi-layer floating raft is used to achieve isolation in the frequency intervals corresponding to higher amplitudes on the spectrum of chaos. The dynamical system of time-delay feedback control on the multi-layer floating raft will be modeled. The nonlinear time-delay feedback controller will be derived and the optimum parameters of the controller will be determined by numerical method. In order to fit the variation of the work conditions　and reduce multi-frequency line spectra, the algorithm to adjust the anti-resonance frequencies of multi-layer floating raft will be studied. The experimental apparatus of the multi-layer floating raft and the time-delay feedback control system will be developed and the performance of the vibration isolation system will be tested. The study of the project can provide theoretical foundations and technical implementations for the chaotic vibration isolation that scatter line spectra to a wide frequency band with very small amplitude.

降低线谱对于提高潜艇隐身性具有重要的意义。混沌隔振是一种降线谱的新技术。然而，现有的混沌隔振技术很难同时实现连续混沌化和大幅度减振。本项目提出将混沌化隔振方法与多层反共振流体浮筏相结合，采用非线性时延反馈控制将线谱转换为连续的混沌谱，然后再利用多层流体浮筏过滤混沌谱中幅值较高的频率成分。以期同时实现连续混沌化和最大程度地降低线谱强度。拟建立多层流体浮筏时延反馈控制系统的动力学模型。以系统的动力学模型为基础，构造非线性时延反馈控制器的形式，并用数值模拟方法对控制器参数进行寻优。为适应工况发生变化的情况，拟研究多层流体浮筏多个反共振频率的调节算法，保证隔振系统对多频线谱也能有效地工作。在理论研究的指导下，研发多层流体浮筏时延反馈控制系统的实验平台。对系统的动力学响应进行实验研究，评估系统的降线谱效果。项目的研究可为实现具有微幅宽谱特性的高品质混沌隔振提供理论基础和技术解决方案。

降线谱技术对于潜艇隐身性具有重要意义。本项目首先以降线谱为目标，提出了反共振流体浮筏隔振器。并对单层和双层反共振流体浮筏的隔振性能进行了理论分析及实验研究。在此基础上，进一步发展了振动和波动系统的相位控制方法，并将这种方法应用到潜浮式防波堤、振荡水柱型波能转换器、颤振控制、多浮体在波浪中的响应等方面。项目的重要结果集中在反共振流体浮筏、潜浮式防波堤、振荡水柱型波能转换器等方面。根据对反共振流体浮筏的理论分析及实验研究结果发现，双层（多层）反共振流体浮筏存在两（多）个可调节的反共振频率，在反共振频率处隔振效果非常好。反共振流体浮筏可在尺寸小、重量轻的前提下获得很大的附加质量，从而能有效地隔离低频线谱。潜浮式防波堤具有对环境的友好性、造价不受水深影响等优点。但消波效果比传统堆石防波堤的要差。我们提出了垂荡潜浮水平板防波堤，利用水平板垂荡运动产生的辐射波抵消原透射波，大大降低了一阶及二阶透射波的强度。采用数值模拟的方法研究了等效弹簧刚度系数及阻尼系数对透射系数的影响，发现对于不同的入射波波长，存在一个最优刚度系数，当等效弹簧刚度系数等于最优刚度系数时，一阶及二阶透射系数均达到最低值。在最优刚度下，当阻尼系数为零时，一阶波透射系数趋近于零。振荡水柱型波能转换器是目前认为最有可能商业化的波能转换技术。这种波能转换器的维护容易、运营成本低。缺点是波能吸收效率低。为提高其波能吸收效率，我们在传统振荡水柱型波能转换器出口端安装U型管振荡器，利用U型管振荡器产生的辐射波抵消原反射波。建立了新波能转换器的数学模型，根据理论分析的结果发现，改变U型管中的流体量可调节波能转换器的最优频率，当入射波频率等于最优频率时，波能吸收效率达到最大值。为拓宽最优频率在低频段的调节范围，可将U型管的两侧倾斜。项目的研究结果说明，为抑制有害振动（或波动），可通过调节系统参数的方法改变系统对外界振动（或波动）的响应，利用响应所产生的振动（或波动）抵消有害振动（或波动）。这种相位控制方法是一种半主动的控制方法，它无需额外输入控制能量、也不需要反馈控制系统，比起主动相位控制更容易实现。