空气弹簧-电磁主被动混合隔振实验台的设计与控制研究

摘要

隔振是抑制舰船动力机械振动向船体传递的关键技术。空气弹簧隔振器具有承载能力大、驻波频率高、高频隔振性能好等优异的性能，将其应用于舰船隔振前景广泛，但空气弹簧隔振器无法克服被动隔振固有的低频隔振能力差和系统谐振频率附近干扰信号还被放大的缺陷。在空气弹簧被动隔振系统中引入响应快、频响宽、易控制的电磁作动器，构成空气弹簧-电磁主被动混合隔振系统，可以充分发挥空气弹簧和电磁作动器的优势，同时弥补空气弹簧在低频和谐振频率附近隔振性能的不足，实现舰船宽频隔振，具有重要的研究意义。
　　首先，利用理论建模和试验测试分析了空气弹簧的承载特性和刚度特性。研究表明空气弹簧的承载能力和刚度随着充气压力的增大而增大，并具有一定的非线性。建立了电磁作动器理论力学模型，实测了电磁作动器及其配套功率放大器的频率响应特性。
　　其次，基于最小力传递率的原理提出了主被动混合隔振实验台设计中隔振单元的选型依据。对实验台的主要结构件进行了设计，搭建了空气弹簧-电磁主被动混合隔振实验台，利用有限元法对隔振平台进行了模态分析。
　　然后，针对电磁作动系统和空气弹簧物理建模困难的问题，采用系统辨识的方法建立了空气弹簧-电磁主被动混合隔振系统的数学模型。引入遗传算法设计了结构简单、可靠性高的PID控制器，克服了传统PID控制器参数整定困难、控制器性能不能有效发挥的缺陷。在不同的输入信号下，进行了PID主动控制仿真，结果表明：基于遗传算法的PID控制系统对不同输入信号具有较强的适应性；PID主动控制系统取得了优于被动控制的隔振效果，特别是在系统固有频率附近隔振效果显著。
　　最后，进行了空气弹簧-电磁主被动混合隔振系统的PID主动控制实验，结果表明PID主动控制系统在10Hz～50Hz的宽频范围内取得了较好的隔振效果，在系统固有频率附近加速度有效值减小了50％左右。实验结果与仿真基本一致。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景、内容及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文的主要工作与课题支撑

第二章 空气弹簧和电磁作动器特性分析

2.1空气弹簧特性理论分析

2.2空气弹簧特性试验

2.3电磁作动器动态特性分析

2.4本章小结

第三章 空气弹簧-电磁主被动混合隔振实验台的设计与分析

3.1主被动混合隔振设计基础

3.2隔振实验台的设计

3.3隔振实验台的有限元模态分析

3.4 本章小结

第四章 基于遗传算法的PID控制器的设计与仿真

4.1隔振系统的辨识建模

4.2遗传算法

4.3 PID控制

4.4基于遗传算法PID控制器的设计

4.5 PID控制仿真

4.6本章小结

第五章 空气弹簧-电磁主被动混合隔振控制实验

5.1实验系统的构建

5.2 实验结果及分析

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间取得的科研成果