船舶推进轴系变结构控制.doc

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1、船舶推进轴系变结构控制朱小平，冯奇(同济大学航空航天与力学学院，上海200092)摘要：以船舶主推进轴系为研究对象,在变结构控制理论和设计方法的基础上，对主推进轴系的变结构控制方法进行研究。考虑到推进轴系在螺旋桨处的位移响应最大，本文在螺旋桨部位设置主动控制作动器，对推进轴系进行振动控制，并以主推进系统的弹性体动力学模型为基础，建立了系统的变结构控制方法。文中采用了单位向量控制形式的最终滑动模态控制器，并采用二次型最优控制理论设计最终滑动模态的切换函数。最后本文以一个带有六个弹性支撑的推进轴为例进行仿真计算。实例

2、分析指出：变结构控制对于推进轴系的振动控制具有显著的效果。关键词：推进轴系；滑动模态；变结构控制VariableStructureControlofShipPropulsionShaftZHUXiao-ping,FENGQi(SchoolofAerospaceEngineeringandAppliedMechanics,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Thepropulsionshaftoftheshipisusedasthesubjectinve

3、stigated;itsvariablestructurecontrolmethodisstudiedbasedonthetheoryofvariablestructurecontrolanddesignmethod.Asthemaximumresponseoftheshaftisatthepropeller’sposition,anactivecontrollerissetatthispositiontocontrolthevibrationoftheshaft.Inthispaper,thedynamicso

4、felasticbodymodelofthepropulsionshaftisusedasthebasistoestablishthevariablecontrolmethod.Theterminalslidingmodecontrollerisdesignedbyusingunitvectorstyle;theswitchingfunctionoftheterminalslidingmodeisdesignedbythequadraticoptimalcontroltheory.Atlast,apropulsi

5、onshaftwith6elasticsupportsisusedtodothenumericalsimulation.Analysisoftheexampleverifiesthatvariablestructurecontrolmethodhasagoodeffectonthevibrationcontroloftheshaft.Keywords:Propulsionshaft;Slidingmode;Variablestructurecontrol船舶推进轴系是船舶动力装置的重要组成部分,由于它是整个系统的

6、关键部件之一，其动态性能直接影响到船舶的生存能力。因此，对于船舶推进轴系的振动控制的研究引起了国内外学者的重视[1]。由于船舶推进轴系在服役期间必然要面临冲击环境问题，如何抑制冲击过后产生的振动问题是船舶推进轴系设计所必须考虑的问题[2]。对此，多种控制方法被设计来减缓推进轴系的振动。对于多数控制方法（如PID控制、最优控制、极点配置方法等）来说，一旦参数确定，控制律也就唯一确定了。当出现模型摄动或外扰动时，这些控制方法往往会失效。变结构控制系统中的滑动模态在一定条件下对系统模型摄动及外扰动具有不变性，这个突出优

7、点使得该方法较适合应用于推进轴系的控制。此外，变结构控制中可变因素很多，选择不同的控制形式、切换函数及到达条件将产生不同的控制律。这种多样性也为推进轴系的控制系统设计提供了多种方案[3]。变结构控制是一种新颖的控制策略。它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性。系统的“结构”可以在瞬变过程中,根据系统当时的状态以跃变方式,有目的的变化,迫使系统沿预定的“滑动模态”运动。这种滑动模态是可以设计的,且与系统的参数及扰动无关[4]。变结构控制是一种控制系统的综合方法,而且这种综合方法是比较容易实现的，因为它不需要精确的

8、动力学模型，控制算法也较为简单[5]，而一般的主动控制方法实现起来则较难。近年来，变结构控制系统理论作为一种综合方法得到重视[6]。变结构控制已被用来解决复杂的控制问题，并开始被用来解决实际问题，诸如机器人控制，飞行器控制，电力系统控制，电机控制等等[7]。而将变结构控制应用于船舶推进轴系的控制研究的资料尚较少。因此，本文欲在这方面作一定的探讨。1.推进轴系控制模型：图1