CN111123705A - 一种螺旋桨及传动轴***的主动振动控制的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋桨及传动轴***的主动振动控制的设计方法,该方法首先建立螺旋桨及传动轴***的模型,根据模型设计满足最优减振性能的主动振动控制器,然后利用提出的主动振动控制算法来实现控制器,最后仿真确认最优设计是否满足螺旋桨及传动轴***的性能要求,如果不满足,则返回重新选择优化参数值,确认螺旋桨及传动轴***的最佳性能以及两者性能的折中情况;如果仍然不满足要求,则说明性能指标要求过高,必须降低指标要求,或者对***结构参数重新设计。本发明提出了一种只在传动轴处实施控制,而达到螺旋桨和传动轴同时减振的优化设计方法,使得所设计的螺旋桨/传动轴具备最优性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种螺旋桨及传动轴***的主动振动控制的设计方法,具体涉及一种螺旋桨和轴系***的最佳性能以及两者性能的折中情况的优化设计方法。
背景技术
螺旋桨广泛应用于航空与航海领域,例如在航空领域,螺旋桨桨叶在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力或升力,从而推动以活塞式和涡桨发动机为动力的飞行器;或者以旋翼和尾桨的形式为直升机提供升力和扭矩平衡力;在航海领域,螺旋桨作为潜水器的推进工具,成为潜艇和船舶的几乎唯一动力传动来源。然而,作为动力传动源的螺旋桨及传动轴***的振动问题,也是影响航空器和航海器性能和噪声的重要因素。对螺旋桨及传动轴进行减振降噪设计,对军用(降低声纳探测风险)、民用(舒适性和环保性)均有重要意义。
通常,螺旋桨及传动轴的振动控制采取单独控制方法,即对螺旋桨和传动轴单独实施控制。如S.B.Chun和C.W.Lee,以及A.Bas,J.Gilheany和P.Steimel在其论文中均采用单独控制传动轴的方法来控制***整体振动,浙江省海洋开发研究院在其申请的专利CN201910040569.3中同样采用优化传动结构来达到整体减振的目标;而Y.Chen,V.Wickramasinghe和D.Zimci则采用了单独控制螺旋桨的方法以期达到对***整体振动的控制。这种“单独控制”的策略虽然可以利用现成的控制设计方法,但往往需要反复验证,以便确认***整体振动均得到抑制。然而在实际工程中,往往是螺旋桨振动得到优化后,传动轴处振动会有显著增强;或者相反,传动轴处振动得到有效抑制后,螺旋桨处振动又达到不可接受的程度。为了达到全局最优,随着智能材料的发展,也出现了将智能传感和作动机构嵌入螺旋桨(如P.C.Chen和I.Chopra的论文“Wind tunnel testing of a smart rotorwith individual blade twist control”;F.K.Straub,H.T.Ngo,V.Anand和D.B.Domzalski的论文“Development of a piezoelectric actuator for trailing edgeflap control of full scale rotor blades”),从而实现螺旋桨和传动轴单独优化。然而,这种方式需要将旋转***的传感和执行信号进行转化,***实施非常困难;同时这种嵌入桨叶的传感和作动方式目前并不可靠,只在实验室环境中得到验证,工业实际应用未见有相关报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种螺旋桨及传动轴***的主动振动控制的设计方法,只在传动轴处实施控制,而达到螺旋桨和传动轴同时减振的目的,使得所设计的螺旋桨/传动轴具备最优性能。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种螺旋桨及传动轴***的主动振动控制的设计方法,包括如下步骤:
步骤1,建立螺旋桨及传动轴***的模型;
步骤2,根据步骤1建立的模型的参数,定义以下变量:
S(jω)=(1-G00(jω)K(jω))-1
wi(jω)=Cid(jω)
其中,Tyd表示传动轴y对外部振动d的性能响应,Tzid表示螺旋桨桨叶zi对外部振动d的性能响应,S(jω)表示***灵敏度函数,K(jω)表示待设计控制器,wi(jω)表示螺旋桨桨叶处要衰减的第i个振动信号,Ci为一个复数,表示相对于外部振动信号的幅值和相位移动,d(jω)表示外部振动,Ri(jω)表示辅助灵敏度函数,G00(jω)、Gi0(jω)、G0k(jω)、Gik(jω)均表示传递函数,i=1,…,n,n表示需要减振的性能变量数目;
步骤3,判断所有的iR-circle与S-circle之间是否存在共同的交集,若是则判定存在最优控制器使得y(jω)与zi(jω)同时减振,y(jω)表示传动轴性能变量,zi(jω)表示螺旋桨桨叶性能变量,并进入步骤4,否则该设计方法结束;
步骤4,将S-circle与1R-circle按相同比例进行缩小,直至缩小后的S-circle与缩小后的1R-circle相切,则相切点即为满足y(jω)与z1(jω)同时减振的最佳性能点,记为A1;对S-circle与每个iR-circle重复上述操作,i=2,…,n,将找到的相切点依次记为A2,…,An,从A1,…,An中找出一个点,该点为满足y(jω)与所有zi(jω)同时减振的最佳性能点;
步骤5,根据步骤4选择出来的满足y(jω)与所有zi(jω)同时减振的最佳性能点,构建为y(jω)与所有zi(jω)提供最优减振性能的最优控制器K(jω),公式为:
其中,S(jω)表示满足y(jω)与所有zi(jω)同时减振的最佳性能点,G00(jω)表示传递函数;
步骤6,利用主动振动控制算法将频域下的控制器K(jω)转换为复域下的控制器K(s);
步骤7,根据步骤6得到的控制器K(s)进行仿真,验证其是否满足螺旋桨及传动轴***的最优性能要求,若不满足,则返回步骤2,重新设计。
作为本发明的一种优选方案,步骤1所述螺旋桨及传动轴***的模型为:
其中,G表示传递函数矩阵,G00(jω)、G0i(jω)、Gi0(jω)、Gii(jω)均表示传递函数,jω表示频域,u(jω)表示传动轴处控制输入,wi(jω)表示螺旋桨桨叶处要衰减的第i个振动信号,y(jω)表示传动轴性能变量,zi(jω)表示螺旋桨桨叶性能变量,i=1,…,n,n表示需要减振的性能变量数目;
作为本发明的一种优选方案,步骤4所述从A1,…,An中找出一个点,该点为满足y(jω)与所有zi(jω)同时减振的最佳性能点,具体过程为:
记满足y(jω)与zi(jω)同时减振的最佳性能点对应的最佳减振性能为Ti,从所有相切点A1,…,An中选择一个点Ak,k=1,…,n,Ak为满足y(jω)与zk(jω)同时减振的最佳性能点,同时选择Ak作为满足y(jω)与zi≠k(jω)同时减振的最佳性能点时,所损失的减振性能小于Ti≠k的5%。
作为本发明的一种优选方案,所述步骤6的具体过程为:
定义最优控制器K(jω)中的S(jω)为复数:S(jω)=a+jb,其中a和b具有相同的符号;
当a和b均为正数,则控制器为:
其中,A=cd-bω,c+bd/ω=1,A>0,d>0;a、b、c、d均为实数,ω表示谐波频率,G00(s)表示传递函数,s表示复域;
当a和b均为负数,则控制器为:
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
1、本发明针对螺旋桨及传动轴***难以同时控制以达到整体减振的问题,提出了一种只在传动轴处实施控制,而达到螺旋桨和传动轴同时减振的优化设计方法,使得所设计的螺旋桨/传动轴具备最优性能。
2、本发明设计方法通用,对航空和航海用螺旋桨及传动轴***的振动控制均适用。
附图说明
图1是本发明螺旋桨及传动轴***主动振动控制设计流程图。
图2是本发明实施例某军用螺旋桨及传动轴***优化设计性能图。
图3是本发明实施例选择点B对应的最优控制器实施时得到的性能,其中,(a)表示螺旋桨叶片的性能,(b)表示螺旋桨轴基座的性能。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示,本发明一种螺旋桨及传动轴***的主动振动控制的设计方法,具体流程包括以下步骤:
步骤1:建立螺旋桨及传动轴***的模型;
上式中,u(jω)表示传动轴处控制输入,wi(jω)表示螺旋桨桨叶处要衰减的第i个振动信号;y(jω)是传动轴处可用反馈信号,而zi(jω)是螺旋桨可控性能变量但不能用于反馈。因此,设计目标是仅使用反馈u(jω)=K(jω)y(jω)来控制整个结构***,即达到对所有性能变量y(jω)和zi(jω)(i=1…n)的控制。可见,该模型为一通用模型,相应的控制设计对航空和航海用螺旋桨及传动轴***的振动控制均适用。
以下实施例中,对试验螺旋桨转子叶片***只考虑两个性能变量的情况。该***在(1)中表示,并且适用场景是仅y可用于反馈控制u=Ky,而y和z的振动需要同时达到性能要求。式中u表示施加在转子轴基部的力,y是轴基部的加速度,z是转子叶片上的加速度。
通过对某一试验器测试,显示叶片加速度对叶片激励的测量频率响应,在244Hz的区域中的第一共振处明显导致了沿轴传输的峰值。优化设计的目标是设计主动振动控制器,使得螺旋桨的转子和叶片处振动同时获得最优减振性能。
步骤2:进行主动振动控制器最优设计;
首先根据上述模型参数,定义如下变量:
S=(1-G00K)-1 (2)
其中:Tyd和Tzid分别表示y对外部振动d的性能响应和zi对d的性能响应。
断定2:为y(jω)和zi(jω)提供最优减振性能的控制器由单位S-circle和iR-circle的比例圆的相切点给出。
注意由于可以对每个S-circle和iR-circle进行不同的缩放,因此存在y(jω)和zi(jω)之间的性能折中。这对实际工程有深远的影响,例如:存在不同性能变量的性能指标,必须通过性能变量之间的平衡考虑来选择最佳解决方案。
最后,一旦选择了为y(jω)和zi(jω)设计的最佳性能点,就可以从灵敏度的定义确定相应的最优控制器。
如图2所示,横轴REAL表示实部,纵轴IMAGIANRY表示虚部,ComplexS-Plane表示复s面,画出|Tyd|≤1和|Tzd|≤1的几何表示,分别称为S-circle和R-circle,并作出下断定:
从图上可以看出,S-circle和R-circle之间存在明显的交叉区域。由此可见,对于ω=244Hz,y(jω)和z(jω)同时减振是可行的。
选择图2中标有A,B和C的3个点并分别构建相应的控制器。由于点A位于S-circle的边界并且在R-circle的6dB边界内,因此得到的最优控制器将使y(jω)保持不变,同时将z(jω)减少量超过11dB;相反,选择C点的最优控制器会在不增加z(jω)的情况下将y(jω)降低6dB以下;最后,点B位于交点的中点,其位置表示最终的最优控制器将y(jω)和z(jω)减小大约3dB。这三种情况的最优控制器可以由断定3的公式给出。
断定3:提供为y(jω)和zi(jω)指定的最佳减振性能的最优控制器K(jω)由下式给出:
步骤3:利用提出的主动振动控制算法来实现控制器;
定义上述最优控制器中的S(jω)为复数:S(jω)=a+jb,其中a和b具有相同的符号,则采用以下算法构造相应的控制器:
断定4:如果a和b为正数,则控制器实施为:
其中:A=cd-bω,c+bd/ω=1,A>0,d>0;当a和b值由S(jω)=a+jb确定后,c和d的选择由A=cd-bω,c+bd/ω=1确定;
断定5:如果a和b为负数,则控制器实施为:
其中:A>0,c>0,d>0。而σ是一个小的正数,将控制器的极值移到左半平面。研究表明σ越小越好,K(s)近似于谐波频率ω处的最佳控制器K(jω),稳定裕度的退化会导致瞬态响应的迟缓。因此,需要对任何特定设计进行折中。针对上述实施例得到三种情况下a和b均为负数,则按照上述断定5设计控制器。
步骤4:仿真以确认最优设计满足性能要求;
如果满足设计要求,则实施上述设计;否则返回步骤2和3,重新选择优化参数值,确认螺旋桨和轴系***的最佳性能以及两者性能的折中情况,如果仍然不满足要求,则说明性能指标要求过高,必须降低指标要求,或者对***结构参数重新设计。针对上述实施例,如果设计指标为螺旋桨叶片处振动和螺旋桨传动轴处振动均小于3dB,则由上述分析看到选择点B作为最优点,将使得最优控制器将y(jω)和z(jω)均减小大约3dB。现在按照步骤3实施该控制器,得到性能如图3的(a)、(b)所示,纵轴为Acceleration表示加速度,可见控制器所达到的性能符合理论预测值,可以确认为最优设计。
总之,本发明的螺旋桨及传动轴***的减振设计,可以只在传动轴处实施控制,而达到螺旋桨和传动轴同时减振,使得所设计的螺旋桨/传动轴具备最优性能。该设计方法通用,对航空和航海用螺旋桨及传动轴***的振动控制均适用。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.一种螺旋桨及传动轴***的主动振动控制的设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,建立螺旋桨及传动轴***的模型;
步骤2,根据步骤1建立的模型的参数,定义以下变量:
S(jω)=(1-G00(jω)K(jω))-1
wi(jω)=Cid(jω)
其中,Tyd表示传动轴y对外部振动d的性能响应,表示螺旋桨桨叶zi对外部振动d的性能响应,S(jω)表示***灵敏度函数,K(jω)表示待设计控制器,wi(jω)表示螺旋桨桨叶处要衰减的第i个振动信号,Ci为一个复数,表示相对于外部振动信号的幅值和相位移动,d(jω)表示外部振动,Ri(jω)表示辅助灵敏度函数,G00(jω)、Gi0(jω)、G0k(jω)、Gik(jω)均表示传递函数,i=1,…,n,n表示需要减振的性能变量数目;
步骤3,判断所有的iR-circle与S-circle之间是否存在共同的交集,若是则判定存在最优控制器使得y(jω)与zi(jω)同时减振,y(jω)表示传动轴性能变量,zi(jω)表示螺旋桨桨叶性能变量,并进入步骤4,否则该设计方法结束;
步骤4,将S-circle与1R-circle按相同比例进行缩小,直至缩小后的S-circle与缩小后的1R-circle相切,则相切点即为满足y(jω)与z1(jω)同时减振的最佳性能点,记为A1;对S-circle与每个iR-circle重复上述操作,i=2,…,n,将找到的相切点依次记为A2,…,An,从A1,…,An中找出一个点,该点为满足y(jω)与所有zi(jω)同时减振的最佳性能点;
步骤5,根据步骤4选择出来的满足y(jω)与所有zi(jω)同时减振的最佳性能点,构建为y(jω)与所有zi(jω)提供最优减振性能的最优控制器K(jω),公式为:
其中,S(jω)表示满足y(jω)与所有zi(jω)同时减振的最佳性能点,G00(jω)表示传递函数;
步骤6,利用主动振动控制算法将频域下的控制器K(jω)转换为复域下的控制器K(s);
步骤7,根据步骤6得到的控制器K(s)进行仿真,验证其是否满足螺旋桨及传动轴***的最优性能要求,若不满足,则返回步骤2,重新设计。
3.根据权利要求1所述螺旋桨及传动轴***的主动振动控制的设计方法,其特征在于,步骤4所述从A1,…,An中找出一个点,该点为满足y(jω)与所有zi(jω)同时减振的最佳性能点,具体过程为:
记满足y(jω)与zi(jω)同时减振的最佳性能点对应的最佳减振性能为Ti,从所有相切点A1,…,An中选择一个点Ak,k=1,…,n,Ak为满足y(jω)与zk(jω)同时减振的最佳性能点,同时选择Ak作为满足y(jω)与zi≠k(jω)同时减振的最佳性能点时,所损失的减振性能小于Ti≠k的5%。
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