一种螺旋桨及传动轴系统的主动振动控制的设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种螺旋桨及传动轴系统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系统的模型，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系统的性能要求，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系统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，或者对系统结构参数重新设计。本发明专利技术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。

A design method of active vibration control for propeller and transmission shaft system

【技术实现步骤摘要】
一种螺旋桨及传动轴系统的主动振动控制的设计方法
本专利技术涉及一种螺旋桨及传动轴系统的主动振动控制的设计方法，具体涉及一种螺旋桨和轴系系统的最佳性能以及两者性能的折中情况的优化设计方法。
技术介绍
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系统的振动问题，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系统整体振动，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系统整体振动的控制。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，以便确认系统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“Windtunneltestingofasmartrotorwithindividualbladetwistcontrol”；F.K.Straub,H.T.Ngo,V.Anand和D.B.Domzalski的论文“Developmentofapiezoelectricactuatorfortrailingedgeflapcontroloffullscalerotorblades”)，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系统的传感和执行信号进行转化，系统实施非常困难；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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种螺旋桨及传动轴系统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。本专利技术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系统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系统的模型；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))-1wi(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)表示系统灵敏度函数，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；并画出|Tyd|≤1和的几何表示，分别记为S-circle和iR-circle；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系统的最优性能要求，若不满足，则返回步骤2，重新设计。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1所述螺旋桨及传动轴系统的模型为：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；作为本专利技术的一种优选方案，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％。作为本专利技术的一种优选方案，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：其中，A＞0，c＞0，d＞0，σ为正数。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术针对螺旋桨及传动轴系统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、本专利技术设计方法通用，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种螺旋桨及传动轴系统的主动振动控制的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，建立螺旋桨及传动轴系统的模型；/n步骤2，根据步骤1建立的模型的参数，定义以下变量：/nS(jω)＝(1-G

【技术特征摘要】
1.一种螺旋桨及传动轴系统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系统的模型；
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)表示系统灵敏度函数，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；
并画出|Tyd|≤1和的几何表示，分别记为S-circle和iR-circle；
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王继强，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32