水下振动台流固耦合研究及控制系统建模

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海洋装备在水下工作的性能好坏需要经过水下试验来确定,因此需要进行水下振动环境模拟试验。水下振动台作为水下振动环境模拟的重要实验设备,在土木建筑水下抗震性能测试和水下设备抗振性能测试等方面得到了广泛的应用。水下振动台通过控制台面进行相应的运动来模拟水下振动环境,对连接在其台面上设备的抗震性能和水下工作性能进行测试。水下振动台在运动过程中必然会发生流固耦合现象,台面受到流体的阻力,带动流体进行振动,由于流体具有一定的质量,这一过程就相当于在台面上增加了附加质量。附加质量的引入会降低系统带宽,且系统频率响应中会出现谐振峰,针对这一现象本文提出采用三参量极点配置自校正控制器,对系统的极点配置进行自适应控制,从而保证系统的动态频率特性。本文主要完成的工作如下:首先,介绍了水下振动台的发展现状,简要阐述了流固耦合与振动台控制系统的研究概况,描述了振动台系统的工作原理及组成,进而对电液伺服振动台的动力机构进行了特性分析,并重点研究了振动台的三参量控制策略,发现三参量控制可以有效拓展系统的带宽,降低谐振峰。其次,运用流体有限元法的基本理论,详细分析了振动台流固耦合机理,建立了流固耦合的数学模型,并利用流体数值模拟软件计算了水下振动台在不同输入信号下的流体力,进而研究得到了激振频率与附加质量的关系,通过引入附加质量发现水下振动台频宽降低,再次出现了谐振峰。再次,针对附加质量对于水下振动台控制系统的影响提出了采用极点配置自校正控制器,详细分析了极点配置自校正控制的基本原理,并通过仿真案例说明极点配置自校正控制器的工作过程,验证了控制器的性能。最后,将三参量控制与极点配置自校正控制器结合起来,推导了三参量极点配置自校正的控制律,并利用Simulink进行了水下振动台控制系统建模,最后通过水下振动台的正弦定频振动、扫频振动和随机振动仿真,检验了控制系统的可行性。
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