基于最优时延反馈混沌化的非线性隔振理论与方法

当隔振系统处于混沌状态时，可将简谐振动转化为混沌振动，有效降低潜艇隐蔽航行时的线谱特征。目前这项创新技术面临着两大难题：如何在大范围参数内实现隔振系统的小振幅混沌化；如何在变工况下保持连续混沌化。本项目首先深入研究时延系统的动力学特性，揭示时延反馈混沌化机理。其次，基于系统响应构造混沌性能指标和隔振效果指标，选取时延反馈控制参数为设计变量，将混沌化问题转化为优化问题，提出最优时延反馈混沌化方法。开发快速而稳健的寻优算法解决该强非线性优化问题，进而解决隔振系统大范围参数内小振幅混沌化问题。结合控制技术，开发连续混沌化跟踪与控制程序，并研制相应的试验平台，解决变工况下混沌的保持问题。最后利用试验研究评估方法的可行性及隔振系统的隔振和降谱功效。通过本项目研究，期望为非线性隔振系统提供一种快捷而有效的混沌化方法，为实现混沌隔振系统高效控制潜艇线谱特征提供理论基础和技术支持。

针对目前混沌隔振存在的两大难题：如何在大参数范围内实现混沌化及如何在变工况下保持混沌状态，通过三年的研究，利用准零刚度隔振技术，提出最优时延反馈混沌化方法，实现了隔振系统在大参数范围内的小振幅混沌化及实时混沌化，并与海军工程大学合作进行了混沌化实验研究，验证了方法的可行性。开展的研究工作和取得的主要成果如下：.（1）准零刚度隔振技术。针对水下航行器隐蔽航行时的低频隔振难题，基于正负刚度并联原理，研发了几款准零刚度隔振器，对其静、动力学特性进行理论分析和试验测试，验证了准零刚度隔振器具有低频隔振性能，在低频区域其隔振效率远高于线性隔振系统，且无明显共振现象。此外，研究时延反馈控制下准零刚度隔振系统的稳定性时，发现控制增益无绝对稳定参数区域，因此，准零刚度隔振系统较传统非线性和线性隔振系统更易于混沌化。.（2）时延反馈控制下隔振系统的稳定性及动力学特性。建立了时延反馈控制下非线性隔振系统的动力学模型，分析了系统的稳定性，给出了控制参数的稳定性区域。分析了系统的复杂动力学特性，如拟周期、混沌等，利用分岔分析给出了混沌控制参数区间。研究发现，在稳定参数域内，受控系统很难被混沌化，而在非稳定区域，系统易于被混沌化，该研究成果为时延反馈混沌化提供了控制参数选择的理论依据。另外，对系统进行精确线性化，理论推导了非线性控制器的解析表达式，从理论上保证了时延反馈控制器的可行性。.（3）最优时延反馈混沌化方法。理论推导了时延反馈控制器的解析表达式，基于系统响应频谱构造混沌性能指标，以控制参数为设计变量，以性能指标最小化为目标，采用遗传算法进行优化设计，实现了对单层非线性隔振系统、双层线性隔振系统、6自由度单层浮筏的混沌化，且对未知参数隔振系统实现了实时混沌化控制，并利用该方法对准零刚度隔振系统跳跃区间的振幅进行了有效控制。针对双层线性隔振实验装置，利用NI控制器和LabVIEW搭建控制平台，输入最优控制参数，实现了双层隔振实验装置的混沌化，验证了本方法的有效性。