《混沌振动快速判别及同步控制策略研究》

该项目属于船舶舰船工程,舰船动力振动与噪声控制方向。

21世纪,人类开始向海洋的深度和广度进军。人们越来越多地把目光投向海洋,世界各国现今比过往任何时候都更加重视争夺海上军事优势,以此适应经略海洋的国家战略需求。潜艇以其隐蔽性、灵活性、突击性等无可替代的优势,自诞生之日起就成为了各主要海上军事力量的重要组成部分。随着科学技术的发展,未来战场环境将变得更加恶劣而复杂,潜艇也面临着巨大的挑战,探潜与隐身的争斗更趋激烈。潜艇水下辐射噪声分为窄带线谱噪声和连续谱宽带噪声,在高速航行时,宽带噪声在辐射噪声信号中占主要成分,而在低速接敌时,特别是在潜艇隐蔽航行状态下,线谱噪声占主要成分,此时机械噪声是主要噪声源。因而如何降低动力机械振动所引起的水下辐射噪声便成了提高潜艇声隐身性能的关键所在。传统的线性隔振系统由于具有频率保持性,不能消除系统的特征线谱成分。应用非线性隔振系统混沌化技术可以降低潜艇辐射噪声中的线谱成分,减弱其“声纹”特征,从而极大地提高潜艇的声隐身性能。

然而,在非线性隔振系统的混沌化控制过程中,如何快速准确判别系统是否处于混沌状态以及系统混沌同步控制是潜艇辐射噪声线谱混沌化的难点问题,该项目围绕混沌振动非线性时间序列相空间重构算法、相空间重构效果评估方法、Lyapunov特征指数快速算法和混沌吸引子广义同步控制策略问题进行研究,对混沌理论应用于水下辐射噪声线谱控制、保密通信、弱信号检测、混沌吸引子迁移等工程实际问题具有重要的指导意义。该项目的主要内容包括:

1.针对混沌吸引子相空间重构过程中,不合适的嵌入维数和延迟时间参数将导致吸引子发生扭曲和压缩变形,造成识别误判的问题,项目组进行了相空间重构参数计算研究,提出了混沌吸引子相空间重构参数优化方法。建立了相空间重构嵌入维和延迟时间优化计算的无序度模型,发现当重构吸引子结构达到规则结构时,无序度最小,构建了重构参数的优化曲面,并得到了优化曲面随嵌入维数和延迟时间的变化规律,应用混沌预测理论对相空间重构效果进行了评估。在此基础上,提出了基于相空间吸引子重构演化矩阵的快速Lyapunov指数算法;

2.针对实测获得的任一变量的时间历程,由于受到测量系统、环境干扰等影响,不可避免地含有噪声成分。当要通过分析所测得的时间历程来作出某种判断时,往往会产生误判。因此,项目组提出了混沌序列混合滤波去噪算法。提出了Volterra小波变换最优阈值的判定方法,建立了小波-SG-EEMD混合去噪模型。将小波-SG作为EEMD的预滤波单元,有效降低白噪声和局部强干扰的影响,并结合EEMD抑制模式混叠的特性,可以有效地将混沌信号从复杂干扰中提取出来;

3.针对非线性系统在工程实际应用中,工况可能发生变化,且系统结构参数可能发生慢变,但固定设计的参数将不会随外部环境的变化而适时调整,系统将逃逸出混沌吸引子状态,从而不能产生持续有益的混沌,项目组提出了基于广义混沌同步的非线性系统混沌吸引子控制方法,从构造驱动系统和响应系统之间的函数关系出发,深入研究了广义混沌同步中同步流形的多值性问题,提出并证明了同步流形的稳定性定理,利用该定理及推论对Genesio-Rossler耦合系统以及耦合Duffing系统进行控制证明了理论研究的正确性;

4.开展了混沌吸引子重构和广义同步技术的试验研究。设计了反馈控制试验台以及单端磁吸式混沌振动试验装置,可对不同参数条件下的振动进行试验研究;应用相空间重构技术成功复现了系统在不同情况下的吸引子,观察到了试验系统中出现的周期-1、周期-2、周期-3、周期-6、拟周期和混沌行为;应用神经网络监测系统对试验信号进行了分类识别,能够准确实现快速混沌识别。

研究结果发表在振动领域国际知名期刊Journal of sound and vibration(JSV),CHAOS SOLITON &FRACTALS,以及国内期刊《物理学报》等杂志上,论文12篇SCI收录,30篇EI收录,获得了3项国家自然科学基金资助,荣获2篇全国百篇优秀博士学位论文,1篇海军优秀博士学位论文,获得2项国家发明专利,为潜艇辐射噪声线谱的混沌化提供理论指导,显著降低了水下辐射噪声的线谱成分,受到了国内外学者在“CHAOS”,“PHYSICS Letters A”“ACTA PHYSICA SINICA”等国内外权威期刊上的广泛关注和正面评价,并作为混沌控制和快速判别的主要算法。为混沌理论在保密通信、弱信号检测、特征线谱削减等领域的应用奠定了重要基础。完成人主编的《舰船机械隔振系统线谱混沌化控制》充分展示了课题组在非线性混沌振动理论研究领域的最新进展。

  1. 下载详细PDF版/Doc版

提示:为方便大家复制编辑,博主已将PDF文件制作为Word/Doc格式文件。