摘 要

轴系是船舶动力装置中十分重要的组成部分，正常运行中，轴系会受到很多因素的影响，譬如海水给予螺旋桨的推动力、滑油油膜的波动、船舶本体或各传动件发生形变等等。这些影响会导致轴系产生较为剧烈的振动，进而引起一系列问题。整个机体发生振动，传动系统零件损坏，轴承过度磨损、轴系断裂的事故。甚至引起整个机体发生。而传统的自适应滤波算法，通常局限于单个或多个正弦信号的控制，不适用于控制调制振动，特别是在存在丰富的侧带结构的情况下。因此进行“基于LMS算法的轴系振动控制仿真”研究具有一定的理论意义和实际工程应用价值。

我们的研究对象是船舶的轴系。通过查阅各种文献资料和论文，对其理论、类型、减振方式及其原理，包括LMS算法，自动控制等等一系列关键问题进行学习、探索研究，给轴上不同位置，施加多个频率的激励之后做轴系振动的响应数据提取，分别辩识其响应函数，在Simulink中搭建基于LMS算法的控制系统框架，最后完成仿真控制。论文主要工作包括：

（1）借助CAD软件建立一个较为精准的轴系近似模型和匀质圆盘的螺旋桨近似模型；

（2）基于workbench软件，进行了瞬态动力学仿真分析，在轴上不同位置取点，施加不同频率的激励，观测某点的响应随时间的变化，提取响应函数（离散的传递函数）；

（3）基于响应函数，采用MATLAB进行辨识，得出船舶轴系负荷的特性，之后将其放入Simulink环境作为输入激励函数，并进行仿真，就可以得到正常运行时船舶轴系产生的总负载激励和。

（4）利用传递函数来对船舶轴系的振动特性进行计算，综合考虑引起这种问题的原因，之后，利用拉普拉斯变换对其进行计算。

（5）利用进行有限元分析。在Simulink中搭基于LMS算法的控制系统框架，有控制变量法的应用，完成仿真控制，通过示波器分别得出FXLMS滤波器作用前后的波形对比图，图形差距明显，进而通过实验验证发现轴系振动改善效果明显。

关键词：船舶轴系；轴系振动；振动控制；控制仿真；LMS算法

Abstract

Shafting is a very important component of ship power plant. In normal operation, shafting will be affected by many factors, such as the propelling force of propeller given by sea water, the fluctuation of oil film of lubricating oil, the deformation of ship body or various drive parts, and so on. These influences may cause severe vibration of the shafting, which may lead to a series of accidents such as vibration of the whole body, damage to the parts of the transmission system, excessive wear of the bearings, and even fracture of the shafting. However, the traditional adaptive filtering algorithm is usually limited to the control of single or multiple sinusoidal signals, and is not suitable for controlling the modulated vibration, especially when there are abundant side-band structures. Therefore, the research of "simulation of shafting vibration control based on LMS algorithm" has certain theoretical significance and practical engineering application value.

In this paper, ship shafting as the research object, carefully review the domestic and foreign large and detailed research data, papers and thesis, the mechanism of vibration of shaft system, type, vibration mode and its principle, including the LMS algorithm, automatic control and so on a series of key problems on study, exploring study, to different locations on a shaft that applying the multiple frequency excitation shafting vibration response data extraction, identify its response function respectively, set up in Simulink control system framework based on LMS algorithm, finally complete the simulation control. The main work of the thesis includes:

(1) an accurate approximate model of shafting and propeller of uniform disk was established with CAD software;

(2) based on workbench software, carried out transient dynamics simulation analysis, selected points at different positions on the axis, applied different frequency excitation, observed the change of the response of a point over time, and extracted the response function (discrete transfer function);

(3) based on the response function, MATLAB was used to identify the characteristics of ship shafting load, which was then put into the Simulink environment as an input excitation function and simulated to obtain the total load excitation and generated by ship shafting in normal operation.

(4) the transfer function is used to calculate the vibration characteristics of ship shafting. After considering the influence of various factors on shafting vibration, the shafting vibration is calculated by using the Laplace transform method.

(5) using the ANSYS finite element analysis was carried out on the shaft, in Simulink control system framework based on LMS algorithm, the application of the control variable method, to complete the simulation control, through the oscilloscope FXLMS calculated before and after the filter function of waveform comparison chart, graphic gap is obvious, and then through the experiment discovered shafting vibration improvement effect is obvious.

Key Words： ship shafting; Shafting vibration; Vibration control; Control simulation; LMS algorithm

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 研究目的及意义 3

1.4 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 3

1.4.1 研究内容 3

1.4.2 研究目标 4

1.4.3 技术路线 4

1.5 本章小结 4

第2章 轴系有限元分析及其特性 5

2.1 有限元分析 5

2.1.1有限元分析介绍 5

2.1.2 主要步骤 5

2.2 有限元分析的基本特点 6

2.3 有限元分析的应用领域 6

2.4 有限元分析常用软件 7

2.5 本章小结 7

第3章 船舶轴系及其模型建立 8

3.1 船舶轴系的组成 8

3.2 船舶轴系的力学模型 8

3.3船舶轴系振动所产生的原因以及危害 9

3.4船舶轴系振动的研究意义 9

3.5 小结 10

第4章 振动控制 12

4.1 振动控制的定义及简介 12

4.2 振动控制分类; 12

4.2.1 消振 12

4.2.2 隔振 12

4.3 隔振和阻尼 12

4.3.1 隔振 12

4.3.2 阻尼 13

4.3.3 隔振和阻尼的关系 13

4.4 小结 13

第5章 LMS算法及在线控制 14

5.1 LMS算法 14

5.1.1 LMS算法介绍 14

5.1.2 LMS算法的基本原理 14

5.1.3 性能分析 15

5.1.4 影响LMS算法性能的因素 15

5.2 LMS算法特点 15

5.3 问题表述及应用公式 16

5.4 传递函数（传递矩阵） 17

5.4.1 定义 17

5.4.2 性质 17

5.4.3 零点和极点 17

5.4.4 传递函数的应用 18

5.4.5 传递函数的局限性 18

5.4.6 拉普拉斯变换 18

5.5 PID算法 19

5.5.1 PID算法简介 19

5.5.2 PID控制原理 19

5.6 仿真模型的搭建与运行： 21

5.7 优化方案振动测试及结果 21

5.8 本章小结 23

第6章 总结与展望 24

6.1 总结 24

6.2 展望 24

附录 30

第1章 绪论

1.1 研究背景

振动主动控制在外部扰动频率发生变化时仍然具有适应性，在扰动频率较低的时候依然具有优良控制性能。这两个优秀的特性会使得它在工程控制领域成为人们关注的热点。我们对它的算法进行仿真分析，并结合实验进行研究。目的就是找到一条从控制算法出发到算法实现的一种高效开发方式。并将其运用到轮机工程领域——轴系振动上^[1]。

作为动力装置中十分重要的一部分，它的功能有如下几种。对于主机发出来的功率，会通过它传递到螺旋桨上。这个过程当中，它会通过齿轮咬合带动螺旋桨进行转动，并产生推力做功。这个推力又反过来通过船舶轴系传递给船体，这样也就实现了正常的运行。在日常的使用过程当中，容易受到来源不同特性不同的载荷进行作用，产生激励。轴系振动如果过于激烈，会直接使得对它接触的轴承受到力带来影响。这个过程当中，甚至会导致柴油机传动装置发生故障，严重时报废。机架也会受到影响产生难以预料的振动，而这种振动也会进一步引发船体振动。这些都会给船舶在航行过程中的安全性增添了许许多多的不稳定因素，宛如一个个隐藏的炸弹。综上，如何优化轴系振动一直是整个船舶界所致力解决的大问题。世界范围内来看，船厂都在受到要求，必须要提供比较详实的在该领域的振动校核计算报告。这份报告能够提供可靠的参考价值，给施工安装检验都提供便利，是非常有指导意义的。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

对主动噪声进行控制是该思想的起源 ^[1]。从上世纪年代开始，德国物理学家就提出了管道消声的专利 ^[1]。基本思想就是利用传感器对系统带来干扰，使得噪声得以消除。简单来说就是用噪声来消灭噪声。类比来讲，振动的主动控制方案就是利用振动去消灭振动。在实现的过程当中需要和控制理论结合，并要学一些其他方面的知识。比如说计算机科学，材料科学，测试科学等。该技术正在广泛应用，在航空航天，车辆工程，船舶机械等领域。

20世纪50年代，美国一些学者研究了主动隔振技术，开发了主动隔振平台，为当今美国的航空航天和导航行业做出了重要贡献。伴随着振动主动控制技术的不断进步，该技术凭借其独到特殊而又优良的控制效果引起了很多研究者们的广泛关注。而上个世纪年代，但通过对飞机驾驶员的座椅的主动格证进行研究。在这个过程当中提出了模态的主动控制技术。到了年的月，又提出了如何抑制低频结构模态振动的系统。现在，它已经广泛应用在了包括H型战机等许多飞机模型上。振动主动控制的研究在接下来的一段时间里一直运用在航天领域。年，第届振动主动控制研讨会正式召开。从会议的主要内容来看，大力推广了该技术的发展。是在上个世纪年代前后，该技术仍处在探索阶段，同时，它的应用范围还是很狭窄。这是因为DSP(即数字信号处理器)不受欢迎，性价比低，缺乏合适的执行机构等因素，使其仅局限于航空航天等高科技领域^[2]。