低磁鋼艦艇消磁系統(tǒng)繞組安匝調(diào)整

劉勝道，王巍，肖存龍

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低磁鋼艦艇消磁系統(tǒng)繞組安匝調(diào)整

劉勝道1，王巍2，肖存龍1

（1. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033；2. 92557部隊，廣州 511400）

針對某低磁鋼艦艇船體低磁、消磁系統(tǒng)繞組多區(qū)段設(shè)計及某消磁站行車測磁等特點，總結(jié)了低磁鋼艦艇進行繞組安匝調(diào)整的一般步驟，分析了低磁鋼艦艇繞組安匝調(diào)整中容易出現(xiàn)的問題并提出了解決措施。實船調(diào)整結(jié)果表明，利用所編制的安匝量計算軟件能快速給出安匝調(diào)整方案，根據(jù)該方案進行調(diào)整能將結(jié)果磁場補償?shù)揭蠓秶畠?nèi)，從而節(jié)約了大量時間，并發(fā)揮了低磁鋼艦艇磁性防護性能高的優(yōu)點。

消磁系統(tǒng) 安匝調(diào)整 低磁鋼艦艇

0 引言

低磁鋼艦艇的特殊之處是使用低磁鋼來建造船體和消磁系統(tǒng)繞組多區(qū)段設(shè)計，各區(qū)段匝數(shù)可單獨進行調(diào)整，因而能更好地補償艦艇感應(yīng)磁場和剩余固定磁場，從而極大地提高其磁防護性能。消磁系統(tǒng)繞組的多區(qū)段設(shè)計減輕了消磁系統(tǒng)的重量、提高了消磁系統(tǒng)的可靠性和可維修性、適應(yīng)了艦艇分段建造的要求[1]。但是，消磁繞組區(qū)段的增多使得繞組安匝調(diào)整相當(dāng)困難，如果不借助計算機技術(shù)進行優(yōu)化計算，僅憑人工經(jīng)驗幾乎無法完成繞組調(diào)整工作。如果采用傳統(tǒng)的最小二乘法[2]和遺傳算法[3]以及微粒群算法來調(diào)整，也將是十分耗時的，尤其是初次調(diào)整時會需要十?dāng)?shù)天的時間。因此，在低磁鋼艦艇設(shè)計建造的同時，已開發(fā)了專用的消磁繞組安匝調(diào)整軟件，該軟件利用最簡便的二分搜索法來確定補償安匝量，大幅度縮短了繞組調(diào)整時間，降低了繞組調(diào)整的勞動強度，很好地完成了低磁鋼艦艇繞組安匝調(diào)整工作。

1 低磁鋼艦艇消磁繞組敷設(shè)方式

某低磁鋼艦艇敷設(shè)有縱向繞組、橫向繞組和水平繞組，其敷設(shè)方式分別如圖1、圖2和圖3所示。

從圖中可以看出，低磁鋼艦艇的消磁繞組是分區(qū)段布置的。

2 某消磁站測磁方式

某消磁站的消磁碼頭是按磁東西方向建造的，如圖4所示。碼頭上敷設(shè)無磁鋼軌，無磁行車可在鋼軌上前后移動，行車下有一個可以升降的探頭架，探頭架上放若干個水密探頭。艦船消磁時從一端被拖進兩碼頭之間用鋼纜固定。測量磁場時行車從一端向另一端緩慢移動，每隔一定距離計算機對探頭采樣一次，當(dāng)?shù)竭_(dá)另一端后，采樣結(jié)束，由數(shù)傳設(shè)備將測到的數(shù)據(jù)傳送給岸上的計算機。這種測量方式的測量點由探頭間的距離和采樣距離決定。測量深度用升降探頭架的方法來調(diào)整。

對于某型低磁鋼艦艇，采用了5個磁探頭（分別放置在左舷下、左舷內(nèi)、龍骨下、右舷內(nèi)和右舷下）進行測量，行車每前進2 m測量1個點，共測量35個點。但是，行車測量只能在東西向進行，在需要南北航向的磁場時，只能在碼頭外用吊放磁探頭的方式進行測量，兩舷的測量點不在一條直線上，因此南北航向的磁場數(shù)據(jù)只有龍骨下可用。

3 消磁繞組補償電流計算方法

3.1 目標(biāo)函數(shù)選取

消磁系統(tǒng)消磁繞組補償電流調(diào)整的目的就是調(diào)節(jié)各線圈的通電電流使得所有線圈產(chǎn)生磁場的總和在各個測量點上與艦艇磁場幅值相等、方向相反，剛好補償艦艇磁場。采用的目標(biāo)函數(shù)有均方根誤差（RMS）最小和峰值誤差（PM）最小等。本文選取均方根誤差（RMS）最小為目標(biāo)函數(shù)[7]。

上式中a為第區(qū)段補償線圈在第個測量點的安匝效率。

3.2 約束條件

消磁繞組中所通過的電流受到消磁電源供電能力的限制，每路電流都存在一個最大值，即

3.3 目標(biāo)函數(shù)求解

二分搜索法的基本思想是在搜索空間[a b]上選取中間點c,通過比較(a)，(b)，(c)的大小來決定刪除左半?yún)^(qū)間[a c]還是右半?yún)^(qū)間[c b]。刪除后的新區(qū)間是原區(qū)間長度的一半，再選取新區(qū)間的中間點，來與新區(qū)間的端點繼續(xù)比較下去。重復(fù)這個過程，最后確定出極小值點。

在利用二分搜索法求解目標(biāo)函數(shù)F()時采用多輪求解，逐步逼近的方式。初始條件下，各路補償電流為零，第一輪求解時，將1作為變量，1,2,3帶入初始值，利用二分搜索法在 [-1max,1max]空間求解(i)得出1的值，并覆蓋初始值。接著將2作為變量，其余各路補償電流帶入初始值，在[-1max,1max] 空間求解(i)得出2的值,并覆蓋初始值。經(jīng)過第一輪求解后，各路補償電流均有了一個不為零的初始值，此時開始第二輪求解，對第一輪求解的結(jié)果進行調(diào)整，向最優(yōu)解逼近。依此進行多輪求解，直至滿足消磁的技術(shù)要求，最后確定各路補償電流的值。

4 繞組調(diào)整

4.1 繞組調(diào)整步驟

在某消磁站進行消磁繞組調(diào)整的步驟如下：

第一步：測量低磁鋼艦艇4個航向的原始磁場；

其中南北航向的測量值只有龍骨下可利用，且龍骨下只測量了23點，而東西向的磁場值為35×5的點陣，因此在計算出龍骨下的Zix后，利用3次樣條曲線將23個點插值到35個點，以便與東西向磁場對應(yīng)。

第二步：將低磁鋼艦艇停在東航向上，通過艦艇上的消磁電流調(diào)整器給繞組供電來測量各繞組的單位安匝效率；

第三步：將原始磁場、航向差和繞組安匝效率等參數(shù)輸入程序中，計算出各繞組各區(qū)段的安匝量；

第四步：按計算出的安匝量進行繞組調(diào)整；

第五步：測量結(jié)果磁場，如結(jié)果磁場滿足要求，則結(jié)束繞組調(diào)整工作。如結(jié)果磁場不滿足要求，則將結(jié)果磁場輸入程序進行再次調(diào)整，直到結(jié)果磁場滿足要求。

對多條低磁鋼艦艇的調(diào)整結(jié)果表明，利用所編制的繞組調(diào)整軟件，一般一次調(diào)整就可滿足要求，少量繞組需根據(jù)結(jié)果磁場值進行一次再次調(diào)整。

4.2 容易出現(xiàn)的問題

在該消磁站對多條低磁鋼艦艇進行消磁系統(tǒng)繞組安匝調(diào)整中，發(fā)現(xiàn)以下問題容易產(chǎn)生并對調(diào)整結(jié)果產(chǎn)生影響：

1) 繞組區(qū)段效率測量誤差

由于低磁鋼艦艇消磁系統(tǒng)繞組區(qū)段數(shù)量非常多，每一區(qū)段都必須測量其效率，因此耗時很長。消磁站以前規(guī)定是當(dāng)休息時間較長時，行車橫梁必須收起，待測量時再重新放下。行車橫梁收起放下會導(dǎo)致兩次深度位置有差異，因此會產(chǎn)生測量誤差。為了避免產(chǎn)生誤差，規(guī)定在低磁鋼艦艇磁場測量期間（包括繞組效率測量）消磁站的行車橫梁不得收起。

2) 地磁背景的變化

地磁背景的變化會對消磁繞組安匝調(diào)整的效果產(chǎn)生影響，因此應(yīng)盡量使用測量時間最近的地磁場值作為背景。

4.3 實船繞組調(diào)整

利用所開發(fā)的專用消磁繞組安匝調(diào)整軟件對多條低磁鋼艦艇進行了繞組調(diào)整，其中一條低磁鋼艦艇實測得到的結(jié)果磁場如圖5和圖6所示，圖中數(shù)據(jù)經(jīng)過了歸一化處理。實船繞組調(diào)整結(jié)果表明，低磁鋼艦艇的消磁系統(tǒng)補償取得了十分顯著的效果，且調(diào)整速度快，調(diào)整精度高。

5 結(jié)論與建議

本文針對低磁鋼艦艇船體低磁、消磁繞組多區(qū)段設(shè)計及某消磁站行車測量等特點，總結(jié)了低磁鋼艦艇在某消磁站進行繞組調(diào)整的一般步驟，分析了多條低磁鋼艦艇消磁系統(tǒng)繞組調(diào)整中出現(xiàn)的問題并提出了解決措施。實船調(diào)整結(jié)果表明，利用所編制的安匝量計算軟件能快速給出安匝調(diào)整方案，根據(jù)該方案進行調(diào)整能將結(jié)果磁場補償?shù)揭蠓秶畠?nèi)，從而節(jié)約了大量時間，并發(fā)揮了低磁鋼艦艇磁性防護性能高的優(yōu)點。

對于以后在該站進行的低磁鋼艦艇消磁繞組安匝調(diào)整工作，給出如下建議：整個磁場測量過程中，不要調(diào)整行車橫梁的上下位置；盡量使用測量時間最近的地磁場值作為背景磁場。

[1] 唐申生，周耀忠，莊清華．大型艦船分區(qū)消磁理論研究[J]．海軍工程大學(xué)學(xué)報，2003，15(1)：80-83．

[2] 朱文普，李琥．計算補償艦船磁場的一種方法[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，1979，1(5): 70-72．

[3] TARR P B，POWELL N. Optimal degaussing using an evolution program[P]．United States: US6546349，2003．

Calibration of a Degaussing System Coils’ Ampere-turns for Low Magnetic Steel Ship

Liu Shengdao1, Wang Wei2, Xiao Cunlong1

(1. Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2. Unit No. 92557，Guangzhou 511400，China)

TM153.1

A

1003-4862（2013）04-0025-03

2012-07-18

劉勝道(1972-)，男，博士，副教授。研究方向：艦艇磁隱身技術(shù)。