一種基于智能減振器的艦船機(jī)械設(shè)備主動(dòng)減振系統(tǒng)研究

楊鐵軍　石慧　李新輝　吳磊　朱明剛　吳國(guó)雄　劉志剛

摘要：面向工程的需要研制了主被動(dòng)復(fù)合、傳感作動(dòng)一體化的智能減振器。它基于傳統(tǒng)的被動(dòng)隔振結(jié)構(gòu)，集成了主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、功率放大設(shè)備及高低通濾波器、加速度誤差傳感器及后續(xù)的放大和濾波電路，與脫機(jī)運(yùn)行的主動(dòng)控制器構(gòu)成針對(duì)艦船機(jī)械設(shè)備的主動(dòng)減振系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)建立了柴油發(fā)電機(jī)組主動(dòng)減振演示臺(tái)架。整個(gè)臺(tái)架通過4個(gè)智能減振器坐落在一塊模擬船體結(jié)構(gòu)的彈性鋼板上，通過測(cè)量彈性鋼板的振動(dòng)情況來評(píng)價(jià)主動(dòng)減振系統(tǒng)的減振性能。演示臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，智能減振器在800 Hz以內(nèi)的總振級(jí)有33 dB以上的被動(dòng)減振效果，在此基礎(chǔ)上的主動(dòng)控制對(duì)200 Hz以內(nèi)的多根線譜均有很好的控制效果，線譜最大有30.8 dB的主動(dòng)衰減量，200 Hz以內(nèi)總振級(jí)的主動(dòng)衰減量達(dá)到20 dB。綜合主被動(dòng)減振的效果，智能減振器可以將演示臺(tái)架的柴油發(fā)電機(jī)組O～800 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)總振級(jí)衰減47.2 dB以上。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)減振；智能減振器；柴油發(fā)電機(jī)組；主被動(dòng)復(fù)合控制；傳感作動(dòng)一體化

引言

艦船動(dòng)力機(jī)械設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞給船體結(jié)構(gòu)，是產(chǎn)生水下輻射噪聲、影響艦船隱蔽性和生命力的主要原因。被動(dòng)隔振技術(shù)如單層、雙層隔振、浮筏以及桁架結(jié)構(gòu)的艙筏是隔離機(jī)械設(shè)備振動(dòng)傳遞的主要措施和技術(shù)手段，也是目前水下結(jié)構(gòu)減振降噪研究的主要方面。

被動(dòng)隔振系統(tǒng)能有效地隔離機(jī)械設(shè)備的中高頻振動(dòng)，但其無法同時(shí)滿足低頻隔振對(duì)低動(dòng)態(tài)剛度和高靜態(tài)剛度的要求，因此低頻隔振一直是被動(dòng)隔振技術(shù)的瓶頸。對(duì)于艦船而言，低頻振動(dòng)產(chǎn)生的水下輻射噪聲由于其傳播距離遠(yuǎn)和不易衰減，是影響艦船隱蔽性和戰(zhàn)斗力的重要因素。同時(shí)被動(dòng)隔振技術(shù)無法跟蹤機(jī)械設(shè)備振動(dòng)頻率的變化，隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一旦完成，如果振源頻率發(fā)生變化，則無法保證理想的隔振效果。

主動(dòng)隔振技術(shù)的原理是在原有隔振系統(tǒng)中引入主動(dòng)的控制力，根據(jù)被控系統(tǒng)的振動(dòng)信息調(diào)節(jié)主動(dòng)控制力的大小和相位，使其產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)與原激勵(lì)的振動(dòng)響應(yīng)相抵消，從而減少振動(dòng)向基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的傳遞。因此主動(dòng)隔振技術(shù)不僅能有效地隔離低頻振動(dòng)，還能適應(yīng)外擾頻率的變化。主動(dòng)隔振有效地彌補(bǔ)了被動(dòng)隔振技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，與高靜態(tài)剛度低動(dòng)態(tài)剛度的非線性隔振系統(tǒng)一起為隔振技術(shù)提供了兩個(gè)新的發(fā)展方向，具有很好的應(yīng)用前景。

20世紀(jì)30年代德國(guó)物理學(xué)家Lueg提出的專利被公認(rèn)為是振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)思想的起源。但直到20世紀(jì)50年代美國(guó)科學(xué)家才開始探討主動(dòng)隔振技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的可行性和實(shí)現(xiàn)方式。20世紀(jì)80年代末以來，主動(dòng)隔振技術(shù)逐步向艦船領(lǐng)域拓展。隨著作動(dòng)器技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，開始逐步走向工程應(yīng)用。如美國(guó)BBN公司研制的用于小型柴油機(jī)的磁電式主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1988）、日本深江丸Ⅲ號(hào)實(shí)習(xí)船上基于液壓伺服系統(tǒng)的柴電機(jī)組主動(dòng)隔振（1989），瑞典護(hù)衛(wèi)艦（2001）和澳大利亞collins級(jí)潛艇（2003）基于慣性式電磁作動(dòng)器的主動(dòng)隔振系統(tǒng)等。目前國(guó)際上已經(jīng)有很多專業(yè)的公司從事這類產(chǎn)品的研究和開發(fā)，比如Paulstra公司就已經(jīng)有了比較成熟的針對(duì)艦船機(jī)械設(shè)備的主動(dòng)減振產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚，但是國(guó)內(nèi)學(xué)者一直在積極從事艦船動(dòng)力機(jī)械主動(dòng)隔振技術(shù)的理論、試驗(yàn)和工程應(yīng)用的研究，近10年取得了豐碩的研究成果。比較典型的研究單位如上海交通大學(xué)、海軍工程大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)等等。

作者和所在課題組在國(guó)內(nèi)較早地開展了艦船柴油機(jī)主動(dòng)隔振技術(shù)的研究，在主動(dòng)隔振理論及控制算法、主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、主動(dòng)控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)等方面有深厚的研究基礎(chǔ)。在20世紀(jì)末建成的柴油機(jī)液壓主動(dòng)隔振臺(tái)架是目前國(guó)內(nèi)較早針對(duì)實(shí)際動(dòng)力機(jī)械設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)隔振研究的試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的前幾階低頻線譜的振動(dòng)能進(jìn)行有效地隔離。近幾年致力于實(shí)船環(huán)境下動(dòng)力機(jī)械的主動(dòng)減振技術(shù)的研究，同時(shí)著眼于振動(dòng)的隔離和水下輻射噪聲的控制，從實(shí)船試驗(yàn)的角度驗(yàn)證了振動(dòng)主動(dòng)控制對(duì)抑制水下輻射噪聲的有效性。

基于多年研究的基礎(chǔ)，以主動(dòng)隔振技術(shù)工程化為目的，課題組研制了主被動(dòng)復(fù)合、傳感作動(dòng)一體化的智能減振器，與脫機(jī)運(yùn)行的主動(dòng)控制器構(gòu)成針對(duì)艦船機(jī)械設(shè)備的主動(dòng)減振系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻帶寬、線性度好的電磁式作動(dòng)器和經(jīng)典的自適應(yīng)算法，以線譜振動(dòng)信號(hào)豐富的四沖程6135柴油發(fā)電機(jī)組作為振源建立了主動(dòng)減振演示臺(tái)架，進(jìn)行了主動(dòng)減振的試驗(yàn)研究，以檢驗(yàn)主動(dòng)減振系統(tǒng)的有效性。

1.柴電機(jī)組主動(dòng)減振演示臺(tái)架

1.1試驗(yàn)臺(tái)架

主動(dòng)減振演示臺(tái)架選用船用6135高速柴油機(jī)作為振源，凈重1330 kg，功率180 kW，額定轉(zhuǎn)速1500 r/min，采用TXFW-315M4一H型發(fā)電機(jī)，重1040 kg。整個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組通過A～D共4個(gè)智能減振器安裝在彈性鋼板上，如圖1所示。彈性鋼板由一組橡膠減振器安裝在地基上模擬船體結(jié)構(gòu)，通過測(cè)量彈性鋼板的振動(dòng)情況來評(píng)價(jià)主動(dòng)減振系統(tǒng)的減振性能，同時(shí)可以利用體感來親身體驗(yàn)減振效果。

1.2主動(dòng)減振系統(tǒng)

結(jié)合圖1和2可見，整個(gè)主動(dòng)減振系統(tǒng)主要包括兩大部分，主動(dòng)控制器和智能減振器。如圖2（b）所示，智能減振器基于被動(dòng)的隔振結(jié)構(gòu)，承擔(dān)柴油發(fā)電機(jī)組靜載的同時(shí)提供被動(dòng)減振效果。主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的功率放大電路、高低通濾波器、加速度誤差傳感器及相應(yīng)的放大和濾波電路均集成于被動(dòng)隔振結(jié)構(gòu)上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與電路部分均采用模塊化設(shè)計(jì)，采用插拔的形式安裝，便于拆卸和維修。每個(gè)智能減振器能承擔(dān)600 kg的靜載，在10～200 Hz的頻率范圍內(nèi)最大可以輸出1000 N的主動(dòng)控制力。主動(dòng)控制器如圖2（c）所示，可以選擇上位機(jī)控制和脫機(jī)運(yùn)行兩種工作模式，配置了16路的A/D輸入和16路D/A輸出，此處分別用到5路A/D和4路D/A。

主動(dòng)減振系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。其中w（z）為控制濾波器，S（x）為控制濾波器輸出y（n）到誤差傳感器輸出e（n）之間的物理傳遞通道（稱為誤差通道），s（z）為對(duì)誤差通道識(shí)別的結(jié)果，在此用來對(duì)參考輸入信號(hào)z（n）進(jìn)行補(bǔ)償濾波，然后與誤差信號(hào)e（n）共同參與控制濾波器w（z）權(quán)系數(shù)的更新。

整個(gè)系統(tǒng)的工作過程如下：光電傳感器測(cè)量柴油機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過低通濾波器濾波后可以得到主動(dòng)控制系統(tǒng)的參考輸入信號(hào)，低通濾波器的截止頻率即為主動(dòng)控制系統(tǒng)的工作頻率上限，此處設(shè)置為200 Hz。參考信號(hào)輸入給主動(dòng)控制器，主動(dòng)控制器拾取集成于每個(gè)智能減振器的誤差傳感器的信號(hào)作為反饋，通過多誤差的濾波x-LMS算法計(jì)算出每個(gè)智能減振器的控制信號(hào)，智能減振器工作時(shí)在誤差傳感器處產(chǎn)生與柴油發(fā)電機(jī)組傳遞振動(dòng)反向的振動(dòng)響應(yīng)，從而降低傳遞至基礎(chǔ)彈性鋼板的振動(dòng)。