一種基于智能減振器的艦船機械設備主動減振系統研究

楊鐵軍　石慧　李新輝　吳磊　朱明剛　吳國雄　劉志剛

摘要：面向工程的需要研制了主被動復合、傳感作動一體化的智能減振器。它基于傳統的被動隔振結構，集成了主動執行機構、功率放大設備及高低通濾波器、加速度誤差傳感器及后續的放大和濾波電路，與脫機運行的主動控制器構成針對艦船機械設備的主動減振系統。基于該系統建立了柴油發電機組主動減振演示臺架。整個臺架通過4個智能減振器坐落在一塊模擬船體結構的彈性鋼板上，通過測量彈性鋼板的振動情況來評價主動減振系統的減振性能。演示臺架試驗結果表明，智能減振器在800 Hz以內的總振級有33 dB以上的被動減振效果，在此基礎上的主動控制對200 Hz以內的多根線譜均有很好的控制效果，線譜最大有30.8 dB的主動衰減量，200 Hz以內總振級的主動衰減量達到20 dB。綜合主被動減振的效果，智能減振器可以將演示臺架的柴油發電機組O～800 Hz范圍內的振動總振級衰減47.2 dB以上。

關鍵詞：主動減振；智能減振器；柴油發電機組；主被動復合控制；傳感作動一體化

引言

艦船動力機械設備工作時產生的振動傳遞給船體結構，是產生水下輻射噪聲、影響艦船隱蔽性和生命力的主要原因。被動隔振技術如單層、雙層隔振、浮筏以及桁架結構的艙筏是隔離機械設備振動傳遞的主要措施和技術手段，也是目前水下結構減振降噪研究的主要方面。

被動隔振系統能有效地隔離機械設備的中高頻振動，但其無法同時滿足低頻隔振對低動態剛度和高靜態剛度的要求，因此低頻隔振一直是被動隔振技術的瓶頸。對于艦船而言，低頻振動產生的水下輻射噪聲由于其傳播距離遠和不易衰減，是影響艦船隱蔽性和戰斗力的重要因素。同時被動隔振技術無法跟蹤機械設備振動頻率的變化，隔振系統的設計一旦完成，如果振源頻率發生變化，則無法保證理想的隔振效果。

主動隔振技術的原理是在原有隔振系統中引入主動的控制力，根據被控系統的振動信息調節主動控制力的大小和相位，使其產生的振動響應與原激勵的振動響應相抵消，從而減少振動向基礎結構的傳遞。因此主動隔振技術不僅能有效地隔離低頻振動，還能適應外擾頻率的變化。主動隔振有效地彌補了被動隔振技術的缺點和不足，與高靜態剛度低動態剛度的非線性隔振系統一起為隔振技術提供了兩個新的發展方向，具有很好的應用前景。

20世紀30年代德國物理學家Lueg提出的專利被公認為是振動主動控制技術思想的起源。但直到20世紀50年代美國科學家才開始探討主動隔振技術在航空航天領域的可行性和實現方式。20世紀80年代末以來，主動隔振技術逐步向艦船領域拓展。隨著作動器技術和數字信號處理技術的發展，開始逐步走向工程應用。如美國BBN公司研制的用于小型柴油機的磁電式主動執行機構（1988）、日本深江丸Ⅲ號實習船上基于液壓伺服系統的柴電機組主動隔振（1989），瑞典護衛艦（2001）和澳大利亞collins級潛艇（2003）基于慣性式電磁作動器的主動隔振系統等。目前國際上已經有很多專業的公司從事這類產品的研究和開發，比如Paulstra公司就已經有了比較成熟的針對艦船機械設備的主動減振產品。

國內在這方面的研究起步較晚，但是國內學者一直在積極從事艦船動力機械主動隔振技術的理論、試驗和工程應用的研究，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、海軍工程大學和哈爾濱工程大學等等。

作者和所在課題組在國內較早地開展了艦船柴油機主動隔振技術的研究，在主動隔振理論及控制算法、主動執行機構、主動控制系統整體設計等方面有深厚的研究基礎。在20世紀末建成的柴油機液壓主動隔振臺架是目前國內較早針對實際動力機械設備進行主動隔振研究的試驗系統，該系統對與柴油機轉速相關的前幾階低頻線譜的振動能進行有效地隔離。近幾年致力于實船環境下動力機械的主動減振技術的研究，同時著眼于振動的隔離和水下輻射噪聲的控制，從實船試驗的角度驗證了振動主動控制對抑制水下輻射噪聲的有效性。

基于多年研究的基礎，以主動隔振技術工程化為目的，課題組研制了主被動復合、傳感作動一體化的智能減振器，與脫機運行的主動控制器構成針對艦船機械設備的主動減振系統。該系統基于動態響應頻帶寬、線性度好的電磁式作動器和經典的自適應算法，以線譜振動信號豐富的四沖程6135柴油發電機組作為振源建立了主動減振演示臺架，進行了主動減振的試驗研究，以檢驗主動減振系統的有效性。

1.柴電機組主動減振演示臺架

1.1試驗臺架

主動減振演示臺架選用船用6135高速柴油機作為振源，凈重1330 kg，功率180 kW，額定轉速1500 r/min，采用TXFW-315M4一H型發電機，重1040 kg。整個柴油發電機組通過A～D共4個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構，通過測量彈性鋼板的振動情況來評價主動減振系統的減振性能，同時可以利用體感來親身體驗減振效果。

1.2主動減振系統

結合圖1和2可見，整個主動減振系統主要包括兩大部分，主動控制器和智能減振器。如圖2（b）所示，智能減振器基于被動的隔振結構，承擔柴油發電機組靜載的同時提供被動減振效果。主動執行機構及相應的功率放大電路、高低通濾波器、加速度誤差傳感器及相應的放大和濾波電路均集成于被動隔振結構上，執行機構與電路部分均采用模塊化設計，采用插拔的形式安裝，便于拆卸和維修。每個智能減振器能承擔600 kg的靜載，在10～200 Hz的頻率范圍內最大可以輸出1000 N的主動控制力。主動控制器如圖2（c）所示，可以選擇上位機控制和脫機運行兩種工作模式，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。

主動減振系統的工作原理如圖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）為對誤差通道識別的結果，在此用來對參考輸入信號z（n）進行補償濾波，然后與誤差信號e（n）共同參與控制濾波器w（z）權系數的更新。

整個系統的工作過程如下：光電傳感器測量柴油機曲軸的轉速信號，通過低通濾波器濾波后可以得到主動控制系統的參考輸入信號，低通濾波器的截止頻率即為主動控制系統的工作頻率上限，此處設置為200 Hz。參考信號輸入給主動控制器，主動控制器拾取集成于每個智能減振器的誤差傳感器的信號作為反饋，通過多誤差的濾波x-LMS算法計算出每個智能減振器的控制信號，智能減振器工作時在誤差傳感器處產生與柴油發電機組傳遞振動反向的振動響應，從而降低傳遞至基礎彈性鋼板的振動。