雙層浮筏臺架的多通道自適應主動控制仿真及實驗

黃馳

摘要：浮筏隔振是大型艦艇在減少動力裝置的振動中常用的隔振方法，作為被動隔振，其對高頻振動的隔振效果顯著但是對低頻振動的效果不明顯。本文針對雙層浮筏隔振中對低頻振動隔振效果不明顯的問題，設計了一款基于FPGA+DSP的雙核多通道自適應主動控制器，運用多通道FxLMS（MFxLMS）算法對雙層浮筏隔振平臺的低頻振動進行主動控制，并取得了顯著的控制效果。

關鍵詞：多通道主動控制;控制器;FxLMS;FPGA;DSP

0? 引言

動力系統所產生的振動是艦船向外輻射噪聲的主要來源。在艦船減振中，最常用的方法是將所有產生振動的裝備集中安放在一個公共的筏架上，筏架和船體之間用彈性構件連接，從而產生減振的作用，這種方法即是浮筏隔振[1]。在實際應用中，單層的浮筏隔振效果有限，因此運用雙層浮筏即對振動進行兩次隔離，能得到更加理想的效果。

傳統的浮筏隔振是純被動式隔振，被動式隔振主要靠浮筏與船體之間的彈性連接構件來吸收振動的能量。但是該類彈性隔振器件對高頻振動的隔振效果較為明顯，對低頻段的振動隔振效果比較有限。為了進一步提升浮閥在低頻段的隔振效果，我們采用主被動復合隔振的方法來對低頻段的振動進行抑制。主被動復合隔振在原有的被動式隔振的基礎上增加了主動執行機構和主動控制算法。主被動復合隔振通過傳感器獲得需要控制的振動信息，通過控制器對采集到的參考信號進行信號處理，并輸出控制信號至功率放大器以驅動主動執行機構（作動器）有針對性的抑制被控對象的振動。主被動復合隔振的優勢在于其可以針對特定的頻段進行精準控制，在一些特殊領域如船舶的動力裝置的減振中，其振動往往是由機械有規律的往復運動而產生的，此時的振動信號就有很強的特征性，在頻域中集中在某一個特定的頻率附近[2]。此時運用主被動復合隔振就能精準的消去這些特征線譜。在對浮筏進行主動控制時，因為控制面積過大，需要布置多處作動器來抵消浮筏的振動。此時的控制就屬于多通道主動控制。

1? 雙層隔振浮筏系統建模

如圖1、圖2所示，上層浮筏的幾何中心放置一電磁激振器做激勵源。上層浮筏與下層浮筏之間由自主設計的混合式電磁隔振器連接，四個混合隔振器分別布置在浮筏幾何對稱的四個點上。下層浮筏與地面之間由四個純被動式隔振器連接，其可以簡化為彈簧阻尼系統。所以該被控對象可整體簡化為彈簧-阻尼雙層隔振實驗平臺，下層隔振平臺的加速度信號作為振動控制的評價指標[3]。

2? 多通道FxLMS控制算法

多通道FxLMS（MFxLMS）算法是目前運用最多的多通道自適應控制算法，其是在單通道FxLMS算法的基礎上，增加了復數位的控制通道并考慮了通道之間互相耦合的情況。設多通道FxLMS自適應控制系統中有I個參考傳感器、J個次級作動器、K個誤差傳感器。設J個主動控制濾波器均為階數為L的橫向FIR濾波器，J*K個次級通道建模均為階數為M的橫向FIR濾波器。所有的數學推導和計算量分析均基于I×J×K結構的多通道自適應控制系統。如圖4所示，為了展示多通道自適應控制系統的結構，采用含1個參考信號傳感器、2個次級作動器、2個誤差傳感器的雙通道的自適應控制系統[4]。

3? 控制器硬件設計

主動控制系統具有響應時間快、采樣頻率高、多通道并行控制和計算量大等特點。這就要求控制器硬件擁有較高的數據處理能力。因為控制系統中具有隨動性、非線性、時變和離散的特點，控制算法較為復雜，為了保證復雜數據的處理速度，采用FPGA+DSP的雙核處理架構。其中FPGA負責信號的采集和輸出，DSP負責數字濾波、算法運算和與上位機的通訊。使用FPGA做信號采集是因為 FPGA的運算速度不受外部設備數量的影響。因為FPGA 的每個外部設備的管理都是獨立的，其代碼的執行是并行執行的，所以FPGA可以滿足高速采集與輸出的要求[5]。但是在FPGA中要實現算法比較困難，而且其運算速度不如DSP，這就會在控制過程中產生較大的延遲，影響控制效果。DSP彌補了FPGA在運算方面的缺陷，其通過C/C++的語言編程，可以更加靈活便捷的寫入控制算法。本控制系統中采用Xilinx公司生產的Spartan-6系列中的XC6SLX16芯片作為信號采集芯片，DSP芯片使用TMS320C6748。

在信號的采集與輸出時，涉及到模擬信號與數字信號之間的互相轉換。本系統所用到的ADC （Analog Digital Converter）需要具有高速、分辨率高、雙極性輸入、多通道間需要信號調理的功能，所以本系統采用ADI公司的 AD7606芯片，其最高采樣頻率可達到200K、8通道并行采集、16-bit采樣精度、支持±5V和±10V的雙極限輸入的逐次比較型模數轉換器，其支持通用并口和SPI串口通信。本系統中的數模轉換器需要具有高速、高分辨率、雙極性輸出和多通道的要求。本文是采用ADI公司的AD5724，其接口為SPI最高通信時鐘速度可達30MHz。其精度為12-bit，四通道并行輸出，支持單極性和雙極性以及電壓范圍可調的輸出。

在上位機與下位機的通訊中，因為控制系統的傳輸數據量大，對通訊接口的穩定性要求高，故采用以太網與上位機進行數據交互。在硬件條件有限的情況下，為了確保DSP能把足夠的運算量用在控制算法的計算中，需要盡量減少其他功能所占用的計算量，故DPS與上位機的通訊采用外置芯片。控制器實物圖如圖5所示。

4? 算法仿真

在Simulink中針對由1個參考信號，4個誤差信號，4個混合式電磁隔振器組成的主被動復合隔振系統進行了四通道主動控制系統建模。在仿真中，我們需要用到多個次級通道辨識函數。在四通道主動控制中，每個控制器前都有四個次級通道辨識函數。在多通道主動控制的工程化應用中，計算量是一個重要的性能指標。以FxLMS算法為例，設在多通道主動控制系統中有J路參考信號、M路誤差信號和K個次級通道，其中控制器和次級通道建模濾波器的長度分別為L和Ls，那么實現該算法所需的乘加次數為（L+Ls）×J×M×K。例如，為了控制一個隔振平臺的振動，采用1個參考信號、4個誤差傳感器和4個次級振源，控制器長度和次級通道辨識長度都為128，系統采樣頻率為1kHz。則為了完成算法的運算，DSP芯片的乘法累加運算不少于4×106。所以在仿真時，不能為了提高控制效果而盲目的提高辨識濾波器的階數和控制器的階數。在控制效果差別不大的情況下，優先考慮較低的階數。因為過高的階數會導致硬件的運算過量而產生較大的輸出時滯，對控制系統造成極大的影響。本次仿真中采用橫向濾波器離線辨識得到的300階次級通道辨識參數，控制濾波器階數為128階，步長為5×10-5。仿真結果見圖6-圖9，由頻譜圖可以看出，在進行主動控制后，振動幅度有明顯下降。根據計算，四通道均有近13db的振動衰減。

5? 實驗

整個控制系統的結構圖如圖10所示，上位機上由自主研發的控制軟件進行數據的顯示以及參數的調整。在第一節介紹的雙層浮筏隔振平臺上進行四通道主動隔振實驗，實驗針對37Hz的特定頻譜進行控制。為了驗證上位機顯示數據的準確性并且更加直觀的看到主動隔振的效果，本次實驗中除了上位機自身的數據顯示外，另外采用LMS公司的檢測儀器進行振動噪聲檢測。

由圖11-圖14可以看出，四條控制通道分別取得了7db、13db、13db和8db的減振效果。實驗結果與仿真結果有所差距，其原因可歸納為二點：①仿真中所用的參考信號與原始信號完全相同，而在實際實驗中，參考信號傳感器采集到的參考信號與原始信號并非完全相同，其中摻雜了許多噪聲;②四個控制點的作動器工況并非完全一致，1、4號作動器線性度較差，導致控制效果不理想。在實驗中雖然所有的誤差通道均采用300階的橫向濾波器進行辨識，但是在進行控制時，根據其誤差通道的復雜程度不同，我們采用不同的控制步長以及控制器階數來進行控制。對于次級通道辨識結果較為復雜的通道，適當提高其控制濾波器的階數或減小其控制步長，可以明顯的提高其控制效果。

6? 總結

本文基于DSP+FPGA的雙核處理硬件，開發了一套搭載MFxLMS算法的多通道主動控制器，成功的解決了雙層浮筏隔振中純被動式隔振器對低頻噪聲隔振效果差的問題。多通道主動控制不同于單通道主動控制，單通道主動控制的重點在于控制某一點或者一小塊區域的振動，在本次多通道主動控制中同時使用四個作動器聯動，將控制區域從一個點上升到了一個面，對浮筏臺架進行整體振動控制，獲得了全局振動平均下降10db的效果。但是仍存在不足，如果使用分散式控制即完全解耦法進行控制，整個控制系統的收斂速度和穩定性都會有所加強，但是這又對硬件的要求大大提高了。

參考文獻：

[1]朱石堅，何琳.船舶機械振動控制[M].北京：國防工業出版社，2006.

[2]C R Fuller， S J Elliott，P A nelson.振動主動控制（樓京俊等譯）.北京：國防工業出版社，2014.

[3]高偉鵬，何其偉，閆政濤.一種應用FXLMS算法的雙層隔振試驗裝置[J].噪聲與振動控制，2016，36（4）：70-75.

[4]浦玉學.自適應振動噪聲主動控制若干關鍵問題研究[D].南京航空航天大學，2015.

[5]彭宇，姜紅蘭，楊智明，喬立巖，劉旺.基于DSP和FPGA的通用數字信號處理系統設計[J].國外電子測量技術，2013（01）：17-21.