浮筏氣囊隔振系統(tǒng)彈性變形控制研究

秦文政，施 亮

(1. 海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2. 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

0 引 言

工程上，某些大型浮筏氣囊隔振裝置的筏架最大彈性變形量可達(dá)3 mm，造成筏架上設(shè)備之間產(chǎn)生相對(duì)位移，不僅會(huì)危及設(shè)備的運(yùn)行安全，還會(huì)增大設(shè)備振級(jí)，降低浮筏的隔振效果。采取一定的控制策略對(duì)氣囊隔振器進(jìn)行充、放氣，可在一定程度上抑制筏架的彈性變形。

自提出智能氣囊隔振裝置技術(shù)[1]以來，國內(nèi)學(xué)者在浮筏隔振系統(tǒng)氣囊隔振器控制領(lǐng)域開展了大量研究工作，基本解決了氣囊緩慢漏氣、裝置負(fù)載變化等工況下筏架姿態(tài)不平衡的問題，并且隨著研究的深入，控制方法的快速性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性和收斂性不斷提高[2-8]。然而，上述文獻(xiàn)均將筏架視為剛體，未考慮其彈性變形對(duì)隔振系統(tǒng)的影響，并且將氣囊壓力均勻性作為約束條件時(shí)筏架彈性變形較大。

為抑制浮筏氣囊隔振系統(tǒng)筏架的彈性變形，本文提出一種基于位移傳感器參數(shù)識(shí)別的氣囊控制方法。1）在筏架彈性變形較大的位置增設(shè)位移傳感器，并利用位移參數(shù)得到筏架彈性形態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)；2）基于氣囊壓力和高度偏差選取需要調(diào)整的氣囊編號(hào)，并采用模糊控制確定氣囊調(diào)整時(shí)間；3）在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證并取得了較好的控制效果。該方法對(duì)抑制筏架彈性變形的氣囊控制研究有一定指導(dǎo)意義。

1 彈性變形評(píng)價(jià)指標(biāo)

將筏架視為柔性體，其實(shí)際位移包含剛體姿態(tài)位移和彈性變形位移，兩者相互耦合，難以完全分離。同時(shí)，浮筏上設(shè)備重量分布不均、設(shè)備啟停、氣囊緩慢漏氣等因素均可造成筏架彈性變形，當(dāng)筏架產(chǎn)生彈性變形的原因不同時(shí)，通過調(diào)整氣囊壓力達(dá)到的最大抑制效果也不相同。因此，本文根據(jù)筏架變形特性增加位移傳感器，并將各個(gè)傳感器參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差作為筏架彈性變形的評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)為提高控制算法對(duì)不同工況的適應(yīng)性，在評(píng)價(jià)指標(biāo)中引入筏架彈性變形的動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)，即

2 控制器設(shè)計(jì)

由于氣囊隔振器的容積較小，屬于小流量、小體積的氣動(dòng)控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)針對(duì)大流量、大體積的流量和壓力控制方法不再適用。因此，本文采用斷續(xù)控制方法對(duì)氣囊進(jìn)行短時(shí)間的充、放氣，達(dá)到抑制筏架彈性變形的目的。

系統(tǒng)的控制原理如圖1所示。

圖1 筏架彈性變形控制原理圖Fig. 1 Flow diagram of elastic deformation control for raft

為了簡化控制器的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析，提出以下假設(shè)：1）船體處于水平狀態(tài)，沒有橫傾和縱傾；2）當(dāng)浮筏姿態(tài)平衡且無彈性變形時(shí)，各位移傳感器讀數(shù)為0；3）浮筏系統(tǒng)載荷保持不變。

2.1 氣囊選擇策略

由于各個(gè)氣囊之間存在耦合，依據(jù)文獻(xiàn)[1]的研究可知，氣囊高度偏差主要由2部分組成：一是由于氣囊工作高度耦合造成的偏差，另一個(gè)是由于氣囊氣體摩爾數(shù)變化或者外界擾動(dòng)造成的偏差，兩者相互耦合，難以求解。對(duì)氣囊實(shí)施充、放氣主要目的是消除，并且相同下，氣囊壓力越大，所占比例就越小，所需控制量就越小。為準(zhǔn)確選擇需要調(diào)整的氣囊，避免氣囊頻繁的充、放氣，必須將氣囊壓力和氣囊高度偏差綜合考慮：

2.2 充放氣時(shí)間模糊控制

圖2 氣囊選擇原理框圖Fig. 2 Air spring selection principle

浮筏氣囊隔振系統(tǒng)屬于多輸入、多輸出的復(fù)雜控制對(duì)象，加之系統(tǒng)采取斷續(xù)充放氣，因而傳統(tǒng)的控制方法難以取得較好的控制效果[12]。本文采用模糊控制技術(shù)控制氣囊的充放氣時(shí)間，以氣囊廣義高度偏差和氣源壓力與氣囊壓力差作為輸入量，以電磁閥開啟時(shí)間作為輸出量。表示為：

3 試驗(yàn)研究

本文試驗(yàn)裝置為某型船舶浮筏氣囊隔振裝置2∶1縮比試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。筏架尺寸為5.54 m×3.48 m×0.191 m，沿X軸對(duì)稱垂向布置12個(gè)額定載荷為8 T的氣囊隔振器且其內(nèi)均裝有壓力傳感器，另布置6個(gè)垂向位移傳感器，1#～4#用于監(jiān)測筏架剛體姿態(tài)，5#，6#用于監(jiān)測筏架彈性變形，通過1套液壓加載裝置調(diào)整系統(tǒng)載荷，系統(tǒng)額定載荷為96 T。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab. 1 Fuzzy control rule

圖3 浮筏氣囊隔振裝置示意圖Fig. 3 The sketch of floating raft air spring isolation device

為有效驗(yàn)證控制方法的正確性，試驗(yàn)前對(duì)各個(gè)位移傳感器的零點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，消除筏架初始變形的影響；設(shè)置相鄰2次的充、放氣間隔為5 s，以減小浮筏振蕩產(chǎn)生的干擾；終止?fàn)顟B(tài)為動(dòng)態(tài)綜合判據(jù)取0.2 mm，的 收斂指標(biāo)取值為0.1 mm。將系統(tǒng)載荷調(diào)整至96T、氣囊充氣至額定氣壓后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

可以看出，對(duì)氣囊隔振器進(jìn)行控制之前，筏架表現(xiàn)為中部凸起的彈性變形，最大變形量為1.37 mm。采用本文的控制方法對(duì)氣囊進(jìn)行16次調(diào)整后，各個(gè)位移傳感器參數(shù)值基本在-0.25～0.2 mm之間，筏架彈性變形的抑制效果明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文控制方法可以有效抑制筏架的彈性變形。

圖4 筏架彈性變形控制效果試驗(yàn)Fig. 4 Test of elastic deformation control effect of raft

4 結(jié) 語

本文對(duì)抑制浮筏氣囊隔振系統(tǒng)筏架彈性變形的氣囊控制方法進(jìn)行研究，提出一種基于位移參數(shù)識(shí)別的氣囊控制方法。考慮到筏架彈性變形的復(fù)雜性，提出一種彈性變形的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并引入了動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)以提高控制算法的適應(yīng)性。根據(jù)氣囊廣義高度差選取需要調(diào)整的氣囊編號(hào)，并采用模糊控制確定氣囊調(diào)整時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方法對(duì)筏架彈性變形的抑制效果較好，具有較高的控制精度。