主動(dòng)振動(dòng)控制在船舶上的具體應(yīng)用

1、主動(dòng)振動(dòng)控制在船舶上的具體應(yīng)用目錄一 相關(guān)背景知識(shí)二 智能彈簧系統(tǒng)三 選擇性阻尼系統(tǒng)四 總結(jié)分析1 相關(guān)背景知識(shí)1.1 船舶隔振的意義1.2 船舶振動(dòng)的來源1.3 目前的隔振技術(shù)1.4 主動(dòng)隔振技術(shù)1.1 船舶隔振的意義船舶振動(dòng)的危害：可導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)處于疲勞狀態(tài), 出現(xiàn)裂縫或疲勞破壞 , 縮短船舶壽命 ;影響船上儀器、儀表和控制系統(tǒng)的性能, 產(chǎn)生航行安全隱患 ; 影響船上人員的工作效率及生活舒適性, 影響航行操作 ; 振動(dòng)引起的噪聲破壞了軍事艦船、潛艇隱蔽性。 此外：由于大量的高技術(shù)精密儀器、設(shè)備的使用 , 居住舒適性要求的提高, 高強(qiáng)度鋼的使用以及為減輕質(zhì)量而采取的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施 , 使得船舶

2、易于振動(dòng)。這亦使得船舶振動(dòng)噪聲問題受到了更廣泛的重視。1.1 船舶隔振的意義船舶結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的組合彈性體 , 振動(dòng)復(fù)雜。船舶是個(gè)多振源系統(tǒng) , 主要激振力有 : 螺旋槳：槳葉上的水動(dòng)力；脈動(dòng)水壓力船舶主機(jī)及動(dòng)力機(jī)械：運(yùn)動(dòng)部件的慣性而形成的不平衡力和力矩; 氣缸內(nèi)氣體爆炸壓力產(chǎn)生的側(cè)向壓力和傾覆力矩。波浪等引起的激勵(lì)。1.2 船舶振動(dòng)的來源1.2 船舶振動(dòng)的來源對(duì)船舶振源的研究過程：最開始主要研究振源是主機(jī)。上世紀(jì)初，旋槳激振力, 成為研究的重點(diǎn)。上世紀(jì) 70 年代末，高速大功率柴油機(jī)的廣泛使用，使之成為新的研究方向。1.2 船舶振動(dòng)的來源 包括: 阻尼技術(shù) , 動(dòng)力機(jī)械的隔振 , 振動(dòng)吸振等

3、。 目前研究的主流仍是被動(dòng)隔振技術(shù)：不需要外界能源 , 裝置結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單 , 易實(shí)現(xiàn) , 經(jīng)濟(jì)性與可靠性好，但效果較差。阻尼技術(shù)：阻尼材料的阻尼特性隔振技術(shù)：加偏心重塊、設(shè)置平衡器、安裝緩沖器等動(dòng)力吸振：在受控對(duì)象上附加一個(gè)子系統(tǒng)，, 用它產(chǎn)生吸振力以減小受控對(duì)象對(duì)振源激勵(lì)的響應(yīng)。1.3 目前的隔振技術(shù) 主動(dòng)隔振技術(shù)的方法很多，但其關(guān)鍵技術(shù)都是使控制系統(tǒng)做到監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性且及時(shí)做出響應(yīng)。 包括：主動(dòng)阻尼技術(shù)，智能彈簧系統(tǒng)，電動(dòng)式全主動(dòng)吸振器，選擇性阻尼系統(tǒng)等。1.4 主動(dòng)隔振技術(shù)文獻(xiàn)內(nèi)容介紹1.引 言 1.1 工作機(jī)械是船舶振動(dòng)的主要來源。 1.2 作用：提高船員和乘客舒適度；對(duì)于軍艦而言，避

4、免被敵人的傳感器（如魚雷和聲納系統(tǒng)）檢測(cè)到。 1.3 結(jié)構(gòu)共振：一類特定問題，這種共振導(dǎo)致非常高的激振力。 1.4 被動(dòng)隔振的限制性：低頻時(shí)振動(dòng)控制效果差 , 不能適應(yīng)外界振動(dòng)特性的變化。 1.5 主動(dòng)振動(dòng)控制在以前的實(shí)驗(yàn)中只采用局部控制策略，但是局部的表現(xiàn)對(duì)于全局控制的影響不太明顯。 1.6 由BAE SYSTEMS 和 ALSTOM開發(fā)的一種新的隔振技術(shù)，通過追蹤機(jī)械支承結(jié)構(gòu)和船體的共振問題，開發(fā)出一種主動(dòng)/被動(dòng)混合振動(dòng)控制系統(tǒng)。具有成本低，效果好的特點(diǎn)。2 智能彈簧安裝系統(tǒng)2.1 被動(dòng)隔振方法2.2 采用智能彈簧技術(shù)2.3 實(shí)驗(yàn)過程2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 標(biāo)準(zhǔn)的被動(dòng)隔振法：將船舶機(jī)械安裝在一個(gè)

5、支架或浮筏上，浮筏安裝于船體的彈性支座上（最常見的是橡膠支座）。 如果支承結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為一種理想的剛體的力傳遞率曲線（從激振力到擴(kuò)散力的傳遞函數(shù)曲線），如圖1虛線所示。理想結(jié)構(gòu)和實(shí)際結(jié)構(gòu)力的傳遞曲線圖振幅頻率 原理： 如果不考慮剛體模態(tài)，其余模態(tài)的總動(dòng)量之和為零，即： 其中，(x)是振型，(x)是質(zhì)量分布,X是浮筏的坐標(biāo)位置。 從式（1）可知，如果給定的安裝剛度分布（k(x)）與質(zhì)量分布（(x)）成正比，即： 則由于共振產(chǎn)生的總的傳遞力也為零，即： 限制：實(shí)際上，這種辦法并不總是可行，因?yàn)榇罅康陌惭b要求一個(gè)近似理想的連續(xù)模型，同公式（2），并且被動(dòng)裝置的精確剛度很難獲取。 此外，該方法還需要假定船

6、體相對(duì)于筏尺寸，具有長(zhǎng)波長(zhǎng)模態(tài)的高阻抗。所以，需要尋求一種可以替代的方法。 引出了，智能彈簧安裝系統(tǒng)，如圖1實(shí)線所示。 如圖2所示，新系統(tǒng)，是一個(gè)基于電磁鐵與被動(dòng)隔振元件并行的組合系統(tǒng)。 為了避免一定頻率的，較大的力的傳播，引起支承結(jié)構(gòu)的共振，安裝的系統(tǒng)必須滿足一些關(guān)鍵要求： 第一：對(duì)于任一個(gè)執(zhí)行器，需要在船體上產(chǎn)生一個(gè)反作用力，這個(gè)力相對(duì)于對(duì)于支承結(jié)構(gòu)，在連接處產(chǎn)生的局部位移是完全獨(dú)立的。 第二：為了支承起上述結(jié)構(gòu)，每個(gè)執(zhí)行器必須能夠產(chǎn)生一個(gè)額外的力，即船體上不會(huì)產(chǎn)生額外的力，這個(gè)力不影響該系統(tǒng)的零剛度條件。 如圖2所示，這兩個(gè)要求可以通過一個(gè)局部數(shù)字反饋控制回路獲得。 第三：對(duì)于每一個(gè)支撐

7、執(zhí)行器而言，關(guān)鍵是一個(gè)產(chǎn)生外部需求力的方法。 振動(dòng)機(jī)械產(chǎn)生的不平衡的力，引起了支承結(jié)構(gòu)的直線位移和角位移。額外需求力，是通過直線位移和角位移能夠受到一種持續(xù)的反作用，讓其趨向于平衡位置，來求取的。 然而，為了達(dá)到如圖1所示得理想的結(jié)果，額外需求力必須只能與結(jié)構(gòu)的六剛體模態(tài)位移是相應(yīng)的，并且不能受到任何結(jié)構(gòu)共振的影響。 如果上述的前兩個(gè)要求可以滿足，那么這個(gè)額外的力可以通過一種浮筏的模態(tài)控制方法產(chǎn)生。使用加速度計(jì)陣列或非接觸式位移傳感器(proximiters)去測(cè)量機(jī)械浮筏的位移。然后分析這些數(shù)據(jù)，利用正交條件得到六剛體位移： Mn是第n個(gè)模態(tài)的有效動(dòng)量，m(x)and n(x) 分別是第m和

8、第n個(gè)振型。 在數(shù)據(jù)處理方面，這種方法只需要一個(gè)單一的矩陣，測(cè)量出一組離散的x的數(shù)據(jù)，所以支承和浮筏結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為： f是一個(gè)矢量力，然后就可以得到獨(dú)立的模態(tài)表達(dá)式：fm是一個(gè)矢量模態(tài)力，上式可通過如下變換得到： 其中V是 的特征向量的正交矩陣，令相應(yīng)的 可利用 的列提取矩陣變換所需的六模態(tài)。 最后一步是使用獲取的直線位移和角位移計(jì)算需求力。函數(shù)的傳遞率曲線隨著頻率的升高而下降。簡(jiǎn)單剛度函數(shù)：20dB /10Hz復(fù)雜剛度函數(shù)：60dB /10Hz，且共振相位延遲由于剛度函數(shù)是數(shù)字化處理，所以任何穩(wěn)定的傳遞函數(shù)都可以應(yīng)用。 圖5所示，與現(xiàn)實(shí)情況的共振相比較，有非常大的性能改進(jìn)。 關(guān)鍵：

9、能夠產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立于任何局部位移的力，并且這個(gè)力要和前文描述的由剛度函數(shù)計(jì)算出來的力是恒等的。 因?yàn)閺椈射撓啾绕渌麖椥泽w對(duì)自然低頻率的隔離有著極大的優(yōu)越性（在100Hz時(shí)高達(dá)20dB），所以在做執(zhí)行器原型時(shí)會(huì)盡可能的用到它們。執(zhí)行器：用若干個(gè)小彈簧對(duì)稱布置在以磁鐵為軸的周圍。通過修改彈簧的數(shù)量，根據(jù)需求如2，4，6等，能很容易的改變總被動(dòng)剛度（引起安裝共振頻率的改變）。電磁鐵是有一個(gè)圓筒狀的線圈，阻抗為4，電流為6A，產(chǎn)生的額定磁力為1500N/5mm。 用于檢測(cè)智能彈簧系統(tǒng)的工作性能的液壓測(cè)試臺(tái)2.3.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展智能彈簧系統(tǒng)的執(zhí)行器的局部控制示意圖。2.3.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展 模型是基

10、于物理?xiàng)l件建立的，包含著一個(gè)靜態(tài)非線性模型和兩個(gè)動(dòng)態(tài)線性傳遞力。 第一線性傳遞力表示基于磁鐵動(dòng)態(tài)及其放大器動(dòng)態(tài)的額外頻率。 第二個(gè)傳遞力描述的是高階彈簧動(dòng)態(tài)（例如，由自共振產(chǎn)生）。 假設(shè)執(zhí)行器的靜態(tài)非線性模態(tài)的形式如下：其中Fss是由頻率獨(dú)立關(guān)系引起的傳遞力分量，i 線圈中的電流，g 間距，k 磁增益，一個(gè)需要估算的常數(shù)， 磁鐵”虛擬間隙”，kspr是彈簧勁度系數(shù)，F(xiàn)0是初始力。2.3.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展 通過實(shí)驗(yàn)，模型參數(shù)使用最小二乘法擬合估算出來。一旦找到靜態(tài)非線性關(guān)系，就能夠通過反推方程7的表達(dá)式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)線性化。2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果3 選擇性阻尼

11、共振控制3.1 方法簡(jiǎn)介3.2 實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)3.1 方法簡(jiǎn)介 主動(dòng)安裝方法通過控制振源來控制振動(dòng)的傳播。但實(shí)際上，除了主推進(jìn)和輔助機(jī)械振動(dòng)源之外，還有許多其他的振源。如，還有許多次級(jí)振源產(chǎn)生的振動(dòng)，例如尾氣排放，供給傳輸線路等 鑒于此，BAE系統(tǒng)公司和阿爾斯通公司也已開發(fā)了一種被稱為“選擇性阻尼”的商業(yè)技術(shù)，這種控制方法是上述第2.2章節(jié)的補(bǔ)充。 該種方法主要用來降低結(jié)構(gòu)共振。3.1 方法簡(jiǎn)介 方法同前文所述方法一樣，利用正交特性，從傳感器陣列提取單個(gè)振動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)響應(yīng) 。 然后，這種模態(tài)測(cè)量反饋給控制算法，然后計(jì)算出一個(gè)所需要的模態(tài)力，并在該模態(tài)上增加阻尼。 但，由于真實(shí)船體結(jié)構(gòu)的模態(tài)密集性和控制器，傳感器數(shù)量的限制，使得有一些模態(tài)量沒有被考慮到。 所以在實(shí)際工作中，一種最有效的方法是，將空間和時(shí)間的濾波耦合與特征結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合起來。3.實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 3.實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 有無控制時(shí)的峰值振幅比較3.實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 點(diǎn)加速度功率譜密度比較3.實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 遠(yuǎn)場(chǎng)聲功率測(cè)試結(jié)果比較3.實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 雙共振，選擇控制頻率較高者3.實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 雙共振，雙控制3.實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 在大型船舶上，對(duì)推力軸承共振的抑制。3.實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 結(jié)果表明共振峰值也幾乎完全消除。該項(xiàng)技術(shù)目前正在進(jìn)一步開發(fā)，在艦船與土木結(jié)構(gòu)上有著