基于Fx－LMS控制技術(shù)的主動消振方法及實驗研究

劉曉亮

(海軍駐北京作戰(zhàn)系統(tǒng)軍事代表室，北京 100036）

基于Fx－LMS控制技術(shù)的主動消振方法及實驗研究

劉曉亮

(海軍駐北京作戰(zhàn)系統(tǒng)軍事代表室，北京 100036）

研究一種基于Fx－LMS控制技術(shù)的主動消振方法，介紹其工作原理及組成。以小功率柴油發(fā)電機為實驗對象開展振動主動控制實驗。實驗研究表明該方法和Fx－LMS控制技術(shù)適用于艦艇典型周期性機械振源的振動主動控制。

振動主動控制;Fx－LMS;實驗研究

0 引言

輻射噪聲是影響艦艇隱身性的重要因素，而機械設(shè)備振動噪聲是輻射噪聲的主要噪聲源之一。機械設(shè)備的低頻振動因其衰減慢、傳播距離遠等特點，成為艦艇被探測的主要目標特征。傳統(tǒng)的被動減振降噪措施 (浮筏隔振技術(shù)）在中高頻段具有較好的振動阻隔效果，但其無法有效阻隔低頻機械振動能量的對外傳遞。為有效解決這一制約艦艇安靜性的技術(shù)瓶頸，適應(yīng)安靜性艦艇發(fā)展的迫切需要，艦艇低頻振動主動控制技術(shù)已成為研究熱點。

柴油發(fā)電機組是艦艇上重要的機械噪聲源頭之一，工作時內(nèi)部既有機械往復(fù)運動又有旋轉(zhuǎn)運動，是非常典型的艦艇內(nèi)部機械振源，對艦艇對外聲輻射有較大的貢獻，本文以小功率柴油發(fā)電機為實驗對象，構(gòu)建了一種振動主動控制系統(tǒng)，基于Fx－LMS自適應(yīng)濾波算法設(shè)計了相應(yīng)的控制律，搭建以DSP為計算核心的控制系統(tǒng)，并開展振動主動控制實驗研究。

1 主動控制消振技術(shù)原理及實現(xiàn)方法

振動主動控制消振技術(shù)的基本原理是“反相作用，以振治振”:針對振動源的擾動力，實時施加反相作用力，使振動力被抵消，達到減振目的。

鑒于艦艇上的機械振源設(shè)備的激擾源基本上都是往復(fù)或者旋轉(zhuǎn)或兩者兼有的周期性振動，且該周期信號可在線測得，因此可以通過對各個振動主動控制器施加前饋控制，使其產(chǎn)生的主動控制力抵消傳遞到目標減振點的振動力。其實現(xiàn)途徑是應(yīng)用主動閉環(huán)控制，實時拾取振動源的擾動力信息，通過適當?shù)挠嬎悴⑤敵龇答伩刂菩盘?，控制作動器產(chǎn)生相應(yīng)的反相作用力來主動改變被控制結(jié)構(gòu)的閉環(huán)零、極點配置或結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而使系統(tǒng)滿足預(yù)定的動態(tài)特性要求。其實現(xiàn)方法是:在機體與安裝基礎(chǔ)之間安置振動傳感器和作動器，由傳感器拾得機體或基礎(chǔ)的振動信息，經(jīng)控制器處理后給出控制信號，驅(qū)動作動器動作，減小機體振動能量向外傳遞。

本文考慮多通道Fx－LMS算法在線自適應(yīng)更新，每個作動器的控制量由與之對應(yīng)的濾波算法決定。該濾波算法考慮了不同目標點的振動情況，綜合計算之后給出每個控制器上合適的控制力，實現(xiàn)多點實時控制。Fx－LMS算法是一個濾波器權(quán)重可以自適應(yīng)更新的FIR濾波器，權(quán)重的更新通過梯度下降法實現(xiàn)。該算法主要利用與被控信號相關(guān)的參考信號及誤差信號來自適應(yīng)調(diào)節(jié)濾波器系數(shù)，適時給出控制信號來完成振動主動控制。該方法控制精度高、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，適合于此振動主動控制系統(tǒng)。

2 主動控制減振系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

主動控制減振系統(tǒng)主要由4部分組成:

1）傳感模塊:采用高精度振動傳感器，承擔振動信息的拾取功能。

2）控制模塊:以高性能DSP芯片為核心構(gòu)建，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與控制量計算等功能。

3）驅(qū)動模塊:根據(jù)控制信號轉(zhuǎn)換、放大后，輸出驅(qū)動電量。

4）作動器模塊:執(zhí)行控制指令，產(chǎn)生作用力實現(xiàn)減振效果。

其具體工作流程為:當預(yù)定的控制周期到來時，DSP定時器產(chǎn)生一個中斷信號，程序轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)子程序。程序首先采集振源和減振目標點的振動信號并進行濾波放大等預(yù)處理，然后根據(jù)預(yù)定的控制算法，計算出當前控制周期內(nèi)所需的控制量并輸出;之后返回主程序等待下一個控制周期的到來。如此循環(huán)反復(fù)實現(xiàn)振動主動控制過程。

2.2 系統(tǒng)安裝設(shè)計

系統(tǒng)組成如圖1所示。在振動源設(shè)備下安裝主動控制作動器，作動器下表面通過板筋鋼結(jié)構(gòu)浮筏與安裝基礎(chǔ)相互聯(lián)接。以安裝基礎(chǔ)上板筋鋼結(jié)構(gòu)與振動主動控制裝置的聯(lián)接點作為減振目標點，安裝傳感器提取目標點振動信息，反饋到系統(tǒng)控制模塊計算生成控制量，控制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換與功率放大后驅(qū)動作動裝置工作，削減振源的振動傳遞能量，實現(xiàn)減振。

圖1 振動主動控制系統(tǒng)簡圖Fig.1 Diagram of active vibration control experiment system

3 針對小功率柴油發(fā)電機實驗設(shè)計及結(jié)果

3.1 試驗系統(tǒng)

本文以小型柴油發(fā)電機組為對象，驗證振動主動控制裝置的有效性。圖2為搭建的實驗系統(tǒng)。實驗振源采用5.5 kW柴油發(fā)電機，振動主動控制作動器位于振源與安裝基礎(chǔ)之間，安裝基礎(chǔ)使用了板筋鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混泥土的結(jié)合。通過這些處理，使實驗系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和特性上與實際系統(tǒng)更為接近。在4個振動主動控制作動器安裝基座旁布置了振動檢測測點，通過振動數(shù)據(jù)動態(tài)信號分析儀分別采集作動器開啟前、開啟后的數(shù)據(jù)，對比檢驗振動主動控制裝置的減振效果。

圖2 實驗系統(tǒng)圖Fig.2 Diagram of the experiment system

3.2 測試結(jié)果及減振效果分析

理想的減振效果評價指標是力傳遞率——傳遞到基礎(chǔ)的力幅值與激勵力的幅值之比，然而其不易測量;現(xiàn)常用的是振級落差——設(shè)備振動與經(jīng)隔振裝置后傳遞到安裝基礎(chǔ)的振動響應(yīng)之差，但是對于帶有主動控制減振系統(tǒng)來說，由于增加了主動作動器件，設(shè)備的振動狀況受到了作動器的明顯影響，因此不能沿用以往的振級落差模式，以免導(dǎo)致虛假的減振效果;插入損失是另一評價指標，其定義為設(shè)備與基礎(chǔ)之間在有無隔振器時的響應(yīng)變化。本實驗采用主動控制系統(tǒng)開啟與未開啟狀態(tài)下設(shè)備安裝基座的振動值，利用插入損失來評價主動控制系統(tǒng)的減振效果。

本實驗選擇在4個振動主動控制作動器安裝基座旁為振動檢測測點。表1～表4分別為4個測點低頻段實測實驗減振效果及振動總級對比。

表1 1號測點實驗減振效果Tab.1 Experimental effect of Point1

表2 2號測點實驗減振效果Tab.2 Experimental effect of Point2

表3 3號測點實驗減振效果Tab.3 Experimental effect of Point3

表4 4號測點實驗減振效果Tab.4 Experimental effect of Point4

上述實驗數(shù)據(jù)表明，針對小型柴油發(fā)電機組研制的振動主動控制系統(tǒng)具有明顯的減振效果，在10～300 Hz頻段范圍內(nèi)，可達到6.3～7.8 dB的效果，且可同時針對8條諧波線譜進行有效的控制。

4 結(jié)語

本文構(gòu)建一套振動主動控制減振裝置，并基于小功率柴油發(fā)電機開展振動主動控制實驗研究，實驗表明:

1）多通道濾波Fx－LMS前饋控制算法及其基于DSP的控制作動器硬件能夠較好地同時阻隔多頻點周期性振動能量的對外傳遞;

2）本文研制的振動主動控制減振裝置可對艦船典型周期性機械振源的低頻振動實施有效的減振控制，進而減小艦船的輻射噪聲。

［1］李維嘉，曹青松.船舶振動主動控制的研究進展與評述［J］.中國造船，2007，48(2）:68 －79.

LIWei-jia，CAO Qing-song.Advances and review on the research of the active control of ship vibration［J］.Shipbuilding of China，2007，48(2）:68 －79.

［2］周文.主動振動控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用［J］.液壓氣動與密封，2003(8）:24－27.

ZHOUWen.Development and application active vibration control technology［J］.Hydraulics Pneumatics and Seals，2003(8）:24－27.

［3］姜榮俊，何琳.有源振動噪聲控制技術(shù)在潛艇中的應(yīng)用研究［J］.噪聲與振動控制，2005(2）:1－6.

JIANG Rong-jun，HE Lin.Application research of active noise and vibration control technology in submarines［J］.Noise and Vibration Control，2005(2）:1 －6.

［4］韓家倫，許暉，韓定邦，等.基于DSP的小型化振動主動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.測控技術(shù)，2010，29(1）:65－67.

HAN Jia-lun，XU Hui，HAN Ding-bang，et al.Design and realization of miniaturization active control system of vibration based on the DSP［J］.Measurement and Control Technology，2010，29(1）:65 －67.

［5］孫國春，田彥濤，何麗蒙.周期性機械振動主動控制算法［J］.機械強度，2007，29(3）:496 －500.

SUN Guo-chun，TIAN Yan-tao，HE Li-meng.Algorithm of active control for periodic mechanical vibrations［J］.Journal of Mechanical Strength，2007，29(3）:496 －500.

［6］劉志剛.自適應(yīng)控制在柴油機主動隔振中的應(yīng)用［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2001.

［7］胡世峰，朱石堅，樓京俊，等.潛艇動力設(shè)備混合隔振自適應(yīng)控制系統(tǒng)［J］.噪聲與振動控制，2011(6）:107－111.

HU Shi-feng，ZHU Shi-jian，LOU Jing-jun，et al.Study and application of adaptive control of hybrid vibration isolation system of submarine's power device［J］.Noise and Vibration Control，2011，(6）:107 －111.

Active dam ping research and experiment based on Fx－LMS control technique

LIU Xiao-liang
(Military Representative Office of Combat System in Beijing，Beijing 100361，China）

Develop one type active vibration control system，design corresponding controlmethod base on the Fx－LMSAdaptive filtering algorithm，utilize DSP conductas core equipment to realize the algorithm.Launch active vibration control experiment research using a small power Diesel Generator.The experiment result indicate that the active vibration control system and the control algorithm is suitable to active vibration control of the typical period machine vibration source equipment on the ship.

active vibration control system;Fx－LMS;experiment research

O329

A

1672－7649(2014）04－0097－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.019

2014－01－20

劉曉亮(1965－），男，高級工程師，主要從事信息控制系統(tǒng)研究。