一种基于智能减振器的舰船机械设备主动减振系统研究

杨铁军　石慧　李新辉　吴磊　朱明刚　吴国雄　刘志刚

摘要：面向工程的需要研制了主被动复合、传感作动一体化的智能减振器。它基于传统的被动隔振结构，集成了主动执行机构、功率放大设备及高低通滤波器、加速度误差传感器及后续的放大和滤波电路，与脱机运行的主动控制器构成针对舰船机械设备的主动减振系统。基于该系统建立了柴油发电机组主动减振演示台架。整个台架通过4个智能减振器坐落在一块模拟船体结构的弹性钢板上，通过测量弹性钢板的振动情况来评价主动减振系统的减振性能。演示台架试验结果表明，智能减振器在800 Hz以内的总振级有33 dB以上的被动减振效果，在此基础上的主动控制对200 Hz以内的多根线谱均有很好的控制效果，线谱最大有30.8 dB的主动衰减量，200 Hz以内总振级的主动衰减量达到20 dB。综合主被动减振的效果，智能减振器可以将演示台架的柴油发电机组O～800 Hz范围内的振动总振级衰减47.2 dB以上。

关键词：主动减振；智能减振器；柴油发电机组；主被动复合控制；传感作动一体化

引言

舰船动力机械设备工作时产生的振动传递给船体结构，是产生水下辐射噪声、影响舰船隐蔽性和生命力的主要原因。被动隔振技术如单层、双层隔振、浮筏以及桁架结构的舱筏是隔离机械设备振动传递的主要措施和技术手段，也是目前水下结构减振降噪研究的主要方面。

被动隔振系统能有效地隔离机械设备的中高频振动，但其无法同时满足低频隔振对低动态刚度和高静态刚度的要求，因此低频隔振一直是被动隔振技术的瓶颈。对于舰船而言，低频振动产生的水下辐射噪声由于其传播距离远和不易衰减，是影响舰船隐蔽性和战斗力的重要因素。同时被动隔振技术无法跟踪机械设备振动频率的变化，隔振系统的设计一旦完成，如果振源频率发生变化，则无法保证理想的隔振效果。

主动隔振技术的原理是在原有隔振系统中引入主动的控制力，根据被控系统的振动信息調节主动控制力的大小和相位，使其产生的振动响应与原激励的振动响应相抵消，从而减少振动向基础结构的传递。因此主动隔振技术不仅能有效地隔离低频振动，还能适应外扰频率的变化。主动隔振有效地弥补了被动隔振技术的缺点和不足，与高静态刚度低动态刚度的非线性隔振系统一起为隔振技术提供了两个新的发展方向，具有很好的应用前景。

20世纪30年代德国物理学家Lueg提出的专利被公认为是振动主动控制技术思想的起源。但直到20世纪50年代美国科学家才开始探讨主动隔振技术在航空航天领域的可行性和实现方式。20世纪80年代末以来，主动隔振技术逐步向舰船领域拓展。随着作动器技术和数字信号处理技术的发展，开始逐步走向工程应用。如美国BBN公司研制的用于小型柴油机的磁电式主动执行机构（1988）、日本深江丸Ⅲ号实习船上基于液压伺服系统的柴电机组主动隔振（1989），瑞典护卫舰（2001）和澳大利亚collins级潜艇（2003）基于惯性式电磁作动器的主动隔振系统等。目前国际上已经有很多专业的公司从事这类产品的研究和开发，比如Paulstra公司就已经有了比较成熟的针对舰船机械设备的主动减振产品。

国内在这方面的研究起步较晚，但是国内学者一直在积极从事舰船动力机械主动隔振技术的理论、试验和工程应用的研究，近10年取得了丰硕的研究成果。比较典型的研究单位如上海交通大学、海军工程大学和哈尔滨工程大学等等。

作者和所在课题组在国内较早地开展了舰船柴油机主动隔振技术的研究，在主动隔振理论及控制算法、主动执行机构、主动控制系统整体设计等方面有深厚的研究基础。在20世纪末建成的柴油机液压主动隔振台架是目前国内较早针对实际动力机械设备进行主动隔振研究的试验系统，该系统对与柴油机转速相关的前几阶低频线谱的振动能进行有效地隔离。近几年致力于实船环境下动力机械的主动减振技术的研究，同时着眼于振动的隔离和水下辐射噪声的控制，从实船试验的角度验证了振动主动控制对抑制水下辐射噪声的有效性。

基于多年研究的基础，以主动隔振技术工程化为目的，课题组研制了主被动复合、传感作动一体化的智能减振器，与脱机运行的主动控制器构成针对舰船机械设备的主动减振系统。该系统基于动态响应频带宽、线性度好的电磁式作动器和经典的自适应算法，以线谱振动信号丰富的四冲程6135柴油发电机组作为振源建立了主动减振演示台架，进行了主动减振的试验研究，以检验主动减振系统的有效性。

1.柴电机组主动减振演示台架

1.1试验台架

主动减振演示台架选用船用6135高速柴油机作为振源，净重1330 kg，功率180 kW，额定转速1500 r/min，采用TXFW-315M4一H型发电机，重1040 kg。整个柴油发电机组通过A～D共4个智能减振器安装在弹性钢板上，如图1所示。弹性钢板由一组橡胶减振器安装在地基上模拟船体结构，通过测量弹性钢板的振动情况来评价主动减振系统的减振性能，同时可以利用体感来亲身体验减振效果。

1.2主动减振系统

结合图1和2可见，整个主动减振系统主要包括两大部分，主动控制器和智能减振器。如图2（b）所示，智能减振器基于被动的隔振结构，承担柴油发电机组静载的同时提供被动减振效果。主动执行机构及相应的功率放大电路、高低通滤波器、加速度误差传感器及相应的放大和滤波电路均集成于被动隔振结构上，执行机构与电路部分均采用模块化设计，采用插拔的形式安装，便于拆卸和维修。每个智能减振器能承担600 kg的静载，在10～200 Hz的频率范围内最大可以输出1000 N的主动控制力。主动控制器如图2（c）所示，可以选择上位机控制和脱机运行两种工作模式，配置了16路的A/D输入和16路D/A输出，此处分别用到5路A/D和4路D/A。

主动减振系统的工作原理如图3所示。其中w（z）为控制滤波器，S（x）为控制滤波器输出y（n）到误差传感器输出e（n）之间的物理传递通道（称为误差通道），s（z）为对误差通道识别的结果，在此用来对参考输入信号z（n）进行补偿滤波，然后与误差信号e（n）共同参与控制滤波器w（z）权系数的更新。

整个系统的工作过程如下：光电传感器测量柴油机曲轴的转速信号，通过低通滤波器滤波后可以得到主动控制系统的参考输入信号，低通滤波器的截止频率即为主动控制系统的工作频率上限，此处设置为200 Hz。参考信号输入给主动控制器，主动控制器拾取集成于每个智能减振器的误差传感器的信号作为反馈，通过多误差的滤波x-LMS算法计算出每个智能减振器的控制信号，智能减振器工作时在误差传感器处产生与柴油发电机组传递振动反向的振动响应，从而降低传递至基础弹性钢板的振动。