船用磁懸浮隔振器建模和魯棒性研究

劉凱

（海軍蚌埠士官學(xué)校航海系，安徽蚌埠 233012）

0 引言

在海水中產(chǎn)生的噪聲則是影響艦艇隱身能力的關(guān)鍵指標(biāo)之一。為了減少振動噪聲，本課題組自行設(shè)計了一種磁懸浮主動隔振器[1]，它由銜鐵和電磁鐵兩部分組成，通過控制電磁鐵線圈的電流進(jìn)行主動隔振，從而達(dá)到降低噪聲的目的。由于艦船艙室的工作環(huán)境極其復(fù)雜,如果船用隔振器對環(huán)境干擾不具備較強的魯棒性，一旦工作失穩(wěn)，將嚴(yán)重影響到艦船裝設(shè)備的正常運行。所以有必要針對艦船艙室環(huán)境下的隔振器進(jìn)行魯棒性研究。

1 磁懸浮隔振器建模

文獻(xiàn)[2]中隔振器的初級通道和次級通道模型是使用機理分析的方式得到的，并不能準(zhǔn)確反映整個隔振系統(tǒng)包括各類信號傳感器以及信號調(diào)理電路等電路特性。下面將對磁懸浮隔振器進(jìn)行實驗建模，使魯棒性研究更有針對性，更具準(zhǔn)確性。

1.1 實驗建模原理

圖1中，u為待辨識通道驅(qū)動信號；Acc為對應(yīng)的控制目標(biāo)點加速度信號；h|f為待辨識通道在給定頻率點的模型；err為待辨識通道的辨識誤差。在某一特定頻率下，由當(dāng)前時刻待辨識通道模型和待辨識通道的驅(qū)動信號向量相乘，能夠得到一個輸出值，將這個輸出值和對應(yīng)的控制目標(biāo)點加速度信號求差就能得到辨識誤差信號；處于理想的狀況時，當(dāng)?shù)竭_(dá)某個時刻辨識誤差減小到零，則能夠認(rèn)為此時刻的模型h|f就是待建模通道的真實系統(tǒng)模型。在每一個待辨識頻率點采集磁懸浮隔振器對應(yīng)通道的輸入和輸出信號，利用LMS算法進(jìn)行自適應(yīng)更新待辨識模型，當(dāng)辨識誤差趨向于零時，就能得到隔振器各個通道的精確模型。實驗建模得到的系統(tǒng)模型同時包含了系統(tǒng)的電氣特性和力學(xué)特性，能夠直接用于控制律的仿真和設(shè)計。

圖1 有限脈沖響應(yīng)序列模型的辨識結(jié)構(gòu)圖

1.2 實驗系統(tǒng)構(gòu)成

建模實驗在隔振實驗系統(tǒng)上完成，硬件由如下部分組成：彈性支撐、安裝基礎(chǔ)、磁懸浮主動隔振器、負(fù)載、激振單元(包括激振器、信號發(fā)生器和功率放大器等)、信號采集單元(包括加速度傳感器、位移傳感器和阻抗頭等)和信號調(diào)理單元等，其原理圖如圖2所示。

圖2 隔振實驗系統(tǒng)原理圖

1.3 實驗建模步驟

針對初級通道和次級通道，選擇在 5 Hz-11 Hz激振頻率范圍內(nèi)每隔0.1 Hz測一個頻率點的數(shù)據(jù)。設(shè)定采樣頻率為1000 Hz，采樣時間為100 s，在磁懸浮主動隔振器實驗系統(tǒng)上，先后進(jìn)行了500 N電磁式激振器激勵下的60個頻率點初級通道數(shù)據(jù)采集和200 kg負(fù)載下60個頻率點次級通道數(shù)據(jù)采集。

對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波后，使用LMS方法辨識磁懸浮主動隔振器初級通道和次級通道有限脈沖響應(yīng)序列模型，收斂步長μ=0.0005。以5.0 Hz為例，初級通道脈沖響應(yīng)曲線如圖3。

2 磁懸浮隔振器魯棒性仿真

圖3 5.0 Hz初級通道1000長度脈沖響應(yīng)曲線

通過實驗建模到的磁懸浮隔振器初級通道和次級通道脈沖響應(yīng)序列模型，對用濾波x-LMS算法控制的隔振器進(jìn)行魯棒性仿真分析。

2.1 隔振器外部干擾分析

隔振器一旦安裝到艦船上，必定會受到各種外部干擾。其中，環(huán)境振動噪聲和沖擊這兩方面對隔振器的可靠性影響最大。通常，將艦船艙室環(huán)境振動噪聲具體分為螺旋槳、艦船機械和結(jié)構(gòu)振動這三大類振動噪聲。在艦船上，不同的裝置和場合，分別或同時出現(xiàn)上述振動噪聲，并且，環(huán)境振動噪聲分布在幾十赫茲到幾千赫茲的范圍內(nèi)，遍布了整個船用隔振器工作頻段。其次，外部沖擊干擾也不容忽視。例如，艦載武器發(fā)射、周圍大型動力設(shè)備的突然啟動、工具或其它重物跌落引起的沖擊等。

2.2 頂部沖擊干擾對隔振器的影響

通過在振源的正弦激勵中加入沖擊信號，來模擬隔振器頂部受到的沖擊干擾；同時還加入白噪聲信號，來模擬環(huán)境振動噪聲的干擾。仿真設(shè)定值為：初級通道脈沖響應(yīng)模型取1000長度，次級通道脈沖響應(yīng)模型取100長度，激振信號頻律為5.0 Hz，幅值為100 N，含有25 dBW白噪聲，在系統(tǒng)穩(wěn)定后（55-56 s之間）加入持續(xù)時間分別取0.1 s、0.2 s、0.3 s和0.4 s的沖擊干擾。針對每種時長又分別取沖擊幅值為100 N、200 N、300 N和400 N（即激勵信號幅值的1-4倍）等四種情況進(jìn)行仿真。其中，沖擊幅值400 N, 持續(xù)時間0.1 s時誤差信號和激振信號如圖4所示。系統(tǒng)性能統(tǒng)計如表1所示。

由于使用的是實驗建模得到的隔振器通道數(shù)據(jù)，可以看到，隔振器初級通道對沖擊干擾的衰減幅度較大，表現(xiàn)在面對4倍于激勵信號幅值的沖擊干擾，目標(biāo)點的誤差信號失調(diào)幅度也沒有超過主動控制施加前的誤差值。

圖4 400 N,持續(xù)時間0.1 s時誤差信號和激振信號

圖5 沖擊幅值10 m/s2,持續(xù)時間0.4 s時誤差信號和控制電流

2.3 底部沖擊干擾對隔振器的影響

通過在隔振目標(biāo)點處加入沖擊信號，來模擬隔振器底部受到的沖擊干擾；同時還加入白噪聲信號，來模擬環(huán)境振動噪聲的干擾，仿真設(shè)定值與頂部沖擊相同。仿真曲線如圖5所示。

沖擊幅值為10 m/s2，系統(tǒng)性能統(tǒng)計如表2所示。從仿真曲線可以看出，在濾波x-LMS算法控制下，隔振器對來自于底部的沖擊干擾具有較強的魯棒性，表現(xiàn)在沖擊干擾加入后，隔振系統(tǒng)目標(biāo)點的誤差信號還是維持在穩(wěn)態(tài)誤差附近，并沒有大幅波動，且控制電流的調(diào)整幅度最大為19.6%。

3 結(jié)語

通過實驗建模得到的磁懸浮隔振器模型準(zhǔn)確放映了系統(tǒng)的內(nèi)部特性，應(yīng)用到濾波x-LMS算法中對磁懸浮隔振器進(jìn)行控制，仿真的結(jié)果驗證了脈沖響應(yīng)序列模型的有效性，而且證明了磁懸浮隔振器對高強度白噪聲和外部的沖擊干擾具有較強的魯棒性，表現(xiàn)為重新收斂速度快、控制力變化幅度較小，可靠性和穩(wěn)定性高，能夠適用于艦船艙室的復(fù)雜工作環(huán)境。

表1 激振頻律5.0 Hz，頂部沖擊干擾下系統(tǒng)性能

表2 激振頻律5.0 Hz，底部沖擊干擾下系統(tǒng)性能

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