基于Fx－LMS控制技術(shù)的主動消振方法及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)為實(shí)驗(yàn)對象開展振動主動控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(jī)械振源的振動主動控制。

振動主動控制;Fx－LMS;實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

輻射噪聲是影響艦艇隱身性的重要因素，而機(jī)械設(shè)備振動噪聲是輻射噪聲的主要噪聲源之一。機(jī)械設(shè)備的低頻振動因其衰減慢、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，成為艦艇被探測的主要目標(biāo)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(jī)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(diǎn)。

柴油發(fā)電機(jī)組是艦艇上重要的機(jī)械噪聲源頭之一，工作時內(nèi)部既有機(jī)械往復(fù)運(yùn)動又有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，是非常典型的艦艇內(nèi)部機(jī)械振源，對艦艇對外聲輻射有較大的貢獻(xiàn)，本文以小功率柴油發(fā)電機(jī)為實(shí)驗(yàn)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(jì)了相應(yīng)的控制律，搭建以DSP為計(jì)算核心的控制系統(tǒng)，并開展振動主動控制實(shí)驗(yàn)研究。

1 主動控制消振技術(shù)原理及實(shí)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(shí)時施加反相作用力，使振動力被抵消，達(dá)到減振目的。

鑒于艦艇上的機(jī)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(biāo)減振點(diǎn)的振動力。其實(shí)現(xiàn)途徑是應(yīng)用主動閉環(huán)控制，實(shí)時拾取振動源的擾動力信息，通過適當(dāng)?shù)挠?jì)算并輸出反饋控制信號，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(diǎn)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(shí)現(xiàn)方法是:在機(jī)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(jī)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(jī)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(biāo)點(diǎn)的振動情況，綜合計(jì)算之后給出每個控制器上合適的控制力，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)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(shí)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(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dān)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與控制量計(jì)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(shí)現(xiàn)減振效果。

其具體工作流程為:當(dāng)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(biāo)點(diǎn)的振動信號并進(jìn)行濾波放大等預(yù)處理，然后根據(jù)預(yù)定的控制算法，計(jì)算出當(dāng)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(shí)現(xiàn)振動主動控制過程。

2.2 系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)

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(diǎn)作為減振目標(biāo)點(diǎn)，安裝傳感器提取目標(biāo)點(diǎn)振動信息，反饋到系統(tǒng)控制模塊計(jì)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(shí)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(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本文以小型柴油發(fā)電機(jī)組為對象，驗(yàn)證振動主動控制裝置的有效性。圖2為搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)振源采用5.5 kW柴油發(fā)電機(jī)，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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和特性上與實(shí)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(diǎn)，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(yàn)振動主動控制裝置的減振效果。

圖2 實(shí)驗(yàn)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(biāo)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(biāo)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)。表1～表4分別為4個測點(diǎn)低頻段實(shí)測實(shí)驗(yàn)減振效果及振動總級對比。

表1 1號測點(diǎn)實(shí)驗(yàn)減振效果Tab.1 Experimental effect of Point1

表2 2號測點(diǎn)實(shí)驗(yàn)減振效果Tab.2 Experimental effect of Point2

表3 3號測點(diǎn)實(shí)驗(yàn)減振效果Tab.3 Experimental effect of Point3

表4 4號測點(diǎn)實(shí)驗(yàn)減振效果Tab.4 Experimental effect of Point4

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，針對小型柴油發(fā)電機(jī)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(dá)到6.3～7.8 dB的效果，且可同時針對8條諧波線譜進(jìn)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(jī)開展振動主動控制實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(jī)械振源的低頻振動實(shí)施有效的減振控制，進(jìn)而減小艦船的輻射噪聲。

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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。