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(dòng)噪聲，本課題組自行設(shè)計(jì)了一種磁懸浮主動(dòng)隔振器[1]，它由銜鐵和電磁鐵兩部分組成，通過(guò)控制電磁鐵線圈的電流進(jìn)行主動(dòng)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(duì)環(huán)境干擾不具備較強(qiáng)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(yùn)行。所以有必要針對(duì)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(jí)通道和次級(jí)通道模型是使用機(jī)理分析的方式得到的，并不能準(zhǔn)確反映整個(gè)隔振系統(tǒng)包括各類信號(hào)傳感器以及信號(hào)調(diào)理電路等電路特性。下面將對(duì)磁懸浮隔振器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模，使魯棒性研究更有針對(duì)性，更具準(zhǔn)確性。

1.1 實(shí)驗(yàn)建模原理

圖1中，u為待辨識(shí)通道驅(qū)動(dòng)信號(hào)；Acc為對(duì)應(yīng)的控制目標(biāo)點(diǎn)加速度信號(hào)；h|f為待辨識(shí)通道在給定頻率點(diǎn)的模型；err為待辨識(shí)通道的辨識(shí)誤差。在某一特定頻率下，由當(dāng)前時(shí)刻待辨識(shí)通道模型和待辨識(shí)通道的驅(qū)動(dòng)信號(hào)向量相乘，能夠得到一個(gè)輸出值，將這個(gè)輸出值和對(duì)應(yīng)的控制目標(biāo)點(diǎn)加速度信號(hào)求差就能得到辨識(shí)誤差信號(hào)；處于理想的狀況時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)某個(gè)時(shí)刻辨識(shí)誤差減小到零，則能夠認(rèn)為此時(shí)刻的模型h|f就是待建模通道的真實(shí)系統(tǒng)模型。在每一個(gè)待辨識(shí)頻率點(diǎn)采集磁懸浮隔振器對(duì)應(yīng)通道的輸入和輸出信號(hào)，利用LMS算法進(jìn)行自適應(yīng)更新待辨識(shí)模型，當(dāng)辨識(shí)誤差趨向于零時(shí)，就能得到隔振器各個(gè)通道的精確模型。實(shí)驗(yàn)建模得到的系統(tǒng)模型同時(shí)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(jì)。

圖1 有限脈沖響應(yīng)序列模型的辨識(shí)結(jié)構(gòu)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

建模實(shí)驗(yàn)在隔振實(shí)驗(yàn)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(dòng)隔振器、負(fù)載、激振單元(包括激振器、信號(hào)發(fā)生器和功率放大器等)、信號(hào)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(hào)調(diào)理單元等，其原理圖如圖2所示。

圖2 隔振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

1.3 實(shí)驗(yàn)建模步驟

針對(duì)初級(jí)通道和次級(jí)通道，選擇在 5 Hz-11 Hz激振頻率范圍內(nèi)每隔0.1 Hz測(cè)一個(gè)頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)。設(shè)定采樣頻率為1000 Hz，采樣時(shí)間為100 s，在磁懸浮主動(dòng)隔振器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，先后進(jìn)行了500 N電磁式激振器激勵(lì)下的60個(gè)頻率點(diǎn)初級(jí)通道數(shù)據(jù)采集和200 kg負(fù)載下60個(gè)頻率點(diǎn)次級(jí)通道數(shù)據(jù)采集。

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波后，使用LMS方法辨識(shí)磁懸浮主動(dòng)隔振器初級(jí)通道和次級(jí)通道有限脈沖響應(yīng)序列模型，收斂步長(zhǎng)μ=0.0005。以5.0 Hz為例，初級(jí)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(jí)通道1000長(zhǎng)度脈沖響應(yīng)曲線

通過(guò)實(shí)驗(yàn)建模到的磁懸浮隔振器初級(jí)通道和次級(jí)通道脈沖響應(yīng)序列模型，對(duì)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(huì)受到各種外部干擾。其中，環(huán)境振動(dòng)噪聲和沖擊這兩方面對(duì)隔振器的可靠性影響最大。通常，將艦船艙室環(huán)境振動(dòng)噪聲具體分為螺旋槳、艦船機(jī)械和結(jié)構(gòu)振動(dòng)這三大類振動(dòng)噪聲。在艦船上，不同的裝置和場(chǎng)合，分別或同時(shí)出現(xiàn)上述振動(dòng)噪聲，并且，環(huán)境振動(dòng)噪聲分布在幾十赫茲到幾千赫茲的范圍內(nèi)，遍布了整個(gè)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(dòng)力設(shè)備的突然啟動(dòng)、工具或其它重物跌落引起的沖擊等。

2.2 頂部沖擊干擾對(duì)隔振器的影響

通過(guò)在振源的正弦激勵(lì)中加入沖擊信號(hào)，來(lái)模擬隔振器頂部受到的沖擊干擾；同時(shí)還加入白噪聲信號(hào)，來(lái)模擬環(huán)境振動(dòng)噪聲的干擾。仿真設(shè)定值為：初級(jí)通道脈沖響應(yīng)模型取1000長(zhǎng)度，次級(jí)通道脈沖響應(yīng)模型取100長(zhǎng)度，激振信號(hào)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(shí)間分別取0.1 s、0.2 s、0.3 s和0.4 s的沖擊干擾。針對(duì)每種時(shí)長(zhǎng)又分別取沖擊幅值為100 N、200 N、300 N和400 N（即激勵(lì)信號(hào)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(shí)間0.1 s時(shí)誤差信號(hào)和激振信號(hào)如圖4所示。系統(tǒng)性能統(tǒng)計(jì)如表1所示。

由于使用的是實(shí)驗(yàn)建模得到的隔振器通道數(shù)據(jù)，可以看到，隔振器初級(jí)通道對(duì)沖擊干擾的衰減幅度較大，表現(xiàn)在面對(duì)4倍于激勵(lì)信號(hào)幅值的沖擊干擾，目標(biāo)點(diǎn)的誤差信號(hào)失調(diào)幅度也沒(méi)有超過(guò)主動(dòng)控制施加前的誤差值。

圖4 400 N,持續(xù)時(shí)間0.1 s時(shí)誤差信號(hào)和激振信號(hào)

圖5 沖擊幅值10 m/s2,持續(xù)時(shí)間0.4 s時(shí)誤差信號(hào)和控制電流

2.3 底部沖擊干擾對(duì)隔振器的影響

通過(guò)在隔振目標(biāo)點(diǎn)處加入沖擊信號(hào)，來(lái)模擬隔振器底部受到的沖擊干擾；同時(shí)還加入白噪聲信號(hào)，來(lái)模擬環(huán)境振動(dòng)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(jì)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(duì)來(lái)自于底部的沖擊干擾具有較強(qiáng)的魯棒性，表現(xiàn)在沖擊干擾加入后，隔振系統(tǒng)目標(biāo)點(diǎn)的誤差信號(hào)還是維持在穩(wěn)態(tài)誤差附近，并沒(méi)有大幅波動(dòng)，且控制電流的調(diào)整幅度最大為19.6%。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)磁懸浮隔振器進(jìn)行控制，仿真的結(jié)果驗(yàn)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(duì)高強(qiáng)度白噪聲和外部的沖擊干擾具有較強(qiáng)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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