黃志偉

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

艦船性能的先進(jìn)性以及戰(zhàn)斗使命的完成度，在很大程度上取決于其聲隱身性能[1]。為此，世界海軍強(qiáng)國(guó)均在不遺余力地開(kāi)展艦船聲隱身性能研究。由螺旋槳激勵(lì)、推進(jìn)軸系傳遞而引起的艇體振動(dòng)問(wèn)題，是產(chǎn)生艦船水下聲輻射、特別是低頻聲輻射的重要原因[2]。理論上，通過(guò)改進(jìn)艦船線型來(lái)改善尾部伴流場(chǎng)及改進(jìn)螺旋槳設(shè)計(jì)以減小激振力，是提高艦船聲隱身性能的根本途徑，但艦船尾部伴流場(chǎng)和螺旋槳激勵(lì)特性極其復(fù)雜，即使七葉大側(cè)斜螺旋槳，其激勵(lì)力仍然不小，主要形成以10～200 Hz范圍內(nèi)低頻寬帶為主的艇體聲輻射[3]，目前主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)來(lái)逐步改善螺旋槳激勵(lì)特性。另一方面，通過(guò)優(yōu)化艇體結(jié)構(gòu)來(lái)避免系統(tǒng)共振也存在許多困難[4]。推進(jìn)軸系是螺旋槳工作時(shí)引起的激振力向艇體傳播的主要途徑。因此，從振動(dòng)傳遞路徑上入手來(lái)解決該問(wèn)題較為現(xiàn)實(shí)可行。

推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)除對(duì)軸系自身產(chǎn)生影響外，還通過(guò)各軸承基座將螺旋槳脈動(dòng)力傳遞至艇體，從而引起艇體振動(dòng)聲輻射[5 - 6]。軸系縱向振動(dòng)控制的目的是減小軸系縱向振動(dòng)向艇體的傳遞，避免引發(fā)艇體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生聲輻射，但具有一定的難度：一方面要絕對(duì)保證推進(jìn)軸系的基本功能；另一方面要保障推進(jìn)軸系的抗沖擊性能?，F(xiàn)有推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)以功能為主，結(jié)構(gòu)修改的余地較小，難以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行減隔振，研究的重點(diǎn)仍是在軸系上安裝一些振動(dòng)控制裝置。被動(dòng)控制裝置雖然簡(jiǎn)單可靠，但不能隨外界激勵(lì)自適應(yīng)變化，難以應(yīng)用于寬帶擾動(dòng)的抑制，且其控制效果也極其有限。主動(dòng)控制技術(shù)由于具有適應(yīng)性強(qiáng)、控制效果好等潛在的優(yōu)越性，成為軸系振動(dòng)控制一條重要的新途徑。國(guó)外在主動(dòng)控制技術(shù)方面研究較早，針對(duì)艦船推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)，TRINDADE[7 - 8]，DALEY[9]，CARESTA[10]等開(kāi)展了大量的理論和試驗(yàn)研究工作，取得了許多有益的成果；而我國(guó)在推進(jìn)軸系振動(dòng)主動(dòng)控制方面的研究還處于起步階段。

為此，本文總結(jié)國(guó)內(nèi)外艦船推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)控制方案及建模方法，概述軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制策略及自適應(yīng)算法，給出軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制試驗(yàn)的示例驗(yàn)證情況，并結(jié)合現(xiàn)有研究成果對(duì)推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)后續(xù)重點(diǎn)研究方向提出一些建議。

1 推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)控制研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)控制問(wèn)題研究在國(guó)外起步較早，現(xiàn)在大量相關(guān)的研究工作仍在進(jìn)行。20世紀(jì)40年代，根據(jù)大量艦船航行試驗(yàn)，美國(guó)海軍明確主推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)是造成主推進(jìn)軸系過(guò)早失效的主要原因，并經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究提出了一些主推進(jìn)軸系縱向減振的措施[11]。20世紀(jì)60年代，GOODWIN[12]率先將共振轉(zhuǎn)換器（見(jiàn)圖1）應(yīng)用到艦船軸系縱向振動(dòng)控制中，并研究了共振轉(zhuǎn)換器對(duì)軸系振動(dòng)的影響。Michell軸承公司在上述研究的基礎(chǔ)上，研制了軸系共振調(diào)節(jié)器，加裝在推力軸承內(nèi)部，后來(lái)成為英國(guó)和美國(guó)海軍艦船的標(biāo)準(zhǔn)配置[4]。

1989 年，美國(guó) LEWIS 等[13 - 14]提出了一種軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制方法，即在原有推力軸承基礎(chǔ)上并聯(lián)1個(gè)輔助磁推力軸承，通過(guò)閉環(huán)反饋控制對(duì)磁推力軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，有效衰減了螺旋槳?jiǎng)討B(tài)力向艇體的傳遞，但導(dǎo)致軸系振動(dòng)有所增大，其減振效果有限。1990年BAZ等[15]研究了基于氣動(dòng)伺服控制的軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氣動(dòng)伺服作動(dòng)器在低頻段的控制效果明顯。2002年P(guān)AN等[16]在簡(jiǎn)單的槳軸系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)上，研究了通過(guò)主動(dòng)作動(dòng)器控制推力軸承油膜剛度可以減小螺旋槳引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，但軸承剛度具有時(shí)變特性，控制較為復(fù)雜。JOHNSON[17]設(shè)計(jì)出一種與推進(jìn)軸系并聯(lián)的電磁式主動(dòng)控制裝置，采用慣性質(zhì)量塊作為作動(dòng)元件，低頻減振效果顯著，且對(duì)推進(jìn)軸系影響較小。

圖1 共振轉(zhuǎn)換器原理示意圖及其在軸系上的安裝位置Fig.1 The principle and installation position of a resonant changer on the shaft

2000年以后，澳大利亞新南威爾士大學(xué)DYLEJKO等[18 - 19]和 MERZ 等[20 - 21]在 GOODWIN 的基礎(chǔ)上研究了在槳軸系統(tǒng)-艇體耦合振動(dòng)中共振轉(zhuǎn)換器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題，如圖2所示。前者分析了不同參數(shù)對(duì)艇體共振和聲輻射的影響規(guī)律，獲得了共振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)參數(shù)。后者研究了共振轉(zhuǎn)換器與分布式主動(dòng)吸振器組成的主被動(dòng)混合控制系統(tǒng)對(duì)軸系振動(dòng)與艇體聲輻射的影響。通過(guò)對(duì)含有共振轉(zhuǎn)換器的主被動(dòng)控制系統(tǒng)的減振效果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明艇體100 Hz頻率以?xún)?nèi)的輻射噪聲得到了明顯抑制。

圖2 推力軸承基礎(chǔ)的分布式主動(dòng)吸振Fig.2 Distributed active vibration absorption on a thrust bearing foundation

2008年，在歐洲海事技術(shù)大會(huì)上，英國(guó)宇航公司提供了螺旋槳軸系艇體振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的宣傳海報(bào)，如圖3所示該控制方案為主動(dòng)控制裝置作用于推力軸承基座上。由此可見(jiàn)，螺旋槳-軸系-艇體耦合縱向振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)受到重視，而且很可能已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)艇。

圖3 螺旋槳-軸系-艇體耦合振動(dòng)主動(dòng)控制示意圖Fig.3 Active control principle of vibration of the propeller-shafting-hull

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

螺旋槳-軸系-艇體振動(dòng)聲輻射及控制問(wèn)題最近幾年在國(guó)內(nèi)受到廣泛關(guān)注。20世紀(jì)90年代初，國(guó)內(nèi)學(xué)者在計(jì)算艇體低頻彎曲振動(dòng)方面進(jìn)行了一些理論研究工作，但未系統(tǒng)深入研究螺旋槳激勵(lì)艇體動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題及其引起的水下聲輻射。近年來(lái)，艦船科研單位在這方面開(kāi)展了大量工作，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料以及工程實(shí)際中遇到的軸系振動(dòng)問(wèn)題，研究了螺旋槳-軸系-艇體耦合振動(dòng)及聲輻射計(jì)算方法，在軸系振動(dòng)傳遞機(jī)理、控制措施等方面取得了一些進(jìn)展[22 - 24]。

國(guó)內(nèi)許多高校也開(kāi)展了有源噪聲和振動(dòng)控制的研究。曹貽鵬[25]研究了基于動(dòng)力吸振器的軸系縱向振動(dòng)控制，結(jié)果表明吸振器分布式設(shè)計(jì)可拓寬吸振帶寬，且能大幅衰減軸系縱向振動(dòng)及艇體聲輻射。劉耀宗[26]建立了帶有動(dòng)力吸振器的推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)力學(xué)模型，研究結(jié)果表明動(dòng)力吸振器僅能有效抑制軸系共振頻率附近的頻段峰值，其他頻段吸振效果有限。王家盛[27]設(shè)計(jì)了一種離心式動(dòng)力吸振裝置用于軸系縱向振動(dòng)控制，試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置具有較好的減振效果，但自動(dòng)調(diào)節(jié)能力有限。李良偉[28]采用優(yōu)化算法對(duì)動(dòng)力減振器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究了各參數(shù)對(duì)推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)的影響。李攀碩[29]采用電磁作動(dòng)器對(duì)軸系縱向振動(dòng)進(jìn)行了自適應(yīng)前饋控制，結(jié)果表明在螺旋槳轉(zhuǎn)速不變的情況下獲得較好的控制效果。楊志榮[30]和李清云[31]均設(shè)計(jì)了一種磁流變彈性體的動(dòng)力吸振器，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)能量在推進(jìn)軸系上發(fā)生轉(zhuǎn)移，試驗(yàn)表明整體吸振-性能比被動(dòng)式動(dòng)力吸振器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。殷永康[32]將改進(jìn)的擬穩(wěn)態(tài)控制算法應(yīng)用于船舶軸系縱振的研究，計(jì)算結(jié)果表明，吸振器的剛度連續(xù)變化時(shí)，磁流變式半主動(dòng)動(dòng)力吸振器將獲得更好的效果。孟浩[33]運(yùn)用聲子晶體局域共振帶隙的原理，提出了一種在軸系上加裝多個(gè)局域振子的方案，研究了該方案的減振效果及對(duì)軸系振動(dòng)的影響。張志誼和胡芳等[34 - 36]提出了一種基于電磁慣性式的軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)方案，建立螺旋槳-軸系振動(dòng)傳遞主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖4），驗(yàn)證了主動(dòng)控制策略和自適應(yīng)算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制方案能有效抑制轉(zhuǎn)速調(diào)制的周期干擾，為軸系振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)工程應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

綜上所述，在艦船推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)控制相關(guān)技術(shù)方面的研究，國(guó)外已取得大量的研究成果，特別是美國(guó)和澳大利亞，提出了許多具有工程實(shí)踐的技術(shù)方案，且某些技術(shù)已被成功應(yīng)用。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)的軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)研究起步較晚，總體上仍處于理論分析與模型試驗(yàn)階段。

圖4 軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 Experimental model for active control of longitudinal vibration of the shafting

1.3 主要差距分析

國(guó)內(nèi)外在潛艇軸系振動(dòng)主動(dòng)控制方面的差距主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：

1）國(guó)外在槳軸系統(tǒng)振動(dòng)控制方面已經(jīng)形成了一套完整的設(shè)計(jì)規(guī)程，可以直接用于軸系降噪設(shè)計(jì)；而我國(guó)軸系設(shè)計(jì)規(guī)范很少涉及振動(dòng)控制內(nèi)容，現(xiàn)有規(guī)范只有使用安全性方面的設(shè)計(jì)要求，對(duì)軸系縱向振動(dòng)的減振設(shè)計(jì)還缺少系統(tǒng)性指導(dǎo)。

2）國(guó)外在軸系振動(dòng)主動(dòng)控制方面的工作比較深入，在軸系振動(dòng)主動(dòng)控制建模仿真、振動(dòng)測(cè)試等方面綜合開(kāi)展研究，理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量相互映證，確保研究結(jié)果的正確性；國(guó)內(nèi)在軸系振動(dòng)主動(dòng)控制方法及控制策略等方面研究還有待深入，試驗(yàn)驗(yàn)證工作開(kāi)展也較少。

3）國(guó)外已經(jīng)將振動(dòng)主動(dòng)控制應(yīng)用于現(xiàn)役潛艇并取得顯著降噪效果；國(guó)內(nèi)目前還未進(jìn)行過(guò)推進(jìn)軸系振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的工程應(yīng)用研究，缺乏軸系縱向振動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)制造的系統(tǒng)化工程，工程樣機(jī)處于研制或試驗(yàn)階段。

2 推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)建模方法

2.1 推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制基本原理

目前，推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制裝置可以安裝在軸（如電磁作動(dòng)器）、軸承（如輔助磁推力軸承）、基座（如分布式主動(dòng)吸振）等位置上。以基于慣性式電磁作動(dòng)器的軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)為例，其工作原理如圖5所示，主動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括作動(dòng)器、控制器、功率放大器、傳感器等。通過(guò)布置在推力中間軸上的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其振動(dòng)情況，并將其作為控制反饋信號(hào)。結(jié)合測(cè)得的軸系實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)，在控制器中運(yùn)用相應(yīng)的控制算法產(chǎn)生控制信號(hào)，再將控制信號(hào)通過(guò)功率放大器放大后輸入到主動(dòng)作動(dòng)器中。作動(dòng)器產(chǎn)生與軸系縱向振動(dòng)方向相反的控制力，并作用于推力軸上，從而減小推進(jìn)軸系縱向低頻振動(dòng)及其傳遞。

2.2 推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)建模方法

在前期的研究中，大多將螺旋槳、軸系與艇體的振動(dòng)及其控制分別進(jìn)行研究，獲得了一些有益的研究成果，可作為開(kāi)展槳-軸-艇耦合系統(tǒng)振動(dòng)控制研究的基礎(chǔ)。然而，螺旋槳、軸系、艇體之間的相互作用對(duì)各自的動(dòng)態(tài)特性帶來(lái)的影響不容小覷，一些簡(jiǎn)化的處理可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)某些動(dòng)力學(xué)特性的缺失。為了更清晰地觀察實(shí)際結(jié)構(gòu)的振動(dòng)規(guī)律，從原理上檢驗(yàn)控制原理的可行性，建立更加準(zhǔn)確的推進(jìn)軸系數(shù)學(xué)物理模型顯得尤為重要。

系統(tǒng)建模方法主要有解析法、數(shù)值法和數(shù)值-解析結(jié)合法3種。對(duì)于槳-軸-艇耦合系統(tǒng)，采用解析法難以獲得精確的動(dòng)力學(xué)模型，采用數(shù)值法則模型規(guī)模較大，不適進(jìn)行與振動(dòng)控制相關(guān)的仿真分析，而數(shù)值法和數(shù)值-解析結(jié)合法可發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，即對(duì)于尺寸較大的艇體可采用解析法，對(duì)于比較關(guān)注的槳軸系統(tǒng)，則采用數(shù)值法。因此，數(shù)值法和數(shù)值-解析結(jié)合法在槳軸艇耦合系統(tǒng)振動(dòng)控制方面應(yīng)用更為廣泛。

少數(shù)研究以槳-軸-艇耦合系統(tǒng)為對(duì)象，且主要考慮軸系振動(dòng)及其控制對(duì)艇體聲輻射的影響，重點(diǎn)仍放在各系統(tǒng)耦合振動(dòng)的描述方法上，其中主要采用子結(jié)構(gòu)綜合法。經(jīng)過(guò)幾十年不斷發(fā)展，已出現(xiàn)多種動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)法[37 - 38]。因此，在推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)研究中，螺旋槳、軸系采用數(shù)值法建模，艇體采用解析法建模，它們之間則采用子結(jié)構(gòu)綜合法進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

圖5 作動(dòng)器安裝于軸上的推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制原理示意圖Fig.5 Active control principle of longitudinal vibration of the propulsion shaft system

3 推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制策略及算法

3.1 推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制策略

控制策略是振動(dòng)主動(dòng)控制研究的關(guān)鍵，直接影響到減振性能。對(duì)于諧波激勵(lì)下的線性時(shí)不變系統(tǒng)，自適應(yīng)方法已成功用于抑制干擾，如濾波-x LMS（Least Mean Square）、自適應(yīng)重復(fù)控制[39 - 41]等。這些研究中通常將軸系被視為時(shí)不變系統(tǒng)，但實(shí)際上軸承油膜剛度隨轉(zhuǎn)速不斷變化，這將會(huì)導(dǎo)致控制通道的頻響在不同轉(zhuǎn)速下存在明顯的差別，使得依賴(lài)于確定性控制模型的自適應(yīng)控制器可能失效。對(duì)于具有時(shí)變特性的系統(tǒng)，控制方法遠(yuǎn)比線性時(shí)不變系統(tǒng)復(fù)雜。此外，推進(jìn)軸系振動(dòng)干擾主要為諧波成分，這將要求自適應(yīng)控制器具有一定的窄帶干擾抑制能力。

對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)，原理上均采用時(shí)變控制器，其結(jié)構(gòu)或參數(shù)一般需要進(jìn)行在線調(diào)整[42]。若預(yù)先獲取被控對(duì)象模型或時(shí)變參數(shù)的變化規(guī)律，可對(duì)控制器進(jìn)行針對(duì)性地設(shè)計(jì)，并在最優(yōu)準(zhǔn)則下建立相應(yīng)的控制算法[43]。若被控對(duì)象模型變化規(guī)律無(wú)法預(yù)先獲取，控制器只能通過(guò)某些先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如直接采用無(wú)模型的自適應(yīng)算法或在模型在線估計(jì)的基礎(chǔ)上形成的自適應(yīng)算法；對(duì)于諧波干擾的抑制，相應(yīng)的控制方法研究目前還不是很充分。針對(duì)線性參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)，增益調(diào)度控制已經(jīng)用于時(shí)變諧波干擾的抑制[44]，其增益調(diào)整參數(shù)可通過(guò)干擾頻率進(jìn)行計(jì)算獲取。MELLER[45 - 46]等提出了一種自?xún)?yōu)化窄帶干擾抑制的方法，僅對(duì)一階時(shí)變系統(tǒng)和二階時(shí)變系統(tǒng)有效。

不管采用哪種控制策略，被控對(duì)象模型都必須在軸系運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下建立，而此時(shí)系統(tǒng)存在復(fù)雜的干擾源，且參數(shù)變化具有不確定性。針對(duì)上述問(wèn)題，目前主要有2種方法：

1）研究無(wú)模型的自適應(yīng)諧波抑制方法，即通過(guò)某些先驗(yàn)知識(shí)對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)；

2）研究基于模型在線估計(jì)的自適應(yīng)諧波抑制方法，即需要對(duì)模型的控制通道進(jìn)行辨識(shí)。

軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制策略可在LMS算法的基礎(chǔ)上根據(jù)軸系的實(shí)際振動(dòng)特性進(jìn)行構(gòu)建。

3.2 推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制自適應(yīng)算法

由于尾部非均勻流場(chǎng)使得螺旋槳產(chǎn)生非定常激振力，槳-軸-艇耦合系統(tǒng)振動(dòng)強(qiáng)線譜特征較多，因此采用窄帶的自適應(yīng)控制方法更加適合。自適應(yīng)控制對(duì)系統(tǒng)周期振動(dòng)可進(jìn)行有選擇性的抑制，由于控制信號(hào)經(jīng)過(guò)飽和抑制后可能會(huì)產(chǎn)生波形失真，因此必須增加跟蹤濾波器對(duì)波形失真引起的非線性響應(yīng)進(jìn)行消除。

20世紀(jì)70年代后，許多學(xué)者對(duì)自適應(yīng)算法進(jìn)行大量的理論與試驗(yàn)研究，使得自適應(yīng)濾波算法日趨成熟，并提出了一些改進(jìn)的算法，如歸一化LMS算法、LMS牛頓算法、頻域LMS算法、變換域LMS算法、分塊LMS算法、QR分解LMS算法、快速截?cái)鄶?shù)據(jù)LMS算法等。RLS算法收斂速度快，且收斂性能與輸入信號(hào)的頻譜特性無(wú)關(guān)，但計(jì)算量大，對(duì)硬件要求高，不適合進(jìn)行實(shí)時(shí)處理[47]。

基于LMS算法的自適應(yīng)控制在工程中已廣泛應(yīng)用，尤其是濾波-x LMS方法。Douglas[48]提出了適用于多輸入多輸出系統(tǒng)的多誤差Filter-x LMS算法，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Fuller等[49 - 50]在基于 Filter-x LMS 算法基礎(chǔ)上開(kāi)展了一系列研究，并成功應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射中。王俊芳[51]針對(duì)振動(dòng)響應(yīng)過(guò)大時(shí)導(dǎo)致控制器輸出飽和的問(wèn)題，提出了一種將跟蹤濾波與帶飽和抑制的LMS控制算法相結(jié)合的自適應(yīng)前饋控制方法，試驗(yàn)表明控制效果良好；張志誼等[52 - 54]針對(duì)頻率周期振蕩的系統(tǒng)，在Filter-x LMS算法基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究，提出了內(nèi)嵌跟蹤濾波器的自適應(yīng)控制方法，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的周期振動(dòng)進(jìn)行抑制，計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這些方法減振降噪效果良好。

3.3 應(yīng)用自適應(yīng)算法需要解決的問(wèn)題

應(yīng)用Filtered-x LMS算法前須要解決下面2個(gè)問(wèn)題：

1）參考信號(hào)的提取

產(chǎn)生控制器的輸入需要與外部干擾信號(hào)相關(guān)的參考信號(hào)，參考信號(hào)和外部干擾信號(hào)的相關(guān)性直接影響前饋控制器的性能。如果兩者信號(hào)完全相關(guān)，可使前饋控制器信號(hào)誤差趨近于0。如果兩者信號(hào)部分相關(guān)，前饋控制器僅能減小與參考信號(hào)相關(guān)的頻響。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常很難獲取外部干擾信號(hào)。因而往往通過(guò)傳感器對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的誤差信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，然后在控制器參數(shù)及自適應(yīng)算法的基礎(chǔ)上構(gòu)造出所需的參考信號(hào)，使其滿(mǎn)足與干擾信號(hào)的相關(guān)性。

2）控制通道的辨識(shí)

對(duì)被控對(duì)象模型的控制通道辨識(shí)方法主要有離線辨識(shí)和在線辨識(shí)2種。離線辨識(shí)主要針對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化緩慢或近似不變的情況，可使控制算法大為簡(jiǎn)化，計(jì)算量也大幅減少。然后實(shí)際情況下系統(tǒng)特性往往會(huì)發(fā)生變化，且離線辨識(shí)難以滿(mǎn)足系統(tǒng)的控制精度及魯棒性要求，因而必須采用在線辨識(shí)的方法。

控制通道的在線辨識(shí)方法其本質(zhì)是在控制器的輸出端疊加噪聲，即采用LMS算法獲取模型控制通道的有限脈沖響應(yīng)序列，再采用子空間濾波方法從響應(yīng)序列中濾出那些與外部干擾相關(guān)的特征，恢復(fù)出控制通道真實(shí)的脈沖響應(yīng)特性。

4 推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制試驗(yàn)

關(guān)于軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制試驗(yàn)，張志誼和胡芳等[34 - 36]的試驗(yàn)驗(yàn)證較為系統(tǒng)完整，其試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示，本節(jié)以此為例進(jìn)行說(shuō)明。該方案能夠在寬頻帶內(nèi)抑制軸系和艇體的振動(dòng)，對(duì)控制頻率沒(méi)有選擇性，而且在控制性能上遠(yuǎn)高于動(dòng)力吸振。試驗(yàn)過(guò)程中，推力軸承間的油膜剛度和水潤(rùn)滑橡膠軸承的水膜剛度由于隨轉(zhuǎn)速變化，軸系的支承剛度和頻響特性也隨之變化。圖6是推力軸承處控制前、后的時(shí)域、頻域響應(yīng)，可以看出無(wú)模型控制有效。

試驗(yàn)結(jié)果表明：主動(dòng)作動(dòng)器的控制力與激振力對(duì)應(yīng)的頻響特性基本一致，在自適應(yīng)反饋控制下，可以對(duì)激振力引起的振動(dòng)進(jìn)行不同程度的抑制；針對(duì)控制通道的頻響特性依賴(lài)于轉(zhuǎn)速，控制器能夠進(jìn)行在線調(diào)整增益，且自適應(yīng)反饋控制效果非常明顯。

圖6 掃頻激勵(lì)下推力軸承處振動(dòng)控制Fig.6 Vibration control of thrust bearing under sweep-sine excitation

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)建模方法、控制策略及自適應(yīng)算法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)，探討了推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制中存在的一些問(wèn)題，給出了軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制試驗(yàn)驗(yàn)證情況?；谝陨蠂?guó)內(nèi)外研究成果，提出以下研究建議：

1）開(kāi)展槳-軸-艇體耦合系統(tǒng)精細(xì)化動(dòng)力學(xué)建模研究，分析螺旋槳激勵(lì)特性及其誘發(fā)的推進(jìn)軸系與艇體的振動(dòng)聲輻射，研究不同推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制方法下減振效果，為主動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐；

2）相比被動(dòng)控制系統(tǒng)，主動(dòng)控制系統(tǒng)主要針對(duì)軸系縱向振動(dòng)的低頻段，傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法無(wú)法客觀準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)推進(jìn)軸系縱向低頻振動(dòng)主動(dòng)控制效果，需綜合權(quán)衡引入主動(dòng)控制系統(tǒng)后增加的資源和取得的控制效果，提出一種操作性好、客觀真實(shí)反映主動(dòng)控制效果的評(píng)價(jià)方法；

3）注重推進(jìn)軸系和主動(dòng)控制系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，盡量在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，滿(mǎn)足軸系匹配性要求，減少不利影響。此外，還需對(duì)安裝主動(dòng)控制系統(tǒng)后的推進(jìn)軸系進(jìn)行強(qiáng)度校核和抗沖擊性能分析，以滿(mǎn)足工程化應(yīng)用要求。