（轮机工程专业论文）基于电动式作动器的主动消振技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文运用了主动消振理论、控制理论、计算机技术和信号处理技术， 应用可调节力机械作动器，通过控制系统及控制算法对船舶尾甲板的减振 技术进行了研究，取得了一定的成果。 1 系统地阐述了主动消振的基本原理，建立了主动消振的数学模型。 对船舶尾部的振动特性进行了分析，完善了主动消振实验台架。 2 原创地提出了一种新的寻相控制策略：素数寻相法。通过仿真计算 表明，这种控制策略有着良好的控制效果。 3 首次将q m a c 运动控制器与上位机和交流伺服系统联合起来，应用 v b 语言编辑运动程序来进行相位和振幅的联合控制。可调节力机械作动 器，一由两个反何旋转的刁砰衡质量块构成，可以形成一个单自由度盼正弦 控制力，用来减小甚至有可能抵消振源产生的振动。 4 以主动消振台架为基础，应用相位及偏心距解析算法，进行了一系 列的主动消振仿真。结合控制系统和可调节力式机械作动器的实际情况， 在台架上进行主动控制消振实验。仿真和实验效果都说明，相位及偏心距 算法切实可行，且具有较好的实用性和准确性。 关键词：船尾甲板；振动控制；主动消振；可调节力式机械作动器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n a p p l i c a t i o no fa c t i v ev i b r a t i o nr e d u c t i o nt h e o r y , c o n t r o lt h e o r y , c o m p u t e rt e c h n i q u e a n d s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，e m p l o y i n g a f o r c e - a d j u s t a b l em e c h a n i c a la c t u a t o r , t h ea c t i v ec o n t r o lf o rs t e r nd e c kv i b r a t i o n i si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s ，a n ds o n l ep r o g r e s sh a sb e e nm a d e t h ee l e m e n t a r yt h e o r yo fa c t i v e v i b r a t i o na t t e n u a t i o ni si l l u s t r a t e d s y s t e m a t i c a l l y ；t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o ra c t i v ev i b r a t i o nr e d u c t i o na l ea l s o d e v e l o p e d a n a l y s i so f t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s t e r nd e c k i sc a m e do u t t h ee x p e r i m e n t a lr i gf o ra c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o li sf u r t h e s tc o m p l e t e d an o v e ls e a r c h i n gp h a s es t r a t e g yi sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e , n a m e l y , p r i m en u m b e r + s e 搬c h i n g a p p r o a e h i ti ss h o w nf r o mt h en u m e r i c a l - r e s u l t s t h a t g o o dc o n t r o le f f e c tc a nb ed e r i v e db yu s i n gs u c hs t r a t e g y ni st h ef i r s tt i m et h a tq m a ck i n e t i cc o n t r o l l e ri sc o m b i n e dw i t ha c s e r v es y s t e m ；t h ec o m b i n e dc o n t r o lo ft h ep h a s ea n da m p l i t u d ea r er e a l i z e db y w r i t i n gv bk i n e t i cp r o g r a m t h ef o r c e - a d j u s t a b l em e c h a n i c a l a c t u a t o ri s c o n s i s t e do fac o u p l eo fi m b a l a n c em a s sb l o c k sr o t a t i n gt o w a r d so p p o s r e d i r e c t i o n s t h e nas i n ef o r c eo fs i n g l ef r e e d o mc a nb eu s e dt oa t t e n u a t et h e v i b r a t i o np r o d u c e db yt h es o h c et oal o w e rl e v e l ，m a y b et oz e r o b a s e do ne x p e r i m e n t a lr i gf o ra c t i v ev i b r a t i o nr e d u c t i o n , b ym e a no f p h a s ea n de c c e n t r i c i t ya n a l y t i c a la l g o r i t h m ，as e r i e so fs i m u l a t i o n o fa c t i v e v i b r a t i o nr e d u c t i o na r ep e r f o r m e d c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no f c o n t r o ls y s t e ma n df o r c e - a d j u s t a b l em e c h a n i c a la c t u a t o r , t h ea c t i v ev i b r a t i o n r e d u c t i o ne x p e r i m e n t sa r ec o n d u a e do nt h er i g t h er e s u l t sf r o mt h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tb o t hs h o wt h a tt h ep h a s ea n de c c e n t r i c i t ya l g o r i t h m a r ef e a s i b l e ；t h e yh a v eb e t t e rp r a c t i c a b i l i t ya n da c c u r a c y k e yw o r d s ：s t e r nd e c k ；v i b r a t i o nc o n t r o l ；a c t i v e v i b r a t i o nr e d u c t i o n ； f o r c e - a d j u s t a b l em e o h a n i c a la c t u a t o r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：至蕉 日期：1 习年弓月9 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 实践证明，各种船舶都存在不同程度的振动问题，这是由于主机、辅 机、螺旋桨、波浪等等各种激振源的客观存在，作为弹性体的船舶，对这 些激振必然有所反应，所以振动特征总会显现出来。 在各种动力机械中，由于柴油机经济性好，可靠性高而得到了广泛的 应用，在国民经济建设和国防建设中处于非常重要的地位。特别是在船舶 方面，柴油机更是发挥了重要的作用。 船舶柴油机动力装置的振动，特别是过度的振动易产生严重的后果， 影响着船体结构的安全性和相关机械的可靠运行，甚至会使船舶结构发生 多种形式的破坏；影响搭乘人员的舒适性，损害健康，降低船员的工作效率。 船舶柴油机动力装置结构复杂，振动方式多种多样，其中整机振动、 轴系振动和管系振动是三种主要振动方式。随着船舶柴油机动力装置轻型、 强载、高速化发展，使得对其振动控制提出了更高的要求乜】。 1 2 振动控制技术的研究概况及其现状 振动控制是振动工程领域内的一个重要分支，是振动研究的出发点和 归宿。振动控制包括动力响应的控制与稳定性的控制。受控对象对外界随 时间变化的扰动都会引起动力响应。振动控制的任务就是通过一定的手段 使受控对象的振动水平满足人们的预定要求。 按是否需要能源区分，振动控制可分为无源控制与有源控制，前者又 称被动控制( p a s s i v ev i b r a t i o nc o n t r o l ，简称p v c ) ，后者又称主动控制 ( a c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o l ，简称a v c ) 。被动振动控制有较长的研究历史 和广泛的工程应用，具有结构简单，易于实现，经济性好，可靠性高等优 点，但也有控制效果和适应性较差的缺点；主动控制则是一种较为新颖的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 振动控制方法，它具有控制效果较好、适应性较强等优点，特别是随着智 能材料的出现和发展，应用前景被看好。但也具有鲁棒性不好和宽频带减 振效果较差等缺点。为了充分发挥上述两大类振动控制技术的优点，同时 避免它们各自的缺点，9 0 年代初期，n e u b e r t 、s m i t h 等提出在同一对象综 合应用两种控制手段的主、被动一体化振动控制( i n t e g r a t e dp a s s i v ea n d a c t i v ec o n t r o l ，简称为p a v c ) 方法o 】。 振动主动控制是主动控制技术在振动领域的一项重要应用，是指在振 动控制过程中，根据所检测到的结构振动，应用一定的控制策略经过实时 计算，从而驱动作动器对结构施加一定的影响( 比如力、力矩) 达到抑制或 消除结构振动的目的。它包括开环与闭环两类控制。 开环控制又称程序控制，其中的控制律是预先设计好的，与受控对象 的振动状态无关。 闭环控制是根据受控对象的振动状态进行实时的外加控制，使振动满 足预定要求。具体而言，即装在受控对象上的传感器感受其振动。传感器 的信号经过适度调整放大后传至控制器，控制器实现所需的控制律，其输 出作动器通过附加子系统或直接施加作用于受控对象，这样构成一个闭环 控制系统“1 一个振动主动控制系统主要有以下几个环节组成：受控对象，作动器， 控制器，测量系统，能源，附加子系统。 振动主动控制方法具有控制精度高、控制频域宽、在采用反馈控制时 能适应随机的外界干扰和系统参数的不确定性、以及对被控对象的结构改 动不大等优越性，是一种很有前途的振动控制方法因此，对该技术进行 深入研究有着重要的理论和实际意义。 振动主动控制技术可分为，主动消振、主动吸振、主动隔振、主动阻 振。主动消振是通过主动控制的方法对被控对象施加控制力，抵消由振源 引起的被控对象的振动响应，实现受控对象的振动控制 在主动消振的应用中，需要做的有以下几点： 1 振源或其振动响应的检测。 2 控制器的设计，控制器按照一定的控制规律运算出应该施加在结构 上的控制力 3 消振力的实现( 执行器的输出) 。 目前，振动主动控制系统中的执行机构有电动式、电磁式、电涡流式、 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 液压式、磁致伸缩式、压电式及反作用式等等。其原理是利用气、液的压 力，电磁力及惯性力等对被控对象进行控制。由于各种执行机构的特点不 同，适用于不同类型振动的主动控制“1 。本文介绍的主动消振技术采用的 执行机构一电动式机械作动器即采用惯性力作为主动控制力。 1 3 电动式机械作动器的工作原理与国内外研究现状 1 3 1 电动式机械作动器的特点和工作原理 随着电子、电气及自动控制技术的迅猛发展，近来主动消振技术发展 尤为迅速，特别是在船舶领域嘲。 和其它领域的主动消振技术相比，船舶主动消振技术的原理基本相同， 但结合船舶工程的实阮，船舶主动消振技术又有着十分鲜明的特色： 1 由船舶主机和螺旋桨引起的船体结构振动是一种周期激励下的振 动，振动响应常常以某一基频分量为主，并且主要和主机轴的转速相关， 这一频率如与结构的固有频率相等，将使结构进入共振状态。因此，如果 能使振动的主要频率分量得到有效抑制，就可有效地减小结构的振动响应。 利用蓝切斯特( l a n c h e s t e r ) 原理的船用机械作动器，由于产生的控制力 和船舶振源的主要激振力都可看作是简谐力，只要它们激起的结构振动响 应同频、同幅、反相，就可相互抵消，从而达到消振的目的，这是其它形 式的作动器所难以做到的“1 。 2 和其它领域的结构振动相比，船舶工程领域中大型商船要消减结构 振动属于低频振动( 一般在5 0 h z 以下，主要集中于2 至2 0 h z 范围内) ，但 振动功率较大( 几百瓦至几十千瓦) ，因此要求船舶振动主动控制系统所采 用的作动器能够适应以上船舶结构振动的特点，即输出频率低，输出功率 大。 基于蓝切斯特原理的电动式船用机械作动器是一种能够感受和跟踪振 动响应或干扰力，对速度和相位信号进行分析处理，产生相应的控制力， 以抵消结构振动响应的一种电气机械装置，其工作原理如图1 2 所示。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 激扰振动响应 八八八、 v w 七柏i h 士；h 图1 2 电动式主动消振器工作原理 电动机驱动两个具有相同质量的偏心块以七倍发动机主轴转速同步反 向旋转，两旋转偏心块的离心力在水平( 竖直) 方向上互相抵消，而在竖 直( 水平) 方向上叠加，这样就在竖直或水平方向上产生了幅值和相位可 调且简谐变化的控制力，如果控制力引起的结构振动与柴油机| | 阶激扰引 起的振动大小相等，方向相反。即达到了主动消振的目的主动式动力消 振器系统主要由三部分组成：传感器、同步装置和执行机构。传感器用来 检测消振器偏心块与工作机械主轴的速度、相位以及振动响应，作为同步 装置的输入信号。同步装置对输入信号作相应处理，控制驱动电机加速或 减速，执行机构便可产生具有最优幅值和相位的控制力嘲。 1 3 2 国内外主动消振器技术的研究现状 1 3 2 1 国外主动消振器技术的研究现状 利用反向旋转的偏心质量块产生垂直离心力来抵消船舶主机振动引起 的垂直方向的激振力以减少船舶壳梁振动的消振装置的研制和应用已经有 一定历史了。这种消振装置最基本的工作原理早在1 9 1 1 年就已由 f w l a n c h e s t e r 在他的英国专利中提出，后来被应用在船舶柴油机上，由 主轴驱动偏心质量块，产生垂直方向离心力，抵消柴油机产生的垂直方向 的激振力，达到减振的目的。这种消振装置在船舶上的应用最早可追溯到 本世纪二十年代，在w e d a l b y 所著1 9 2 8 年出版的( t h o m a sl o w eg r a y 一书中作了描述，至于研制和应用独立的电动消振机则主要是近几十年来 发展起来的。目前常见的船舶主动消振装置是用来消除垂直振动的电动消 振机( e l e c t r i cv i b r a t i o nb a l a n c e r ) 。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 9 7 4 年日本石川岛播磨重工业株式会社船舶事业部相生第一工场船舶 设计部研制的一种独立的电动消振机，拖动电动机由船舶电网直接供电， 并通过可控硅控制定予三相绕组高转差率三相异步电动机。这种不带专用 发电机的全自动新型电动消振机被安装在一艘2 6 0 0 0 吨集装箱船上，进行了 大量试验研究后发现：这种系统与由柴油机主轴驱动的消振机相比，总重 量减轻4 0 ，安装面积减少6 5 ，消振效果非常明显。特别是因为它不再 与主机联在一起，可成为一种独立的船舶机械，为以后的各种型号消振机 设计所效法，因而具有重要的意义。到1 9 7 9 年已有3 0 多艘船上安装了这种 消振机。目前最大的消振力达8 吨。1 9 8 0 年已装在6 万散装货轮上，资料介 绍消振效果已达7 0 9 6 左右。 此后，日本西芝电机株式会社继1 9 7 5 年研制出一种自动追从式电动消 振机后，又于1 9 8 0 年研制成功采用滑差电机作消振机拖动电动机的新型自 动追从式电动消振机，1 9 8 6 年又报道新建立了n e b x 一2 5 0 0 e ，n e b y 一5 0 0 0 e ， 陋明一5 0 0 0 e 三个系列产品投入商业运营。十多年来各大公司竞相研究制 造，推出各自的产品系列，发表新的研究论文。这反映了日本造船界对开 发主动消振装置的重视“”。 此外，丹麦g e r t s e n & o l u f s e n 公司生产的振动补偿器( v i b r a t i o n c o m p e n s a t o r ) 已形成系列产品。它主要安装在船舶主机旁，采用三相4 4 0 v 交流电源，通过拾取主机曲轴的上止点和转速信号，对主机的不平衡力矩 进行补偿，安装位置如图1 3 所示。产品包括垂直型( 如c 一1 4 0 h ) 和水平 型( 如c 一8 0 a ) ，最大消振力从6 x 1 0 n 到7 x 1 0 5 n ，目前已在部分商船上使 用1 这些主动消振装置在主动控制船舶纵向振动时通常是有效的，但消振 力通常只能用停机增减偏心块重量的办法实现有级调节，一般分五档或六 挡。从2 5 k n 到2 0 0 k n 不等。由于需要停机人工调节偏心块，不能连续、实 时地改变消振力，使其在根据船舶运行状况，灵活、准确地控制船舶振动 方面受到很大限制。 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 3 安装在主机旁的振动补偿器 科甩在运行中能自动改变相位和力幅的作动器来控制船舶振动方面的 研究在日本和韩国曾经开展过并取得了一些进展。上世纪9 0 年代中期韩国 釜山大学研制了一种新型主动式消振装置，能做到实时跟踪振动响应的相 位与幅值，克服了上面介绍的几种消振装置的缺点。它是通过改变不平衡 质量的偏心距来调节力幅，其结构如图1 4 所示。消振力调节机构由连杆、 偏心质量、移动部分和导轨组成，左端连杆轴向固定，右端连杆与移动部 分铰接。位置控制电机为交流伺服电机，它通过位置控制驱动带驱动丝杠 使移动部分沿导轨做轴向移动，使偏心质量的偏心距可以在6 9 1 至 1 1 8 5 m 范围内连续调节，消振力幅值的改变量与偏心距的改变量成正比， 当转速为6 0 0 r m i n 时，消振力的输出范围为1 5 k n 至2 6 k n 。相位控制电机 为交流感应电动机，能通过相位控制驱动带驱动偏心质量在9 0 至9 0 0 r m i n 转速范围内转动。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图i 4 釜山大学主动消振装置结构示意图 通过对两艘大型商船的上层建筑振动的控制实验证明，这种主动消振 装置可将振动水平减少到非控水平的1 6 一i 2 。这种主动消振装置显示出 了良好的消振性能，具有很好的应用前景“”。 1 3 2 2 国内主动消振器技术的研究现状 目前，我国关于主动式动力消振器技术的研究还较少，尚没有相关资 料介绍国内开发生产的消振器。 斯特林制冷机运行时，其压缩机和膨胀机分别以直线电机推动活塞沿 轴向做一定频率的高速往复运动，产生较大的基频( 制冷机的工作频率) 和二倍频的振动。中国科学技术大学的王永副教授等学者研制了一个主动 减振器系统，减振器主要包括质量平衡块、直线电机及其相应的控制模块。 通过设计合适的控制律，控制直线电机作往复运动，以推动平衡块产生与 制冷机大小相等、方向相反的运动，达到主动消振的目的。使用这种方法 基频振动和倍频振动都得到了较好的控制，其中基频振动幅值从2 6 岬1 降 到1 3 i l m ，倍频振动幅值从0 9 i m 降到0 5 呻& m m “。 ? 0 2 研究所提出的船用自动消振机是利用控制电机驱动两对共四个质 量相同的偏心质量块同速反转，产生一个按正弦曲线变化的消振力。其结 构如图1 5 所示。船用自动消振机的消振力幅值和相位是可调的，振动幅值 的改变是通过调整两对偏心质量块之间的相位差实现的。不过其控制系统 仍准备使用模拟式锁相控制。 7 里尘圣三堡奎耋窑圭兰甚鎏銮 蝙码罂 图1 5 船用自动消振机结构图 哈尔滨工程大学动力装置研究所研制的主动式动力消振器，它采用三 相异步电动机作为动力源，驱动主动轴和从动轴上的偏心质量同步反向旋 转，产生相应的消振力。异步电机的调速是利用d s p 控制交流变频器实现 的，消振力的调节是通过手动调节调整齿轮的轴心位置，使偏心质量间的 夹角随之改变来实现的。捎振力的幅值可以在0 至7 2 0 k n 范围内连续调节 “目 还有如天津海运股份有限公司研制的n e b _ q - 8 0 0 0 e c 型自动同步振动 平衡罂“、华中理工大学研制的相位差自动给定和切换的锁相控制电动消 振装置等等o ”。 整体而言，目前国内的船用主动消振装置在跟踪国外技术的同时，在 机械结构、控制方式上都有所创新，但离实用化、系列化、商品化的目标 还有很大差距。 1 4 本文的研究目的、意义及主要内容 上世纪七十年代以来，国外对于主动消振装置已经作了许多开发研究 工作，大量的实船试验研究充分证明了电动消振装置确实是一种解决船舶 振动问题的有效方法和设备。对于已经建造完成而振动相当剧烈，又难以 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用一般的办法补救以消除振动的船舶，采用电动式主动消振器无疑是一种 值得考虑的合适的方案。迄今为止，我国在电动式主动消振器的技术领域 研究还较少，国内尚没有主动消振装置产品，与国外的开发应用水平差距 巨大。因此，在这个领域有大量的研究和开发工作要做。 本文主要研究主动消振技术及其在船舶振动控制中的应用，内容如下： 1 通过建立主动消振的数学模型系统地阐述了主动消振的基本原理， 结合对船舶振动特性的分析，论述了主动消振技术在船舶振动控制上应用 的可行性。针对本文研究的实验台架的振动特性进行了仿真和实验研究， 从而确定系统的振动特性。 2 结合可调节控制力的电动式机械作动器及其控制系统的实际需要， 应用相位及偏心距解析法针对本文研究的主动消振实验台架进行了主动消 振的仿真研究，来验证这种控制算法的准确性和实用性。 3 在对原有台架进行改造的基础上，运用q m a c 语言与v b 语言的联合 编程，实现控制系统的精确从动。并将其运用到了主动消振实验币 4 在实验台架上利用可调节控制力的电动式机械作动器及其控制系 统，应用相位及偏心距解析法进行了的主动消振试验。 5 本文提出了最佳素数寻相法，并运用m a t l a b 语言进行仿真研究 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章主动消振实验台架的特性分析 在建立船用电动式作动器主动消振台架前，需要先建立主动消振的数 学模型。受控对象假定为船舶尾部甲板，而船机桨均为船舶尾部的主要激 励源，所以应先分析其结构及振源，同时还需要对薄板进行振动分析。 2 1 结构振动主动控制的数学描述 以个自由度的受控结构在干扰力和控制力作用下的运动方程一般可以 表示为如下的形式： m 碧o ) + c x ( o + 置工o ) = t d j f o ) + b 嘶) ( 2 一1 ) 式中：m 受控结构n x n 阶的质量矩阵 c 受控结构n x 露阶的阻尼矩阵 i 受控结构雄 阶的刚度矩阵 石结构 阶的位移向量 j 结构开阶的速度向量 j 结构一阶的加速度向量 ，阶干扰力向量 u ，阶控制力向量 见相应于描述结构运动坐标的干扰力以_ ，阶位置矩阵 忍相应于描述结构运动坐标的控制力n x l 阶位置矩阵 引入状态向量z = 讧tj 7 f ，则运动方程( 2 - 1 ) 可以表示为以下状 态方程的形式： 2 0 ) = 叫z ( f ) + d f o ) + b u ( t ) ( 2 2 ) 式中：一用状态方程描述的结构系统特性矩阵 d 相应于描述结构状态坐标的外干扰力位景矩阵 矗相应于描述结构状态坐标的控制力位置矩阵 1 0 一= 艮置乙。c ：。 庐瞄止 d = 瞄见l 现代控制理论的主要特点之一是观测和控制，即在实时观测的基础上 实施实时控制，亦即反馈控制，以期达到最优的控制效果。假设结构系统 部分或全部的状态、干扰力和控制力的m 阶输出方程可以写成为 嘶) = c o z ( o + o o f ( t ) + 岛嘶) ( 2 3 ) 式中：c 一一结构系统的m 2 n 阶状态输出矩阵 上 一结构系统的所r 阶干扰力输出矩阵 嘞结构系统的m x p 阶控制力输出矩阵 它们的形式取决于观测的项次和观测的方式，即部分或全部观测和直 接或间接观测。 2 1 1 主动消振系统的反馈控制数学模型 结构振动主动控制算法是在设定的最优控制目标下，根据状态方程 ( 2 2 ) 和( 2 3 ) 确定最优控制力向量u ( f ) 线性最优反馈控制算法确定 的最优控制力向量可以表示为状态( 或输出) 和或干扰力反馈线性组合的 形式。假定表示为以下一般的形式： u o ) = 一g o f ( t ) 一q 石o ) 一仍岩( f ) 一g ，碧o ) ( 2 - 4 ) 式中：q ( = 1 ，2 ，3 ) 恰当阶数的反馈增益矩阵。 将式( 2 - 3 ) 代入方程( 2 - 1 ) ，得到 ( 膨+ 岛g 3 ) ：i ( f ) + ( c + 岛g 2 ) j ( f ) + 暖+ 岛g 1 ) x ( f ) = ( b + b s g o ) f ( t ) ( 2 - 5 ) 由此可见，结构振动主动控制是通过改变干扰力和结构质量、阻尼与 刚度等动力特性来控制结构的振动响应，由于采用的回路不同，可能是上 1 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 述四个因素的全部或部分。 对于振动主动控制中的主动消振来说，就是要用控制力来消减干扰力， 也就是使见，( f ) + 以( ，o ) 卸，即( ，e ) = 一，( f ) 见，以，g o = d s ，毛。 当未旌加控制力即，( f ) = o 时，( 2 - 1 ) 式可写成 肘宕o ) + c j r ( o + 置x o ) = 峨f ( f ) ( 2 6 ) 用模态坐标表示上式，令 x(o=oq(t)(2-7) 式中：g o ) 1 阶模态坐标向量，g o ) = l ( f ) 翻 o 万栉阶特征函数矩阵 并且有 0 7 m o = i 0 7e m 号f 锄鹅【2 轰鳓】 西7 置m = ，p ：d i a g 瞬】 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 式中：f = 1 ，2 ，刀 同时令，。o ) 卸k ，o ) ，则有 茸o )+ 日尊o ) + w q ( t ) = 0 7f o ) ( 2 1 0 ) 由此得到解耦方程： 耷，+ 2 螽q 香，+ q 2 q ，= 眵i rf ( f ) ( 2 1 1 ) 如果外干扰力是周期性的，则f o ) 为频率为脚的，个正弦激励干扰力 ( 此干扰力的作用点位于动力载荷所在的结构空间) ，并且有 ， f ( f ) = 彳咖甜 ( 2 1 2 ) 扭i ， 则泖o ) = 艺九s j n 耐 ( 2 1 3 ) m 由方程( 2 - 1 1 ) 和( 2 - 1 3 ) 可得到g ，的稳态解： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 壹办z 。 铲瓯苟磊开嘶叫 。1 。 式中：尹= 嘴 - 2 靠q b 2 一彩2 ) j 若对结构施加一个，阶控制力矢量嘶) ，则( 2 6 ) 式变为( 2 一1 ) 式， ， 令u 母) 啦u o ) ，u ( f ) = 甜：s i i l 耐，则方程( 2 1 4 ) 变为 k = l 杰九z + 壹九。： 铲瓯i = i 可磊k 。l 开咖协+ 力 若杰九彳+ 杰九”：6 一1 6 ) i l lk = l 则所产生的控制力会使扰力的响应相应减小，因此所施加的控制力为： ( 2 - 1 7 ) 当然，这里施加的控制力要考虑幅值、相位以及施加位置的要求。 若对基频干扰力施加一个控制力，= r = 1 时，则有 1 ， 越= 础 ( 2 1 8 ) ”l i i 咀 从式( 2 1 8 ) 可以看出，控制力与干扰力反相，即控制力为等效的反 相的干扰力若结构中只有一个干扰力，当i = p 时，有 一 l i = ( 2 1 9 ) 丹1 若( 2 1 9 ) 式中的控制力与干扰力施加位置也相同，则有u o ) = 一所) 。 因此通过施加一个与干扰力大小相同、相位上相反的控制力，可以消除受 控结构对干扰力的响应。这就是主动消振的基本原理。 一办办一九 乙趸卜v台m 土办 = ，k 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用误差信号作为基准得到输入控制的反馈控制是目前应用最广泛的主 动控制形式，但它有一个性能限制，它不可能把误差信号降为零，因而也 就没有输入控制。产生的误差信号越小，控制增益就越高，系统也就越不 稳定。 如果以某种方式用与即将发生的干扰相关的参考信号作为控制输入， 并据此产生一个控制输出，与在应用点的主要干扰力的相位相差1 8 0 。 就能大幅度地削弱干扰，这就是前馈控制。前馈控制经常能提供比反馈控 制系统更大的削弱干扰的能力。直观判断，前馈控制系统可看作是预防干 扰，在干扰到达时产生削弱干扰的输出，而反馈控制系统在能削弱干扰之 前必须等待，直到干扰已经发生，并且在系统输出处被测量到时才能开始 起作用。如果参考信号和误差信号之间关系合适，前馈控制在理论上可使 误差信号为零。 在主动消振的许多应用中，对即将发生的振动进行一定的预测是可能 的。如当振源是旋转机械时，振源振动是周期性的，。而可供使用的转动测 量信号与振源振动相关。因此，主动消振控制系统可以将旋转机械的的转 速或转角作为参考信号，提前预测主要干扰力的频率和相位，使输出的控 制力与干扰力同频反向，从而达到消弱振源振动的目的。前馈和反馈控制 可以被应用于同一个控制系统中，以便能最大限度地削弱主要干扰力，同 时还能对非主要干扰力进行一定的削弱。 2 1 2 主动消振系统的前馈控制数学模型 由于船舶振动的主要振源往往是主机、螺旋桨等旋转机械，因此，船 舶主动消振系统非常适合应用前馈控制。这时，可以将主动消振的控制模 型看作多输入一多输出前馈控制，其控制结构如图2 1 所示。图中的各个 量及其传递关系均以频域形式表示，d i d 为受控对象在无控时的输出，s l 园 为对应干扰输入，( 园的受控对象的传递特性矩阵；占( d 为受控对象在有控 时的输出，z i d 为当控制输入为酬耐时计及作动器与受控对象特性的输出， c ( 翻为控制传递特性矩阵，g l d 为前馈控制器特性矩阵。 主动消振系统采用前馈控制的目的就是要选择g 园，使有控输出e i 国 尽可能地小由图2 1 可得到 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 五( 国= 杏，( 园+ c u ( 司 ( 2 2 0 ) 图2 1 主动消振前馈控制结构图 下面讨论受控为一类分布参数系统的情况下占( 园的表示。 首先，结构响应 l ( 尸，彩) 可表示成模态线形叠加的形式，即对任一位置 p ，有： 动= 靠咆( p ) ( 2 2 1 ) 式中：吼( 功一第乃阶模态坐标的频域表示 e 。( 一第疗阶特征函数 响应中计及的模态数 p 响应的分布位置 模态坐标下的响应可写成 广g -h1 鳊= l 觚眨弛b ( 2 2 2 ) 旧 m f f i l j 其矩阵形式为 g = _ 日( 园 伊( 国+ 叫日 ( 2 2 3 ) 式中：f b 荆d 磅l 产- 。】。，驴阻。】。 用磅= 葡日互( 曰露( 司1 书( 国q ( 园吲斫 h ( a ，) f d i a g lq ( c o ) 皿( 纠风( 功巩( c o ) l 厶对应第七个干扰力最白) 的第万阶单位模态干扰力 l s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 “。对应( p ) 的第雄阶单位模态控制力 日第万阶单位模态频率响应函数 它们分别表示为 。 厶= l 中。p 犰( p 舻 ( 2 2 4 ) 式中：五( 砷第k 个干扰力的空间分布函数 “。= f p 西。( p - 。( p 舻( 2 - 2 5 ) 式中：( p ) 第m 个控制力的空间分布函数 风0 ) 2 万孑而1 ( 2 - 2 6 ) 式中：q 第雄阶固有频率阻尼比 第疗阶模态阻尼比 ，式( 2 - = 2 3 ) 的成立已假设结构模态相对于质量分布进行了规一化。 如果存在，个测点，并考虑传感器的特性，那么有控输出或响应为 骂= 矗，i = 1 , 2 讧 a f f i l 写成矩阵形式，即为 五= 坦归+ 即喇 式中：产k k 耳国书( 司互( 园辱( 妒互( 甸 r ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 对应第，个测点的第疗阶模态输出量，它取决于传感器本身 的特性及其分布特性( 集中式或连续式) 。 这样，把式( 2 - 2 8 ) 与式( 2 - 2 0 ) 联系起来，取得 s ( 国= 诏( 咖( 2 - 2 9 ) c = 讲( 2 - 3 0 ) 按照前馈控制的功能，通过构造与结构响应密切相关的代价函数并对 其最小化处理，可获得控制输入的最优频率结构，通常取这种代价函数为 各测点的结构响应的均方值，即 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 厶- j 尹五 ( 2 3 1 ) 将式( 2 - 2 8 ) 代入( 2 - 3 1 ) ，使以相对于控制输入u t 国取最小值，则 不难得到 u ( 国一【( 讲( 园功飞值( 园u ) 】1 ( 僭即) 飞氓( 砌f ( 园 = g ( 印) f ( 国) ( 2 3 2 ) 不失一般性，在单输入一单输出控制情况下，上述关系可简化为 v 。h 。 阢园一等一，( 功 ( 2 3 3 ) k 圩。 d 此时，对受控结构系统的动力特性作进一步分析，可以得出结论：前 馈控制的实质是促使受控结构具有新的动态特性，且这种动态特性( 含特 征值与特征函数) 仅仅依赖于控制输入与输出测点的分布位置，分别对应 模态控制力脚与模态输出量，而与干扰输入无关。、这意味着芦旦作动器 加载点与传感器测量点被选定，受控系统的特征结构便完全确定，且系统 的动力响应特性也随之确定n 町。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 主动消振实验台架的结构 l “ l l ! i i 爿目i 。剥 l ：l 一 馨 - r r o ； e - - ) ； + - 一 i j 一 - ： j 卜 l j ： ，i * 圭。 a 一； -， 喇 1 一钢板2 一筋板3 一合页4 一安装孔5 一槽钢 图2 2 实验用被控板结构图 如图2 2 所示，实验用受控结构是一块2 6 3 0 m i n x1 3 0 0 m i n xl o m m 的 钢板，钢板上钻有2 4 个安装孔，以便作动器和激振器可选择不同的固定位 置。钢板四周由6 3 m m 高的槽钢垫起，槽钢上还安有合页，使槽钢对钢板 构成铰支撑。为了防止钢板塌腰，钢板下面还纵横焊有悬空的筋板，使整 个受控结构具有适当刚度并与地面固定良好。受控结构之所以设计成这种 形式，是为了更好地模拟加筋嵌板这一船体甲板局部的典型结构特性。 实验过程中所需要的振源安装在图2 2 中所示的右侧，有三个位置可 以变换；作动器安装在图2 2 中所示的左侧，也同样有三个位置可以交换。 激振力是用三相异步电动机驱动偏心块转动产生的，还可通过用螺栓在偏 心块上固定不同质量的调整块来调节激振力的大小。如图2 3 所示； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 一电机2 一电机支架3 一联轴器4 一轴承5 - - 支架6 一调整块 7 一偏心块8 一花键9 一螺栓l o 一轴1 l 一轴承1 2 一底座 ；，。，图乙3 电动激振器机械结构示意图 作动器由两台步进电机驱动，其中一台步进电机驱动螺纹丝杠，以改 变偏心质量块的偏心距来达到改变控制力的目的，另一台电机驱动齿轮由 齿形皮带带动偏心质量，以某一固定的转速旋转，还能实现相位的改变以 消减振源产生的有害振动。作动器及步进电机的结构如图2 4 所示： 图2 4 可调节力机械作动器 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这种可调节力机械作动器与其它主动消振装置在机械结构上的最大不 同之处，在于能够通过调节偏心距的大小来调整所产生的离心力的幅值。 不但频率跟踪精度较高，而且在运行期间控制力幅可任意调节，即在转速 一定时可以通过偏心距的大小来改变控制力的大小。 用于船舶主动消振时，这种可调节力机械作动器的控制系统能够根据 相应的控制策略，利用传感器的反馈信号，通过驱动机械作动器伺服电机 转动，使作动器产生的振动响应始终和振源引起的结构振动响应同频反相； 同时通过调整机械作动器偏心距的大小，可以使作动器激起的结构振动响 应幅值始终和振源激起的结构振动响应幅值相等。如果在受控结构上作动 器产生的控制力的响应始终和振源的激振力产生的响应大小相等方向相 反，就可以减弱振源引起的有害振动。 由于这种机械作动器产生的控制力在方向和位移上是按正弦规律变化 的与主机等旋转机械产生的激振力的变化规律相吻合，产生的控制力幅也 较大，可以方便地安装在船舶主机旁、上层建筑及船尾等部位，对由主机 角频率产生的单阶谐波结构振动响应进行消减。由于被控结构是矩形薄 板，其所模拟的实际船舶尾甲板也是由若干个矩形薄板的结构构成的，所 以有必要对矩形薄板进行振动分析。 由于此台架的特性前人曾作过一些方面的分析，但没有对作动器的布 置位置进行分析，所以本文准备做一些作动器位置布置的分析。利用 a n s y s 软件对台架进行的仿真分析，得出了一些与前人的分析结果不同 的结论。在本章的后两节中将给与详细的介绍。 2 3 主动消振实验台架模态分析 2 3 1 主动消振实验台架模态计算 有限元法是一种采用电子计算机求解结构静、动态力学特性等问题的 数值解法。在机械结构的动力学分析中，利用弹性力学有限元法建立结构 的动力学模型，进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及动 力响应。由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优 哈尔滨工程大学硕士学位论文 点，目前已成为现代机械产品设计中的一个重要工具。 a n s y s 软件是一种大型通用以有限元分析为基础的c a e 软件。目前已广 泛应用于结构静力分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场 分析以及流体力学分析等许多领域。它不仅功能强大而且界面友好，还提 供了可与其它c a d 软件进行数据交换的数据接口。本文利用a n s y s 9 o 软件对 主动消振试验台架进行结构静、动力学分析，以检验试验效果。 2 3 i 1 主动消振实验台架a n s y s 模型 使用a n s y s 9 0 软件建立受控结构的有限元模型并进行结构的动力学 分析。用m a s s 2 1 质量单元模拟振源和执行机构的有限元模型，试验对象为 加肋薄板结构，本文用s h e l l 6 3 壳单元模拟薄板结构，用b e a m l 8 8 梁单元 模拟加强筋。 。 图2 5a n s y s 中建立的主动消振实验的被控对象 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 6a n s y s 中建立的主动消振实验台架 由于安装在平板上的执行器和振源本身的振动频率较高，在所分析的 频段内可以近似为刚体结构。为简化模型，可以先在的质心位置建立质量 单元，在执行器的电机的安装位置设为刚化区域，如图2 6 所示。 2 3 1 2 主动消振实验台架a n s y s 模态分析结果 由于执行器和振源的位置不同将导致不同的结构振动特性，这会对被 控对象的振动响应产生影响。下文分别计算了执行器在三种不同位置时结 构的固有特性。利用a n s y s 软件进行受控对象的有限元模型的模态分析， 受控对象有限元模型的前3 阶模态的固有频率值依次为1 7 1 8 5 h z 、1 7 2 7 3 h z 、5 9 2 7 5h z 。如图2 2 所示，左侧1 2 个安装孔上所画矩形虚线的位置 为作动器的位置l ，作动器向右侧平移一个孔的位置为位置2 ，从位置2 再向右侧平移一个孔的位置为位置3 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 7 位置l 时的第一阶振型 图2 8 位置1 时的第二阶振型 图2 9 位置1 时的第三阶振型图2 1 0 位置2 时的第一阶振型 图2 1 l 位置2 时的第二阶振型图2 1 2 位置2 时的第三阶振型 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 3 位置3 时的第一阶振型图2 1 4 位置3 时的第二阶振型 图2 1 5 位置