电动式主动吸振技术研究

第$7卷第$期6&&$年0月

振动工程学报

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电动式主动吸振技术研究

张洪田

李玩幽

刘志刚

哈尔滨#$%&&&$’

哈尔滨工程大学动力工程系"

摘

要

研制了一种电磁式主动吸振器#并将之与被动双层隔振系统相结合形成组合减振装置(针对船舶柴油机

开发了基于)*进行了数值仿真及模拟柴油机台架减振效果试验,试验结的振动特点#)+算法的自适应控制器#

果表明-该装置对复杂振动具有良好的控制效果,关键词-振动(主动吸振器(自适应算法中图分类号-$01$./$

作为振动控制领域的重要问题之一#主动式动

力吸振器近年来发展迅速2,被动式动力吸振器有

磁性材料#外壳为非导磁材料,线圈5顶杆与固定架一体与减振对象固连(外壳5磁钢及磁极环一体构成吸振器的动质量(固定架与动质量"减振对象与动质量’之间由弹簧连接#悬挂频率较低#该频率决定吸振器有效频带的下限#本吸振器的下限频率为产生的电动力作用和反作$&,当线圈通有电流#/;

用力分别作用在吸振对象和动质量上,控制电流大小#便可调节施力大小以达到控制吸振对象振动目的,

63$46电动式主动吸振装置及工作原理2

效吸振频带狭窄#且不可调节#而主动式动力吸振器可以根据主振系统状态#自动调节结构参数及其振动状态#实现宽频带吸频#从而大大拓宽了动力吸振器的使用范围#提高减振效果,

本文研制了一种电动式主动吸振执行机构#设计了自适应控制器#建立了相应的测试控制系统#从而形成了电动式主动吸振装置,仿真及试验研究结果表明-该装置具有良好的振动控制效果#而且工程布置灵活#是一种具有广泛应用前景的新型主动减振装置,

主动吸振装置如图6所示-<为模拟柴油机激振力(柴油机#为双层隔振系=$为模拟的减振对象"统的上层质量块’#=6为双层隔振系统的下层质量两者通过减振器相连#减振器的刚度和阻尼分别块#

为>刚度和阻5,连接下层质量与地基的减振器#?$$

尼分别为>5(5?=05>?6600和力发生器@是主动吸振器的简化模型,在这里#它作为一子系统和下层质量块=6相连#它的力发生器@产生的控制力<$分别作用于=6和=0,方程如式"$’

BDEAD=$A"A’C>"A’F<$C?$$6$$EA6

BDE?DE?DC=6A?’AAA6C"$C?6C?06$$00

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">’AAA$C>6C>06E>$$E>00FE<$

BDEAD=AC?"A’C>"AEA’F<00

$电动式主动吸振装置及工作原理

$4$电动式主动吸振器结构

主动吸振器结构如图$所示,由顶杆$固定架6

图$电动式主动吸振器结构示意图

控制系统不断地调整<$来减小激振力<传到地基上的值,减小=6的振动加速度#也就相当于减小传到地基上的激振力,因此#这里将=6的加速度信号定为评价指标#并作为误差信号加以反馈来调整控制器的参数,

悬挂弹簧0直线轴承7磁钢%线圈8磁极环9和5555

外壳:构成,其中磁钢为导磁性材料#磁极环为永久

收稿日期-修改稿收到日期-$ZZZ[&0[6%(6&&&[&$[$&

++@

振动工程学报

第+@卷

图!主动吸振原理布置图

!基于"#"$算法的自适应控制器设计

在实际控制过程中%由于输入通道的耦合与误

&’(

使得标准的#差通道的延迟问题%"$算法应用很

困难)

过的环节%具体包括:功率放大器=执行器=下;<=层质量=误差传感器=电荷放大器及<;信:等环节)号在处理和传递过程中产生延迟和畸变是必然的%必须进行有效的补偿)

解决上述问题的有效方法是设置一自适应延迟补偿滤波器%目的是补偿误差通道的畸变和延迟)当自适应主滤波器输出8时%在误差传感器处有振.0/动响应8.0)使得/>8./028./4?0.@0>这样就使8这个信号仅是8这个信号延迟.0.0//>

?步后产生的)设由激振力引起的下层质量块的振动信号为A当施加主动控制力后%可得到误差信.0%/号

>./02A./038./0.B0>

增设一个延迟补偿滤波器%其传递函数事先得

’(

出&)当此滤波器收敛后有

!*+输入通道的耦合问题与去耦滤波器

对于主动吸振系统而言%控制作用在降低减振对象,!振动的同时%也会对,+的振动产生影响)

使得输入通道传感器拾取的振动信号-是由外.0/+激励力和控制力共同作用的结果)设系统没有施加控制力时,+振动响应为-施加控制力后,+响.0%/

应为-控制力对,+耦合作用响应为-则.0%.0%//+1有

-./02-./03-./0+1

.!0

信号进入主滤波器前应排除控制力影响%获得原始振源振动信号作为主滤波器的输入%否则将造成控制效果恶化%甚至失稳)解决的方法是设置一个自适应去耦滤波器

-./02-./0456/08./0+7.9

.’0

去耦滤波器的权向量56由标准#0/"$算法离线7.

得到%事先放在系统中)!*!误差通道延迟补偿问题与延迟补偿滤波器

万方数据

误差通道是指控制器输出到下层响应信号所经

8./028./4?0256./4?0-./4?0.C0>

式中5.为#4?0/"$自适应主滤波器的权向量%为#.4?0-/"$自适应主滤波器去耦后的输入向量)

则误差信号可写为

>./02A./0356./4?0-./4?0.D0进一步利用标准#"$算法权向量收敛条件与性质%利用瞬态误差梯度修改滤波器权向量%则主滤波器权系数更新方程为

5./3+025./04!7>./0-./4?0.E0

并可简单归"#"$算法控制原理如图’所示%纳如下

第0期张洪田等P电动式主动吸振技术研究

00O

图!"#"$控制原理及主动吸振试验装置系统布置示意图

%’()*+,().’()&-’/

%’()*%’()1+,().’()0-’/.’()*+,’()%’().’()*+’().’()/.’()*.’(13)2

*+,’(13)%’(13)

2’()*4’()5.’(13)

!主动吸振系统减振性能仿真分析

!;0系统模型的建立

’:)

>>>选取质量<0=???<9=<!的速度和位移%%%09!

经推导?将式’写成状态??0)%%%09!作为状态变量?空间的形式

@@5C@%*B%D’0E)

FF分别为质量F??%%<9?<!的加速度G%<0?09!

E0E<0

09!

!<!

EE0E!<91!<!A

+’(50)*+’()19-2’()%’(13式中

1B*<0

0<0E

EEEE1

EEE<0

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EEEE!<91!<!

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万方数据

++9

振动工程学报

第+%卷

!"#仿真计算与分析

将实船测量的柴油机振动信号按仿真步长加以仿真计算结果由图%采样然后应用于仿真计算中$给出

主动吸振器8其它辅助仪表&在进行单频激振时$由信号发生器发出频率单一的正弦信号经功率放大后激励上层质量&评价指标为下层质量的振动加速度响应$在+频带中$控制器工作后减振效-6+9:34

双层果达到+;<!6#,"%&当激振频率继续上升$=>被动隔振系统减振效果显著$激振器激起下层质量的振动响应很小$主动吸振器可以几乎不工作&去掉信号发生器$将实船测量的柴油机工作在转速+,!-/.012时的振动信号由磁带机放出经功率放大

器驱动激振器$使上层质量模拟柴油机振动&评价参

’(

)

控制前’*

)控制后图%模拟柴油机振动控制前后’+,!-./012

)下层质量的加速度响应’频域)

主动吸振器有效频段的低频截止频率取决于无控条件下吸振器的固有频率’本文设计的吸振器为+-34)$高频截止频率可达!---34&减振对象’柴油机)的振动频率一般分布在中低频带内$原有双层被动隔台架能有效减小中高频振动&在仿真中采用截止频率为+5-34的低通滤波器$即吸振器有效工作范围为+-346+5-34&仿真结果表明$主动吸振器在有效工作频率范围内减振效果明显&在原双层隔振共振频率点主动吸振器减振能力得以充分发挥$减振效果尤为显著&

%模拟主动减振实验研究

主动吸振试验装置系统布置仍如图!所示&主要由以下几个部分组成7双层隔振试验台8激振器8拾振装置’万方数据

加速度传感器和电荷放大器等)8控制器8数仍为下层质量?#的加速度响应$单位为0/@#&为了观测组合式减振装置的减振效果$低通滤波器的

截止频率选!--34

&实验结果如图5示&由图5可见$主动吸振装置对于具有复杂周期特点的柴油机振动减振效果良好&通过与仿真结果比较发现$实验与仿真所揭示的主动吸振器的减振规律基本一致&只是在减振量级上仿真优于实验&这是因为影响实验减振量的诸多因素远较仿真假定的理解条件复杂&表明所建立的仿真模型与方法正确$可以用于指导实验研究或为实际工程振动控制系统设计提供参考

’(

)

控制前’*

)控制后图5模拟柴油机振动控制前后’+,!-./012

)下层质量的加速度响应’频域)

第)期张洪田等(电动式主动吸振技术研究

))!

!结论

本文针对船舶柴油机及其装置振动的特点与规研制了一种电动式全主动吸振器"应用改进的律"

设计开发了自适应控制器#$%算法&$#$%算法’

包括硬件系统和软件系统’主要结论如下(&"首次提出并研制了一种新型电动式主动吸&)’

振器*该吸振器有效频率范围宽"工作稳定可靠"能源消耗低"而且工程布置灵活"是一种较为理想的主动吸振执行机构*