本發(fā)明涉及涉及艦船的一種減振降噪裝置。

技術(shù)背景

浮筏隔振是應(yīng)用于艦船上的一種減振降噪裝置，其機(jī)理是利用浮筏隔振裝置中彈性元件和中間質(zhì)量的設(shè)計(jì)來衰減振動(dòng)能量，使艦船殼體的振動(dòng)減小。振動(dòng)的半主動(dòng)控制是利用一定的控制策略來自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)，使系統(tǒng)的響應(yīng)處于最優(yōu)狀態(tài)。目前，艦船上安裝的浮筏裝置屬于被動(dòng)控制，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)是固定的，不能隨著環(huán)境和激勵(lì)的變化而進(jìn)行調(diào)節(jié)，若艦船的運(yùn)行狀況發(fā)生變化，隔振效果有可能惡化，將半主動(dòng)控制技術(shù)和浮筏隔振技術(shù)相結(jié)合的半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)，有望進(jìn)一步提高浮筏隔振系統(tǒng)的隔振效果。雖然半主動(dòng)控制技術(shù)在車輛懸架和建筑抗震方面已經(jīng)有了不少成熟的應(yīng)用，但在浮筏隔振系統(tǒng)的半主動(dòng)控制方面，研究成果還很少。實(shí)現(xiàn)浮筏隔振系統(tǒng)的半主動(dòng)控制的關(guān)鍵在于：高性能的可控阻尼器和有效的控制策略。目前上海交通大學(xué)在半主動(dòng)控制浮筏隔振方面做了一些探索性研究，采用的是電流變液阻尼器，理論上可以實(shí)現(xiàn)阻尼力無級調(diào)節(jié)，但是這種可控阻尼器并不理想，并且這種可控阻尼器容易受外界條件影響。他們的控制策略有前饋模糊控制策略、基于變分法的原理得到的優(yōu)化阻尼控制策略、半主動(dòng)靜態(tài)輸出反饋模糊滑?？刂频?，但是這些控制策略都對可控阻尼器的性能要求非常高，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。

在半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)中，控制策略決定了振動(dòng)控制的效果，半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)的控制元件是可控阻尼器。上海交通大學(xué)在半主動(dòng)浮筏隔振的探索性研究中，采用的前饋模糊控制策略、基于變分法的原理得到的優(yōu)化阻尼控制策略、半主動(dòng)靜態(tài)輸出反饋模糊滑模控制等控制策略中，其對可控阻尼器的要求是：可控阻尼器是連續(xù)可變的，可控性要求很高、不易于控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，提供一種半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)，以改善控制效果。

半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)，是一個(gè)三層隔振系統(tǒng)，自地面而上依次包括柔性基礎(chǔ)、中間筏體、作為被隔振對象的機(jī)組，中間筏體與柔性基礎(chǔ)之間連接下層隔振器，中間筏體與機(jī)組之間連接上層隔振器，中間筏體與機(jī)組之間還連接可控阻尼器；其特征在于：機(jī)組上裝有用于測量機(jī)組速度的第一傳感器，中間筏體上裝有用于測量中間筏體的速度的第二傳感器，所述的第一傳感器和第二傳感器連接計(jì)算機(jī)；

第一傳感器將機(jī)組的振動(dòng)速度輸入到計(jì)算機(jī)；第二傳感器將中間筏體的振動(dòng)速度輸入到計(jì)算機(jī)；

當(dāng)時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出信號、調(diào)節(jié)可控阻尼器使其處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出信號、調(diào)節(jié)可控阻尼器處于開啟狀態(tài)。

本發(fā)明的半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)的控制方式可以表達(dá)為：

本發(fā)明的可控阻尼器是開關(guān)控制可控阻尼器，即可控阻尼器只有兩種阻尼狀態(tài)：得電狀態(tài)時(shí)，其阻尼為大阻尼，阻尼系數(shù)為con；失電狀態(tài)時(shí)，其阻尼為小阻尼(或無阻尼)，阻尼系數(shù)為coff。針對開關(guān)可控阻尼器，必須要提出新的控制策略及算法。本發(fā)明根據(jù)半主動(dòng)開關(guān)控制浮筏隔振系統(tǒng)機(jī)組和筏體的振動(dòng)速度進(jìn)行進(jìn)行運(yùn)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果切換可控阻尼器的開或關(guān)，使可控阻尼器處于得電、失電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)阻尼參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)而控制浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)。

本發(fā)明采用了基于天棚阻尼控制的開關(guān)控制策略，天棚阻尼控制是d.karnopp利用最優(yōu)控制理論在1974年提出來的一種應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)的主動(dòng)控制策略，天棚阻尼控制實(shí)際是形象化的最優(yōu)輸出控制反饋控制方法。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):可控阻尼器只有開、關(guān)兩種狀態(tài)，容易實(shí)現(xiàn)，也容易控制；可控阻尼器只在得電狀態(tài)下耗能，需要外界輸入的能量少；半主動(dòng)浮筏隔振系統(tǒng)的隔振性能明顯優(yōu)于一般的浮筏隔振系統(tǒng)，開關(guān)控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的控制原理圖。

圖3是采用本發(fā)明和未采用本發(fā)明的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖，其中圖3a是4hz正弦波激勵(lì)信號時(shí)基礎(chǔ)加速度的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，圖3b是5hz正弦波激勵(lì)信號時(shí)基礎(chǔ)加速度的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，圖3c是10hz正弦波激勵(lì)信號時(shí)基礎(chǔ)加速度的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，圖3d是12hz正弦波激勵(lì)信號時(shí)基礎(chǔ)加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

圖4是本發(fā)明的計(jì)算原理圖

圖5是天棚阻尼系統(tǒng)模型的示意圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)，是一個(gè)三層隔振系統(tǒng)，自地面而上依次包括柔性基礎(chǔ)、中間筏體、作為被隔振對象的機(jī)組，中間筏體與柔性基礎(chǔ)之間連接下層隔振器，中間筏體與機(jī)組之間連接上層隔振器，中間筏體與機(jī)組之間還連接可控阻尼器；其特征在于：機(jī)組上裝有用于測量機(jī)組速度的第一傳感器，中間筏體上裝有用于測量中間筏體的速度的第二傳感器，所述的第一傳感器和第二傳感器連接中央處理器；

第一傳感器將機(jī)組的振動(dòng)速度輸入到計(jì)算機(jī)；第二傳感器將中間筏體的振動(dòng)速度輸入到計(jì)算機(jī)；

當(dāng)時(shí)，中央處理器輸出信號、調(diào)節(jié)可控阻尼器使其處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，中央處理器輸出信號、調(diào)節(jié)可控阻尼器處于開啟狀態(tài)。

本發(fā)明的半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)的控制方式可以表達(dá)為：

本發(fā)明的可控阻尼器是開關(guān)控制可控阻尼器，即可控阻尼器只有兩種阻尼狀態(tài)：得電狀態(tài)時(shí)，其阻尼為大阻尼，阻尼系數(shù)為con；失電狀態(tài)時(shí)，其阻尼為小阻尼(或無阻尼)，阻尼系數(shù)為coff。針對開關(guān)可控阻尼器，必須要提出新的控制策略及算法。本發(fā)明根據(jù)半主動(dòng)開關(guān)控制浮筏隔振系統(tǒng)機(jī)組和筏體的振動(dòng)速度進(jìn)行進(jìn)行運(yùn)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果切換可控阻尼器的開或關(guān)，使可控阻尼器處于得電、失電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)阻尼參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)而控制浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)。

本發(fā)明采用了基于天棚阻尼控制的開關(guān)控制策略，天棚阻尼控制是d.karnopp利用最優(yōu)控制理論在1974年提出來的一種應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)的主動(dòng)控制策略，天棚阻尼控制實(shí)際是形象化的最優(yōu)輸出控制反饋控制方法，天棚阻尼系統(tǒng)模型如圖5所示。

天棚阻尼系統(tǒng)上部的阻尼要求連接在絕對的慣性參考系中，天棚阻尼算法是對懸架速度的反饋，這種算法主要通過調(diào)整阻尼系數(shù)的大小改變控制力的大小，其控制策略為fd為阻尼力，b為阻尼系數(shù)。在此之前，天棚阻尼控制主要應(yīng)用在車輛的懸架系統(tǒng)中。

半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)，可以用一個(gè)三層隔振系統(tǒng)來表示，如圖4所示。柔性基礎(chǔ)的等效剛度與阻尼可稱為底層支撐的剛度與阻尼，參數(shù)為k3、c3。

在半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)的三自由度模型中，被隔振對象的機(jī)組的質(zhì)量為m1，中間筏體質(zhì)量為m2，柔性基礎(chǔ)質(zhì)量為m3，上層隔振器的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)分別為k1、c1，下層隔振器的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)分別為k2、c2，基礎(chǔ)的等效剛度與阻尼可稱為底層支撐的剛度與阻尼，參數(shù)為k3、c3，可控阻尼器的阻尼系數(shù)是c4，機(jī)組的振動(dòng)位移為x1(t)；中間筏體的振動(dòng)位移為x2(t)，柔性基礎(chǔ)的振動(dòng)位移為x3(t)。

在半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)的三自由度模型中，中間筏體傳遞給基礎(chǔ)的力通過下層隔振器來傳遞，為了減小中間筏體傳遞到基礎(chǔ)的力，可以通過調(diào)節(jié)可控阻尼器來減小中間筏體的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。依據(jù)車輛半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)基于“天棚”阻尼控制提出的開關(guān)控制策略思想，對半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)上層隔振器進(jìn)行分析，以機(jī)組為研究對象，當(dāng)時(shí)，為減小機(jī)組傳遞給中間筏體的能量，從而減小中間筏體的振動(dòng)，此時(shí)調(diào)節(jié)可控阻尼器使其處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，為減小中間筏體的能量，將中間筏體的能量傳遞到機(jī)組，從而減小中間筏體的振動(dòng)能量，調(diào)節(jié)可控阻尼器處于開啟狀態(tài)。從而得到半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)的開關(guān)控制算法：

為了得到更好的控制效果，本發(fā)明的可控阻尼器是開關(guān)控制可控阻尼器，即可控阻尼器只有兩種阻尼狀態(tài)：得電狀態(tài)時(shí)，其阻尼為大阻尼，阻尼系數(shù)為con；失電狀態(tài)時(shí)，其阻尼為小阻尼(或無阻尼)，阻尼系數(shù)為coff。針對開關(guān)可控阻尼器，必須要提出新的控制策略及算法。本發(fā)明根據(jù)半主動(dòng)開關(guān)控制浮筏隔振系統(tǒng)機(jī)組和筏體的振動(dòng)速度進(jìn)行進(jìn)行運(yùn)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果切換可控阻尼器的開或關(guān)，使可控阻尼器處于得電、失電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)阻尼參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)而控制浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)。

實(shí)施例：

由圖1知，浮筏隔振試驗(yàn)裝置主要由機(jī)組、上層彈簧、中間筏體、下層彈簧、可控阻尼器、柔性基礎(chǔ)等組成。

如圖2，在機(jī)組和柔性基礎(chǔ)上分別安裝一個(gè)速度傳感器，機(jī)組的速度與中間筏體的速度分別經(jīng)前置放大處理后傳入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)既定算法進(jìn)行分析處理，如果輸出控制信號使得可控阻尼器開關(guān)處于off狀態(tài)，如果輸出控制信號使得可控阻尼器開關(guān)處于on狀態(tài)。

本次實(shí)施例中的半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)的一階共振頻率在10hz左右，為了驗(yàn)證算法的有效性，分別選取4hz、5hz、10hz和12hz的正弦波進(jìn)行激勵(lì)，觀測半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)在本算法作用下的隔振性能。

4hz的正弦波激勵(lì)時(shí)，由圖3a可知，可控阻尼器在本算法的作用下，此時(shí)半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)加速度響應(yīng)曲線幅值明顯小于可控阻尼器在開啟狀態(tài)下的基礎(chǔ)加速度響應(yīng)曲線的幅值，同時(shí)與關(guān)閉狀態(tài)下的基礎(chǔ)加速度響應(yīng)曲線的幅值相差不大。

5hz的正弦波激勵(lì)時(shí)，由圖3b可知，可控阻尼器在本算法的作用下，此時(shí)半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)加速度響應(yīng)曲線的幅值與可控阻尼器一直處于開啟或者關(guān)閉狀態(tài)時(shí)基本相同。

10hz和12hz的正弦波激勵(lì)時(shí)，由圖3c和圖3d可知，可控阻尼器在本算法的作用下，此時(shí)半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)加速度響應(yīng)曲線明顯小于可控阻尼器未開啟狀態(tài)下的基礎(chǔ)加速度響應(yīng)曲線，同時(shí)繞可控阻尼器開啟狀態(tài)下的基礎(chǔ)加速度響應(yīng)曲線上下小幅度波動(dòng)。

由半主動(dòng)控制浮筏隔振系統(tǒng)不同狀態(tài)下基礎(chǔ)加速度響應(yīng)曲線的對比分析知，相比于可控阻尼器一直處于開啟或者關(guān)閉狀態(tài)，可控阻尼器在本開關(guān)控制算法的作用下，可以比較有效地減小基礎(chǔ)加速度的響應(yīng)。