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Control Engineering Practice 12 (2004) 465–474
船用主动振动控制
S. Daleya,*, F.A. Johnsonb, J.B. Pearsonc, R. Dixond
英国谢菲尔德大学自动控制与系统工程系谢菲尔德S1 3JD，
b BAE SYSTEMS ATC，Great Baddow，Chelmsford，Essex，UK
c BAE SYSTEMS Marine，Barrow-in-Furness，英国坎布里亚郡
d阿尔斯通电力技术中心，英国莱切斯特Whetstone
2003年1月30日收到; 2003年6月11日接受
摘要
在隔离大型海洋机械筏时，一个主要问题是如何最好地减轻激励共振的影响。这些在船体上产生大的力并产生不希望的特征标记。 本文描述了一种新型混合主动/被动安装系统的开发，该系统有可能通过利用数字控制的执行器来消除这种特征，这些执行器在控制结构刚体模式的响应的同时忽略局部位移。 在该论文中还描述了一种用于衰减接收结构中的振动模式的方法。 这通过直接解决放大小力的影响的机制进一步降低了振动水平。最近在全尺寸船舶上成功地证明了主动阻尼方法，并且在开发过程中获得了许多关键结果。
关键词: 海洋系统;主动隔振;主动结构控制;模态控制
1.介绍
工作机械是船舶振动的主要来源，并且致力于开发减少向船体传输的隔离系统。 这部分是为了改善船员和乘客的舒适度，但是，对于海军舰船而言，主要是减少相关的声学特征，因此易受诸如声学地雷或被动声纳等恶劣传感器的检测。
与海洋环境中的机械隔离相关的特殊问题是结构共振。 这在机械支撑结构和船体中都会发生。 这种共振导致在机械支架上传递的非常高的力，并且其中共振频率与船体的模式一致，这引起非常显着的振动问题。
传统上，无源解决方案已被用于解决问题（Crede，1951），但这些解决方案的性能在较低频率下受到限制。因此，对于机械安装和结构控制的主动控制方法的使用存在相当大的兴趣。二十多年来，该一般领域已经成为大量研究和开发活动的主题，并且已经提出了各种系统和方法（参见例如Inman，1989; Fuller，Elliott，＆Nelson，1996）。该技术已经达到了这样的成熟水平，现在商用的有源系统被用于诸如飞机机舱降噪（Stothers，2002）和高层建筑结构控制等领域（Koike等，1994）。
尽管有这种发展，但海洋工业对这项技术的采用仍然很慢。这部分是由于在许多先前的评估试验中采用仅采用局部控制策略的主动坐骑。虽然这种安装座可以在各个安装座上提供非常高的振动传递减少，但是安装组之间的不利相位关系可以导致不太令人印象深刻的全局性能。尽管最近已经有一些成功的全球控制策略得到了证明（Johnson＆Swinbanks，1996; Daley，1998; Winberg，Johansson，＆Lago，2000），但业界认为表现并不能证明投资成本是合理的。
在本文中，描述了由BAE SYSTEMS和ALSTOM在商业上开发的新的主动控制系统技术，其通过解决机械支撑结构和船体内的共振问题将振动降低到非常低的水平。 这些技术包括主动/被动复合机械支架和主动结构阻尼控制系统。 由于采用了多变量模态控制策略，控制系统的全局性能自然得到保证。 安装技术是先前开发的基于电磁驱动的有源解决方案的更实用和更低成本的开发（Johnson＆Swinbanks，1996; Darbyshire＆Kerry，1997; Daley，1998）。
2. #39;#39;Smart Spring#39;#39;安装系统
2.1．被动方法
振动隔离的标准方法是将船用机械设备安装在框架或筏板上，并将船体从船体上支撑在一组弹性支架上最常见的是橡胶支架。 如果支撑结构表现为理想的刚体，则力传递率曲线（从振动力到传递力的传递函数）将如图1的虚线所示。
然而，在实践中支撑的机械及其筏在某种程度上总是灵活的。结果典型的力传递曲线如图1的实线所示。这里可以看出，在5Hz安装共振频率上，力传递由结构共振支配。这些在安装座处产生大的振幅位移，因此将大的力传递到船体。此外，它们还产生了显着且不合需要的特征标记。
图1. 强制传递理想和真实结构
在可行的情况下，设计无源安装系统，以最小化激发的结构共振的后果。 例如，这可以通过使用被动安装件阵列来完成，该无源安装件布置成在船体上产生接近多极的力，以便最小化向海中的向前声传输（Hartnell-Beavis＆Swinbanks，1976）。 这利用了这样的事实：除了刚体模式之外，每种模式的总动量为零
其中f（x）是模式形状，r（x）是质量分布，X是筏位置。它来自Eq。 （1）因此，如果可以选择分布式安装刚度与质量分布成比例，则由于共振引起的总传递力也为零，即
然而，在实践中，这种解决方案并不总是可行的，因为需要大量的安装来近似由等式1定义的理想连续情况。 （2）并且难以准确地指定被动装置的刚度。 此外，该方法还假设船体具有相对于筏尺寸的长波长模式的高阻抗。 结果，需要一种替代方法。
这里介绍的智能弹簧安装系统1是一种混合主动/被动方法，利用模态正交条件而没有上述缺点。 该方法旨在恢复甚至改进图1中所示的理想刚体传递率曲线。
2.2 智能弹簧安装系统
新的安装系统基于使用与被动元件并联的电磁铁，如图2所示。
为了避免在与支撑结构共振相对应的频率下传递大的力，安装系统必须满足许多关键要求。
第一个要求是在船体上产生反作用力的执行器，该反作用力完全独立于支撑结构在其连接点处的任何局部位移。 结果，在激励的共振上不会在船体上产生额外的力。 因此，用于智能弹簧安装系统的致动器必须具有有效的零刚度
图2 局部控制
第二个要求是支持每个执行器也必须能够产生的结构没有的结构上的外部需求力量影响其对局部位移的零刚度响应 - 结构的结构。
这两个目标可以通过本地数字实现反馈控制回路如图2所示（循环是在下一节中有更详细的描述）。通过控制器的动作操纵电磁铁线圈中的电流，以确保弹簧中产生的力被消除，并且由测力计测量的组合传递力等于外部需求。
第三个要求是产生外部需求力的手段，每个支持执行器一个。
由移动机械产生的不平衡力导致支撑结构的线性和角度位移。外部需求力是这些线性和角度位移可以连续相对的装置，以便以受控的方式将它们返回到它们的平衡位置。
然而，为了实现图1所示的理想结果，外部需求力必须仅响应于结构的六个刚体模式的位移而产生，并且不得受任何结构共振的影响。
如果上面讨论的执行器的前两个要求可以满足，则可以使用筏的模态控制策略产生这种需求力（Inman，1989）。该过程的第一步是使用筏的位移来测量机械筏的位移。一系列加速度计或近似器（非接触式位移传感器），用于绘制由刚体模式和激发共振模式引起的总位移。然后分析这些数据，通过利用一般正交性条件，仅提取六个刚体位移（Morse，1948）
其中Mn是第n模式的有效质量，和分别是m和n模式形状。
在数据处理术语中，该分析简化为单个矩阵乘法。 对于一组离散的测量x; 支持的机械和筏结构方程运动可以用来描述
M，C和K代表结构质量，阻尼和刚度矩阵分别为f和f应用力量的矢量。 它遵循解耦独立模态空间描述
其中，和fm是一个向量可以获得模态力通过
其中V是特征向量的正交矩阵。因此，通过利用对应于的行，可以获得提取六种刚体模式（3次旋转和3次平移）所需的矩阵变换：
最后一步是使用提取的线性和角位移来计算每个执行器所需的需求力，以不会在线性和角度刚体模式之间引入任何交叉耦合的方式产生刚体加速度。然后将这些需求力传递给适当的本地控制器。在数据处理术语中，这个最后阶段通过选择适当的列来减少到单个矩阵乘法：完整的全球处理阶段是在图3中示意性地示出。
利用该控制策略，将刚度函数应用于6种刚体模式中的每一种。如果应用阻尼弹簧的特性，则恢复图1中所示的理想传递率曲线。然而，由于刚度函数现在以数字方式实现，因此可以应用任何稳定函数。因此，可以提高超出理想无源系统可实现的隔离要求。例如，图4显示了在更高频率下以20 dB / decade下降（而不是上升）的功能的传输率曲线，并且还增加了在安装谐振频率附近有一些相位导通。在理想的无源情况下，传输率是40 dB /十倍的改进，同时抑制了安装谐振。 当与存在共振的现实情况相比时（图5），这代表了性能的非常大的改进。
图3 全局控制处理器
图4
简单与复杂刚度函数的比较理想的结构
图5 智能弹簧安装系统的改进
2.3． 实验方案
在1999年期间，开始了一个实验计划，旨在展示智能弹簧安装系统概念的基本原理和可行性。 单个支架的一个关键要求是，它应该能够产生一个独立于任何局部位移的力，但同样等于上一节中描述的刚度函数设定的全局要求。 本节将介绍实验计划的第一阶段，旨在证明实现这一目标的可行性。
2.3.1． 实验设施
致动器设计成利用几个围绕磁铁轴线对称布置的小弹簧（图6）。以这种方式，通过改变所使用的弹簧的数量来改变整体被动刚度（并因此改变安装共振频率）是直接的，并且设计可以根据需要容纳2,3,4,6或8。使用的电磁铁是在之前的项目中开发的，采用圆柱形设计，具有4 O线圈，标称提升能力为1500 N，5 mm和6 A。
使用集成在设计中并位于电磁铁上方的称重传感器测量穿过致动器的力传递。为了能够为单个致动器开发控制系统，将原型悬挂在电动液压试验机的十字头上（图7），其中电枢连接到致动器的活塞杆。早期使用的原始电液执行器
为了演示智能弹簧安装系统的零刚度概念，开发了一种利用现成组件的原型执行器。由于钢弹簧在弹性体上具有非常优越的自然低频隔离能力（在100 Hz时高达20 dB），如果可能的话，决定在初始原型执行器中使用它们。一个测试被替换为具有明显更低质量的活塞杆的测试，该活塞杆能够实现高达500Hz的高电枢加速。
图6.
用于智能弹簧安装系统的原型执行器
图7 液压试验台
这种激发用于模拟机器振动所有本地控制算法都是用a实现的dSPACE快速原型系统的5 kHz采样率，包括32通道D / A板，32通道A / D板（均为16位分辨率），TMS 320-C40 DSP和DEC ALPHA处理器。
2.3.2。 控制系统开发
假定致动器的静态非线性模型具有形式用于智能弹簧安装系统的致动器的本地控制的示意图如图8所示。这比图4中所示的简单反馈控制更复杂，并且需要处理大的非线性。电磁铁。控制器根据电枢和磁铁面之间的相对位移（或间隙），电枢加速度和传递力进行测量，以产生放大器的需求信号，确保穿过致动器的传递力与全球需求力相匹配。在dSPACE硬件上实现的控制器功能是通过使用放大器和组合电磁铁和弹簧元件的数学模型设计的。由于从物理定律导出精确参数的困难，该模型是使用实验得出的数据开发的。
然而，所使用的模型结构基于物理考虑并且包括静态非线性模型和两个动态线性TF。非线性分量描述了磁力的基本和频率无关的变化，因为间隙和线圈电流都变化。该部件还包括与频率无关的弹簧刚度项（即弹簧刚度）。第一个线性TF代表磁铁及其相关放大器动力学的附加频率相关动力学，第二个TF描述更高阶弹簧动力学（例如，由于自谐振）。
图8
Smart Spring本地控制系统的原理图
假设执行器的静态非线性模型有形式
其中Fss是由频率无关关系产生的传递力分量，i是线圈中的电流，g是间隙。要估算的常数是磁铁增益k，磁铁“虚拟间隙”（合并趋肤效应），弹簧常数kspr和初始力偏移
在低频时，线性TF模型可以忽略不计，因此可以使用精心设计的低频实验中收集的时间历史数据来估计四个常数。用输入的低频激发（g和i）进行了两个实验。第一个是电流常数为零且变化的间隙，第二个电流和间隙在执行器所需的工作范围内变化。然后使用最小二乘法估计模型参数。该模型的高精度可以在图9中看到，图9显示了模型输出和实验数据之间的间隙和电流变化的比较。这些参数适用于安装在实践中遇到的所有条件。
一旦静态非线性关系已经存在发现，这可以用来线性化系统反转方程（7）。中的表达式。在该线性化之后，可以使用高频数据和类似于上述的最小二乘拟合的过程来获得模型的动态部分。控制器的动态部分的设计利用以这种方式获得的两个TF来确保闭环稳定性和全球需求力的准确高带宽跟踪。控制器设计利用规范系统描述，其中状态与特定相关联弹簧共振（或模式）可以很容易地识别出来。这使得能够计算状态反馈定律，使得以下二次成本函数最小化
其中代表的n个模态组件，传递力F; e是全局力需求与传递力之间的误差的积分，外环控制信号（输入反向非线性函数）和; 和r是可选择的加权因子。这个成本函数的重要性在于
通过适当选择加权项，可以选择性地最小化特定共振的影响。这是一个重要的特征，可以让设计师根据任何给定机器的激励特定频率来确定传输率。
2.3.3. 实验结果
在一系列实验测试中评估了控制器确保智能弹簧安装系统的致动器传递的力等于全球需求而与局部位移无关的能力。这些测试的典型关键结果如图10和图11所示。这些图中的每一个都显示了所需的力和实际力（顶部曲线），电枢位移，与间隙（中间曲线）和线圈
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资料编号：[1954]
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