一种柔性浮筏智能隔振控制系统设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于隔振系统技术领域，特别是涉及一种柔性浮筏智能隔振控制系统设计方法。
【背景技术】
[0002]潜艇的声隐身能力是关系其生命力和战斗力的重要因素之一，因此降低潜艇的振动噪声水平是一件非常重要的工作。浮筏是目前广泛应用于各国潜艇的一种减振降噪设备，它能显著地降低艇内设备的高频段振动向艇体的传递，但在低频段的减振效果以及智能化、通用化方面却不甚理想。目前，公知的浮筏隔振系统的动力学建模方法中主要有多刚体动力学建模方法、有限元动力学建模方法、阻抗综合建模分析方法、模态阻抗综合建模分析方法、基于四端参数的矩阵建模分析方法等，多刚体建模方法的基本思想是将设备、筏体及基础处理为没有弹性和阻尼的刚体，将隔振器处理为无质量的弹性阻尼元件，由于其物理概念清晰，建模分析方便，计算规模相对较小，而且更重要的是它反映了系统的主要特征，具有很强的工程实用价值。有限元建模方法基于考虑筏体的弹性影响，将筏体视为弹性体进行有限元划分，设备仍作为刚体处理，与多刚体力学建模方法相比，展宽了系统频带，提供了更丰富的高频信息。阻抗综合建模方法是基于两个子系统在连接点处的阻抗与外力关系满足叠加原理这一基本思想来分析问题的，其基本方法是将构成系统的各组成部分单独考虑，用机械阻抗来描述其各自的特性，再通过各部分连接点处的连接关系综合得到整个系统的阻抗方程，从而获得系统的动力学问题的解。模态阻抗综合建模方法在以往阻抗分析方法的基础上，采用模态坐标代替物理坐标，将各物理量用模态量表示，通过由模态坐标表示的部件阻抗矩阵叠加得到系统矩阵，这样可以方便地根据求得的系统模态坐标解来计算系统任意点的动力响应。基于结构四端参数来分析隔振系统的结构动力学实际上是一种传递矩阵分析方法，对每一子结构用导纳矩阵来描述其特性，然后通过各子结构的特性矩阵运算得到整个系统的解。
[0003]现有浮筏隔振系统并未实现智能化通用型宽频带性设计，浮筏隔振系统包含构型设计、动力学建模、控制系统设计三个部分，现有的建模方法使得隔振主动控制系统中易产生控制溢出，观测溢出以及不易实现智能控制器设计复杂等问题，因此限制了主动隔振技术在实际工程中的应用。为了实现柔性浮筏隔振系统智能化通用型宽频带控制，首先提出新的浮筏隔振系统构型，其次建立柔性浮筏隔振系统动力学模型，最后建模问题是首要解决的问题。考虑到控制的实时性，所建的动力学模型要结构简单、维数低、便于宽频带控制。
【发明内容】
[0004]本发明为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种柔性浮筏智能隔振控制系统设计方法。
[0005]本发明所采用的技术解决方案包括如下步骤:
[0006]步骤1:根据柔性浮筏隔振系统结构图确定传感器、步进电机、步进电机驱动器、非自锁限位开关及其电源和电机减速器组合体的配置数量、装配位置:
[0007]所述的传感器应粘接在筏架底面。
[0008]所述的非自锁限位开关在步进电机丝杠的左端与右端各设置一个，在电机减速器组合体上方的弹簧导杆上端和下端各设置一个。
[0009]步骤2:传感器、步进电机、步进电机驱动器、电机减速器组合体、非自锁限位开关及其电源的选型:
[0010]传感器选型依据:选择ΙΕΡΕ压电加速度振动传感器，其性能指标如下:电缆接头为BNC接头、外壳材料为不锈钢、横向灵敏度应小于5%、幅值线性应小于1%、激励电压为18Vdc?28Vdc、激励电流为2?10mA、输出电压信号为±10V、输出阻抗为100Ω、灵敏度大于等于50mV/g、频响范围Hz( ±10% )为0.2?4k、量程为大于等于± 10g、温度范围为-40?+121°C、重量小于30克；
[0011]步进电机选型依据:步距角小于等于1.8°、温升小于80°C、环境温度-40?+121°C、径向间隙小于0.02毫米、轴向间隙小于0.08毫米、静转矩大于0.39N.m;步进电机驱动器选型依据:工作温度-40?+45°C、湿度要求为不能结露，不能有水珠、禁止有可燃气体和导电灰尘，其他性能指标需与步进电机相配套；
[0012]电机减速器组合体选型依据:额定电压大于12V、空载转速大于等于237rpm、负载转速大于等于165rpm、负载扭矩0.3kg.cm、功率大于0.5W ；
[0013]非自锁限位开关选型依据:额定工作电压小于等于24V，其外形几何尺寸不得大于电机减速去组合体上端弹簧内径；
[0014]非自锁限位开关电源选型依据:直流电源，额定工作电压小于等于24V;
[0015]步骤3:传感器、步进电机、步进电机驱动器、驱动电源、电机减速器组合体、非自锁限位开关及其电源、Dspace接线与安装:
[0〇16]传感器的接线与安装:每个传感器与Dspace AD通道相连；
[0017]电源的接线与安装:驱动电源与步进电机驱动器相连接；
[0018]直流减速电机的接线与安装:电机减速器组合体直接与DspaceDA通道相连;非自锁限位开关接线与安装:与配套电源形成并联回路；
[0019]步骤4:设计MATLAB/Simul ink控制算法，设置相关通道:
[0020]仿真模型采用模块化设计，模块数量的多少取决于，浮筏隔振系统模块数量的多少，其中，如图5单个模块控制算法流程如下:
[0021 ]步骤4.1:
[0022]步骤4.1.1:将上限位开关1收集到的数据与下限位开关1收集到的数据进行与运算；
[0023]步骤4.1.2:将步骤4.1.1得到的数据与0进行比较运算；
[0024]步骤4.1.3:将步骤4.1.2得到的数据与0进行异或运算；
[0025]步骤4.2:将传感器1收集的数据与0进行比较，如果大于等于0，则输出1，否则输出0；
[0026]步骤4.3:
[0027]步骤4.3.1:将右限位开关1和左位开关1收集到的数据进行或运算；
[0028]步骤4.3.2:将步骤4.3.1得到的数据与0进行比较运算；
[0029]步骤4.3.3:将步骤4.3.2得到的数据与0进行异或运算；
[0030]步骤4.4:将方波脉冲信号与1进行与运算；
[0031]步骤4.5:将1与1进行与运算；
[0032]步骤4.6:
[0033]步骤4.6.1:将步骤4.1.3得到的数据与步骤4.2得到的数据进行与运算；
[0034]步骤4.6.2:将步骤4.6.1得到的数据与0进行比较，如果大于0，则输出1，否则输出-1;
[0035]步骤4.6.3:将步骤4.6.2得到的数据转化为double类型，通过输出通道1进行输出；
[0036]步骤4.7:
[0037]步骤4.7.1:将步骤4.2得到的数据与步骤4.3.3得到的数据进行与运算；
[0038]步骤4.7.2:将步骤4.7.1得到的数据通过BIT#24通道进行输出；
[0039]步骤4.8:步骤4.4得到的数据通过BIT#25通道进行输出；
[0040]步骤4.9:步骤4.5得到的数据通过BIT#26通道和BIT#27通道进行输出；步骤5:将MATLAB/Simul ink控制算法下载到Dspace硬件当中，在线运行与监测。
[0041]与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为:充分利用当前科技平台，实现浮筏控制系统智能化，使得浮筏隔振控制系统执行效率高，在工程实践中简单易行，便于产业化推广。
【附图说明】
[0042]
[0043]图1为本发明的宽频带柔性浮筏隔振系统的结构示意图；
[0044]图2为本发明的宽频带柔性浮筏隔振系统的结构示意图；
[0045]图3为本发明的宽频带柔性浮筏隔振系统的结构爆炸图；
[0046]图4为本发明的宽频带柔性浮筏隔振系统的结构爆炸图；
[0047]图5是单个模块系统方法流程图；
[0048]图6是系统接线图；
[0049]图7是4个模块系统方法流程图。
【具体实施方式】
[0050]如图1-图4所示，一种柔性浮筏智能隔振系统，包括筏架(1)、固定底板(2)、弹簧导杆(3)、可移动支撑弹簧(4)、四角顶杆(5)、侧面顶杆(6)、四角隔振弹簧(7)、侧面弹簧(8)、顶端滑槽(9)、底端滑槽(10)、顶端滑块(11)、底端滑块(12)、电机减速器组合体(13)、丝杠(14)、步进电机(15)、传感器和非自锁限位开关，其中设置于上方的筏架(1)和设置于下方固定底板(2)用于固连它们中间的零部件，在所述筏架(1)和所述固定底板(2)间设置有弹簧导杆(3)，所述弹簧导杆(3)内嵌于所述可移动支撑弹簧(4)中，在所述筏架(1)和所述固定底板(2)的四边分别设置有四角顶杆(5)、侧面顶杆(6)，所述四角隔振弹簧(7)内嵌于该四角顶杆(5)中，所述侧面弹簧(8)内嵌于该侧面顶杆(6)中，所述筏架(1)的底面设置有顶端滑槽(9)，同时在所述固定底板(2)的上面对应位置上设