轴系振动控制的自适应压电分流半被动控制装置及方法与流程

本发明涉及船舶减振技术领域，具体地，涉及一种螺旋桨轴系纵向和横向振动控制的自适应调节压电分流半被动控制装置及方法。

背景技术：

螺旋桨在不均匀、非定常流场中旋转，在产生静推力的同时，将产生与转速和叶片数相关的基频和倍频激振力线谱分量、随频率基本上呈逐渐衰减的随机宽带分量，前者通过轴系传递使船体结构发生强迫振动产生水下声辐射；后者将激励螺旋桨－轴系－船体耦合系统的特征模态，两者均会形成突出的特征频谱。

目前推进轴系上采用的振动控制手段有纵向减振器隔振、共振变换器隔振、动力反共振隔振、主动吸振器吸振、基座上的动力吸振器、空心轴系内部的动力吸振器、在推力轴承内部的隔振和吸振处理。其中，采用隔振会导致振动被阻隔到螺旋桨端，增加螺旋桨的振动量级，并且隔振频率不能太低，否则推进效率会受到影响。动力反共振会放大某一频率以上的振动传递；主动动力吸振器由于采用了主动控制措施，系统较为复杂。采用动力吸振器对推进轴系的固有频率影响小，不需要串入到轴系中承受大的静推力，但若采用被动式的吸振措施，由于推进轴系的被控制频率低，所需质量代价较大，工程实现上无法承受；单个传统吸振器仅能够针对某阶模态起到抑制效果；可以实现宽带振动控制的周期结构和动力吸振器集成控制结构占用空间较大；并且不同转速下桨－轴系－船体耦合系统固有频率的变化会影响到吸振效果。采用半主动控制措施，针对实际桨－轴系－船体耦合系统大的脉动压力以及固有频率的变化，所提出的磁流变体控制器将发生饱和、且无法覆盖固有频率的变化范围。采用主动控制措施，需要配备相应的控制器件、功率放大器件，增加了系统的复杂度，并且主动控制措施需要考虑实际运行环境的复杂性和控制算法可能导致的不稳定，受制于这些因素，主动控制装置均没有在船舶推进轴系上得到实际应用，基本停留在理论分析和实验室试验研究阶段。

不同转速下推进轴系的固有模态特性和响应幅值相差大，而压电分流阻尼技术中，电路的最优参数是实现最优振动控制的关键所在。最优参数与被控结构的动力学特性、电路结构和电路中各元器件的电学特性有关，如何保证不同工况、复杂环境下电路中的元器件参数始终处于最优参数是实现最优阻尼性能的关键所在。

公开号为cn104590528a的专利公开了一种基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装置，该装置包括依次信号连接的轴向振动测量系统、推力脉动控制器、功率放大器和位移控制执行机构，位移控制执行机构包括：压电叠堆，用于接收功率放大器发出的电信号并产生相应的输出位移；液压微位移放大器，包括两端开口的液压放大腔，液压放大腔的两端分别密封配合有大小两个活塞，大活塞与压电叠堆的位移输出端相作用，小活塞通过滑阀阀芯与船艇推进轴系的止推轴承相作用。

技术实现要素：

针对现有技术中，为了抑制不同工况和复杂环境下，推进轴系在低转速和高转速下，低频段纵向和横向弯曲振动模态、螺旋桨的振动模态处的振动的缺陷，本发明的目的是提供一种轴系振动控制的自适应调节压电分流半被动控制装置。

根据本发明提供的一种轴系振动控制的自适应调节压电分流半被动控制装置，包括：

压电分流电路：连接在推进轴系的推进轴上，随所述推进轴旋转；

供电装置：包括静止端和旋转端，所述旋转端连接在所述推进轴上，随所述推进轴旋转，并与所述压电分流电路电连接，所述静止端设置于所述旋转端的外围，通过所述旋转端向所述压电分流电路供电；

自适应调节电路：与所述压电分流电路连接，采用电压探针对压电分流电路中的多个电压进行实时测量，依据最优参数下电路中的电压特性，使测量的电压的差或乘积结果作为自适应调节的依据参数，调节压电分流电路。

优选地，所述压电分流电路包括：压电片、电阻、电感、并联负电容和串联负电容；

所述压电片固定连接在轴系的旋转轴上，所述压电片、所述电阻、所述电感和所述串联负电容依次串联；

所述并联负电容与所述压电片、所述电阻、所述电感和所述串联负电容并联；

所述供电装置与所述并联负电容和所述串联负电容连接。

优选地，所述自适应调节电路分别与所述并联负电容和所述串联负电容连接，通过调节所述并联负电容和所述串联负电容来调节所述压电分流电路。

优选地，所述并联负电容包括：第一运算放大器、电容c1p、电阻r2p和可变电阻r1p；

所述电容c1p的两端分别连接所述第一运算放大器的正输入端、输出端，所述电阻电阻r2p的两端分别连接所述第一运算放大器的负输入端、输出端，所述可变电阻r1p的两端分别连接所述第一运算放大器的负输入端、地。

优选地，所述自适应调节电路获取所述第一运算放大器的正输入端、负输入端、输出端和供电端的电压，并调节所述可变电阻r1p的电阻值。

优选地，所述串联负电容包括：第二运算放大器，可变电阻r1s、电阻r2s、可变电阻r3s、电容c3s和电阻rbs；

所述可变电阻r1s的两端分别连接所述第二运算放大器的负输入端、输出端；所述电阻r2s的两端分别连接所述第二运算放大器的正输入端、输出端；所述可变电阻r3s的一端连接所述第二运算放大器的正输入端，另一端通过所述电容c3s接地；所述电阻rbs与所述电容c3s并联。

优选地，所述自适应调节电路获取所述第二运算放大器的正输入端、负输入端、输出端、供电端以及所述电阻rbs两端的电压，并调节所述可变电阻r1s和所述可变电阻r3s的电阻值。

优选地，所述自适应调节电路的软件在微处理器上实现，硬件利用结晶型场效应晶体管对所述并联负电容和所述串联负电容进行调节。

优选地，所述供电装置为滑环供电装置，所述静止端为定子，所述旋转端为转子；或者，所述供电装置为感应遥测供电装置，所述静止端为发射端，所述旋转端为接收端。

优选地，所述压电片工作在d31模式，数量为多个，周向环绕布置在所述推进轴的所需控制模态的应变最大处。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明根据双负电容压电分流阻尼电路对桨－轴系－船体耦合系统多模态控制的控制机理和最优参数下分流电路中各元件电压参数的特性，通过监控负电容电路中电压参数(或它们的乘积、差值等)，根据电压参数的特性给出调节规则，输出实时电压自适应调节双负电容电路中的电路可控电阻参数，使负电容的特性始终满足最优参数，实现自适应调节控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

图3为压电分流电路图；

图4为并联负电容的自适应调节电路图；

图5为串联负电容的自适应调节电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明提供的一种轴系振动控制的自适应调节压电分流半被动控制装置，包括：压电分流电路3、自适应调节电路4以及用于旋转轴系的供电装置。

供电装置包括静止端1和旋转端2，旋转端2连接在推进轴上，随推进轴旋转，并与压电分流电路3电连接，静止端1设置于旋转端2的外围，通过旋转端2向压电分流电路供电。在图1所示的实施例中，供电装置为感应遥测供电装置，静止端为发射端，旋转端为接收端；在图2所示的实施例中，供电装置为滑环供电装置，静止端为定子，旋转端为转子。滑环供电装置采用动平衡良好的转子，可以输入高达500v的电压；感应遥测供电装置采用动平衡良好的接收端，可以输入高达40v的电压。

如图3所示，压电分流电路连接在推进轴系的推进轴上，随推进轴旋转。压电分流电路包括：压电片31、电阻35、电感34、并联负电容32和串联负电容33。

压电片31粘贴于轴系的旋转轴表面，工作在d31模式，为提高所需控制模态的机电耦合系数，压电片布置在所需控制模态的应变最大处，压电片的个数采取至少20个以上，压电片利用高性能双组份环氧树脂胶粘剂黏贴在推进轴系上相应位置，其布置方式为绕旋转轴一圈。

压电片31、电阻35、电感34和串联负电容33依次串联；并联负电容32与压电片31、电阻35、电感34和串联负电容33并联；供电装置与并联负电容32和串联负电容33连接。

自适应调节电路4的软件在微处理器上实现、硬件利用结晶型场效应晶体管(jfet)来对负电容电路中电压控制的电阻进行调节，以实现较为理想的负电容值，满足分流电路中的实时最优参数。

自适应调节电路4与压电分流电路3连接，采用电压探针对压电分流电路中的多个电压进行实时测量，依据最优参数下电路中的电压特性，使测量的电压的差或乘积结果作为自适应调节的依据参数，调节压电分流电路。

具体的，如图4和图5所示，自适应调节电路4分别与并联负电容32和串联负电容33连接，通过调节并联负电容和串联负电容来调节压电分流电路。并联负电容和串联负电容分别采用运算放大器及其相应的电路实现。两个负电容的自适应调节电路可以集成于一个微处理器。

自适应调节控制电路和控制策略需要根据最优参数下电路中电压等参数的特性来设计。可以采用电压探针对负电容压电分流电路中的电压、元器件的电压降、运算放大器反转输入端和非反转输入端的电压进行实时测量，然后依据最优参数下电路中的电压特性，通过计算分析这些电压参数的差、乘积等，使差或乘积结果作为自适应调节的依据参数，以确定负电容电路中电阻的调节方向。

目前更加青睐于采用运算放大器反转输入端和非反转输入端(即正输入端与负输入端)的电压，这是因为这些电压同时也可以用于监测小激励、大激励下的稳定裕度。为了实现自适应控制电路，需构建相应的减法电路、乘法电路、积分电路、衰减电路、低通滤波器电路等实现对电压结果的差和乘积操作，这需要具有多个da/ad转换输入的微处理器芯片完成相应的功能。

在电阻自适应调节的具体实现上，可以采用结晶型场效应晶体管等方式来构建电路可控的电阻。在不同工况下，基于控制电路运算所给定的控制电压对电阻值进行调节，从而实现双负电容压电分流阻尼电路最优参数的负电容值，保证不同工况下压电分流阻尼电路的性能保持在最优状态。

基于电路可控电阻调节负电容参数的自适应控制方法不需要增加复杂的测试系统和数据处理系统，能够使分流电路始终处于最优参数。

图4中，并联负电容包括：第一运算放大器、电容c1p、电阻r2p和可变电阻r1p；电容c1p的两端分别连接第一运算放大器的正输入端、输出端，电阻电阻r2p的两端分别连接第一运算放大器的负输入端、输出端，可变电阻r1p的两端分别连接第一运算放大器的负输入端、地。自适应调节电路获取第一运算放大器的正输入端、负输入端、输出端和供电端的电压，并调节可变电阻r1p的电阻值。电感为la的线圈和阻值为rbs的电阻分别被用来稳定工作在高频段和0hz时负阻抗变换器的性能。通过调节电阻r1s改变电容nc2。调节完nc2，通过调节电阻r3s来改变电阻nrn，以实现较为理想的负电容。在自适应控制电路调节时，利用结晶型场效应晶体管(jfet)来对电压控制的电阻r1s进行调节。

图5中，串联负电容包括：第二运算放大器，可变电阻r1s、电阻r2s、可变电阻r3s、电容c3s和电阻rbs；可变电阻r1s的两端分别连接第二运算放大器的负输入端、输出端；电阻r2s的两端分别连接第二运算放大器的正输入端、输出端；可变电阻r3s的一端连接第二运算放大器的正输入端，另一端通过电容c3s接地；电阻rbs与电容c3s并联。自适应调节电路获取第二运算放大器的正输入端、负输入端、输出端、供电端以及电阻rbs两端的电压，并调节可变电阻r1s和可变电阻r3s的电阻值。

当推力轴在水下旋转时，在螺旋桨宽带力的作用下，轴系的纵振模态、横振模态或螺旋桨的振动模态处会产生力的放大，使传递到推力轴承处的力出现峰值。采用压电分流电路半被动控制方法，本质上是一种动力吸振器的控制方法，其控制性能和最优参数密切相关，最优参数与被控结构的动力学特性、电路结构和电路中各元器件的电学特性有关。而不同转速下推进轴系的固有模态特性和响应幅值相差很大，本发明提出的自适应调节控制技术，保证变工况和复杂环境下电路始终处于最优参数，实现阻尼性能。

基于电路可控电阻调节负电容参数的自适应控制方法不需要增加复杂的测试系统和数据处理系统，能够使分流电路始终处于最优参数，这些方法的集成应用保证了设计电路的性能。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。