一种半主动控制浮筏隔振系统的制作方法

本发明涉及涉及舰船的一种减振降噪装置。

技术背景

浮筏隔振是应用于舰船上的一种减振降噪装置，其机理是利用浮筏隔振装置中弹性元件和中间质量的设计来衰减振动能量，使舰船壳体的振动减小。振动的半主动控制是利用一定的控制策略来自动调节系统内部参数，使系统的响应处于最优状态。目前，舰船上安装的浮筏装置属于被动控制，系统的结构、参数是固定的，不能随着环境和激励的变化而进行调节，若舰船的运行状况发生变化，隔振效果有可能恶化，将半主动控制技术和浮筏隔振技术相结合的半主动控制浮筏隔振系统，有望进一步提高浮筏隔振系统的隔振效果。虽然半主动控制技术在车辆悬架和建筑抗震方面已经有了不少成熟的应用，但在浮筏隔振系统的半主动控制方面，研究成果还很少。实现浮筏隔振系统的半主动控制的关键在于：高性能的可控阻尼器和有效的控制策略。目前上海交通大学在半主动控制浮筏隔振方面做了一些探索性研究，采用的是电流变液阻尼器，理论上可以实现阻尼力无级调节，但是这种可控阻尼器并不理想，并且这种可控阻尼器容易受外界条件影响。他们的控制策略有前馈模糊控制策略、基于变分法的原理得到的优化阻尼控制策略、半主动静态输出反馈模糊滑模控制等，但是这些控制策略都对可控阻尼器的性能要求非常高，在实际应用中有一定的局限性。

在半主动控制浮筏隔振系统中，控制策略决定了振动控制的效果，半主动控制浮筏隔振系统的控制元件是可控阻尼器。上海交通大学在半主动浮筏隔振的探索性研究中，采用的前馈模糊控制策略、基于变分法的原理得到的优化阻尼控制策略、半主动静态输出反馈模糊滑模控制等控制策略中，其对可控阻尼器的要求是：可控阻尼器是连续可变的，可控性要求很高、不易于控制。

技术实现要素：

本发明要解决现有技术的上述缺点，提供一种半主动控制浮筏隔振系统，以改善控制效果。

半主动控制浮筏隔振系统，是一个三层隔振系统，自地面而上依次包括柔性基础、中间筏体、作为被隔振对象的机组，中间筏体与柔性基础之间连接下层隔振器，中间筏体与机组之间连接上层隔振器，中间筏体与机组之间还连接可控阻尼器；其特征在于：机组上装有用于测量机组速度的第一传感器，中间筏体上装有用于测量中间筏体的速度的第二传感器，所述的第一传感器和第二传感器连接计算机；

第一传感器将机组的振动速度输入到计算机；第二传感器将中间筏体的振动速度输入到计算机；

当时，计算机输出信号、调节可控阻尼器使其处于关闭状态；当时，计算机输出信号、调节可控阻尼器处于开启状态。

本发明的半主动控制浮筏隔振系统的控制方式可以表达为：

本发明的可控阻尼器是开关控制可控阻尼器，即可控阻尼器只有两种阻尼状态：得电状态时，其阻尼为大阻尼，阻尼系数为con；失电状态时，其阻尼为小阻尼(或无阻尼)，阻尼系数为coff。针对开关可控阻尼器，必须要提出新的控制策略及算法。本发明根据半主动开关控制浮筏隔振系统机组和筏体的振动速度进行进行运算，然后根据计算结果切换可控阻尼器的开或关，使可控阻尼器处于得电、失电状态，实现对半主动控制浮筏隔振系统阻尼参数的调整，进而控制浮筏系统的振动。

本发明采用了基于天棚阻尼控制的开关控制策略，天棚阻尼控制是d.karnopp利用最优控制理论在1974年提出来的一种应用于车辆悬架系统的主动控制策略，天棚阻尼控制实际是形象化的最优输出控制反馈控制方法。

本发明的优点:可控阻尼器只有开、关两种状态，容易实现，也容易控制；可控阻尼器只在得电状态下耗能，需要外界输入的能量少；半主动浮筏隔振系统的隔振性能明显优于一般的浮筏隔振系统，开关控制系统稳定可靠。

附图说明

图1是本发明的机械结构示意图。

图2是本发明的控制原理图。

图3是采用本发明和未采用本发明的仿真实验结果对比图，其中图3a是4hz正弦波激励信号时基础加速度的稳态响应，图3b是5hz正弦波激励信号时基础加速度的稳态响应，图3c是10hz正弦波激励信号时基础加速度的稳态响应，图3d是12hz正弦波激励信号时基础加速度稳态响应。

图4是本发明的计算原理图

图5是天棚阻尼系统模型的示意图

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

半主动控制浮筏隔振系统，是一个三层隔振系统，自地面而上依次包括柔性基础、中间筏体、作为被隔振对象的机组，中间筏体与柔性基础之间连接下层隔振器，中间筏体与机组之间连接上层隔振器，中间筏体与机组之间还连接可控阻尼器；其特征在于：机组上装有用于测量机组速度的第一传感器，中间筏体上装有用于测量中间筏体的速度的第二传感器，所述的第一传感器和第二传感器连接中央处理器；

第一传感器将机组的振动速度输入到计算机；第二传感器将中间筏体的振动速度输入到计算机；

当时，中央处理器输出信号、调节可控阻尼器使其处于关闭状态；当时，中央处理器输出信号、调节可控阻尼器处于开启状态。

本发明的半主动控制浮筏隔振系统的控制方式可以表达为：

本发明的可控阻尼器是开关控制可控阻尼器，即可控阻尼器只有两种阻尼状态：得电状态时，其阻尼为大阻尼，阻尼系数为con；失电状态时，其阻尼为小阻尼(或无阻尼)，阻尼系数为coff。针对开关可控阻尼器，必须要提出新的控制策略及算法。本发明根据半主动开关控制浮筏隔振系统机组和筏体的振动速度进行进行运算，然后根据计算结果切换可控阻尼器的开或关，使可控阻尼器处于得电、失电状态，实现对半主动控制浮筏隔振系统阻尼参数的调整，进而控制浮筏系统的振动。

本发明采用了基于天棚阻尼控制的开关控制策略，天棚阻尼控制是d.karnopp利用最优控制理论在1974年提出来的一种应用于车辆悬架系统的主动控制策略，天棚阻尼控制实际是形象化的最优输出控制反馈控制方法，天棚阻尼系统模型如图5所示。

天棚阻尼系统上部的阻尼要求连接在绝对的惯性参考系中，天棚阻尼算法是对悬架速度的反馈，这种算法主要通过调整阻尼系数的大小改变控制力的大小，其控制策略为fd为阻尼力，b为阻尼系数。在此之前，天棚阻尼控制主要应用在车辆的悬架系统中。

半主动控制浮筏隔振系统，可以用一个三层隔振系统来表示，如图4所示。柔性基础的等效刚度与阻尼可称为底层支撑的刚度与阻尼，参数为k3、c3。

在半主动控制浮筏隔振系统的三自由度模型中，被隔振对象的机组的质量为m1，中间筏体质量为m2，柔性基础质量为m3，上层隔振器的刚度系数和阻尼系数分别为k1、c1，下层隔振器的刚度系数和阻尼系数分别为k2、c2，基础的等效刚度与阻尼可称为底层支撑的刚度与阻尼，参数为k3、c3，可控阻尼器的阻尼系数是c4，机组的振动位移为x1(t)；中间筏体的振动位移为x2(t)，柔性基础的振动位移为x3(t)。

在半主动控制浮筏隔振系统的三自由度模型中，中间筏体传递给基础的力通过下层隔振器来传递，为了减小中间筏体传递到基础的力，可以通过调节可控阻尼器来减小中间筏体的振动来实现。依据车辆半主动悬架控制系统基于“天棚”阻尼控制提出的开关控制策略思想，对半主动控制浮筏隔振系统上层隔振器进行分析，以机组为研究对象，当时，为减小机组传递给中间筏体的能量，从而减小中间筏体的振动，此时调节可控阻尼器使其处于关闭状态；当时，为减小中间筏体的能量，将中间筏体的能量传递到机组，从而减小中间筏体的振动能量，调节可控阻尼器处于开启状态。从而得到半主动控制浮筏隔振系统的开关控制算法：

为了得到更好的控制效果，本发明的可控阻尼器是开关控制可控阻尼器，即可控阻尼器只有两种阻尼状态：得电状态时，其阻尼为大阻尼，阻尼系数为con；失电状态时，其阻尼为小阻尼(或无阻尼)，阻尼系数为coff。针对开关可控阻尼器，必须要提出新的控制策略及算法。本发明根据半主动开关控制浮筏隔振系统机组和筏体的振动速度进行进行运算，然后根据计算结果切换可控阻尼器的开或关，使可控阻尼器处于得电、失电状态，实现对半主动控制浮筏隔振系统阻尼参数的调整，进而控制浮筏系统的振动。

实施例：

由图1知，浮筏隔振试验装置主要由机组、上层弹簧、中间筏体、下层弹簧、可控阻尼器、柔性基础等组成。

如图2，在机组和柔性基础上分别安装一个速度传感器，机组的速度与中间筏体的速度分别经前置放大处理后传入计算机，计算机根据既定算法进行分析处理，如果输出控制信号使得可控阻尼器开关处于off状态，如果输出控制信号使得可控阻尼器开关处于on状态。

本次实施例中的半主动控制浮筏隔振系统的一阶共振频率在10hz左右，为了验证算法的有效性，分别选取4hz、5hz、10hz和12hz的正弦波进行激励，观测半主动控制浮筏隔振系统在本算法作用下的隔振性能。

4hz的正弦波激励时，由图3a可知，可控阻尼器在本算法的作用下，此时半主动控制浮筏隔振系统的基础加速度响应曲线幅值明显小于可控阻尼器在开启状态下的基础加速度响应曲线的幅值，同时与关闭状态下的基础加速度响应曲线的幅值相差不大。

5hz的正弦波激励时，由图3b可知，可控阻尼器在本算法的作用下，此时半主动控制浮筏隔振系统的基础加速度响应曲线的幅值与可控阻尼器一直处于开启或者关闭状态时基本相同。

10hz和12hz的正弦波激励时，由图3c和图3d可知，可控阻尼器在本算法的作用下，此时半主动控制浮筏隔振系统的基础加速度响应曲线明显小于可控阻尼器未开启状态下的基础加速度响应曲线，同时绕可控阻尼器开启状态下的基础加速度响应曲线上下小幅度波动。

由半主动控制浮筏隔振系统不同状态下基础加速度响应曲线的对比分析知，相比于可控阻尼器一直处于开启或者关闭状态，可控阻尼器在本开关控制算法的作用下，可以比较有效地减小基础加速度的响应。