船用磁悬浮隔振器建模和鲁棒性研究

刘凯

（海军蚌埠士官学校航海系，安徽蚌埠 233012）

0 引言

在海水中产生的噪声则是影响舰艇隐身能力的关键指标之一。为了减少振动噪声，本课题组自行设计了一种磁悬浮主动隔振器[1]，它由衔铁和电磁铁两部分组成，通过控制电磁铁线圈的电流进行主动隔振，从而达到降低噪声的目的。由于舰船舱室的工作环境极其复杂,如果船用隔振器对环境干扰不具备较强的鲁棒性，一旦工作失稳，将严重影响到舰船装设备的正常运行。所以有必要针对舰船舱室环境下的隔振器进行鲁棒性研究。

1 磁悬浮隔振器建模

文献[2]中隔振器的初级通道和次级通道模型是使用机理分析的方式得到的，并不能准确反映整个隔振系统包括各类信号传感器以及信号调理电路等电路特性。下面将对磁悬浮隔振器进行实验建模，使鲁棒性研究更有针对性，更具准确性。

1.1 实验建模原理

图1中，u为待辨识通道驱动信号；Acc为对应的控制目标点加速度信号；h|f为待辨识通道在给定频率点的模型；err为待辨识通道的辨识误差。在某一特定频率下，由当前时刻待辨识通道模型和待辨识通道的驱动信号向量相乘，能够得到一个输出值，将这个输出值和对应的控制目标点加速度信号求差就能得到辨识误差信号；处于理想的状况时，当到达某个时刻辨识误差减小到零，则能够认为此时刻的模型h|f就是待建模通道的真实系统模型。在每一个待辨识频率点采集磁悬浮隔振器对应通道的输入和输出信号，利用LMS算法进行自适应更新待辨识模型，当辨识误差趋向于零时，就能得到隔振器各个通道的精确模型。实验建模得到的系统模型同时包含了系统的电气特性和力学特性，能够直接用于控制律的仿真和设计。

图1 有限脉冲响应序列模型的辨识结构图

1.2 实验系统构成

建模实验在隔振实验系统上完成，硬件由如下部分组成：弹性支撑、安装基础、磁悬浮主动隔振器、负载、激振单元(包括激振器、信号发生器和功率放大器等)、信号采集单元(包括加速度传感器、位移传感器和阻抗头等)和信号调理单元等，其原理图如图2所示。

图2 隔振实验系统原理图

1.3 实验建模步骤

针对初级通道和次级通道，选择在 5 Hz-11 Hz激振频率范围内每隔0.1 Hz测一个频率点的数据。设定采样频率为1000 Hz，采样时间为100 s，在磁悬浮主动隔振器实验系统上，先后进行了500 N电磁式激振器激励下的60个频率点初级通道数据采集和200 kg负载下60个频率点次级通道数据采集。

对采集到的数据进行软件滤波后，使用LMS方法辨识磁悬浮主动隔振器初级通道和次级通道有限脉冲响应序列模型，收敛步长μ=0.0005。以5.0 Hz为例，初级通道脉冲响应曲线如图3。

2 磁悬浮隔振器鲁棒性仿真

图3 5.0 Hz初级通道1000长度脉冲响应曲线

通过实验建模到的磁悬浮隔振器初级通道和次级通道脉冲响应序列模型，对用滤波x-LMS算法控制的隔振器进行鲁棒性仿真分析。

2.1 隔振器外部干扰分析

隔振器一旦安装到舰船上，必定会受到各种外部干扰。其中，环境振动噪声和冲击这两方面对隔振器的可靠性影响最大。通常，将舰船舱室环境振动噪声具体分为螺旋桨、舰船机械和结构振动这三大类振动噪声。在舰船上，不同的装置和场合，分别或同时出现上述振动噪声，并且，环境振动噪声分布在几十赫兹到几千赫兹的范围内，遍布了整个船用隔振器工作频段。其次，外部冲击干扰也不容忽视。例如，舰载武器发射、周围大型动力设备的突然启动、工具或其它重物跌落引起的冲击等。

2.2 顶部冲击干扰对隔振器的影响

通过在振源的正弦激励中加入冲击信号，来模拟隔振器顶部受到的冲击干扰；同时还加入白噪声信号，来模拟环境振动噪声的干扰。仿真设定值为：初级通道脉冲响应模型取1000长度，次级通道脉冲响应模型取100长度，激振信号频律为5.0 Hz，幅值为100 N，含有25 dBW白噪声，在系统稳定后（55-56 s之间）加入持续时间分别取0.1 s、0.2 s、0.3 s和0.4 s的冲击干扰。针对每种时长又分别取冲击幅值为100 N、200 N、300 N和400 N（即激励信号幅值的1-4倍）等四种情况进行仿真。其中，冲击幅值400 N, 持续时间0.1 s时误差信号和激振信号如图4所示。系统性能统计如表1所示。

由于使用的是实验建模得到的隔振器通道数据，可以看到，隔振器初级通道对冲击干扰的衰减幅度较大，表现在面对4倍于激励信号幅值的冲击干扰，目标点的误差信号失调幅度也没有超过主动控制施加前的误差值。

图4 400 N,持续时间0.1 s时误差信号和激振信号

图5 冲击幅值10 m/s2,持续时间0.4 s时误差信号和控制电流

2.3 底部冲击干扰对隔振器的影响

通过在隔振目标点处加入冲击信号，来模拟隔振器底部受到的冲击干扰；同时还加入白噪声信号，来模拟环境振动噪声的干扰，仿真设定值与顶部冲击相同。仿真曲线如图5所示。

冲击幅值为10 m/s2，系统性能统计如表2所示。从仿真曲线可以看出，在滤波x-LMS算法控制下，隔振器对来自于底部的冲击干扰具有较强的鲁棒性，表现在冲击干扰加入后，隔振系统目标点的误差信号还是维持在稳态误差附近，并没有大幅波动，且控制电流的调整幅度最大为19.6%。

3 结语

通过实验建模得到的磁悬浮隔振器模型准确放映了系统的内部特性，应用到滤波x-LMS算法中对磁悬浮隔振器进行控制，仿真的结果验证了脉冲响应序列模型的有效性，而且证明了磁悬浮隔振器对高强度白噪声和外部的冲击干扰具有较强的鲁棒性，表现为重新收敛速度快、控制力变化幅度较小，可靠性和稳定性高，能够适用于舰船舱室的复杂工作环境。

表1 激振频律5.0 Hz，顶部冲击干扰下系统性能

表2 激振频律5.0 Hz，底部冲击干扰下系统性能

[1]孟令雷, 倪向贵, 王永, 段小帅. 基于 MTS809 的磁悬浮隔振器电磁力测量[J]. 自动化与仪表, 2009,24(3): 8-11.

[2]梁青, 段小帅, 陈绍青, 孟令雷, 王永. 基于滤波x-LMS算法的磁悬浮隔振器控制研究[J]. 振动与冲击, 2010, 29(7): 201-203.

[3]王永, 董卓敏, 陆国华等. 微型斯特林制冷机振动主动控制[J]. 实验力学, 2003, 18(4):506-512.

[4]陈克安. 有源噪声控制[M]. 北京：国防工业出版社,2003.

[5]李嘉全. 浮筏系统的振动主动控制技术[D]. 博士学位论文, 合肥: 中国科学技术大学, 2008.

[6]Eriksson L J. The selection and application of an HR adaptive filter for use in active sound attenuation [C].Processing of IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal: 433 - 437.