基于Fx－LMS控制技术的主动消振方法及实验研究

刘晓亮

(海军驻北京作战系统军事代表室，北京 100036）

基于Fx－LMS控制技术的主动消振方法及实验研究

刘晓亮

(海军驻北京作战系统军事代表室，北京 100036）

研究一种基于Fx－LMS控制技术的主动消振方法，介绍其工作原理及组成。以小功率柴油发电机为实验对象开展振动主动控制实验。实验研究表明该方法和Fx－LMS控制技术适用于舰艇典型周期性机械振源的振动主动控制。

振动主动控制;Fx－LMS;实验研究

0 引言

辐射噪声是影响舰艇隐身性的重要因素，而机械设备振动噪声是辐射噪声的主要噪声源之一。机械设备的低频振动因其衰减慢、传播距离远等特点，成为舰艇被探测的主要目标特征。传统的被动减振降噪措施 (浮筏隔振技术）在中高频段具有较好的振动阻隔效果，但其无法有效阻隔低频机械振动能量的对外传递。为有效解决这一制约舰艇安静性的技术瓶颈，适应安静性舰艇发展的迫切需要，舰艇低频振动主动控制技术已成为研究热点。

柴油发电机组是舰艇上重要的机械噪声源头之一，工作时内部既有机械往复运动又有旋转运动，是非常典型的舰艇内部机械振源，对舰艇对外声辐射有较大的贡献，本文以小功率柴油发电机为实验对象，构建了一种振动主动控制系统，基于Fx－LMS自适应滤波算法设计了相应的控制律，搭建以DSP为计算核心的控制系统，并开展振动主动控制实验研究。

1 主动控制消振技术原理及实现方法

振动主动控制消振技术的基本原理是“反相作用，以振治振”:针对振动源的扰动力，实时施加反相作用力，使振动力被抵消，达到减振目的。

鉴于舰艇上的机械振源设备的激扰源基本上都是往复或者旋转或两者兼有的周期性振动，且该周期信号可在线测得，因此可以通过对各个振动主动控制器施加前馈控制，使其产生的主动控制力抵消传递到目标减振点的振动力。其实现途径是应用主动闭环控制，实时拾取振动源的扰动力信息，通过适当的计算并输出反馈控制信号，控制作动器产生相应的反相作用力来主动改变被控制结构的闭环零、极点配置或结构参数，从而使系统满足预定的动态特性要求。其实现方法是:在机体与安装基础之间安置振动传感器和作动器，由传感器拾得机体或基础的振动信息，经控制器处理后给出控制信号，驱动作动器动作，减小机体振动能量向外传递。

本文考虑多通道Fx－LMS算法在线自适应更新，每个作动器的控制量由与之对应的滤波算法决定。该滤波算法考虑了不同目标点的振动情况，综合计算之后给出每个控制器上合适的控制力，实现多点实时控制。Fx－LMS算法是一个滤波器权重可以自适应更新的FIR滤波器，权重的更新通过梯度下降法实现。该算法主要利用与被控信号相关的参考信号及误差信号来自适应调节滤波器系数，适时给出控制信号来完成振动主动控制。该方法控制精度高、控制系统稳定性好，适合于此振动主动控制系统。

2 主动控制减振系统设计

2.1 系统设计方案

主动控制减振系统主要由4部分组成:

1）传感模块:采用高精度振动传感器，承担振动信息的拾取功能。

2）控制模块:以高性能DSP芯片为核心构建，实现数据处理与控制量计算等功能。

3）驱动模块:根据控制信号转换、放大后，输出驱动电量。

4）作动器模块:执行控制指令，产生作用力实现减振效果。

其具体工作流程为:当预定的控制周期到来时，DSP定时器产生一个中断信号，程序转入中断服务子程序。程序首先采集振源和减振目标点的振动信号并进行滤波放大等预处理，然后根据预定的控制算法，计算出当前控制周期内所需的控制量并输出;之后返回主程序等待下一个控制周期的到来。如此循环反复实现振动主动控制过程。

2.2 系统安装设计

系统组成如图1所示。在振动源设备下安装主动控制作动器，作动器下表面通过板筋钢结构浮筏与安装基础相互联接。以安装基础上板筋钢结构与振动主动控制装置的联接点作为减振目标点，安装传感器提取目标点振动信息，反馈到系统控制模块计算生成控制量，控制信号经D/A转换与功率放大后驱动作动装置工作，削减振源的振动传递能量，实现减振。

图1 振动主动控制系统简图Fig.1 Diagram of active vibration control experiment system

3 针对小功率柴油发电机实验设计及结果

3.1 试验系统

本文以小型柴油发电机组为对象，验证振动主动控制装置的有效性。图2为搭建的实验系统。实验振源采用5.5 kW柴油发电机，振动主动控制作动器位于振源与安装基础之间，安装基础使用了板筋钢结构与钢筋混泥土的结合。通过这些处理，使实验系统在结构和特性上与实际系统更为接近。在4个振动主动控制作动器安装基座旁布置了振动检测测点，通过振动数据动态信号分析仪分别采集作动器开启前、开启后的数据，对比检验振动主动控制装置的减振效果。

图2 实验系统图Fig.2 Diagram of the experiment system

3.2 测试结果及减振效果分析

理想的减振效果评价指标是力传递率——传递到基础的力幅值与激励力的幅值之比，然而其不易测量;现常用的是振级落差——设备振动与经隔振装置后传递到安装基础的振动响应之差，但是对于带有主动控制减振系统来说，由于增加了主动作动器件，设备的振动状况受到了作动器的明显影响，因此不能沿用以往的振级落差模式，以免导致虚假的减振效果;插入损失是另一评价指标，其定义为设备与基础之间在有无隔振器时的响应变化。本实验采用主动控制系统开启与未开启状态下设备安装基座的振动值，利用插入损失来评价主动控制系统的减振效果。

本实验选择在4个振动主动控制作动器安装基座旁为振动检测测点。表1～表4分别为4个测点低频段实测实验减振效果及振动总级对比。

表1 1号测点实验减振效果Tab.1 Experimental effect of Point1

表2 2号测点实验减振效果Tab.2 Experimental effect of Point2

表3 3号测点实验减振效果Tab.3 Experimental effect of Point3

表4 4号测点实验减振效果Tab.4 Experimental effect of Point4

上述实验数据表明，针对小型柴油发电机组研制的振动主动控制系统具有明显的减振效果，在10～300 Hz频段范围内，可达到6.3～7.8 dB的效果，且可同时针对8条谐波线谱进行有效的控制。

4 结语

本文构建一套振动主动控制减振装置，并基于小功率柴油发电机开展振动主动控制实验研究，实验表明:

1）多通道滤波Fx－LMS前馈控制算法及其基于DSP的控制作动器硬件能够较好地同时阻隔多频点周期性振动能量的对外传递;

2）本文研制的振动主动控制减振装置可对舰船典型周期性机械振源的低频振动实施有效的减振控制，进而减小舰船的辐射噪声。

［1］李维嘉，曹青松.船舶振动主动控制的研究进展与评述［J］.中国造船，2007，48(2）:68 －79.

LIWei-jia，CAO Qing-song.Advances and review on the research of the active control of ship vibration［J］.Shipbuilding of China，2007，48(2）:68 －79.

［2］周文.主动振动控制技术的发展和应用［J］.液压气动与密封，2003(8）:24－27.

ZHOUWen.Development and application active vibration control technology［J］.Hydraulics Pneumatics and Seals，2003(8）:24－27.

［3］姜荣俊，何琳.有源振动噪声控制技术在潜艇中的应用研究［J］.噪声与振动控制，2005(2）:1－6.

JIANG Rong-jun，HE Lin.Application research of active noise and vibration control technology in submarines［J］.Noise and Vibration Control，2005(2）:1 －6.

［4］韩家伦，许晖，韩定邦，等.基于DSP的小型化振动主动控制系统的设计与实现［J］.测控技术，2010，29(1）:65－67.

HAN Jia-lun，XU Hui，HAN Ding-bang，et al.Design and realization of miniaturization active control system of vibration based on the DSP［J］.Measurement and Control Technology，2010，29(1）:65 －67.

［5］孙国春，田彦涛，何丽蒙.周期性机械振动主动控制算法［J］.机械强度，2007，29(3）:496 －500.

SUN Guo-chun，TIAN Yan-tao，HE Li-meng.Algorithm of active control for periodic mechanical vibrations［J］.Journal of Mechanical Strength，2007，29(3）:496 －500.

［6］刘志刚.自适应控制在柴油机主动隔振中的应用［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2001.

［7］胡世峰，朱石坚，楼京俊，等.潜艇动力设备混合隔振自适应控制系统［J］.噪声与振动控制，2011(6）:107－111.

HU Shi-feng，ZHU Shi-jian，LOU Jing-jun，et al.Study and application of adaptive control of hybrid vibration isolation system of submarine's power device［J］.Noise and Vibration Control，2011，(6）:107 －111.

Active dam ping research and experiment based on Fx－LMS control technique

LIU Xiao-liang
(Military Representative Office of Combat System in Beijing，Beijing 100361，China）

Develop one type active vibration control system，design corresponding controlmethod base on the Fx－LMSAdaptive filtering algorithm，utilize DSP conductas core equipment to realize the algorithm.Launch active vibration control experiment research using a small power Diesel Generator.The experiment result indicate that the active vibration control system and the control algorithm is suitable to active vibration control of the typical period machine vibration source equipment on the ship.

active vibration control system;Fx－LMS;experiment research

O329

A

1672－7649(2014）04－0097－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.019

2014－01－20

刘晓亮(1965－），男，高级工程师，主要从事信息控制系统研究。