王利伟
大型气囊隔振装置控制方案比较分析
王利伟
(91404部队91分队,河北秦皇岛066001)
对气囊隔振装置的压力分布进行了分析,以气囊压力分布的方差最小为约束条件,在保证气囊隔振装置的高度的控制精度前提下,实现压力优化分布,将多气囊分组连通进一步简化系统优化压力分布,通过压力传感器比较理论压力与实际压力值,对气囊充气,直到满足额定工作高度。
连通 等效气囊 控制 优化
大型气囊隔振系统采用刚度较小、姿态可调、固有频率较低的气囊作为隔振元件。气囊隔振系统用在船用柴油发电机的减振降噪上,其减振效果十分理想,该隔振装置的加速度振级落差可达40 dB。为了发挥良好的隔振性能,又能保证轴系对中连接、管路和机组间刚性连接、连接管路的变形等。则必须使隔振系统保持高度上的控制精度,控制高度就是控制气囊压力,即通过自动充气,维持各气囊的一个最佳压力分布,是控制策略要解决的重要问题,这对于延长气囊寿命,提高装置的安全性与可靠性具有重要意义。
由于需要支撑大型设备,气囊的额定承载量是有限的,这样就需要多个气囊来共同支撑,多气囊充气控制方案的优化很关键。
图1气囊隔振系统气囊布置简图(●表示位移传感器)
为了使隔振装置达到平衡,气囊的压力分布必须满足两个力矩平衡方程和一个力平衡方程:
图2气囊隔振系统侧视图
由于16个气囊是同一型号的产品,其物理特性基本一致,因此,当气囊的高度相同时,各个气囊的有效面积基本一致。显然,当所有气囊的高度均为时,气囊支持力与压强。之间有如下关系:
由式(5)可知,当隔振系统在一定高度下稳定时,无论各气囊压强怎样分布,所有气鞋压强之和是一个常数G/S。
由上可知,方程(3)可以化为
装置的重量和重心位置是已知的,气囊的安装位置也是事先确定的,因此,就可以建立一个固定于重心的直角坐标系,得出各气囊的坐标。在解上述方程组中,16个气囊的压强P是未知数,显然该方程组(1)(2)(6)有无穷多组解。为了使气囊的压力分布尽可能均匀,对气囊的压力分布施加方差最小的约束条件,即:
利用Matlab的最小二乘优化函数lsqlin,就可以计算出一组特定的压力分布[,,…,],它们的方差最小。
在保证气囊隔振系统高度上的控制精度的同时,如何实现多个气囊的压力最佳分布,这是控制策略要研究的重要问题。
本文主要思想是通过理论计算,得出一个最佳的压力分布,得到各气囊压力的理论值,将理论值与压力传感器测得的实际值比较,对压力小于理论值的气囊进行充气,直到测得满足额定高度就停止充气。其主要程序流程如图3所示。
图3 控制策略流程图
16个气囊的支撑,其中某一个气囊充放气,则装置的改变量会很小,或者说不满足变化最小量,若两个或更多气囊同时进行充气或同时进行放气,则装置高度改变量要明显,但为了考虑控制精度,同时进行充放气的气囊也不能太多,本装置选用两个,以重心为参考点,布置在X轴方向上重心的同侧,这样当装置发生倾斜时既可以及时扶正,又能快速达到规定高度。
由于同时进行充气或者同时进行放气,所以进行了连通。
16个气囊连通后变成8个虚拟的等效气囊,如图4所示
图4 连通后的等效气囊布置简图
这样每个气囊都采用单独控制充放气的气动单元,可以改进到每个气动单元同时控制两个气囊,则气动单元由16个就可以减少到8个,简化了系统的组成,控制数据通道也由16路变为8路,提高了达到额定高度系统反应所需时间,提高了系统的可靠性,更进一步对气囊隔振装置的动态控制提供了控制依据。
以图1所示的系统为实验对象,隔振系统的额定工作高度为200.0mm,已知:
G/S==28.8 MPa
对气囊的压力分布施加方差最小的约束条件时,可以计算出装置在额定高度处平衡时,16个气囊压力方差最小的压力分布,如图5。
图 5 16个气囊压力分布(方差6.400403)
那么连通计算时除了方差最小外,还增加了约束条件:
16个气囊压力分布,图6是计算结果。
计算值对比图5和图6。不连通的图5压力分布方差为6.400403,连通的图6压力分布方差为6.048896。方差越小波动越小,则连通时好。
图 6 16个气囊压力分布(方差6.048896)
更进一步,去掉图1中的1号气囊后,用剩下的15个气囊在保证装置高度控制精度的同时,实现了15个气囊压力方差最小的压力分布,计算值对比图7和图8。连通的图7压力分布方差为16.02627,不连通的图8压力分布方差为6.8936.则不连通时好,若选择采用连通等效气囊布置,则应在2号气囊增加截止阀。
图 7 15个气囊压力分布(方差16.02627)
图 8 15个气囊压力分布(方差6.8936)
气囊隔振装置由于有多个气囊的支承,其压力分布具有一定的不确定性,如何使装置既能保持高度上控制精度,又能使气囊压力保持一个最佳的分布,这对装置稳定可靠的运行具有重要意义。本文采用连通式等效气囊的控制方案简化了气囊控制系统的组成,减少应用造价,同时也提高了系统的可靠性,缩短了装置平衡稳定时间。连通后压力方差小于不连通,则压力分布更均匀,延长了气囊使用寿命。
[1] 卜文俊, 李尉. 空气弹簧隔振系统姿态模糊控制研究[J]. 噪声与振动控制, 2006, 26(4): 40-44.
[2] 尹万建, 杨绍普. 空气弹簧悬架的振动模碰和刚度持性研究[J]. 北京交通大学学报, 2006, 30(1): 71-77.
[3] 张占宁, 何琳. 气囊隔振装置压力分布优化控制研究[J]. 振动与冲击, 2007, 26(9): 60-62.
[4] 徐伟, 何琳. 空气弹簧系统动态性能研究[J]噪声与振动控制. 2005, 25(1): 5-6.
[5] 陈乐生, 王以伦. 多刚体动力学基础. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社. 1995
[6] 陈杰. MATLAB宝典. 北京: 电子工业出版社, 2007.
Control Method of Large Airbag Vibration Isolation Equipment
Wang Liwei
(No.91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066001, Hebei, China)
TP212
A
1003-4862(2016)08-0033-03
2016-03-07
王利伟(1981-),男,工程师。研究方向:船舶动力装置振动与噪声控制。