一种基于单向作动器的主动隔振误差传感器布置方案_王春雨.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 重点实验室国拨经费装备预研基金 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 王春雨 男博士助理研究员 年生 通信作者 李彦 女博士副研究员 年生 一种基于单向作动器的主动隔振误差传感器布置方案 王春雨 李彦 帅长庚 张能 海军工程大学振动与噪声研究所武汉 船舶振动噪声重点实验室武汉 摘要针对电磁气囊主被动隔振装置试验中出现的测点控制效果不一致整体隔振效果欠佳问题提出一种弹 性结构基础的误差传感器优化布置方法提高了单向作动器作用下的整体隔振效果分析弹性支撑刚体基础隔振系统的 振动传递特性阐述了通过多隔振器支撑能够解决各测点振动控制效果不一致的问题在弹性结构基础的振动控制中 以简支梁基础为例将隔振器与简支梁的连接部分看作刚体结构利用刚体基础隔振结论设计了一种个误差传感器对 应一个隔振器的误差传感器布置方案通过同时控制隔振器下方的个误差测点处的振动来控制通过隔振器传递到基础 的振动对比实测结果表明提出的误差测点布置方案相比于原布置方案具有更好的隔振效果 关键词主动隔振弹性基础误差测点布置 中图分类号 文献标志码 在船舶领域由机械设备振动引起的水下声辐射 噪声是影响潜艇水下声辐射和自身声纳工作的重要因 素隔振作为一种有效的振动消减手段一直是振动 噪声控制领域的研究热点主动隔振系统是在被动隔 振系统基础上增加主动控制系统通过控制系统计算 输出次级力抵消传递到基座的原始振动信号达到控 制振动的目的为了实现对机械设备更全面的减振 一方面主动隔振技术已经由单自由度向多自由度同时 隔振发展国外的 等率先讨论了通过隔振器的 多自由度传递的振动控制的必要性 设计一 种可同时作用于上层设备和下层基础的多轴隔振器 并在梁壳体结构上作了相关实验研究得出了一些十 分具有参考意义的结论国外公司如哈金森等也做了 相关多自由度隔振研究国内有关主动隔振系统中对 于单个作动器的设计及控制多基于单自由度隔振系 统如文献 另一方面基础的弹性与通过隔振 器传递下来的力之间的耦合加剧了振动传递及控制的 难度牛军川等 考虑到了基础在其它自由度的振 动耦合特性但主要集中在理论分析上还未见有相关 实验研究的报导熊冶平即指出隔振设计及分析还 多局限于刚性结构或者等效为单自由度隔振模型没 有考到实际激励大多为多自由度复杂激励是目前主 动控制技术达不到实际预期的主要原因鉴于国内研 究多为单向作动器因此如何在单向作动器隔振系统 中进一步提高隔振效果是一个现实意义的问题电磁 气囊主被动隔振器是在气囊隔振器的腔体中集成单向 输出力的电磁作动器实现主被动隔振功能具有集成 度高同位配置等优点 本文即针对在电磁气囊主被动隔振装置实际试验 中发现的误差测点振动控制效果很好但其他位置振 动欠佳甚至发散的异常问题立足于仅有单向垂向 控制力的弹性基础主动隔振系统以简支梁弹性基础 为例借鉴刚性结构基础主动隔振系统的研究结论从 误差传感器的位置布置入手提出一种误差传感器布 置方案以改善整体振动控制效果 刚体结构基础主动隔振系统分析 首先分析以弹性支撑的刚体为基础的振动控制系 统在多自由度激励下的振动传递特性及主动控制策 略可简化为图所示的以弹性支撑的刚体结构为基 础的隔振模型 图以弹性支撑的刚体为基础的隔振模型 隔振系统振动特性及主动控制理论分析 为研究方便这里在二维平面分析问题仅考虑图 中坐标系下的方向和绕轴方向的运动且忽略系 统的阻尼特性如文献中所述刚体基座的振动 可分解为平动和定轴转动两个相互正交的分量设传 递到基础的激励力 下层弹簧的垂向刚度 为 转动刚度为 垂向主动控制力作用在处 同时提供力和力矩分别为 则基础的运动方程可 以表示为 { 式中 设误差测点与控制力同位配置则误 差加速度信号为零时所需的主动控制力和基座上观测 点 处的振动加速度分别为 {} {} 式中第一项为沿轴的平动振动第二项为转动引起 的旋转振动 若上层机械设备被多个主被动隔振器支撑通过 隔振器传递到基座上初始激励力可以等效为垂直力 和力矩对于仅考虑轴和绕轴基础振动的隔振 系统而言最少需要两个次级力源才能够保证基础完 全控制推广到三维基座结构中则至少需要个次级 力源而在实际应用中考虑到上层被隔振设备的对称 性和隔振系统的稳定性常采用个及以上偶数个隔 振器布置方案 试验验证 图所示的试验中整个下层基础为质量均匀的长 方体实心钢结构重约 长宽高为 一阶弹性模态频率为 远在我们研究的 频率范围之上用对称的个气囊弹性在个角处支 撑在基础的上表面中心处安装一个电磁气囊隔振器 内含能够产生控制力的作动器其上固定的上层质 量块重约 由惯性作动器激励产生初始振动 在基础下表面对应隔振器的位置安装加速度传感器作 为主动控制算法的误差传感器在基础的上表面均匀 布置个加速度传感器依次从上到下从左到右编 号 作为观测传感器用来评估整体隔振效果 采用以误差传感器为目标的滤波 算法作为本文控 制执行算法 图单隔振器试验平台 第期王春雨等一种基于单向作动器的主动隔振误差传感器布置方案 图个观测传感器的位置示意图俯视 图是记录下来的个观测点在频率为 处 的主动控制开启后相对于开启前的振动衰减量可见 各测点的控制效果差异很大再分别取代表性的测点 观察它们在整个 的控制过程中振动的 变化情况如图 图所示其中主动控制在 开 启可以看出在测点处振动是逐渐收敛减小的而测 点和测点则表现出了振动先衰减继而反弹增加 的现象尤其是测点的反弹现象更加明显这与分 析的结果一致 图各测点振动 稳定控制效果 图测点的 振动控制历程 图测点的 振动控制历程 图测点的 振动控制历程 对试验台架进行改造采用个橡胶隔振器来支 撑刚性基础用个电磁主被动隔振器连接上层结构 和刚性基础采用振动电机作为激励源对多隔振器支 撑的隔振系统进行试验研究在个隔振器旁边布置 个加速度传感器作为误差传感器同样在下层基础上 均匀布置个加速度传感器用来观测评估隔振效果 试验装置如图所示调节振动电机转速激励不同信 号进行主动控制试验图为 激励时个误差 测点的振动过程各测点在控制后均显示出一致较好 的控制效果没有出现局部增大或者过度控制的现象 说明多通道隔振系统能够实现刚性基础的完全控制 图具有个主动隔振器的隔振试验装置 图各观察测点的振动收敛过程 振 动 与 冲 击年第卷 以简支梁为基础的隔振系统振动特性 对如图所示的单个隔振器组成的弹性隔振系 统由 的研究可知传递到基础的功率为 [] 式中 和 分别为隔振器对下层基础的作用力和主 动控制力 为下层基础的位移当 时系统可 转化为全被动隔振式即为简支梁隔振系统由初始 激励传递下来的总振动能量 [] 式中 为与上层阻抗隔振器阻抗和基 础阻抗相关的变量推导比较繁琐不在赘述具体见 研究中的附录 图以简支梁为基础的隔振系统模型 为直观的展示有激励源传递到基础的能量规律 对式进行数值仿真具体仿真参数设置如表 所示 表简支梁隔振系统能量传递的仿真参数设置 参数仿真值 上层质量块重量 上层质量块尺寸 下层质量块重量 梁的尺寸长 横截面 梁的密度 梁的弹性模量 梁的截面惯性矩 隔振器安装位置 梁的模态损耗因子 隔振器的垂向刚度 隔振器的转动刚度 分别设置只有垂向激励力 混合激振力 和 以及混合激振力 和 三种情况图为三种激励情况 下传递到基础的振动能量随激励频率的变化在 和 的激励下改变隔振器刚度得 到传递到基础的能量如图所示 图三种不同激励力激励时在各频率传递到 基础的振动能量对比 图不同隔振器旋转刚度时传递到基础的 能量的对比 仿真结果表明在梁的共振频率点处基座的振动 增强传递的能量增大这符合单层隔振系统的传递特 征但是复杂激励时在 之内共振点多了一个 旋转共振频率这是由上层质量块和隔振器在转动方 向上的共振频率在此频率处旋转能量大大增强远 高于垂直激励引起的振动图中还可以看出力矩 激励对基座振动的贡献在低频段表现的不十分明显 随着频率的增大而逐渐增大这与文献中的分析 一致力矩激励越大对基础的影响就越大当改变 隔振器的旋转刚度时刚度越大传递到基础的能量越 大同样也是在高频段表现的明显这个现象对于低频 线谱主动控制而言是一个积极信号 以上分析说明传递到梁基础上的振动能量成分 和刚体基座隔振系统中的一样同时含有垂向激励和 力矩激励诱发的成分并且力矩激励成分随着频率身 高越来越大不可忽略由于整个基础的弹性特点采 用多个隔振器同时布置并不能彻底控制力矩激励引起 的弹性基础振动一种提高整体隔振效果的折中方法 是在通过优化误差传感器的布置位置使得单自由度 作动器发挥最佳控制力使隔振系统发挥当前硬件条 件下的最优隔振能力 第期王春雨等一种基于单向作动器的主动隔振误差传感器布置方案 误差传感器的优化布置方案 目前电磁气囊主被动隔振系统中误差传感器通常 取与隔振器同位配置目的是以隔振器安装位置处的 振动作为主动控制目标试验中也证明这种方案在误 差测点有不错的控制效果但是也不可否认的出现了 局部位置隔振效果较差的现象 在刚体结构中可以把力矩等效为两个作用在不 同位置的点力作用考虑到隔振器在连接上层机器 和下层基础时有一定的接触面积且出于承载考虑 往往在安装位置处增加厚度以增加结构强度因此 本文将隔振器作动器下盖板安装位置处的基础 部分看作局部刚体结构结合上文关于以弹性支承 刚体为基础的主动隔振系统研究可以判定当初始 激励源包含转动等复杂成分时如果仅仅依靠一个 测点位置处的振动作为单个隔振器振动控制的目 标控制效果与传感器的安装位置有密切的关系 根据对基础振动的分解当误差传感器位于面板的 正中间位置时误差测点振动的控制代表垂向平动 的能量得到了有效控制转动能量未受到影响当误 差传感器位于面板中间的一侧时面板处其它测点 振动可能会出现增大总体呈现出控制效果变差的 情况因此对于单个隔振器而言单一误差传感器 不能有效的感知整个隔振器传递下来的振动信号 此时控制策略仅仅会使得该点的振动减小不能保 证结构整体的振动得到了控制因此需要增加误差 传感器的数量以更全面的获取传递下来的振动 信息 本文立足于作动器仅产生垂向控制力的基础根 据三个点确定一个刚体平面的原理提出用个传感 器对应一个隔振器的布置方案在隔振器下表面按等 边三角形布置个加速度传感器作为误差传感器利 用多个误差传感器测得的振动信号作为单个隔振器传 递振动的测试和控制的指标个不同分布的加速度传 感器能够解耦出振动的平动和转动分量使得单由度 作动器彻底控制平动振动分量避免误控制转动振动 分量和引发振动反弹现象 试验研究 不同误差测点方案隔振效果 对比 传统的传感器布置采用一个误差测点对应一个隔 振器当系统为多通道系统时即用与隔振器数量相同 的传感器即可完成主动控制系统的构建试验设置传 感器位于隔振器中心和偏心两种方案作为与本文提出 优化方案的对比方案参与试验的三种布置方案如图 所示 图误差传感器的三种布置方案 以第节简支梁模型为基础搭建了以简支梁为基 础的单个隔振器试验平台梁的长宽高依次为 两端以楔形结构支撑隔振器的位置处 于结构的中间上层质量块重约 尺寸 振源采用吊挂式惯性激振器为了更 客观的评价隔振效果在简支梁上表面均匀布置了列 每列个共个 加速度传感器用这些加速度传感 器在主动控制开启前后采集到的加速度信号的均值作为 本隔振系统的隔振效果的评价指标 根据激振器激振点的位置设置两组激振工况见 图模拟不同的振源激励分别对比测试了三种误差 传感器布置方案具体试验方案见表试验中激振信 号频率从 频率间隔 分别记录从控制 前开始的控制过程数据并作分析三种方案的布置实 物图如图所示总共需要个误差加速度传感器 图两种工况的激振器安装位置 表试验测试方案 激振工况测点布置方案 偏心单误差测点方案 工况 激振器激振位置中心单误差测点方案 中心对称三测点方案 偏心单误差测点方案 工况激振器激振位置中心单误差测点方案 中心对称三测点方案 图三种布置方案实景 振 动 与 冲 击年第卷 试验前首先利用个误差传感器测试初级源激 振器和次级源作动器在基座上隔振器安装位置处 激起的振动特性输入幅值 频率 步进 速度 的扫频信号作为激励信号图 为工 况时个误差传感器的相位一致性横坐标为扫频时 间与频率之间的关系为 可见在 处以下个位置处的相位比较一致即证明此时基座 的振动几乎全部为垂向平动但是 以上相位差慢 慢增大表明旋转运动分量逐渐增大图为激 振器激励位置时的相位一致性测试结果相位差出 现不一致的时间要更早大约在 时也即说明相同 频率下偏心激励更容易使得基座发生旋转振动这对 于振动主动控制而言是不利的 图激振器分别激励位置和位置时个误差测点 位置处的振动信号相位分布 依次选取 激振信号做主动控 制实验图为旋转振动分量最大的工况即激振器激 励在位置频率 时三种误差测点布置方案中 误差测点的平均收敛过程曲线图中可以看出单误 差布置方案方案和方案实验中误差测点均能够 得到很好的收敛效果几乎将振动线谱收敛到背景噪 声的水平这从侧面证实了控制算法的正确性且与误 差点位置无关而方案中误差测点的控制效果相比 于前两种方案就要差一些似乎显示不出方案的优 越性 图 激励时工况中各方案的误差测点收敛情况 但如果结合个额外的观察测点来分析情况 就会大不一样图为工况中三种方案在 和 处基础测点个额外观察测点的平 均收敛过程对比可以看出在低频 处三种控 制方案差别比较小稳定后的收敛效果相当而在较 高频率 和 处方案方案中依旧具有 相似的收敛特点方案中却出现先有较大控制效果 然后再变差的现象这是因为当前误差测点测得的振 动中包含有转动激励引起的成分而在低频段转动分 量相对较小频率越大转动分量越大从而导致控制 算法会由此增大控制力来消减误差点的振动出现了 过度控制从而激发总体振动增大转动分量越大这 种现象越明显方案中 比 反弹更强 烈 图三种布置方案中个观察测点的平均衰减历程 第期王春雨等一种基于单向作动器的主动隔振误差传感器布置方案 图为两种工况下三种布置方案在各频率处的 平均控制效果图中可以看出在工况中三种方案 的平均控制效果除个别频率处外其余频率处均很接 近工况中方案之间的差别较大同一种误差测点 布置方案下对工况的控制相比于对工况的控制 效果更差原因在于激振位置相比位置更偏心 即初始激励转动分量更大更容易激起基座的旋转振 动在低频段 以下振动均在主动控制开始 后有明显的控制效果但是在较高频段中各方案控 制效果较差到 左右几乎没有控制效果这是 由于激振力所激励的位置虽然已经尽可能的处在 上层质量块的中心但是实际上很难找到一个能够和 作动器输出力完全匹配的振源激励力来进行控制 试验 图两种工况下三种方案的平均控制效果 综合以上分析充分验证了误差测点布置方案 和方案要远远优于布置方案尤其是当初始激励中 旋转分量增大的时候另外仔细比较方案和方案 的隔振效果可以得到方案的控制效果要稍优于方 案更能反应结构整体的振动情况而且在实际应用 中隔振器需要承载设备的重量往往会在安装位置处 通过加强筋板的方式加强基础结构强度误差传感器 的布置是很难做到中心布置的如果偏离中心就会出 现类似于方案中的过度控制从而导致结构整体控 制效果很差甚至发散的情况相比之下本文提出的 方案更具有工程可操作性 结论 本文分析利用弹性支承的刚体结构基础主动隔振 系统多个主动隔振器能够控制刚体基础的结论将弹 性结构基础隔振系统中隔振器与基础的安装面视为刚 体结构以简支梁基础为例提出了以个误差传感器 对应一个隔振器的误差传感器布置方案解耦传递到 基础的平动振动和转动振动减小作动器冗余输出力 从而避免主动控制系统误控制的现象通过与误差传 感器和隔振器一一配置的传统布置方式进行主动控制 试验控制效果对比结果表明本文提出的布置方案隔 振效果更好更有工程实用性 参 考 文 献 何琳徐伟舰船隔振装置技术及其进展 声学学报 陈绍青王永基于磁悬浮隔振器的主动隔振控制实验 研究 东南大学学报自然科学版 增刊 谢溪凌王超新陈燕毫等一种 隔振平台的动 力学建模及实验研究 振动与冲击 牛军川刘玉友主动隔振系统中功率流的最优化控制策 略 噪声与振动控制 牛军川田国会旋转机械主动隔振研究 功率流传递 特性 山