低频线谱振动控制的研究

低频线谱振动控制的研究

减少动力机械的线性光谱振动是控制船舶水下辐射噪声的重要研究方向。目前,船舶上多数采用的被动隔振装置,不能对低频线谱振动进行有效隔离。有源振动控制又称振动主动控制,是一种非常有效的线谱振动控制手段,其原理是在被控系统中引入次级振源(作动器),测量振源和隔振目标的振动信号,并通过一定的控制策略,使次级振源产生的振动与主振源传递到隔振目标上的振动相互抵消,以达到振动控制的目的。电磁作动器是利用线圈通电时,在衔铁和铁芯之间的气隙中形成磁场、产生磁力而进行工作的。可以通过控制输入电流获得交变的磁悬浮力,作为主动控制力抵消目标的振动。与其他作动器相比,电磁作动器具有无接触、低刚度的特点,从而可以与被动隔振器构成并联混合隔振模式,作动器不需要承受被隔振对象的重量,具有低功耗和高可靠的优点。研究表明电磁作动器的输入电流与输出力之间存在明显的非线性,特别是在控制低频段线谱振动时,需要较大作动力的场合,由于非线性得不到补偿,作动器会在振动的谐频产生额外的能量。因此,研究电磁作动器的非线性现象对主动控制的运用有极大的意义。1非线性绝缘体的分析1.1交变电流与电流的关系电磁作动器结构如图1所示。假设线圈匝数为N;静平衡状态时的气隙高度为X0,衔铁的振动位移为x,气隙瞬时高度为X=X0+x;作动器的偏置电流为I0,交变电流为i,瞬时电流为I=I0+I;有效截面积为S;气隙磁阻为u。则可推导出作动器提供控制力的简单数学模型如下式由式(1)可知,作动力中包含交变电流的平方项,具有非线性。进一步假设i=Acos(2πft),x远小于X0,则式(1)可化为从式(2)可知,输入单频电流时,作动器获得的输出力,主要是由基波和二次谐波叠加而成,此外还包含微小的偏置,非线性主要是在二次谐频处产生了额外的能量。11.2低频线谱激励下的振动检测图2为振动主动控制试验台架简图,其中激振器安装于上层板中心位置作为振源。上下两层金属板(质量为100kg)在低频段可视为刚体。上层板和下层板、下层板和支架间分别用四个橡胶隔振器连接。电磁作动器置于上下层板的中心位置,其作用就是使传递到下层板的线谱振动得到衰减。加速度传感器上下层板各布置一个。通过激振器对上层板发出低频线谱振动,观察并记录下层板载主动控制前的振动情况;然后利用基于前馈结构的FxLMS算法,通过振动主动控制器对作动器进行控制,记录下层板在控制后的振动情况并与振动前的情况进行对比分析。实验对比图(激振频率为21Hz)如图3所示(图中50Hz处的线谱为电源干扰)。从图3可以看出,在受到低频线谱激励时,下层板在该频率下有明显的峰值。通过电磁作动器进行主动控制后,基频振动峰值得到了有效降低,效果约为30dB。但在控制后,基频线谱的2倍频处,出现了大于控制前约为15dB的振动,这就是由于作动器的非线性未能得到补偿而在谐频处产生的额外能量,实验现象与理论分析相吻合。2谐波发生器自适应补偿的方法由于前馈FxLMS控制算法是通过获取振源信号作为参考信号来进行主动控制的,而上层传感器测得的振源信号只包含基频能量,所以控制图4中x、y、d、e分别为参考信号、控制信号、期望信号、期望信号和误差信号。W为控制器,S为次级通道,Ŝ(z)为次级通道的辨识模型,r为参考信号经过次级通道模型滤波后的信号。结合电磁作动器会在二次谐频处产生额外能量的特性和前馈FxLMS控制算法的原理,我们可以采用谐波发生器自适应补偿的方法来抑制作动器的非线性,其原理如图5所示。系统在对一个频率为f1的振动进行控制时,上层传感器可以将获取到的振动频率为f1的信号作为参考信号传递给控制器并使系统针对该线谱开始控制。与此同时,将该振动频率为f1的信号作为参考信号传入到平方关系的谐波发生器中,通过谐波发生器发送频率为f2=2f1能量较小的参考信号给控制器,使其同时控制2倍频f2处的能量,效果如图6所示(图中50Hz、100Hz处的线谱为电源工频干扰影响)。从图6中可以看到,在基频处的能量得到有效控制的同时,通过谐波发生器自适应补偿的方法,二次谐频(42Hz)处的能量明显降低且接近背景噪声,较好地控制了由作动器非线性引起的二次谐频处的振动。利用谐波发生器自适应补偿作动器非线性的方法虽不能消除作动器本身的非线性,但由于谐波发生器输入的信号能量较小,所以并足以导致更高次谐频的振动加剧。(图中84Hz处幅值,器只能控制基频处的振动。前馈FxLMS控制算法原理图如图4。在采用线性控制算法和谐波发生器自适应补偿法的情况下,差别很小)。3低频线谱振动的实验本文通过实验研究了电磁作动器的非线性现象,并提出运用谐波发生器自适应补偿作动器非线性现象的方法,实验结果表明,采用常规的FxLMS算法控制电磁作动器进行低频线