船用柴油发电机组主动减振试验研究

船用柴油发电机组主动减振试验研究

作者：杨铁军 李新辉 朱明刚 杜敬涛 刘学广 刘志刚 来源：《振动工程学报》2013年第02期

摘要： 针对某拖船柴油发电机组设计了一套主动减振系统。该系统由DSP处理器和6个惯性式电磁作动器组成，采用6输入6输出的自适应主动控制策略，控制器的参考输入信号由激光转速传感器测量柴油机的转速信号获得。在该拖船上进行了柴油发电机组单独工作时的主动减振试验，同时对水下的水声信号进行了监测。试验结果表明，不仅误差传感器所在位置的振动响应得到很好地衰减，而且布置在水中的水听器信号也得到了控制。关键词： 主动减振； 柴油发电机组； 惯性式电磁作动器； 水下辐射噪声

中图分类号：O328； TK4216文献标识码： A文章编号： 10044523（2013）02016009 引言

柴油机及各种泵等旋转与往复机械是船舶振动噪声的主要来源之一。这些设备产生的振动噪声一方面产生舱室噪声，是影响船舶舒适性的重要因素；另一方面，它们激励船体产生的水下辐射噪声会影响海洋考察船的探测距离和结果，更有甚者会影响海洋生态环境。对于军用舰船而言，这会对其生命力造成极大的威胁。因此人们一直在努力进行这类机械设备振动噪声的治理和控制。

传统的被动隔振技术如单层隔振、双层隔振、浮筏隔振等能有效地隔离船舶机械设备振动向基础的传递，已经在船舶领域得到了广泛的应用。但与其它振动被动控制技术一样，被动隔振技术也有其难以克服的缺点。如当结构确定以后，隔振效果就确定，无法适应外扰频率的变化；由于受结构的限制对低频振动的隔离效果不明显等等。因此被动隔振技术难以满足人们对振动日益严格的要求。

为了获得更好的减振效果，研究人员开始关注主动隔振技术[1～6]。Mitsuhashi等人早在上个世纪80年代就针对一台实船柴油机采用液压伺服系统进行了主动隔振技术的研究[1]。作者及所在的课题组也进行了类似的工作[2，3]，采用液压作动器针对实际柴油机在实验室环境下进行了主动隔振技术的理论和实验研究，与文献[1]采用自学习算法不同的是采用了自适应控制算法。Moriyuki等人针对一台柴油发电机组采用电磁式作动器进行了主动隔振技术的研究和探讨[4]。Winberg和Hansen等人承担了澳大利亚海军的咨询项目[5]，以柯林斯级潜艇的柴油发电机组为应用背景，针对其一个隔振基脚进行了主动隔振的模拟试验研究。其采用的是惯性式电磁作动器。Winberg后来将这种惯性式电磁作动器应用到一艘豪华游艇上[6]，对其推进主机进行了实船的主动隔振实验。

Moriyuki等人比较了不同类型作动器的隔振性能[4]。他们认为，文献[1]采用的液压作动器对整个系统的刚度有不好的影响。由于液压作动系统的频率响应范围一般较低，所以非控制

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频带内的振动响应会通过液压油向基础传递。笔者的研究也表明液压隔振系统在系统频响范围内能取得很好的控制效果[2，3]，但由于非线性因素的影响会放大高频的振动。在此基础上，笔者针对液压作动器的非线性因素进行了非线性控制研究，有效地抑制了高频振动响应的放大[7～9]。

目前国际上开始在实船上应用主动隔振技术，已经有商业化的主动隔振基础出现[10]。国内在这方面的研究整体上还处于实验室研究阶段。本文以某拖船柴油发电机组作为研究对象，在其采用单层隔振的基础上，开展了实船机械设备主动减振技术的试验研究，以检验在柴油机不同转速下所研制的柴油发电机组主动减振系统的有效性和对水下辐射噪声的影响。 1实船试验〖2〗11试验系统该拖船共使用两台柴油发电机组，柴油机为6135高速柴油机，净重1 228 kg，功率1103 kW，额定转速1 500 r/min，发电机采用TXF280L4H型发电机，重705 kg。整个柴油发电机组由6个BE400的减振器安装在机舱的艉部，选取左舷侧的柴油发电机组作为控制对象。

由于整个柴油发电机组仅通过6个BE400的减振器与船体结构相连，可以认为如果把柴油发电机组底座支架减振器安装位置处的振动进行了有效地控制，则可以控制整个柴油发电机组振动响应向船体结构的传递。所以振动主动控制系统采用6个惯性式电磁作动器，通过16 mm的过渡钢板安装在6个减振器的上方，在减振器安装螺栓上布置了6个图1柴油发电机组振动主动控制系统布置简图

第2期杨铁军，等： 船用柴油发电机组主动减振试验研究振 动 工 程 学 报第26卷加速度传感器作为主动控制系统的误差信号传感器，同时在减振器下方的船体支架结构上对应位置也安装了6个加速度传感器作为监控信号，整个主动控制系统作动器和传感器的布置如图1所示。在拖船的左舷侧外的水中布置了一个水听器，用来监控船体水下辐射噪声的情况。 整个振动主动控制系统的框图可见图2，为了方图2柴油发电机组振动主动控制系统框图 便说明，对每个惯性式电磁作动器进行了编号，各个加速度传感器则采用对应位置处作动器的编号。其中所研制的功率放大器还集成了高低通滤波器、加速度信号调理及激光转速传感器输出信号的调理功能，构成了一个集成化的振动主动控制（AVCActive Vibration Control）用控制器。相应的试验环境如图3所示。

如图2和图3（c）所示，在柴油机与发电机之间的轴段上安装一个激光转速传感器，可以测量得到一个与柴油机转速有关的周期信号，这个周期信号经过低通滤波器，可以得到一组关心频带内包含柴油机基频及各阶谐频的简谐信号。这个信号幅值稳定，是较为理想的自适应前馈控制的参考输入信号。图4是柴油机在各个转速下运转时，激光转速传感器测得的转速信号通过截止频率为100 Hz的低通滤波器后的频域曲线。从图中可见，激光转速传感器测得的信号中包含了柴油机基频及其整数倍频的谐频信号。

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取减振器上方的6个加速度传感器信号作为误差信号，采用6输入6输出的基于滤波xLMS自适应算法的控制策略[11]，DSP控制器的6个输出分别驱动对应位置的惯性式作动器工作，以有效控制减振器上柴油发电机组底座支架的振动响应。振动主动控制系统中控制器输出到误差传感器输出之间的传递函数被称为误差通道，它的特性将影响主动控制系统的稳定性和控制性能，因此必须在控制算法中加以考虑，以补偿误差通道的影响。如图5所示，耦合的误差通道即每个作动器对于其它位置误差传感器的作用一方面是通过柴油发电机组机体耦合，另一方面通过两次减振器的作用传递。因此除了在整个柴油发电机组单层隔振系统的某阶模态频率处及其附近，这个耦合作用一般相对较弱，所以本文暂不考虑耦合误差通道的影响。这样6输入6输出的控制系统变成并行的6个单输入单输出的自适应控制系统，

显然，由于采用了基于滤波xLMS的自适应前馈控制算法，因此只要控制滤波器的收敛系数取得足够小，而且误差通道的辨识结果基本准确，整个控制系统是无条件稳定的[12]。 12误差通道建模

基于滤波xLMS算法的主动控制系统中误差通道的辨识环节是影响控制系统稳定性和控制性能的重要因素[10，12]。振动主动控制系统中误差通道为控制器输出到误差传感器输出之间的物理传递函数，此处误差通道包括D/A、带通滤波器、功率放大器、惯性式作动器、作动器安装位置到相应误差传感器安装位置的传递函数、加速度传感器、电荷放大器、低通滤波器和A/D转换器等环节。由于柴油发电机组隔振系统结构参数是慢时变的，可以近似于时不变系统；而且自适应控制系统的稳定性对误差通道辨识的误差有较大的容许裕度[12]，故采用自适应离线建模技术用一组有限冲击响应（FIRFinite Impulse Response）滤波器对误差通道进行辨识。其自适应辨识的原理可见图6。图中r（n）为一宽带白噪声信号，同时作为误差通道si（n）和自适应滤波器Ci（n）的参考输入。当自适应过程收敛时，yr（n）能最好地再现dr（n），误差信号er（n）最小，此时Ci（n）则是si（n）的最佳估计。

为误差通道离线辨识结果的时序图，其中滤波器阶数取256，采样频率设为23 kHz。理论上讲，FIR滤波器辨识得到的误差通道时序图就是误差通道的脉冲响应函数以采样频率离散化的结果。从图中可见，256阶的FIR滤波器基本上包含了误差通道的完整信息。 2试验结果与分析 21误差传感器位置

以4号误差传感器所在位置为例。图8为4号误差传感器所在位置主动控制前后的振动响应。从图中可以很明显地看出，主动控制系统工作时对误差传感器所在位置处的加速度响应有很好的衰减效果，尤其是3，4，5和6倍基频处，控后大部分线谱已经没有了明显的峰值。表1为各个转速下，4号误差传感器所在位置各阶谐频振动响应的主动控制衰减量，从表中可见最高可获得30 dB的控制效果。

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为了方便评价整体的控制效果，定义整个柴油发电机组的振动水平为其各个转速下6个误差传感器测量得到的加速度信号幅值的均方根，如下式所示aave（f）=∑6i=1a2i（f）/6（2）式中ai（f）表示第i个误差传感器处的加速度响应，f为频率。

图9为柴油发电机组工作在不同转速下的加速度响应的振动水平频谱。从图中可以看出，主动控制系统能有效地抑制包括2，3，4，5等整数倍基频的振动响应，最高可有接近10 dB的主动衰减量。而对于基频，控制效果却不明显。这主要是因为在低转速时，如图9（a）～（e），惯性式作动器在这个频率范围内与被控系统不匹配，作动能力不足；而在高转速时，如图9（f）～（h），由于此时基频接近柴油发电机组第1阶模态频率（垂向256 Hz），耦合误差通道的影响凸显出来，而控制算法中没有考虑耦合误差通道的影响，所以影响控制效果。同时由于试验用柴油机为四冲程柴油机，其振动信号中含有诸如05，15，25，35，45和55倍基频的半倍频信号，而在由转速信号生成的参考输入信号中没有这些频率成分，所以主动控制系统在这些频率处基本上没有控制效果，这是影响整个控制系统性能的另一个重要因素。 图10为柴油发电机组主动控制前后的加速度振动水平的瀑布图，从中可以有个整体的直观印象。从图中也可以很明显地看出，主动控制系统能有效地抑制误差评价点处柴油发电机组除基频外的其它整数倍频的振动响应。但在基频的半倍频处，由于参考输入信号中没有这些频率成分，所以没有控制效果，特别是45倍频处的振动响应。 23各点总振级

为了便于比较，将每个加速度传感器所在位置在柴油机各转速下0～100 Hz范围内的加速度响应的总振级做了计算。表2，3分别是0～100 Hz范围内减振器上各误差评价点和减振器下各监测点主动控制后的加速度总振级的衰减量。由表2可见，振动主动控制系统工作时，控制频带范围内误差传感器所在各点加速度响应总振级有不同程度地衰减，最高能达到65 dB。而对于减振器下的6个监测点，则只是大部分有减振效果，如表3所示。 24水听器输出信号 3结论

本文针对某拖船的柴油发电机组进行了主动减振技术的试验研究。试验结果表明，振动主动控制系统工作时，不仅在误差传感器所在位置的振动响应得到很好的衰减，而且布置在水中的水听器信号也得到了控制。

由于参考输入信号并没有包含柴油机振动信号的全部频率信息，同时作动器在某些频率附近的作动能力不足，对主动减振效果有较大的影响。而在柴油发电机组的模态频率附近，耦合误差通道的影响也不容忽视。这都是下一步研究需要注意的地方。

本文的研究表明，对船舶机械设备采用振动主动控制技术，可以实现在整个传递途径上对振动进行有效地控制，最终使水下辐射噪声向有利的方向发展。

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