一种自调谐低功率作动器、主动控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及舰艇声隐身技术领域，具体涉及一种舰艇用变频设备的振动主动控制。

背景技术

舰艇的低频线谱是导致舰艇暴露的重要风险，而为了降低低频线谱，主动控制技术正逐渐应用于舰艇。主动控制中，需消耗能量的是作动器，它负责次级力的输出，是整个控制过程的核心机构。

目前应用最广泛的是电磁式作动器。当线圈中通以交变电流时，线圈与永磁体之间会产生洛伦兹力，在它的作用下，永磁体和其附连的质量产生往复运动。而根据振动分析，主动控制输出的次级力大小就等于质量体的惯性力。

这种作动器存在的问题是，由于惯性力与质量体的质量有关，因此小质量难以实现大出力，这制约了其实用化。由于大型设备的激励力大，要保证减振效果，就需要增大电流，因此带来了功耗大的问题。而作动器具有针对特定工作频率的特点，当作动器的固有频率与洛伦兹力频率接近时，输出力最大，换句话说，能在同样出力大小的情况下消耗的电功率最小。而频率匹配较差时，消耗的电功率更成倍增加。

这种工作特点与我们面临的新形势相矛盾。近年来，采用变频设备是目前舰艇的设计趋势，包括使用双速分级的海水泵、调节扬程的均衡泵，以及风量分档的通风机组等，这些变频设备在不同工况，因转速变化，振源频率也在变化。由于振动主动控制中，洛伦兹力始终与振源频率相同、相位相反，因此在变频工况，作动器的固有频率与洛伦兹力频率并不匹配。综合上述现状，痛点在于：作动器的工作特性与变频工况的矛盾。振源变频后，作动器的固有频率与工作频率不匹配，这导致作动器的单位功率出力小，甚至存在电流过大、功放烧毁等危险，导致振动控制的反效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种自调谐低功率作动器，它在传统电磁式作动器的基础上，将橡胶隔振器替换为气囊隔振器，同时设置了气源、进排气管，用以给气囊充放气，通过气囊的充放气，实现了结构上作动器的固有频率可自调节，在单线谱控制需求下，在不同工况，使作动器的固有频率与最高的线谱的频率保持一致，即可实现消耗小功率实现大输出力，适用于舰艇变频设备的主动减振需求。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种自调谐低功率作动器，包括罩体、导磁体、线圈、质量块和导向杆，所述导向杆固定安装于罩体内；所述质量块包括环形永磁铁，所述环形永磁铁包括同轴间隔设置的永磁铁内段与永磁铁外段，永磁铁内段套装于导向杆上并能相对导向杆轴向移动，永磁铁外段套装于永磁铁内段外；所述导磁体安装于永磁铁内段与永磁铁外段之间的间隙中，并与罩体固定连接，导磁体上缠绕所述线圈；

所述自调谐低功率作动器还包括气囊隔振器组和气源，所述质量块通过气囊隔振器组支撑于罩体内，形成质量弹簧系统；所述气源通过充放气管与各气囊隔振器相连，通过充气或放气调节气囊隔振器的等效刚度，从而调节作动器的固有频率。

上述方案中，所述导磁体包括导磁体上段、导磁体中段、导磁体下段；所述导磁体中段缠绕的线圈比导磁体上段和导磁体下段上缠绕的线圈更密集；所述永磁铁外段内壁向外开设凹槽。

上述方案中，所述气囊隔振器组包括四个气囊隔振器，分别为位于质量块左上方的左上层气囊隔振器、位于质量块右上方的右上层气囊隔振器、位于质量块左下方的左下层气囊隔振器、位于质量块右下方的右下层气囊隔振器。

上述方案中，每个气囊隔振器均配置一个独立的气源，所述气源位于相应的气囊隔振器旁边，安装于罩体内。

上述方案中，所述质量块还包括轭铁，所述轭铁设置于环形永磁铁的底部，分别通过长螺栓与永磁铁内段和永磁铁外段固定连接。

上述方案中，所述罩体包括上端盖、下端盖和外筒，所述上端盖和下端盖分别安装于外筒的顶端和底端；所述上端盖对应所述导磁体的位置设有向下延伸的连接部，所述导磁体固定于连接部的底端。

上述方案中，所述罩体内还设有电气接口，用于连接外部控制系统。

相应的，本发明还提出一种主动控制系统，上述自调谐低功率作动器、加速度传感器、控制系统和功率放大器；所述加速度传感器布置于所述自调谐低功率作动器的壳体以及振源的隔振装置上，所述自调谐低功率作动器为执行单元接收控制系统的控制信号。

上述方案中，所述主动控制系统还包括功率放大器，所述功率放大器与控制系统及自调谐低功率作动器相连，将控制系统的输出信号放大后给自调谐低功率作动器。

相应的，本发明还提出上述主动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、将自调谐低功率作动器的固有频率调至目标调谐频率，固有频率调谐方法为：1)对于单线谱控制需求，线谱频率为单一振源的基频及其倍频，该情况下，只需使作动器与振源基频匹配，因此直接在应用时调谐：将若干个自调谐低功率作动器安装在隔振装置上，主动控制开启前，加速度传感器监测隔振装置上测点的振动信号，同时气囊隔振器缓慢充放气，不断改变自调谐低功率作动器的固有频率，直至固有频率与工况的振源频率匹配时，质量块振幅剧增，自调谐低功率作动器壳体上的加速度传感器识别到共振，这时停止充放气，自调谐低功率作动器固有频率即已调频完成，将充放气量的数值保存在控制系统中；2)对于多线谱控制需求，调谐频率通过作动器辨识试验确定，用信号发生器经功率放大器给作动器输出被控对象最大的5根线谱的频率成分的单位信号，试验中通过气囊隔振器充放气同步调整作动器固有频率，遍历各固有频率，作动器输出的力的幅值加权和最大时的频率即为目标调谐频率，在试验调试中，确定了不同工况对应的气囊所需的充放气量并保存于控制系统中，然后将调谐后的作动器安装在隔振装置上；

步骤2、通过实时监测隔振装置上的振动测点的信号，即能分析出对应哪个工况，对应实施充放气量，将自调谐低功率作动器调谐至目标调谐频率即可；

步骤3、待自调谐低功率作动器调谐完毕后，打开主动控制按钮，即可实施振动主动控制，此时自调谐低功率作动器以消耗小功率提供大的振动控制力。

本发明的有益效果在于：

1、本发明自调谐低功率作动器将传统电磁式作动器的橡胶隔振器替换为气囊隔振器，同时设置了气源和进排气管，用以给气囊充放气，通过气囊的充放气，实现作动器的固有频率可自调节。该作动器可针对不同的工况，调节自身的固有频率，使作动器质量块在固有频率下进行往复运动从而出力较大，可用于应对变频设备减振新形势。

2、本发明自调谐低功率作动器有三个特点：(1)小质量共振作动器实现大型设备的通用减振，单个作动器质量仅为13.5kg，相比在原非匹配工作频率的工况下，单个作动器功耗可降低1-1.5倍；(2)固有频率调节目标和具体方法明确可操；(3)适用于舰艇(包括水面舰船、常规动力潜艇和核动力潜艇)变频设备的振动主动控制。

3、本发明首次提出这种作动器的固有频率调谐规则，调谐过程十分简单，反用共振原理，主动控制不开启时，作动器可视作弹簧-质量块系统，利用缓慢充放气过程，不断改变固有频率，直至固有频率与工况的振源频率匹配时，质量体振幅剧增，传感器识别到共振，这时停止充放气，作动器固有频率即已调频完成。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明自调谐低功率作动器的结构示意图。

图中：图中：10、罩体；11、上端盖；12、下端盖；13、外筒；20、导磁体；21、导磁体上段；22、导磁体中段；23、导磁体下段；30、质量块；31、环形永磁铁；311、永磁铁内段；312、永磁铁外段；32、轭铁；33、长螺栓；41、左上层气囊隔振器；42、右上层气囊隔振器；43、左下层气囊隔振器；44、右下层气囊隔振器；50、气源；51、充放气管；60、导向杆；61、紧固螺栓；70、电气接口；80、安装板；81、螺栓。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种自调谐低功率作动器，包括罩体10、导磁体20、线圈、质量块30、气囊隔振器组、气源50和导向杆60。

罩体10包括上端盖11、下端盖12和外筒13，上端盖11和下端盖12分别安装于外筒13的顶端和底端。导向杆60安装于罩体10内，导向杆60的上端通过紧固螺栓61与上端盖11固定连接。

质量块30包括环形永磁铁31、轭铁32和长螺栓33。环形永磁铁31包括同轴间隔设置的永磁铁内段311与永磁铁外段312，其中，永磁铁内段311套装于导向杆60上，导磁体20设置于永磁铁内段311与永磁铁外段312之间的间隙中，上端盖11对应导磁体20的位置设有向下延伸的连接部，导磁体20顶端与连接部底端固定连接。轭铁32设置于环形永磁铁31的底部，分别通过长螺栓33与永磁铁内段311和永磁铁外段312连接，以形成一个整体。

导磁体20包括导磁体上段21、导磁体中段22、导磁体下段23，导磁体中段22设置在质量块30的中间位置，其上缠绕的线圈比导磁体上段21和导磁体下段23上缠绕的线圈更密集，这样可以增加质量块30在受力下振动的稳定性。永磁铁外段312内壁对应导磁体中段22的位置向外开设凹槽，以给质量块30减重，便于实现小型化、轻量化。作动器工作时，通电线圈与质量块30之间会产生电磁力，质量块30在电磁力作用下作往复运动。

质量块30通过气囊隔振器组支撑于罩体10内，质量块30与气囊隔振器组形成质量弹簧系统。气囊隔振器组包括四个气囊隔振器，分别为位于质量块30左上方的左上层气囊隔振器41、位于质量块30右上方的右上层气囊隔振器42、位于质量块30左下方的左下层气囊隔振器43、位于质量块30右下方的右下层气囊隔振器44。每个气囊隔振器均配置一个独立的气源50，气源50设置于相应的气囊隔振器旁边，气源50通过充放气管51与各气囊隔振器相连，通过充气或放气调节气囊隔振器的等效刚度，从而调节作动器的固有频率。具体的，左上层气囊隔振器41和右上层气囊隔振器42安装于上端盖11，且下端与永磁铁内段311连接；左下层气囊隔振器43和右下层气囊隔振器44安装于下端盖12，且上端与轭铁32连接。

进一步优化，气囊隔振器选用气囊弹簧或液压弹簧，优选为不易疲劳的气囊弹簧。

进一步优化，罩体10内还设有电气接口70，用于连接气源50的控制阀和外部控制系统。

进一步优化，调谐低功率作动器还包括安装板80，罩体10及其内部设备整体安装于安装板80上，安装板80通过螺栓81安装于振源的隔振装置上。需要说明的是，振源安装在其隔振装置上，隔振装置是调谐低功率作动器的应用对象，作动器用于控制隔振装置在振源作用下的受迫振动。

相应的，本发明还提出一种主动控制系统，包括上述自调谐低功率作动器、加速度传感器、控制系统和功率放大器。加速度传感器布置于自调谐低功率作动器的壳体上以及隔振装置上，自调谐低功率作动器为执行单元接收控制系统的控制信号，功率放大器与控制系统及作动器相连，将控制系统的输出信号放大后给作动器。

相应的，本发明还提出上述主动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、将自调谐低功率作动器的固有频率调至目标调谐频率，固有频率调谐方法为：1)对于单线谱控制需求，线谱频率为单一振源的基频及其倍频，该情况下，只需使作动器与振源基频匹配，因此直接在应用时调谐：将若干个自调谐低功率作动器安装在隔振装置上，主动控制开启前，加速度传感器监测隔振装置上测点的振动信号，同时气囊隔振器缓慢充放气，不断改变自调谐低功率作动器的固有频率，直至固有频率与工况的振源频率匹配时，质量块30振幅剧增，自调谐低功率作动器壳体上的加速度传感器识别到共振，这时停止充放气，自调谐低功率作动器固有频率即已调频完成，将充放气量的数值保存在控制系统中；2)对于多线谱控制需求，调谐频率通过作动器辨识试验确定，用信号发生器经功率放大器给作动器输出被控对象最大的5根线谱的频率成分的单位信号，试验中通过气囊隔振器充放气同步调整作动器固有频率，遍历各固有频率，作动器输出的力的幅值加权和最大时的频率即为目标调谐频率，在试验调试中，确定了不同工况对应的气囊所需的充放气量并保存于控制系统中，然后将调谐后的作动器安装在隔振装置上；

步骤2、通过实时监测隔振装置上的振动测点的信号，即能分析出对应哪个工况，对应实施充放气量，将自调谐低功率作动器调谐至目标调谐频率即可；

步骤3、待自调谐低功率作动器调谐完毕后，打开主动控制按钮，即可实施振动主动控制，此时自调谐低功率作动器以消耗小功率提供大的振动控制力。

本发明的优点包括：

1、本发明自调谐低功率作动器将传统电磁式作动器的橡胶隔振器替换为气囊隔振器，同时设置了气源和进排气管，用以给气囊充放气，通过气囊的充放气，实现作动器的固有频率可自调节。该作动器可针对不同的工况，调节自身的固有频率，使作动器质量块30在固有频率下进行往复运动从而出力较大，可用于应对变频设备减振新形势。

2、本发明自调谐低功率作动器有三个特点：(1)小质量共振作动器实现大型设备的通用减振，单个作动器质量仅为13.5kg，相比在原非匹配工作频率的工况下，单个作动器功耗可降低1-1.5倍；(2)固有频率调节目标和具体方法明确可操；(3)适用于舰艇(包括水面舰船、常规动力潜艇和核动力潜艇)变频设备的振动主动控制。

3、本发明首次提出这种作动器的固有频率调谐规则，调谐过程十分简单，反用共振原理，主动控制不开启时，作动器可视作弹簧-质量块系统，利用缓慢充放气过程，不断改变固有频率，直至固有频率与工况的振源频率匹配时，质量体振幅剧增，传感器识别到共振，这时停止充放气，作动器固有频率即已调频完成。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。