一种基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程技术领域，特别是涉及一种基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统。

背景技术

随着国际海事组织和各国对船舶与海洋工程振动噪声标准的不断提高，减振降噪技术成为船舶与海洋工程领域的重要研究课题。良好的声隐身性能极大提升水面舰船的作战力和生存力，因此各国致力于研究更加有效的舰船减振降噪方法。设备激励船体结构振动产生的水下声辐射是舰船机械噪声的主要成份，通过机脚和基座等结构传递到舰船空间板架结构中，并以弹性波的形式沿各个方向在舰船空间板架结构中传播，引起船体空间板架结构振动，最终产生水下辐射噪声，其中又以弯曲波引起的舰船板架结构弯曲振动从而引起的水下辐射噪声为主。舰船设备工作时产生的激励具有大量显著的低频线谱特征，当舰船船体结构固有频率与机械设备的激励频率相接近时，会导致结构响应明显增大，由此导致舰船的结构振动和水下辐射噪声具有显著的低频线谱特征。因此为提高舰船声隐身性能，需降低其低频段水下辐射噪声，进而降低舰船水下辐射噪声总声级，从而提高舰船生命力和战斗力。

而舰船空间板架结构复杂，难以采用解析方法研究舰船空间结构中弯曲波的传播特性。因此，数值和理论方法成为学者们常用的研究方法。尽管数值方法可以较为有效地研究舰船结构弯曲波的传播特性，但其有效性仍需实尺度试验验证。然而，实尺度试验验证对于尺寸过大、结构复杂的超大型水面武装平台如舰船来说，实尺度模型试验存在局限性：造价昂贵，制造工期长，不便于运输，并可能造成较大经济成本和时间周期浪费。为尽可能减少试验成本，降低试验周期，降低试验风险及不可控性，并保证试验测试的准确性，采用适当尺寸的试验模型成为研究结构动力学和弯曲波的传播特性的重要途径。模型试验可严格控制研究对象的主要参数，不受外界和自然条件的限制，并能通过推导原型与模型间的动力学之间的关系，保证测试结果的准确性。

已有的舰船空间板架结构动力和弯曲波的传播特性研究表明，选取板架所在舱段或是相邻的三舱段结构模型来分析研究板架结构的动力特性是最可靠的方法，然而这将耗费成本和计算时间，通常对舰船空间板架结构进行截断处理。当弯曲波在截断模型中传播时，由于结构尺寸较小，在边界处会发生反射，而相较于舱段或是实船，其结构尺寸较大，弯曲波传递到边界处能量消耗殆尽，反射效应变弱。因此对于船体截断模型而言，截断处边界声学条件发生变化，与原结构有一定差异。现有研究表明，受船体空间板架结构形式和结构参数的影响，实船结构中的板架结构的四边支撑条件通常介于简支和固支之间，因此在工程上通常利用四周简支或四周固支进行板架结构截断模型边界的等效。弯曲波传递到这类边界通常会发生反射现象，不利于开展板架结构波动特性研究。

为验证舰船振动及波动问题解决方案的可行性，需开展相应的结构试验。而现有的船体结构试验边界条件通常根据对应试验结构设计固支、简支等等效边界，属于用完即无用的状态，大大浪费了资源，且未考虑边界处的反射效应。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统，可解决用完即无用以及大大浪费资源的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统，包括：

分别与被控对象目标位置连接的传感器模块、激振器和伺服电机以及与所述伺服电机连接的控制模块；所述传感器模块还与所述控制模块连接；所述目标位置为预施加无反射边界条件的位置；所述激振器用于对所述被控对象目标位置施加载荷，所述传感器模块用于测量被控对象目标位置的位移、速度及输出力，并发送给所述控制模块；所述控制模块用于根据所述传感器模块传送的被控对象目标位置的位移、速度及输出力控制所述伺服电机进而控制所述被控对象目标位置。

可选的，所述基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统，还包括：连接机构，所述伺服电机与所述被控对象目标位置通过所述连接机构连接。

可选的，所述基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统，还包括：驱动器，所述控制模块和所述伺服电机通过所述驱动器连接。

可选的，所述传感器模块包括：力传感器、位移传感器和速度传感器；所述力传感器、所述位移传感器和所述速度传感器均分别与被控对象目标位置和所述控制模块连接。

可选的，所述控制模块包括：双向连接的控制台和控制器，所述控制器分别与所述传感器模块和所述驱动器连接。

可选的，所述基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统，所述连接机构：包括运动转换机构和联轴器；所述伺服电机、所述联轴器、所述运动转换机构和所述被控对象目标位置依次连接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明在船用无反射边界条件加载实验装置系统中引入控制模块，通过主动控制方法实现电机和控制系统之间的交互，使伺服电机产生可控输出力以模拟无反射边界等效控制力的作用效果，解决了未考虑边界处的反射效应的问题，从而解决了用完即无用以及大大浪费资源的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统的工作原理图；

图2为本发明实施例提供的基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统的连接框图；

图3为本发明实施例提供的基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统中的运动转换机构与伺服电机连接关系图；

图4为本发明实施例提供的滚珠丝杠内部结构图。

符号说明：

1—丝杠、2—螺母、3—套筒、4—挡珠器、5—滚珠。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

主动控制作动器由于其策略的可控性、根据环境的自适应性广受各大学者推崇。现有的作动器可以通过控制方法进行相应参数的调节，通过设计实现边界条件的主动控制，以满足多个试验结构在多个频率下的试验要求，并能够快速进行试验研究从而更有效地研究船舶低频问题。通过主动控制的方式建立有效的试验装置以解决船舶低频问题有着迫切性和必要性，并能在工程上节省资金、节约资源，综上所述，设计一套能够通过主动控制策略实现结构边界处的无反射效应并能在陆上进行水域环境的模拟以研究船体结构波动及振动特性的试验平台具有工程实际意义，所以本发明提供了一种基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统，包括：

分别与被控对象目标位置连接的传感器模块、激振器和伺服电机以及与所述伺服电机连接的控制模块；所述传感器模块还与所述控制模块连接；所述目标位置为预施加无反射边界条件的位置；所述激振器用于对所述被控对象目标位置施加载荷，所述传感器模块用于测量被控对象目标位置的位移、速度及输出力，并发送给所述控制模块；所述控制模块用于根据所述传感器模块传送的被控对象目标位置的位移、速度及输出力控制所述伺服电机进而控制所述被控对象目标位置，伺服电机用于控制被控对象的运动，可以将电信号转化为转矩和转速来驱动被控元件，内部转子为永磁铁转子，在U/V/W三相电的作用下形成电磁场，导致转子转动。

在实际应用中，所述基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统，还包括：连接机构，所述伺服电机与所述被控对象目标位置通过所述连接机构连接。

在实际应用中，所述基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统，还包括：驱动器，所述控制模块和所述伺服电机通过所述驱动器连接，控制台向控制器发出数字信号的加载命令，经过控制器转换为电流信号后，发送至伺服驱动器。伺服驱动器负责驱动伺服电机，以实现电机轴的正转、反转以及高速和低速旋转。

在实际应用中，所述传感器模块包括：力传感器、位移传感器和速度传感器；所述力传感器、所述位移传感器和所述速度传感器均分别与被控对象目标位置和所述控制模块连接。

传感器模块还可以为激光位移传感器，利用差分可得到速度信号。

在实际应用中，所述控制模块包括：双向连接的控制台和控制器，所述控制器分别与所述传感器模块和所述驱动器连接。

在实际应用中，控制器采用快速控制原型设备，作为控制系统数字控制单元，其配置D/A转换器和A/D转换器，来作为控制单元与传感器和驱动器的数据接口。

在实际应用中，所述连接机构包括：运动转换机构和联轴器；所述伺服电机、所述联轴器、所述运动转换机构和所述被控对象目标位置依次连接，联轴器与运动转换机构主要采用滚珠丝杠直线模组。

在实际应用中，如图3所示，所述运动转换机构包括：丝杆、运动块、螺栓、丝杆轴、键槽，所述运动块上方有螺孔，伺服电机与左侧电机轴相连，在电机轴上附有键槽，丝杆轴和电机轴通过联轴器连接，丝杆通过螺栓连接在丝杆轴上，运动块通过螺孔螺栓连接在丝杆上，伺服电机通过电机轴的旋转运动提供扭矩，然后扭矩传送到丝杆轴，由滚轴丝杆副将扭矩转换成直线力，并且通过力传感器测量输出力对电机进行反馈调节。

如图4所示，滚珠丝杠包括：丝杠1、螺母2、套筒3、挡珠器4和滚珠5，螺母2与需进行直线运动的被控对象相连，在丝杠1和螺母2上都设有螺旋槽，这些槽彼此匹配，可形成滚珠循环通道，滚珠5在通道内循环滚动。在丝杠1外圆柱面上加工有螺旋形凹槽作为滚珠循环通道，凹槽的两端分别加工有与螺旋滚道相切的通孔，将两个挡珠器4(端部导流器)装于螺母2内表面侧孔中，挡珠器4的弧形挡珠杆与螺旋滚道相吻合，杆端部舌形部分将引导滚珠进入回珠通孔，返回初始螺旋滚道，形成滚珠链运动。为防止滚珠从回珠槽内脱出，用套筒3紧套在螺母2外圆柱上，从而构成了滚珠链的封闭循环运动。

本发明实施例提供的基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统的工作过程如下：

在基于伺服电机的无反射边界条件加载实验系统运行时，由激振器输入所需频率下的载荷，位移传感器及速度传感器测量所需施加无反射边界点结点处位移及速度，经数据采集器传递至控制器，控制器将数据传递给控制台，控制台转换为所需力信号后，向控制器发出数字信号的加载命令，经过控制器转换为电流信号后，通过控制器以电流信号的方式反馈至伺服驱动器，伺服驱动器负责驱动伺服电机，以实现电机轴的正转、反转以及高速和低速旋转，伺服电机通过运动转换机构输出实际所需力，与此同时传感器采集的被控对象速度、位移和力信号反馈给控制器(第一次激振器输入荷载时，只能测到速度和位移信号，第一个循环完才有运动转换机构输出实际所需力，这时才会测量到被控对象输出的力信号)，控制器通过控制算法进行不断反馈调节，从而实现对被控对象位置或力矩的精确控制，使其能精确输出所需力，从而模拟无反射边界等效控制力的作用效果。由于伺服电机的高精度性及快响应性，此过程十分迅速，通过此控制过程能够很好得到目标力，从而达到对船体减震的目的。

本发明有以下技术效果：

本发明位移传感器及速度传感器测量所需施加无反射边界点结点处位移及速度，经数据采集器传递至控制台，转换为所需力信号后以电流信号的方式反馈至伺服电机，伺服电机通过运动转换机构输出实际所需力对被控对象进行控制，并且通过力传感器测量被控对象的输出力，并将测量到的被控对象的输出力传到控制器，然后对电机进行反馈调节，使其能精确输出所需力速度、位移及力传感器等作为测量元件，既为系统提供速度、位移信号以得到目标力，同时向控制台反馈实时力信号，使伺服系统出力能够不断修正，减小实际输出力与目标力的误差。

在有限结构截断处引入无反射边界以模拟无限连续介质的虚拟边界，即可实现波在边界处的传播特性与连续介质一致，使弯曲波通过边界时无反射效应，实现原结构与现截断模型之间的边界等效，降低边界的反射效应对于弯曲波传递特性的影响，实现利用有限大结构模拟无限大边界的效果。

综合各无反射边界方案拟合效果，其较传统的四周固支边界有明显的改善，能较好抑制边界处的反射现象，其边界条件由弹簧及阻尼元件组成，具有典型性，能够应用于实际，具有良好的工程意义。对于施加“线性弹簧+线性阻尼”的无反射边界方案，其在各频率处结点位移曲线与远置边界拟合情况良好，且具有易实现性及经济性。由于线性弹簧系数变化范围较大，目前未能有满足要求的弹簧元件。因此本发明考虑将弹簧、阻尼元件振动时产生的弹性力及阻尼力等效为合力施加到结构边界处进行无反射边界的模拟。同时由于本发明所需弹簧、阻尼元件系数随频率改变，因此考虑采用主动控制的方式实现边界的可调性，利于试验的开展。因此本发明运用主动控制方法，并基于理论基础及实际调研，建立一个完善的能够模拟无反射边界条件的主动控制试验装置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。