基于机械式消振执行机构的主动消振控制装置

摘要

本发明提供的是一种基于机械式消振执行机构的主动消振控制装置。包括由机械主轴转速传感器(11)、机械主轴相位传感器(12)、消振执行机构转速传感器(9)、消振执行机构相位传感器(10)和DSP控制器(6)所构成的信号采集和处理部分，由变频器(7)和交流电源(8)所构成的电频控制部分，以及机械式消振执行机构(3)构成的执行部分。本发明具有抗干扰性强，成本低，通用性强的优点，能很好的满足振动主动消振工程要求。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种机械振动控制装置，具体涉及一种基于机械式消振执行机构的主动消振控制装置。

(二)背景技术

旋转类机械设备广泛应用于船舶及其它工业领域中，其运转产生的低频周期性振动是船舶结构振动噪声的主要激励源，严重影响船舶运行的安全性、隐蔽性和乘员的舒适性。传统的被动控制技术，如被动隔振技术，对外扰频率大于设备——隔振器系统固有频率的倍时才能起减振作用，但过低的系统固有频率在实现时会导致静变形过大与失稳的问题，造成低频隔振难题。基于电动机械式执行器的主动消振技术是专门针对低频周期性强线谱振动的一种有效的控制技术。其基本原理是：电动机驱动两个具有相同质量的偏心块以k倍发动机主轴转速同步反向旋转，两旋转偏心块的离心力在水平(竖直)方向上互相抵消，而在竖直(水平)方向上叠加，这样就在竖直或水平方向上产生了幅值和相位可调且简谐变化的控制力，如果控制力引起的结构振动与发动机k阶激扰引起的振动大小相等，方向相反，即达到了主动消振的目的。电动机械式消振的主要优点是机械式执行机构具有的频率低、激励力大，适合大型机械设备的低频周期性振的控制。

电动机械式消振器可以有很多种形式，主要是执行器的力幅调节机构和电机拖动形式的不同，其基本原理是一样的，如韩国釜山国立大学和哈尔滨工程大学都曾研制出自己系列的电动消振器。消振技术的核心技术是需要准确稳定的相位调节跟踪控制方法，没有准确的调相算法消振机构便不能够工作。现有调相技术一般都需要输入主机轴的相位信号、作动器的相位信号和作为误差信号的被控结构的振动信号，然而现有技术大都对输入信号要求严格且计算复杂，这就造成控制系统较为复杂、成本较高、通用性差、不易实现等缺点。另外，利用被控结构的振动信号作反馈信号，容易受到其它振源的干扰，从而造成控制系统的不稳定。中国专利公开号CN2787922和公开号为CN101363502的专利文件中均给出了各自提出的机械式消振执行机构，但都没有给出主动消振控制系统及其控制方法，仍然无法实际应用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能消除或削减由旋转机械设备引起的机械振动，特别是针对其引起的低频周期性强线谱振动的基于机械式消振执行机构的主动消振控制装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于机械式消振执行机构的主动消振控制装置包括由机械主轴转速传感器11、机械主轴相位传感器12、消振执行机构转速传感器9、消振执行机构相位传感器10和DSP控制器6所构成的信号采集和处理部分，由变频器7和交流电源8所构成的电频控制部分，以及机械式消振执行机构3构成的执行部分；机械主轴转速传感器11通过安装在机械主轴上的第一齿轮5测取机械主轴的转速信号，机械主轴相位传感器12通过第一齿轮5测取机械主轴的当前相位信号；消振执行机构转速传感器9通过安装在消振执行机构转轴上的第二齿轮4测取消振执行机构的转速信号，消振机构相位传感器10通过第二齿轮4测取消振执行机构的当前相位信号；机械主轴转速传感器11、机械主轴相位传感器12、消振执行机构转速传感器9、消振执行机构相位传感器10输入DSP控制器6，DSP控制器6输出控制信号给变频器7，变频器7配有交流电源8，变频器7控制消振执行机构。

本发明的基于机械式消振执行机构的主动消振控制装置还可以包括如下结构：

1、所述的消振执行机构安装在机械设备2上。

2、所述的消振执行机构安装在基础1上。

本发明的优点在于：

本发明控制的装置与现有技术相比，仅检测机械设备主轴的转速与相位信号、消振执行机构的转速与相位信号，不需要检测被控结构的振动信号作反馈信号，不仅简化了结构，同时也提高了振动主动消振控制系统抗干扰性，具有结构简单、成本低、通用性强的优点。

其次，本发明适合于简单有效的自适应转速跟踪与调相算法，且所采用的控制器为DSP，其卓越的运算速度使得本发明中的振动主动控制系统反应时间迅速，能快速拾取激扰源转速及相位的变化状态，及时做出输出指令，控制消振器的运转，达到转速及相位跟踪的目的，及时有效抑制振动响应。

综上所述，本发明主动消振控制装置具有抗干扰性强，且反应时间短、控制系统结构简单、成本低、通用性强的优点，能很好的满足振动主动消振工程要求，达到抑制振动的目的。

(四)附图说明

图1(a)、图1(b)为两种基于机械式消振执行机构的振动主动控制系统示意图，其中图1(a)消振执行机构安装于机械设备上，图1(b)消振执行机构布置于基础结构上；

图2调相阀值与相位差值划分图；

图3主动消振调相调频控制算法流程框图；

图4电机-水泵装置振动主动消振控制试验系统示意图；

图5(a)、图5(b)电机-水泵装置基脚1主动消振前后加速度响应频谱图，其中图5(a)被动隔振器上主动消振前后加速度响应谱，图5(b)被动隔振器下主动消振前后加速度响应谱；

图6(a)、图6(b)电机-水泵装置基脚2主动消振前后加速度响应频谱图，其中图6(a)被动隔振器上主动消振前后加速度响应谱，图6(b)被动隔振器下主动消振前后加速度响应谱；

图7(a)、图7(b)电机-水泵装置基脚3主动消振前后加速度响应频谱图，其中图7(a)被动隔振器上主动消振前后加速度响应谱，图7(b)被动隔振器下主动消振前后加速度响应谱；

图8(a)、图8(b)电机-水泵装置基脚4主动消振前后加速度响应频谱图，其中图8(a)被动隔振器上主动消振前后加速度响应谱，图8(b)被动隔振器下主动消振前后加速度响应谱；

图9是不同调节步长的相位差范围划分表。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明主动消振控制系统如图1所示，系统包括机械主轴转速传感器11、机械主轴相位传感器12、消振执行机构转速传感器9、消振执行机构相位传感器10和DSP控制器6所构成的信号采集和处理部分，还包括由变频器7和交流电源8所构成的电频控制部分，以及机械式消振执行机构3构成的执行部分。消振执行机构既可安装在机械设备2上消减机械振动向基础1的传递，如图1(a)，也可放置于基础1上，直接消减基础的结构振动，如图1(b)。机械主轴转速传感器11通过齿轮5测取机械主轴的转速信号，机械主轴相位传感器12通过齿轮5测取机械主轴的当前相位信号；消振执行机构转速传感器9通过齿轮4测取消振执行机构的转速信号，消振机构相位传感器10通过齿轮4测取消振执行机构的当前相位信号。控制方法(参见图3)为：定义变量，初始化(设定相位差调节阈值，设定控制程序输入、输出收敛系数)；机械主轴的转速与相位信号和消振执行机构转速与相位信号同时输入到DSP控制器6中，首先进行转速差值判断，并启动转速跟踪程序进行转速跟踪，由DSP控制器6输出控制信号给变频器7，控制消振执行机构进行转速调节；判断在一定时间内转速是否持续相等，是否满足转速跟踪精度要求，如果满足要求，则进行相位调节，否则再次进行转速跟踪；判断相位差值并与调相阈值进行比较，如果相位差值大于调节阈值进行相位调节，由DSP控制器6输出控制信号给变频器7，控制消振执行机构进行转速微调，并再一次完成转速跟踪，否则跳出调相程序，即调相结束；此控制算法对转速与相位差进行即时监控，当转速与相位差其中一项不满足预定要求时，调速调相程序即时启动并进行调节。

通过一实例来证明本发明的可行性和有效性。如图4所示的是一电机-水泵装置振动主动消振控制实验系统的示意图。其中，21-激扰源(电机)；22-水泵；23-消振器；24-转速传感器；25-相位传感器；26-控制器；27-变频器；28-PC电脑；29-信号采集仪；30-加速度传器。

控制采用本发明提供的基于机械式消振执行机构的主动消振控制装置及控制方法，执行机构安装方式采用图1(a)所示的安装方式，即将消振执行机构安装于激扰源(电机)上。控制电机-水泵主轴的额定转速为3000r/min，即其运转引起振动的基频为50Hz。目的是要主动消减电机-水泵运转所产生的基频振动。其产生的高频振动可通过安装于装置的四个基脚处的被动隔振器(橡胶隔振器)隔离。图5-8是分别是电机-水泵装置基脚1、2、3、4处的主动消振前后加速度响应频谱图。对比控前隔振器上下的振动响应可以看出，300Hz以上高频振动可以由橡胶隔振器有效隔离，电机-水泵主轴旋转引起的基频50Hz振动是低频的主要振动，橡胶隔振器对其却无能为力。然而，通过对比四个基脚处控制前后振动响应可以看出，本发明提出的主动消振控制系统及其控制方法能够有效的消减由电机主轴旋转引起的基频50Hz振动。具体控制效果为：基脚1橡胶隔振器上下振动衰减量均达到66.7％(9.5dB)；基脚2橡胶隔振器上振动衰减量达到78.9％(13.5dB)，隔振器下衰减量约为98％(35dB)；基脚3橡胶隔振器上下振动衰减量均达到86.4％(17dB)；基脚4橡胶隔振器上下振动衰减量均达到94％(24.5dB)。

本发明的总体方案是：主动消振控制系统主要包括机械主轴(激扰源)转速传感器、机械主轴相位传感器、消振执行机构转速传感器、消振执行机构相位传感器和DSP控制器所构成的信号采集和处理部分。机械主轴转速传感器测取机械主轴的转速信号，机械主轴相位传感器测取机械主轴的当前相位信号；消振执行机构转速传感器测取消振器的转速信号，消振执行机构相位传感器测取消振器的当前相位信号。DSP控制器根据机械主轴的转速信号和消振执行机构转速信号进行判断和运算，输出控制信号控制消振执行机构进行转速调节，完成转速跟踪；再由DSP控制器根据机械主轴的相位信号和消振执行机构相位信号进行判断和运算，输出控制信号控制消振执行机构进行转速微调，并再一次完成转速跟踪，最终完成消振执行机构的转速和相位调节，使消振执行机构引起的振动与激扰源引起的机械振动频率相等，相位差180度，达到振动主动消减的目的。

本发明适合于一种转速跟踪算法，其方法是：

转速跟踪算法采用基于自适应滤波算法LMS的转速跟踪算法，其具有算法简单、计算量小、跟踪精度高及收敛性快等特点。以振源的转速信号d为期望信号，消振器的转速信号y为输出信号，误差信号e为两者之差，参考信号X为任一常数。由于转速比较稳定，变化较慢，考虑到计算的快速性，滤波器阶数可取为一阶。变形后的LMS算法的全过程如下：

y＝WX

e＝d-y               (1)

W(n+1)＝W(n)+2μeX

式中：W-----调整权

      μ-----收敛系数

本发明配套的相位跟踪控制方法是：

本发明是通过在一定时间段内，先改变消振器的转速，再跟踪目标转速的方法来实现相位调节。判断相位差值是以激扰源与消振器转速相等为条件，因此每次相位调节都是在转速跟踪完成后执行。由于激扰源转速存在不稳定性，不可能每刻严格实现反相位，为保证相位跟踪策略的收敛性，本发明设置了相位调节阀值。如果当前相位与目标相位差值的绝对值小于相位调节阀值时，即认为相位调节完毕。控制算法对转速与相位差进行即时监控，当转速与相位差其中一项不满足要求时，调速调相程序即时启动并进行调节。当相位差值判定后，控制程序将发出控制指令，迅速将相位差值调节到调相阀值范围内，这即要求相位调节收敛速度快而且不发散。在这里对相位差值划分几个区域，在不同的区域范围内输出不同的控制指令，从而迅速将相位差调节到目标相位。

图2中定义位置1为振源激扰响应相位，则位置2为消振力响应目标相位，位置3、4为相位调节阀值，为方便，定为1°，即为在目标相位左右各1°(pi/180)范围为相位差值许可区间。因此在接近调相阀值的相位差范围(3与5位置的角度范围，也即为4与6位置的角度范围。)最大调节步长为pi/90。为达到快速而且收敛的控制效果，则3与5位置的角度范围应为pi/90的某一倍数，也即为下一相位差角度范围应为上一相位差角度范围内调节步长的某一倍数。图9的表1不同调节步长倍数的相位差范围划分情况。

由表1可以看到，随着调节步长倍数的增加，相位差范围划分数量有所减少，但设定调节步长跨度增大。相位差范围划分过多，调节次数繁多，会导致相位调节速度减缓；划分较少的相位差范围，调节步长跨度大，在某一些特定的角度同样导致相位调节速度减缓。由此可见，相位差范围划分数量只有在合适的情况下，才能有较快的相位调节速度。