[發明專利]用于有源減振系統傳感器與作動器數量位置同時優化方法

有效

• 申請號: 202010616726.3
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111552187B
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發明（設計）人: 馬遜軍;周劉彬;雷成友;聶修逸;張翰欽
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七一九研究所
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 劉芳

本發明提供一種用于有源減振系統傳感器與作動器數量位置同時優化方法，具體過程為：步驟1，目標函數設計；步驟2，振動測量與系統辨識；步驟3，遺傳算法迭代優化：基于目標函數構建適應度函數，從振動系統中選取n個傳感器和q個作動器進行遺傳算法迭代，根據所述頻域傳遞函數，計算當前次迭代對應的適應度函數，若當前次與上次迭代的適應度函數滿足設定要求，則將此次迭代所選的傳感器和作動器的數量和位置作為最優。該方法通過在頻域內對艦船有源減振系統中傳感器作動器數量與位置同時進行優化設計，在盡可能保持原系統控制效果的情況下，大幅降低控制系統規模。

技術領域

本發明屬于艦船有源振動控制技術領域，特別涉及一種用于有源減振系統傳感器與作動器數量位置同時優化方法。

背景技術

艦船上柴油機及泵等各種旋轉與往復機械產生的低頻線譜振動十分突出。這類振動會產生艙室噪聲，影響人員舒適性，也會激勵船體產生水下輻射噪聲，影響探測距離或隱身性能。因此，必須采取一定的手段來控制該類振動，這也成為艦船研制過程中最為關鍵的技術問題之一。

有源減振技術由于其適應性強、控制效果好、能耗低等優點，已成為船舶減振降噪的有效方法和重要發展方向。該技術的基本原理是以振治振，即在船體主要模態的非節點位置上安裝作動器，基于傳感器的反饋信號，通過控制器進行實時調節，使作動器產生的主動控制力在關鍵部位產生的振動響應，與外擾激振力引起的船體振動幅值相等而相位相反，從而實現振動抵消。

在艦船有源減振系統中，由于振源較多且分布離散，所需的傳感器與作動器數量較大。一方面，使用過多的傳感器與作動器將導致控制系統變得過于復雜，甚至影響控制系統的性能和穩定性；另一方面，傳感器及其配套的數據采集和處理系統，以及作動器及其驅動電源成本都較高。因此希望通過一定的優化方法，盡可能減少傳感器與作動器數量并實現位置優化，在保證系統全局減振效果基本不變的情況下，有效降低整個控制系統的規模。

目前，已有相關文獻通過優化方法實現有源減振系統中作動器與傳感器的位置優化。例如，S.J.Elliott等人研究了利用遺傳算法在有源降噪系統中作動器(揚聲器)位置的優化問題。國內，胡俊利用遺傳算法對有源減振系統中作動器的最佳布置進行了研究。D.E.Heverly II研究了有源減振系統中模擬退火優化方法在確定最優位置方面的效果。以上研究中，是在人為固定了傳感器數量的前提下，進行了作動器的位置優化，并未對傳感器進行優化配置。另一部分研究是在人為固定了作動器數量的前提下，優化傳感器的位置，并未對作動器進行優化配置。陸軼等通過分步驟先進行作動器位置優選，再進行傳感器位置優選的方法，建立了一個多作動器與傳感器優化設計的統一框架，達到了使系統中作動器位置最佳，且減少傳感器個數的目的。該研究需要分為兩個相對獨立的步驟才能完成優化工作，且由于分為兩步，難以保證優化結果為全局最優解。綜上，現有的優化配置方法，大多給定了作動器與傳感器的數目，如何確定作動器/傳感器的最優數目仍是一個比較棘手的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于有源減振系統傳感器與作動器數量位置同時優化方法，該方法通過在頻域內對艦船有源減振系統中傳感器作動器數量與位置同時進行優化設計，在盡可能保持原系統控制效果(或性能損失可接受)的情況下，大幅降低控制系統規模。

實現本發明的技術方案如下：

一種用于有源減振系統傳感器與作動器數量位置同時優化方法，其中有源振動系統包括m個傳感器和p個作動器，具體過程為：

步驟1，目標函數設計：

建立艦船有源減振系統的數學模型，基于數學模型設計優化所需的目標函數；

步驟2，振動測量與系統辨識:

通過測量獲得振動系統各傳感器處的原始振動情況，并通過開環激勵獲得各作動器至各傳感器的頻域傳遞函數；

步驟3，遺傳算法迭代優化：