王利偉

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大型氣囊隔振裝置控制方案比較分析

王利偉

（91404部隊91分隊，河北秦皇島066001）

對氣囊隔振裝置的壓力分布進行了分析，以氣囊壓力分布的方差最小為約束條件，在保證氣囊隔振裝置的高度的控制精度前提下，實現(xiàn)壓力優(yōu)化分布，將多氣囊分組連通進一步簡化系統(tǒng)優(yōu)化壓力分布，通過壓力傳感器比較理論壓力與實際壓力值，對氣囊充氣，直到滿足額定工作高度。

連通 等效氣囊 控制 優(yōu)化

0 引言

大型氣囊隔振系統(tǒng)采用剛度較小、姿態(tài)可調(diào)、固有頻率較低的氣囊作為隔振元件。氣囊隔振系統(tǒng)用在船用柴油發(fā)電機的減振降噪上，其減振效果十分理想，該隔振裝置的加速度振級落差可達40 dB。為了發(fā)揮良好的隔振性能，又能保證軸系對中連接、管路和機組間剛性連接、連接管路的變形等。則必須使隔振系統(tǒng)保持高度上的控制精度，控制高度就是控制氣囊壓力，即通過自動充氣，維持各氣囊的一個最佳壓力分布，是控制策略要解決的重要問題，這對于延長氣囊壽命，提高裝置的安全性與可靠性具有重要意義。

由于需要支撐大型設(shè)備，氣囊的額定承載量是有限的，這樣就需要多個氣囊來共同支撐，多氣囊充氣控制方案的優(yōu)化很關(guān)鍵。

1 氣囊布置圖

圖1氣囊隔振系統(tǒng)氣囊布置簡圖(●表示位移傳感器)

2 氣囊隔振系統(tǒng)力學(xué)分析

為了使隔振裝置達到平衡，氣囊的壓力分布必須滿足兩個力矩平衡方程和一個力平衡方程：

圖2氣囊隔振系統(tǒng)側(cè)視圖

由于16個氣囊是同一型號的產(chǎn)品，其物理特性基本一致，因此，當氣囊的高度相同時，各個氣囊的有效面積基本一致。顯然，當所有氣囊的高度均為時，氣囊支持力與壓強。之間有如下關(guān)系：

由式（5）可知，當隔振系統(tǒng)在一定高度下穩(wěn)定時，無論各氣囊壓強怎樣分布，所有氣鞋壓強之和是一個常數(shù)G/S。

由上可知，方程（3）可以化為

裝置的重量和重心位置是已知的，氣囊的安裝位置也是事先確定的，因此，就可以建立一個固定于重心的直角坐標系，得出各氣囊的坐標。在解上述方程組中，16個氣囊的壓強P是未知數(shù)，顯然該方程組（1）（2）（6）有無窮多組解。為了使氣囊的壓力分布盡可能均勻，對氣囊的壓力分布施加方差最小的約束條件，即：

利用Matlab的最小二乘優(yōu)化函數(shù)lsqlin，就可以計算出一組特定的壓力分布[,，…，]，它們的方差最小。

3 氣囊隔振系統(tǒng)控制策略

在保證氣囊隔振系統(tǒng)高度上的控制精度的同時，如何實現(xiàn)多個氣囊的壓力最佳分布，這是控制策略要研究的重要問題。

本文主要思想是通過理論計算，得出一個最佳的壓力分布，得到各氣囊壓力的理論值，將理論值與壓力傳感器測得的實際值比較，對壓力小于理論值的氣囊進行充氣，直到測得滿足額定高度就停止充氣。其主要程序流程如圖3所示。

圖3 控制策略流程圖

4 控制方案比較

16個氣囊的支撐，其中某一個氣囊充放氣，則裝置的改變量會很小，或者說不滿足變化最小量，若兩個或更多氣囊同時進行充氣或同時進行放氣，則裝置高度改變量要明顯，但為了考慮控制精度，同時進行充放氣的氣囊也不能太多，本裝置選用兩個，以重心為參考點，布置在X軸方向上重心的同側(cè)，這樣當裝置發(fā)生傾斜時既可以及時扶正，又能快速達到規(guī)定高度。

由于同時進行充氣或者同時進行放氣，所以進行了連通。

16個氣囊連通后變成8個虛擬的等效氣囊，如圖4所示

圖4 連通后的等效氣囊布置簡圖

這樣每個氣囊都采用單獨控制充放氣的氣動單元，可以改進到每個氣動單元同時控制兩個氣囊，則氣動單元由16個就可以減少到8個，簡化了系統(tǒng)的組成，控制數(shù)據(jù)通道也由16路變?yōu)?路，提高了達到額定高度系統(tǒng)反應(yīng)所需時間，提高了系統(tǒng)的可靠性，更進一步對氣囊隔振裝置的動態(tài)控制提供了控制依據(jù)。

5 計算

以圖1所示的系統(tǒng)為實驗對象，隔振系統(tǒng)的額定工作高度為200.0mm，已知：

G/S==28.8 MPa

對氣囊的壓力分布施加方差最小的約束條件時，可以計算出裝置在額定高度處平衡時，16個氣囊壓力方差最小的壓力分布，如圖5。

圖 5 16個氣囊壓力分布（方差6.400403）

那么連通計算時除了方差最小外，還增加了約束條件：

16個氣囊壓力分布，圖6是計算結(jié)果。

計算值對比圖5和圖6。不連通的圖5壓力分布方差為6.400403，連通的圖6壓力分布方差為6.048896。方差越小波動越小，則連通時好。

圖 6 16個氣囊壓力分布(方差6.048896)

更進一步，去掉圖1中的1號氣囊后，用剩下的15個氣囊在保證裝置高度控制精度的同時，實現(xiàn)了15個氣囊壓力方差最小的壓力分布，計算值對比圖7和圖8。連通的圖7壓力分布方差為16.02627，不連通的圖8壓力分布方差為6.8936.則不連通時好，若選擇采用連通等效氣囊布置，則應(yīng)在2號氣囊增加截止閥。

圖 7 15個氣囊壓力分布（方差16.02627）

圖 8 15個氣囊壓力分布（方差6.8936）

6 結(jié)論

氣囊隔振裝置由于有多個氣囊的支承，其壓力分布具有一定的不確定性，如何使裝置既能保持高度上控制精度，又能使氣囊壓力保持一個最佳的分布，這對裝置穩(wěn)定可靠的運行具有重要意義。本文采用連通式等效氣囊的控制方案簡化了氣囊控制系統(tǒng)的組成，減少應(yīng)用造價，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性，縮短了裝置平衡穩(wěn)定時間。連通后壓力方差小于不連通，則壓力分布更均勻，延長了氣囊使用壽命。

參考文獻：

[1] 卜文俊, 李尉. 空氣彈簧隔振系統(tǒng)姿態(tài)模糊控制研究[J]. 噪聲與振動控制, 2006, 26(4): 40-44.

[2] 尹萬建, 楊紹普. 空氣彈簧懸架的振動模碰和剛度持性研究[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報, 2006, 30(1): 71-77.

[3] 張占寧, 何琳. 氣囊隔振裝置壓力分布優(yōu)化控制研究[J]. 振動與沖擊, 2007, 26(9): 60-62.

[4] 徐偉, 何琳. 空氣彈簧系統(tǒng)動態(tài)性能研究[J]噪聲與振動控制. 2005, 25(1): 5-6.

[5] 陳樂生, 王以倫. 多剛體動力學(xué)基礎(chǔ). 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社. 1995

[6] 陳杰. MATLAB寶典. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

Control Method of Large Airbag Vibration Isolation Equipment

Wang Liwei

(No.91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066001, Hebei, China)

TP212

A

1003-4862（2016）08-0033-03

2016-03-07

王利偉（1981-），男，工程師。研究方向：船舶動力裝置振動與噪聲控制。