CN109050807B - 一种船舶共振破冰主动控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于船舶领域，具体设计一种船舶共振破冰主动控制方法和装置。该主动控制装置由振动加速度计、数据采集及处理系统、电频控制系统三部分构成。数据采集及处理系统包括FFT分析仪、滤波器、DSP控制器，电频控制系统包括变频器和交流电源。破冰时DSP控制器输出控制信号至电频控制系统，驱动作动器以船体首阶垂向固有频率激励冰层5～10s；该响应信号经滤波器滤波和傅里叶变换获得冰层固有频率，DSP控制器依据识取的冰层固有频率，输出控制信号至电频控制系统，调控作动器以激励频率激励冰层，实现破冰激励频率的主动控制。本发明具有结构简单、自适应性强等优点，可满足船舶多功能破冰的工程需求。

Description

一种船舶共振破冰主动控制方法和装置
技术领域
本发明属于船舶领域，具体设计一种船舶共振破冰主动控制方法和装置。
背景技术
随着极地资源开发需求的日益增长，越来越多的船舶航行于极地冰区。目前绝大多数破冰船都采用冲撞式破冰，凭借速度和艏部结构形式冲上冰层，依靠艏部结构重量压碎冰层。一方面，该破冰方式在撞击冰层时会产生较大的船体振动，容易造成船上精密仪器设备的损坏和人员的不适；另一方面无法针对冰区复杂多变的冰情实施主动调整，适应性较差。
针对上述问题，申请号201510651281.1提出了一种利用共振破冰原理的新型破冰船。这种新型破冰船，通过破冰作动器对冰层施加与其固有频率相同的激振力，进而引起冰层产生共振造成破裂，以达到破冰的目的。该专利虽给出新型破冰船的原理性设计，但针对冰层固有频率的识别和主动控制并未给出详细设计。申请号201210239848.0提出了一种机械式路面共振除冰装置，该装置通过液压马达或电机驱动偏心轮振动机构，激励路面冰层使冰层达到共振状态，实现路面破冰。该专利采用共振原理破冰，但其冰层固有频率识别依赖于仪器直接测量，难以适应极地冰区大厚度的冰层，局限性较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效的船舶共振破冰主动控制方法和装置。
一种船舶共振破冰主动控制方法，具体包括如下步骤：
步骤1：作动器以船体结构固有频率f0激励冰层5～10s，激励停止后振动加速度计采集5～8s自由振动响应信号；
步骤2：滤波器对振动响应信号实施低频滤波，消除船体低频振动响应干扰信号；
步骤3：滤波后信号传输至FFT分析仪，对信号进行快速傅里叶变换，获取频域振动响应信号；
步骤4：将频域振动响应信号传输至DSP控制器，提取频域振动响应信号峰值频率fw，w＝1,2,3，其中f0为船体结构固有频率，f1、f2和f3为冰层前三阶固有频率；
步骤5：DSP控制器输出控制信号至电频控制系统，调整液压油缸或步进电机的能量输出，使作动器以激振频率fn激励冰层，且激振频率fn满足fn＝fw，w＝1,2,3，实现共振破冰激励频率的主动控制。
一种船舶共振破冰主动控制装置，包括作动器、振动加速度计、数据采集及分析系统、电频控制系统；数据采集及分析系统包括滤波器、FFT分析仪、DSP控制器；电频控制系统包括变频器和交流电源；振动加速度计安装在船体结构与冰层接触区域的内表面，测取船体艏部结构振动响应信号，信号采集时长约为5～8s。
本发明的有益效果在于：
本发明装置与现有相关技术相比，仅需监测船体结构的振动响应，无需实时监测影响冰层固有频率的特征参数。该装置结构简单、成本低、适应性强、在冰层固有频率识别方面具有较高的精度。本发明采用的控制核心为DSP控制器，其良好的运算速度使得本发明中的破冰主动控制系统反应时间迅速，能够快速识别冰层固有频率，及时输出调控指令，控制作动器的激振频率，使冰层达到共振产生破裂，达到共振破冰的目的。
附图说明
图1为船舶共振破冰主动控制装置示意图；
图2为3000吨破冰船频率振动响应信号曲线示意图；
图3为主动控制方法控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如附图1所示为船舶共振破冰主动控制装置示意图，包括作动器1、振动加速度计2，由滤波器3、FFT分析仪4、DSP控制器5构成的数据采集及分析系统，由变频器6和交流电源7构成的电频控制系统，振动加速度计2安装在船体结构8与冰层9接触区域的内表面，测取船体艏部结构振动响应信号，信号采集时长约为5～8s。
如附图3所示，为主动控制方法控制流程图，为以3000吨破冰船为例，根据上述主动控制方法流程，实施共振破冰，其具体实施步骤如下：
步骤1、首先DSP控制器输出控制信号至电频控制系统，驱动作动器以船体首阶垂向固有频率f0激励冰层5～10s，其目的在于放大船体结构振动响应。激励停止后振动加速度计采集5～8s自由振动响应信号。船体首阶垂向固有频率f0，可由公式
Figure BDA0001786080420000021
获得。式中
Figure BDA0001786080420000022
为修正系数，CV为采用合金钢时剖面惯性矩与采用低碳钢时剖面惯性矩之比值的开方，D、L、B分别为型深、两柱间长和型宽，Δv为包括附连水在内的船体总质量。
步骤2、自由振动响应信号传输至滤波器，滤波器对时域振动响应信号进行低频滤波，消除船体结构低频振动响应的干扰，滤波后的信号传输至FFT分析仪。
步骤3、FFT分析仪接收滤波信号，进行快速傅里叶变换，获取船体表面自由振动频率响应信号。
步骤4、频率响应信号如图2所示，其中第一个信号峰值对应频率f0为船体结构固有频率，第二至第四个信号峰值对应频率f1、f2和f3为冰层前三阶固有频率。
步骤5、DSP控制器发出调控指令至电频控制系统，调整液压油缸或步进电机的能量输出，使激振器的激励频率fn满足fn＝fw，w＝1,2,3，实现共振破冰激励频率的主动控制。
依据共振原理，冰层各阶固有频率都有其对应振型，故可对冰层施加对应共振频率的激励载荷，实现不同位置的定点共振破冰。

Claims (2)

1.一种船舶共振破冰主动控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：作动器以船体结构固有频率f0激励冰层5～10s，激励停止后振动加速度计采集5～8s自由振动响应信号；
步骤2：滤波器对振动响应信号实施低频滤波，消除船体低频振动响应干扰信号；
步骤3：滤波后信号传输至FFT分析仪，对信号进行快速傅里叶变换，获取频域振动响应信号；
步骤4：将频域振动响应信号传输至DSP控制器，提取频域振动响应信号峰值频率fw，w＝1,2,3，其中f0为船体结构固有频率，f1、f2和f3为冰层前三阶固有频率；
步骤5：DSP控制器输出控制信号至电频控制系统，调整液压油缸或步进电机的能量输出，使作动器以激振频率fn激励冰层，且激振频率fn满足fn＝fw，w＝1,2,3，实现共振破冰激励频率的主动控制。
2.一种船舶共振破冰主动控制装置，包括作动器、振动加速度计、数据采集及分析系统、电频控制系统；其特征在于：数据采集及分析系统包括滤波器、FFT分析仪、DSP控制器；电频控制系统包括变频器和交流电源；振动加速度计安装在船体结构与冰层接触区域的内表面，测取船体艏部结构振动响应信号，信号采集时长约为5～8s。
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