CN110398343A - 利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统 - Google Patents

利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能够对通过在模型船舶试验中使用的拖引车的测量框架传递过来的机械振动因素(即，外部激振)进行测量，接下来生成与所测量到的振动因素反相位的振动(即，防振)并施加到拖引车的测量框架，从而在将机械振动最小化之后对模型船舶所受到的阻力进行精密测量的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统。

Description

利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统
技术领域
本发明涉及一种利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统，尤其涉及一种能够对通过在模型船舶试验中使用的拖引车的测量框架传递过来的机械振动因素(即，外部激振)进行测量，接下来生成与所测量到的振动因素反相位的振动(即，防振)并施加到拖引车的测量框架，从而在将机械振动最小化之后对模型船所受到的阻力进行精密测量的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统。
背景技术
通常，为了对船舶设计进行验证，会制作将所设计的船舶按照进行一定比例缩小的模型船，然后将其与船型试验水槽的拖引车进行结合而执行模型试验。此时，将根据不同的目的执行各种模型试验，并根据需要执行的试验安装用于进行测量的多种传感器。在所安装的传感器测量到的多种数据中，模型船所受到的阻力值具有与其他数据稍微不同的特征。即，阻力是通过阻力动力计进行测量，与直接安装在模型船上的大部分其他测量传感器不同，阻力动力计在对模型船的阻力进行测量的同时还将起到拖曳作用，因此将以安装在拖引车上的状态固定于模型船。因此，阻力动力计所输出的阻力值中不仅包含自身所具有的传感器杂讯，还包含因为拖引车的驱动而生成的多种机械振动影响。根据拖引车行驶的轨道的校正精度或驱动电机等的状态，虽然会有一定的相对差异，但是因为机械振动而导致的阻力值的变化通常是在不可忽视的程度范围之内。
在韩国专利公开第2015-0066800号公报中，公开了一种通过将测力部的测力传感器安装到安装于模型船舶上的牵引杆中而便于使用者方便地进行分离的牵引水槽试验用阻力动力计。在上述模型船舶中，安装有外罩。在上述外罩的内部，安装有当在上述模型船舶的定速状态下对阻力进行测量时用于对因为测力传感器从定速之前的无负载状态急剧变更为有负载状态而从模型船舶传递到测力传感器的荷重进行缓冲的缓冲部件。
如上所述的现有技术，是在阻力动力计中适用了将橡胶或单纯的缓冲系统作为缓冲部件使用的被动型振动控制技术。被动型振动控制技术因为其设计简单且制作费用低廉而能够简单地进行使用，但是在需要实现精密水准的振动控制时会受到一定的限制。即，当需要进行去除的频段较为宽泛时，仅通过被动型振动控制技术很难进行有效的应对。
发明内容
因此，本发明的目的在于解决如上所述的现有问题而提供一种在将通过拖引车的测量框架传递过来的机械振动最小化之后对模型船所受到的阻力进行精密测量的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统。
为了达成如上所述的目的，适用本发明之实施形态的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统，其特征在于：在将通过在模型船舶试验中使用的拖引车的测量框架传递过来的机械振动最小化之后对上述模型船舶所受到的阻力进行测量的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统中，包括：主动型振动控制装置，对通过上述拖引车的测量框架传递过来的外部激振进行测量以及分析之后生成与上述外部激振反相位的振动并施加到上述拖引车的测量框架；阻力动力计，用于在通过连接到上述模型船舶中而对其进行牵引的同时对上述模型船舶所受到的阻力进行测量；以及，阻力测量装置，用于对上述阻力动力计所输出的测量信号进行采集和分析之后显示。
在适用上述实施形态的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统中，上述主动型振动控制装置，能够包括：振动测量传感器，用于对通过上述拖引车的测量框架施加的外部激振进行测量；振动数据采集部，用于对上述振动测量传感器所测量到的外部激振数据进行采集；控制部，用于对上述振动数据采集部所采集到的外部激振数据进行分析并输出控制信号；以及，执行机构，在从上述控制部接收到控制信号的输入时工作，用于生成与所分析出的上述外部激振反相位的振动(即，防振)并施加到上述拖引车的测量框架。
在适用上述实施形态的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统中，上述控制部，能够通过对上述所采集到的外部激振数据进行分析而使执行机构生成防振，接下来确定通过上述振动测量传感器测量到的外部激振的级别是否在设定值以下，当上述外部激振的级别在设定值以下时使上述执行机构停止生成防振，而当上述外部激振的级别大于设定值时使上述执行机构继续生成防振。
在适用上述实施形态的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统中，上述阻力动力计，能够包括：阻力动力测量部，用于在通过连接到上述模型船舶中而对其进行牵引的同时对上述模型船舶所受到的阻力进行测量；以及，夹钳，用于保护上述阻力动力测量部免受上述拖引车加减速时所生成的力量的影响。
在适用上述实施形态的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统中，上述阻力测量装置，包括：阻力数据采集部，用于对从上述阻力动力计输出的所测量到的阻力数据进行采集；以及，监控部，用于对通过上述阻力数据采集部采集到的阻力数据进行分析和显示。
通过适用本发明之实施形态的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统，能够利用主动型振动控制装置对通过拖引车的测量框架传递过来的外部激振进行测量以及分析之后生成与上述外部激振反相位的振动并施加到上述拖引车的测量框架；利用阻力动力计在通过连接到模型船舶中而对其进行牵引的同时对上述模型船舶所受到的阻力进行测量；利用阻力测量装置对上述阻力动力计所输出的测量信号进行采集和分析之后显示，借此，能够将通过拖引车的测量框架传递过来的机械振动最小化并借此利用阻力动力计对模型船所受到的阻力进行精密测量，还能够非常有效地应用到最近大量适用于船舶的节能装置的有效性验证，而且能够省略用于对拖引车的机械振动进行调整的一部分维护保养作业(如导轨校正、车轮定位等)，从而在设施的管理方面也能够达成如提升经济性以及节省作业时间等有益效果。
附图说明
图1是对可能会被传递到拖引车测量框架上的机械振动因素(即外部激振)进行图示的示意图。
图2是适用本发明之实施例的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统的块状构成图。
图3是图2中的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统的安装图。
图4是对图2中的通过拖引车测量框架传递过来的机械振动(即外部激振)信号、在主动型振动控制装置中生成并施加到拖引车测量框架的防振信号、施加到阻力动力测量部的已将外部激振最小化的结果信号的信号流进行图示的示意图。
图5是图4中的机械振动信号、防振信号以及接过信号的波形图的放大图。
图6是对通过适用本发明之实施例的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统实现的阻力测量方法进行图示的流程图。
【符号说明】
100：主动型振动控制装置
110：振动测量传感器
120：振动数据采集部
130：控制部
140：执行机构
F：拖引车测量框架
200：阻力动力计
210：夹钳
220：阻力动力测量部
300：阻力测量装置
310：阻力数据采集部
320：监控部
具体实施方式
接下来，将结合附图对适用本发明的实施例进行详细的说明。
图1是对可能会被传递到拖引车测量框架上的机械振动因素(即外部激振)进行图示的示意图，图2是适用本发明之实施例的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统的块状构成图，图3是图2中的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统的安装图。
在对适用本发明的实施例进行说明之前，将首先对可能会传递到在模型船舶的试验中所使用的拖引车的测量框架中的机械振动因素(即外部激振)进行说明。
如图1所示，在拖引车中生成的外部激振将被传递到拖引车的测量框架F，而这会对阻力动力测量部220造成直接影响。
外部激振包括在拖引车驱动电机M以及车轮H中生成的振动、在导轨R中生成的振动等。其中，蓝色实线表示外部激振信号。
如图2以及图3所示，适用本发明之实施例的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统，包括：主动型振动控制装置100；阻力动力计200；以及，阻力测量装置300。
主动型振动控制装置100，用于对通过拖引车的测量框架F施加的外部激振进行测量以及分析，生成与外部激振反相位的振动(即防振)并施加到拖引车的测量框架F。
主动型振动控制装置100，包括：振动测量传感器110；振动数据采集部120；控制部130；以及，执行机构140。
振动测量传感器110，用于对通过拖引车的测量框架F施加的外部激振进行测量。
振动数据采集部120，用于对振动测量传感器110所测量到的外部激振数据进行采集。
控制部130，是用于利用内置的算法对振动数据采集部120所采集到的外部激振数据进行分析并向执行机构140输出与其对应的控制信号的微处理器。控制部130能够对通过振动数据采集部120采集到的外部集镇数据进行分析并使执行机构140生成与外部激振反相位的振动(即防振)，接下来确定通过振动测量传感器110测量到的外部激振的级别是否在设定值以下，当外部激振的级别在设定值以下时使执行机构140停止生成防振，而当外部激振的级别大于设定值时使执行机构140继续生成防振。这是为了能够在将通过拖引车的测量框架F施加的外部激振最小化之后利用阻力动力测量部220对模型船舶B所受到的阻力进行精密测量。
执行机构140，在从控制部130接收到控制信号的输入时工作，用于生成与所分析出的外部激振反相位的振动(即防振)并施加到拖引车的测量框架F。
接下来，将对通过主动型振动控制装置100将外部激振最小化的原理进行更为详细的说明。
如图4所示，利用蓝色实线表示的外部激振将被施加到拖引车的测量框架F，外部激振信号F1通过下述[公式1]定义。
[公式1]
F1＝Asin(wt)
[其中，ω表示拖引车的构成要素所具有的振动频率，A表示振动函数的振幅，t表示时间]
在执行机构140中生成的外部激振信号以及反相位的防振信号F2(橙色实线)通过下述[公式2]定义。
[公式2]
F2＝-(A+a)sin(wt+θ)
[A表示F1以及F2的振幅误差，θ表示F1以及F2的相位误差]
在外部激振信号F1以及防振信号F2相互抵消之后施加到阻力动力测量部320中的已将外部激振最小化的结果信号F(绿色实线)通过下述[公式3]定义。其中，主动型振动控制装置100的性能等级取决于振幅误差a以及相位误差θ。
[公式3]
F1+F2＝F＝Asin(wt)-(A+a)sin(wt+θ)
其结果，可以认定在外部激振信号F1、防振信号F2以及结果信号F之间具有如图5所示的相关关系。
在控制部130中使用的控制技法，取决于所适用的拖引车的动力特性。作为最具代表性的常用控制技法，将从天棚控制(Sky-Hook)算法、DVF(Direct Velocity Feedback，直接速度反馈)算法、H∞、QFT(Quantitative feedback theory，定量反馈控制)或类似的主动型控制算法中选择适当的一种进行使用。
此外，在上述内容中进行说明的振动测量传感器110以及振动数据采集部120将根据需要去除或削减的振动频段或固有振动频率范围进行选定，接下来将对计算出上述振动频段或固有振动频率的方法进行说明。
首先，如图1所示，在拖引车中生成的所有机械振动因素(即外部激振，以蓝色实线表示)将被传递到拖引车的测量框架F，而这会对阻力动力测量部220造成直接影响。在将此设定为基本条件之后执行需要去除或削减的振动频段或固有振动频率的计算步骤，其整体步骤如下所述。
1.确认阻力动力测量部220以及拖引车测量框架F的动力特性(在未安装模型船舶的情况下执行)：综合显示外部激振的部分，是计算出可去除的峰值(peak)频率或频段的步骤。
-从阻力动力测量部220获取原始数据(raw data)。
-对来自于阻力动力测量部220的原始数据执行FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)分析，确认拖引车测量框架的固有振动频率以及动力特性，并对来自于阻力动力测量部220的原始数据与拖引车测量框架F中所呈现出的主要峰值频率以及疑似机械振动的频段进行确认。
2.确认拖引车的各个部分的动力特性
-确认拖引车的钢筋框架和阻力动力测量部220被直接安装的拖引车测量框架F的固有振动频率。
-确认驱动电机M以及车轮H的固有振动频率。
3.得出最终结论
对来自于阻力动力测量部220的原始数据的FFT分析结果以及拖引车的各个部分的动力特性的分析结果进行综合，计算出需要去除或缩减的振动频段或固有振动频率。
阻力动力计200，在通过连接到模型船舶B中而对其进行牵引的同时对模型船舶B所受到的阻力进行测量，包括：阻力动力测量部220；以及，夹钳210。
阻力动力测量部220，在通过连接到模型船舶B中而对其进行牵引的同时对模型船舶B所受到的阻力进行测量。
夹钳210，在其一侧通过夹钳杆连接到模型船舶B的同时，另一侧连接到拖引车的测量框架F，用于保护阻力动力测量部220免受拖引车加减速时所生成的力量的影响。
阻力测量装置300，用于对阻力动力计200所输出的测量信号进行采集和分析之后显示，包括：阻力数据采集部310；以及，监控部320。
阻力数据采集部310，用于对阻力动力计200输出的所测量到的阻力数据进行采集。
监控部320，用于对通过上述阻力数据采集部采集到的阻力数据进行分析和显示，能够使用如PC(Personal Computer，个人计算机)、笔记本电脑、上网本电脑、智能手机等。
接下来，将对通过如上所述构成的适用本发明之实施例的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统实现的阻力测量方法进行说明。
图6是对通过适用本发明之实施例的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统实现的阻力测量方法进行图示的流程图，其中S表示步骤(step)。
首先，在步骤S10中利用主动型振动控制装置100对通过拖引车的测量框架F施加的外部激振进行测量，接下来在步骤S20中对对所测量到的外部激振数据进行采集，然后在步骤S30中对所采集到的外部激振数据进行分析。
进而，在步骤S40中由主动型振动控制装置100生成与在上述步骤S30中分析出的外部激振反相位的振动(即防振)并施加到拖引车的测量框架F，接下来在步骤S50中对通过拖引车的测量框架F施加的外部激振进行测量，然后在步骤S60中对所测量到的外部激振数据进行采集。
接下来，在步骤S70中由主动型振动控制装置100对在上述步骤S60中采集到的外部激振数据进行分析，然后在步骤S80中对外部激振的级别是否在设定值以下进行确定。
当在上述步骤S80中确定外部激振的级别在设定值以下(YES)时，在步骤S85中由主动型振动控制装置100停止生成与外部激振反相位的防振。
接下来，在步骤S90中利用阻力动力计200对模型船舶B所受到的阻力进行测量，然后在步骤S100中所测量到的阻力数据进行采集。
然后，在步骤S110中由阻力测量装置300对在上述步骤S100中采集到的阻力数据进行分析的同时对其分析结果进行显示。
此外，当在上述步骤S80中确定外部激振的级别大于设定值(NO)时，将返回到上述步骤S10。
通过适用本发明之实施例的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统，能够利用主动型振动控制装置对通过拖引车的测量框架传递过来的外部激振进行测量以及分析之后生成与上述外部激振反相位的振动并施加到上述拖引车的测量框架；利用阻力动力计在通过连接到模型船舶中而对其进行牵引的同时对上述模型船舶所受到的阻力进行测量；利用阻力测量装置对上述阻力动力计所输出的测量信号进行采集和分析之后显示，借此，能够将通过拖引车的测量框架传递过来的机械振动最小化并借此利用阻力动力计对模型船所受到的阻力进行精密测量，还能够非常有效地应用到最近大量适用于船舶的节能装置的有效性验证，而且能够省略用于对拖引车的机械振动进行调整的一部分维护保养作业(如导轨校正、车轮定位等)，从而在设施的管理方面也能够达成如提升经济性以及节省作业时间等有益效果。
在附图和说明书中对最佳的实施例进行了公开并使用了特定的术语，但这些内容只是为了对适用本发明的实施形态进行说明，并不是为了对其含义进行限定或对权利要求书中所记载的本发明的范围进行限制。因此，具有本发明所属技术领域之一般知识的人员应能够理解，本发明可以实现各种变形以及均等的其他实施例。所以，本发明的真正的技术保护范围应通过所附的权利要求书的技术思想做出定义。

Claims (5)

1.一种利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统，其特征在于：
在将通过在模型船舶试验中使用的拖引车的测量框架传递过来的机械振动最小化之后对上述模型船舶所受到的阻力进行测量的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统中，包括：
主动型振动控制装置，对通过上述拖引车的测量框架传递过来的外部激振进行测量以及分析之后生成与上述外部激振反相位的振动并施加到上述拖引车的测量框架；
阻力动力计，用于在通过连接到上述模型船舶中而对其进行牵引的同时对上述模型船舶所受到的阻力进行测量；以及，
阻力测量装置，对上述阻力动力计所输出的测量信号进行采集和分析之后显示。
2.根据权利要求1所述的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统，其特征在于：
上述主动型振动控制装置，包括：
振动测量传感器，用于对通过上述拖引车的测量框架施加的外部激振进行测量；
振动数据采集部，用于对上述振动测量传感器所测量到的外部激振数据进行采集；
控制部，用于对上述振动数据采集部所采集到的外部激振数据进行分析并输出控制信号；以及，
执行机构，在从上述控制部接收到控制信号的输入时工作，用于生成与所分析出的上述外部激振反相位的振动(即，防振)并施加到上述拖引车的测量框架。
3.根据权利要求2所述的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统，其特征在于：
上述控制部，
通过对上述所采集到的外部激振数据进行分析而使执行机构生成防振，
接下来确定通过上述振动测量传感器测量到的外部激振的级别是否在设定值以下，当上述外部激振的级别在设定值以下时使上述执行机构停止生成防振，而当上述外部激振的级别大于设定值时使上述执行机构继续生成防振。
4.根据权利要求1所述的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统，其特征在于：
上述阻力动力计，包括：
阻力动力测量部，用于在通过连接到上述模型船舶中而对其进行牵引的同时对上述模型船舶所受到的阻力进行测量；以及，
夹钳，用于保护上述阻力动力测量部免受上述拖引车加减速时所生成的力量的影响。
5.根据权利要求1所述的利用主动型振动控制技术的模型船舶阻力测量系统，其特征在于：
上述阻力测量装置，包括：
阻力数据采集部，用于对从上述阻力动力计输出的所测量到的阻力数据进行采集；以及，
监控部，用于对通过上述阻力数据采集部采集到的阻力数据进行分析和显示。
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CN115508034A (zh) * 2022-11-20 2022-12-23 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 船舶复合振动试验系统及其构建方法
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