研究背景

振动广泛地存在于自然界，人们的日常生活和生产过程之中。强烈的振动常常造成机械结构损坏，设备功能异常，人员疲劳甚至引起各种振动疾病。为了消除振动带来的有害影响，机械设备可采用振动隔离装置和吸振装置，前者是利用隔振器将机械设备的振动与外界隔离开或将外界的振动与设备隔离的装置。后者是在振动系统的某一部位附加一个适当的k-m子系统，从而达到抵消原主系统在某一共振频率下振动响应的目的。隔振和吸振装置已大量应用于工程实践中，隔振系统的性能往往是影响系统整体性能的重要因素，因此对隔振系统的研究既有重要的理论意义，又有十分广泛的应用前景。

随着舰船向大型化、高速化方向发展,舰船及其设备的振动问题已经成为国内外学者研究的热点。近40年来,国内外学者在潜艇减振降噪方面进行了大量的理论与试验的研究,并取得了显著的进步。其中,振动隔离技术是舰船振动控制中研究最多、应用最广的一项振动控制技术。目前,隔振系统已经在工程实践中大量应用,如舰船动力装置的隔振、精密仪器和仪表的振动隔离等。振动隔离技术已经成为舰艇机械噪声控制的核心技术之一。

隔振技术的发展过程

最早出现的隔振形式是单层隔振，即在设备和支撑基座之间插人一层减振器，其理论已经很成熟并在舰船上广泛采用。优点是简单有效，隔振效果一般在10-20dB之间，且只有在频率比大于打时有才效，因此不适用于低转速大型设备的隔振。为改进其不足，隔振形式由单层隔振发展为双层隔振，即在设备和支撑基座之间插人两层减振器和一个中间质量。在双层隔振系统中，当激振频率大于二次谐振频率后，其传递率以1/w0衰减，而单层隔振以1/w}衰减，因此即使采用刚性大的双层隔振系统代替柔软的单层隔振系统，仍可得到较好的隔振效果，同时又避免了单层隔振系统稳定性差的不足。研究表明，双层隔振系统可以达到低频35dB、中高频50dB的隔振效果。但是要想获得好的隔振效果，需要合理配置两层减振器并选用大质量比(中间质量/设备质量)的中间质量，其中间质量一般为机组质量的40一100%。然而过大的质量往往是舰船所无法承受的，这在一定程度上限制了双层隔振技术的应用与发展。

国内外隔振技术的研究现状

国外对隔振技术的研究已有几十年的历史，无论理论研究方面还是应用方面都已较成熟，并广泛装备于各型舰艇。早期著名实例见于美国通用电气公司R.M.Gorman的工作，他在两台主推进柴油机和两台辅助柴油发电机隔振系统中，引人了双层隔振装置，得到了较好的隔振效果。70年代后期建造的苏格兰渔业调查船上所采用的浮筏隔振技术，实船试验表明:通过两级隔振后，从机组到船体总的振动传递损失在低频段(31.5Hz-250Hz)为35dB，高频段(250Hz-lOkHz)达到50dB。国外还在一些客轮、旅游船上采用了隔振装置。由于这类船用主机转速较低、转速变化范围大，这就迫使弹性支撑的固有频率做的很低。为解决此类问题，MAN Bamp;W公司主要采用软弹性支撑系统以削弱主要振源的脉动扭矩，一般可小到5%以下。日本则采用现场平衡技术以减小一次下平衡颠覆力矩的幅值，从而抑制子漫速运转时过大的振幅。关于隔振系统的动力学建模和系统动力特性分析，国内已形成了多种建模分析方法，如多刚体动力学建模分析方法、有限元建模分析方法、阻抗综合法等。对隔振器对称布置的双层隔振系统的振动进行计算，并把意大利海洋考察船Alliance号上的主柴油发电机组的双层隔振装置作为一个具体的工程实例，进行计算和比较，计算结果与原文给出的数值符合。在1994年进行了双层隔振装置的固有特性分析，以前的关于柴油发电机组双层隔振装置的振动计算建模是把柴油机和发电机作为一个统一的刚体，中间质量作为另一个刚体，而实际上柴油机和发电机并非是一个统一的刚体，它们之间是由一个刚度很大的钟状罩相连，结果是丧失了由钟状罩连接刚度带来高频振动的信息。为了更真实的反映柴油发电机组双层隔振装置振动特性，于是将柴油机和发电机作为两个独立刚体，建立具有18个自由度的双层隔振系统力学模型。还以国内目前逐步应用的德国MTU16V396柴油发电机组双层隔振装置为工程实例进行了系统固有频率计算。

用动力学方法计算建立双层隔振装置模型规模比较小，且假设模型的各个子结构是刚性的，与实际的双层隔振装置振动特性有一定的偏差。有限元法可以很好地解决动力学方法存在的问题。然而，为了保证计算精度，用该方法建立起来的模型必然会很大，这给进一步的动力分析，尤其是隔振结构的优化设计带来很大的不便。

主动控制是通过控制力改变吸振器的惯性元件或弹性元件的特性，或直接驱动吸振器的振动体按一定规律运动，使受控对象的振动转移到吸振器上，达到减振的目的。

国内在80年代末和90年代初便已开展了内燃机振动主动控制的试验研究，最先是在内燃机整机振动的控制方面取得了良好的效果。它是通过一种主动控制减振装置控制内燃机的整机振动，该装置采用控制技术使一个可调频的动力减振器自动跟踪发动机主振动频率(根据主振动频率可卞动改变吸振器中的弹簧刚度系数)，并使之始终保持在最佳状态。

近年来，哈尔滨工程大学的张洪田、李玩幽等人针对内燃机的振动特点与规律研制了一种电磁式有源控制吸振器，通过改变励磁电流来改变电磁弹簧的刚度值，以达到调整吸振器固有频率的目的。然后，在双层隔振试验台的上层隔振器并联安装电磁式执行器构成主动隔振试验台，再利用试验台模拟柴油机的振动形式。这是一种将有源控制吸振器与被动隔振技术相结合的组合式减振装置，其优点是由隔振器承担全部载荷，执行器只提供动态控制力。此外，在主动控制环节不工作的情况下，仍具有一定的隔振能力。

随着主动控制技术的发展以及对内燃机振动控制要求的日益提高，主动控制技术将会越来越多的应用于实践，它不仅仅局限于理论分析和模拟计算，并将会在实体振动控制中得到更多应用。

首先我们要了解总体模块中，各个模块的功能。

数据处理DSP

DSP是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

并行采集FPGA

FPGA，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了AD转换就是模数转换。顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号原有可编程器件门电路数有限的缺点。

AD转换与DA转换

AD转换就是模数转换。顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号,而DA转换就是数字信号转换为模拟信号。

IO模块

IO模块的基本原理是A/D、D/A转换，将数字信号转换为模拟信号输出，或者将模拟信号转换为数字信号输入，所有IO模块的核心是AD和DA转换芯片，再加上通讯芯片和CPU通信。

了解动力装置主动隔振系统逻辑控制单元功能

与门，或门，非门，与或门，与非门，或非门等各种门电路，还有三态门，TTL门电路，CMOS控制单元等，还有由它们组成的组合时序电路.另外有触发器, 寄存器, 存器移, 位寄存器 ,计数器, 逻辑运算单元（ALU）都是很常用的.

主动隔振系统是隔振系统的重要组成部分，扮演的大脑的角色，它包括三个模块，分别是主动系统传感模块，驱动模块和主控模块。在主动隔振系统中，作为反馈的物理信号有:位移，速度，加速度，气体压力。将不同的物理反馈量作为反馈信号具有不同的控制效果。通过分析可以得到主动控制系统的硬件结构。/反馈信号（速度，位移）和监控量（温度）通过信号调理进入高速AD转换器，然后进入主控制器。主控制器根据根据隔振系统的状态进行相应的逻辑动作和控制量(如筏，音圈电机)输出。同时主控制器通过通讯接口将隔振系统的状态发送至上位机进行显示。上位机通过通信接口修改主控制器内的控制参数。主控制器的控制量送入电机驱动器和比例流量筏进行主动控制。FPGA 是 Altera 公司生产的 Cyclone III 系列的 FPGA 芯片EP3C25F324，其具有 I/O 引脚功能强大、体积小、集成度高、功耗低等特点。通过 Verilog硬件描述语言可自定义 FPGA 的引脚功能和内部逻辑。FPGA有着丰富的I/O口资源，弥补了DSP有限的I/O资源。它辅助DSP产生的时序来控制多路复用器，AD芯片，DA芯片和相应的LED指示信号灯。本论文结合DSP和FPGA为核心的主动隔振系统控制器框图。从DSP角度看，FPGA相当于它的宏功能协处理器，控制外部ADDA器件，使得DSP处理器避免与外部器件打交道。因此为计算其他信号处理和控制计算节约了宝贵的时间。

由于主动隔振系统中需要进行大量的实时信号处理，包括各种软件滤波，解耦矩阵的运算；，控制算法，通讯的解码和压缩，跟据成本指标和资源节省原则选择了TM320C6748为核心处理器，主频为456MHZ,3628MIPS和2746MFLOPS的运算能力。基本结构采用核心板加底板的结构，易于后期升级。完整的DSP最小系统应该包括DSP芯片，电源电路，复位电路，时钟电路，引导模式电路等。

DSP与FPGA接口电路设计，将FPGA芯片挂载在DSP的XINTF外部扩展接口上，通过这样的方式，FPGA映射在DSP的储存地址的空间中，DSP就像读写外部储存器那样来对FPGA进行操作，FPGA获得DSP对自己的读写指令后经过逻辑运算执行相应的工作或者从另外的引脚发出响应的时序。

通讯模块的电路设计：通讯模块保证了上位机与下位机进行协同，下位机可以将隔振系统的所有状态发送至上位机，上位机软件将隔振系统的状态以曲线的形式绘出，使得整个隔振系统客观可测。同时也方便隔振系统的调试和诊断功能的实现。综合隔振系统各个电路的详细设计，在cadence软件中绘出原理图。模数转换器(ADC)的功能就是把连续的模拟量转换成离散的数字量信号。ADC 的实质就是将模拟信号在时间和幅值上进行离散处理的电路。ADC 转换过程分为 4 个部分，为前置滤波、采样保持、量化、编码。采用通道分为 A0、A1、B0、B1、C0、C1 六通路，每两组有一个保持信号（分别为 HOLDA、HOLDB、HOLDC），用于启动每组 A/D 转换。HOLDx 保持 20ns 的低电平后，芯片自动启动 AD 转换。转换的结果存储在芯片内部的 FIFO 中，EOCn 信号发出给 FPGA 或 DSP 芯片表示转换结束，可开始读取 AD 转换完后的数据。DSP 通过 FPGA 的协同通过并行输出总线读取相应结果。

主动隔振控制系统中含有多种传感器，不同的传感器经过信号调理板后，以±10V的模拟电压反馈回主控板。多通道数和成本产生了矛盾，选用多路复用和具有多通道AD 转换器构成的具有 48 路采样能力的数模转换电路。主动隔振系统的硬件电路，结合各电路模块选择了元器件，并对电路设计进行了详细论述，完成电路原理图。

3、进度安排

1) 第1～3周：英译汉，阅读文献，设计调查。

2) 第4周：完成译文、文献综述报告和开题报告，进行方案论证。

3) 第5～10周：动力装置主动隔振系统逻辑控制单元硬件电路设计。

4) 第11～13周：撰写毕业设计论文。

5) 第14～15周：论文初稿交指导教师审阅，然后修改定稿，装订成册。

6) 第16周：论文及设计图交评阅教师审阅。

7) 第17周：毕业答辩。