劉勝道，王巍，肖存龍

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低磁鋼艦艇消磁系統(tǒng)繞組安匝調(diào)整

劉勝道1，王巍2，肖存龍1

（1. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033；2. 92557部隊(duì)，廣州 511400）

針對(duì)某低磁鋼艦艇船體低磁、消磁系統(tǒng)繞組多區(qū)段設(shè)計(jì)及某消磁站行車(chē)測(cè)磁等特點(diǎn)，總結(jié)了低磁鋼艦艇進(jìn)行繞組安匝調(diào)整的一般步驟，分析了低磁鋼艦艇繞組安匝調(diào)整中容易出現(xiàn)的問(wèn)題并提出了解決措施。實(shí)船調(diào)整結(jié)果表明，利用所編制的安匝量計(jì)算軟件能快速給出安匝調(diào)整方案，根據(jù)該方案進(jìn)行調(diào)整能將結(jié)果磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)揭蠓秶畠?nèi)，從而節(jié)約了大量時(shí)間，并發(fā)揮了低磁鋼艦艇磁性防護(hù)性能高的優(yōu)點(diǎn)。

消磁系統(tǒng) 安匝調(diào)整 低磁鋼艦艇

0 引言

低磁鋼艦艇的特殊之處是使用低磁鋼來(lái)建造船體和消磁系統(tǒng)繞組多區(qū)段設(shè)計(jì)，各區(qū)段匝數(shù)可單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整，因而能更好地補(bǔ)償艦艇感應(yīng)磁場(chǎng)和剩余固定磁場(chǎng)，從而極大地提高其磁防護(hù)性能。消磁系統(tǒng)繞組的多區(qū)段設(shè)計(jì)減輕了消磁系統(tǒng)的重量、提高了消磁系統(tǒng)的可靠性和可維修性、適應(yīng)了艦艇分段建造的要求[1]。但是，消磁繞組區(qū)段的增多使得繞組安匝調(diào)整相當(dāng)困難，如果不借助計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，僅憑人工經(jīng)驗(yàn)幾乎無(wú)法完成繞組調(diào)整工作。如果采用傳統(tǒng)的最小二乘法[2]和遺傳算法[3]以及微粒群算法來(lái)調(diào)整，也將是十分耗時(shí)的，尤其是初次調(diào)整時(shí)會(huì)需要十?dāng)?shù)天的時(shí)間。因此，在低磁鋼艦艇設(shè)計(jì)建造的同時(shí)，已開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的消磁繞組安匝調(diào)整軟件，該軟件利用最簡(jiǎn)便的二分搜索法來(lái)確定補(bǔ)償安匝量，大幅度縮短了繞組調(diào)整時(shí)間，降低了繞組調(diào)整的勞動(dòng)強(qiáng)度，很好地完成了低磁鋼艦艇繞組安匝調(diào)整工作。

1 低磁鋼艦艇消磁繞組敷設(shè)方式

某低磁鋼艦艇敷設(shè)有縱向繞組、橫向繞組和水平繞組，其敷設(shè)方式分別如圖1、圖2和圖3所示。

從圖中可以看出，低磁鋼艦艇的消磁繞組是分區(qū)段布置的。

2 某消磁站測(cè)磁方式

某消磁站的消磁碼頭是按磁東西方向建造的，如圖4所示。碼頭上敷設(shè)無(wú)磁鋼軌，無(wú)磁行車(chē)可在鋼軌上前后移動(dòng)，行車(chē)下有一個(gè)可以升降的探頭架，探頭架上放若干個(gè)水密探頭。艦船消磁時(shí)從一端被拖進(jìn)兩碼頭之間用鋼纜固定。測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)行車(chē)從一端向另一端緩慢移動(dòng)，每隔一定距離計(jì)算機(jī)對(duì)探頭采樣一次，當(dāng)?shù)竭_(dá)另一端后，采樣結(jié)束，由數(shù)傳設(shè)備將測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給岸上的計(jì)算機(jī)。這種測(cè)量方式的測(cè)量點(diǎn)由探頭間的距離和采樣距離決定。測(cè)量深度用升降探頭架的方法來(lái)調(diào)整。

對(duì)于某型低磁鋼艦艇，采用了5個(gè)磁探頭（分別放置在左舷下、左舷內(nèi)、龍骨下、右舷內(nèi)和右舷下）進(jìn)行測(cè)量，行車(chē)每前進(jìn)2 m測(cè)量1個(gè)點(diǎn)，共測(cè)量35個(gè)點(diǎn)。但是，行車(chē)測(cè)量只能在東西向進(jìn)行，在需要南北航向的磁場(chǎng)時(shí)，只能在碼頭外用吊放磁探頭的方式進(jìn)行測(cè)量，兩舷的測(cè)量點(diǎn)不在一條直線上，因此南北航向的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)只有龍骨下可用。

3 消磁繞組補(bǔ)償電流計(jì)算方法

3.1 目標(biāo)函數(shù)選取

消磁系統(tǒng)消磁繞組補(bǔ)償電流調(diào)整的目的就是調(diào)節(jié)各線圈的通電電流使得所有線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的總和在各個(gè)測(cè)量點(diǎn)上與艦艇磁場(chǎng)幅值相等、方向相反，剛好補(bǔ)償艦艇磁場(chǎng)。采用的目標(biāo)函數(shù)有均方根誤差（RMS）最小和峰值誤差（PM）最小等。本文選取均方根誤差（RMS）最小為目標(biāo)函數(shù)[7]。

上式中a為第區(qū)段補(bǔ)償線圈在第個(gè)測(cè)量點(diǎn)的安匝效率。

3.2 約束條件

消磁繞組中所通過(guò)的電流受到消磁電源供電能力的限制，每路電流都存在一個(gè)最大值，即

3.3 目標(biāo)函數(shù)求解

二分搜索法的基本思想是在搜索空間[a b]上選取中間點(diǎn)c,通過(guò)比較(a)，(b)，(c)的大小來(lái)決定刪除左半?yún)^(qū)間[a c]還是右半?yún)^(qū)間[c b]。刪除后的新區(qū)間是原區(qū)間長(zhǎng)度的一半，再選取新區(qū)間的中間點(diǎn)，來(lái)與新區(qū)間的端點(diǎn)繼續(xù)比較下去。重復(fù)這個(gè)過(guò)程，最后確定出極小值點(diǎn)。

在利用二分搜索法求解目標(biāo)函數(shù)F()時(shí)采用多輪求解，逐步逼近的方式。初始條件下，各路補(bǔ)償電流為零，第一輪求解時(shí)，將1作為變量，1,2,3帶入初始值，利用二分搜索法在 [-1max,1max]空間求解(i)得出1的值，并覆蓋初始值。接著將2作為變量，其余各路補(bǔ)償電流帶入初始值，在[-1max,1max] 空間求解(i)得出2的值,并覆蓋初始值。經(jīng)過(guò)第一輪求解后，各路補(bǔ)償電流均有了一個(gè)不為零的初始值，此時(shí)開(kāi)始第二輪求解，對(duì)第一輪求解的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，向最優(yōu)解逼近。依此進(jìn)行多輪求解，直至滿足消磁的技術(shù)要求，最后確定各路補(bǔ)償電流的值。

4 繞組調(diào)整

4.1 繞組調(diào)整步驟

在某消磁站進(jìn)行消磁繞組調(diào)整的步驟如下：

第一步：測(cè)量低磁鋼艦艇4個(gè)航向的原始磁場(chǎng)；

其中南北航向的測(cè)量值只有龍骨下可利用，且龍骨下只測(cè)量了23點(diǎn)，而東西向的磁場(chǎng)值為35×5的點(diǎn)陣，因此在計(jì)算出龍骨下的Zix后，利用3次樣條曲線將23個(gè)點(diǎn)插值到35個(gè)點(diǎn)，以便與東西向磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)。

第二步：將低磁鋼艦艇停在東航向上，通過(guò)艦艇上的消磁電流調(diào)整器給繞組供電來(lái)測(cè)量各繞組的單位安匝效率；

第三步：將原始磁場(chǎng)、航向差和繞組安匝效率等參數(shù)輸入程序中，計(jì)算出各繞組各區(qū)段的安匝量；

第四步：按計(jì)算出的安匝量進(jìn)行繞組調(diào)整；

第五步：測(cè)量結(jié)果磁場(chǎng)，如結(jié)果磁場(chǎng)滿足要求，則結(jié)束繞組調(diào)整工作。如結(jié)果磁場(chǎng)不滿足要求，則將結(jié)果磁場(chǎng)輸入程序進(jìn)行再次調(diào)整，直到結(jié)果磁場(chǎng)滿足要求。

對(duì)多條低磁鋼艦艇的調(diào)整結(jié)果表明，利用所編制的繞組調(diào)整軟件，一般一次調(diào)整就可滿足要求，少量繞組需根據(jù)結(jié)果磁場(chǎng)值進(jìn)行一次再次調(diào)整。

4.2 容易出現(xiàn)的問(wèn)題

在該消磁站對(duì)多條低磁鋼艦艇進(jìn)行消磁系統(tǒng)繞組安匝調(diào)整中，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題容易產(chǎn)生并對(duì)調(diào)整結(jié)果產(chǎn)生影響：

1) 繞組區(qū)段效率測(cè)量誤差

由于低磁鋼艦艇消磁系統(tǒng)繞組區(qū)段數(shù)量非常多，每一區(qū)段都必須測(cè)量其效率，因此耗時(shí)很長(zhǎng)。消磁站以前規(guī)定是當(dāng)休息時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，行車(chē)橫梁必須收起，待測(cè)量時(shí)再重新放下。行車(chē)橫梁收起放下會(huì)導(dǎo)致兩次深度位置有差異，因此會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了避免產(chǎn)生誤差，規(guī)定在低磁鋼艦艇磁場(chǎng)測(cè)量期間（包括繞組效率測(cè)量）消磁站的行車(chē)橫梁不得收起。

2) 地磁背景的變化

地磁背景的變化會(huì)對(duì)消磁繞組安匝調(diào)整的效果產(chǎn)生影響，因此應(yīng)盡量使用測(cè)量時(shí)間最近的地磁場(chǎng)值作為背景。

4.3 實(shí)船繞組調(diào)整

利用所開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用消磁繞組安匝調(diào)整軟件對(duì)多條低磁鋼艦艇進(jìn)行了繞組調(diào)整，其中一條低磁鋼艦艇實(shí)測(cè)得到的結(jié)果磁場(chǎng)如圖5和圖6所示，圖中數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了歸一化處理。實(shí)船繞組調(diào)整結(jié)果表明，低磁鋼艦艇的消磁系統(tǒng)補(bǔ)償取得了十分顯著的效果，且調(diào)整速度快，調(diào)整精度高。

5 結(jié)論與建議

本文針對(duì)低磁鋼艦艇船體低磁、消磁繞組多區(qū)段設(shè)計(jì)及某消磁站行車(chē)測(cè)量等特點(diǎn)，總結(jié)了低磁鋼艦艇在某消磁站進(jìn)行繞組調(diào)整的一般步驟，分析了多條低磁鋼艦艇消磁系統(tǒng)繞組調(diào)整中出現(xiàn)的問(wèn)題并提出了解決措施。實(shí)船調(diào)整結(jié)果表明，利用所編制的安匝量計(jì)算軟件能快速給出安匝調(diào)整方案，根據(jù)該方案進(jìn)行調(diào)整能將結(jié)果磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)揭蠓秶畠?nèi)，從而節(jié)約了大量時(shí)間，并發(fā)揮了低磁鋼艦艇磁性防護(hù)性能高的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于以后在該站進(jìn)行的低磁鋼艦艇消磁繞組安匝調(diào)整工作，給出如下建議：整個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中，不要調(diào)整行車(chē)橫梁的上下位置；盡量使用測(cè)量時(shí)間最近的地磁場(chǎng)值作為背景磁場(chǎng)。

[1] 唐申生，周耀忠，莊清華．大型艦船分區(qū)消磁理論研究[J]．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，15(1)：80-83．

[2] 朱文普，李琥．計(jì)算補(bǔ)償艦船磁場(chǎng)的一種方法[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，1979，1(5): 70-72．

[3] TARR P B，POWELL N. Optimal degaussing using an evolution program[P]．United States: US6546349，2003．

Calibration of a Degaussing System Coils’ Ampere-turns for Low Magnetic Steel Ship

Liu Shengdao1, Wang Wei2, Xiao Cunlong1

(1. Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2. Unit No. 92557，Guangzhou 511400，China)

TM153.1

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1003-4862（2013）04-0025-03

2012-07-18

劉勝道(1972-)，男，博士，副教授。研究方向：艦艇磁隱身技術(shù)。