消磁控制设备现状及其发展

2007-01-17肖昌汉

船海工程 2007年4期

张巍，肖昌汉

（海军工程大学电气与信息工程学院，武汉430033）

消磁控制设备作为系统核心，根据作用在船上的地球磁场，向消磁电源实时提供消磁电流控制信号、显示消磁系统工作状态并进行不同工况转换。消磁绕组、消磁控制设备和消磁电源对于不同类型船舶有不同要求，其设计方法、技术要求、结构特征等都会有所不同。

1 技术要点

要实现消磁电流的自动控制，控制设备必需首先获得投影到船舶坐标系上的地球磁场分量，然后控制消磁电源给消磁绕组正确供电。获得地磁场的投影分量一直是消磁控制设备的难点，世界各国的专用控制技术基本上是围绕这一核心展开的，其它技术的发展是随电力电子技术和计算机技术水平的发展而不断更新。

目前，得到地球磁场投影分量的方法有三类。

1.1 查阅地磁图方法（罗经控制方式）

所谓查阅地磁图方法，就是根据地磁图查阅不同地区地磁场参数，列成表格备查，当船舶航行到某区域时，根据当地地磁场数据和船只的航向，实施半自动消磁电流调节，即Z方向消磁电流和X、Y方向消磁电流最大幅值是手动调整，而X、Y方向消磁电流随船舶航向变化自动调节（其航向信号来自电罗经，所以通常称为罗经控制方式）。这类控制设备的优点是性能可靠，缺点是不能实现全自动控制，且大多数设备不能随船舶姿态的变化进行电流调节。基于这类方法的消磁控制设备是最早出现的（以前均为手动控制），1992年的资料显示美国和英国海军仍然将该类设备作为钢铁船舶消磁控制设备的标准控制方式。

1.2 磁场传感器方法（磁强计控制方式）

磁场传感器方法就是在船舶桅杆上安装三分量磁场传感器，通过直接测量作用到船只上的地球磁场，对三个方向的消磁电流进行控制。该类控制设备的优点是除能够对船舶不同位置、不同航向和不同姿态进行消磁电流自动调节外，能对局部地磁异常区域和地磁变化进行调节；缺点是抗干扰调整问题难以解决，调整时需要专业人员进行操作，且需船舶作不同的复杂运动进行配合。

1.3 地磁解算方法

地磁解算方法是根据船舶所在位置，利用“地磁模式组”数学方法计算当地地球磁场，根据船只的航向和姿态计算投影到其坐标系上的地磁分量，实施对消磁系统电流的全自动控制。这类控制设备的优点是既能实现全自动调整，又不需要进行复杂的抗干扰调整，且由于使用了计算机系统，能方便地实现分布式消磁电源控制和消磁系统的智能调整和监控；缺点是不能对变化的地磁场和局部异常地磁场作出反应，电流控制精度决定于“地磁模式组”的计算精度。在经过多年地球物理研究和测量数据基础上，地球模式组精度已经能够满足船舶消磁系统控制要求。

这种控制方式只是最近几年才开始出现，目前欧美各国都将其称为现代消磁控制设备。

2 研究进展

上述三种控制方式是基于不同时代技术发展起来的，最早为罗经控制方式（基于电罗经提供控制信号），其次为磁传感器方式（基于上世纪60年代出现的磁通门磁强计提供控制信号），最晚为地磁解算式（基于现代综合导航信号、计算机技术和地磁数学模型），各国海军舰船消磁控制设备也是沿着该主线发展。每一类型仪器出现多种型号的原因只是由于使用了不同的电子元器件和配接不同的消磁电源。

1992年美军资料显示，美海军在此之前共使用了9种型号的消磁电流控制设备，分别是EMS、RM、FM、GM、SEM、GEM、MCD、SSM 和MDG，其中RM、FM、GM、和SSM四种型号是基于罗经控制方式，EMS、SEM、GEM、MCD 和MDG五种型号是基于磁传感器控制方式。由于未能解决钢铁舰船磁传感器消磁控制设备的抗干扰问题，美海军只推荐其中三种仪器，MDG用于低磁船壳的猎扫雷舰、MCD用于铝合金上层建筑的护卫舰，一般钢铁舰船则使用SSM控制设备。最近美国雷声（Raytheon）公司关于为美海军San Antonio级两栖支援舰LPD-17提供的技术服务资料显示，该舰装备的是地磁解算式消磁控制系统，由瑞典Polyamp公司提供，并采用多区段供电方式。

最近，俄国克莱罗夫舰船研究院（Krylov shipbuilding research institute）对于钢铁舰艇和潜艇，发展了以地磁解算式为主的多用途混合式消磁控制设备，包括KDS-701和KDS-703控制模块，前者利用地磁解算得到的地磁场，结合分布于全船的磁传感器，实施对潜艇的自动闭环自动控制，后者利用得到的磁场数据用手动方式进行消磁电流调节。

从德国SAM公司提供给德国海军的消磁控制设备分析：在DEG-COMP型设备出现以前，只有22搜猎扫雷舰（10艘SM343型，12艘 MJ332型）安装的是DEG-STAT型设备，其它驱护舰、登录舰以及202型潜艇等军舰安装的均是DEGROT型设备。所以可以判断DEG-ROT是罗经或地磁解算控制方式，而只有DEG-STAT是磁传感器控制方式。新造舰船和潜艇（如F124护卫舰、212型潜艇）安装和准备安装DEG-COMP型设备。从型号看，ROT应为配置旋转电源、STAT为配置静止电源。DEG-COMP为混合式舰船消磁控制设备，其控制信号接口既可来自地磁解算方式，又可来自磁场传感器方式。该型设备的出现主要是从标准化、系列化方面考虑的，在具体配置时是可以灵活裁减的，因为有研究指出，“在不适合安装磁传感器的地方，比如潜艇，可以去掉磁传感器控制方式”。DEG-COMP消磁控制设备在电源配置和通信方式上也是可以灵活使用的，如可以实现对小功率电源（一般为猎扫雷舰）的集中控制，也可以对大功率消磁电源实施分布式控制。SAM公司提出的消磁智能终端的设备值得借鉴，该设备是在地磁解算式和计算机平台基础上提出的，既可与DEG-COMP消磁系统联合使用，也可作为独立设备使用，具有如下功能：

1）舰船磁性状态预报。在特定地点和航向上预报本舰磁性状态；

2）消磁系统优化调整。在消磁绕组部分损坏时重新进行消磁电流优化分配；

3）敌方水雷威胁分析。根据掌握的敌方水雷有关情况和本舰磁性状态，分析水雷的威胁程度；

4）消磁系统遥控。作为消磁控制设备的控制备件，必要时起到控制消磁电流的作用。

英、法、意、瑞典等国在舰船消磁系统及舰船消磁控制设备研制方面极其活跃，英国的马可尼（marconi）、桑恩（Thorn）、和阿尔特（Ultra）电器公司、意大利的爱分（Ifnn）公司和瑞典的朴力安普（Polyamp）公司，生产了大量的消磁控制设备安装到各型军舰上。如马可尼公司的MDG-1701型、CC2型消磁控制设备大量安装在MCM-1（复仇者）型扫雷舰上，并在其基础上增加闭环消磁控制功能，加拿大的金斯屯吨级军舰采用的是桑恩公司生产的消磁控制设备。1992年资料显示，尽管磁传感器控制方式有很多优点，但由于舰船磁场的干扰，英国海军舰船在此之前是不使用该类设备的，只在猎扫雷舰上使用。意大利的爱分公司已经为世界各国海军提供了150多套消磁控制设备，其最有名的磁场传感器控制方式MDG4系列设备装备到多种猎扫雷舰上，同时也特别指出：“对于钢壳舰船，将提供新一代的MDG5消磁控制系统”。可见其钢铁舰船的消磁设备控制方式是有别于猎扫雷舰消磁设备控制方式的。瑞典的朴力安普公司网站上以前只介绍分离的消磁控制设备，2004年介绍了一种混合型分布式消磁控制设备。作为雷声公司的分承包商，已将其地磁解算式消磁控制设备应用到美国的San Antonio级两栖补给舰LPD-17上。芬兰爱丽斯阔（Elesco）公司的FDC-700消磁控制设备也是集成了多种信号（含磁传感器、电罗经、摇摆信号、导航信号）的混合控制方式，为基于计算机的多模块结构，且也特别提到地磁解算式。

综观美、俄和欧洲国家消磁控制设备的发展情况，不难看出其特点为，早期全部使用的是罗经式控制方式，尽管磁传感器控制方式出现后，其自动控制程度和地磁场适应能力大大提高，但受钢铁舰船磁场干扰问题影响，这类设备只是使用在猎扫雷舰和轻型舰船上，大量钢铁舰船使用的仍然是罗经控制（美、英、德）或者与罗经控制方式联合的控制方式（俄）。最近出现的地磁解算控制设备控制精度已能与磁传感器控制方式媲美，而且可以借助计算机技术实现一些新的功能，如对分布式消磁电源进行灵活控制、实现消磁系统智能监测和调整等，已被世界各海军国家接受并作为钢铁舰船的标准控制方式。

为了统一使用和维护保养，消磁控制设备将朝着标准化、系列化、模块化和较强操作维护性能的方向发展。无论对何种船舶，消磁控制设备的结构形式和操作步骤应保持一致，这就要求消磁控制设备具有结构一致性和多信号接口适应功能，并具有新型扩展功能的预留接口，如消磁系统智能终端、闭环消磁磁传感器阵列接口等。对此采用专用嵌入式计算机方案更佳，不宜采用通用计算机模块。因为计算机通用模块看似标准化较好，但实际消磁系统控制计算为中小型专用软件，嵌入式计算机在可靠性、专用性、实时性和整体更换维修时具有极大的优点。由于采用计算机方案，消磁控制设备还可以利用这一软硬件平台增强控制调整的智能化水平，进一步提高船舶磁性防护性能，这些新的功能主要包括闭环消磁技术和消磁系统智能终端等等。