1、第 4 期收稿日期 ： 2009 07 - 16作者简介 ： 桂永胜 （1970 ） ，男 ，硕士 ，工程师 。 研究方向 ：舰船电气工程 。 E-mail：07272 163 com第 5 卷 第 4 期2010 年 8 月中 国 舰 船 研 究Chinese Journal of Ship ResearchVol.5 No.4Aug. 20101 引 言在舰船上安装消磁系统是舰船磁性防护的最有效手段 ， 主要目的是预防敌方磁性武器攻击和磁性探测 ，提高舰船的生命力 。舰船消磁系统主要由舰内消磁绕组 、 消磁控制设备和消磁电源 3 部分组成 ，如图 1 所示 。要求舰船消磁系统所产生的磁场能
2、够补偿舰船的感应磁场和剩余固定磁场（以下简称舰船磁场 ）。舰船消磁绕组布设在全舰范围内 ， 要求所产生的磁场形状应尽量与舰船磁场的形状相同 。舰船消磁控制设备根据作用在军舰上的地球磁场 ，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 。舰船消磁电源根据消磁控制设备提供的消磁电流控制信号 ， 向消磁绕组输出高质量的消磁电流 。目前存在旋转电源和静止电源 2 种类型 ，需满舰船消磁控制设备现状和发展趋势桂永胜中国舰船研究设计中心军事代表室 ，湖北 武汉 430064摘 要 ： 在简要论述舰船消磁系统控制原理 ，并综合介绍舰船消磁控制设备现状的基础上 ，分析了不同舰船
3、适用的最佳消磁控制方式和消磁控制新技术的研究方向 。 认为潜艇和大型水面舰艇适合选用地磁解算方式 ，猎扫雷舰适合选用三分量传感器方式 ，中小型舰船既可选用混合式 （可进行摇摆运动抗干扰调整 ），也可单独选用地磁解算式 。 消磁控制设备应实现多信号融合 、标准化 、可扩展 、可裁减和控制电源数量可设定等功能 ，重点加强分布式消磁系统 、消磁系统智能监控和闭环消磁控制技术的研究 。关键词 ： 舰船消磁 ； 电流控制 ； 消磁控制设备中图分类号 ：U665.18 文献标志码 ：A 文章编号 ：1673 3185 （ 2010 ） 04 75 06Status Quo and Development
4、Trend of Ship Degaussing Control EquipmentGui YongshengMilitary Representative Office in China Ship Reseach and Design Center， Wuhan 430064， ChinaAbstract： This paper reviews the control theory of ship degaussing system and the current developmentsof ship degaussing control equipments， and analyzes
5、the optimum degaussing control modes availablenowadays for ships as well as the next direction of technical research For the submarines and large sizedsurface ships， the geomagnetic mode is more suitable， while the threecomponent sensor mode is adapt-able to minehunter and minesweeper， hybrid mode （
6、sway motion is achievable for interferencefreeadjustment） or the geomagnetic mode is recommended for the medium and small sized ships Suggestionsare also provided that the functions of ship degaussing control equipment must have the features of multisignal fusion， standardization， expandability， rec
7、onfiguration and the ability to set the numbers of controlpower supply， etc Particularly， more attentions must be given to the researches of distributed degaussingsystem， smart monitoring degaussing system and techniques of closed loop degaussing controlKey words： ship degaussing； current control； d
8、egaussing control equipmentdoi： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 3185 . 2010 . 04 . 017第 5 卷中 国 舰 船 研 究足一定的响应速度和精度 。舰船消磁绕组 、 消磁控制设备和消磁电源对于不同类型军舰有不同要求 ，其设计方法 、技术要求 、结构特征等都会有所不同 。世界各国海军对消磁系统的 3 个核心技术都在进行不断研究 ， 特别是针对猎扫雷舰 、潜艇和特大型舰船等特殊舰船 ，如舰船磁场精确计算1、超导消磁绕组2、分布式消磁系统3、地磁解算控制设备4、闭环消磁技术5等 。 本文在简要阐述消磁控制设备基本控制原理基
9、础上 ，根据所掌握的资料 ，介绍国内外舰船消磁控制设备现状及发展趋势 ， 并提出我国舰船消磁控制设备发展方向和需要解决的技术问题 。2 消磁控制设备电流自动控制的基本原理用于补偿舰船剩余固定磁场的消磁电流值（在经过磁性处理后设定 ）在航行中一般是不发生变化的 ， 消磁控制设备只需给出稳定控制信号而不进行大小和方向的调整 （闭环消磁技术可以针对固定磁性变化进行调整 ）。目前消磁电流控制设备主要是针对感应磁场的变化进行消磁电流自动调节 。理论和实验证明 ， 舰船的感应磁场与作用到舰船上的地球磁场成正比 。 根据地球磁场不同地点不同 、 同一地点基本不变的分布特征和磁场的矢量特性 ，当舰船的位置 、
10、航向和姿态 （纵倾 、横摇 ）发生变化时 ，作用在舰船上的地磁场将发生变化 。 消磁控制设备必需根据这些变化实时调整消磁电流 ， 以保证消磁系统产生的磁场与舰船感应磁场同步变化 。用于补偿舰船感应磁场的 3 组消磁电流的基本变化规律是 ：消磁系统电流 Ix、Iy、Iz分别与作用在舰船上的地磁场分量 hx、hy、hz成正比 。所以 ，要实现消磁系统电流的自动控制 ，舰船消磁控制设备必须首先获得投影到舰船坐标系上的地球磁场分量 ， 然后控制消磁电源向消磁绕组正确供电 。分量一直是舰船消磁控制设备的难点 ，世界各海军国家舰船消磁控制设备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
11、电力电子技术和计算机技术水平的发展而不断更新的 。3 三种不同类型消磁电流控制设备尽管世界各国舰船消磁控制设备种类繁多 ，但从如何得到舰船坐标系下舰船磁场分量看 ，可以分为 3 类 ：查阅地磁图方法 （罗经控制方式 ）、磁场传感器方法 （磁强计控制方式 ）和地磁场解算方法 。31 查阅地磁图方法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 ，当舰船航行到某区域时 ，根据当地地磁场数据和舰船的航向 ，实施半自动消磁电流调节 ， 即 Z 方向消磁电流 ，X、Y 方向消磁电流最大幅值是手动调整 ，而 X、Y方向消磁电流随舰船航向变化是自动调节 （其航向信号来自电罗经
12、， 所以通常称为罗经控制方式 ）。上述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舰船纵摇和横摇姿态的变化进行电流调节 （也出现过利用减摇鳍的姿态信号进行电流调节的控制设备 ，如美国海军的 GM 型设备等6）。基于这类方法的舰船消磁自动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舰船消磁控制设备的标准控制方式6-7。32 磁场传感器方法磁场传感器方法是在舰船桅杆上安装三分量磁场传感器 ， 通过直接测量作用到舰船上的地球磁场 ，对 3 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根据舰
13、船不同位置 、 不同航向和不同姿态进行消磁电流自动调节外 ， 还能对局部地磁异常区域和地磁变化进行调节 ， 缺点是在钢铁舰船上抗干扰调整问题难以解决 。据有关资料介绍 ， 美国海军由于未解决消磁系统抗干扰问题 ， 只在非磁性船壳的猎扫雷舰上安装 MDG 型设备和在上层建筑为铝合金的 FFG7型巡逻护卫舰上安装 MCD 型设备 。而将基于罗经导航控制方式的 SSM 型消磁控制设备作为标准型安装到各类钢铁舰船上 。33 地磁解算方法地磁解算方法是根据舰船所在位置 ，利用 “地磁模式组 ”数学方法计算当地地球磁场 。根据舰船的航向和姿态计算投影到舰船坐标系上的地磁分量 ，实施对消磁系统电流的全自动控
14、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76第 4 期了计算机技术 ， 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 ， 电流控制精度主要决定于 “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 ，“地磁模式组 ” 精度已经能够满足舰船消磁系统控制要求 。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8。4 舰船消磁控制设备国外现状和发展趋势上述 3 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
15、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的 。41 美国海军消磁控制设备情况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 。如前所述 ，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 ，此时美海军只推荐其中 3 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 。最近美国雷声公司关于为美海军 “圣 安东尼奥 ”级船坞登陆
16、舰 （LPD17）提供的技术服务资料显示 ，该舰采用了分布式消磁系统 ，采用多区段独立供电方式 ，装备的是地磁解算式消磁控制系统 ，由瑞典朴力安普公司提供 。42 俄国海军消磁控制设备情况俄国 “现代 ”级驱逐舰采用混合式消磁控制设备 ，由 2 套控制装置组成 ，分别是半自动的罗经控制方式和全自动的磁传感器控制方式 ， 但从提供的资料看 ，一方面抗干扰方法非常复杂 ，而且并没有发挥磁传感器控制方式的优势9。最近 ，俄国克雷洛夫舰船研究院资料显示10，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 （图 2），包括 KDS701 和 KDS703 控制模块 ，前者利用地
17、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消磁控制 ， 后者利用得到的磁场数据用手动方式进行消磁电流调节 。43 德国海军消磁控制设备以德国 SAM 电子公司为例 ，可以看到德国及其它先进国家海军舰船消磁控制设备的发展情况 。从该公司提供给德国海军的 86 艘军舰消磁控制设备分析 ，DEGROT 是罗经或地磁解算控制方式 ，安装在钢铁舰船上 ，而 DEGSTAT 是磁传感器控制方式 ，只安装在猎扫雷舰上 ，又一次说明西方海军国家在钢铁舰船上不使用磁传感器方式的消磁控制设备 。该公司新近研制的 DEGCOMP 型仪器为混合式舰船消磁控制设备 ，如图 3 所示 ，其控制
18、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 。我们认为 ，该型设备的出现主要是从标准化 、系列化方面考虑的 ，在具体配置时可以灵活裁减 ，因为文献 3中明确指出 ，“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 ”。DEGCOMP 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11值得我们借鉴 ， 该设备是在地磁解算式和应用计算桂永胜 ：舰船消磁控制设备现状和发展趋势 77第 5 卷中 国 舰 船 研 究机平台基础
19、上提出的 ，如图 4 所示 。该智能终端既可与 DEGCOMP 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 。44 英 、法 、意 、瑞典等国海军消磁控制设备情况资料显示 ，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
20、尼和阿尔特电器公司 、 意大利的爱分公司和瑞典的朴力安普公司 ， 生产了大量的消磁控制设备安装到各型军舰上12。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 ，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12”。 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
21、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 “圣 安东尼奥 ”级船坞登陆舰上 ，如图 5 所示 。芬兰 Elesco 公司的 FDC700 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 ，且特别提到地磁解算式 。45 国外舰船消磁控制设备发展趋势综观美 、 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
22、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 ，如分布式消磁系统 、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 。从标准化角度看 ， 将来舰船消磁控制设备发展趋势应该是基于计算机的多接口系统 ， 以便部队统一使用和维护保养 。 但在具体舰船配置时应有裁减 ： 对于潜艇和特大型舰船只使用地磁解算式控制方式 ；猎扫雷舰只使用磁传感器控制方
23、式 ；轻型钢壳舰船 ， 既可以单独使用地磁解算式控制方式 ， 也可以同时使用地磁解算式和磁场传感器控制方式 。对于磁性防护要求较高的猎扫雷舰和潜艇 ，闭环消磁系统的出现将会提高其磁性防护能力 。所谓闭环消磁 ， 就是利用在舰船上布置多个磁传感器 ，直接测量舰艇内部的磁场分布 ，并以此推算舰船外部空间的磁场 ， 从而根据舰船外部磁性状态控制消磁系统电流 。图 4 SAM 公司智能消磁系统终端78第 4 期5 我国舰船消磁控制设备的发展方向建议根据国内外现状和发展趋势 ， 对我国舰船消磁控制设备控制方式和应该研究的问题提出如下建议 。51 不同军舰采用的消磁电流控制方式对于现役一般军舰 ， 在改换
24、装时尽量统一型号并增加抗干扰专用接口 ， 使其能方便地实施新的抗干扰调整方法 ；而对于新造军舰 ，提出如下建议 ：猎扫雷舰采用磁传感器控制方式 ，并满足多区段电流调节来调整绕组安匝数 。 每一路消磁电流实现固定 、感应 、甚至涡流磁场补偿电流的混合控制 ；1） 潜艇采用地磁解算控制方式 ，并采用分布式消磁电源控制 ；2） 大型军舰采用地磁解算控制方式 ，并实现控制信号远程监控 ；3） 一般中小型军舰既可单独采用地磁解算式控制方式 ， 也可采用地磁解算与磁传感器混合方式 。52 新型消磁控制设备的结构形式考虑到舰船消磁控制仪器的标准化 、系列化 、模块化和操作维护性能 ，无论对何种舰船 ，消磁控
25、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 。建议采用专用嵌入式计算机方案 。53 消磁系统控制设备新技术研究由于新型消磁控制设备采用计算机技术 ，可以利用这一软硬件平台增强消磁系统控制调整的智能化水平 ，进一步提高舰船磁性防护性能 。这些新的功能主要包括分布式消磁系统 、 消磁系统智能检测和闭环消磁控制技术 。531 分布式消磁系统技术研究所谓分布式消磁系统是指对消磁绕组的单个线圈或几个线圈实行独立供电控制 ， 且电源分布在舰船上的不同部位 。与消磁绕组各
26、个线圈串联集中供电控制方式调整各线圈匝数相比 ， 分布式消磁系统是以调整各线圈电流幅值的方式来调整舰船消磁绕组安匝数的 ， 所以磁场补偿效果会调整的更加精确且适应自动化调整 ， 更大的优点是可以使用截面积较小的消磁电缆 ，不用设计备用匝数等 ，从而大量减轻消磁系统重量 。 特别是在战时个别消磁线圈受损或个别电源故障时 ， 通过自动重新调整各消磁电流幅值 ，得到最佳的磁性防护状态 。实现分布式消磁系统需要研究的内容主要是研究一套新的消磁系统磁电计算方法 、 分布式消磁电源的可靠性 、电源的电磁兼容特性 、消磁电源控制策略以及消磁系统受损时的重构决策等 。532 消磁系统智能监测技术利用计算机接口
27、技术 ， 研制消磁系统智能监测 ，实现如下功能的智能化水平 。消磁绕组调整智能化 。 随着舰船消磁绕组分区数量增加 ，绕组安匝数的调整越来越困难 ，借助专用智能化软件技术 ， 可以方便地实现消磁系统安匝数优化调整 ，能及时进行安匝数的优化重组 ，达到磁性防护的最优水平 。消磁电流自动设定 。 对于以电流设定为主的消磁系统安匝数调整 ， 在对电源设备手动调整部分进行适当改进后 ， 能在接受到舰船外部测量磁场情况下 ，实现安匝数的自动调整 。对于分布式电源绕组供电 ，可在每个绕组中进行固定 、感应和涡流磁场混合补偿电流调整 （如猎扫雷舰和潜艇 ），该自动化的实现尤为重要 ， 可以减少目前大量的调整
28、时间 。 当具备与磁性检测站的智能通信接口后 ，还能实现消磁系统的快速在线调整 。舰船消磁系统智能监视 。可以在任意地点 、任意航向显示不同区段和类型 （固定 、感应及涡流 ）消磁电流 ， 并与理论值进行比较 ； 可以在任意地点 、 任意航向显示舰船的磁性状态并根据敌方水雷等有关情报 ，预报水雷的威胁程度 ，为指挥员提供决策依据并依靠改变舰船航向等措施改变舰船的磁性状态 。消磁控制设备遥控 。 可以作为消磁控制设备主控制器的备份 ， 在主控制器失效时直接发出信号对消磁电流实施控制 。533 舰船磁性闭环控制技术研究如前所述 ， 依据地球磁场进行消磁电流自动调节只是从原理上对舰船的感应磁场进行自
29、动补偿 ， 而固定磁场补偿电流在设定后保持不变 。 然而 ，固定磁场的 “不变 ”只是相对的 ，当舰船经过大的风浪冲击 、武器发射 、潜艇的水下航行 、动力设备运行等过程后 ，舰船的固定磁性将会发生变化 。由于现有消磁系统没有考虑这一部分磁场变化的桂永胜 ：舰船消磁控制设备现状和发展趋势 79第 5 卷中 国 舰 船 研 究明显降低 ， 因此该诊断方法合理有效 。参考文献 ：1 KE G，TAO M，DEJI W. Application of multi-sensor infor-mation fusion in fault diagnosis of rotating machi-neryC
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34、环消磁控制就是在船体上安装若干磁场传感器 ，实时检测舰船磁性变化并实施控制 。这种技术目前是国际上舰船消磁的研究热门 。 主要技术涉及舰船磁场实时检测 、 船体表面磁场与空间磁场变化关系 、舰船内外磁场换算关系 、多点多信号融合分析等 。参考文献 ：1 乐季华 ，黎国湘 ，蒋喆华 消磁电流控制设备精度测试装置的系统误差 J机电设备 ，2009，26（5）：36382 刘打明 ，何明 ，刘胜道 基于地磁模式组的舰船消磁电流调整器 J海军工程大学学报 ，2001，13（4）：18213 杜志瀛编 舰船消磁 M北京 ：国防工业出版社 ，19834 张巍 ，肖昌汉 消磁控制设备现状及其发展 J船海工程
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