基于MAS的封闭空腔有源力控制系统研究

摘要

目前，有源力控制技术还没有实现大规模的工程应用，一个重要的原因就在于有源控制系统的分布式特点。在实践中，一个由多弹性壁组成的封闭空腔更为接近实际的机器设备外形，同时，其腔内有源力控制机理也更为复杂。要有效地对封闭腔内动态耦合噪声场进行控制，通常需要采用智能降噪技术，这也是有源消声发展的终极目标。
　　本文将多Agent系统(Multi-agent system, MAS)分布协同控制的方法应用到封闭空腔有源力控制中，探讨智能降噪技术。提出了由多弹性板组成的矩形封闭空腔模型，利用模态叠加法进行建模并分析腔内耦合噪声场的特性;对控制致动器位置进行多参数优化设计，并讨论多致动器分布式控制机理和性能;研究基于MAS的智能控制方法处理复杂的封闭空腔耦合噪声场的基本理论和可行性，提出了四种基于MAS的有源控制策略，并分析和比较其控制性能和特点;将辐射模态理论引入到有源智能控制中，并集成Agent控制单元，建立基于MAS的封闭空腔有源力控制框架;对控制系统进行试验研究并取得较佳的控制效果。
　　论文主要内容和创新成果如下:
　　1.通过模态叠加法建立了由声辐射和声传输形成的结构-声耦合系统的理论模型。研究对象为一矩形封闭空腔，它是由四块刚性板和两块相邻的弹性板组成，其中一块弹性板受到干扰点力和外部入射声波的共同激励。对两块和一块弹性板模型的耦合声场特性进行分析和比较，指出二者声场分布的区别。考虑到致动器的优化位置与声场的物理本质及分布有关，由此说明了研究多弹性板模型耦合声场的必要性和重要性。
　　2.在两弹性板模型的基础上，推导了全弹性板封闭空腔耦合声场模型，并分析其初级声场特性。仿真研究表明，全弹性板模型耦合声场主要是由受到初级激励的弹性板的结构模态和空腔的声模态所主导，其余弹性板对腔内声场贡献较小。
　　3.以两弹性板模型为研究对象，讨论多致动器分布式控制技术。控制力（点力致动器）的位置通过考虑多个参数进行优化设计，在此基础上采用三种控制策略对腔内噪声进行控制，并分析和比较其控制机理和性能。研究结果表明控制力数量越多，综合控制性能就越好。考虑到实际应用，局部和全局控制性能得以比较，由此表明局部控制同样有效，从而为分布式协同有源控制技术奠定理论基础。
　　4.研究将MAS分布协同控制的方法应用到封闭空腔有源力控制的基本理论和可行性，提出了基于MAS的有源智能协同控制的整套思路。根据这一思路设计了四种控制策略，用于控制不同情形的耦合噪声场，同时解决整体控制架构的复杂性和智能单元的协调问题，实现智能控制。仿真结果表明控制系统不仅降噪明显而且具有MAS的高鲁棒性、强扩展性等优势。
　　5.根据辐射模态对声场贡献的相互独立性，将有源力控制问题分解为各局部控制问题。定义控制器Agent，并综合致动器和传感器构造Agent控制单元（智能结构），用于解决各局部控制问题。设计竞争和平行协调机制以形成协调体结构。通过协调体结构建立基于MAS的有源控制框架。研究表明系统具有智能性和灵活性等特点，能够有效控制腔内动态噪声。
　　6.在DSPACE及Matlab/Simulink为核心的硬件在环实时控制平台上，实现了基于MAS的有源力控制。试验采用两种控制方案，即分别以麦克风和加速度传感器为误差传感器对腔内双频简谐噪声实施控制。两种方案均取得了较佳的控制效果，由此证明本文方法的正确性和有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及课题来源

1．2 有源噪声控制的研究现状

1．2．1 有源噪声控制概况

1．2．2 有源力控制

1．2．3 封闭空腔有源力控制

1．2．4 有源噪声智能控制

1．3 MAS控制技术概述

1．3．1 Agent及MAS概念

1．3．2 MAS控制技术应用

1．3．3 MAS控制技术的优势及发展趋势

1．4 本文研究的内容

第二章 耦合声场建模

2．1 引言

2．2 两弹性板耦合声场模型

2．2．1 理论推导

2．2．2 控制目标和策略

2．3 两弹性板与典型的一弹性板模型比较

2．4 全弹性板耦合声场模型

2．4．1 初级激励源作用在板a上

2．4．2 初级激励源作用在板b上

2．4．3 初级激励源同时作用在板a和板b上

2．5 本章小结

第三章 致动器的位置优化及有源控制机理

3．1 引言

3．2 致动器的位置优化与有效控制

3．2．1 一个控制力

3．2．2 两个控制力

3．2．3 三个控制力

3．3 局部控制

3．4 本章小结

第四章 基于MAS的有源控制理论基础及策略

4．1 引言

4．2 MAS应用于有源控镧的理论基础

4．2．1 Agent的智能特性

4．2．2 MAS的应用特点

4．2．3 MAS和典型控制系统的比较

4．2．4 基于MAS的复杂控制问题求解

4．3 基于MAS的有源控制策略1

4．3．1 声场模型

4．3．2 基于MAS的有源控制设计

4．3．3 仿真

4．3．4 结论

4．4 基于MAS的有源控制策略2

4．4．1 声场模型

4．4．2 基于MAS的有源控制设计

4．4．3 结果和讨论

4．4．4 结论

4．5 基于MAS的有源控制策略3

4．5．1 声场模型

4．5．2 基于MAS的有源控制设计

4．5．3 仿真和分析

4．5．4 结论

4．6 基于MAS的有源控制策略4

4．6．1 声场模型

4．6．2 基于MAS的有源控制设计

4．6．3 仿真

4．6．4 结论

4．7 不同控制策略的分析和比较

4．8 本章小结

第五章 基于MAS的有源力控制框架设计

5．1 引言

5．2 封闭空腔辐射模态理论

5．3 基于MAS的有源控制设计及框架

5．3．1 封闭空腔有源力控制问题分解

5．3．2 控制器Agent

5．3．3 Agent控制单元间的协调机制

5．3．4 基于MAS的封闭空腔有源力控制框架

5．4 仿真

5．5 本章小结

第六章 基于MAS的封闭空腔有源力控制试验

6．1 引言

6．2 试验平台搭建

6．2．1 试验对象

6．2．2 初级激励通道

6．2．3 传感器通道

6．2．4 控制通道

6．3 Simulink仿真及试验程序框图

6．4 理论模型与实际模型的对比与分析

6．5 试验结果与分析

6．5．1 麦克风为误差传感器

6．5．2 加速度传感器为误差传感器

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 研究成果及创新点

7．2 工作展望

致谢

参考文献

作者简介