自适应振动噪声主动控制若干关键问题研究

摘要

机械系统在其平衡位置附近的往复运动称为振动，它是自然界和工程界的常见现象，振动是基础物理和经典力学研究的重要组成部分。机械结构在空气中的振动以声音的形式传递给人们，在人与机械的交互上，噪声问题也通常被归为振动问题。可见噪声是一种特殊的振动形式，振动与噪声问题的相关研究往往具有类比性和统一性。
　　振动噪声现象在我们的生存环境中非常普遍。工业生产制造、建筑施工过程以及各种交通工具、家用电器工作时都存在各种振动噪声现象。其中500赫兹以下的低频振动噪声波长较长，采用传统被动控制方法对低频振动噪声的控制效果差，不易于实现。为了解决这类难题，振动噪声主动控制随着计算机、控制器、作动器以及传感器等方面的发展完善，逐渐开始被广泛的研究和应用。振动噪声主动控制技术也称有源控制，主要原理是通过数据采集系统对声场和结构响应进行实时采集，通过一定的控制律产生于初级振动噪声相干涉的次级振源或次级声源，从而达到减震降噪的目的。
　　对于受控系统结构与参数存在严重不确定性的情况，采用自适应振动噪声控制可以避免结构参数的计算，提高控制效率。经典自适应控制模型是以FXLMS(Filtered-X Least Mean Square)算法为基础算法的前馈控制系统模型，然而该算法在应用过程中受次级通道建模影响，输出时滞以及通道耦合等系列关键问题的限制，实际应用还不成熟。因此本文以此为背景，研究了次级通道辨识误差对FXLMS算法控制效果的影响以及精确高效在线建模算法，提出了输出时滞的在线估计和补偿方法，将研究成果应用到多通道的主动控制系统中，并就集中式多通道控制系统耦合的问题，提出了解耦方案。全文共分为七章，主要内容可以归纳为：
　　1、介绍自适应振动噪声主动控制的相关理论基础。首先对振动噪声主动控制的物理机制进行了探讨，分别以有限梁模型和自由声场模型，从运动方程开始推导出对振动噪声进行主动控制的物理机制。其次比较了自适应前馈算法的优势，给出FXLMS算法的推导过程，并分析了该算法的稳定性和收敛性，为后续的关键问题研究做出理论铺垫。
　　2、分析了次级通道对主动控制算法的影响，研究了次级通路建模误差对主动控制系统稳定性，收敛性和控制效果三方面的影响；并从主动控制算法的收敛性和稳定性以及在线建模环节对残余振动噪声影响等三个方面对次级通路在线辨识算法进行改进，给出了次级通路在线建模的三种算法，在尽量减少自适应滤波器数目，降低算法复杂度的原则下，消除主动控制环节和次级通道辨识环节相互影响，加快系统的收敛速度和在线辨识精度。
　　3、分析了输入时滞的产生原因以及对主动控制系统的影响。从输出时滞的估计和补偿两个方面进行研究。首先给出了输出时滞环节离线和在线估计方法；其次，为了消除输出时滞环节的影响，提出了输出时滞的滤波补偿算法，最后为了进一步改善时滞补偿环节的收敛性能，将输出时滞环节看作低通滤波器，设计了自适应相频补偿器，将变化时滞转变为固定时滞，并结合基于LMS(Least Mean Square)算法进行时滞预测，给出了输出时滞在线预测补偿算法，实现了对输出时滞进行在线预测补偿，以消除输入时滞对控制系统的影响。
　　4、针对LMS算法对宽带振动噪声控制收敛速度慢的特点，采用对宽带振动噪声抵消具有快速收敛能力的RLS(recursive least Square)算法，并结合无限脉冲响应滤波器IIR（Infinite Impulse Response）传递函数是一个即有零点又包含极点的结构的特点，将RLS应用到了自适应FU-滤波算法结构中去，在一定程度上解决振动噪声次级反馈可能带来的控制系统的不稳定问题，提高了算法的收敛性。将单通道次级通道在线建模算法扩展应用到多通道自适应主动控制系统当中，推导多通道次级通道在线建模的算法，对于每个次级通道的在线建模实现独立快速的收敛步长调整策略，解决了多通道次级通道在线建模问题。
　　5、由于集中式多通道主动控制算法存在多通道耦合使得控制系统的稳定性变得脆弱的缺陷，单个作动器或误差传感器的失效将导致整个系统的失效，并且随着通道数的增加，多通道的耦合算法将不可避免的使控制系统的计算量大量增加，加大了控制算法实现的难度。为了解决这个问题，给出分散式多通道自适应主动控制算法，并分析了算法的稳定性和收敛性；并提出一种矩阵解耦的方法，通过插入解耦补偿器，可以有效的将集中式多通道主动控制进行完全解耦。
　　6、振动和噪声自适应主动控制试验研究
　　为了验证本课题研究的振动噪声主动控制系统，搭建基于美国国家仪器公司的可重新配置嵌入式控制盒采集系统（NI CompactRIO）振动噪声主动控制试验平台。进行了基于次级通道在线建模主动控制试验、输出时滞滤波补偿算法以及多通道自适应振动主动控制试验，验证本文算法的工程适用性。

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注释表

第一章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 自适应振动噪声主动控制技术的研究现状

1.3 自适应主动控制算法的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章自适应前馈控制理论基础

2.1 振动主动控制机理

2.2 噪声主动控制机理

2.3 前馈自适应算法

2.4 本章小结

第三章次级通道在线辨识技术

3.1 次级通道建模误差对主动控制系统的影响

3.2 次级通道在线建模算法

3.3 计算机仿真仿真结果分析

3.4 本章小结

第四章输出时滞的自适应在线估计与补偿

4.1 输出时滞离线估计算法

4.2 输出时滞在线估计算法

4.3 输出时滞在线滤波补偿算法

4.4 输出时滞在线预测补偿算法

4.5 本章小结

第五章多通道自适应控制算法

5.1 多通道FURLS算法

5.2 多通道次级通道建模算法

5.3 次级通道解耦控制

5.4 本章小结

第六章自适应振动噪声主动控制试验

6.1 基于NICRIO的主动控制试验平台搭建

6.2 基于次级通道在线建模自适应主动控制试验

6.3 直升机结构响应主动控制试验

6.4 多通道自适应振动主动控制试验

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 工作总结与创新点

7.2 未来工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文