一种用于减振消噪的自适应主动控制方法及主动控制系统

摘要

公开了一种用于减振消噪的自适应主动控制方法及其主动控制系统，该方法包括振源经由初级通道发出初级信号和作动器经由次级通道发出的次级信号在观测点处的物理加法器叠加以产生残余振动信号；连接可调线性组合器的第一自适应机构接收误差传感器测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器经由次级通道模型滤波后的正交谐波信号以调整所述可调线性组合器的系数，连接所述可调谐波振荡器的第二自适应机构接收误差传感器测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器经由次级通道滤波后的正交谐波信号以调整可调谐波振荡器的频率，本方法和系统对前馈信号不确定性的鲁棒性提升，可在参考频率获取不准确的条件下实现线谱的消减以及获得更快的收敛速度。

说明书

技术领域

本发明属于振动与噪声控制领域，特别是涉及一种用于减振消噪的自适应主动控制方法及其自适应主动控制系统。

背景技术

主动振动控制技术与传统被动控制方法相比，具有低频性能好、附加质量小、方便灵活等优点，是传统振动与噪声控制方法的不可或缺的有利补充。在实际主动控制中，系统特性或参数的摄动常常是不可避免的。产生摄动的原因主要有两个方面：其一，是由于量测的不精确使得系统特性或参数偏离它的标称值，其二，环境因素的影响而引起系统特性或参数的缓慢漂移。自适应控制是应对严重的模型或扰动不确定性的控制方法，它通过在线改变控制器的方式应对这些不确定性。

自适应控制需要少量的先验知识，才能够确定优化的准则，进而进行控制器的自适应更新。然而，如果这个先验知识本身也存在不确定性，则自适应控制的性能很难保证。自适应主动控制系统需要实时的获取两类信号：参考信号和残余振动信号。自适应主动控制可以实时在线的去学习被控对象的模型的逆，但如果这上述两类信号具有较大的不确定性，则系统将失去准确学习模型的能力。特别地，对于线谱的自适应塑形控制，其依赖的先验知识为振源的基波频率，称为参考频率。参考频率的不确定性将极大的影响控制的性能。

专利文献CN1592843 A公开了一种控制参数传感器(100)的方法(200)，所述参数传感器包括配置成容纳物质的导管(103)，所述方法包括以下步骤：确定(210)施加到所述导管的第一激励；以及确定(220)所述导管响应所述第一激励的运动；所述方法的特征在于以下步骤：根据所述确定的第一激励、所述确定的响应所述第一激励的运动以及预期的导管运动来确定(230)要施加到所述导管的第二激励；以及向所述导管施加(240)所述第二激励。该专利控制参数传感器减振，但参考频率的不确定性将极大的影响控制的性能，该专利减振效果有待提高，减振响应慢。

专利文献CN101473370 A公开的一种用于操作降噪系统的方法包括：提供泄漏因子值的流；使用低通滤波器平滑所述泄漏因子值的流以提供平滑的泄漏因子值的流，从而防止所述泄漏因子值突变；将所述平滑的泄漏因子值的流应用于降噪系统的自适应滤波器的系数；以及响应于所述滤波器系数生成降噪音频信号。该专利能够降噪，但该专利减振效果有待提高，减振响应慢。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，特别是为了克服现有线谱主动控制系统参考频率不确定性引起的控制性能下降的问题，本发明提供一种用于减振消噪的自适应主动控制方法及其自适应主动控制系统。本发明以残余振动信号为目标函数，以参考信号为初值，在控制的过程中不断自适应的调整参考频率，以获取最优的参考频率的估计和良好的控制效果。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现：

本发明的一方面，一种用于减振消噪的自适应主动控制方法包括如下步骤。

第一步骤中，参考传感器经由参考通道连接振源以获得参考信号，连接所述参考传感器的信号频率解析器接收所述参考信号以解析得到参考频率。

第二步骤中，连接所述信号频率解析器的可调谐波振荡器基于所述参考频率产生正交谐波信号。

第三步骤中，连接所述可调谐波振荡器的可调线性组合器基于所述正交谐波信号产生驱动信号以驱动作动器产生次级振动。

第四步骤中，振源经由初级通道发出初级信号和所述次级振动经由次级通道发出的次级信号在观测点处的物理加法器叠加以产生残余振动信号。

第五步骤中，连接可调线性组合器的第一自适应机构接收误差传感器测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器经由次级通道模型滤波后的正交谐波信号以调整所述可调线性组合器的系数。

第六步骤中，连接所述可调谐波振荡器的第二自适应机构接收误差传感器测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器经由次级通道滤波后的正交谐波信号以调整可调谐波振荡器的频率。

优选地，第一步骤中，振源发出的振动信号为x(n)，参考信号为x′(n)，其中，x′(n)＝x(n)*r(n)，在式中：x′(n)表示参考信号，r(n)表示参考通道的脉冲响应函数。

优选地，第二步骤中，信号频率解析器获取多个用向量Ω_r(n)表示的参考频率，将参考频率作为可调谐波振荡器的初值以产生正交谐波信号向量，其中余弦谐波信号向量为：

X_a(n)＝2cosΩ_r(n)·X_a(n-1)-X_a(n-2)，X_a(0)＝1，X_a(1)＝cosΩ_r，

正弦谐波信号向量为：

X_b(n)＝2cosΩ_r(n)·X_b(n-1)-X_b(n-2)，X_b(0)＝1，X_b(1)＝sinΩ_r。

优选地，残余振动信号用公式表达：e(n)＝x(n)*p(n)+y(n)*s(n)，

式中：x(n)为振源的振动信号，p(n)为初级通道的脉冲响应函数，y(n)表示作动器的输入信号，s(n)表示次级通道的脉冲响应函数，e(n)表示残余振动信号，*表示线性卷积运算；两个正交的谐波信号向量X_a(n)、X_b(n)通过可调线件组合器产生的作动器的驱动信号为：

式中：W_a(n)和W_b(n)为可调线性组合器的组合系数向量，上标T表示转置。

优选地，第五步骤中，第一自适应机构用于调整可调线性组合器的系数的表达式为：

式中，Γ(n)为变步长迭代系数矩阵，为次级通道模型的脉冲响应函数，e(n)为误差传感器获取的残余振动信号，其中，变步长迭代系数矩阵Γ(n)表示为：

Γ(n)＝γ·max[P_s(n)]·diag[P_s^-1(n)]，P_s(n)＝{|S[jω_ri(n)]|}^T，(i＝1，2，...，Q)

，式中：γ为迭代步长控制参数，P_s(n)为和实时参考频率ω_ri(n)相关的次级通道幅频特性，其中ω_ri(n)为参考频率向量Ω_r(n)的元素，Q为参考频率向量的长度。

优选地，第六步骤中，第二自适应机构调整可调谐波振荡器的参考频率向量Ω_r(n)的关系表达式为：

式中，Γ_Ω(n)为变步长迭代系数矩阵，Y(n)为对角矩阵，变步长迭代系数矩阵表示为：

Γ_Ω(n)＝γ_Ω·max[P_s(n)]·diag[Ps^-1(n)]，P_s(n)＝{|S[jω_ri(n)]|}^T，(i＝1，2，…，Q)

，式中，γ_Ω(n)是迭代控制系数。

优选地，第一自适应机构和第二自适应机构均采用基于次级通道特性的变步长自适应律。

根据本发明的另一方面，一种实施所述的用于减振消噪的自适应主动控制方法的主动控制系统包括物理部分、换能部分和控制部分，其中，物理部分包括振源、初级通道、物理加法器、参考通道和次级通道；换能部分包括参考传感器、作动器和误差传感器，控制部分包括信号频率解析器、可调谐波振荡器、可调线性组合器、第一自适应机构、第二自适应机构和次级通道模型，参考传感器经由参考通道连接振源，信号频率解析器连接用于采样参考信号的所述参考传感器以产生参考频率，可调谐波振荡器连接所述信号频率解析器以产生正交谐波信号，连接所述可调谐波振荡器和作动器的可调线性组合器基于所述正交谐波信号产生驱动信号以驱动作动器产生次级振动，物理加法器连接初级通道和次级通道以产生残余振动信号，连接可调线性组合器的第一自适应机构接收所述误差传感器测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器经由次级通道模型滤波后的正交谐波信号以调整所述可调线性组合器的系数；连接所述可调谐波振荡器的第二自适应机构接收所述误差传感器测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器经由次级通道模型滤波后的正交谐波信号以调整可调谐波振荡器的频率。

优选地，所述可调线性组合器、第一自适应机构和/或第二自适应机构包括通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，所述次级通道模型包括次级通道和滤波器。

优选地，当所述主动控制系统用于主动控制悬臂壳的振动时，所述次级通道为悬臂壳本体。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：增加第二自适应机构使得系统应对前馈信号不确定性的鲁棒性提升，可在参考频率获取不准确的条件下实现线谱的消减。第一和第二自适应机构的变步长自适应律使得系统的收敛性提升，以获得更快的收敛速度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在附图中：

图1为本发明的用于减振消噪的自适应主动控制方法的步骤示意图；

图2为本发明的一个实施例的主动控制系统的结构示意图；

图3为本发明的一个实施例的用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台示意图；

图4(a)是来自用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的模拟初级噪声时域图；

图4(b)是来自用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的模拟初级噪声频域图；

图5(a)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的悬臂壳次级通道频响函数幅频特性图；

图5(b)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的悬臂壳次级通道频响函数相频特性图；

图6(a)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的无控制的残余振动信号幅值时域图；

图6(b)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的有控制的残余振动信号幅值时域图；

图6(c)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的无控制的残余振动信号幅值频域图；

图6(d)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的有控制的残余振动信号幅值频域图；

图6(e)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的1～3次谐波的控制器系数变化图；

图6(f)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的1～3次谐波的频率误差变化图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示的根据本发明的用于减振消噪的自适应主动控制方法，其包括如下步骤。

第一步骤S1中，参考传感器经由参考通道连接振源以获得参考信号，连接所述参考传感器的信号频率解析器接收所述参考信号以解析得到参考频率。

第二步骤S2中，连接所述信号频率解析器的可调谐波振荡器基于所述参考频率产生正交谐波信号。

第三步骤S3中，连接所述可调谐波振荡器的可调线性组合器基于所述正交谐波信号产生驱动信号以驱动作动器产生次级振动。

第四步骤S4中，振源经由初级通道发出初级信号和所述次级振动经由次级通道发出的次级信号在观测点处的物理加法器叠加以产生残余振动信号。

第五步骤S5中，连接可调线性组合器的第一自适应机构接收误差传感器测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器经由次级通道模型滤波后的正交谐波信号以调整所述可调线性组合器的系数。

第六步骤S6中，连接所述可调谐波振荡器的第二自适应机构接收误差传感器测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器经由次级通道滤波后的正交谐波信号以调整可调谐波振荡器的频率。

在一个实施例中，第一步骤S1中，振源发出的振动信号为x(n)，参考信号为x′(n)，其中，x′(n)＝x(n)*r(n)，(F2)，在F2式中：x′(n)表示参考信号，r(n)表示参考通道的脉冲响应函数。

在一个实施例中，第二步骤S2中，信号频率解析器获取多个用向量Ω_r(n)表示的参考频率，将参考频率作为可调谐波振荡器的初值以产生正交谐波信号向量，其中余弦谐波信号向量为：

正弦谐波信号向量为：

在一个实施例中，残余振动信号用公式F1表达：

e(n)＝x(n)*p(n)+y(n)*s(n)，(F1)。

式中：x(n)为振源的振动信号，p(n)为初级通道的脉冲响应函数，y(n)表示作动器的输入信号，s(n)表示次级通道的脉冲响应函数，e(n)表示残余振动信号，*表示线性卷积运算；两个正交的谐波信号向量X_a(n)、X_b(n)通过可调线件组合器产生的作动器的驱动信号为：

式中：W_a(n)和W_b(n)为可调线性组合器的组合系数向量，上标T表示转置。

在一个实施例中，第五步骤S5中，第一自适应机构用于调整可调线性组合器的系数的表达式为

式中，Γ(n)为变步长迭代系数矩阵，为次级通道模型的脉冲响应函数，e(n)为误差传感器获取的残余振动信号，其中，变步长迭代系数矩阵Γ(n)表示为：

式中：γ为迭代步长控制参数，P_s(n)为和实时参考频率ω_ri(n)相关的次级通道幅频特性，其中ω_ri(n)为参考频率向量Ω_r(n)的元素，Q为参考频率向量的长度。

在一个实施例中，第六步骤S6中，第二自适应机构调整可调谐波振荡器的参考频率向量Ω_r(n)的关系表达式为：

式中，Γ_Ω(n)为变步长迭代系数矩阵，Y(n)为对角矩阵，变步长迭代系数矩阵表示为：

其中，γ_Ω(n)是迭代控制系数。

在一个实施例中，第一自适应机构和第二自适应机构均采用基于次级通道特性的变步长自适应律。

图2为本发明的一个实施例的主动控制系统的结构示意图。一种主动控制系统包括物理部分15、换能部分16和控制部分17，其中，物理部分15包括振源1、初级通道2、物理加法器3、参考通道4和次级通道5；换能部分16包括参考传感器6、作动器7和误差传感器8，控制部分17包括信号频率解析器9、可调谐波振荡器10、可调线性组合器11、第一自适应机构12、第二自适应机构13和次级通道模型14，参考传感器6经由参考通道4连接振源1，信号频率解析器9连接用于采样参考信号的所述参考传感器6以产生参考频率，可调谐波振荡器10连接所述信号频率解析器9以产生正交谐波信号，连接所述可调谐波振荡器10和作动器7的可调线性组合器11基于所述正交谐波信号产生驱动信号以驱动作动器7产生次级振动，物理加法器3连接初级通道2和次级通道5以产生残余振动信号，连接可调线性组合器11的第一自适应机构12接收所述误差传感器8测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器10经由次级通道模型14滤波后的正交谐波信号以调整所述可调线性组合器11的系数；连接所述可调谐波振荡器10的第二自适应机构13接收所述误差传感器8测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器10经由次级通道模型14滤波后的正交谐波信号以调整可调谐波振荡器10的频率。

在一个实施例中，所述可调线性组合器、第一自适应机构12和/或第二自适应机构13包括通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，所述次级通道模型包括次级通道和滤波器。

在一个实施例中，当所述主动控制系统用于主动控制悬臂壳的振动时，所述次级通道5为悬臂壳本体。

在一个实施例中，所述主动控制系统包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

为了进一步理解本发明，图3为本发明的一个实施例的用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台示意图。悬臂壳结构主动控制系统如图3所示，振源1可以是噪声源，例如用激振器模拟的振源，参考传感器6通过参考通道连接振源，信号频率解析器9连接用于采样参考信号的所述参考传感器6以产生参考频率，可调谐波振荡器10连接所述信号频率解析器9以产生正交谐波信号，连接所述可调谐波振荡器10和作动器7的可调线性组合器11基于所述正交谐波信号产生驱动信号以驱动作动器7产生次级振动，物理加法器3连接初级通道2和悬臂壳作为的次级通道5以产生残余振动信号，连接可调线性组合器11的第一自适应机构12接收所述误差传感器8测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器10经由次级通道模型14滤波后的正交谐波信号以调整所述可调线性组合器11的系数；连接所述可调谐波振荡器10的第二自适应机构13接收所述误差传感器8测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器10经由次级通道模型14滤波后的正交谐波信号以调整可调谐波振荡器10的频率，信号调理器一端连接误差传感器和悬臂壳的次级通道，另一端连接控制器，功率放大器一端连接作动器，另一端连接控制器。

本发明的控制效果进行进一步的说明。图4(a)是来自用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的模拟初级噪声时域图，图4(b)是来自用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的模拟初级噪声频域图。如图4a和b所示。信号采样频率为2048Hz，初级噪声包含3个频率分量，它们的频率大约为32.4Hz(1×)、64.8Hz(2×)和94.2Hz(3×)。如悬臂壳的次级通道模型利用作动器产生白噪声以及误差传感器获取的响应信号进行辨识。次级通道模型可具有50前向系数和50反馈系数的IIR滤波器。

图5(a)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的悬臂壳次级通道频响函数幅频特性图，图5(b)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的悬臂壳次级通道频响函数相频特性图。基于图5a和b所示的幅频特性和相频特性，可以得出残余振动信号，连接可调线性组合器11的第一自适应机构12接收所述误差传感器8测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器10经由次级通道模型14滤波后的正交谐波信号以调整所述可调线性组合器11的系数；连接所述可调谐波振荡器10的第二自适应机构13接收所述误差传感器8测量所述残余振动信号和可调谐波振荡器10经由次级通道模型14滤波后的正交谐波信号以调整可调谐波振荡器10的频率。图6(a)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的无控制的残余振动信号幅值时域图，图6(b)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的有控制的残余振动信号幅值时域图，图6(c)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的无控制的残余振动信号幅值频域图，图6(d)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的有控制的残余振动信号幅值频域图，在图6中，将1～3次谐波的参考频率的初始值设为29.4Hz、61.8Hz和94.2Hz来模拟具有3Hz频率估计误差的情形。可以看出，本平台可以在具有3Hz频率估计误差的情况下，实现线谱消减主动控制。图6(e)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的1～3次谐波的控制器系数变化图，图6(f)是用于悬臂壳减振消噪的主动控制系统的测试平台的1～3次谐波的频率误差变化图，可以看出，控制器系数由振荡逐渐趋于稳定，频率误差趋近于零。

可见，在本发明中，第一自适应机构调整所述可调线性组合器11的系数使得系统的收敛性提升，因此获得更快的收敛速度，即本发明减振消噪更为迅速，第二自适应机构调整可调谐波振荡器10的频率使得系统应对前馈信号不确定性的鲁棒性提升，可在参考频率获取不准确的条件下实现线谱的消减。上述测试平台的减振消噪的结果验证了本发明的主动控制系统的高效性。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。