專利名稱：一種變步長調整的變壓器噪聲有源控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及變壓器噪聲有源控制領域，尤其是涉及一種變步長調整的變壓器噪聲有源控制方法。
背景技術：
目前，降噪技術包括無源降噪技術及有源降噪技術。無源降噪技術能有效地控制中高頻噪聲，但要對低頻噪聲的控制取得較好的效果，就要增加吸聲材料的厚度或者隔件的重量，而這樣會增大實際裝置的體積，從而導致電力變壓器散熱困難的問題，因此，僅使用無源降噪技術來控制電力變壓器的低頻噪聲是不可取的。于是，有源降噪的思想就應運而生，并且不斷引起了研究者的關注。德國物理學家Paul Lueg在1936年發(fā)明“電子消聲器”時，第一次將有源噪聲控制的基本想法提出來。之后，諸多發(fā)達國家相繼在噪聲主動控制的研究和實踐方面投入了大量的物力及人力。噪聲主動控制也被稱為有源消聲及有源噪聲控制，屬于在噪聲傳播路徑上進行降噪的方法。有源降噪技術與傳統(tǒng)的無源降噪技術相比，主要優(yōu)點為適合控制中低頻噪聲、控制系統(tǒng)實時性強、重量輕、體積小等，能依據(jù)被控噪聲的特性，針對性地設計和修正控制系統(tǒng)特性，噪聲控制的目標更明確，該系統(tǒng)的工程應用價值較高。隨著數(shù)字信號處理器技術的快速發(fā)展，芯片性價比的提高，促使基于DSP (數(shù)字信號處理器)的數(shù)字濾波技術廣泛使用到各種降噪技術中。目前，降噪技術的發(fā)展方向是數(shù)字式噪聲控制系統(tǒng)的研發(fā)，該系統(tǒng)的核心是數(shù)字信號處理器及其相關算法。變壓器噪聲屬于一種聲波，可以通過有源噪聲控制法來處理，也就是通過控制系統(tǒng)產生與噪聲波相位相差180°、振幅相同的“反噪聲”來抵消。有源噪聲控制法實施簡單，對變壓器及其運行環(huán)境沒有額外的要求，和隔音壁等無源降噪方法比較，降噪成本更低。所以，國外有人認為目前變壓器降噪更好的方法是有源降噪法。隨著電力電子技術的進步和逐漸成熟，有源噪聲控制法有望得到推廣與應用?？刂扑惴ㄊ强刂葡到y(tǒng)的核心，所以控制算法的研究也倍受有源噪聲控制研究者的關注。自適應算法種類繁多，在工程應用中，能否對自適應算法恰當選擇，直接決定了自適應控制系統(tǒng)的可行性和系統(tǒng)性能。目前,最小均方(Least Mean Square,LMS)算法及其改進算法是常用的自適應控制算法。LMS算法是1960年Hoff和Widrow提出的，該算法是應用最廣泛的自適應控制算法之一，屬于線性自適應算法。算法中沒有積分、平均和平方運算，主要具有簡單和高效的優(yōu)點。但在時變系統(tǒng)中使用時，LMS算法將不穩(wěn)定、收斂慢、甚至發(fā)散。自適應控制策略是影響有源噪聲控制系統(tǒng)性能的重要因素之一，而現(xiàn)有的自適應控制尚不完善，相應算法仍存在缺陷。開發(fā)新的控制算法成為一項很有潛力、賦有重要意義的工作。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術缺陷，提出了一種變步長調整的變壓器噪聲有源控制方法。本發(fā)明的技術方案為一種變步長調整的變壓器噪聲有源控制方法，包括以下步驟，步驟1，采集初級聲源，通過頻譜分析，得到能量最大的角頻率w ;設ADC中斷的定時器長度為w對應的噪聲信號周期的Ι/m ;同時，開始計時t ；步驟2，對當前聲音周期進行采樣，采樣方式為，每個噪聲信號周期執(zhí)行m次ADC中斷，對當前聲音周期中每個ADC中斷，執(zhí)行如下操作，采集誤差聲源；計算并通過D/A送出輸出量Vtjut=KX sin(wXt+PHI);累加誤差，誤差采樣計數(shù)值增加I ;K和PHI分別為記錄D/A輸出的幅值和相位的變量；步驟3，判斷是否已完成N個聲音周期的采樣，否則返回步驟2對下一個聲音周期進行采樣，是則執(zhí)行計算平均誤差并記為err，累加誤差清零，誤差計數(shù)清零，然后進入步驟4 ；步驟4，判斷是否平均誤差err比上一個N周期的平均誤差last_err小，是則直接進入步驟5。否則設置調整方向adjust_direction為原來方向的反方向，調整反復次數(shù)updown_count加I,然后進入步驟5 ；步驟5，調整D/A輸出的幅值或相位，調整D/A輸出的幅值公式如下，K=K+ratioKX0.0lXadjust_direction調整D/A輸出的相位公式如下，PHI=PHI+ratioPHIXadjust_direction其中，ratioK和ratioPHI分別為幅值步長和相位步長；步驟6，判斷是否調整反復次數(shù)>5，否則返回步驟2，是則設定下一次調整對象，包括在本次執(zhí)行調整的是相角時設定下次執(zhí)行步驟5時調整幅值，在本次執(zhí)行調整的是幅值時設定下次執(zhí)行步驟5時調整相角；步驟7,根據(jù)平均誤差err,調整N值、幅值步長ratioK和相位步長ratioPHI ；err較大時，N取較小值,且ratioK和ratioPHI取較大值；err較小時，N取較大值，且atioK和ratioPHI取較小值；步驟8,重復采集初級聲源,通過頻譜分析,得到能量最大的角頻率w ;設ADC中斷的定時器長度為w對應的噪聲信號周期的Ι/m ;返回至步驟2繼續(xù)執(zhí)行。Vout=KX sin (wt+PHI) ;err表示誤差監(jiān)測點處的誤差信號?？刂破鬟M行A/D采樣，將采樣信號Vin進行頻譜分析，提取能量分布最大的頻率，根據(jù)該信號和誤差信號err，調整D/A輸出信號Vwt的幅值和相位。

而且，執(zhí)行步驟I前，設m=360，K的初始值取為w頻率分量對應的幅值，PHI初始值取為O, N的初始值為I, adjust_direction初始值為I, updown_count初始值為O, ratioK初始值取2，ratioPHI的初始值取5。而且，步驟7的實現(xiàn)方式如下，當err〈0.09V 時，ratioK=0.2, ratioPHI=!, N=IO ；
當err<0.1V 時，ratioK=0.2, ratioPHI=l, N=8 ；當err〈0.15V 時，ratioK=l, ratioPHI=l, N=5 ；當err〈0.19V 時，ratioK=l, ratioPHI=2, N=3 ；當err〈0.25V 時，ratioK=l, ratioPHI=3, N=3 ；當err〈0.38V 時，ratioK=2, ratioPHI=4, N=2 ；在其它情況時，ratioK=2,ratioPHI=5, N=I。該方法通過利用變步長調整的變壓器噪聲有源控制算法，判斷監(jiān)測點噪聲變化大小，當監(jiān)測點噪聲變化大時，系統(tǒng)處于大步長調整控制狀態(tài)，實現(xiàn)快速降噪的目的；當監(jiān)測點噪聲變化小時，系統(tǒng)處于小步長調整控制狀態(tài)，減少系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，最終達到盡可能降低監(jiān)測點噪聲的目的。


圖1是IlOkV電力變壓器某檢測點噪聲的頻譜特性曲線圖。圖2是本發(fā)明實施例的有源噪聲控制原理圖。圖3是本發(fā)明實施例的變步長調整的變壓器噪聲有源控制算法流程圖。圖4是本發(fā)明實施例的控制系統(tǒng)框圖。圖5是本發(fā)明實施例的降噪實驗線路圖。圖6是本發(fā)明實施例的自適應控制效果示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的技術方案為:根據(jù)有源噪聲控制的原理，將整個控制方法分為三部分，第一部分是頻譜分析，第二部分是AD采樣并通過D/A輸出次級聲源，第三部分是次級聲源的相位、幅值的步長及方向的調整。當監(jiān)測點噪聲變化大時，系統(tǒng)處于大步長調整控制狀態(tài)，實現(xiàn)快速降噪的目的；當監(jiān)測點噪聲變化較小時，系統(tǒng)處于小步長調整控制狀態(tài)，減少系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，最終達到盡可能降低監(jiān)測點噪聲的目的。本發(fā)明采集初級聲源和誤差聲源，由控制器根據(jù)初級聲源和誤差聲源生成控制信號，通過控制信號得到次級聲源。以下結合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明技術方案。初級聲源:通過傳聲器采集電力變壓器噪聲，該噪聲信號為初級聲源，也叫初級聲波。例如IlOkV電力變壓器噪聲，提取該噪聲中IOOHz的信號作為初級聲源。在變壓器噪聲的檢測平面上選擇不同的測點，對檢測點聲壓信號進行FFT (快速傅里葉變換)分析。不同檢測點聲壓信號具有基本一致的頻譜特性。其中，某一檢測點的頻譜特性曲線如附圖1所示，橫坐標為頻率/Hz，縱坐標為幅度/dB。由附圖1可知，具有離散線譜特性的低頻噪聲主要在500Hz以下。能量分布較大的離散頻點在IOOHz、200Hz、300Hz上。并且，IOOHz點的能量分布最大，200Hz和300Hz點的能量分布次之。次級聲源:通過產生控制信號，驅動電聲器件產生一個信號，該信號就是“次級聲源”，也叫次級聲波。誤差聲源:在監(jiān)測點安放傳聲器來檢測經過有源控制后的監(jiān)測點噪聲，后面把該噪聲稱為“誤差信號”。有源噪聲控制原理可以通過聲波互相作用的原理來解釋。通過電聲器件產生一個與初級聲源(初級聲波)幅值相等、相位相反的次級聲波，在一定區(qū)域里抵消原噪聲，進而實現(xiàn)消噪的目的。這便是有源降噪的原理，相應的原理示意圖如附圖2所示。
為了形象而直觀地闡述有源噪聲控制的原理，下面的初、次級聲波都為平面聲波。 設初級聲波的聲壓是
pp (X，t) =Acos (ω t_kx)(I)
其中，ω表示初級聲波的角頻率，A表示初級聲波的幅值，k表示波數(shù)(k=co/ ο=2π/λ, λ為聲波的波長，c為初級聲波的聲速)，X表示聲傳播的距離，t表示傳播時間。
初級聲波的平均聲勢能密度是
權利要求
1.一種變步長調整的變壓器噪聲有源控制方法，其特征在于:包括以下步驟， 步驟1，采集初級聲源，通過頻譜分析，得到能量最大的角頻率W ;設ADC中斷的定時器長度為w對應的噪聲信號周期的Ι/m ;同時，開始計時t ； 步驟2，對當前聲音周期進行采樣，采樣方式為，每個噪聲信號周期執(zhí)行m次ADC中斷，對當前聲音周期中每個ADC中斷，執(zhí)行如下操作， 采集誤差聲源；計算并通過D/A送出輸出量Vrat=KXsin(WXt-PHI);累加誤差，誤差采樣計數(shù)值增加I ; K和PHI分別為記錄D/A輸出的幅值和相位的變量； 步驟3，判斷是否已完成N個聲音周期的采樣，否則返回步驟2對下一個聲音周期進行采樣，是則執(zhí)行計算平均誤差并記為err，累加誤差清零，誤差計數(shù)清零，然后進入步驟4 ; 步驟4，判斷是否平均誤差err比上一個N周期的平均誤差last_err小，是則直接進入步驟5。否則設置調整方向adjust_direction為原來方向的反方向，調整反復次數(shù)updown_count加I,然后進入步驟5 ； 步驟5，調整D/A輸出的幅值或相位， 調整D/A輸出的幅 值公式如下，K=K+ratioKX0.0lXadjust_direction調整D/A輸出的相位公式如下，PHI=PHI+ratioPHIXadjust_direction 其中，ratioK和ratioPHI分別為幅值步長和相位步長； 步驟6，判斷是否調整反復次數(shù)>5，否則返回步驟2，是則設定下一次調整對象，包括在本次執(zhí)行調整的是相角時設定下次執(zhí)行步驟5時調整幅值，在本次執(zhí)行調整的是幅值時設定下次執(zhí)行步驟5時調整相角； 步驟7，根據(jù)平均誤差err,調整N值、幅值步長ratioK和相位步長ratioPHI ； err較大時，N取較小值，且ratioK和ratioPHI取較大值； err較小時，N取較大值，且atioK和ratioPHI取較小值； 步驟8，重復采集初級聲源，通過頻譜分析，得到能量最大的角頻率w ;設ADC中斷的定時器長度為w對應的噪聲信號周期的Ι/m ;返回至步驟2繼續(xù)執(zhí)行。
Vout=KX sin (wt+PHI) ;err表示誤差監(jiān)測點處的誤差信號?？刂破鬟M行A/D采樣，將采樣信號Vin進行頻譜分析，提取能量分布最大的頻率，根據(jù)該信號和誤差信號err，調整D/A輸出信號Vrat的幅值和相位。
2.根據(jù)權利要求1所述變步長調整的變壓器噪聲有源控制方法，其特征在于:執(zhí)行步驟I前，設m=360，K的初始值取為w頻率分量對應的幅值，PHI初始值取為0，N的初始值為1，adjust_direction 初始值為 1，updown_count 初始值為 O, ratioK 初始值取 2, ratioPHI的初始值取5。
3.根據(jù)權利要求2所述變步長調整的變壓器噪聲有源控制方法，其特征在于:步驟7的實現(xiàn)方式如下，當 err<0.09V 時，ratioK=0.2, ratioPHI=l, N=IO ；當 err<0.1V 時，ratioK=0.2, ratioPHI=l, N=8 ；當 err<0.15V 時，ratioK=!, ratioPHI=!, N=5 ；當 err<0.19V 時，r atioK=l, ratioPHI=2, N=3 ；當 err<0.25V 時，ratioK=l, ratioPHI=3, N=3 ；當 err<0.38V 時，ratioK=2，ratioPHI=4, N=2 ；在其它情況時，ratioK=2，ratioPHI=5，N=I。
全文摘要
本發(fā)明提出一種變步長調整的變壓器噪聲有源控制方法，包括頻譜分析，AD采樣并通過D/A輸出次級聲源，次級聲源的相位、幅值的步長及方向的調整。當監(jiān)測點噪聲變化大時，系統(tǒng)處于大步長調整控制狀態(tài)，實現(xiàn)快速降噪的目的；當監(jiān)測點噪聲變化較小時，系統(tǒng)處于小步長調整控制狀態(tài)，減少系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，最終達到盡可能降低監(jiān)測點噪聲的目的。
文檔編號G10K11/178GK103208281SQ20131007811
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權日2013年3月12日
發(fā)明者劉姜濤, 鄧其軍, 應黎明 申請人:武漢大學