基于cmac與pid的參量聲源并行控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利涉及參量聲源的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，尤其涉及CMC與PID復(fù)合控制系統(tǒng)在 改善參量聲源聲音失真方面的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 參量聲源也稱為定向聲頻系統(tǒng)，它是能發(fā)出具有指向性聲音信號(hào)的非線性系統(tǒng)。 系統(tǒng)的工作原理是：把聲頻信號(hào)通過調(diào)制算法加載到超聲信號(hào)上，已調(diào)超聲波經(jīng)功率放大 并通過換能器陣列發(fā)出具有強(qiáng)指向性的超聲波束。超聲波束在傳播時(shí)通過非線性交互過 程解調(diào)出音頻信號(hào)。由于定向聲頻系統(tǒng)的自解調(diào)是一個(gè)強(qiáng)非線性過程，解調(diào)后的信號(hào)除了 包括原始音頻信號(hào)外，也產(chǎn)生了其他非線性失真頻率成分，產(chǎn)生的失真主要包括諧波失真 和互調(diào)失真，這就導(dǎo)致解調(diào)出的聲頻音質(zhì)受到影響。為改善音質(zhì)，當(dāng)前該領(lǐng)域的研究人員 大都是不斷的改進(jìn)信號(hào)調(diào)制算法，鑒于信號(hào)調(diào)制算法的研究已經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間，通過改 進(jìn)調(diào)制算法來提升音質(zhì)的空間也越來越小，這是因?yàn)槟壳八_發(fā)的信號(hào)調(diào)制算法都是基于 "Berktay遠(yuǎn)場(chǎng)解"理論，該理論描述只是參量聲學(xué)系統(tǒng)自解調(diào)過程的二階近似，參考H. 0. Berktay 發(fā)表在 Journal of Sound and Vibration 的論文〈〈Possible Exploitation of Non-Linear Acoustics in Underwater Transmitting Application》。不難理角軍，而基于 "Berktay遠(yuǎn)場(chǎng)解"所開發(fā)的信號(hào)處理和調(diào)制算法實(shí)際是不能準(zhǔn)確表達(dá)參量聲學(xué)系統(tǒng)的，當(dāng) 前可精確描述參量聲學(xué)系統(tǒng)自解調(diào)過程的"KZK方程"的解析求解還比較困難，這就需要尋 求其他方式來解決參量聲學(xué)系統(tǒng)的失真問題。
[0003] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域的研究目前已經(jīng)在學(xué)術(shù)理論方面積累了較多成果，CMAC網(wǎng)絡(luò) (也稱為小腦模型）就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中比較出色的一種網(wǎng)絡(luò)模型，它是一種局部逼近網(wǎng)絡(luò)，可 以快速收斂，這對(duì)軟件實(shí)時(shí)控制有利。CMC網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)算法調(diào)節(jié)表格內(nèi)容，可具有表達(dá)復(fù) 雜的非線性系統(tǒng)函數(shù)和較強(qiáng)的信息分類存儲(chǔ)能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)非線性系統(tǒng)的控制等效于神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近被控系統(tǒng)逆的過程，逼近的逆系統(tǒng)可一定程度上抵消原系統(tǒng)(被控系統(tǒng)）函數(shù)中 的失真因素。利用CMC網(wǎng)絡(luò)逼近任意復(fù)雜非線性系統(tǒng)的能力，并結(jié)合常規(guī)PID控制手段， 專利所公開的CMC與PID并行控制方法為參量聲源改善音質(zhì)提供了一種可行方法。。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)參量聲學(xué)系統(tǒng)由于強(qiáng)非線性特性所導(dǎo)致的聲音失真問題，提 供了一種CMC-PID并行控制設(shè)計(jì)的方法來提高音質(zhì)。該方法技術(shù)方案為 ： I. CMC與PID復(fù)合控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：CMC采用前饋控制方法，復(fù)合控制系統(tǒng)是由 CMAC網(wǎng)絡(luò)和PID模塊并行構(gòu)成，PID模塊和CMAC網(wǎng)絡(luò)分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制量，兩部分控制 量之和實(shí)現(xiàn)對(duì)串接在后面的參量聲學(xué)系統(tǒng)(被控系統(tǒng)）失真控制，參考圖1所示。
[0005] 2.復(fù)合控制系統(tǒng)中PID模塊設(shè)計(jì)，選擇數(shù)字增量式PID控制方法，設(shè)計(jì)PID模塊 與CMC網(wǎng)絡(luò)為并行控制方式； 1)結(jié)合參量聲學(xué)系統(tǒng)特性設(shè)定PID模塊的三個(gè)控制參數(shù)； 2) 計(jì)算參量聲學(xué)系統(tǒng)第個(gè)控制周期的輸出與期望輸出的誤差值為 <k)； 3) 誤差值 進(jìn)入PID控制模塊，并通過以下的PID控制算法，得到PID模塊的控制 增量：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于CMC與PID的參量聲源并行控制方法，該方法主要包括以下設(shè)計(jì)步驟： CMAC與PID復(fù)合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并設(shè)定CMAC為前饋控制模式； 復(fù)合控制系統(tǒng)中PID模塊設(shè)計(jì)，包括PID控制模式選擇以及相應(yīng)三個(gè)控制參數(shù)的設(shè) 計(jì)； 復(fù)合控制系統(tǒng)中CMAC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定以及網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法的設(shè)計(jì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的參量聲源并行控制方法，其特征在于CMAC與PID復(fù)合控制的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：CMAC采用前饋控制方法，復(fù)合控制系統(tǒng)由CMAC網(wǎng)絡(luò)和PID模塊并行構(gòu)成，PID 提供一部分控制量，CMAC產(chǎn)生另一部分控制量，兩部分控制量之和對(duì)串接在后面的參量聲 源(被控系統(tǒng)）進(jìn)行控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的參量聲源并行控制方法，其特征在于，所述的復(fù)合控制系統(tǒng) 中PID模塊設(shè)計(jì)步驟保括： ① 根據(jù)參量聲源特性設(shè)定PID模塊的三個(gè)控制參數(shù)，分別是比例放大系數(shù) &、積分放大系數(shù)&及微分放大系數(shù)I; ② 采用增量PID控制方法，PID模塊的控制輸出增量為：
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的參量聲源并行控制方法，其特征在于，所述的CMAC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 的包括如下步驟： ① 首先確定虛擬存儲(chǔ)空間以及實(shí)際存儲(chǔ)空間的容量； ② 對(duì)CMAC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行量化，此步驟也可稱為虛擬映射，主要完成輸入空間到虛擬存儲(chǔ)器 的映射； ③ 采用雜散編碼技術(shù)，完成虛擬存儲(chǔ)空間到實(shí)際存儲(chǔ)空間的映射； ④ 計(jì)算CMAC網(wǎng)絡(luò)輸出，每個(gè)單元中存放著相應(yīng)權(quán)值，將實(shí)際存儲(chǔ)器空間中的所有連接 權(quán)相加，所得到和就是CMAC網(wǎng)絡(luò)的輸出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的參量聲源并行控制方法，其特征在于，所述的CMAC網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí) 算法的主要步驟包括： ① 由PID模塊得到第k個(gè)控制周期的控制輸出量％ ; ② 由CMAC網(wǎng)絡(luò)得到第k個(gè)控制周期的控制輸出量S; ③ 計(jì)算總控制輸出量u，它是PID模塊與CMAC網(wǎng)絡(luò)輸出之和：％ + \ ; ④ 通過設(shè)定CMAC網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率以及慣性量《，并利用學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)對(duì)CMAC網(wǎng)絡(luò)的 權(quán)值％(*)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣就可以計(jì)算出下一控制周期的權(quán)值； ⑤ 令k=k+l，并返回至上面第1步進(jìn)行循環(huán)運(yùn)算； ⑥ 當(dāng)總控制量主要有CMAC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生時(shí)，此時(shí)CMAC網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)逼近參量聲源系統(tǒng)的逆模 型。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種通過CMAC與PID并行處理實(shí)現(xiàn)對(duì)參量聲學(xué)系統(tǒng)聲音失真進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方法。該方法首先是通過系統(tǒng)誤差值得到CMAC網(wǎng)絡(luò)與PID模塊的兩個(gè)誤差調(diào)節(jié)值，并利用兩調(diào)節(jié)值之和實(shí)現(xiàn)對(duì)參量聲學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)失真控制。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：并行控制中PID模塊可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，CMAC網(wǎng)絡(luò)可以確保系統(tǒng)的控制精度；CMAC采用尋址編程方法，運(yùn)算速度較快；CMAC的局部學(xué)習(xí)特性使它更適合動(dòng)態(tài)環(huán)境下的非線性實(shí)時(shí)控制。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號(hào)】CN104698851
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510091044
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請(qǐng)人】深圳市波奇智能系統(tǒng)有限公司
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年3月1日