一種機(jī)械主動(dòng)隔振的多通道窄帶控制算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種機(jī)械主動(dòng)隔振的多通道窄帶控制算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)械振動(dòng)含有豐富而突出的線譜成分，該些線譜能量集中、幅值遠(yuǎn)高于周?chē)l率 寬帶噪聲，且各線譜幅值、頻率均會(huì)隨著機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)工況而波動(dòng)。
[0003]船舶機(jī)械的線譜對(duì)船舶福射噪聲有重要影響。機(jī)械設(shè)備主動(dòng)隔振技術(shù)作為一種抑 制線譜的有效手段而日益受到重視，為了實(shí)現(xiàn)更好的線譜控制效果，機(jī)械主動(dòng)隔振的有源 控制算法需要突破W下難點(diǎn)；（1)有多根線譜振動(dòng)需要進(jìn)行控制，采用傳統(tǒng)的寬帶自適應(yīng) 算法只能有效控制其中最強(qiáng)的1~2個(gè)頻率振動(dòng)；（2)機(jī)械設(shè)備由多個(gè)隔振器支承，結(jié)構(gòu)通 常較復(fù)雜，次級(jí)通道矩陣特征值分散度大，造成收斂穩(wěn)定性和速度難W兼顧；（3)機(jī)械設(shè)備 的振幅和頻率均可能出現(xiàn)波動(dòng)，控制算法應(yīng)具有較快收斂速度、并對(duì)頻率波動(dòng)具有較好魯 椿性，才能取得良好線譜控制效果。
[0004] 目前已公布的窄帶自適應(yīng)算法可針對(duì)難點(diǎn)（1)多根線譜振動(dòng)（噪聲）控制取得良 好效果。窄帶自適應(yīng)算法分為時(shí)域算法、頻域算法和時(shí)域頻域結(jié)合算法，但目前的窄帶算法 均無(wú)法同時(shí)解決難點(diǎn)（2)、（3)。
[0005]《何琳，李彥，楊軍.磁懸浮-氣囊主被動(dòng)混合隔振裝置理論和實(shí)驗(yàn)[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)， 2013, 38 (2): 241-249.》和《張攀.船用往復(fù)式機(jī)械的振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)研究巧]，哈爾濱 工程大學(xué)碩±論文，2013.》，研究了時(shí)域窄帶算法，通過(guò)窄帶帶通濾波器提取時(shí)域參考信號(hào) 和時(shí)域誤差信號(hào)中的線譜，次級(jí)通道時(shí)域卷積濾波降低到十多階，各控制器獨(dú)立并行控制 多根線譜，與寬帶算法相比，計(jì)算量有所降低，對(duì)多線譜的控制效果和收斂速度有所提高， 但并未解決次級(jí)通道矩陣特征值分散度大而難W兼顧收斂穩(wěn)定性和速度的問(wèn)題；并且窄帶 帶通濾波器的相頻特性非常睹峭，因此在頻率波動(dòng)工況，該算法控制器最優(yōu)解波動(dòng)劇烈，魯 椿性較差。
[0006]還有一種對(duì)頻率失配具有魯椿性的窄帶算法，在參考信號(hào)發(fā)生環(huán)節(jié)設(shè)置頻率因 子，采用類(lèi)LMS算法對(duì)該因子進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使參考信號(hào)頻率逐漸接近實(shí)際頻率，但該頻 率因子的自適應(yīng)調(diào)整需要使用整個(gè)多通道控制系統(tǒng)的誤差信號(hào)、次級(jí)通道模型和控制器系 數(shù)，運(yùn)算量大并且與控制算法具有強(qiáng)烈禪合性；仿真結(jié)果表明若實(shí)際頻率為靜態(tài)，調(diào)整參考 信號(hào)頻率接近該頻率亦需迭代數(shù)千次，未給出對(duì)于頻率波動(dòng)的跟蹤效果。
[0007]專(zhuān)利CN102629469A公開(kāi)了一種時(shí)頻域混合自適應(yīng)有源噪聲控制算法，該算法根 據(jù)噪聲傳播的時(shí)延特點(diǎn)，將整個(gè)控制濾波器劃分成兩塊，一塊在時(shí)域上完成濾波W保證控 制信號(hào)的生成環(huán)節(jié)無(wú)時(shí)延，另一塊采用頻域?yàn)V波，而兩塊濾波器更新都在頻域上完成。但該 專(zhuān)利的時(shí)域控制器未設(shè)及如何從時(shí)域參考信號(hào)和誤差信號(hào)中提取時(shí)域線譜，未設(shè)及頻率波 動(dòng)工況魯椿性。
[0008]從上可知，上述的窄帶控制算法主要針對(duì)幅值和頻率穩(wěn)定的工況，但在機(jī)械設(shè)備 線譜振幅和頻率波動(dòng)工況下，還需要研究收斂速度、實(shí)時(shí)性、魯椿性更好的算法，W確保該 工況下的多線譜振動(dòng)控制效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是針對(duì)機(jī)械多線譜振動(dòng)的主動(dòng)隔離，旨在提供一種在次級(jí)通道矩陣 特征值分散度大的情況下，仍可兼顧穩(wěn)定性和收斂速度，并能在機(jī)械振動(dòng)幅值、頻率波動(dòng)工 況下，具有良好魯椿性和控制效果的機(jī)械主動(dòng)隔振的多通道窄帶控制算法。
[0010] 本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)方式為，一種機(jī)械主動(dòng)隔振的多通道窄帶控制算法，具體步驟 如下：
[0011] 1)在振源附近用振動(dòng)傳感器拾取參考信號(hào)V°(n)，將全頻原始參考信號(hào)v°(n)輸入 轉(zhuǎn)移函數(shù)為
的希爾伯特變換器，獲得信號(hào)x^W;將v°(n)輸入M點(diǎn)延遲 器，獲得信號(hào)x° (n);由于希爾伯特變換具有全通特性和全頻段相移-JT/2特性，因此式中 4(?)為x° (n)在全頻段相移-31 /2后的信號(hào)，下標(biāo)Q表示相移-31 /2 ;
[0012] 2)按照提前劃分好的頻段，用各頻段的窄帶帶通濾波器r(z)對(duì)全頻參考信號(hào) x°(n)和全頻正交參考信號(hào)《(")進(jìn)行濾波，獲得處于各頻段的線譜信號(hào)um(n)和鳴'(")，將 um(n)和嗚(")輸入一個(gè)只含2階參數(shù)的相位差補(bǔ)償器，獲得各頻段的線譜參考信號(hào)xm(n)和 線譜正交參考信號(hào)項(xiàng)(")，該相位差補(bǔ)償器的2階參數(shù)可隨頻率波動(dòng)在線自適應(yīng)調(diào)整，W確 保xm(n)和分別相對(duì)于提取前的信號(hào)x°(n)和嗦(》)幾乎無(wú)相位差；上標(biāo)m表示頻段編 號(hào)；
[0013] 3)設(shè)控制系統(tǒng)硬件具有L個(gè)作動(dòng)器和L個(gè)誤差傳感器，每個(gè)作動(dòng)器在控制算法中 對(duì)應(yīng)一路自適應(yīng)控制器，在各頻段，根據(jù)如下公式得到自適應(yīng)控制器輸出信號(hào)J;"(n)，1 =
[0014]
[00巧]式中<(")，i= 0, . . .，N-1是第m頻段的第1路自適應(yīng)控制器的時(shí)域系數(shù)，與自 適應(yīng)控制器轉(zhuǎn)移函數(shù)W/"(z)對(duì)應(yīng)；
[0016] 式中N為自適應(yīng)控制器的階數(shù)；
[0017] 4)將各頻段控制信號(hào)）';"(")，1 = 1，...，L疊加后得到控制信號(hào)）';(")，1 = 1,. . . ,L;控制f目號(hào)、,,。W, 1 二 1，. ..，L經(jīng)次級(jí)通道t_ 1 1 到達(dá)束k= 1,. . . ,L個(gè) 誤差振動(dòng)傳感器處，與第k= 1，. . .，L個(gè)誤差振動(dòng)傳感器處的期望信號(hào)<(")，k= 1，. ..，L共同作用后，得到誤差信號(hào)<(")，k= 1，...，L;
[0018]式中Ski(z)表示第1路控制信號(hào)經(jīng)由第1路作動(dòng)器至第k路誤差信號(hào)間的次級(jí)通 道轉(zhuǎn)移函數(shù)；
[001引 W用各頻段的窄帶帶通濾波器B-(z)對(duì)誤差信號(hào)卻!），k= 1，. . .，L進(jìn)行濾波，提 取出各頻段的線譜誤差信號(hào)《的，k= 1，. . .，L;
[0020] 6)在各頻段，用B-(z)對(duì)線譜參考信號(hào)xm(n)和線譜正交參考信號(hào)《(")再進(jìn)行一 次窄帶濾波，得到信號(hào)誠(chéng)(，，)和確<(")，然后在各頻段通過(guò)多通道2階濾波運(yùn)算進(jìn)行次級(jí)通道 逆模型濾波，得到各頻段的次級(jí)通道逆模型濾波后的參考信號(hào)請(qǐng)(")，;
[002U 7)在各頻段，根據(jù)如下公式對(duì)各路自適應(yīng)控制器的時(shí)域系數(shù)11,<^^， 行調(diào)整：
[0022]
[0023] 其中為收斂步長(zhǎng)，/^>〇,各頻段的可W獨(dú)立設(shè)置；
[0024] 重復(fù)步驟1)~7)，使各頻段的目標(biāo)函數(shù)
逐漸減小，從而實(shí)現(xiàn)多線譜 振動(dòng)主動(dòng)控制。
[00巧]本發(fā)明在Elliott等公開(kāi)的頻域Newton算法基礎(chǔ)上改進(jìn)：用窄帶帶通濾波器提取 時(shí)域參考信號(hào)中的線譜，并在窄帶帶通濾波器后串聯(lián)一個(gè)只含2階參數(shù)、參數(shù)可隨頻率波 動(dòng)在線自適應(yīng)調(diào)整的相位差補(bǔ)償器，使提取后的線譜參考信號(hào)與提取前的原始參考信號(hào)無(wú) 相位差，從而抑制線譜頻率波動(dòng)引起的控制器最優(yōu)解波動(dòng)，顯著提高控制算法對(duì)頻率波動(dòng) 的魯椿性；對(duì)時(shí)域線譜參考信號(hào)進(jìn)行次級(jí)通道逆模型濾波，WL個(gè)作動(dòng)器和L個(gè)傳感器為 例，通過(guò)LXL個(gè)2階濾波運(yùn)算，獲得次級(jí)通道逆模型濾波后的參考信號(hào)，用于進(jìn)行自適應(yīng)控 審IJ，在確保穩(wěn)定性的同時(shí)，可獲得比FxLMS算法更快的收斂速度（尤其在次級(jí)通道矩陣特征 值分散度大的情況下）；該算法收斂速度快，對(duì)頻率波動(dòng)魯椿性好，可在機(jī)械振動(dòng)幅值、頻 率波動(dòng)工況下取得良好控制效果。
[0026] 本發(fā)明的有益效果是：
[0027] 1、對(duì)時(shí)域線譜參考信號(hào)進(jìn)行次級(jí)通道逆模型濾波，將次級(jí)通道逆模型濾波后的參 考信號(hào)用于自適應(yīng)控制，在確保穩(wěn)定性的同時(shí)、可獲得比FxLMS算法更快的收斂速度，對(duì)幅 值和頻率波動(dòng)的振動(dòng)具有更好的控制效果；
[0028] 2、上述次級(jí)通道逆模型濾波只需處理時(shí)域信號(hào)，無(wú)需進(jìn)行時(shí)頻變換，并且對(duì)時(shí)域 信號(hào)進(jìn)行逐點(diǎn)處理，實(shí)時(shí)性非常好；
[0029] 3、上述各頻段的次級(jí)通道逆模型濾波，只需LXL個(gè)2階濾波即可實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算量很 ??；
[0030] 4、上述次級(jí)通道逆模型為L(zhǎng)XL階復(fù)數(shù)矩陣，采用離線方法辨識(shí)和求逆，不占用 在線運(yùn)算量；另頻段劃分和模型辨識(shí)完畢后，能快速檢驗(yàn)控制算法是否滿足收斂的必要條 件；
[0031] 5、在窄帶帶通濾波器后串聯(lián)一個(gè)只含2階參數(shù)、參數(shù)可隨頻率波動(dòng)在線自適應(yīng)調(diào) 整的相位差補(bǔ)償器，使提取后的線譜參考信號(hào)與提取前的原始參考信號(hào)無(wú)相位差，從而抑 制線譜頻率波動(dòng)時(shí)的控制器最優(yōu)解波動(dòng)，能顯著提高控制算法對(duì)頻率波動(dòng)的魯椿性；
[0032] 6、上述各頻段的相位差補(bǔ)償器只含2階參數(shù)，運(yùn)算量?。辉撓辔徊钛a(bǔ)償器只需處 理時(shí)域信號(hào)，無(wú)需進(jìn)行時(shí)頻變換，實(shí)時(shí)性非常好；
[0033] 7、該相位差補(bǔ)償器的參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整環(huán)節(jié)，無(wú)須調(diào)用控制系統(tǒng)的次級(jí)通道特性和 控制器系數(shù)，不受隔振裝置物理特性影響、禪合性弱，因此收斂速度快，可隨著頻率波動(dòng)快 速調(diào)整相位差補(bǔ)償器的頻響；
[0034] 8、該相位差補(bǔ)償器僅補(bǔ)償窄帶帶通濾波器在目標(biāo)線譜頻率處的頻響，不會(huì)影響阻 帶衰減效果；
[0035] 9、該相位差補(bǔ)償器不會(huì)向控制系統(tǒng)輸入額外信號(hào)，因此不會(huì)引入額外噪聲；
[0036] 10、每個(gè)頻段只需一個(gè)相位差補(bǔ)償器，用于補(bǔ)償提取參考信號(hào)時(shí)的相位差；而不需 要對(duì)多通道誤差信號(hào)進(jìn)行相位差補(bǔ)償，因此在多通道系統(tǒng)中所占用的運(yùn)算量很?。?br>[0037] 本發(fā)明即使在次級(jí)通道頻響矩陣特征值分散度大的情況下，在確保穩(wěn)定性的同 時(shí)，依然能取得較快收斂速度；可抑制線譜頻率波動(dòng)時(shí)的控制器最優(yōu)解波動(dòng)，顯著提高控制 算法對(duì)頻率波動(dòng)的魯椿性，可在機(jī)械振動(dòng)幅值、頻率波動(dòng)工況下取得良好控制效果。
【附圖說(shuō)明】
[0038] 圖1為本發(fā)明算法的原理框圖，
[0039] 圖2a為本發(fā)明算法中，相位差補(bǔ)償器的原理框圖，
[0040] 圖化為本發(fā)明算法中，次級(jí)通道逆模型濾波器的原理框圖，
[0041] 圖3為本發(fā)明算法的頻域等效原理圖，
[0042] 圖4為本發(fā)明具體實(shí)施時(shí)應(yīng)用環(huán)境的一種配置圖，
[0043] 圖5a為本發(fā)明算法在各頻段的G左特征值實(shí)部Re[準(zhǔn),]，(/ = 1，6)實(shí)測(cè)計(jì)算結(jié)果圖，
[0044] 圖化為用于對(duì)比的FxLMS算法在各頻段的Gg特征值實(shí)部Re[準(zhǔn),]，(/ = 1，'''句實(shí)測(cè)計(jì) 算結(jié)果圖，
[004引圖6a、b分別為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速120化/min,本發(fā)明算法控制109. 5化、139化線譜振動(dòng) 的誤差信號(hào)功率收斂曲線，
[004引圖7a、b分別為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速110化/min、120化/min時(shí)，本發(fā)明算法收斂前后的誤差 信號(hào)功率譜密度圖，
[0047] 圖8a