一种频谱塑形主动控制方法及主动控制系统技术方案

公开了一种频谱塑形主动控制方法及其主动控制系统，频谱塑形主动控制方法包括振源经由初级通道发出初级信号和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，目标信号发生器基于目标频率产生目标信号，并将其与残余振动信号的估计在第三信号加法器处求差，获得伪误差信号；将滤波的正交谐波信号向量和伪误差信号输入自适应机构以调整更新控制器的系数，本方法及系统可以分别独立控制残余振动不同频率分量的幅值和相位，可以注入初级噪声不含的频率成分，并控制它的幅值和相位，谐波发生器包含的幅值补偿可以提升系统的收敛性。

【技术实现步骤摘要】
一种频谱塑形主动控制方法及主动控制系统
本专利技术属于振动与噪声控制领域，特别是涉及一种频谱塑形主动控制方法及其主动控制系统。
技术介绍
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。主动控制的振源通常来自于旋转动力机械，如内燃机、气轮机、电动机，及其桨叶、机泵、管路等，使得噪声呈现出线谱特征。例如船舶传动系统由于螺旋桨和内燃机激振力的耦合效应，呈宽带频谱加线谱的特征，其中线谱和转频有关，主要集中在低频段；再例如直升机最主要的振源来自旋翼和尾桨系统，形成独特的以周期振动为主，并叠加有较低宽带随机振动的振动环境。对于水下舰艇，由于低频线谱是区别于海洋背景噪声的特征频谱，所以是影响其隐身性能的罪魁祸首。在生活、生产和交通中的线谱噪声也是引起司乘人员不适的重要因素。因此，开展线谱噪声的主动控制具有非常重要的意义。频谱塑形主动控制是主动控制的新兴分支，它是指通过主动控制的方法有目的地改变强干扰环境下的结构响应频谱，使得控制后的结构响应频谱和目标频谱一致，其中对线谱的塑形是频谱塑形主动控制的重要内容。例如，在车内声品质控制中，噪声主要是由发动机激发形成的线谱噪声，心里声学要求这些线谱噪声满足特定的需求，以获得豪华、舒适、动感等不同的体验。此外，声品质控制也要求车内保留特定噪声频率作为司机听觉反馈，以保证行车安全；在军事领域，可以利用频谱塑形控制技术改变水下舰艇辐射的线谱噪声特性，以获得迷惑敌方的反侦察的能力。专利文献CN101473370A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。目前的频谱塑形主动控制算法有两个缺点：其一是它只考虑残余振动信号的幅值塑形，而并不考虑相位控制。其二是它只控制初级噪声包含的频率成分，而并没有频率注入的能力。但实际工程应用对相位控制和频率注入都是有需求的。例如在心理声学或主动声品质控制中，除了响度(幅值)外，听觉粗超度也是一个非常重要的听觉指标。有研究显示，改变谐波之间的相对相位可以导致不同的听觉感受，即便是保持他们的幅值不变。关于频率注入的例子是电动汽车行业，由于这些车辆缺乏发动机的声音，使得其他子系统(如泵、压缩机、风扇等)的声音特别显著，同时由于缺乏加速的听觉反馈，给人的驾驶体验并不好。厂商们采用的一个策略就是在降低其他子系统的噪声的同时，给汽车注入引擎加速的声音。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，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。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种频谱塑形主动控制方法及其自适应主动控制系统。本专利技术的残余振动幅值相位频率可控的频谱塑形主动控制系统，针对传统频谱塑形主动控制方法和系统缺乏相位塑形和频率注入能力的问题，以噪声源附近参考信号的频率以及自定义的注射频率为先验知识，以控制目标点的残余振动信号与目标信号构成的伪误差信号为控制目标，通过自适应机构调整对应频率下作动器振动的幅值和相位，实现原始噪声的频谱塑形主动控制，实现了频谱塑形主动控制的相位可调性和频率可注入性。通过简支薄板结构的主动控制系统验证了上述系统的有效性。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现：本专利技术的一方面，一种频谱塑形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初级噪声频率。第二步骤中，连接所述信号频率解析器的谐波发生器基于由所述初级噪声频率和预定的注射频率组成的目标频率产生正交谐波信号。第三步骤中，连接所述谐波发生器的执行控制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，执行控制器经由次级通道模型的输出信号和来自误差传感器采集的残余振动信号在第一信号加法器处求和，获得初级噪声信号的估计。第六步骤中，谐波发生器产生的正交谐波信号通过参考滤波器获得滤波后的正交谐波信号向量经过更新控制器处理后与初级噪声的估计在第二信号加法器处求差以获得残余振动信号的估计。第七步骤中，目标信号发生器基于所述目标频率产生目标信号，并将其与所述残余振动信号的估计在第三信号加法器处求差，获得伪误差信号。第八步骤中，将滤波的正交谐波信号向量和伪误差信号输入自适应机构以调整更新控制器的系数。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)，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，频率解析器获取的所述初级噪声频率为Ωp，预定的注射频率为Ωinj，目标频率Ωt＝{ΩpΩinj}，(i＝1，2，...，Qt)，式中：Qt为目标频率数目，它是初级噪声频率和注射频率数目之和，谐波发生器基于目标频率产生的正交谐波信号向量为：Xa(n)＝cos(Ωtn)，Xb(n)＝sin(Ωtn)。优选地，基于次级通道引入的幅值比和相位差为：Ps＝{psi}T＝{|S(jωi)|}T，Φs＝{φsi}T＝{∠S(jωi)}T，(i＝1，2，...，Qt)，幅值修正后的正交谐波信号向量表示为：Xa，rec(n)＝diag[Ps]Xa(n)，Xb，rec(n)＝diag[Ps]Xb(n)，式中：diag[.]表示以括号中的向量构成对角矩阵。优选地，残余振动信号为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，*表示线件卷积运算；幅值修正后的正交的谐波信号向量通过执行控制器输出为：式中：Wa(n)和Wb(n)是执行控制器的系数，T表示转置。优选地，第五步骤中，执行控制器经由次级通道模型输出信号和来自误差传感器采集的残余振动信号在第一信号加法器处求和得到的初级噪声信号的估计为：式中：表示次级通道模型的脉冲响应函数。优选地，第六步骤中，谐波发生器产生的正交谐波信号通过参考滤波器获得滤波的正交谐波信号向量经过更新控制器处理后与初级噪声的估计在第二信号加法器处求差获得的残余振动信号的估计为，式中：为更新控制器的输出，Wa(n)和Wb(n)为更新控制器的系数，其和执行控制器系数相同。优选地，第七步骤中，目标信号发生器基于所述目标频率产生目标信号为t(n)＝PtTcos(Ωtn+Φt)，式中：Pt目标幅值向量，Φt为目标相位向量，并将其与所述残余振动信号的估计在第三信号加法器处求差获得的伪误差信号为优选地，第八步骤中，系数调整为：式中：μl为迭代步长。根据本专利技术的另一方面，一种实施所述的频谱塑形主动控制方法的主动控制系统包括物理部分、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种频谱塑形主动控制方法，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初级噪声频率；第二步骤(S2)中，连接所述信号频率解析器的谐波发生器基于由所述初级噪声频率和预定的注射频率组成的目标频率产生正交谐波信号；第三步骤(S3)中，连接所述谐波发生器的执行控制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，执行控制器经由次级通道模型的输出信号和来自误差传感器采集的残余振动信号在第一信号加法器处求和，获得初级噪声信号的估计；第六步骤(S6)中，谐波发生器产生的正交谐波信号通过参考滤波器获得滤波后的正交谐波信号向量经过更新控制器处理后与初级噪声的估计在第二信号加法器处求差以获得残余振动信号的估计；第七步骤(S7)中，目标信号发生器基于所述目标频率产生目标信号，并将其与所述残余振动信号的估计在第三信号加法器处求差，获得伪误差信号；第八步骤(S8)中，将滤波的正交谐波信号向量和伪误差信号输入自适应机构以调整更新控制器的系数。...

【技术特征摘要】
1.一种频谱塑形主动控制方法，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初级噪声频率；第二步骤(S2)中，连接所述信号频率解析器的谐波发生器基于由所述初级噪声频率和预定的注射频率组成的目标频率产生正交谐波信号；第三步骤(S3)中，连接所述谐波发生器的执行控制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，执行控制器经由次级通道模型的输出信号和来自误差传感器采集的残余振动信号在第一信号加法器处求和，获得初级噪声信号的估计；第六步骤(S6)中，谐波发生器产生的正交谐波信号通过参考滤波器获得滤波后的正交谐波信号向量经过更新控制器处理后与初级噪声的估计在第二信号加法器处求差以获得残余振动信号的估计；第七步骤(S7)中，目标信号发生器基于所述目标频率产生目标信号，并将其与所述残余振动信号的估计在第三信号加法器处求差，获得伪误差信号；第八步骤(S8)中，将滤波的正交谐波信号向量和伪误差信号输入自适应机构以调整更新控制器的系数。2.根据权利要求1所述的一种频谱塑形主动控制方法，其特征在于，优选的，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。3.根据权利要求2所述的一种频谱塑形主动控制方法，其特征在于：第二步骤(S2)中，频率解析器获取的所述初级噪声频率为Ωp，预定的注射频率为Ωinj，目标频率Ωt＝{ΩpΩinj}，(i＝1，2，...，Qt)，(F3)，式中：Qt为目标频率数目，它是初级噪声频率和注射频率数目之和，谐波发生器基于目标频率产生的正交谐波信号向量为：Xa(n)＝cos(Ωtn)，Xb(n)＝sin(Ωtn)，(F4)。4.根据权利要求3所述的一种频谱塑形主动控制方法，其特征在于：基于次级通道引入的幅值比和相位差为：Ps＝{psi}T＝{|S(jωi)|}T，Φs＝{φsi}T＝{∠S(jωi)}T，(i＝1，2，...，Qt)，(F5)幅值修正后的正交谐波信号向量表示为：Xa，rec(n)＝diag[Ps]Xa(n)，Xb，rec(n)＝diag[Ps]Xb(n)，(F6)式中：diag[.]表示以括号中的向量构成对角矩阵。5.根据权利要求4所述的一种频谱塑形主动控制方法，其特征在于：残余振动信号为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；幅值修正后的正交的谐波信号向量通过执行控制器输出为：式中：Wa(n)和Wb(n)是执行控制器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金鑫，张兴武，陈雪峰，杨亮东，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61