自適應振動噪聲主動控制若干關鍵問題研究.pdf

1、機械系統(tǒng)在其平衡位置附近的往復運動稱為振動，它是自然界和工程界的常見現(xiàn)象，振動是基礎物理和經典力學研究的重要組成部分。機械結構在空氣中的振動以聲音的形式傳遞給人們，在人與機械的交互上，噪聲問題也通常被歸為振動問題?？梢娫肼暿且环N特殊的振動形式，振動與噪聲問題的相關研究往往具有類比性和統(tǒng)一性。
　　振動噪聲現(xiàn)象在我們的生存環(huán)境中非常普遍。工業(yè)生產制造、建筑施工過程以及各種交通工具、家用電器工作時都存在各種振動噪聲現(xiàn)象。其中500赫茲

2、以下的低頻振動噪聲波長較長，采用傳統(tǒng)被動控制方法對低頻振動噪聲的控制效果差，不易于實現(xiàn)。為了解決這類難題，振動噪聲主動控制隨著計算機、控制器、作動器以及傳感器等方面的發(fā)展完善，逐漸開始被廣泛的研究和應用。振動噪聲主動控制技術也稱有源控制，主要原理是通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對聲場和結構響應進行實時采集，通過一定的控制律產生于初級振動噪聲相干涉的次級振源或次級聲源，從而達到減震降噪的目的。
　　對于受控系統(tǒng)結構與參數(shù)存在嚴重不確定性的情況，采

3、用自適應振動噪聲控制可以避免結構參數(shù)的計算，提高控制效率。經典自適應控制模型是以FXLMS(Filtered-X Least Mean Square)算法為基礎算法的前饋控制系統(tǒng)模型，然而該算法在應用過程中受次級通道建模影響，輸出時滯以及通道耦合等系列關鍵問題的限制，實際應用還不成熟。因此本文以此為背景，研究了次級通道辨識誤差對FXLMS算法控制效果的影響以及精確高效在線建模算法，提出了輸出時滯的在線估計和補償方法，將研究成果應用到多通

4、道的主動控制系統(tǒng)中，并就集中式多通道控制系統(tǒng)耦合的問題，提出了解耦方案。全文共分為七章，主要內容可以歸納為：
　　1、介紹自適應振動噪聲主動控制的相關理論基礎。首先對振動噪聲主動控制的物理機制進行了探討，分別以有限梁模型和自由聲場模型，從運動方程開始推導出對振動噪聲進行主動控制的物理機制。其次比較了自適應前饋算法的優(yōu)勢，給出FXLMS算法的推導過程，并分析了該算法的穩(wěn)定性和收斂性，為后續(xù)的關鍵問題研究做出理論鋪墊。
　　2、

5、分析了次級通道對主動控制算法的影響，研究了次級通路建模誤差對主動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，收斂性和控制效果三方面的影響；并從主動控制算法的收斂性和穩(wěn)定性以及在線建模環(huán)節(jié)對殘余振動噪聲影響等三個方面對次級通路在線辨識算法進行改進，給出了次級通路在線建模的三種算法，在盡量減少自適應濾波器數(shù)目，降低算法復雜度的原則下，消除主動控制環(huán)節(jié)和次級通道辨識環(huán)節(jié)相互影響，加快系統(tǒng)的收斂速度和在線辨識精度。
　　3、分析了輸入時滯的產生原因以及對主動控制系統(tǒng)

6、的影響。從輸出時滯的估計和補償兩個方面進行研究。首先給出了輸出時滯環(huán)節(jié)離線和在線估計方法；其次，為了消除輸出時滯環(huán)節(jié)的影響，提出了輸出時滯的濾波補償算法，最后為了進一步改善時滯補償環(huán)節(jié)的收斂性能，將輸出時滯環(huán)節(jié)看作低通濾波器，設計了自適應相頻補償器，將變化時滯轉變?yōu)楣潭〞r滯，并結合基于LMS(Least Mean Square)算法進行時滯預測，給出了輸出時滯在線預測補償算法，實現(xiàn)了對輸出時滯進行在線預測補償，以消除輸入時滯對控制系統(tǒng)的

7、影響。
　　4、針對LMS算法對寬帶振動噪聲控制收斂速度慢的特點，采用對寬帶振動噪聲抵消具有快速收斂能力的RLS(recursive least Square)算法，并結合無限脈沖響應濾波器IIR（Infinite Impulse Response）傳遞函數(shù)是一個即有零點又包含極點的結構的特點，將RLS應用到了自適應FU-濾波算法結構中去，在一定程度上解決振動噪聲次級反饋可能帶來的控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定問題，提高了算法的收斂性。將單通道

8、次級通道在線建模算法擴展應用到多通道自適應主動控制系統(tǒng)當中，推導多通道次級通道在線建模的算法，對于每個次級通道的在線建模實現(xiàn)獨立快速的收斂步長調整策略，解決了多通道次級通道在線建模問題。
　　5、由于集中式多通道主動控制算法存在多通道耦合使得控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得脆弱的缺陷，單個作動器或誤差傳感器的失效將導致整個系統(tǒng)的失效，并且隨著通道數(shù)的增加，多通道的耦合算法將不可避免的使控制系統(tǒng)的計算量大量增加，加大了控制算法實現(xiàn)的難度。為了解

9、決這個問題，給出分散式多通道自適應主動控制算法，并分析了算法的穩(wěn)定性和收斂性；并提出一種矩陣解耦的方法，通過插入解耦補償器，可以有效的將集中式多通道主動控制進行完全解耦。
　　6、振動和噪聲自適應主動控制試驗研究
　　為了驗證本課題研究的振動噪聲主動控制系統(tǒng)，搭建基于美國國家儀器公司的可重新配置嵌入式控制盒采集系統(tǒng)（NI CompactRIO）振動噪聲主動控制試驗平臺。進行了基于次級通道在線建模主動控制試驗、輸出時滯濾波補償