CN102355233A - 一种合成参考信号的变压器噪声有源控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种改进的变压器噪声有源控制算法。本发明显著优点在于不需要拾取初级噪声，算法内部数字合成固定频率的正余弦信号作为参考信号，其频率值为噪声的额定频率。为实现有效降噪，控制更新间隔取1个噪声周期对应的采样点数；控制步长取值为保证系统稳定的最大控制步长的1/2。

Description

一种合成参考信号的变压器噪声有源控制算法

一、技术领域

本发明涉及有源噪声控制系统的噪声控制算法。基于变压器噪声的谐波特性提出了一种改进的有源控制算法。

二、背景技术

变压器噪声主要是由于磁致伸缩引起外壳振动产生的，其频谱以孤立的线状谱为主，在供电频率为50Hz的情况下，主要以100Hz，200Hz，300Hz为主，呈现较好的谐波特性。电力系统正常运行频率允许偏差值为±0.5％，变压器噪声的主要频谱的频率值变化范围不超过±0.5％。

中国专利CN101427306A和CN101647058A通过频率检测单元、基准频率生成单元和参考信号生成单元产生有源控制算法所需的参考信号。CN101976560A用非声学传感器获得与初级噪声存在线性关系的同步信号，通过二阶自回归模型进行参考信号与初级噪声的频率偏差补偿，可以实现频差5％以内能够有效抑制目标噪声。美国专利US7551965B2通过检测到的噪声频谱自动调整陷波器的频率来去除窄带噪声。以上专利中均需要检测初级噪声产生参考信号。

CN201110044448.X提出一种变压器噪声有源控制算法，具有建模简单，计算量小的优点，需要获取初级噪声的基频频率产生参考信号。本发明的算法是在CN201110044448.X提出的变压器噪声有源控制算法上的一种改进算法，具有不需要检测初级噪声频率的优点。

三、发明内容

1、发明目的：提出一种改进的变压器噪声有源控制算法。该方法内部合成参考信号，不需要检测初级噪声频率。

2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明所提出的算法在算法内部直接数字合成固定频率的正余弦信号作为参考信号，其频率值对应谐波噪声的额定频率。

附图1是该算法单频单通道系统原理框图。设原始需要降噪的信号为

d(n)＝A_d cos(ω_dn+φ_d)                  (1)

其中φ_d为随机相位。参考信号

x₀(n)＝Acos(ω₀n)，x₁(n)＝Asin(ω₀n)    (2)

在算法内部直接数字合成，其角频率ω₀为原始噪声的额定角频率，与原始噪声角频率ω_d的偏差在±0.5％以内。S(z)为次级路径，表示次级路径估计。该算法的控制滤波器{w₀(n)，w₁(n)}和控制输出信号y(n)可表述为：

$w_i(\frac{n}{N}+1)=w_i\left(\frac{n}{N}\right)+\mathrm{\μ}\frac{2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^{\′}(n+i)e(n+i),i=\mathrm{0,1}---\left(3\right)$

$y\left(n\right)=w_0\left(\frac{n}{N}\right)x_0\left(n\right)+w_1\left(\frac{n}{N}\right)x_1\left(n\right)---\left(4\right)$

其中x′_i表示经过了次级路径的x_i，称为滤波x信号，μ为控制步长。该算法每N个采样点数更新式(3)一次，计算量较小。由于该算法的参考信号频率为初级噪声的额定频率，与初级噪声的实际频率值可能存在一定的偏差，为了实现有效降噪，控制步长μ的取值应尽可能大，控制更新间隔N的取值应尽可能小。

3、有益效果：本发明显著优点在于：不需要拾取初级噪声，算法内部合成频率为噪声额定频率的正余弦信号作为参考信号。

四、附图说明

图1是单频单通道系统原理框图。

图2是单通道100Hz噪声误差传声器处有源控制结果(变压器现场)。

五、具体实施方式

本发明所提出的算法特征为：参考信号在算法内部数字合成实现，不需要拾取初级噪声的频率。下面以单通道控制额定频率值为100Hz噪声为例，详细介绍其实现过程。

1、产生参考信号

采样频率为f_s，在数字信号处理板的模数转换中断响应函数中产生频率为谐波噪声的额定频率f₀＝100Hz的参考信号x₀(n)，x₁(n)

x₀(n)＝cos(2πf₀n/f_s)，x₁(n)＝sin(2πf₀n/f_s)   (5)

2、离线扰动建模

该算法次级路径传递函数为一个矩阵 $\left[\begin{array}{cc}{C}_{\mathrm{ss}}& C_{\mathrm{sc}}\\ C_{\mathrm{cs}}& C_{\mathrm{cc}}\end{array}\right],$ 通过加一定大小的扰动到控制输出来获得次级路径传递函数。定义C_ss为次级路径传递函数中误差信号的正弦分量与控制信号正弦输出的比值，C_sc为次级路径传递函数中误差信号的余弦分量与控制信号正弦输出的比值，C_cs为次级路径传递函数中误差信号的正弦分量与控制信号余弦输出的比值，C_cc为次级路径传递函数中误差信号的余弦分量与控制信号余弦输出的比值。

定义e(n)表示误差传声器的信号，A_es(n)和A_ec(n)分别为误差信号的正弦分量和余弦分量，M个采样点的平均误差信号分量可以表示为：

$A_{\mathrm{es}}\left(\frac{n}{M}\right)=\frac{2}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1(n-M+i)e(n-M+i)$ (6)

$A_{\mathrm{ec}}\left(\frac{n}{M}\right)=\frac{2}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_0(n-M+i)e(n-M+i)$

在第一个M个采样点内，控制输出信号为0，根据式(6)计算误差信号的正弦分量A_es1和余弦分量A_ec1。

在第二个M个采样点内，控制输出信号为

y(n)＝A_ccx₀(n)(7)

其中A_cc为控制输出余弦分量的幅度。根据式(6)计算误差信号的正弦分量A_es2和余弦分量A_ec2。在第2M个采样点时刻，计算

C_cs＝(A_es2-A_es1)/A_cc，C_cc＝(A_ec2-A_ec1)/A_cc           (8)

在第三个M个采样点内，控制输出信号为

y(n)＝A_csx₁(n)                                       (9)

其中A_cs为控制输出正弦分量的幅度。根据式(6)计算误差信号的正弦分量A_es3和余弦分量A_ec3。在第3M个采样点时刻，计算

C_ss＝(A_es3-A_es1)/A_cs，C_sc＝(A_ec3-A_ec1)/A_cs           (10)

M可以设定为100个噪声周期对应的采样点数，在误差传声器距离控制源较远的情况下，可以适当增大。

3、跟踪控制

将平均误差信号分量和次级路径建模结果代入到式(3)有

$w_0(\frac{n}{N}+1)=w_0\left(\frac{n}{N}\right)+\mathrm{\μ}[A_{\mathrm{es}}\left(\frac{n}{N}\right)C_{\mathrm{cs}}+A_{\mathrm{es}}\left(\frac{n}{N}\right)C_{\mathrm{cc}}]$ (11)

$w_1(\frac{n}{N}+1)=w_1\left(\frac{n}{N}\right)+\mathrm{\μ}[A_{\mathrm{es}}\left(\frac{n}{N}\right)C_{\mathrm{ss}}+A_{\mathrm{es}}\left(\frac{n}{N}\right)C_{\mathrm{sc}}]$

每N个采样点数更新式(11)一次。为了有效降噪，N取值为1个噪声周期对应的采样点数。控制步长μ取值为保证系统稳定的最大控制步长的1/2。

为了保证控制的连续性，式(4)控制输出每个采样点更新一次。

实施例1：在某一数字信号处理板上实现本发明所提出的算法，采样频率设定为3000Hz，初级单频噪声频率设定为100.5Hz，算法合成的参考信号频率设定为100Hz，控制更新间隔N为30，应用该算法单通道有源控制。分别测试误差传声器与控制源的距离为20cm，57cm，113cm时误差传声器处的降噪量，结果见表1。

表1单通道实验测试结果

实施例2：在某变压器现场，采样频率设定为3000Hz，算法合成的参考信号频率设定为100Hz，控制更新间隔N为30，应用该算法单通道有源控制。误差传声器距离控制源的距离约为20cm，测试误差传声器处有源控制结果见附图2，在100Hz处约有23dB的降噪量，有源控制后100Hz频率处噪声接近本底噪声。

Claims (4)

1.一种改进的变压器噪声的有源控制算法，其特征为：

(1)不需要拾取初级噪声，算法内部数字合成固定频率的正余弦信号作为参考信号；

(2)控制更新间隔存在最优值；

(3)控制步长存在最优值。

2.如权利要求1所述的合成参考信号的特征为：

x₀(n)＝cos(2πfn/f_s)，x₁(n)＝sin(2πfn/f_s)

其中，f_s为采样频率，f为谐波噪声额定频率。

3.如权利要求1所述的控制更新间隔最优值的特征为：控制更新间隔的最优取值为1个噪声周期对应的采样点数。

4.如权利要求1所述的控制步长最优值的特征为：控制步长的最优取值为保证系统稳定的最大控制步长的1/2。

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