CN103208281B - 一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法，包括频谱分析，AD采样并通过D/A输出次级声源，次级声源的相位、幅值的步长及方向的调整。当监测点噪声变化大时，系统处于大步长调整控制状态，实现快速降噪的目的；当监测点噪声变化较小时，系统处于小步长调整控制状态，减少系统振荡，使系统性能更加稳定，最终达到尽可能降低监测点噪声的目的。

Description

一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法

技术领域

本发明涉及变压器噪声有源控制领域，尤其是涉及一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法。

背景技术

目前，降噪技术包括无源降噪技术及有源降噪技术。无源降噪技术能有效地控制中高频噪声，但要对低频噪声的控制取得较好的效果，就要增加吸声材料的厚度或者隔件的重量，而这样会增大实际装置的体积，从而导致电力变压器散热困难的问题，因此，仅使用无源降噪技术来控制电力变压器的低频噪声是不可取的。于是，有源降噪的思想就应运而生，并且不断引起了研究者的关注。

德国物理学家Paul Lueg在1936年发明“电子消声器”时，第一次将有源噪声控制的基本想法提出来。之后，诸多发达国家相继在噪声主动控制的研究和实践方面投入了大量的物力及人力。噪声主动控制也被称为有源消声及有源噪声控制，属于在噪声传播路径上进行降噪的方法。

有源降噪技术与传统的无源降噪技术相比，主要优点为适合控制中低频噪声、控制系统实时性强、重量轻、体积小等，能依据被控噪声的特性，针对性地设计和修正控制系统特性，噪声控制的目标更明确，该系统的工程应用价值较高。随着数字信号处理器技术的快速发展，芯片性价比的提高，促使基于DSP（数字信号处理器）的数字滤波技术广泛使用到各种降噪技术中。目前，降噪技术的发展方向是数字式噪声控制系统的研发，该系统的核心是数字信号处理器及其相关算法。

变压器噪声属于一种声波，可以通过有源噪声控制法来处理，也就是通过控制系统产生与噪声波相位相差180°、振幅相同的“反噪声”来抵消。有源噪声控制法实施简单，对变压器及其运行环境没有额外的要求，和隔音壁等无源降噪方法比较，降噪成本更低。所以，国外有人认为目前变压器降噪更好的方法是有源降噪法。随着电力电子技术的进步和逐渐成熟，有源噪声控制法有望得到推广与应用。

控制算法是控制系统的核心，所以控制算法的研究也倍受有源噪声控制研究者的关注。自适应算法种类繁多，在工程应用中，能否对自适应算法恰当选择，直接决定了自适应控制系统的可行性和系统性能。目前，最小均方（Least Mean Square，LMS）算法及其改进算法是常用的自适应控制算法。LMS算法是1960年Hoff和Widrow提出的，该算法是应用最广泛的自适应控制算法之一，属于线性自适应算法。算法中没有积分、平均和平方运算，主要具有简单和高效的优点。但在时变系统中使用时，LMS算法将不稳定、收敛慢、甚至发散。

自适应控制策略是影响有源噪声控制系统性能的重要因素之一，而现有的自适应控制尚不完善，相应算法仍存在缺陷。开发新的控制算法成为一项很有潜力、赋有重要意义的工作。

发明内容

本发明针对现有技术缺陷，提出了一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法。

本发明的技术方案为一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法，包括以下步骤，

步骤1，采集初级声源，通过频谱分析，得到能量最大的角频率w；设ADC中断的定时器长度为w对应的噪声信号周期的1/m；同时，开始计时t；

步骤2，对当前声音周期进行采样，采样方式为，每个噪声信号周期执行m次ADC中断，对当前声音周期中每个ADC中断，执行如下操作，

采集误差声源；计算并通过D/A送出输出量V_out=K×sin(w×t+PHI)；累加误差，误差采样计数值增加1；

K和PHI分别为记录D/A输出的幅值和相位的变量；

步骤3，判断是否已完成N个声音周期的采样，否则返回步骤2对下一个声音周期进行采样，是则执行计算平均误差并记为err，累加误差清零，误差计数清零，然后进入步骤4；

步骤4，判断是否平均误差err比上一个N周期的平均误差last_err小，是则直接进入步骤5。否则设置调整方向adjust_direction为原来方向的反方向，调整反复次数updown_count加1，然后进入步骤5；

步骤5，调整D/A输出的幅值或相位，

调整D/A输出的幅值公式如下，

K=K+ratioK×0.01×adjust_direction

调整D/A输出的相位公式如下，

PHI=PHI+ratioPHI×adjust_direction

其中，ratioK和ratioPHI分别为幅值步长和相位步长；

步骤6，判断是否调整反复次数>5，否则返回步骤2，是则设定下一次调整对象，包括在本次执行调整的是相角时设定下次执行步骤5时调整幅值，在本次执行调整的是幅值时设定下次执行步骤5时调整相角；

步骤7，根据平均误差err，调整N值、幅值步长ratioK和相位步长ratioPHI；

err较大时，N取较小值，且ratioK和ratioPHI取较大值；

err较小时，N取较大值，且atioK和ratioPHI取较小值；

步骤8，重复采集初级声源，通过频谱分析，得到能量最大的角频率w；设ADC中断的定时器长度为w对应的噪声信号周期的1/m；返回至步骤2继续执行。

V_out=K×sin(wt+PHI)；err表示误差监测点处的误差信号。控制器进行A/D采样，将采样信号V_in进行频谱分析，提取能量分布最大的频率，根据该信号和误差信号err，调整D/A输出信号V_out的幅值和相位。

而且，执行步骤1前，设m=360，K的初始值取为w频率分量对应的幅值，PHI初始值取为0，N的初始值为1，adjust_direction初始值为1，updown_count初始值为0，ratioK初始值取2，ratioPHI的初始值取5。

而且，步骤7的实现方式如下，

当err<0.09V时，ratioK=0.2，ratioPHI=1，N=10；

当err<0.1V时，ratioK=0.2，ratioPHI=1，N=8；

当err<0.15V时，ratioK=1，ratioPHI=1，N=5；

当err<0.19V时，ratioK=1，ratioPHI=2，N=3；

当err<0.25V时，ratioK=1，ratioPHI=3，N=3；

当err<0.38V时，ratioK=2，ratioPHI=4，N=2；

在其它情况时，ratioK=2，ratioPHI=5，N=1。

该方法通过利用变步长调整的变压器噪声有源控制算法，判断监测点噪声变化大小，当监测点噪声变化大时，系统处于大步长调整控制状态，实现快速降噪的目的；当监测点噪声变化小时，系统处于小步长调整控制状态，减少系统振荡，使系统性能更加稳定，最终达到尽可能降低监测点噪声的目的。

附图说明

图1是110kV电力变压器某检测点噪声的频谱特性曲线图。

图2是本发明实施例的有源噪声控制原理图。

图3是本发明实施例的变步长调整的变压器噪声有源控制算法流程图。

图4是本发明实施例的控制系统框图。

图5是本发明实施例的降噪实验线路图。

图6是本发明实施例的自适应控制效果示意图。

具体实施方式

本发明提出的技术方案为：根据有源噪声控制的原理，将整个控制方法分为三部分，第一部分是频谱分析，第二部分是AD采样并通过D/A输出次级声源，第三部分是次级声源的相位、幅值的步长及方向的调整。当监测点噪声变化大时，系统处于大步长调整控制状态，实现快速降噪的目的；当监测点噪声变化较小时，系统处于小步长调整控制状态，减少系统振荡，使系统性能更加稳定，最终达到尽可能降低监测点噪声的目的。

本发明采集初级声源和误差声源，由控制器根据初级声源和误差声源生成控制信号，通过控制信号得到次级声源。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

初级声源：通过传声器采集电力变压器噪声，该噪声信号为初级声源，也叫初级声波。例如110kV电力变压器噪声，提取该噪声中100Hz的信号作为初级声源。在变压器噪声的检测平面上选择不同的测点，对检测点声压信号进行FFT（快速傅里叶变换）分析。不同检测点声压信号具有基本一致的频谱特性。其中，某一检测点的频谱特性曲线如附图1所示，横坐标为频率/Hz，纵坐标为幅度/dB。由附图1可知，具有离散线谱特性的低频噪声主要在500Hz以下。能量分布较大的离散频点在100Hz、200Hz、300Hz上。并且，100Hz点的能量分布最大，200Hz和300Hz点的能量分布次之。

次级声源：通过产生控制信号，驱动电声器件产生一个信号，该信号就是“次级声源”，也叫次级声波。

误差声源：在监测点安放传声器来检测经过有源控制后的监测点噪声，后面把该噪声称为“误差信号”。

有源噪声控制原理可以通过声波互相作用的原理来解释。通过电声器件产生一个与初级声源（初级声波）幅值相等、相位相反的次级声波，在一定区域里抵消原噪声，进而实现消噪的目的。这便是有源降噪的原理，相应的原理示意图如附图2所示。

为了形象而直观地阐述有源噪声控制的原理，下面的初、次级声波都为平面声波。设初级声波的声压是

p_p(x,t)=Acos(ωt-kx)        （1）

其中，ω表示初级声波的角频率，A表示初级声波的幅值，k表示波数（k=ω/c=2π/λ，λ为声波的波长，c为初级声波的声速），x表示声传播的距离，t表示传播时间。

初级声波的平均声势能密度是

$E_p=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{p_p}}^2}{\mathrm{\&rho;}{c}^2}=\frac{A^2}{2\mathrm{\&rho;}{c}^2}---\left(2\right)$

其中，ρ,c依次为初级声波的有效声压，初级声波的密度，初级声波的声速。

为了将初级声波抵消，在此引入一个次级声波，其声压为

p_s(x,t)=αAcos(ωt-kx+β)              （3）

其中，α，β依次为次级声波的幅值比与初相位。

将初级声波与次级声波进行叠加，所得声场的总平均声势能密度为

$E=\frac{{\left(\stackrel{\&OverBar;}{p_p+p_s}\right)}^2}{\mathrm{\&rho;}{c}^2}=\frac{A^2}{2\mathrm{\&rho;}{c}^2}(1+2\mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&beta;}+{\mathrm{\&alpha;}}^2\mathrm{co}{s}^2\mathrm{\&beta;})---\left(4\right)$

其中，为初级声波与次级声波叠加后的有效声压。

当α=1时，式（4)变成

$E=\frac{A^2}{2\mathrm{\&rho;}{c}^2}{\left(2\mathrm{co}{s}^2\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}\right)}^2---\left(5\right)$

如果β接近于π，即次级声信号与初级声信号相位相反，那么，E将趋于零，就初级声波来说，在监测点衰减很大，这便是有源降噪的基本原理。

根据有源降噪的基本原理，本实施例提出的技术方案分成三个部分：第一部分是频谱分析，第二部分是AD采样并通过D/A输出次级声源，第三部分是次级声源的相位、幅值的步长及方向的调整。

第一部分是频谱分析。

通过频谱分析获得初级声源中能量最大的频率成份对应的周期，根据该噪声信号周期设置A/D采样周期。因为每周期采样次数取值过小，输出的声音不平滑；取值过大，A/D采样速度不够。建议调整A/D采样周期为该噪声信号周期的1/360，即每周期采样m=360次。调整步长周期为一个噪声周期。

第二部分是A/D采样及D/A输出。

该部分完成两项功能，第一项功能是在每个原始的噪声信号周期内，采集360个点(每个A/D周期得到一个点)，存储在指定的数组中，对这些点进行移相和幅值调整得到需要输出的次级声源，并向D/A口输出。另一项功能是采集监测点的噪声信号，并存储在指定的数组中，供计算累加误差使用。

第三部分是次级声源的相位、幅值的步长调整。

实施例设计的调整方式为，每隔N个原始噪声（即初级声波）周期，计算一次相位及幅值的调整步长值和调整方向。

附图3给出了变步长调整的变压器噪声有源控制算法流程：

（1）采集初级声源，通过频谱分析，得到能量最大的角频率w；实施例A/D采样周期为该噪声信号周期的1/360，因此根据w对应的噪声信号周期，来计算ADC（模数转换器）中断的定时器长度（取1/360），通过控制信号根据定时器执行ADC中断；同时，开始计时t，作为控制过程的执行时间。

（2）对当前声音周期进行采样，实施例的采样方式如下，

每个噪声信号周期执行360次中断，对当前声音周期（一个噪声信号周期）中每个ADC中断，执行如下操作：

采集误差声源信号；计算并通过D/A送出输出量V_out=K×sin(w×t+PHI)，累加误差，误差采样计数值增加1。误差采样计数值的初始值为0。通过累加误差，将采集到的误差信号不断累加。

K和PHI分别为记录D/A输出的幅值和相位的变量。K的初始值取为w频率分量对应的幅值（根据w设计带通滤波器，初级声源经过该滤波器滤波后，得到w频率分量，该分量的幅值即为w频率分量对应的幅值），PHI初始值取为0。流程第一次执行（2）时采用初始值计算，后续执行时采用上一轮执行（5）时基于幅值调整比例ratioK或相位调整比例ratioPHI调整过的值计算。

（3）判断是否已完成N个声音周期的采样？“否”则返回步骤（2）对下一个声音周期进行采样。“是”，则执行如下操作，然后进入步骤（4）：

计算平均误差err，计算方法为累加误差除以误差采样计数值，实施例中将360个ADC中断分别采集的误差信号累加后除以360；

累加误差清零；

误差计数清零。

N的初始值为1，流程第一次执行（2）时采用初始值计算，后续执行时采用上一轮执行（6）时调整过的值计算。

（4）判断是否平均误差err比上一个N周期的平均误差last_err小？“是”，则直接进入步骤（5）。“否”，表明调整方向是向导致误差增加的方向进行，则执行如下操作，然后进入步骤（5）：

设置调整方向为原来方向的反方向：adjust_direction=-adjust_direction（adjust_direction初始值为1，第一次执行到(4)时采用初始值，后续执行时采用上一轮执行（4）调整后得到的当前值）；

调整反复次数加1：updown_count++

其中，adjust_direction为记录调整方向的变量，updown_count为记录反复次数的变量。

updown_count的初始值为0。

（5）调整D/A输出的幅值或相位

K=K+ratioK×0.01×adjust_direction              （6）

PHI=PHI+ratioPHI×adjust_direction              （7）

其中，ratioK和ratioPHI分别为幅值及相位的调整比例数，即幅值步长和相位步长。ratioK初始值取2，ratioPHI的初始值取5；第一次执行到(5)时采用初始值，后续执行时采用上一轮执行（7）调整后得到的当前值）

预设第一次执行（5）时调整的是相角，即按照（5）中的公式（7）调整相角。后续执行时根据上一次执行（6）的结果调整。

（6）判断下一步是调整D/A输出的幅值，还是相位？

当调整反复次数>5时，如果本次调整的是相角，那么下次将按照（5）中的公式（6）调整幅值，否则下次将按照（5）中的公式（7）调整相角。进入（7）

当调整反复次数小于或等于5时，返回至（2）继续执行。

（7）根据平均误差err，调整N值、幅值步长ratioK和相位步长ratioPHI。

建议调整原则为：

err较大时，N取较小值、且相位或幅值的调整比例较大；系统处于大步长调整控制状态，实现快速降噪的目的；

err较小时，N取较大值、且相位或幅值的调整比例较小；系统处于小步长调整控制状态，减少系统振荡，使系统性能更加稳定。

实施例的具体操作如下：

当err<0.09V时，ratioK=0.2，ratioPHI=1，N=10；

当err<0.1V时，ratioK=0.2，ratioPHI=1，N=8；

当err<0.15V时，ratioK=1，ratioPHI=1，N=5；

当err<0.19V时，ratioK=1，ratioPHI=2，N=3；

当err<0.25V时，ratioK=1，ratioPHI=3，N=3；

当err<0.38V时，ratioK=2，ratioPHI=4，N=2；

在其它情况时，ratioK=2，ratioPHI=5，N=1。

其中，err的区间划分，N、ratioK、rationPHI的值是根据经验取得。具体实施时，本领域技术人员可以自行根据情况设定。

（8）重复采集初级声源

通过频谱分析，得到能量最大的角频率w，根据w对应的周期，每周期AD采样仍为360点，来计算ADC中断的定时器长度。返回至（2）继续执行。

附图4给出了基于变步长调整的变压器噪声有源控制算法的系统框图。系统的核心部件是控制器，控制器实现的功能包括：A/D采样，频谱分析，相位、幅度调整和D/A输出。其中，V_in是通过传声器采集到的初级声源信号；V_out表示控制系统的输出信号，且

V_out=K×sin(wt+PHI)；V_err表示误差监测点处的误差信号。控制器进行A/D采样，将采样信号V_in进行频谱分析，提取能量分布最大的频率，根据该信号和误差信号V_err，调整D/A输出信号V_out的幅值和相位。

附图5给出了降噪实验线路。

（1）传声器1和传声器2

采用AWA14425予极化测试电容传声器和ZH1/AWA14604型前置放大器来构建传声器1和传声器2。传声器1检测初级声源，得到初级声源信号，传声器2检测初级声源和次级声源叠加后的噪声，得到误差信号。

（2）控制器

控制器以TMS320F28335为核心，完成初级声源信号和误差声源信号的采集，实现控制算法，输出控制信号。

（3）功率放大器和扬声器

控制器输出的控制信号经过功率放大器放大后，驱动扬声器，得到次级声源。

（4）信号分析仪

为了便于观察，实施例另外设置了信号分析仪，采用hantek DSO3064，用来分析和显示传声器1和传声器2检测到的初级声源信号和误差信号（这些信号仅供观察，对控制效果没有影响）。

初级声源置于右侧，次级声源置于距离初级声源2.55m处，误差传声器置于左侧。以低频噪声为控制对象，研究基于本发明算法的有源噪声控制，在此情况下，通过实时控制实验，分析所发明算法的可行性及对电力变压器低频噪声的控制效果，见附图6所示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，采集初级声源，通过频谱分析，得到能量最大的角频率w；设ADC中断的定时器长度为w对应的噪声信号周期的1/m；同时，开始计时t；所述ADC为模数转换器；

步骤2，对当前声音周期进行采样，采样方式为，每个噪声信号周期执行m次ADC中断，对当前声音周期中每个ADC中断，执行如下操作，

采集误差声源；计算并通过D/A送出输出量V_out＝K×sin(w×t+PHI)；累加误差，误差采样计数值增加1；

K和PHI分别为记录D/A输出的幅值和相位的变量；

步骤3，判断是否已完成N个声音周期的采样，否则返回步骤2对下一个声音周期进行采样，是则执行计算平均误差并记为err，累加误差清零，误差计数清零，然后进入步骤4；

步骤4，判断是否平均误差err比上一个N周期的平均误差last_err小，是则直接进入步骤5，否则设置调整方向adjust_direction为原来方向的反方向，调整反复次数updown_count加1，然后进入步骤5；

步骤5，调整D/A输出的幅值或相位，

调整D/A输出的幅值公式如下，

K＝K+ratioK×0.01×adjust_direction

调整D/A输出的相位公式如下，

PHI＝PHI+ratioPHI×adjust_direction

其中，ratioK和ratioPHI分别为幅值步长和相位步长；

步骤6，判断是否调整反复次数>5，否则返回步骤2，是则设定下一次调整对象，包括在本次执行调整的是相角时设定下次执行步骤5时调整幅值，在本次执行调整的是幅值时设定下次执行步骤5时调整相角；

步骤7，根据平均误差err，调整N值、幅值步长ratioK和相位步长ratioPHI；

err较大时，N取较小值，且ratioK和ratioPHI取较大值；

err较小时，N取较大值，且atioK和ratioPHI取较小值；

步骤8，重复采集初级声源，通过频谱分析，得到能量最大的角频率w；设ADC中断的定时器长度为w对应的噪声信号周期的1/m；返回至步骤2继续执行。

2.根据权利要求1所述变步长调整的变压器噪声有源控制方法，其特征在于：执行步骤1前， 设m＝360，K的初始值取为w频率分量对应的幅值，PHI初始值取为0，N的初始值为1，adjust_direction初始值为1，updown_count初始值为0，ratioK初始值取2，ratioPHI的初始值取5。

3.根据权利要求2所述变步长调整的变压器噪声有源控制方法，其特征在于：步骤7的实现方式如下，

当err<0.09V时，ratioK＝0.2，ratioPHI＝1，N＝10；

当err<0.1V时，ratioK＝0.2，ratioPHI＝1，N＝8；

当err<0.15V时，ratioK＝1，ratioPHI＝1，N＝5；

当err<0.19V时，ratioK＝1，ratioPHI＝2，N＝3；

当err<0.25V时，ratioK＝1，ratioPHI＝3，N＝3；

当err<0.38V时，ratioK＝2，ratioPHI＝4，N＝2；

在其它情况时，ratioK＝2，ratioPHI＝5，N＝1。