CN103474060B - 一种基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法，包括：采集电力设备噪声源所产生的噪声信号与次级降噪声源所产生的降噪声信号叠加后产生的误差声信号；根据次级声通道模型模拟次级降噪声源所产生的降噪声信号在空间中传播的物理过程，获取模拟次级声源声信号；将误差声信号与模拟次级声源声信号反相叠加获得参考噪声信号；对参考噪声信号进行自适应滤波，计算出与参考噪声信号幅值相等的声信号并进行反相处理，获得控制次级降噪声源的控制信号；次级降噪声源根据控制信号输出降噪声信号。本发明提供的方法能有效控制电力设备低频噪声，特别适用于抑制电力变压器的这类噪声主要成分为低频噪声的电力设备噪声。

Description

一种基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法

技术领域

本发明涉及电力设备的噪声抑制领域，尤其涉及一种基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法。

背景技术

近年来，由于城市用电量的不断增长，用电负荷密度越来越高，以及城市规模的不断扩大，越来越多的电力设备（特别是变电所、变电站）深入负荷（城市）中心，且建于商业区和居民区内，因此电力设备的噪声就是不得不考虑的问题，在众多的电力设备中，又以电力变压器的噪声问题最为突出。电力设备（包括电力变压器）的噪声不但污染环境，危害人类身体健康，并且随着公众环境意识的提高和环保部门对各类噪声的限制，电力设备的噪声问题已经带来了很多社会效益及经济效益的损失。

目前，对于电力设备的噪声控制处理技术主要可以分为无源控制技术和有源控制技术。其中，无源控制技术适合于电力设备中高频噪声的控制。而低频噪声（1000Hz以下的噪声）具有穿透力强、传播距离远的特点，无源控制技术对低频噪声控制效果并不理想。同时，采用无源控制技术还存增加电力设备体积，导致电力设备散热困难等问题。

综上，只采取无源控制技术去抑制电力设备的噪声是不现实的，特别是对于电力变压器的这类噪声主要成分为低频噪声的电力设备。因此，针对低频噪声进行控制的有源控制技术便应运而生。有源控制技术的基本思想是利用声的干涉原理，通过次级声源发出与噪声源噪声信号幅值相同，相位相反的声信号，在噪声控制区域与噪声源声信号进行抵消，从而在静音区达到降噪效果。

目前被采用的有源控制技术主要是一种前馈控制结构的传统有源噪声控制方式，其需要使用两组声传感器，以同时对电力设备的噪声以及电力设备的噪声与次级声源的噪声叠加后产生的误差声信号进行采集。然而，在这种传统有源噪声控制方式实际作业的过程中，因存在声反馈现象（声反馈，指由扬声器系统发出的声音又返回到传声器的现象，由于声反馈的存在，使最终的声场频响特性不好，会产生梳状滤波器效应；当这种反馈满足振荡条件时将产生啸叫现象，并且可以在很多个频率点产生啸叫），所以很难采集到单纯的电力设备噪声，即很难将与电力设备噪声信号保持较高相关度的参考信号输入至控制系统，这会影响控制系统的实际降噪效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种能有效控制电力设备低频噪声的电力设备噪声有源抑制方法，特别适用于抑制电力变压器的这类噪声主要成分为低频噪声的电力设备噪声。

本发明提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法，采用基于内模控制结构（内模控制，InternalModelControl,简称IMC，是一种基于过程数学模型进行控制器设计的控制策略）的控制系统，仅需一组传感器采集电力设备产生的噪声信号与次级降噪声源所产生的降噪声信号叠加后产生的误差声信号，不再需要要求与电力设备噪声信号保持高相关度的参考信号作为控制系统的输入，从而避免声反馈现象对控制系统的负面影响。同时本发明提供的电力设备噪声有源抑制方法在控制系统中引入能智能在线调节参数的反馈控制器，该反馈控制器能有效针对因模型失配或扰动所导致的信号失真问题进行控制，最大程度上保证控制系统的鲁棒性（鲁棒是Robust的音译，所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定的参数摄动下，维持某些性能的特性）与快速性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法，包括：

采集电力设备噪声源所产生的噪声信号与次级降噪声源所产生的降噪声信号叠加后产生的误差声信号；

根据次级声通道模型模拟所述次级降噪声源所产生的降噪声信号在空间中传播的物理过程，获取模拟次级声源声信号；

将所述误差声信号与所述模拟次级声源声信号反相叠加获得参考噪声信号，所述参考噪声信号用于模拟所述电力设备噪声源所产生的噪声信号；

对所述参考噪声信号进行自适应滤波，计算出与所述参考噪声信号幅值相等的声信号并进行反相处理，获得控制所述次级降噪声源的控制信号；

次级降噪声源根据所述控制信号输出降噪声信号。

其中，所述将所述误差声信号与所述模拟次级声源声信号反相叠加获得参考噪声信号之后，所述对所述参考噪声信号进行自适应滤波之前，还包括：

根据所述误差声信号及其变化率对所述参考噪声信号进行滤波处理，消除干扰误差以及次级声通道模型失配。

其中，所述根据所述误差声信号及其变化率对所述参考噪声信号进行滤波处理，消除干扰误差以及次级声通道模型失配中，通过二阶反馈控制器F(z)对所述参考噪声信号进行滤波处理，消除干扰误差以及次级声通道模型失配；

$F\left(z\right)=k\frac{1-2c+(c^2+d^2)}{1-{2\mathrm{cz}}^{-1}+(c^2+d^2)z^{-2}},$ 其中c和d为控制参数。

其中，所述根据次级声通道模型模拟所述次级降噪声源所产生的降噪声信号在空间中传播的物理过程，获取模拟次级声源声信号，包括：

对根据所述控制信号生成的次级声信号进行非线性饱和处理后，根据次级声通道模型，模拟所述次级声信号对应的降噪声信号在空间中传播的物理过程，获得模拟次级声源声信号。

其中，对所述次级声信号进行非线性饱和处理的函数为f，若第i个次级降噪声源的次级声信号为u_i，则经由非线性饱和处理后u_i的次级声信号u′_i=f(u_i)=atanh(bu_i),其中a,b为控制系数。

本发明提供的电力设备噪声有源抑制方法，采用基于IMC结构的控制系统（该控制系统由模拟器、叠加器、前馈控制器、反馈控制器构成），仅需一组传感器采集电力设备产生的噪声信号与次级降噪声源所产生的降噪声信号叠加后产生的误差声信号，不再需要要求与电力设备噪声信号保持高相关度的参考信号作为控制系统的输入，从而避免声反馈现象对控制系统的负面影响。

同时，本发明提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法在控制系统中引入能智能在线调节参数的反馈控制器，该反馈控制器能有效针对因模型失配或扰动所导致的信号失真问题进行控制，最大程度上保证控制系统的鲁棒性与快速性。

附图说明

图1为本发明提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法第一实施例流程示意图；

图2为本发明提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法第二实施例流程示意图；

图3为本发明提供的次级声通道建模结构方框图；

图4为本发明提供的反馈控制器结构示意图；

图5为本发明提供的前馈控制器结构示意图；

图6为本发明提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制装置第一实施例结构示意图；

图7为本发明提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制装置第二实施例结构示意图。

具体实施方式

本发明要解决的技术问题在于，提供一种能有效控制电力设备低频噪声的电力设备噪声有源抑制方法，特别适用于抑制电力变压器的这类噪声主要成分为低频噪声的电力设备噪声。下面将结合附图对本发明进行更为详细的说明。

参见图1，为本发明提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法第一实施例流程示意图，如图所示，该方法流程包括：

步骤S101，采集电力设备噪声源所产生的噪声信号与次级降噪声源所产生的降噪声信号叠加后产生的误差声信号。

步骤S102，根据次级声通道模型模拟所述次级降噪声源在空间中传播的物理过程，获取模拟次级声源声信号。

步骤S103，将所述误差声信号与所述模拟次级声源声信号反相叠加获得参考噪声信号，所述参考噪声信号用于模拟所述电力设备噪声源所产生的噪声信号。

步骤S104，对所述参考噪声信号进行自适应滤波，计算出与所述参考噪声信号幅值相等的声信号并进行反相处理，获得控制所述次级降噪声源的控制信号。

步骤S105，次级降噪声源根据所述控制信号输出降噪声信号。该降噪声信号与所述电力设备噪声源所产生的噪声信号的幅值相同相位相反，输出后与噪声信号叠加，起到抑制噪声的作用。

优选的，在本实施例中，步骤S101和步骤S102并没有执行顺序上的严格要求，且具体实施时通常是并发执行。

本发明提供的电力设备噪声有源抑制方法，仅需一组传感器采集电力设备产生的噪声信号与次级降噪声源所产生的降噪声信号叠加后产生的误差声信号，不再需要要求与电力设备噪声信号保持高相关度的参考信号作为控制系统的输入，从而避免声反馈现象对控制系统的负面影响。

参见图2和图7，为本发明提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法第二实施例流程示意图；图7为本发明提供的电力设备噪声有源抑制装置结构示意图。在附图7中，Q为需要改善噪声干扰使得区域噪声等级达到国家标准的静音区，110为电力设备等效的电力设备噪声源。106与107表示次级降噪声源（阵列），108与109表示与次级降噪声源（阵列）一一对应的传感器（阵列）。101为含有自适应控制算法的前馈控制器，102为非线性饱和处理单元，103为次级声通道模型单元，113为智能参数在线调节单元，用于根据误差声信号与误差信号变化率的大小分段调节二阶反馈控制器114的系数，114为二阶反馈控制器，用于处理参考噪声信号，115为一个一阶微分单元，用于获得误差信号变化率。113与114及115共同组成具有在线智能调节控制参数功能的反馈控制器；104及105表示与次级降噪声源一一对应的信号处理模块；111表示信号调理电路，112表示AD转换模块。101、102、103以及113、114、115一起构成控制系统。

下面将结合图7对图2所示的电力设备噪声有源抑制方法进行具体的说明，如图所示，该方法流程包括：

步骤S201，采集电力设备噪声源所产生的噪声信号与次级降噪声源所产生的降噪声信号叠加后产生的误差声信号。更为具体的，本发明实施例通过排布在降噪次级声源106、107与电力设备噪声源110之间的传感器108、109阵列(在实际应用中，可以选用杭州爱华仪器有限公司AWA14400传声器）采集电力设备噪声源110所产生的噪声信号与次级降噪声源106、107（在实际应用中，可以选用惠威扬声器M8N-1）所产生的降噪声信号叠加后的误差声信号作为控制系统的输入。对于多输入控制系统，由多个声传感器或麦克风排放组成声传感器阵列，用传感器阵列对误差声信号进行采集。

步骤S202，传感器108、109阵列所采集的误差声信号经由调理电路111进行信号调理之后输至AD转换模块112（在实际应用中，可以选用研华数据采集卡PCI-1710）进行信号转换。信号调理过程主要用于模拟信号放大及信号滤波，因声传感器108、109及麦克风所采集的误差声信号较为微弱，会对后期噪声处理造成较大困难，因此必须由调理电路111在保持误差声信号频率及波形基本特征不变的前提下对误差声信号进行放大处理；因电力设备中电力变压器等设备的噪声主要为1000Hz以下的低频噪声，为了提高控制系统降噪效率，需由调理电路111对误差声信号进行滤波处理，保留主频声信号。

步骤S203，对经过调理电路111处理之后的误差声信号进行AD转换采样（在实际应用中，可以选用研华数据采集卡PCI-1710）。控制系统通过设定采样频率调节AD采样单位时间，将每个单位时间及与之对应的误差声信号幅值储存，供后期信号处理使用。

步骤S204，根据次级声通道模型模拟所述次级降噪声源在空间中传播的物理过程，获取模拟次级声源声信号。为计算出模拟次级声源声信号，需对次级声通道建模，即采用自适应滤波器估计次级降噪声源的物理通路传递函数，从而模拟次级声源阵列根据次级声信号所输出的降噪声信号在空间中的实际传播过程。所述次级声信号是根据前馈控制器101产生的控制信号生成的。次级声通道建模主要分为在线建模和离线建模两种方式，在本实例中，因次级声通道的系统特性基本保持不变，因此采用离线建模方式。图3即为次级声通道建模结构方框图。

优选的，在对根据次级声通道模型模拟所述次级降噪声源在空间中传播的物理过程，获取模拟次级声源声信号之前，还需要对次级声信号进行非线性饱和处理。更为具体的，非线性饱和处理单元102通过非线性饱和传递函数对系统设备尤其是次级降噪声源的非线性饱和进行建模，将降噪声信号经由非线性饱和处理后输至次级声通道模型单元103，再由次级声通道模型单元103计算出模拟次级声源声信号，非线性饱和处理单元102能提高控制系统在存在非线性饱和问题情况下的降噪效果。本领域技术人员可以理解的是，非线性饱和处理单元102可以通过调节非线性饱和因子构建。

进一步的，非线性饱和处理单元102对次级声信号进行非线性饱和处理的函数为f，若第i个次级降噪声源的次级声信号为u_i，则经由非线性饱和处理后u_i的次级声信号u′_i=f(u_i)=atanh(bu_i),其中a,b为控制系数。

步骤S205，将所述误差声信号与所述模拟次级声源声信号反相叠加获得参考噪声信号，所述参考噪声信号用于模拟所述电力设备噪声源所产生的噪声信号；更为具体，本步骤可以由叠加器116实现。

在执行步骤S205之后，可以直接执行步骤S207、S208。但在本实施例中，可以在步骤S205之后增加优选的步骤S206。

步骤S206，根据所述误差声信号及其变化率对所述参考噪声信号进行滤波处理，消除干扰误差以及次级声通道模型失配。

更为具体的，一般的内模控制器的设计是在不考虑模型失配和扰动的前提下设计的，当模型失配和扰动存在时，闭环系统不一定能获得所期望的动态特性。尽管电力设备噪声呈现一定规律，但仍存在扰动情况，为避免类似的问题发生，在本发明控制系统中增加反馈控制器，即图7中113、114和115所组建的反馈控制器（在实际应用中，硬件可以选用研华工业控制计算机，软件由VisualC++实现）。在本发明中参考噪声信号不是直接反馈，而是通过反馈控制器反馈。一般的反馈控制器结构为只有一个调节参数的一阶控制器，虽然具有结构简单、容易调整的优点，但是存在控制器快速性与平稳性之间难以协调的问题。因此本发明中反馈控制器采用具有两个调节参数的二阶控制器。同时为避免固定反馈控制器参数设计的性能限制，反馈控制器的调节参数皆为智能在线调节，其结构方框图如图4所示。其中F(z)为二阶反馈控制器，d′(n)为参考噪声信号，e_s为误差声信号，△e_s为误差信号变化率。反馈控制器的形式为：

其中c和d为控制参数，k为比例系数，z为控制变量。

智能参数在线调节单元根据e_s与△e_s的大小分段调节c和d。参考噪声信号a经由反馈控制器调节后，再反馈至前馈控制器101。

步骤S207，对所述参考噪声信号进行自适应滤波，计算出与所述参考噪声信号幅值相等的声信号并进行反相处理，获得控制所述次级降噪声源的控制信号。更为具体的，经反馈控制器调节后的参考噪声信号与传感器108、109采集的误差声信号输至前馈控制器101进行自适应滤波。本实例采用的是双通道输出系统（如图7所示），其前馈控制器结构方框图如图5所示。其中e_s1与e_s2为误差声信号，d″₁(n)与d″₂(n)为反馈控制器反馈的参考噪声信号，s₁₁与s₂₁分别为次级降噪声源1、2至传感器1的次级通道，s₁₂与s₂₂分别为次级降噪声源1、2至传感器2的次级声通道。w₁₁(n)-w₂₂(n)为前馈控制器自适应滤波权数。U₁与U₂分别为控制两个次级降噪声源的控制信号。结合图5详细分析前馈控制器中自适应控制器进行自适应滤波的基本过程：

第n时刻自适应滤波器输出次级声源控制信号为

U₁(n)=w₁₁*d₁(n)+w₂₁*d₂(n)(1)

U₂(n)=w₁₂*d₁(n)+w₂₂*d₂(n)(2)

利用最速下降算法理论控制自适应滤波器的权数，其更迭关系为：

$w(n+1)=w\left(n\right)-\frac{\mathrm{\μ}}{2}\▿\mathrm{\ξ}\left(n\right)---\left(3\right)$

其中，

w(n)^T=[w₁₁(n),w₁₂(n),w₂₁(n),w₂₂(n)](4)

$\frac{\∂\mathrm{\ξ}\left(n\right)}{w_{\mathrm{ij}}\left(n\right)}=2e_1\left(n\right)\frac{{\∂e}_1}{w_{\mathrm{ij}}\left(n\right)}+2---\left(5\right)$

因存在以下关系

$\frac{\∂\mathrm{\ξ}\left(n\right)}{w_{\mathrm{ij}}\left(n\right)}\≅{2e}_1\left(n\right)\frac{{\∂e}_1}{w_{\mathrm{ij}}\left(n\right)}+{2e}_2\left(n\right)\frac{{\∂e}_2}{w_{\mathrm{ij}}\left(n\right)}---\left(6\right)$

由此可得

w₁₁(n+1)=w₁₁(n)-μf₁(u₁(n))[e₁(n)(s₁₁(n)*d₁(n))+e₂(n)(s₁₂(n)*d₁(n))](7)

w₁₂(n+1)=w₁₂(n)-μf₂(u₂(n))[e₁(n)(s₁₁(n)*d₁(n))+e₂(n)(s₁₂(n)*d₁(n))](8)

w₂₁(n+1)=w₂₁(n)-μf₁(u₁(n))[e₁(n)(s₂₁(n)*d₂(n))+e₂(n)(s₁₂(n)*d₂(n))](9)

w₂₂(n+1)=w₂₂(n)-μf₂(u₂(n))[e₁(n)(s₂₁(n)*d₂(n))+e₂(n)(s₂₂(n)*d₂(n))](10)

其中μ为确保权数迭代稳定性的小值补偿因子。由迭代后第n+1时刻的权数可求得第n+1时刻的次级声源控制信号U₁(n+1)、U₂(n+1)。

步骤S208，次级降噪声源根据所述控制信号输出降噪声信号。更为具体的，信号处理模块104、105对前馈控制器输出的控制信号进行DA转换（在实际应用中，可以选用研华数据采集卡PCI-1721）。因此时的控制信号与电力设备所产生的噪声信号幅值并不匹配，还需要通过信号处理模块104、105进行放大处理，从而生成次级声信号。然后通过次级降噪声源106、107将信号处理模块104、105调理后的次级声信号输出形成降噪声信号，与电力设备所产生的噪声信号进行叠加抵消，从而使得静音区Q的噪声得以降低。

本实施例提供的电力设备噪声有源抑制方法，采用基于IMC结构的控制系统，仅需一组传感器采集电力设备产生的噪声信号与次级降噪声源所产生的降噪声信号叠加后产生的误差声信号，不再需要要求与电力设备噪声信号保持高相关度的参考信号作为控制系统的输入，从而避免声反馈现象对控制系统的负面影响。

同时，本发明提供的电力设备噪声有源抑制方法在控制系统中引入能智能在线调节参数的反馈控制器，该反馈控制器能有效针对因模型失配或扰动所导致的信号失真问题进行控制，最大程度上保证控制系统的鲁棒性与快速性。

需要强调的是，本发明各实施例中的所述的电力设备包括电力变压器，本发明实施例所提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法特别适用于电力变压器的噪声抑制。

参见图6，为本发明提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制装置第一实施例结构示意图。本实施例提供的电力设备噪声有源抑制装置可以实施前述电力设备噪声有源抑制方法的流程步骤。如图6所示，该电力设备噪声有源抑制装置包括：

传感器10（实际应用中可以是单个传感器，也可以是多个传感器组成的传感器阵列），用于采集电力设备噪声源11所产生的噪声信号与次级降噪声源12（实际应用中可以是单个次级降噪声源，也可以是多个次级降噪声源组成的次级降噪声源阵列）所产生的降噪声信号叠加后产生的误差声信号。

模拟器13用于根据次级声通道模型模拟所述次级降噪声源在空间中传播的物理过程，获取模拟次级声源声信号。

叠加器14用于将所述传感器采10集的误差声信号与所述模拟器13获取的模拟次级声源声信号反相叠加获得参考噪声信号，所述参考噪声信号用于模拟所述电力设备噪声源11所产生的噪声信号。

前馈控制器15用于对所述参考噪声信号进行自适应滤波，计算出与所述参考噪声信号幅值相等的声信号并进行反相处理，获得控制次级声源12（阵列）的控制信号；

次级声源12（阵列），用于根据所述前馈控制器15获得的控制信号输出降噪声信号。

优选的，本实施例提供的电力设备噪声有源抑制装置还包括：反馈控制器16，用于根据所述误差声信号及其变化率对所述参考噪声信号进行滤波处理，消除干扰误差以及次级声通道模型失配。

本发明提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制装置，采用基于IMC结构的控制系统（该控制系统由模拟器、叠加器、前馈控制器、反馈控制器构成），仅需一组传感器采集电力设备产生的噪声信号与次级降噪声源所产生的降噪声信号叠加后产生的误差声信号，不再需要要求与电力设备噪声信号保持高相关度的参考信号作为控制系统的输入，从而避免声反馈现象对控制系统的负面影响。

参见图7，为本发明提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制装置第二实施例结构示意图。本实施例将更为详细的描述该电力设备噪声有源抑制装置的结构。如图所示，该装置包括：

次级降噪声源（阵列）106与107（在实际应用中，可以选用惠威扬声器M8N-1），与次级降噪声源106与107（阵列）一一对应的传感器108与109（在实际应用中，可以选用杭州爱华仪器有限公司AWA14400传声器）（阵列）。含有自适应控制算法的前馈控制器101，非线性饱和处理单元102，次级声通道模型单元103，113与114及115共同组成具有在线智能调节控制参数功能的反馈控制器（在实际应用中，硬件可以选用研华工业控制计算机，软件可以选用VisualC++实现）；与次级降噪声源一一对应的信号处理模块104及105；信号调理电路111，AD转换模块112（在实际应用中，可以选用研华数据采集卡PCI-1710），叠加器116。101、102、103以及113、114、115一起构成控制系统（在实际应用中，硬件可以选用研华工业控制计算机，软件可以选用VisualC++实现）。另外，附图中的Q为需要改善噪声干扰使得区域噪声等级达到国家标准的静音区，110为电力设备等效的电力设备噪声源。

下面具体介绍基于内模控制的电力设备噪声有源抑制装置的结构和各模块的功能。

传感器（阵列）108、109排布在降噪次级声源106、107与电力设备噪声源110之间，用于采集电力设备噪声源110所产生的噪声信号与次级降噪声源106、107所产生的降噪声信号叠加后的误差声信号，该误差声信号将作为控制系统的输入信号。对于多输入控制系统，由多个声传感器或麦克风排放组成声传感器阵列，用传感器阵列对误差声信号进行采集。

调理电路111与所述传感器108、109的输出端相连，用于对传感器108、109所采集的误差声信号进行信号调理之后输至AD转换模块112进行信号转换。调理电路111信号调理过程主要用于模拟信号放大及信号滤波，因声传感器108、109及麦克风所采集的误差声信号较为微弱，会对后期噪声处理造成较大困难，因此必须由调理电路111在保持误差声信号频率及波形基本特征不变的前提下对误差声信号进行放大处理；因电力设备中电力变压器等设备的噪声主要为1000Hz以下的低频噪声，为了提高控制系统降噪效率，需由调理电路111对误差声信号进行滤波处理，保留主频声信号。

AD转换模块112与调理电路111的输出端相连，用于对经过调理电路111处理之后的误差声信号进行AD转换采样。控制系统通过设定采样频率调节AD采样单位时间，将每个单位时间及与之对应的误差声信号幅值储存，供后期信号处理使用。

次级声通道模型单元103与前馈控制器101的输出端相连，用于根据次级声通道模型模拟所述次级降噪声源在空间中传播的物理过程，获取模拟次级声源声信号。为计算出模拟次级声源声信号，次级声通道模型单元103需对次级声通道建模，即采用自适应滤波器估计次级降噪声源的物理通路传递函数，从而模拟次级声源阵列根据次级声信号所输出的降噪声信号在空间中的实际传播过程。所述次级声信号是根据前馈控制器101产生的控制信号生成的。次级声通道建模主要分为在线建模和离线建模两种方式，在本实例中，因次级声通道的系统特性基本保持不变，因此采用离线建模方式。图3即为次级声通道建模结构方框图。

优选的，次级声通道模型单元103与前馈控制器101之间还有非线性饱和处理单元102。非线性饱和处理单元102用于在次级声通道模型单元103根据次级声通道模型模拟所述次级降噪声源在空间中传播的物理过程，获取模拟次级声源声信号之前，对次级声信号进行非线性饱和处理。更为具体的，非线性饱和处理单元102通过非线性饱和传递函数对系统设备尤其是次级降噪声源的非线性饱和进行建模，将降噪声信号经由非线性饱和处理后输至次级声通道模型单元103，再由次级声通道模型单元103计算出模拟次级声源声信号，非线性饱和处理单元102能提高控制系统在存在非线性饱和问题情况下的降噪效果。本领域技术人员可以理解的是，非线性饱和处理单元102可以通过调节非线性饱和因子构建。进一步的，非线性饱和处理单元102对次级声信号进行非线性饱和处理的函数为U₁，若第U₂个次级降噪声源的次级声信号为u，则经由非线性饱和处理后u_i的次级声信号u′_i=f(u_i)=atanh(bu_i),其中a,b为控制系数。

叠加器116与次级声通道模型单元103的输出端，以及AD转换模块112的输出端连接，用于将AD转换模块112输出的处理后的误差声信号与次级声通道模型单元103输出的模拟次级声源声信号反相叠加获得参考噪声信号，所述参考噪声信号用于模拟所述电力设备噪声源所产生的噪声信号。

优选的，本发明实施例提供的电力设备噪声有源抑制装置还包括：连接在叠加器116和前馈控制器101之间的反馈控制器，用于根据所述误差声信号及其变化率对所述参考噪声信号进行滤波处理，消除干扰误差以及次级声通道模型失配。本实施例中，该反馈控制器由113、114、115构成。

更为具体的，一般的内模控制器的设计是在不考虑模型失配和扰动的前提下设计的，当模型失配和扰动存在时，闭环系统不一定能获得所期望的动态特性。尽管电力设备噪声呈现一定规律，但仍存在扰动情况，为避免类似的问题发生，在本发明控制系统中增加反馈控制器，即图7中113、114和115所组建的反馈控制器。在本发明中参考噪声信号不是直接反馈，而是通过反馈控制器反馈。一般的反馈控制器结构为只有一个调节参数的一阶控制器，虽然具有结构简单、容易调整的优点，但是存在控制器快速性与平稳性之间难以协调的问题。因此本发明中反馈控制器采用具有两个调节参数的二阶控制器。同时为避免固定反馈控制器参数设计的性能限制，反馈控制器的调节参数皆为智能在线调节，其结构方框图如图4所示。其中F(z)为二阶反馈控制器，d′(n)为参考噪声信号，e_s为误差声信号，△e_s为误差信号变化率。反馈控制器的形式为：

$F\left(z\right)=k\frac{1-2c+(c^2+d^2)}{1-{2\mathrm{cz}}^{-1}+(c^2+d^2)z^{-2}},$ 其中c和d为控制参数。

智能参数在线调节单元根据e_s与△e_s的大小分段调节c和d。参考噪声信号d′(n)经由反馈控制器调节后，再反馈至前馈控制器101。

前馈控制器101用于对所述参考噪声信号进行自适应滤波，计算出与所述参考噪声信号幅值相等的声信号并进行反相处理，获得控制所述次级降噪声源的控制信号并输出。更为具体的，经反馈控制器调节后的参考噪声信号与传感器108、109采集的误差声信号输至前馈控制器101进行自适应滤波。本实例采用的是双通道输出系统（如图7所示），其前馈控制器结构方框图如图5所示。其中e_s1与e_s2为误差声信号，d″₁(n)与d″₂(n)为反馈控制器反馈的参考噪声信号，s₁₁与s₂₁分别为次级降噪声源1、2至传感器1的次级通道，s₁₂与s₂₂分别为次级降噪声源1、2至传感器2的次级声通道。w₁₁(n)-w₂₂(n)为前馈控制器自适应滤波权数。U₁与U₂分别为控制两个次级降噪声源的控制信号。结合图5详细分析前馈控制器101中自适应控制器进行自适应滤波的基本过程：

第n时刻自适应滤波器输出次级声源控制信号为

U₁(n)=w₁₁*d₁(n)+w₂₁*d₂(n)(1)

U₂(n)=w₁₂*d₁(n)+w₂₂*d₂(n)(2)

利用最速下降算法理论控制自适应滤波器的权数，其更迭关系为：

$w(n+1)=w\left(n\right)-\frac{\mathrm{\μ}}{2}\▿\mathrm{\ξ}\left(n\right)---\left(3\right)$

其中，

w(n)^T=[w₁₁(n),w₁₂(n),w₂₁(n),w₂₂(n)](4)

$\frac{\∂\mathrm{\ξ}\left(n\right)}{w_{\mathrm{ij}}\left(n\right)}=2e_1\left(n\right)\frac{{\∂e}_1}{w_{\mathrm{ij}}\left(n\right)}+2---\left(5\right)$

因存在以下关系

$\frac{\∂\mathrm{\ξ}\left(n\right)}{w_{\mathrm{ij}}\left(n\right)}\≅{2e}_1\left(n\right)\frac{{\∂e}_1}{w_{\mathrm{ij}}\left(n\right)}+{2e}_2\left(n\right)\frac{{\∂e}_2}{w_{\mathrm{ij}}\left(n\right)}---\left(6\right)$

由此可得

w₁₁(n+1)=w₁₁(n)-μf₁(u₁(n))[e₁(n)(s₁₁(n)*d₁(n))+e₂(n)(s₁₂(n)*d₁(n))](7)

w₁₂(n+1)=w₁₂(n)-μf₂(u₂(n))[e₁(n)(s₁₁(n)*d₁(n))+e₂(n)(s₁₂(n)*d₁(n))](8)

w₂₁(n+1)=w₂₁(n)-μf₁(u₁(n))[e₁(n)(s₂₁(n)*d₂(n))+e₂(n)(s₁₂(n)*d₂(n))](9)

w₂₂(n+1)=w₂₂(n)-μf₂(u₂(n))[e₁(n)(s₂₁(n)*d₂(n))+e₂(n)(s₂₂(n)*d₂(n))](10)

其中μ为确保权数迭代稳定性的小值补偿因子。由迭代后第n+1时刻的权数可求得第n+1时刻的次级声源控制信号U₁(n+1)、U₂(n+1)。

信号处理模块104、105用于对前馈控制器输出的控制信号进行DA转换。因此时的控制信号与电力设备所产生的噪声信号幅值并不匹配，还需要通过信号处理模块104、105进行放大处理，从而生成次级声信号。然后通过次级降噪声源106、107将信号处理模块104、105调理后的次级声信号输出形成降噪声信号，与电力设备所产生的噪声信号进行叠加抵消，从而使得静音区Q的噪声得以降低。

本实施例提供的电力设备噪声有源抑制装置，采用基于IMC结构的控制系统，仅需一组传感器采集电力设备产生的噪声信号与次级降噪声源所产生的降噪声信号叠加后产生的误差声信号，不再需要要求与电力设备噪声信号保持高相关度的参考信号作为控制系统的输入，从而避免声反馈现象对控制系统的负面影响。

同时，本发明提供的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制装置在控制系统中引入能智能在线调节参数的反馈控制器，该反馈控制器能有效针对因模型失配或扰动所导致的信号失真问题进行控制，最大程度上保证控制系统的鲁棒性与快速性。

需要强调的是，本发明各实施例中的所述的电力设备包括电力变压器，本发明实施例所提供的电力设备噪声有源抑制装置特别适用于电力变压器的噪声抑制。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定，任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法，其特征在于，包括：

采集电力设备噪声源所产生的噪声信号与次级降噪声源所产生的降噪声信号叠加后产生的误差声信号；

根据次级声通道模型模拟所述次级降噪声源所产生的降噪声信号在空间中传播的物理过程，获取模拟次级声源声信号；

将所述误差声信号与所述模拟次级声源声信号反相叠加获得参考噪声信号，所述参考噪声信号用于模拟所述电力设备噪声源所产生的噪声信号；

对所述参考噪声信号进行自适应滤波，计算出与所述参考噪声信号幅值相等的声信号并进行反相处理，获得控制所述次级降噪声源的控制信号；

次级降噪声源根据所述控制信号输出降噪声信号。

2.如权利要求1所述的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法，其特征在于，所述将所述误差声信号与所述模拟次级声源声信号反相叠加获得参考噪声信号之后，所述对所述参考噪声信号进行自适应滤波之前，还包括：

根据所述误差声信号及其变化率对所述参考噪声信号进行滤波处理，消除干扰误差以及次级声通道模型失配。

3.如权利要求2所述的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法，其特征在于，所述根据所述误差声信号及其变化率对所述参考噪声信号进行滤波处理，消除干扰误差以及次级声通道模型失配中，通过二阶反馈控制器F(z)对所述参考噪声信号进行滤波处理，消除干扰误差以及次级声通道模型失配；

$F\left(z\right)=k\frac{1-2c+(c^2+d^2)}{1-2{\mathrm{cz}}^{-1}+(c^2+d^2)z^{-2}},$ 其中c和d为控制参数。

4.如权利要求1所述的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法，其特征在于，所述根据次级声通道模型模拟所述次级降噪声源所产生的降噪声信号在空间中传播的物理过程，获取模拟次级声源声信号，包括：

对根据所述控制信号生成的次级声源声信号进行非线性饱和处理后，根据次级声通道模型，模拟所述次级声源声信号对应的降噪声信号在空间中传播的物理过程，获得模拟次级声源声信号。

5.如权利要求4所述的基于内模控制的电力设备噪声有源抑制方法，其特征在于，对所述次级声信号进行非线性饱和处理的函数为f，若第i个次级降噪声源的次级声信号为u_i，则经由非线性饱和处理后u_i的次级声信号u′_i＝f(u_i)＝atanh(bu_i),其中a,b为控制系数。