CN105261354A - 一种有源降噪自适应主动噪声控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有源降噪自适应主动噪声控制系统及其控制方法，该系统包括至少一组振动传感器、控制器和电磁作动器，该控制方法通过采用最小均方误差算法(LMS算法)构造的自适应滤波系统，以振动传感器采样到的变压器油箱壁振动信号取反作为参考信号，以电磁作动器的振动信号作为输出信号，通过迭代不断修改延迟信号单元的抽头权值矢量，最终使电磁作动器的振动完全抑制变压器油箱壁的振动，最大限度的减少变压器的噪声，具有实时性高，跟踪性能好的优点。

Description

一种有源降噪自适应主动噪声控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于有源噪声控制技术领域，具体涉及一种递归的最小均方误差算法(自适应LMS算法)控制下的油浸式变压器的主动噪声控制系统。

技术背景

非晶合金材料具有损耗小的优点，采用非晶合金制作的配电变压器，可以有效降低配电网的电力损耗，提高能源利用率。但非晶合金材料具有磁致伸缩性大、饱和磁密低的特点，并且它对机械应力特别敏感，制成的变压器铁心不宜过度夹紧，这使得非晶合金变压器的噪声水平要远远大于传统的硅钢片铁心变压器，这在很大程度上限制了非晶合金变压器的推广使用。

现有的降低变压器噪声的方法主要有被动控制方法和主动噪声控制方法(也称有源消声)。

被动控制方法主要包括降低铁心受力、改进结构、降低铁心磁密、增大油箱体积等，这些被动噪声控制方法在一定程度上降低了非晶合金变压器的噪声。但是，非晶合金变压器产生的噪声以低频噪声为主，采用被动噪声控制法的抑制效果有限，并不能使非晶合金变压器噪声降低到与硅钢片铁芯变压器相接近的水平，尤其在某些对噪声较为敏感的场合，如商业社区和居民小区，还需要进一步降低其噪声水平，以减少配电变压器引起的噪声扰民纠纷。

主动噪声控制法是指通过某种手段，在指定空间实时产生与噪声源在该处噪声幅值相等而相位相反的二次声，使之与主噪声叠加，最终达到消减噪声的目的。然而，主动噪声控制技术大多是基于声学角度认识和发展主动噪声控制问题的，具体表现为传统主动噪声控制技术都离不开采用次级声控源，对噪声的控制多是在远场内对声波进行控制，这导致对噪声主动控制系统内电子控制部件或声学部件技术性能要求较高，造成系统中控制器负担过重，噪声控制系统成本过高，从而决定了目前的传统噪声主动控制主动降噪系统难以实现令人满意的降噪效果。

因此，传统的降低变压器噪声的方法都不能很好的解决非晶合金变压器的噪声抑制问题。

近年来，被称为“工程技术界一场革命”的智能结构系统的出现，为结构噪声的主动控制带来了新的生机。智能结构系统噪声主动控制法将声学理论、振动理论、现代控制理论和新材料相结合，为噪声控制提供了新思路。它是通过一定的工艺和措施把检测声源结构振动的传感器、控制噪声赖以产生的结构振动的作动器与结构材料接合到一起，使结构本身具有自动检测噪声、自动控制和吸收噪声功能，这种将智能结构系统应用于噪声主动控制，实现有源消声与振动主动控制相结合的方法，是噪声主动控制技术发展的一个新的趋势。

最早人们根据生物能以各种有效的方式适应生存环境从而使生命力变强的特性引伸出自适应这个概念。自适应滤波算法属于现代滤波器的范畴，它是40年代发展起来的自适应信号处理领域的一个重要应用。60年代，美国B.Windrow和Hoff首先提出了主要应用于随机信号处理的自适应算法，从而奠定自适应滤波器的发展。由Windrow提出的自适应理论，是在维纳滤波、卡尔曼滤波等线性滤波基础上发展起来的滤波方法，由于它具有更强的适应性和更优的滤波性能，从而广泛应用于通信、系统辨识、回波消除、自适应谱线增强、自适应通道均衡、语音线性预测和自适应天线阵等诸多领域。

最小均方(LMS，LeastMeanSquare)算法是自适应滤波算法中应用最广泛的算法，它是一种搜索算法，它通过对目标函数进行适当的调整，简化了对梯度向量的计算。由于其计算的简单性，LMS算法和其他与之相关的算法已经广泛应用于自适应滤波器的各种应用中。LMS算法的基本思想是调整滤波器的抽头权值矢量，使滤波器的输出信号与期望信号之间的均方误差最小。在数字通信、雷达、声纳、地震学、导航系统、生物医学和工业控制等领域，LMS算法已经得到大量应用。LMS自适应滤波算法在实际运行过程中不会改变滤波器的具体结构，但滤波器抽头权值矢量会根据参数的不同进行迭代更新，即为获得期望信号相应，滤波器抽头权值会自动适应输入信号的变化情况。

发明内容

发明目的：传统的降低变压器噪声的方法都不能很好的解决非晶合金变压器的噪声抑制问题，为了克服传统技术的缺点，本发明基于智能结构系统噪声主动控制技术和最小均方算法的技术基础，提出一种有源降噪自适应主动噪声控制系统及其控制方法，用于控制非晶合金材料制作的油浸式变压器产生的噪声，该方法具有实时性强，跟踪性能好的特点。

技术方案：为克服现有技术的不足，本发明提出一种有源降噪自适应主动噪声控制系统及其控制方法，用于非晶合金油浸式变压器的有源降噪，技术方案为：

一种有源降噪自适应主动噪声控制系统，用于非晶合金油浸式变压器的有源降噪，其特征在于，该系统包括至少一组振动传感器1、控制器7和电磁作动器5，电磁作动器5和振动传感器1安装在油浸式非晶合金变压器油箱壁侧面上，成对配置并相邻安装；

所述振动传感器1采集非晶合金油浸式变压器油箱壁的振动信号，并将振动信号变换成电信号输入至所述控制器7的输入端；

所述控制器7将振动传感器1输出的振动信号转换为电信号并取反后作为参考信号，同时将电磁作动器5输出的振动信号转换为电信号后作为反馈信号，并根据参考信号和反馈信号产生与油浸式非晶合金变压器油箱振动方向相反的控制信号，控制信号作为电磁作动器5的输入信号；

所述电磁作动器5将输入的控制信号转换为振动信号，并将振动信号施加在非晶合金油浸式变压器油箱壁上。

作为本发明的进一步优选，所述控制器7包括LMS滤波器电路2、求差器和驱动电路，驱动电路包括PWM调制电路3、整流电路4和逆变电路6；求差器对反馈信号和参考信号进行差值计算，并将差值信号输出给LMS滤波器电路2，LMS滤波器电路2根据差值信号和参考信号对LMS模块抽头权值矢量进行重新迭代，计算出控制信号，控制信号经驱动电路输出给电磁作动器5；PWM调制电路3的输入端作为驱动电路的输入端，PWM调制电路3的输出端与逆变电路6的输入端相连，逆变电路6的输出端作为驱动电路的输出端，整流电路4与逆变电路相连。

本发明所提出的一种有源降噪自适应主动噪声控制系统，其控制方法包括以下步骤：

(1)通过振动传感器1采集非晶合金油浸式变压器油箱的振动信号，并将振动信号转化为电信号输入控制器7的输入端；

(2)控制器7生成与非晶合金油浸式变压器油箱振动方向相反的控制信号，将控制信号输入电磁作动器5的输入端；

(3)电磁作动器5将输入的控制信号转化为振动信号施加在非晶合金油浸式变压器油箱壁上，与变压器油箱原本的振动相互抵消。

进一步的，本方法还包括：将振动传感器(1)输出的采样信号取反作为参考信号，设采样信号为d(k)，参考信号为x(k)，

d(k)＝-x(k)

将电磁作动器(5)的振动信号转化为电信号并通过求差器求出参考信号和电磁作动器(5)输出的电信号的差，得到差值信号，计算表达式为：

e(k)＝d(k)-y(k)

其中，y(k)为电磁作动器5的振动信号转化而来的电信号，也就是控制器输出的控制信号；

LMS滤波器电路(2)根据差值信号，从现时刻滤波器抽头权值矢量迭代计算下一时刻的滤波器抽头权值矢量，计算步骤包括：

a.设参考信号为x(k)，通过LMS滤波器电路(2)中的延迟单元对参考信号x(k)进行延迟，生成输入信号矢量X(k)，X(k)的表达式为：

X(k)＝[x(k),x(k-1),x(k-2),…,x(k-M+1)](式1)

式中，x(k-1)，x(k-2)……x(k-M+1)，分别表示为参考信号经过1次、2次……M-1次延迟后产生的延迟信号，M为LMS滤波器电路(2)的自适应滤波算法阶数；

b.设LMS滤波器电路(2)的初始抽头权值矢量为W(k)，W(k)的表达式为：

W(k)＝[w₁(k),w₂(k),w₃(k),…,w_M(k)](式2)

式中w₁(k)，w₂(k)，…，w_M(k)为初始抽头权值矢量为W(k)的1阶分量，2阶分量，……，M阶分量；

c.将经过N次延迟的参考信号与对应的初始抽头权值矢量的N+1阶分量相乘，N的取值范围为[0,M-1]，得到LMS滤波器电路(2)的输出信号f(k)，f(k)的表达式为：

$f\left(k\right)=X^T\left(k\right)W\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{w}_i\left(k\right)x(k-i)$ (式3)

d.设驱动电路输出的控制信号为y(k)，通过求差器求出参考信号和控制信号的差值信号，设差值信号为e(k)；LMS滤波器电路(2)根据输入的差值信号e(k)对初始抽头权值矢量W(k)进行迭代，迭代公式如下：

W(k+1)＝W(k)+2μe(k)x(k)(式4)

式中，W(k+1)为经过迭代后的LMS滤波器电路(2)抽头权值矢量，μ为LMS滤波器电路(2)的自适应滤波算法的步长因子；

e.控制器(7)根据迭代后的抽头权值矢量和参考信号计算出与现时刻非晶合金油浸式变压器油箱振动反向相反的控制信号，并输入电磁作动器(5)的输入端。

有益效果：本发明与现有控制技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用最小均方误差算法(LMS算法)构造的自适应滤波器，完成对非晶合金变压器有源降噪的控制工作，与传统的PI控制等方式相比，实时性明显改善，跟踪性能明显提高。

(2)最小均方误差算法(LMS算法)与RLS算法、变步长自适应滤波算法等一些自适应算法相比，具有运算量小、易于实现的优点，并且它对信号统计特性的变化具有稳定性。

(3)本发明将作动器和测振器成对置于油浸式变压器油箱壁上，对非晶合金变压器实施近场主动振动控制，通过消除噪声振动来达到降躁的目的，该系统具有消声效果好、对控制系统硬件要求低等优点。

附图说明

图1为本发明优选实施例的控制系统结构框图。

图2为本发明的LMS算法原理图。

图3为基于LMS算法的非晶合金配电变压器主动噪声控制系统仿真结果图。

图中有：振动传感器1、LMS算法模块2、PWM调制电路3、整流电路4、电磁作动器5、逆变电路6、控制器7。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详述。

本发明提供的有源降噪自适应主动噪声控制系统及其控制方法是通过对非晶合金变压器实施近场主动振动控制，产生与变压器油箱振动方向相反的振动信号，从而达到消除噪声的目的。

如图1所示为本发明的实施结构框图，磁作动器5和振动传感器1安装在油浸式变压器油箱侧壁，成对配置并相邻安装，单组振动传感器1、控制器7和电磁作动器5构成单通道系统，多组振动传感器1、控制器7和电磁作动器5构成多通道系统，这里的控制器是指软件控制模块，在多通道系统中可将控制器模块集成在硬件芯片中。

实施例：在本实施例中，电磁作动器5采用一种新型的双向电磁作动器(张建忠，陈玉婷，孙琛，张良锁，蔡长虹.一种非晶合金变压器噪声主动控制用电磁作动器.中国实用新型专利，2013，CN203055590)，该电磁作动器具有功率因数高，输出模态可调等优点。

LMS滤波器模块2主要用于产生一个控制信号，该控制信号以变压器油箱的振动信号取反作为参考信号，通过滤波器抽头权值矢量的不断迭代减小控制信号与参考信号的误差，使之无限逼近于参考信号，LMS滤波器的优选设计为：

LMS自适应滤波算法阶数M的取值为16，自适应滤波算法的步长因子μ的取值为0.0001；将M的取值代入式1、式2和式3，得到输入信号矢量为：

X(k)＝[x(k),x(k-1),x(k-2),…,x(k-15)](式5)

初始抽头权值矢量为：

W(k)＝[w₁(k),w₂(k),w₃(k),…,w₁₅(k)](式6)

LMS滤波器电路(2)的输出信号为：

$f\left(k\right)=X^T\left(k\right)W\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{15}{\Σ}}{W}_i\left(k\right)x(k-i)$ (式7）

将μ的取值代入式4，得到经过迭代后的LMS滤波器电路(2)抽头权值矢量为：

W(k+1)＝W(k)+0.0002e(k)x(k)(式8)

y(k)为f(k)经过驱动电路处理后输出的控制信号，该信号与油浸式非晶合金变压器油箱的实时振动方向相反；控制信号输入电磁作动器5的输入端，电磁作动器5将电信号转换为振动信号，施加在油浸式非晶合金变压器油箱壁上，通过反向振动消除油浸式非晶合金变压器的噪声。

图3是本发明在Matlab的Simulink中对非晶合金变压器有源降噪自适应主动噪声控制系统的仿真结果，分为三幅图，第一幅是参考信号波形图，第二幅是电磁作动器的输出信号波形图，也就是控制信号波形图，第三幅是差值信号波形图。由三幅图可见，随着时间推移，控制信号y(k)不断趋近于参考信号x(k)，说明本发明提出一种有源降噪自适应主动噪声控制系统及其控制方法可以满足实际工作过程中的性能要求。

Claims (4)

1.一种有源降噪自适应主动噪声控制系统，用于非晶合金油浸式变压器的有源降噪，其特征在于，该系统包括至少一组振动传感器(1)、控制器(7)和电磁作动器(5)，电磁作动器(5)和振动传感器(1)安装在油浸式非晶合金变压器油箱壁侧面上，成对配置并相邻安装；

所述振动传感器(1)采集非晶合金油浸式变压器油箱壁的振动信号，并将振动信号变换成电信号输入至所述控制器(7)的输入端；

所述控制器(7)将振动传感器(1)输出的振动信号转换为电信号并取反后作为参考信号，同时将电磁作动器(5)输出的振动信号转换为电信号后作为反馈信号，并根据参考信号和反馈信号产生与油浸式非晶合金变压器油箱振动方向相反的控制信号，控制信号作为电磁作动器(5)的输入信号；

所述电磁作动器(5)将输入的控制信号转换为振动信号，并将振动信号施加在非晶合金油浸式变压器油箱壁上。

2.根据权利要求1所述的有源降噪自适应主动噪声控制系统，其特征在于；所述控制器(7)包括LMS滤波器电路(2)、求差器和驱动电路，驱动电路包括PWM调制电路(3)、整流电路(4)和逆变电路(6)；求差器对反馈信号和参考信号进行差值计算，并将差值信号输出给LMS滤波器电路(2)，LMS滤波器电路(2)根据差值信号和参考信号对LMS模块抽头权值矢量进行重新迭代，计算出控制信号，控制信号经驱动电路输出给电磁作动器(5)；PWM调制电路(3)的输入端作为驱动电路的输入端，PWM调制电路(3)的输出端与逆变电路(6)的输入端相连，逆变电路(6)的输出端作为驱动电路的输出端，整流电路(4)与逆变电路相连。

3.一种有源降噪自适应主动噪声控制方法，用于非晶合金油浸式变压器的有源降噪，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)通过振动传感器(1)采集非晶合金油浸式变压器油箱的振动信号，并将振动信号转化为电信号输入控制器(7)的输入端；

(2)控制器(7)生成与非晶合金油浸式变压器油箱振动方向相反的控制信号，将控制信号输入电磁作动器(5)的输入端；

(3)电磁作动器(5)将输入的控制信号转化为振动信号施加在非晶合金油浸式变压器油箱壁上，与变压器油箱原本的振动相互抵消。

4.根据权利要求3所述的有源降噪自适应主动噪声控制方法，其特征在于，所述步骤(2)采用最小均方误差算法，包括：将振动传感器(1)输出的采样信号取反作为参考信号；将电磁作动器(5)的振动信号转化为电信号并通过求差器求出参考信号和电磁作动器(5)输出的电信号的差，得到差值信号；LMS滤波器电路(2)根据差值信号，从现时刻滤波器抽头权值矢量迭代计算下一时刻的滤波器抽头权值矢量，计算步骤包括：

a.设参考信号为x(k)，通过LMS滤波器电路(2)中的延迟单元对参考信号x(k)进行延迟，生成输入信号矢量X(k)，X(k)的表达式为：

X(k)＝[x(k),x(k-1),x(k-2),…,x(k-M+1)](式1)

式中，x(k-1)，x(k-2)……x(k-M+1)，分别表示为参考信号经过1次、2次……M-1次延迟后产生的延迟信号，M为LMS滤波器电路(2)的自适应滤波算法阶数；

b.设LMS滤波器电路(2)的初始抽头权值矢量为W(k)，W(k)的表达式为：

W(k)＝[w₁(k),w₂(k),w₃(k),…,w_M(k)](式2)

式中w₁(k)，w₂(k)，…，w_M(k)为初始抽头权值矢量为W(k)的1阶分量，2阶分量，……，M阶分量；

c.将经过N次延迟的参考信号与对应的初始抽头权值矢量的N+1阶分量相乘，N的取值范围为[0,M-1]，得到LMS滤波器电路(2)的输出信号f(k)，f(k)的表达式为：

$f\left(k\right)=X^T\left(k\right)W\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{w}_i\left(k\right)x(k-i)$ (式3)

d.设驱动电路输出的控制信号为y(k)，通过求差器求出参考信号和控制信号的差值信号，设差值信号为e(k)；LMS滤波器电路(2)根据输入的差值信号e(k)对初始抽头权值矢量W(k)进行迭代，迭代公式如下：

W(k+1)＝W(k)+2μe(k)x(k)(式4)

式中，W(k+1)为经过迭代后的LMS滤波器电路(2)抽头权值矢量，μ为LMS滤波器电路(2)的自适应滤波算法的步长因子；

e.控制器(7)根据迭代后的抽头权值矢量和参考信号计算出与现时刻非晶合金油浸式变压器油箱振动反向相反的控制信号，并输入电磁作动器(5)的输入端。