CN106990800A - 一种基于前置跨频带滤波器组结构的窄带自适应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于前置跨频带滤波器组结构的窄带自适应方法，用于解决机械设备振动主动控制中当振动线谱处于窄带边缘时窄带自适应算法收敛速度下降及控制算法不稳定的问题，通过改进传统窄带自适应方法中的前置滤波器，在窄带滤波器组结构的基础上增加了跨频带带通滤波，避免了线谱处于相邻窄带边缘时频率微波动引起的窄带滤波器频繁选择问题，也提高了在窄带边缘处自适应方法的收敛速度，同时在次级通道特性上不增加辨识过程的计算量。本发明结构简单实用，能够使窄带自适应方法在较宽频带内快速、稳定的收敛。

Description

一种基于前置跨频带滤波器组结构的窄带自适应方法

技术领域

本发明涉及振动控制领域，具体涉及到一种基于前置跨频带滤波器组结构的窄带自适应方法。

背景技术

近年来，窄带自适应方法在机械振动引起的线谱隔振中应用越来越广泛，其优点在于能够使得各线谱成分分别独立进行控制，减小了参考信号在各线谱控制中的相关函数特征值分布，提高了窄带自适应方法的收敛速度。通过窄带滤波器从信号中抽取线谱信号是常见的一种手段，实际应用中常常通过把目标频带划分为若干子带，利用窄带带通滤波器对信号滤波后在运行窄带自适应方法，得到并行的若干最优控制器，实现对较宽频带内线谱的控制。但是窄带滤波器在其通带边缘处存在一定程度的幅值衰减和相位突变，对窄带自适应方法的收敛性能有消极的影响,如图2所示，而且若滤波器组设计的紧密则会导致同一个线谱出现在相邻两个频带内，引起窄带自适应方法对次级通道的重复选择，如图3a所示，尤其是处于频带边缘且有微小波动时，会让窄带自适应方法一直处于频繁选择次级通道阶段，导致在工程应用时无法稳定运行；若滤波器组设计的过于稀疏如图3b所示，则位于相邻频带间的线谱信号会由于衰减太大而被窄带自适应方法忽略,导致在工程应用时，无法对这些振动线谱信号进行有效消减。

目前，研究现状为：何琳，李彦，杨军在《磁悬浮-气囊主被动混合隔振装置理论和实验》、张攀在其硕士论文《船用往复式机械的振动主动控制技术研究》中研究了时域窄带FxLMS方法，实现了多根线谱的有效控制。何琳，李彦，帅长庚在《Time-domain filtered-x-Newton narrowband algorithms for active isolation of frequency-fluctuatingvibration》中提出了滤波牛顿方法，考虑了信号的波动问题，但是波动是在通带内的。从上可知，上述的窄带控制方法主要针对线谱完全处于窄带内部的振动控制问题，不能解决振动线谱处于窄带边缘时，方法性能下降的问题。因此为了在宽频带内实现振动线谱的快速稳定控制，需要提供一种方法，使得该方法在频带内边缘且有微小波动时依然能够稳定收敛，且收敛速度达到最快。

发明内容

针对上述现有技术，提供一种基于前置跨频带滤波器组结构的窄带自适应方法。该方法具体步骤包括：

步骤1:根据实际振动控制系统作动器到传感器的次级通道特性把目标宽频带划分为多个窄带，据此设计滤波器组B₁。在各窄带内辨识次级通道特性函数，以备窄带自适应方法调用，窄带的划分需要满足窄带自适应方法在该窄带内的所有频率均能收敛。在滤波器组B₁的设计基础上通过在相邻频带间增加滤波器的方式设计滤波器组B₂，新增滤波器的通带需覆盖B₁中相邻滤波器的过渡带且在该通带内窄带自适应方法能够收敛。在振源附近采集参考信号，在被控制点处采集误差信号E^o。

步骤2:对参考信号进行跨频带滤波器组B₂滤波，根据各窄带内信号的能量大小判断出信号所处的频带，然后据此选择窄带滤波器对参考信号处理得到信号X；

步骤3:根据公式①得到自适应控制器输出信号Y：

Y＝WX ①

其中W为自适应控制器的权系数矢量，反映出自适应控制器的频域特性；

步骤4:自适应控制器输出信号Y经次级通道S到达误差振动传感器处，对误差振动传感器处的期望信号D^o进行抵消后，得到误差信号E^o；

步骤5:用窄带滤波器对误差信号E^o进行滤波，提取出线谱误差信号E；用滤波器组B₁对误差信号E^o进行滤波，确定振动线谱信号在滤波器组B₁中所处的频带，选择该窄带的次级通道特性函数在自适应环节中做运算处理。

步骤6:用窄带滤波器对信号X再进行一次窄带滤波，然后进行次级通道模型滤波，得到次级通道模型滤波后的参考信号R；

步骤7:设置最小化目标函数，根据自适应环节使用的窄带自适应方法对自适应控制器的权系数矢量W进行迭代更新；

步骤8:重复步骤1到步骤7，使目标函数逐渐减小趋于0，从而实现线谱振动主动控制。

本发明是在滤波器组B₁结构的基础上增加了跨频带带通滤波器设计出滤波器组B₂，新增滤波器的通带需覆盖滤波器组B₁中相邻滤波器的过渡带且在该通带内窄带自适应方法能够收敛，从而有效的避免了当信号处于频带边缘时的信号衰减问题，但在窄带自适应方法中对次级通道特性的选择阶段仍然是由改进前的频带划分进行选频的。这种滤波器组B₂结构的使用可以避免信号在多个频带间跳变，导致窄带自适应方法在两个频带间频繁切换，同时也减少了次级通道特性的突变，从而引起窄带自适应方法的不稳定。对参考信号和误差信号的滤波处理不会因为振动线谱处于原窄带的边缘就被削减，提高了信噪比。

上述方法中的步骤1和步骤7中的窄带自适应方法为Fx-LMS或Fx-Newton。自适应环节可以根据实际应用条件选择不同的前馈窄带自适应方法，具有较好的灵活性，并且Fx-LMS或Fx-Newton的收敛速度决定了本发明的收敛速度。

本发明改进了窄带自适应方法中的前置滤波器组，设计出一种跨频带滤波器组结构，该结构不影响窄带自适应方法在原通带内的性能，本发明能够有效解决当振动线谱处于已划分窄带边缘时窄带自适应方法的稳定性和快速收敛性。

本发明的有益效果是：

1.只要在划分的频带内次级通道特性能够满足单线谱窄带自适应方法收敛的条件，本发明虽然增加了窄带滤波器的个数但是无需再次细分频带来获取更多的次级通道特性数据。当然，不同窄带自适应方法的收敛条件略有不同。

2.对于单线谱控制由于窄带自适应方法依然是仅仅用了一个窄带滤波器，因此本发明不增加窄带自适应方法的计算量，只是选择更优的窄带滤波器；

3.自适应环节可以根据实际应用条件选择不同的前馈窄带自适应方法，具有较好的灵活性。

附图说明

图1是本发明一种基于前置跨频带滤波器组结构的窄带自适应方法的原理框图。

图2是窄带滤波器的幅频和相频特性。

图3是传统窄带滤波器组的两种结构图。

图4是本发明一种基于前置跨频带滤波器组结构的窄带自适应方法使用的窄带滤波器组B₂结构示意图。

图5是滤波器特性对最优控制器的影响。

图6是船用主被动混合隔振系统试验的示意图。

图7是滤波器组B₁和滤波器组B₂的具体划分。

图8是本发明与原窄带自适应方法在62Hz和97Hz处的误差信号收敛曲线对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

首先根据次级通道特性，在满足窄带自适应方法收敛的情况下对目标频带进行合理划分，根据划分结果设计滤波器组B₁，采用在线或离线方式获得各频段中心频率处的辨识次级通道模型K×K阶复数方阵K×K代表K个作动器和K个传感器。以滤波器组B₁为基础增加跨频带带通滤波器设计滤波器组B₂。

首先，以Fx-Newton窄带自适应方法为例分析该方法的原理。

方法在频域的更新公式为：

得到最优控制器为：

式中W为自适应控制器权系数矢量，B表示窄带滤波器的频响特性，X为参考信号，E为误差信号，D为初级干扰信号，S为次级通道特性，μ为收敛步长。

将B'＝|B'|e^iθ′(ω)代替公式(2)中的B，可得

看出滤波器特性的改变将导致最优控制器参数改变，其幅度影响最优控制器系数的大小，相位影响控制器系数的分布。图5为滤波器特性对最优控制器影响的几何图示，其中幅度变化会导致最优控制器在W_n到W_o的方向上的位置，而相位变化则会导致W_o到W'_o的跳变。但这只能说明窄带自适应方法得到的最优点变化了，不能作为判断方法优劣的标准。为了不失一般性，假设滤波器的相位恒定，即设B'＝αB,θ'(ω)＝θ(ω)，α为幅度因子。代入到公式(1)中，若方法均是从W_n开始收敛，可得

此时，

式中α＜1，式(5)表明B'的存在使得最优控制器系数增大，尤其是当参考信号频率处在频带边缘即时，理论上的最优控制器将对系统硬件有很高的要求，甚至无法实现。而在收敛过程式(4)中，第一项和第二项是滤波器为B时的权系数更新公式，由于我们假设相位不变，因此两种情况的权系数收敛方向应该是一致的，所以第二项就是表示的收敛方向，可以看出第三项与第二项的方向是一致的，即相当于增大了收敛的步长。但收敛步长的增大会导致窄带自适应方法在同一窄带内其他频点处的不稳定收敛甚至发散。

本发明采用图4所示的滤波器组进行前端处理，避免了振动线谱信号处于频带边缘的畸变，能最大限度的提高方法在整个频带内的收敛速度，同时相互跨接的滤波器组也避免了方法对窄带滤波器的频繁选择，提高了方法的稳定性。

下面用具体实施例和对比例详述本发明的实现过程和实测效果。

采用一个船用主被动混合隔振系统作为实施环境。如图6所示，在基座6个混合隔振器附近安装6个加速度传感器(1#～6#测点)作为误差传感器，其中1、3、5在筏架的左侧，2、4、6在筏架的右侧。在筏架上安装一个激振器，激振器激励出62Hz、97Hz振动，用筏架上的加速度传感器即图6中S来作为方法的参考信号。

控制系统使用主频为1GHz的TI公司C6678作为核心处理器，采样频率设置为1000Hz，设参考信号为v^o(n)；运行本发明的方法结构，产生控制信号经过DA转换为模拟信号，通过功率放大器驱动作动器，对初级振源在误差传感器处引起的期望响应 进行抵消后得到误差信号用选出来的窄带带通滤波器B₂ ^m(z)对误差信号进行滤波，提取出各频段的窄带误差信号次级通道的选择按照B₁频带划分即可，在各频段以为目标函数，按照Fx-Newton方法更新自适应控制器时域系数

窄带滤波器组B₁和B₂的划分如图7所示。

实测效果如下：

图8a、图8b为使用了本发明基于前置跨频带滤波器组的窄带自适应方法和Fx_Newton方法分别在62Hz和97Hz处的误差信号收敛曲线，从图8a、图8b中可见，由于62Hz和97Hz分别处于窄带57.5-62.5Hz和92.5-97.5Hz的边缘，虽然最终两种情况均能够获得好的控制效果，但是使用了本发明方法收敛速度要明显快于Fx_Newton方法。

Claims (2)

1.一种基于前置跨频带滤波器组结构的窄带自适应方法，其特征在于该方法具体步骤包括：

步骤1：根据实际振动控制系统作动器到传感器的次级通道特性把目标宽频带划分为多个窄带，据此设计窄带滤波器组B₁；在各窄带内辨识次级通道特性函数，以备自适应方法调用，窄带的划分需要满足自适应方法在该窄带内的所有频率均能收敛；在滤波器组B₁的设计基础上通过在相邻频带间增加滤波器的方式设计滤波器组B₂，新增滤波器的通带需覆盖B₁中相邻滤波器的过渡带且在该通带内窄带自适应方法能够收敛；在振源处采集参考信号，在被控制点处采集误差信号E^o；

步骤2：对参考信号进行跨频带滤波器组B₂滤波，根据各窄带内信号的能量大小判断信号所处的频带，然后据此选择窄带滤波器对参考信号处理得到X；

步骤3：根据公式①得到自适应控制器输出信号Y：

Y＝WX ①

其中W为自适应控制器的权系数矢量，反映出自适应控制器的频域特性；

步骤4：自适应控制器输出信号Y经次级通道S到达误差振动传感器处，对误差振动传感器处的期望信号D^o进行抵消后，得到误差信号E^o；

步骤5：用窄带带通滤波器对误差信号E^o进行滤波，提取出线谱误差信号E；用滤波器组B₁对误差信号E^o进行滤波，确定振动线谱信号在滤波器组B₁中所处的频带，选择该窄带的次级通道特性函数在自适应环节中做运算处理；

步骤6：用窄带带通滤波器对X再进行一次窄带滤波，然后进行次级通道模型滤波，得到次级通道模型滤波后的参考信号R；

步骤7：设置最小化目标函数，根据自适应环节使用的窄带自适应方法对自适应控制器的时域系数w进行迭代更新；

步骤8：重复步骤1到步骤7，使目标函数逐渐减小趋于0。

2.根据权利要求1所述的一种基于前置跨频带滤波器组结构的窄带自适应方法，其特征在于：所述的步骤1和步骤7中的窄带自适应方法为Fx-LMS或Fx-Newton。