CN107315343A - 一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法 - Google Patents

一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法，用于解决多个机械设备共同安装在同一个筏架上的振动隔离问题，把拾取振源振动的多个传感器安装在能够相互独立的采集到振源振动信号的位置，分别进入到方法的相应参考信号通道中，在各个参考信号子系统中计算控制信号，最终合成输出时域控制信号进行振动的主动隔离。本发明重点解决了多个机械设备同时激励出频率很接近的不同振动信号时窄带自适应方法发散问题，本发明具有收敛性能稳定、控制效果好的特点。

Description

一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法
技术领域
本发明涉及振动控制领域，具体涉及到一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法。
背景技术
机械振动中的线谱隔振是振动控制中的重要研究内容，其振动线谱特征主要与机械的运行工况有关，单个机械设备的振动主动控制已经有很多研究成果，并且取得了很好的控制效果。但在实际应用中被隔振设备可能不仅仅一台，而是多台设备位于同一个平台上同时工作，在这种情况下基座的线谱振动就会相对复杂。虽然可以把目标频带划分为更窄的频带来解决这个问题，但是窄带滤波器的设计会变得更加困难，计算量也会增加，影响方法的性能。 Widrow,B.等在《Adaptive Noise Cancelling:Principles andApplications》提出了一种多参考方法，但是该方法仅仅是针对多个噪声源的噪声消除问题，简单地认为不同的噪声源就需要不同的参考信号，主要处理的是单个窄带内的仅有一根线谱而没有考虑过当多个噪声线谱处于同一个窄带时的控制问题。而在实际中，处于同一个窄带内的多根线谱振动或噪声是常有的情况。这个难点通常有两种解决思路，一是通过设计更理想的窄带滤波器对参考信号和误差信号中的线谱进行逐一抽取分离进而通过传统窄带自适应算法进行解决，但是当线谱处于比较接近时这样的窄带滤波器是不存在的。二是可以通过增加控制器的阶数，但是无疑增加了控制系统的延时，减小了收敛速度，失去了窄带算法相对于宽带算法的优势，不利于对时变信号的实时跟踪控制。
采用传统的窄带自适应方法只能有效控制处于不同窄带内的线谱，目前已公布的窄带自适应方法可解决不同窄带多个线谱问题，即每个窄带内仅限有一个需要控制的线谱振动。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是克服现有方法的不足，提供一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法，该方法包括步骤如下：
步骤1：将多个振动传感器分别置于振源附近采集参考信号L是传感器的个数，根据自适应控制滤波器采用自适应方法的收敛条件将控制频带划分M个频带，并设计相应的窄带滤波器，将参考信号输入窄带滤波器中，分别获得第m频带内第l个窄带参考信号l＝1,2,...,L,m＝1,2,...,M；
步骤2：对M个频带的所有窄带参考信号l＝1,2,...,L,m＝1,2,...,M分别通过自适应控制器得到输出信号l＝1,2,...,L,m＝1,2,...,M：
式①中i＝0,...,N-1是第m频带对应于第l个参考信号的自适应控制器的时域系数， N为自适应控制器的阶数；
步骤3：分别将输出信号l＝1,2,...,L相加得到该频带内的控制信号ym(n)，其中ym(n)表示第m频带的控制信号；
步骤4：将M个频带的控制信号ym(n),m＝1,2,...,M叠加后得到全频带控制信号yo(n)，yo(n) 经次级通道S(z)到达误差振动传感器处，对误差振动传感器处的期望信号do(n)进行叠加后，得到误差信号eo(n)；误差振动传感器的作用是拾取误差测点的振动信号，使得振动信号参与自适应控制器的更新和目标函数的构成。
步骤5：用M个频带的窄带带通滤波器Bm(z),m＝1,2,...,M对误差信号eo(n)进行滤波，提取出各频带的窄带误差信号em(n)，此时的窄带误差信号em(n)中包含有多个线谱成分，其中 Bm(z)表示第m频带的窄带带通滤波器，em(n)表示第m频带的窄带误差信号；
步骤6：对M个频带，用窄带带通滤波器Bm(z),m＝1,2,...,M对窄带参考信号l＝1,2,...,L,m＝1,2,...,M再进行一次窄带滤波，得到信号然后每个频带都进行估计次级通道模型滤波，得到M个频带的估计次级通道模型滤波后的参考信号 rl m(n)，l＝1,...,L,m＝1,2,...,M；
步骤7：对滤波后的参考信号rl m(n)，l＝1,...,L,m＝1,2,...,M和线谱误差信号em(n)，m＝1,2,...,M，使用窄带自适应方法对各路自适应控制器的时域系数Wl m(n),l＝1,...,L进行迭代调整；
重复步骤1到步骤7，使目标函数逐渐趋于零，从而实现多线谱振动主动控制。目标函数是指窄带误差信号的均方值。
只要在划分的频带内次级通道特性能够满足自适应方法收敛的条件，即当次级通道转移函数S(z)在各频带的两端Sm 左(z)、Sm 右(z)与频带中间Sm 中(z)构成的矩阵和的特征值实部均满足和
与现有技术相比，本发明只需要增加若干参考传感器采集不同振源引发的振动信号，无需再次细分频带来抽取不同的振动线谱就能保证方法正常收敛，具有较好的实用性。
上述方法中的步骤7中的窄带自适应方法为Fx-LMS或Fx-Newton。
方法中的自适应环节可以根据实际应用条件选择不同的窄带自适应方法，具有较好的灵活性，并且自适应方法的收敛速度决定了本发明方法的收敛速度。
上述方法中的步骤1中的振动传感器的数目小于或者等于振源的数目。
多个振源激起的振动信号只要不在同一个窄带内，就可以用一个振动传感器采集多个振动信号作为参考信号。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点：
1.本发明针对位于同一个平台上的多个机械设备引起的多线谱振动的主动隔离，尤其是对于多根振动线谱处于同一窄带时具有较好的控制效果，能够解决窄带算法在同一窄带内出现多根线谱时不能收敛的问题，对于主动控制在机械设备主动隔振方面的应用水平有提高作用。
2.本发明只需要增加若干参考传感器采集不同振源引发的振动信号，不需要细分频带设计更窄的窄带滤波器来抽取误差信号中的不同振动线谱，也不需要增加控制器的阶数，使得方法的快速收敛性降低和时延增加，就能保证方法正常收敛，具有较好的实用性。
附图说明
图1是本发明一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法的原理框图。
图2是本发明一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法的频域等效原理图。
图3是本发明一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法的试验连接图。
图4是本发明一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法的试验系统的次级通道特性。
图5是当激振器激励时，本发明一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法与单参考Fx-Newton方法的对比图。
图6是当双机组开启时，50Hz所在窄带内的误差传感器信号时域波形图。
图7是当双机组开启时，本发明一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法与单参考Fx-Newton方法的对比图。
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。
本发明同时拾取多个振源相互独立的振动信号作为参考信号采用通用窄带算法先将要控制的目标频段划分为一定宽的窄带频段，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。
首先，以多通道Fx-Newton自适应算法、两个振源两个参考信号为例在频域详细推导该方法的原理，其频域结构图如图2所示，图中带有上标“-”的均代表第二个参考信号子系统对应的变量。
(1)控制信号由参考信号经过自适应控制器滤波得到，即：Y＝WX，
(2)控制信号经过次级通道后在误差测点与振源传递到的初始信号抵消后，剩下残余误差信号：B'和是窄带滤波器在频点ω和处的频响函数，而B是该窄带滤波器的频响函数。
(3)设定目标函数J：
(4)根据Fx-Newton方法中关于控制器权系数的迭代规则，计算目标函数的复数梯度分别为：
从而得到目标函数复梯度关于W的导数为：
g'＝X*SHB'*B'SX
所以
由于多个参考信号是相互独立的，X中仅包含了振动信号ω，因此B'*可被B*代替，于是上式可改写为：
上式表明对于误差信号是不需要专门处理来区分窄带内的不同线谱的，因此在不增加运算量的同时能够有效的对窄带内多根线谱进行有效控制。这也是本发明的关键环节。
(5)控制器W更新公式：
同理,(4)中对进行处理可得到控制器的更新公式：
图1是本发明一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法的原理框图。该方法具体步骤包括：
步骤1：将多个振动传感器分别置于振源附近采集参考信号l＝1,2,...,L，L是传感器的个数，根据自适应控制滤波器采用自适应方法的收敛条件将控制频带划分M个频带，并设计相应的窄带滤波器，将参考信号输入窄带滤波器中，分别获得第m频带内第l个窄带参考信号l＝1,2,...,L,m＝1,2,...,M；
步骤2对M个频带的所有窄带参考信号l＝1,2,...,L,m＝1,2,...,M分别通过自适应控制器得到输出信号l＝1,2,...,L,m＝1,2,...,M：
式①中i＝0,...,N-1是第m频带对应于第l个参考信号的自适应控制器的时域系数， N为自适应控制器的阶数；
步骤3分别将输出信号l＝1,2,...,L相加得到该频带内的控制信号ym(n)，其中ym(n)表示第m频带的控制信号；
步骤4将M个频带的控制信号ym(n),m＝1,2,...,M叠加后得到全频带控制信号yo(n)，yo(n) 经次级通道S(z)到达误差振动传感器处，对误差振动传感器处的期望信号do(n)进行叠加后，得到误差信号eo(n)；误差振动传感器的作用是拾取误差测点的振动信号，使得振动信号参与自适应控制器的更新和目标函数的构成。
步骤5用M个频带的窄带带通滤波器Bm(z),m＝1,2,...,M对误差信号eo(n)进行滤波，提取出各频带的窄带误差信号em(n)，其中Bm(z)表示第m频带的窄带带通滤波器，em(n)表示第m 频带的窄带误差信号；
步骤6对M个频带，用窄带带通滤波器Bm(z),m＝1,2,...,M对窄带参考信号l＝1,2,...,L,m＝1，2,...,M再进行一次窄带滤波，得到信号然后每个频带都进行估计次级通道模型滤波，得到M个频带的估计次级通道模型滤波后的参考信号rl m(n)，l＝1,...,L,m＝1,2,...,M；
步骤7对滤波后的参考信号rl m(n)和线谱误差信号em(n)，使用窄带自适应方法对各路自适应控制器的时域系数Wl m(n),l＝1,...,L进行迭代调整；
重复步骤1到步骤7，使目标函数J逐渐趋于零，从而实现多线谱振动主动控制。目标函数是指窄带误差信号的均方值。
下面用具体实施例详述本发明的实现过程和实测效果，并与单参考算法作简单对比。
实施例1：采用一个船用主被动混合隔振系统作为实施环境。图3是船用主被动混合隔振系统试验连接图，在图3中，在基座6个混合隔振器附近安装6个加速度传感器e1、e2、e3、 e4、e5、e6作为误差传感器，其中e1、e3、e5在筏架的左侧，e2、e4、e6在筏架的右侧。在筏架上前后安装两个激振器，激振器激励出60Hz、62Hz振动，用两个激励信号作为本发明中的多参考信号，对比组采用筏架上的加速度传感器即图3中c1作为单参考算法的参考信号。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，控制器阶数设为15，窄带滤波器的通带为57.5Hz～62.5Hz。设两个参考信号分别为vo(n)和运用本发明的方法，产生控制信号k＝1,...,6，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k＝1,...,6进行抵消后得到误差信号k＝1,...,6；用各频段的窄带带通滤波器Bm(z)对误差信号k＝1,...,6进行滤波，提取出各频段的窄带误差信号k＝1,...,6；在各频段以为目标函数，按照本发明方法，更新自适应控制器时域系数和k＝1,…,6，i＝0,...,14。
图4是次级通道转移函数构造的G的特征值实部在每个频带两端的分布，其中图4a表示各频段左端G的特征值实部，图4b表示各频段右端G的特征值实部。从图4a、图4b可见，频段划分合理，和次级通道模型满足本发明方法收敛的必要条件。
实测效果如下：图5a、图5b分别为激振器激励时本发明方法和单参考方法60Hz处的收敛曲线。由于被激起的60Hz和62Hz同处于同一个窄带内，单参考窄带方法虽然能够获得两个参考信号的混合信号作为参考信号，但是从图5b中可见在同一个频带内方法不能够有效收敛，甚至发散。而本发明方法的最终结果却能够以较快的速度收敛，最终达到好的控制效果 (约20dB)。
实施例2：开启图3中的双空压机组作为初级振源，用布置在机脚的两个加速度传感器作为参考信号，其余设置均与实施例1相同。
设置工况为双机组开，气压22Mp，图6为用47.5Hz～52.5Hz的窄带滤波器滤波后的误差信号时域波形图，记录的时间长度为250s。可以看出，在50Hz所在窄带内，振动信号并不是单频信号且频率差异很小，两个空压机产生的振动线谱有所区别。这种同处于一个窄带内的多根线谱是本发明重点解决的情况。
实施例2运行了本发明方法，还以图3中加速度传感器c1作为参考信号运行了单参考多通道Fx-Newton方法，以示对比控制效果。
图7a给出了本发明方法与单参考方法在收敛步长相同情况下50Hz所在窄带内振动的均方误差收敛曲线对比。从图7a可知单参考方法不能够有效收敛，本发明方法具有较好的收敛性。而图7b给出了45Hz到180Hz内的线谱控制前后对比图，可以看出本发明方法能够保证大约10dB-30dB的收敛效果。

Claims (3)

1.一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法，其特征在于该方法步骤包括：
步骤1：将振动传感器分别置于振源附近采集参考信号L是传感器的个数，根据自适应控制滤波器采用自适应方法的收敛条件将控制频带划分M个频带，并设计相应的窄带滤波器，将参考信号输入窄带滤波器中，分别获得第m频带内第l个窄带参考信号
步骤2：对M个频带的所有窄带参考信号分别通过自适应控制器得到输出信号
式①中是第m频带对应于第l个参考信号的自适应控制器的时域系数，N为自适应控制器的阶数；
步骤3：分别将输出信号相加得到该频带内的控制信号ym(n)，其中ym(n)表示第m频带的控制信号；
步骤4：将M个频带的控制信号ym(n),m＝1,2,...,M叠加后得到全频带控制信号yo(n)，全频带控制信号yo(n)经次级通道S(z)到达误差振动传感器处，对误差振动传感器处的期望信号do(n)进行叠加后，得到误差信号eo(n)；
步骤5：用M个频带的窄带带通滤波器Bm(z),m＝1,2,...,M对误差信号eo(n)进行滤波，提取出各频段的窄带误差信号em(n)，其中Bm(z)表示第m频带的窄带带通滤波器，em(n)表示第m频带的线谱误差信号；
步骤6：对M个频带，用窄带带通滤波器Bm(z),m＝1,2,...,M对线谱参考信号再进行一次窄带滤波，得到信号然后每个频带段都进行估计次级通道模型滤波，得到M个频带的估计次级通道模型滤波后的参考信号
步骤7：对滤波后的参考信号和线谱误差信号em(n)，m＝1,2,...,M，使用窄带自适应方法对各自适应控制器的时域系数进行迭代调整；
步骤8：重复步骤1到步骤7，使以窄带误差信号的均方值为目标函数趋于零。
2.根据权利要求1所述的一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法，其特征在于：所述的步骤7中的窄带自适应方法为Fx-LMS或Fx-Newton。
3.根据权利要求1或2所述的一种机械主动隔振的多振源多参考窄带自适应方法，其特征在于：所述的步骤1中的振动传感器的数量小于或等于振源的数量。
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