CN108646598B - 一种适于小型化的低阶模拟反馈控制器及其设计方法 - Google Patents

一种适于小型化的低阶模拟反馈控制器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种适于小型化的低阶模拟反馈控制器。该控制器包括一个或多个带通滤波器，用来设定最基本的单频降噪特性；增益调节电路，用来设定单频需要的最大降噪量；求和电路，用来实现多个谐波降噪特性；滞后‑超前校正电路，用来保证系统稳定性和水床效应；其中，每个带通滤波器连接一个增益调节电路；所有增益调节电路的输出连接到求和电路；所述求和电路的输出与滞后‑超前校正电路连接。本发明具有设计方法简单，滤波器阶数低，易于控制器小型化和集成电路实现的显著优点。

Description

一种适于小型化的低阶模拟反馈控制器及其设计方法
技术领域
本发明涉及有源噪声控制系统的模拟反馈控制，针对控制器小型化需求提出了一种低阶模拟反馈控制器及其设计方法。
背景技术
众多应用场合对于控制器的小型化需求是迫切的，如有源耳机需要小型化的控制器以便于佩戴，多通道有源控制系统需要小型化的控制器降低系统的复杂度等。众所周知，有源噪声控制器主要分为两大类，数字控制器和模拟控制器。相对于数字控制器，模拟控制器具有低成本的显著优点，且易于采用集成电路实现以进一步缩小体积。
目前的反馈控制器方法主要是将实际的性能需求转化为各种设计标准和约束条件以进行优化求解，比如H∞，H2，H2/H∞，水床展平等方法，得到的优化解通常采用数字滤波器实现，若用模拟滤波器实现往往需要的阶数较高，这增加了控制器实现的复杂性，不利于集成电路实现和控制器的小型化，为此需要设计一种低阶模拟反馈控制器。
发明内容
为了满足控制器小型化和集成电路设计的需求，本发明提出了一种低阶模拟反馈控制器及其设计方法。
本发明的控制器采用的技术方案为：
一种适于小型化的低阶模拟反馈控制器，包括：一个或多个带通滤波器，用来设定最基本的单频降噪特性；增益调节电路，用来设定单频需要的最大降噪量；求和电路，用来实现多个谐波降噪特性；滞后-超前校正电路，用来保证系统稳定性和水床效应；其中，每个带通滤波器连接一个增益调节电路；所有增益调节电路的输出连接到求和电路；所述求和电路的输出与滞后-超前校正电路连接。
所述带通滤波器的传递函数H1为：
Figure BDA0001650762380000011
式中，s为拉普拉斯变换算子，A0为增益，ωp为中心频率，Qp为品质因数。带通滤波器的个数可以根据降噪目标的谐波个数来确定，其中心频率可以根据降噪频率来确定，品质因数建议取20，以保证窄带降噪效果和系统的稳定性。
所述滞后-超前校正电路的传递函数H2为：
Figure BDA0001650762380000021
其中s为拉普拉斯变换算子；a和T1为超前校正部分的因子，若最大超前相角为
Figure BDA00016507623800000211
Figure BDA0001650762380000022
最大超前相角
Figure BDA0001650762380000023
对应的角频率
Figure BDA0001650762380000024
b和T2为滞后校正部分的因子，若最大滞后相角为
Figure BDA0001650762380000025
最大滞后相角
Figure BDA0001650762380000026
对应的角频率
Figure BDA0001650762380000027
系数
Figure BDA0001650762380000028
本发明上述一种适于小型化的低阶模拟反馈控制器的设计方法，包括如下步骤：
1)获取次级路径频率特性函数G；
2)根据降噪目标设定带通滤波器的个数，并设定带通滤波器的中心频率以及品质因数，可以得到带通滤波器的频率特性函数H′；
3)基于公式NR＝20lg|1+G H′|，根据最大降噪量、降噪频率处的次级路径幅度和带通滤波器中心频率处的增益确定增益比例大小；其中，NR代表以分贝表示的噪声衰减；
4)确定最大超前相角
Figure BDA0001650762380000029
和其对应的超前频率ωm1，确定最大滞后相角
Figure BDA00016507623800000210
其对应的滞后频率ωm2，最大滞后频率位于降噪目标的低频端，最大超前频率位于降噪目标的高频端，以增加系统的稳定裕量，进而减少系统的水床效应；至此可以得到控制器的频率特性函数H；
5)依据开环频率特性函数GH的Nyquist曲线是否包围Nyquist点，查看控制器的稳定性，若包围，表示控制器不稳定，则回到步骤3)重新调整滞后频率、超前频率和控制器的增益，直到控制器达到稳定；
6)基于公式NR＝20lg|1+GH|查看系统的最大降噪量、降噪频率和最大噪声放大量是否符合要求，若最大噪声放大量不符合要求，则回到步骤4)重新调整滞后频率、超前频率、滞后相角和超前相角，直到满足要求。
上述步骤中的调整方法，可以用手工调节，也可以用程序自动调整。
本发明的控制器基于带通滤波器和超前滞后校正环节进行窄带和谐波噪声的模拟反馈控制，具有设计方法简单，滤波器阶数低，易于控制器小型化和集成电路实现的显著优点。
附图说明
图1是本发明控制器的实现框图。
图2是本发明实施例中带通滤波器和增益调节电路图。
图3是本发明实施例中滞后-超前校正电路图。
图4是本发明实施例中次级路径频率特性，(a)幅频特性，(b)相频特性。
图5是本发明实施例中控制器频率特性，(a)幅频特性，(b)相频特性。
图6是本发明实施例中开环传递函数的Nyquist图。
图7是本发明实施例中降噪性能仿真曲线。
具体实施方式
如图1所示的框图，本发明的控制器包括一个或多个带通滤波器、增益调节电路、求和电路、滞后-超前校正电路，其中，一个或多个带通滤波器，用来设定最基本的单频降噪特性；增益调节电路，用来设定单频需要的最大降噪量；求和电路，用来实现多个谐波降噪特性；滞后-超前校正电路，用来保证系统稳定性和水床效应。每个带通滤波器连接一个增益调节电路；增益调节电路的输出连接到求和电路；求和电路的输出与滞后-超前校正电路连接。
本实施例中选择变压器噪声为例。变压器噪声是以输电频率的谐波为主的噪声。当输电频率为50Hz时，在100Hz、200Hz、300Hz处的噪声通常高于本底噪声10dB以上。因此设计目标主要是针对100Hz、200Hz、300Hz三个频率进行降噪，最大降噪量定为15dB。
本发明所提的低阶模拟反馈控制器，带通滤波器具体可以采用附图2的A部分实现，其传递函数H1可以表达为：
Figure BDA0001650762380000031
式中，s为拉普拉斯变换算子，增益
Figure BDA0001650762380000032
中心频率
Figure BDA0001650762380000033
品质因数
Figure BDA0001650762380000034
反馈增益
Figure BDA0001650762380000035
若R1＝R2＝R3＝R、C1＝C2＝C，有
Figure BDA0001650762380000036
增益调节电路可以采用附图2的B部分实现，其比例K＝Rm/(Rm+Rn)。
滞后-超前校正的实现电路可以采用附图3的结构，其传递函数H2为：
Figure BDA0001650762380000041
其中s为拉普拉斯变换算子；
Figure BDA0001650762380000042
T1＝(R1//R2)C1为超前校正部分的因子，若最大超前相角为
Figure BDA0001650762380000043
Figure BDA0001650762380000044
最大超前相角对应的角频率
Figure BDA0001650762380000045
T2＝R4C2为滞后校正部分的因子，若最大滞后相角为
Figure BDA0001650762380000046
最大滞后相角对应的角频率
Figure BDA0001650762380000047
具体设计步骤如下：
1)获取次级路径频率特性函数：在消声室里搭建实验系统，误差传声器距离次级扬声器距离为20cm。次级路径频率特性如附图4所示，在100-500Hz比较平坦。
2)根据降噪设计目标，设定三个带通滤波器，其中心频率分别为100Hz、200Hz、300Hz器，品质因数均设定为20，降噪量均设定为15dB，得到附图2所示的带通滤波器电路参数。
3)基于公式NR＝20lg|1+G H′|，其中，H′为带通滤波器的频率特性函数，根据最大降噪量、降噪频率处的次级路径幅度和带通滤波器中心频率处的增益确定增益调节比例大小，得到附图2所示的增益调节电路参数。
4)设置最大超前相角为58°，设置最大超前相角对应的频率为1000Hz。为了避免最大滞后相角对100Hz的影响，设置最大滞后相角对应的频率为50Hz，最大滞后相角为65°，可得附图3所示的滞后超前校正电路参数。至此所得控制器频率特性如附图5所示，在100Hz，200Hz和300Hz处有明显的增益尖峰，低频端呈现相位滞后，高频端呈现相位超前。
5)设计所得模拟控制器频率特性和次级路径频率特性构成的系统开环传递函数Nyquist曲线如附图6所示，可见没有包围Nquist(-1,j0)点，系统稳定。
6)基于公式NR＝20lg|1+GH|计算所得系统的降噪特性如附图7所示，在100Hz，200Hz和300Hz的噪声衰减量均在12dB左右，最大噪声放大量为5.7dB，达到了预期的设计目标。
上述实施例说明本发明所提出的控制器及其设计方法的可行性。

Claims (6)

1.一种适于小型化的低阶模拟反馈控制器，其特征在于，包括：
一个或多个带通滤波器，用来设定最基本的单频降噪特性；所述带通滤波器的品质因数Qp的值取20；
增益调节电路，用来设定单频需要的最大降噪量；
求和电路，用来实现多个谐波降噪特性；
滞后-超前校正电路，用来保证系统稳定性和水床效应；
其中，每个带通滤波器连接一个增益调节电路；所有增益调节电路的输出连接到求和电路；所述求和电路的输出与滞后-超前校正电路连接；
所述控制器的设计方法包括如下步骤：
1)获取次级路径频率特性函数G；
2)根据降噪目标设定带通滤波器的个数，并设定带通滤波器的中心频率以及品质因数，可以得到带通滤波器的频率特性函数H′；其中品质因数的值取20；
3)基于公式NR＝20lg|1+G H′|，根据最大降噪量、降噪频率处的次级路径幅度和带通滤波器中心频率处的增益确定增益比例大小；其中，NR代表以分贝表示的噪声衰减；
4)确定最大超前相角
Figure FDA0003216985130000011
和其对应的超前频率ωm1，确定最大滞后相角
Figure FDA0003216985130000012
和其对应的滞后频率ωm2，最大滞后频率位于降噪目标的低频端，最大超前频率位于降噪目标的高频端；至此可以得到控制器的频率特性函数H；
5)依据开环频率特性函数GH的Nyquist曲线是否包围Nyquist点，查看控制器的稳定性，若包围，表示控制器不稳定，则回到步骤3)重新调整滞后频率、超前频率和控制器的增益，直到控制器达到稳定；
6)基于公式NR＝20lg|1+GH|查看系统的最大降噪量、降噪频率和最大噪声放大量是否符合要求，若最大噪声放大量不符合要求，则回到步骤4)重新调整滞后频率、超前频率、滞后相角和超前相角，直到满足要求。
2.根据权利要求1所述的一种适于小型化的低阶模拟反馈控制器，其特征在于，所述带通滤波器的传递函数H1为：
Figure FDA0003216985130000013
式中，s为拉普拉斯变换算子，A0为增益，ωp为中心频率，Qp为品质因数。
3.根据权利要求1所述的一种适于小型化的低阶模拟反馈控制器，其特征在于，所述滞后-超前校正电路的传递函数H2为：
Figure FDA0003216985130000021
其中s为拉普拉斯变换算子；a和T1为超前校正部分的因子，若最大超前相角为
Figure FDA0003216985130000022
Figure FDA0003216985130000023
最大超前相角
Figure FDA0003216985130000024
对应的角频率
Figure FDA0003216985130000025
b和T2为滞后校正部分的因子，若最大滞后相角为
Figure FDA0003216985130000026
Figure FDA0003216985130000027
最大滞后相角
Figure FDA0003216985130000028
对应的角频率
Figure FDA0003216985130000029
系数
Figure FDA00032169851300000210
4.根据权利要求1所述的一种适于小型化的低阶模拟反馈控制器，其特征在于，所述滞后-超前校正电路中，超前校正部分设置在关注频率的高频段，滞后校正部分设置在关注频率的低频段。
5.根据权利要求1所述的一种适于小型化的低阶模拟反馈控制器，其特征在于，所述步骤4)中，最大超前相角
Figure FDA00032169851300000211
和最大滞后相角
Figure FDA00032169851300000212
设定为30°-70°之间。
6.根据权利要求1所述的一种适于小型化的低阶模拟反馈控制器，其特征在于，所述步骤6)中，若最大噪声放大量大于6dB，则不符合要求。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113189919B (zh) * 2021-05-26 2022-06-17 广东电网有限责任公司 一种高频噪声功率增益的控制系统及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102176668A (zh) * 2011-02-24 2011-09-07 南京大学 一种变压器噪声有源控制算法
CN103632009A (zh) * 2013-12-13 2014-03-12 南京大学 一种模拟反馈有源降噪耳机的设计方法
CN105675122A (zh) * 2016-01-25 2016-06-15 南京大学 一种噪声源位置快速识别方法
CN106788327A (zh) * 2015-11-25 2017-05-31 南京大学 一种新型接触与非接触检测兼用的传感器电路
CN107764874A (zh) * 2016-08-15 2018-03-06 南京大学 一种新型主动噪声控制生物传感器

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2247808A1 (en) * 1996-06-05 1997-12-11 Cooper Tire & Rubber Company Active feedback control system for transient narrow-band disturbance rejection over a wide spectral range
JP3850673B2 (ja) * 2001-03-19 2006-11-29 シャープ株式会社 自動利得制御方法、および、自動利得制御回路
CN103971908B (zh) * 2014-05-06 2016-03-09 国家电网公司 一种变压器噪声抑制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102176668A (zh) * 2011-02-24 2011-09-07 南京大学 一种变压器噪声有源控制算法
CN103632009A (zh) * 2013-12-13 2014-03-12 南京大学 一种模拟反馈有源降噪耳机的设计方法
CN106788327A (zh) * 2015-11-25 2017-05-31 南京大学 一种新型接触与非接触检测兼用的传感器电路
CN105675122A (zh) * 2016-01-25 2016-06-15 南京大学 一种噪声源位置快速识别方法
CN107764874A (zh) * 2016-08-15 2018-03-06 南京大学 一种新型主动噪声控制生物传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
变压器噪声的反馈有源控制方法研究;张丽敏;《中国博士学位论文全文数据库》;20130415;第C042-14页 *

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