CN112709712B - 一种主动噪声多变量控制设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种主动噪声多变量控制设计方法，包括确定噪声传递路径特征、选择鲁棒设计点、设计主动噪声控制率和控制确认；通过系统辨识，分别获得噪声源和扬声器到降噪位置各传递路径的频域传递函数；依据频域传递函数在复平面作图，并选取鲁棒设计点；并根据选取的鲁棒设计点坐标，设计主动噪声控制率；实时仿真以确认主动噪声控制率满足性能要求；若不满足则修改扬声器位置，重新开展优化设计；本发明提供的主动噪声多变量控制设计方法，相对于传统基于优化算法和递推最小二乘算法的设计方法，在针对多变量控制的情况下，不需要迭代而直接获得最优控制率；所获得的最优控制率能保证性能变量同时减小，具备优良的主动噪声控制性能。

Description

一种主动噪声多变量控制设计方法
技术领域
本发明涉及噪声控制技术领域，主要涉及一种主动噪声多变量控制设计方法。
背景技术
随着工业设备(如发动机，风扇、鼓风机、变压器和压缩机)使用频率的提高，噪音问题愈发严重，尤其是在运输系统中(例如，车辆、火车、飞机和船舶)、制造工厂、电气电器(如空调、冰箱、洗涤器，和吸尘器)，医疗设备(例如，磁共振成像(MRI)系统和婴儿孵化器和人类活动(例如，拥挤的公众，空间、办公室和卧室)。传统的被动控制技术，如耳塞、耳罩、隔音墙、消声器，和吸音材料，采用的是简单的物理方法，利用材料的各种特性，对噪声源采取隔离、减震、阻尼等方式来减弱噪声可以有效的减少中高频噪声的负面影响，但是，它们需要的材料体积较大，成本高昂，对于低频噪声的抑制效果不强且无效。为了克服被动降噪的缺陷，主动降噪越来越受到重视。
主动噪声控制(ANC)是一种基于叠加原理的电声技术，即由次级场声源生成具有相同振幅但相位相反的次级场噪声，从而在接收处降低初始声场的强度。因此，主动噪声控制采用“有源消声”技术，在结构上有一个内置麦克风和声学处理器，先通过麦克风收集外界的噪声，然后再通过处理器分析，产生反相的声波抵消噪声。众多应用表明，当噪音较大且持续时间较长时，主动降噪的降噪效果要明显优于被动降噪。因此，在技术创新方面，各国科研机构更专注于主动降噪方法的改进。
主动降噪技术的方法主要有前馈式和反馈式两种方式，前馈式主动降噪中噪音的消除回路是开环的，而反馈式主动降噪通过闭环回路反馈自动调节，降噪效果更好，但结构和电路也相对复杂。如专利CN104616650A公开了一种用于改善小空间内部声学环境的装置和方法，通过位于不同位置的反相噪声输出单元抵消噪声，属于前馈式主动降噪；而专利CN105298933A公开了一种用于轴流风扇的主动噪声控制装置及方法，该方法通过二次回路补偿噪声，属于反馈式主动降噪，可以看出，系统复杂度也显著增加。
不论前馈式主动降噪，还是反馈式主动降噪，目前的技术和方法均基于优化算法和递推最小二乘算法。这些方法在针对多变量控制的情况下，需要多次迭代才能找到最优解。不需要迭代而直接获得最优控制的主动噪声多变量控制方法，在目前的公开文献中，未见有相关方法的报道。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种主动噪声多变量控制设计方法，解决背景技术中所述问题，即不需要迭代而直接获得最优控制的主动噪声多变量控制方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种主动噪声多变量控制设计方法，包括以下步骤：
步骤S1、确定噪声传递路径特征；通过系统辨识，分别获得噪声源和扬声器到降噪位置各传递路径的频域传递函数如下所示：
Figure BDA0002805741770000021
其中y(jω)和z(jω)分别为待降噪处的噪声幅频特性，u(jω)为扬声器幅频特性，n(jω)为噪声源幅频特性；g11(jω)代表y(jω)到u(jω)的频域传递函数，g21(jω)代表z(jω)到u(jω)的频域传递函数，g12(jω)代表y(jω)到n(jω)的频域传递函数，g22(jω)代表z(jω)到n(jω)的频域传递函数；
步骤S2、选择鲁棒设计点；根据步骤S1所述频域传递函数，采用作图法确定鲁棒设计点，用于设计主动噪声控制率；具体地，
在复平面中，以(-1，0)为圆心、单位半径画圆，记为圆1；以(-G(jω)，0)为圆心、半径为|G(jω)|画圆，记为圆2，取两圆连接线在交集部分的中点，记为S(jω)；
其中
Figure BDA0002805741770000022
S(jω)为最佳鲁棒设计点，是复平面中的一条曲线，坐标为S(jω)＝a+bi，a和b为实数，i为虚数；
步骤S3、设计主动噪声控制率，根据步骤S2确定的最佳鲁棒点坐标，设计主动噪声控制率如下：
u(jω)＝K(jω)y(jω)
其中
Figure BDA0002805741770000023
步骤S4、对步骤S3设计的主动噪声控制率进行实时仿真，当主动噪声控制率不满足预设性能要求时，修改扬声器位置，并重复步骤S1-S3，重新计算主动噪声控制率。
进一步地，所述步骤S1中的系统辨识方法包括有限脉冲响应FIR和无限脉冲响应IIR两种方式。
有益效果：
本发明针对主动噪声控制，提出了一种主动噪声多变量控制设计方法。该方法相对于传统基于优化算法和递推最小二乘算法的设计方法，在针对多变量控制的情况下，不需要迭代而直接获得最优控制率；所获得的最优控制率能保证性能变量同时减小；该方法对实际工程具有重要价值。
附图说明
图1是本发明提供的主动噪声多变量控制设计方法流程图；
图2a是本发明实施例中辨识出的噪声传递路径g12(jω)特性图；
图2b是本发明实施例中辨识出的噪声传递路径g22(jω)特性图；
图3a是本发明实施例中主动噪声控制后y(jω)性能图；
图3b是本发明实施例中主动噪声控制后z(jω)性能图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示的一种主动噪声多变量控制设计方法，包括以下步骤：
步骤S1、确定噪声传递路径特征；通过系统辨识，分别获得噪声源和扬声器到降噪位置各传递路径的频域传递函数如下所示：
Figure BDA0002805741770000031
其中y(jω)和z(jω)分别为待降噪处的噪声幅频特性，u(jω)为扬声器幅频特性，n(jω)为噪声源幅频特性；g11(jω)代表y(jω)到u(jω)的频域传递函数，g21(jω)代表z(jω)到u(jω)的频域传递函数，g12(jω)代表y(jω)到n(jω)的频域传递函数，g22(jω)代表z(jω)到n(jω)的频域传递函数。
常用的系统辨识方法包括FIR(有限脉冲响应)和IIR(无限脉冲响应)，可获得噪声源和扬声器到降噪位置各传递路径的频域传递函数。本实施例中，将g11(jω)、g21(jω)、g12(jω)和g22(jω)辨识成IIR形式，辨识中采用了20阶IIR滤波器，以g12(jω)和g22(jω)为例，获得辨识结果如图2a-2b所示。
本实施例中设置待降噪处有2处，分别为y(jω)和z(jω)；实际实施过程中带降噪处可以有很多处，设计方法如上。
步骤S2、选择鲁棒设计点；根据步骤S1所述频域传递函数，采用作图法确定鲁棒设计点，用于设计主动噪声控制率；具体地，
在复平面中，以(-1，0)为圆心、单位半径画圆，记为圆1；以(-G(jω)，0)为圆心、半径为|G(jω)|画圆，记为圆2，取两圆连接线在交集部分的中点，记为S(jω)；
其中
Figure BDA0002805741770000041
S(jω)为最佳鲁棒设计点，是复平面中的一条曲线，坐标为S(jω)＝a+bi，a和b为实数，i为虚数。
连接圆1和圆2的圆心，由于两个圆同时过原点，因此两圆一直有交集。取两圆连接线在交集部分的中点，记为S(jω)，作为本步骤选择的鲁棒设计点。该点可以提供最强鲁棒性，因为即使上述g11(jω)、g21(jω)、g12(jω)和g22(jω)有不确定性，意味着圆2位置存在不确定性，但由于一直与圆1存在交集，且交集不确定性以S(jω)为中心变化，因此S(jω)点是鲁棒设计的最佳选择。
在实施例中，噪声频率范围设置为50-250Hz，由图2a-2b可看到g12(jω)和g22(jω)的频率响应特性，且在此范围内系统辨识精度也较高。现在于50-250Hz范围内，令频率ω间隔5Hz分别取值，在ω＝50Hz、ω＝55Hz、ω＝60Hz、…、ω＝250Hz，针对上述每个频率点ωi，对应的鲁棒设计点记为S(jωi)，如此，在50-250Hz频率带内的作图，将所有的鲁棒设计点相连则为复平面的一条连续曲线。
步骤S3、设计主动噪声控制率，根据步骤S2确定的最佳鲁棒点坐标，设计主动噪声控制率如下：
u(jω)＝K(jω)y(jω)
其中
Figure BDA0002805741770000051
本实施例中，对应50-250Hz范围内ω＝50Hz、ω＝55Hz、ω＝60Hz、…、ω＝250Hz的每个频率点，得到S(jωi)及其坐标值，分别计算对应的K(jω)作为相应的控制率。可见，本发明提出的主动噪声多变量控制方法，不需要迭代而可以直接获得最优控制。
步骤S4、对步骤S3设计的主动噪声控制率进行实时仿真，当主动噪声控制率不满足预设性能要求时，修改扬声器位置，并重复步骤S1-S3，重新计算主动噪声控制率。
具体地，实时仿真以确认步骤S3设计的主动噪声控制设计。如上所述，该设计可确保y(jω)和z(jω)同时减小，但如果减小程度不满足性能要求，则原因在于步骤S2中圆1和圆2的交集面积太小，此时可修改扬声器的位置，从而修改g11(jω)和g21(jω)的值；合适的修正值可增加圆1和圆2的交集面积，并可证明步骤S2选择的鲁棒设计点可使得步骤S3得到的主动噪声控制率能进一步将y(jω)和z(jω)减小。
实时仿真结果如图3a-3b所示，可以明显看出，相应的y(jω)和z(jω)几乎同时被完全衰减，因此本发明提供的主动噪声控制设计方法极大提高了系统性能，具备优良的噪声抑制性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种主动噪声多变量控制设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、确定噪声传递路径特征；通过系统辨识，分别获得噪声源和扬声器到降噪位置各传递路径的频域传递函数如下所示：
Figure FDA0003490189740000011
其中y(jω)和z(jω)分别为待降噪处的噪声幅频特性，u(jω)为扬声器幅频特性，n(jω)为噪声源幅频特性；g11(jω)代表y(jω)到u(jω)的频域传递函数，g21(jω)代表z(jω)到u(jω)的频域传递函数，g12(jω)代表y(jω)到n(jω)的频域传递函数，g22(jω)代表z(jω)到n(jω)的频域传递函数；
步骤S2、选择最佳鲁棒设计点；根据步骤S1中的频域传递函数，采用作图法确定最佳鲁棒设计点，用于设计主动噪声控制率；具体地，
在复平面中，以(-1，0)为圆心、单位半径画圆，记为圆1；以(-G(jω))为圆心、半径为|G(jω)|画圆，记为圆2，取两圆连接线在交集部分的中点，记为S(jω)；
其中
Figure FDA0003490189740000012
S(jω)为最佳鲁棒设计点，是复平面中的一条曲线，坐标为S(jω)＝a+bi，a和b为实数，i为虚数；
步骤S3、设计主动噪声控制率，根据步骤S2确定的最佳鲁棒设计点坐标，设计主动噪声控制率如下：
u(jω)＝K(jω)y(jω)
其中
Figure FDA0003490189740000013
步骤S4、对步骤S3设计的主动噪声控制率进行实时仿真，当主动噪声控制率不满足预设性能要求时，修改扬声器位置，并重复步骤S1-S3，重新计算主动噪声控制率。
2.根据权利要求1所述的一种主动噪声多变量控制设计方法，其特征在于，所述步骤S1中的系统辨识方法包括有限脉冲响应FIR和无限脉冲响应IIR两种方式。
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主动式入室噪音消除装置配置仿真设计;陈鹤铭等;《科技资讯》;20191130;全文 *

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