CN117311406A - 一种基于反馈fxlms算法的振动主动控制方法、测试方法、装置、车辆、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法、测试方法、装置、车辆、设备及介质，可重现FXLMS算法所需的参考信号输入，实现对控制信号的计算和实时调整，避免了前馈控制系统获取参考信号困难，导致在AVC实际应用中不稳定的问题。该方法包括：获取误差传感器当前时间步在当前时间步内连续采集的被测板件因外界激励而产生的初始响应；根据所述初始响应和预先设定的初级通路传递特性函数，重现外界激励在当前时间步内给被测板件施加的激励信号；初级通路为外界激励在被测板件上的激励点到误差传感器的传递路径；将在当前时间步内重现的全部激励信号作为参考信号输入FXLMS算法中，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
Description
技术领域
本发明属于整车NVH技术领域，用于减弱汽车的薄壁板件的低频振动及辐射声，具体涉及到一种基于反馈控制的FXLMS自适应振动主动控制方法、测试方法、装置、车辆、设备及介质。
背景技术
随着汽车工业的不断发展，汽车的舒适性成为重要的评定指标，NVH性能很大程度上影响着车内乘客的乘车体验，对NVH性能的管控一般是通过各种手段降低传递至车内人耳处的噪声，减少振动噪声给乘客带来的不适感。除此之外，车内薄壁板件(如顶棚、地板或背门)的振动会导致低频噪声，处于30Hz以下的低频噪声通常不会被人耳听到，但是会导致压耳等不舒服的感觉，而位于30-50Hz之间的低频噪声会导致敲鼓声，使得车内乘客称作体验感差。对于低频噪声的传统控制方法主要有增加质量块或吸振器等方法，控制灵活性差且会增加车体重量，不利于轻量化。随着数字滤波和智能化技术的发展，噪声主动控制(ANC,ActiveNoiseControl)技术可以用于改善汽车NVH性能。
ANC技术包括源头控制和以声消声两种类型，振动主动控制(AVC,ActiveVibrationControl)属于从源头上控制的类型，可以减弱板件振动导致的低频振动及辐射声。AVC技术的原理是通过控制器产生一个控制力，作用于控制对象(振动板件)上，与原始激励产生的振动响应相抵消，达到减小板件表面振动速度，从而抑制板件辐射噪声发的效果。AVC系统通过传感器测量到控制对象表面的振动速度，将振动速度信号传递给控制器，控制器通过相应的控制算法对输入信号进行处理，输出一个控制力作用与控制对象上，达到振动控制效果。
经典的控制类型有前馈控制和反馈控制两种。前馈控制是一种开环系统，需要根据外界干扰信号来对控制器进行设计，因此要提前获取与激励源相关的参考信号。反馈控制是一种不需要提前获取外界激励信息，只根据误差信号就能实现控制的闭环控制方法。FXLMS(Fliter-xLeastMeanSquare)是经典的ANC控制算法，通过滤波的方式对输入信号进行处理，输出控制信号。FXLMS算法是一种自适应控制算法，可以根据系统的响应特性实时调整控制参数，因此与经典控制算法(如PID控制)相比，实用性更强。
FXLMS算法需要对参考信号进行加权处理，因此通常与前馈系统进行结合。例如CN109932906提出一种基于拓展次级通道的前馈FXLMS算法，用于控制汽车发动机主动悬置内的作动器，使得作动器产生一个可以抵消振动响应的激励力，从而通过主动悬置抑制发动机的振动问题。该方法虽然在仿真中取得了较好的效果，但在工程应用中，对于汽车上的板件来说，导致振动的激励源和激励路径往往很复杂，难以提前获取参考信号，前馈控制效果不稳定。
FXLMS方法中的参考信号需要与外界激励相关，为了解决难以实时测得外界激励的问题，CN110794681A提出一种针对窄带主动振动系统的前馈FXLMS滤波方法，根据振动响应信号合成参考信号，代替输入端的参考信号采集，取得了良好的抑振效果。但是该方法的参考信号是人为合成的，与实际激励信号有一定的差异，会导致控制精度和控制效果不够。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法、测试方法、装置及车辆，可以通过重现FXLMS算法所需的参考信号输入，实现对控制信号的计算和实时调整，避免了前馈控制系统获取参考信号困难，导致在AVC实际应用中不稳定的问题。
本发明的技术方案为：
本发明提供了一种基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法，包括：
获取误差传感器当前时间步在当前时间步内采集的被测板件因外界激励而产生的连续多个初始响应；
根据连续多个初始响应和预先设定的初级通路传递特性函数，重现外界激励在当前时间步内给被测板件施加的激励信号；初级通路为外界激励在被测板件上的激励点到误差传感器的传递路径；
将在当前时间步内重现的全部激励信号作为参考信号输入FXLMS算法中，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
优选地，根据连续多个初始响应和预先设定的初级通路传递特性函数，重现外界激励在当前时间步内给被测板件施加的激励信号的步骤，包括：
对误差传感器在当前时间步内的各个时刻所采集到的初始响应分别进行傅里叶变换得到各个时刻的频域响应；
基于各个时刻的频域响应和预先设定的初级通路传递特性函数，利用时域卷积、频域乘积的原理得到各个时刻的频域激励信号；
对各个时刻的频域激励信号进行傅里叶逆变换，得到各个时刻的时域激励信号。
优选地，将在当前时间步内重现的激励信号作为参考信号输入FXLMS算法中，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号的步骤，包括：
基于前一时间步迭代时得到的参考信号和前一时间步迭代后的误差响应，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数；
基于在当前时间步内重现的全部激励信号，生成参考信号序列向量；
基于参考信号序列向量和由FXLMS滤波器得到的当前时间步迭代时的滤波权值系数，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
优选地，基于前一时间步迭代时得到的参考信号和前一时间步迭代后的误差响应，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数的步骤，包括：
获取前一时间步迭代时得到的参考信号经过次级通路的估计之后得到的滤波参考信号；次级通路为作动器在被测板件上的作用点到误差传感器的传递路径；
获取基于前一时间步迭代时的初始响应和前一时间步迭代后得到的控制响应得到的误差信号；
将前一时间步迭代时的滤波权值系数、滤波参考信号和误差信号输入FXLMS滤波器中，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数；
其中，第一个时间步迭代时的滤波权值系数为0。
优选地，预先设定的初级通路传递特性函数通过初级通路辨识实验得出。
优选地，所述方法还包括：
将控制信号与预先设定的次级通路传递特性函数进行卷积，得到当前时间步迭代时误差传感器处的控制响应；
根据当前时间步迭代时的初始响应和误差传感器处的控制响应，得到当前时间步迭代后的误差信号。
优选地，预先设定的次级通路传递特性函数通过次级通路辨识实验得出。
本发明提供了一种基于反馈FXLMS的振动主动控制装置，包括：
获取模块，用于获取误差传感器当前时间步在当前时间步内采集的被测板件因外界激励而产生的连续多个初始响应；
参考信号重现模块，用于根据连续多个初始响应和预先设定的初级通路传递特性函数，重现外界激励在当前时间步内给被测板件施加的激励信号；初级通路为从被测板件上的激励点到误差传感器的传递路径；
控制信号输出模块，用于将在当前时间步内重现的全部激励信号作为参考信号输入FXLMS算法中，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
优选地，参考信号重现模块包括：
频域响应输出单元，用于对误差传感器在当前时间步内的各个时刻所采集到的初始响应分别进行傅里叶变换得到各个时刻的频域响应；
频域激励信号输出单元，用于基于各个时刻的频域响应和预先设定的初级通路传递特性函数，利用时域卷积、频域乘积的原理得到各个时刻的频域激励信号；
时域激励信号输出单元，用于对各个时刻的频域激励信号进行傅里叶逆变换，得到各个时刻的时域激励信号。
优选地，控制信号输出模块包括：
FXLMS滤波权值系数确定单元，用于基于前一时间步迭代时得到的参考信号和前一时间步迭代后的误差响应，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数；
参考信号序列向量确定单元，用于基于在当前时间步内重现的全部激励信号，生成参考信号序列向量；
控制信号确定单元，用于基于参考信号序列向量和由FXLMS滤波器得到的当前时间步迭代时的滤波权值系数，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
优选地，FXLMS滤波权值系数确定单元包括：
滤波参考信号获取子单元，用于获取前一时间步迭代时得到的参考信号经过次级通路的估计之后得到的滤波参考信号；次级通路为作动器到误差传感器的传递路径；
误差信号获取子单元，用于获取基于前一时间步迭代时的初始响应和前一时间步迭代后得到的控制响应得到的误差信号；
滤波权值系数确定子单元，用于基于前一时间步迭代时的滤波权值系数、滤波参考信号和误差信号，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数；
其中，第一个时间步迭代时的滤波权值系数为0。
优选地，所述装置还包括：
控制响应确定模块，用于将控制信号与预先设定的次级通路传递特性函数进行卷积，得到当前时间步迭代时误差传感器处的控制响应；
误差信号确定模块，用于根据当前时间步迭代时的初始响应和误差传感器处的控制响应，得到当前时间步迭代后的误差信号。
本发明还提供了一种基于反馈FXLMS的振动主动控制测试方法，包括：
选择测试板件，并建立测试板件与误差传感器、作为作动器的压电陶瓷及作为外界激励源的激振器的连接，误差传感器、压电陶瓷及激振器同控制器电连；
控制器获取误差传感器当前时间步在当前时间步内采集的测试板件因激振器而产生的连续多个初始响应；
根据连续多个初始响应和预先设定的初级通路传递特性函数，重现外界激励在当前时间步内给测试板件施加的激励信号；初级通路为从激振器在被测试件上的激励点到误差传感器的传递路径；
将在当前时间步内重现的全部激励信号作为参考信号输入FXLMS算法中，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
优选地，通过对激振器在测试板件的激励点到误差传感器构成的初级通路做初级通路辨识实验得到初级通路传递特性函数。
优选地，所述方法还包括：
将控制信号与预先设定的次级通路传递特性函数进行卷积，得到当前时间步迭代时误差传感器处的控制响应；
根据当前时间步迭代时的初始响应和误差传感器处的控制响应，得到当前时间步迭代后的误差信号。
优选地，通过对压电陶瓷在测试板件上的作用点到误差传感器构成的次级通路做此级通路辨识实验得到次级通路传递特性函数。
本发明还提供了一种车辆，包括上述的基于反馈FXLMS的振动主动控制装置。
本发明还提供了一种控制设备，包括处理器，存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行时实现如上述的基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法的步骤。
本发明还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如上述的基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法的步骤。
本发明的有益效果为：
通过对连续多个初始响应和初级通路传递特性函数反推来重现得到激励源在一个时间步内的激励信号，重现得到的激励信号作为反馈FXLMS算法中所需的参考信号，而不是采用现有技术中的前馈FXMMS控制时直接对激励信号做采集，对被测板件上的响应信号采集方式更为简便、准确，能够克服直接对激励信号采集时存在外界干扰的问题及激励源复杂导致的激励源无法确定的问题。具体来说：(1)使用反馈FXLMS算法，可克服外界干扰，适用于外界激励较复杂，激励源难以确定的情况，因此适用场景比前馈控制系统更多；(2)使用傅里叶变换对，对反馈FXLMS算法的参考信号进行重现，避免了前馈控制时获取参考信号困难，在AVC实际应用中不稳定的问题，且所重现的参考信号复现了外界真实激励信号，避免了人为合成参考信号所带来的参考信号与外界真实激励信号相关性差的问题，可以使FXLMS算法更好地针对外界真实激励进行自适应更新，兼顾了准确性和实用性的优点。
附图说明
图1为实现板件振动主动控制的系统示意图；
图2为基于反馈的FXLMS控制算法的原理图；
图3为基于LMS的通路辨识模型；
图4为基于反馈FXLMS的响应与误差信号；
图5为基于前馈FXLMS的响应与误差信号；
图6为本实施例中的振动主动控制方法的示意图；
图7为本实施例中的振动主动控制方法的示意图；
图8为本实施例中的振动主动控制装置的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
由于现有技术中对板件的噪声主动控制是基于前馈控制，前馈控制时是直接对激励信号做采集，而由于外界干扰及外界激励源可能存在多个，导致传统方案中对激励信号直接采集的方案存在复杂、采集困难的问题。为此，本申请中提供了一种基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法，如图6所示，该方法包括：
步骤S101，获取误差传感器当前时间步在当前时间步内采集的被测板件因外界激励而产生的连续多个初始响应；
步骤S102，根据连续多个初始响应和预先设定的初级通路传递特性函数，重现外界激励在当前时间步内给被测板件施加的激励信号；初级通路为外界激励在被测板件上的激励点到误差传感器的传递路径；
步骤S103，将在当前时间步内重现的全部激励信号作为参考信号输入FXLMS算法中，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
本实施例中，在车辆上容易发生振动的车内薄壁板件(如顶棚、地板或背门)处布置有误差传感器，误差传感器用于对这些车内薄壁板件处的响应进行采集。具体来说，误差传感器定周期地对车内薄壁板件做响应采集，在一个FXLMS滤波器的时间步内，误差传感器会持续采集多次响应数据，即可以得到多个d(t)。本实施例中，误差传感器在当前时间步内采集的响应次数是根据反馈FXLMS算法中的滤波器的一个时间步长度确定的，例如，滤波器的一个时间步长度为128，则限定误差传感器会在当前时间步内对车内薄壁板件进行128次的响应采集。
误差传感器采集到的数据经过A/D转换后，传递给控制器。
对于控制器来说，其需要结合该时间步内采集的128个响应数据来重现激励信号。本实施例中，该步骤S102包括：
步骤S1021，对误差传感器在当前时间步内的各个时刻所采集到的初始响应分别进行傅里叶变换得到各个时刻的频域响应；
步骤S1022，基于各个时刻的频域响应和预先设定的初级通路传递特性函数，利用时域卷积、频域乘积的原理得到各个时刻的频域激励信号；
步骤S1023，对各个时刻的频域激励信号进行傅里叶逆变换，得到各个时刻的时域激励信号。
具体来说，在当前时间步内，假设误差传感器在t时刻(t表示当前时间步内128个信号采集时刻中的任意时刻)采集到的初始响应为d(t)，通过对t时刻的初始响应d(t)做傅里叶变换得到t时刻的频域信号D(jω)，其中，进而，利用时域卷积，频域乘积的原理可以得到激励信号的频域表达形式，X(jω)＝D(jω)/H(jω)，其中，H(jω)为初级通路传递特性函数，其通过预先进行初级通路辨识实验得出，即在实车应用中，初级通路传递特性函数为预设的函数。再一步，对X(jω)进行傅里叶逆变换可以复现t时刻的时域激励信号x(t)，即/>重复上述步骤，就可以得到该时间步内的全部时刻的时域激励信号。
然后，通过对该时间步内的128个采集时刻的时域激励信号x(1)至x(128)组成的序列向量作为本时间步迭代输入的参考信号x(n)。此处，n指时间步n，例如，当n指当前时间步时，n-1指前当前时间步并且n+1指下当前时间步。
对于上述的步骤S103来说，其具体包括：
步骤S1031，基于前一时间步迭代时得到的参考信号x(n-1)和前一时间步迭代后的误差响应y(n-1)，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数w(n)；
步骤S1032，基于在当前时间步内重现的全部激励信号(即x(1)至x(128))，生成参考信号序列向量x(n)；
步骤S1033，将参考信号序列向量x(n)和由FXLMS滤波器得到的当前时间步迭代时的滤波权值系数w(n)，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号y(n)。
步骤S1031中，要得到当前时间步迭代时的滤波权值系数w(n)，需要：
通过获取前一时间步迭代时得到的参考信号x(n-1)经过次级通路的估计之后得到的滤波参考信号x'(n-1)；次级通路为作动器在被测板件上的作用点到误差传感器的传递路径；此处，其中，g'2为对次级通路传递特性g2进行估计得到的结果，L为加权阶数。
获取基于前一时间步迭代时的初始响应d(n-1)和前一时间步迭代后得到的控制响应y'(n-1)得到的误差信号e(n-1)；误差信号e(n-1)为初始响应d(n-1)和控制响应y'(n-1)的差值。
进而，将前一时间步迭代时的滤波权值系数w(n-1)、滤波参考信号x'(n-1)和误差信号e(n-1)输入FXLMS滤波器中，经过FXLMS自适应滤波方法得到当前时间步迭代时的滤波权值系数w(n)；即得到w(n)＝w(n-1)+2μe(n-1)x'(n-1)，μ表示FXLMS滤波器的步长因子，通过预先设置，μ的取值在0-1之间，如为0.04等。其中，在第一个时间步迭代时的滤波权值系数w(1)为0。
如图7，本发明实施例中，该方法还包括：
步骤S104，将控制信号y(n)与预先设定的次级通路传递特性g2进行卷积，得到当前时间步迭代时误差传感器处的控制响应y'(n)；其中，y'(n)＝g2*y(n)，次级通路传递特性g2是通过对次级通路辨识实验得出；
步骤S105，根据当前时间步迭代时的初始响应d(n)和误差传感器处的控制响应y'(n)，得到当前时间步迭代后的误差信号e(n)，即e(n)＝d(n)-y'(n)。
本实施例上述方法，通过对初始响应和初级通路传递特性函数反推来重现得到激励源的激励信号x(t)，重现得到的激励信号号x(t)作为反馈FXLMS算法中所需的参考信号，而不是采用现有技术中的前馈FXMMS控制时直接对激励信号做采集，对被测板件上的响应信号采集方式更为简便、准确，能够克服直接对激励信号采集时存在外界干扰的问题及激励源复杂导致的激励源无法确定的问题。具体来说：(1)使用反馈FXLMS算法，可克服外界干扰，适用于外界激励较复杂，激励源难以确定的情况，因此适用场景比前馈控制系统更多；(2)使用傅里叶变换对，对反馈FXLMS算法的参考信号进行重现，避免了前馈控制时获取参考信号困难，在AVC实际应用中不稳定的问题，且所构建的信号复现了外界激励信号，兼顾了准确性和实用性的优点。
本实施例，还提供了一种验证上述振动主动控制方法有效性的方法，该方法，如图1，本实施例中，实现板件的振动主动控制测试时所需要用到的主要组成部件有测试板件、激振器、误差传感器、集成控制算法的控制器、压电陶瓷、压电陶瓷驱动电源、功率放大器。在主动控制系统中，输入信号为由激振器产生的激励信号模拟外界激励，集成控制器针对测试板件对外界激励产生的初始响应进行处理，输出一个可以控制作动器(压电陶瓷)的电压信号，压电陶瓷将电信号转换为力信号，从而可以在板件表面产生控制力，逐渐减弱并抑制板件振动。
因此，在AVC系统中更适合使用闭环反馈控制，本发明提出将FXLMS算法与反馈控制相结合，通过初级通路传递特性函数和初始响应信号来重现外界激励给板件施加的激励信号，构造FXLMS算法所需要的参考信号输入，达到同时兼顾算法稳定性和实用性的目的。并且，通过将改进的方法用于板件主动控制系统仿真测试，验证其有效性。
结合图1与图2，以某两端固定的薄钢板为例，模拟汽车上的薄壁板件，建立基于反馈FXLMS的主动振动控制系统。首先需要通过实验台架对仿真中所需要的初级通路和次级通路的响应函数进行测试(即对初级通路传递特性和次级通路传递特性进行测试)，其中初级通路G1的响应是激振器激励到误差传感器的响应，次级通路G2的响应是压电陶瓷驱动电源产生激励驱动压电片，测量误差传感器处的响应。使用如图3所示的LMS离线辨识方法，通过实验测得的响应就可以辨识出相应通路的滤波器系数。获得各个通路传递特性之后就可以基于反馈FXLMS方法对板件振动主动控制进行仿真。在该仿真中，选取作动器(压电陶瓷)4个，误差传感器1个，激励源1个。因此次级通路有四条，由压电片到误差传感器的传递特性由四条次级通路传递特性叠加而成。
基于反馈FXLMS的板件振动主动控制仿真具体实施过程如下：
1.通过模态仿真分析确定板件表面压电陶瓷放置区域，对于两边固支的板件，模态应变能最大的位置集中在板件的四个角处，因此在板件四角布置压电陶瓷。
2.通过所搭建的实验台架测试初级通路频率响应函数H(jω)。
3.选用两个正弦信号叠加作为激励信号x(n)，两个正弦信号的幅值均为1，频率分别为ω1＝80rad/s和ω2＝110rad/s，即
x1(n)＝sin80t
x2(n)＝sin110t
x(n)＝x1(n)+x2(n)
4.设置仿真时间和步长，仿真时间为10s，时间步长与输入激励信号的采样时间一致，为0.0001s。
5.对初级通路和次级通路进行辨识，滤波器长度选取128，利用如图3所示的LMS辨识模型，将所测得的响应作为仿真期望输入，仿真得到的权值系数即为表示对应通路传递特性的滤波器系数，得到初级通路滤波器系数(即初级通路传递特性)和四条次级通路滤波器系数分别为g1、g21、g22、g23、g24。因此从压电片到误差传感器之间的次级通路传递特性g2可以表示为
g2＝g21+g22+g23+g24
6.用辨识出的初级通路滤波器系数g1对t时刻的激励信号x(t)进行卷积得到初级响应d(t)，其中：
d(t)＝g1*x(t)
7.对时域响应信号d(t)进行傅里叶变换得到频域信号D(jω)，其中：
8.利用时域卷积，频域乘积的原理可以得到激励信号的频域表达形式，即：
X(jω)＝D(jω)/H(jω)
9.对X(jω)进行傅里叶逆变换可以复现t时刻的时域激励信号x(t)，即：
10.将复现的时域激励信号x(t)作为参考信号输入给滤波器更新模块，并且以当前时间步内的多个时刻的时域激励信号x(t)生成一个参考信号序列(列向量)x(n)，再以次级通路滤波系数g2对参考信号进行滤波得到滤波参考信号x'(n)，即:
同时将上一步重构出的激励信号x(n)输入到FXLMS算法中作为参考信号，带入控制信号计算公式，即：
其中，L表示FXLMS算法的加权阶数，在仿真中取值为128，因此x(n)为第n次迭代时128个时间步的参考信号值组成的参考信号序列。
11.将前一时间步迭代时得到的滤波参考信号x'(n-1)和误差信号e(n-1)输入给FXLMS滤波器，经过FXLMS自适应滤波可以得到滤波权值系数w(n)的迭代公式，即：
w(n)＝w(n-1)+2μe(n-1)x'(n-1)
其中，步长因子μ随着迭代的进行自适应更新，x'(n-1)是将参考信号x(n-1)经过次级通路的估计之后得到。
12.将控制信号y(n)与次级通道传递特性函数g2进行卷积，得到误差传感器处的控制响应y'(n)，即：
y'(n)＝g2*y(n)
通过对基于反馈FXLMS的振动主动控制方法进行测试检验，将该方法与基于前馈的FXLMS振动主动控制方法进行对比，两种方法下初始响应信号和误差信号的对比如图4和图5所示。其中基于反馈FXLMS振动主动控制方法的误差信号可以较好地收敛到较小值，且迭代过程稳定，证明了所提出方法的有效性和准确性。结合图4和图5可以看出，虽然基于反馈FXLMS振动主动控制方法最终收敛状态下的误差信号大于基于前馈FXLMS振动主动控制方法，但这是由于反馈控制系统本身的精度不如前馈控制系统。因此，在工程应用中，基于反馈FXLMS振动主动控制方法可以克服所有的外界干扰，形成闭环的控制系统，不用对外界激励信号进行获取，与前馈控制系统相比，有更好的灵活性和适用性。
如图8，本实施例还提供了一种基于反馈FXLMS的振动主动控制装置，包括：
获取模块201，用于获取误差传感器当前时间步在当前时间步内连续采集的被测板件因外界激励而产生的初始响应d(n)；
参考信号重现模块202，用于根据所述初始响应d(n)和预先设定的初级通路传递特性函数H(jω)，重现外界激励在当前时间步内给被测板件施加的激励信号；初级通路G1为从被测板件上的激励点到误差传感器的传递路径；
控制信号输出模块203，用于将在当前时间步内重现的全部激励信号作为参考信号输入FXLMS算法中，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
参考信号重现模块202对应图2中的参考信号重现模块。
如图8，参考信号重现模块202包括：
频域响应输出单元2021，用于对误差传感器在当前时间步内的各个时刻所采集到的初始响应分别进行傅里叶变换得到各个时刻的频域响应；
频域激励信号输出单元2022，用于基于各个时刻的频域响应和预先设定的初级通路传递特性函数，利用时域卷积、频域乘积的原理得到各个时刻的频域激励信号；
时域激励信号输出单元2023，用于对各个时刻的频域激励信号进行傅里叶逆变换，得到各个时刻的时域激励信号。
如图8，控制信号输出模块203包括：
FXLMS滤波权值系数确定单元2031，用于基于前一时间步迭代时得到的参考信号x(n-1)和前一时间步迭代后的误差响应y(n-1)，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数w(n)；
参考信号序列向量确定单元2032，用于基于在当前时间步内重现的全部激励信号，生成参考信号序列向量x(n)；
控制信号确定单元2033，用于将参考信号序列向量x(n)和当前时间步迭代时的滤波权值系数w(n)，输入FXLMS滤波器中，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号y(n)。
其中，FXLMS滤波权值系数确定单元2031对应图2中的FXLMS滤波器。
如图8，FXLMS滤波权值系数确定单元2031包括：
滤波参考信号获取子单元20311，用于获取前一时间步迭代时得到的参考信号x(n-1)经过次级通路的估计之后得到的滤波参考信号x'(n-1)；次级通路为作动器到误差传感器的传递路径；
误差信号获取子单元20312，用于获取基于前一时间步迭代时的初始响应d(n-1)和前一时间步迭代后得到的控制响应y(n-1)得到的误差信号e(n-1)；
滤波权值系数确定子单元20313，用于基于前一时间步迭代时的滤波权值系数w(n-1)、滤波参考信号x'(n-1)和误差信号e(n-1)，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数w(n)；
其中，第一个时间步迭代时的滤波权值系数w(1)为0。
如图8，所述装置还包括：
控制响应确定模块204，用于将控制信号与预先设定的次级通路传递特性函数进行卷积，得到当前时间步迭代时误差传感器处的控制响应；
误差信号确定模块205，用于根据当前时间步迭代时的初始响应和误差传感器处的控制响应，得到当前时间步迭代后的误差信号。
本发明还提供了一种车辆，包括上述的基于反馈FXLMS的振动主动控制装置。
本发明还提供了一种控制设备，包括处理器，存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行时实现如上述的基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法的步骤。
本发明还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如上述的基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法的步骤。
上述各实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法，其特征在于，包括：
获取误差传感器在当前时间步内采集的被测板件因外界激励而产生的连续多个初始响应；
根据连续多个初始响应和预先设定的初级通路传递特性函数，重现外界激励在当前时间步内给被测板件施加的激励信号；初级通路为外界激励在被测板件上的激励点到误差传感器的传递路径；
将在当前时间步内重现的全部激励信号作为参考信号输入FXLMS算法中，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法，其特征在于，根据连续多个初始响应和预先设定的初级通路传递特性函数，重现外界激励在当前时间步内给被测板件施加的激励信号的步骤，包括：
对误差传感器在当前时间步内的各个时刻所采集到的初始响应分别进行傅里叶变换得到各个时刻的频域响应；
基于各个时刻的频域响应和预先设定的初级通路传递特性函数，利用时域卷积、频域乘积的原理得到各个时刻的频域激励信号；
对各个时刻的频域激励信号进行傅里叶逆变换，得到各个时刻的时域激励信号。
3.根据权利要求1或2所述的基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法，其特征在于，将在当前时间步内重现的激励信号作为参考信号输入FXLMS算法中，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号的步骤，包括：
基于前一时间步迭代时得到的参考信号和前一时间步迭代后的误差响应，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数；
基于在当前时间步内重现的全部激励信号，生成参考信号序列向量；
基于参考信号序列向量和由FXLMS滤波器得到的当前时间步迭代时的滤波权值系数，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
4.根据权利要求3所述的基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法，其特征在于，基于前一时间步迭代时得到的参考信号和前一时间步迭代后的误差响应，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数的步骤，包括：
获取前一时间步迭代时得到的参考信号经过次级通路的估计之后得到的滤波参考信号；次级通路为作动器在被测板件上的作用点到误差传感器的传递路径；
获取基于前一时间步迭代时的初始响应和前一时间步迭代后得到的控制响应得到的误差信号；
将前一时间步迭代时的滤波权值系数、滤波参考信号和误差信号输入FXLMS滤波器中，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数；
其中，第一个时间步迭代时的滤波权值系数为0。
5.根据权利要求1所述的基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法，其特征在于，预先设定的初级通路传递特性函数通过初级通路辨识实验得出。
6.根据权利要求1所述的基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
将控制信号与预先设定的次级通路传递特性函数进行卷积，得到当前时间步迭代时误差传感器处的控制响应；
根据当前时间步迭代时的初始响应和误差传感器处的控制响应，得到当前时间步迭代后的误差信号。
7.根据权利要求6所述的基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法，其特征在于，
预先设定的次级通路传递特性函数通过次级通路辨识实验得出。
8.一种基于反馈FXLMS的振动主动控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取误差传感器当前时间步在当前时间步内采集的被测板件因外界激励而产生的连续多个初始响应；
参考信号重现模块，用于根据连续多个初始响应和预先设定的初级通路传递特性函数，重现外界激励在当前时间步内给被测板件施加的激励信号；初级通路G1为从被测板件上的激励点到误差传感器的传递路径；
控制信号输出模块，用于将在当前时间步内重现的全部激励信号作为参考信号输入FXLMS算法中，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
9.根据权利要求8所述的基于反馈FXLMS的振动主动控制装置，其特征在于，参考信号重现模块包括：
频域响应输出单元，用于对误差传感器在当前时间步内的各个时刻所采集到的初始响应分别进行傅里叶变换得到各个时刻的频域响应；
频域激励信号输出单元，用于基于各个时刻的频域响应和预先设定的初级通路传递特性函数，利用时域卷积、频域乘积的原理得到各个时刻的频域激励信号；
时域激励信号输出单元，用于对各个时刻的频域激励信号进行傅里叶逆变换，得到各个时刻的时域激励信号。
10.根据权利要求8所述的基于反馈FXLMS的振动主动控制装置，其特征在于，控制信号输出模块包括：
FXLMS滤波权值系数确定单元，用于基于前一时间步迭代时得到的参考信号和前一时间步迭代后的误差响应，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数；
参考信号序列向量确定单元，用于基于在当前时间步内重现的全部激励信号，生成参考信号序列向量；
控制信号确定单元，用于基于参考信号序列向量和由FXLMS滤波器得到的当前时间步迭代时的滤波权值系数，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
11.根据权利要求10所述的基于反馈FXLMS的振动主动控制装置，其特征在于，FXLMS滤波权值系数确定单元包括：
滤波参考信号获取子单元，用于获取前一时间步迭代时得到的参考信号经过次级通路的估计之后得到的滤波参考信号；次级通路为作动器到误差传感器的传递路径；
误差信号获取子单元，用于获取基于前一时间步迭代时的初始响应和前一时间步迭代后得到的控制响应得到的误差信号；
滤波权值系数确定子单元，用于基于前一时间步迭代时的滤波权值系数、滤波参考信号和误差信号，得到当前时间步迭代时的滤波权值系数；
其中，第一个时间步迭代时的滤波权值系数为0。
12.根据权利要求8所述的基于反馈FXLMS的振动主动控制装置，其特征在于，所述装置还包括：
控制响应确定模块，用于将控制信号与预先设定的次级通路传递特性函数进行卷积，得到当前时间步迭代时误差传感器处的控制响应；
误差信号确定模块，用于根据当前时间步迭代时的初始响应和误差传感器处的控制响应，得到当前时间步迭代后的误差信号。
13.一种基于反馈FXLMS的振动主动控制测试方法，其特征在于，包括：
选择测试板件，并建立测试板件与误差传感器、作为作动器的压电陶瓷及作为外界激励源的激振器的连接，误差传感器、压电陶瓷及激振器同控制器电连；
控制器获取误差传感器当前时间步在当前时间步内连续采集的测试板件因激振器而产生的初始响应；
根据所述初始响应和预先设定的初级通路传递特性函数，重现外界激励在当前时间步内给测试板件施加的激励信号；初级通路为从激振器在被测试件上的激励点到误差传感器的传递路径；
将在当前时间步内重现的全部激励信号作为参考信号输入FXLMS算法中，得到当前时间步迭代时输出给作动器的控制信号。
14.一种车辆，其特征在于，包括权利要求8-12任一项所述的基于反馈FXLMS的振动主动控制装置。
15.一种控制设备，包括处理器，存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行时实现如权利要求1至7任一项的基于反馈FXLMS算法的振动主动控制方法的步骤。
16.一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项的振动主动控制方法的步骤。
Priority Applications (1)
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| CN202311268556.4A CN117311406A (zh) | 2023-09-27 | 2023-09-27 | 一种基于反馈fxlms算法的振动主动控制方法、测试方法、装置、车辆、设备及介质 |
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|---|---|---|---|---|
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