DE4441726B4 - Regelvorrichtung und Verfahren zum Dämpfen von sinusförmigen Vibrationen einer Anordnung sowie zum Dämpfen von sinusförmigem Rauschen an einer Umhüllung - Google Patents

Regelvorrichtung und Verfahren zum Dämpfen von sinusförmigen Vibrationen einer Anordnung sowie zum Dämpfen von sinusförmigem Rauschen an einer Umhüllung Download PDF

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Abstract

Regelvorrichtung zum Dämpfen von sinusförmigen Vibrationen (Ẍ) einer Anordnung (20), mit
einem Beschleunigungsmesser (21) zum Erfassen der Vibration (Ẍ) der Anordnung (20) und zum Erzeugen eines entsprechenden Messsignals (α),
einer Einrichtung zum Empfangen und Auswerten des Messsignals (α) und zum Erzeugen eines Anpassungssignals (Θ),
einem abstimmbaren Resonanzfilter (16), bei dem die Resonanzfrequenz mit Hilfe des empfangenen Anpassungssignals (Θ) eingestellt wird, zum Erzeugen eines Resonanzfilterausgangssignals (y), und
einem Vibrationsgenerator (19) zum Anlegen von Gegen-Vibrationen an die Anordnung (20), geregelt durch das Resonanzfilterausgangssignal (y),
dadurch gekennzeichnet, dass
das abstimmbare Resonanzfilter (16) zum Erzeugen des Resonanzfilterausgangssignals (y) zusätzlich das Messsignal (α) empfängt und auswertet, und
die Einrichtung ein adaptiver Frequenzschätzer (22) ist, der zum Erzeugen des Anpassungssignals (Θ) zusätzlich das Resonanzfilterausgangssignal (y) empfängt und auswertet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zum Dämpfen von sinusförmigen Vibrationen einer Anordnung sowie zum Dämpfen von sinusförmigem Rauschen an einer Umhüllung gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 4, 5 und 8.
  • Es ist bekannt, Gegen-Vibrationen auf eine Anordnung einwirken zu lassen, um darin externen Störvibrationen entgegenzuwirken und sie auszulöschen, um insgesamt eine Vibrationsreduzierung in der Anordnung zu erreichen. Dies wurde mit verschiedenen Regelungsverfahren verwirklicht, vgl. beispielsweise US 4 122 303 („Improvements In And Relating To Active Sound Attenuation"), US 4 153 815 („Active Attenuation Of Recurring Sounds"), US 4 417 098 („Method Of Reducing The Adaption Time In The Cancellation Of Repetitive Vibration"), US 4 489 441 („Method And Apparatus For Cancelling Vibration"), 4 490 841 („Method And Apparatus For Cancelling Vibrations"), und US 4 819 182 („Method And Apparatus For Reducing Vibrations Of A Helicopter Fuselage").
  • Wenn die externe Störung sinusförmig ist, haben die vom Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen im allgemeinen versucht, ein ähnliches sinusförmiges Signal mit der gleichen Frequenz wie die externe Vibration zu synthetisieren, dessen Phase und Amplitude danach in Beträgen angepasst werden, die aus der erfassten Restvibration in dem Aufbau geschätzt bzw. ermittelt werden. Das synthetisierte Signal wird dann als Steuersignal einem Vibrationskraftgenerator zugeleitet, dessen Ausgangssignal eingesetzt wird, um der in der Anordnung erfassten Vibration entgegenzuwirken und diese auszulöschen. Damit ein derartiges Verfahren praktisch ist, ist es notwendig, den Sinuswellengenerator in der Frequenz und/oder Zeit mit der erfassten Vibration zu synchronisieren. Bei einer typischen Ausführung mit einer Maschine als Vibrationsquelle wird ein Maschinendrehzahlsignal oder eine Information über die Stellung der Kurbelwelle verwendet, um die benötigte Referenzfrequenz bereitzustellen.
  • Die iterativ-adaptiven Algorithmen in den oben genannten Patenten können jede Art von periodischer Vibration regeln, selbst wenn diese nicht sinusförmig sind. Das Vibrationsregelsystem in US 4 819 182 , „supra", beschäftigt sich auch mit einem Vibrationsregelproblem mit mehreren Sensoren und mehreren Betätigungsorganen. Die Komplexität von derartigen Lösungen nach dem Stand der Technik erforderte für deren Verwirklichung relativ leistungsstarke digitale Datenverarbeitungsanlagen.
  • Eine weitere Lösung nach dem Stand der Technik von Val, Gregory und Gupta, „Design And Evaluation of a State-Feedback Controller", Journal of American Helicopter Society, 29:4 (Juli 1984), schlägt eine Lösung des Vibrationsauslöschungsproblems mit einer kontinuierlichen, linearen, analogen Regelung vor, die auf der modernen Regelungstheorie der Zustandsrückkoppelung (state-feedback control theory) basiert. Sie ist jedoch zeit-invariant, weshalb ihr die Frequenzverfolgungsfähigkeit fehlt.
  • Aus EP 0 412 853 A2 , 1, ist eine adaptive Schwingungsregelvorrichtung bekannt, die Schwingungen eines Objektes mit Hilfe eines Schwingungssensors, der ein erstes Schwingungssignal erzeugt, erfasst. Dieses gemessene erste Schwingungssignal wird von einem adaptiven Algorithmus ausgewertet, um ein Abgleichsignal für ein adaptives digitales Filter zu berechnen. Das adaptive Filter wertet ein zweites Schwingungssignal, das nicht die Schwingungen des Schwingungsobjektes, sondern die Schwingungen der Schwingungsquelle repräsentiert, aus und erzeugt als Ausgangssignal eine Stellgröße für ein Stellglied, das dem schwingenden Objekt eine Gegenschwingung zuführt.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Regelvorrichtung und ein Verfahren zum Regeln des Anlegens von Gegen-Vibrationen an eine Anordnung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1, 4, 5 und 8 definierten Merkmale gelöst.
    •
  • Es folgt eine detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Dabei zeigt:
  • 1 ein schematisches Blockdiagramm eines verbesserten Regelsystems für einen aktiven Vibrationsgenerator,
  • 2 ein Blockdiagramm eines adaptiven Frequenzbestimmers und eines abstimmbaren Resonanzfilters, die beide in 1 gezeigt sind, und
  • 3 ein schematisches Blockdiagramm eines Regelsystems für einen aktiven Vibrationsgenerator nach dem Stand der Technik.
  • Die Erfindung schafft ein verbessertes Verfahren zum Regeln des Anlegens von Gegen-Vibrationen an eine Anordnung 20, um die Wirkung von extern erzeugten sinusförmigen Vibrationen darauf zu reduzieren. Das verbesserte Verfahren weist folgende Schritte auf: Anbringen eines Vibrationskraftgenerators 19 an der Anordnung 20, wobei der Kraftgenerator 19 in Abhängigkeit von einem zugeführten elektrischen Signal sinusförmige Gegen-Vibrationen an die Anordnung 20 anlegen kann; Anbringen eines Beschleunigungsmessers 21 an der Anordnung 20 an einer Stelle, an der Vibrationen gemessen werden sollen, wobei der Beschleunigungsmesser 21 so ausgebildet ist, dass er ein Ausgangssignal a mit einer Amplitude, Phase und Frequenz in Abhängigkeit von der erfassten Vibration erzeugt; Vorsehen eines abstimmbaren Filters 16, der bei einer elektronisch regelbaren Frequenz in Resonanz schwingen kann; Vorsehen eines adaptiven Frequenzbestimmers 22, der so ausgebildet ist, dass er ein Abstimmsignal Θ als Funktion des Beschleunigungsmesserausgangssignals a erzeugt; Liefern des Abstimmsignals an den Filter 16; Liefern des Beschleunigungsmesserausgangssignals an den Filter; kontinuierliches Einstellen der Resonanzfrequenz des Filters 16 derart, dass sie gleich der Frequenz des Beschleunigungsmesserausgangssignals a ist, so dass das Beschleunigungsmesserausgangssignals a am Ausgang des Filters 16 stark verstärkt wird; Liefern des Resonanzfilterausgangssignals als elektrisches Steuersignal y an den Kraftgenerator 19; wodurch der Vibrationskraftgenerator 19 veranlasst wird, Gegen-Vibrationen an die Anordnung 20 anzulegen, um die Wirkung von extern erzeugten Vibrationen darauf bei dem Messpunkt zu reduzieren.
  • Gewünschtenfalls kann das Filterausgangssignal einem Kompensationsfilter 18 zugeleitet werden, der das Inverse des dynamischen Verhaltens des Vibrationskraftgenerators 19 und der Anordnung 20 approximiert.
  • Im folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen baulichen Elemente, Abschnitte oder Oberflächen in den verschiedenen Figuren, wenn derartige Elemente, Abschnitte oder Oberflächen in der Beschreibung weiter beschrieben oder erklärt werden. Falls nicht anders angegeben, sollen die Zeichnungen zusammen mit der Beschreibung gelesen werden (beispielsweise Schraffierung, Anordnung von Teilen, Proportionen, Grad, usw.).
  • 3 stellt einen herkömmlichen Aufbau zum Regeln des Anlegens von Gegen-Vibrationen an eine Anordnung dar. Die in 3 insgesamt mit 10 bezeichnete Regelungsanordnung nach dem Stand der Technik weist in gezeigter Weise eine Eingangsreferenzfrequenz auf, die einem iterativ adaptiven Signalgenerator 11 zugeführt wird. Der Signalgenerator lieferte ein synthetisiertes sinusförmiges Ausgangssignal, das einem aktiven Vibrationsgenerator 12 zugeleitet wurde, welcher wiederum Gegen-Vibrationen an eine Anordnung 13 anlegte. Die angelegten Gegen-Vibrationen wurden mit der externen Vibrationsstörung in der Anordnung aufsummiert. Die resultierende Restbeschleunigung x wurde von einem Beschleunigungsmesser 14 erfaßt. Das Ausgangssignal a des Beschleunigungsmessers wurde an den Signalgenerator 11 geliefert. Somit benötigte der in 1 gezeigte Aufbau nach dem Stand der Technik ein Referenzfrequenzeingangssignal. Dies wurde typischerweise in Form eines Maschinendrehzahlsignals oder in Form einer Information über die Winkelstellung der Kurbelwelle geliefert.
  • Gemäß 1 und 2 umfaßt die im allgemeinen mit 15 bezeichnete verbesserte Regelungsanordnung einen abstimmbaren Resonanzfilter 16. Das Ausgangssignal dieses Filters wird zu einem Kompensationsfilter 18 geleitet, weicher wiederum sein Ausgangssignal an einen aktiven Vibrationsgenerator 19 liefert. Der Vibrationsgenerator 19 legt eine Gegen-Vibration an eine Anordnung 20 an, die einer externen Vibrationsstörung ausgesetzt ist. Die Restvibration x in der Anordnung wird von einem Beschleunigungsmesser 21 erfaßt, der sein Ausgangssignal a an den Resonanzfilter 16 und an den adaptiven Frequenzschätzer 22 liefert. Das Filterausgangssignal y wird ebenfalls dem Schätzer 22 übermittelt, der ein Abstimmsignal Θ an den Resonanzfilter liefert.
  • 2 ist ein Blockdiagramm des adaptiven Frequenzbestimmers und des abstimmbaren Resonanzfilters, die in 1 gezeigt sind. Gemäß 2 wird das Signal a von dem Beschleunigungsmesser 21 als positives Eingangssignal zu einer Addierstelle 23 geleitet. Das Ausgangssignal dieser Addierstelle wird zu einem Multiplizierer 24 geleitet, dessen Ausgangssignal wiederum an einen Integrator mit einem Verstärkungsfaktor G geschickt wird, wobei der Integrator in Block 25 dargestellt ist. Das Ausgangssignal des Integrators 25 wird als negatives Eingangssignal an die Addierstelle 26 geliefert. Das Ausgangssignal der Addierstelle 26 wird im folgenden integriert, wie durch Block 28 dargestellt ist, und wird als positives Eingangssignal an eine Addierstelle 29 geliefert. Das Ausgangssignal y der Addierstelle 29 wird durch den Kompensationsfilter 18 als Regelungssignal an den Vibrationskraftgenerator geschickt, wie in 1 gezeigt ist.
  • Das Beschleunigungsmessersignal a wird ebenfalls als positives Eingangssignal zu der Addierstelle 29 geliefert. Das Beschleunigungsmessersignal a wird auch mit einem Verstärkungsfaktor von τmultipliziert, und dieses Produkt wird als positives Eingangssignal zu der mittleren Addierstelle 26 geliefert. Das Ausgangssignal des Integrators 28 wird als positives Rückkopplungssignal zur Addierstelle 23 geliefert.
  • Das Beschleunigungsmessersignal a wird des weiteren zu einem Multiplizierer 31 in dem Frequenzschätzer geleitet. Dieser Multiplizierer erhält durch einen mit 32 bezeichneten Verstärkerblock auch das Signal y. Wie in 2 angegeben ist, beträgt der Verstärkungsfaktor von Block 32:
    Figure 00060001
  • Die Multiplizierer 31 berechnet das Produkt des Beschleunigungsmessersignals a und des Ausgangssignals des Verstärkerblocks 32 und liefert es als Ausgangssignal an den Verstärkerblock 33, der ein derartiges Signal integriert, um ein Abstimmsignal Θ zu erzeugen, das wiederum zum Filtermultiplizierer 24 geleitet wird. Somit lautet bei einer Eigenfrequenz von fn = (ΘG)1/2 und null Dämpfung die Übertragungsfunktion des Resonanzfilters:
    Figure 00060002
  • Im Betrieb wirkt somit eine externe Vibrationsstörung auf die Anordnung ein und erzeugt an einem Regelungsmeßpunkt in der Anordnung eine gewisse Vibrationsstärke. Die Vibration in der Anordnung an diesem Regelungspunkt wird von dem Beschleunigungsmesser 21 gemessen. Der Beschleunigungsmesser erzeugt ein Ausgangssignal a, das sowohl an den abstimmbaren Resonanzfilter 16 als auch an den adaptiven Frequenzschätzer 22 geliefert wird. Unter der Annahme, daß die Störungsvibration sinusförmig ist und eine Frequenz fd besitzt und daß die Anfangsfrequenz fri des abstimmbaren Filters deutlich verschieden ist, gibt es anfänglich im wesentlichen kein Ausgangssignal aus dem abstimmbaren Filter. Der adaptive Frequenzschätzer kann auf vielfältige Weise verwirklicht werden, wie der Fachmann weiß, wirkt jedoch in jedem Fall so, daß er ein Abstimmsignal Θ erzeugt, das zu dem abstimmbaren Filter geleitet wird, so daß bei einem gegebenen Eingangssignal von dem Beschleunigungsmesser das Filterausgangssignal so groß wie möglich wird. Somit wird die Filterabstimmung derart verschoben, daß seine abgestimmte Resonanzfrequenz frt gleich der Störfrequenz fd wird. Dadurch wird das Beschleunigungsmessersignal a von dem Resonanzfilter stark verstärkt, um dem aktiven Vibrationsgenerator 19 ein Treibersignal derart zuzuleiten, daß er Gegen-Vibrationen an die Anordnung anlegt, was wiederum der Störung und damit der gemessenen Vibration entgegenwirkt und versucht, diese auszulöschen. Der adaptive Algorithmus umfaßt eine effektive Integration, so daß, wenn die Restvibration in der Anordnung gegen null geführt wird, immer noch ein Abstimmsignal mit einem endlichen Wert ungleich null vorhanden ist, um die Abstimmung des Resonanzfilters bei ihrem optimalen Wert, der gleich der Störfrequenz ist, zu halten.
  • Die praktische Verwirklichung der offenbarten Regelungsfunktionen kann durch analoge elektronische Signalverarbeitung ausgeführt werden. Der abstimmbare Resonanzfilter benötigt nur zwei Integratoren und einen nichtlinearen Multiplizierer, während der adaptive Frequenzschätzer mit drei Integratoren und einem Multiplizierer versehen sein kann.
  • Diese beiden Funktionen können auch mit gleichermaßen einfacher digitaler Signalverarbeitung verwirklicht werden.
  • Der Kompensator 18 kann verschiedentlich benötigt werden, wenn die Übertragungsfunktion von dem Vibrationsgeneratorsteuersignal zu der resultierenden Vibration der Anordnung bei dem Beschleunigungsmeßpunkt deutliche dynamische Effekte entweder aufgrund von Resonanzen der Anordnung oder von mit dem Vibrationsgenerator verbundenen Nacheilungen enthält. In einem derartigen Fall kann der Kompensator Idealerweise als Übertragungsfunktion verwirklicht werden, die das ungefähre Inverse des Verhaltens von Vibrator/Anordnung in dem interessierenden Frequenzbereich ist. Diese Kompensation ist jedoch nicht kritisch. Für geeignet gewählte Parameterwerte des Verstärkungsfaktors kann die Kompensatorphasencharakteristik deutlich von dem Idealwert abweichen, da der adaptive Abstimmvorgang eine beträchtliche Signalphasenkorrektur durch leichtes Verstimmen des Filters verursachen kann.
  • Einem Fachmann ist klar, daß viele Änderungen durchgeführt werden können. Das offenbarte Verfahren kann beispielsweise zur Unterdrückung von Rauschen in einem schalleitenden Medium verwendet werden. In einer derartigen Anordnung würde der Beschleunigungsmesser durch ein Mikrophon ersetzt, und der Vibrationsgenerator würde durch einen Schallgenerator oder Lautsprecher ersetzt. In ähnlicher Weise kann die Ausführung der Regelungselektronik teilweise analog und teilweise digital sein, und die Unempfindlichkeit oder Ansprechempfindlichkeit des Verfahrens kann durch kompliziertere adaptive Elemente verändert werden.

Claims (8)

  1. Regelvorrichtung zum Dämpfen von sinusförmigen Vibrationen (Ẍ) einer Anordnung (20), mit einem Beschleunigungsmesser (21) zum Erfassen der Vibration (Ẍ) der Anordnung (20) und zum Erzeugen eines entsprechenden Messsignals (α), einer Einrichtung zum Empfangen und Auswerten des Messsignals (α) und zum Erzeugen eines Anpassungssignals (Θ), einem abstimmbaren Resonanzfilter (16), bei dem die Resonanzfrequenz mit Hilfe des empfangenen Anpassungssignals (Θ) eingestellt wird, zum Erzeugen eines Resonanzfilterausgangssignals (y), und einem Vibrationsgenerator (19) zum Anlegen von Gegen-Vibrationen an die Anordnung (20), geregelt durch das Resonanzfilterausgangssignal (y), dadurch gekennzeichnet, dass das abstimmbare Resonanzfilter (16) zum Erzeugen des Resonanzfilterausgangssignals (y) zusätzlich das Messsignal (α) empfängt und auswertet, und die Einrichtung ein adaptiver Frequenzschätzer (22) ist, der zum Erzeugen des Anpassungssignals (Θ) zusätzlich das Resonanzfilterausgangssignal (y) empfängt und auswertet.
  2. Regelvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationsfilter (18), das das Inverse des dynamischen Verhaltens des Vibrationsgenerators (19) und der Anordnung (20) approximiert, das Resonanzfilterausgangssignal (y) filtert, bevor es dem Vibrationsgenerator (19) zugeführt wird.
  3. Regelvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsmesser (21) an der Anordnung (20) in der Nähe des Vibrationsgenerators (19) angebracht ist.
  4. Regelungsverfahren zum Dämpfen von sinusförmigen Vibrationen einer Anordnung (20), umfassend die folgenden Schritte: Erfassen der Vibration (Ẍ) der Anordnung (20) und Erzeugen eines entsprechenden Messsignals (α), Auswerten dieses Messsignals (α) zum Erzeugen eines Anpassungssignals (Θ), das zum Einstellen der Resonanzfrequenz eines abstimmbaren Resonanzfilters (16) dient, und Anlegen von Gegen-Vibrationen an die Anordnung (20), geregelt durch ein Resonanzfilterausgangssignal (y), das von dem Resonanzfilter (16) erzeugt wird, gekennzeichnet durch zusätzliches Auswerten des Messsignals (α) zum Erzeugen des Resonanzfilterausgangssignals (y), und zusätzliches Auswerten des Resonanzfilterausgangssignals (y) zum Erzeugen des Anpassungssignals (θ).
  5. Regelvorrichtung zum Dämpfen von extern erzeugtem sinusförmigem Rauschen an einer Umhüllung, mit einem Mikrofon zum Erfassen des Rauschens an der Umhüllung und zum Erzeugen eines entsprechenden Messsignals, einer Einrichtung zum Empfangen und Auswerten des Messsignals und zum Erzeugen eines Anpassungssignals, einem abstimmbaren Resonanzfilter, bei dem die Resonanzfrequenz mit Hilfe des empfangenen Anpassungssignals eingestellt wird, zum Erzeugen eines Resonanzfilterausgangssignals, und einer Schallquelle zum Anlegen von sinusförmgem Gegenrauschen an die Umhüllung, geregelt durch das Resonanzfilterausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, dass das abstimmbare Resonanzfilter zum Erzeugen des Resonanzfilterausgangssignals zusätzlich das Messsignal empfängt und auswertet, und die Einrichtung ein adaptiver Frequenzschätzer ist, der zum Erzeugen des Anpassungssignals zusätzlich das Resonanzfilterausgangssignal empfängt und auswertet.
  6. Regelvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationsfilter, das das Inverse des dynamischen Verhaltens der Schallquelle und der Umhüllung approximiert, das Resonanzfilterausgangssignal filtert, bevor es der Schallquelle zugeführt wird.
  7. Regelvorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofon an der Umhüllung in der Nähe der Schallquelle angebracht ist.
  8. Regelungsverfahren zum Dämpfen von sinusförmigem Rauschen an einer Umhüllung, umfassend die folgenden Schritte: Erfassen des Rauschens an der Umhüllung und Erzeugen eines entsprechenden Messsignals, Auswerten dieses Messsignals zum Erzeugen eines Anpassungssignals, das zum Einstellen der Resonanzfrequenz eines abstimmbaren Resonanzfilters dient, und Anlegen von sinusförmigem Gegenrauschen an die Umhüllung, geregelt durch ein Resonanzfilterausgangssignal, das von dem Resonanzfilter erzeugt wird, gekennzeichnet durch zusätzliches Auswerten des Messsignals zum Erzeugen des Resonanzfilterausgangssignals, und zusätzliches Auswerten des Resonanzfilterausgangssignals zum Erzeugen des Anpassungssignals.
DE4441726A 1993-11-23 1994-11-23 Regelvorrichtung und Verfahren zum Dämpfen von sinusförmigen Vibrationen einer Anordnung sowie zum Dämpfen von sinusförmigem Rauschen an einer Umhüllung Expired - Lifetime DE4441726B4 (de)

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