DE69426630T2

DE69426630T2 - System zur aktiven regelung für rauschformung

Info

Publication number: DE69426630T2
Application number: DE69426630T
Authority: DE
Inventors: P. Eatwell
Original assignee: NCT Group Inc
Current assignee: NCT Group Inc
Priority date: 1993-09-28
Filing date: 1994-09-02
Publication date: 2001-08-09
Anticipated expiration: 2014-09-03
Also published as: EP0724762A1; EP0724762A4; ES2153860T3; EP0724762B1; WO1995009415A1; CA2170025C; JP3365774B2; CA2170025A1; JPH08510566A; US5418857A; DE69426630D1

Description

Bei der Gestaltung von Abgasschalldämpfern oder Auspufftöpfen für Automobile ist die Qualität oder die Tonqualität bzw. das Timbre des Restgeräusches oft genauso wichtig wie der Gesamtleistungspegel. Das Geräusch ist durch eine Grundperiode gekennzeichnet, welche in Beziehung zur Drehzahl des Motors steht, so dass das Frequenzspektrum Spitzen bei vielfachen der Grundfrequenz bzw. Grundschwingung besitzt. Diese Frequenz ändert sich mit einer Änderung der Drehzahl des Motors. Das Frequenzspektrum des Geräusches kann durch die Gestaltung des passiven Schalldämpfers geändert werden, aber die Qualität des Geräusches steht in Beziehung zu den relativen Pegeln der verschiedenen Harmonischen in dem Geräusch, welche nicht durch einen passiven Schalldämpfer gesteuert bzw. beeinflusst werden können.
Aktive Geräusch- bzw. Schallauslöschungstechniken wurden auf Kraftfahrzeugauspuffanlagen angewendet. Diese Techniken streben die Reduktion des Auspuffgeräusches durch Hinzufügung von Geräusch mit gleicher Amplitude aber entgegengesetzter Phase an. Das System weist einen Aktor bzw. Aktuator, wie etwa einen Lautsprecher oder einen Strömungsmodulator, einen Sensor, um das Restgeräusch zu überwachen, und ein elektronisches Regelsystem zur Bestimmung des erforderlichen Treibersignals für den Aktor bzw. Aktuator auf. Der Eingang für das Regelsystem kann ein Frequenz- oder Phasensignal von einem Tachometer sein oder der Eingang kann von einem Sensor sein, welcher auf den Schalldruck in dem Abgas- bzw. Auspuffrohr anspricht oder der Eingang kann von dem Restsensor selbst herrühren (oder er kann von einer Kombination derselben herrühren).
Aktive Geräuschauslöschungstechniken streben an, das störende Geräusch so weit wie möglich auszulöschen. Das Restgeräusch hat eine unvorhersagbare Qualität und, obgleich die Gesamtleistung reduziert ist, kann das Restgeräusch subjektiv schlechter bzw. unangenehmer als das ursprüngliche Geräusch sein.
Bei Kraftfahrzeugauspufftöpfen oder -schalldämpfern ist es oft unerwünscht, ein vollständig geräuschloses Abgas zu haben, da die Qualität des Auspuffgeräusches den Charakter eines Kraftfahrzeugs beeinflusst bzw. beeinträchtigt.
Es gibt viele andere Anwendungen, bei denen es nützlich bzw. vorteilhaft sein könnte, die Frequenz oder den Gehalt an Harmonischen eines Geräusches einzustellen. Diese schließen Geräusch innerhalb Flugzeug- und Fahrzeugkabinen bzw. Fahrgasträumen ein. Es besteht deshalb ein Wunsch bzw. Bedürfnis, die Qualität oder die Gestalt des Geräusche zu regulieren.
Regeltechniken wurden extensiv in den Bereichen der Flugkontrolle und der Prozesskontrolle bzw. -regelung angewendet. Eine solche Technik ist diejenige der Modellreferenzregelung. Bei diesem Ansatz ist die gewünschte Beziehung zwischen den Eingangs-(Befehls-)Signalen und der Systemantwort bzw. dem Systemverhalten bzw. -ansprechverhalten im Vorhinein bekannt (diese Beziehung ist das "Modell"). Ein Beispiel für ein System dieser Art ist in Fig. 1 gezeigt. Das Eingangssignal 1 ist sowohl an das physische bzw. physikalische System 20 (über einen Regulator 4) und das Modellsystem 21 angelegt. Die Differenz zwischen der gewünschten Antwort bzw. dem gewünschten Verhalten bzw. Ansprechverhalten 6 und der tatsächlichen Antwort bzw. dem tatsächlichen physischen bzw. physikalischen Verhalten 3 wird zur Erzeugung eines Fehlersignals 22 verwendet. Das Fehlersignal und das Eingangssignal werden in einer Anpassungseinheit 7 verwendet, um den Regulator 4 einzustellen. (Siehe Astrom und Wittenmark, "Adaptive Control", Addison-Wesley Publishing Company, 1989, z. B. Abschnitt 1.2 und insbesondere Fig. 1.2). Diese Verfahren sind ausgebildet, um das effektive Ansprechen des physischen bzw. physikalischen Systems zu ändern, wohingegen das Geräuschformungsregelsystem dieser Erfindung ausgebildet ist, um die Charakteristiken bzw. Eigenschaften einer Störung bzw. Störgröße zu ändern (in Fig. 1 ist keine Störung bzw. Störgröße gezeigt, aber diese Art von Regelsystem ist gewöhnlich so ausgebildet, dass sie nicht auf irgendwelche Störungen anspricht).
Die Qualität eines Geräusches ist am besten durch die Form des Frequenzspektrums gekennzeichnet. Es gibt verschiedene bekannte Techniken zur Auslöschung von Geräusch, die Frequenzbereichs-(bzw. -raum- bzw. -domain-)verfahren, nachfolgend kurz Frequenzbereichsverfahren, anwenden.
Ein Ansatz hierfür ist in Fig. 2 gezeigt. Ein Referenzeingangssignal 1 wird als Eingang an einen Filter 4 angelegt, um das Ausgangssignal 2 zu erzeugen. Ein Fehlersignal 3, welches in Bezug zur Leistung des Systems steht, wird in einem Vorwärts-Transformierten-Modul 6 transformiert, um das Frequenzspektrum des Fehlersignals 11 zu ergeben. Das Eingangssignal 1 wird in einem Vorwärts- Transformierten-Modul 9 transformiert, um das Frequenzspektrum 12 zu ergeben. Die Frequenzsignale 11 und 12 werden in einer Adaptionseinheit 7 verwendet, um die Transformierte des Filteransprechverhaltens 13 bzw. der Filterantwort 13 (nachfolgend kurz Filteransprechverhalten 13) zu schätzen. Eine inverse Transformierte wird im Modul 5 angelegt, um eine neue Filtercharakteristik zu erzeugen.
Ein alternativer Ansatz ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Konfiguration ist die gleiche, mit der Ausnahme, dass die Filterung auch im Frequenzbereich bzw. -raum bzw. -domain, nachfolgend kurz Frequenzbereich, vorgenommen wird. Die Transformierte 12 des Eingangssignals wird zusammen mit dem Frequenzbereichs(bzw. - raum- bzw. -domain-)-filter 4, nachfolgend kurz Frequenzbereichsfilter 4, verwendet, um die Transformierte 10 des gewünschten Ausgangsignals zu berechnen. Die inverse Transformierte wird dann bei 5 angelegt, um das endgültige Ausgangssignal 2 zu erzeugen.
Eine Abwandlung dieses Ansatzes ist in Fig. 4 gezeigt. Dieser Ansatz, welcher zur Auslöschung periodischer Geräusche geschaffen wurde, ist im US-Patent Nr. 4,490,841 von Chaplin et al. wiedergegeben. Die Frequenztransformierten von 5 und 6 werden mit der Frequenz 8 einer Geräuschquelle synchronisiert. Dies bedeutet, dass der Ausgang des Transformierten-Moduls 6 die komplexen Amplituden der harmonischen Komponenten des Restsignals 3 schaffen. Dieser Ansatz wurde erfolgreich angewendet, um Auspuffgeräusche auszulöschen, wenn das Frequenzsignal durch ein Tachometersignal vorgegeben wird.
Das System ist entsprechend der Verwendung eines Eingangssignals mit einem Einheits-Harmonischen-Spektrum. Der Referenzeingang 1 ist zum Vergleich mit den anderen Schemata gezeigt. Er ist kein physikalischer Eingang.
Diese Technik schafft Mittel zur Auslöschung ausgewählter Harmonischer des Geräusches, es ist jedoch kein Mechanismus zur Bestimmung oder zur Regelung des Grades der Auslöschung vorhanden.
Einer der gewöhnlichen Adaptionsalgorithmen, der in einem Adaptionsmodul verwendet wird, ist der Filterungs-Eingangs-(gefiltert-x)-LMS-(kleinste quadratische Mittel-)-Algorithmus (Widrow und Stearns, Adaptive Signal Processing, Prentice Hall, 1985, Seiten 288-294). Ein Merkmal dieses Algorithmus besteht darin, dass die Adaptionsrate bzw. -geschwindigkeit von dem Pegel und dem Frequenzinhalt des Eingangssignals abhängt. Bei dem durch Sjösten et al. (Proceedings of Internosie 90, Gothenburg, Schweden, 1990, Seiten 1251-1254) publizierten Ansatz ist das Eingangssignal eine Summe von Sinuskurven, die mit der Frequenz des Motors synchronisiert sind. Durch Einstellung der jeweiligen Pegel dieser Eingangssignale kann die relative Adaptionsrate der Harmonischen verändert werden. Dieser Ansatz hat begrenzte Verwendung, da die Adaptionsrate allein die Pegel des Restgeräusches nicht bestimmt.
Bei anderen Ansätzen werden die Harmonischen separat geregelt; auf diese Weise kann eine verschiedene Adaptionsschrittgröße für jede Harmonische verwendet werden, um die relative Adaptionsrate zu regeln.
Keiner dieser Ansätze beherrscht jedoch die Größe der Auslöschung der Harmonischen. Bei einem stationären Signal werden sie z. B. versuchen, das gesamte Geräusch auszulöschen und bei Einzelimpulsen hängt die Reduktion von der Änderungsrate des Geräusches ab.
Ein anderer Ansatz zur Änderung der Pegel des Restgeräusches erfordert, dass die gewünschten Restsignale im Voraus bekannt sind. Dieses Verfahren kann für periodische oder Breitbandgeräusche verwendet werden. Das gewünschte Signal kann von dem Restsignal abgezogen werden, bevor es in dem Adaptionsalgorithmus verwendet wird. Es ist jedoch nicht praktisch bzw. durchführbar, ein gewünschtes Signal für den gesamten Bereich von Betriebsbedingungen zu liefern.

Ziele der Erfindung

Ein Ziel der Erfindung ist es, ein System und ein Verfahren zur Einstellung des Frequenzinhalts einer Störung durch Verwendung aktiver Regelung bzw. Regulierung zu schaffen.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein System und Verfahren zum unabhängigen Regeln bzw. Regulieren des Betrags der Auslöschung jeder Frequenzkomponente einer Störung zu schaffen, so dass die relativen Pegel der Komponenten beeinflusst werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein System und ein Verfahren zur Regelung bzw. Regulierung der relativen Amplituden der Harmonischen einer Störung zu schaffen.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Modellreferenzregelungssystem für die aktive Regelung zur Änderung des Frequenzansprechens bzw. -ansprechverhaltens bzw. der Frequenzantwort eines akustischen Systems zu schaffen.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Modellreferenzregelsystem für die aktive Regelung zur Regulierung des Harmonischenansprechens bzw. -ansprechverhaltens bzw. der Harmonischenantwort eines akustischen Systems zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zur Beherrschung des Betrags der Auslöschung von Harmonischen zu schaffen.
Diese und andere Ziele der Erfindung werden deutlich, wenn auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen:

Liste der Figuren

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Modellreferenzregelsystems zeigt,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten bekannten Regelsystems mit Frequenzbereichs(bzw. -raum- bzw. -domain-)adaption, nachfolgend kurz Frequenzbereichsadaption, zeigt,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten bekannten Regelsystems mit Frequenzbereichsadaption und Filterung zeigt,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines bekannten patentierten Regelsystems zur Auslöschung periodischer Geräusche zeigt,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Frequenzformungsregelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Frequenzformungsregelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, welches adaptive Filter verwendet,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Frequenzformungsregelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, welches Transformiertenbereichsadaption der adaptiven Filter verwendet,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Frequenzformungsregelsystems gemäß der Erfindung zeigt, welches Frequenzbereichsadaptionsfilter verwendet,
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Frequenzformungsregelsystems gemäß der Erfindung zeigt, welches Wellenformgeneratoren und Harmonischentransformierte verwendet.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelsystem zur Änderung der Frequenz- oder Harmonischenspektren einer Störung bzw. Störgröße. Eine schematische Darstellung des Grundsystems ist in Fig. 5 gezeigt. Es weist wenigstens eine Aktor- bzw. Aktuatoreinrichtung 21 zur Schaffung einer regelnden Störung bzw. Störgröße, wenigstens eine Sensoreinrichtung 22, welche auf die geregelte Störung bzw. Störgröße anspricht, auf und zur Erzeugung erster Eingangssignale 23. Auf diese ersten Signale wird auch als Restsignale Bezug genommen. Das System weist auch Antwortgeneratoreinrichtungen 24 zur Erzeugung zweiter Signale 25 auf, welche die gewünschte Störung bzw. Störgröße charakterisieren, sowie Ausgangsgeneratoreinrichtungen 26, die in ihrem Ansprech- bzw. Antwortverhalten auf die ersten Signale und die zweiten Signale ausgelegt sind, und die Treibersignale 27 für die Aktor- bzw. Aktuatoreinrichtungen erzeugen.
Die Störung bzw. Störgröße kann eine Vielzahl von Formen annehmen, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Schall-, Vibrations- oder elektrische Signale. Das Regelsystem kann so konfiguriert sein, dass verschiedene Typen von Störungen bzw. Störgrößen gleichzeitig geregelt werden. Beispiele von Aktoren bzw. Aktuatoren umfassen Lautsprecher, Rüttler bzw. Schüttler und elektrische Schaltungen. Beispiele von Sensoren umfassen Mikrofone, Beschleunigungsmesser, Kraftsensoren usw.
Beispiele bekannter Ausgangsgeneratoren umfassen analoge und digitale Filter, Wellenformsynthesizer und neuronale Netzwerke.
Der Antwortgenerator 24 bildet einen Teil dieser Erfindung. Er spricht auf Signale an, die aus den ersten (Sensor-)Signalen und den Aktor- bzw. Aktuatortreibersignalen abgeleitet werden und erzeugt die zweiten Signale, welche die Ziel- oder gewünschte Störung bzw. Störgröße charakterisieren.
Der Ausgangsgenerator 26 ist so konfiguriert, dass er ein Aktor- bzw. Aktuatortreibersignal erzeugt, das die geregelte Störung bzw. Störgröße eine Charakteristik nahe der gewünschten oder Zielstörung bzw. -störgröße annehmen lässt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Einige Aspekte der Erfindung werden nunmehr im Einzelnen für ein mehrkanaliges Regelsystem beschrieben. Der Betrieb des Regelsystems wird leichter in dem Frequenzbereich beschrieben, aber die tatsächliche Implementierung kann im Frequenzbereich oder im Zeitbereich bzw. -raum bzw. -domain, nachfolgend kurz Zeitbereich, sein.
Das Restsignal von jedem der Restsensoren und jedes der Eingangssignale kann in den Frequenzbereich durch eine Anzahl von Techniken konvertiert werden. Die Frequenzauflösung kann so wie in einer Fouriertransformation oder wie im US- Patent Nr. 4,490,841 oder so wie in der PCT-Anmeldung Nr. PCT/US92/05228 von Eatwell fixiert werden; die Frequenzauflösung kann durch die Grundfrequenz der Störung bzw. Störgröße bestimmt werden. Hierin soll die Fouriertransformation bei festen Frequenzen als Frequenztransformierte bezeichnet werden und die Transformierte bei durch die Frequenzen der Störung bzw. Störgröße bestimmten Frequenzen sollen als Harmonischentransformierte bezeichnet werden.
Bei jeder Frequenz können die Komponenten von den Eingangs- und den Restsensoren kompakt als Vektoren u bzw. e von komplexen Werten geschrieben werden. Diese Werte stehen in Beziehung zu den komplexen Frequenzkomponenten des Ausgangs- oder des Treibersignals χ bei der entsprechenden Frequenz und zu den Komponenten des ursprünglichen (ungeregelten) Geräusches γ durch die Beziehung
em(k) = Aml(f)xi(k) + ym(k) or e = Ax + y, (1)
in welcher sind: m die Sensorzahl, l die Aktor- bzw. Aktuatorzahl, f die Frequenz und k die Frequenz-(Harmonischen-)Nummer. L ist die Gesamtzahl der Aktoren bzw. Aktuatoren und A ist die Vorwärtstransferfunktionsmatrix des physikalischen Systems bei der geeigneten Frequenz f

Ausgangsgenerator

Die Funktion des Ausgangsgenerators ist es, den Vektor der Treibersignal χ zu erzeugen. Die Treibersignale können durch Auslösung bzw. Aktivierung einer gespeicherten Wellenform, wie etwa gemäß US-Patent Nr. 4,153,815, oder durch Vervielfachung bzw. Multiplikation der Transformierten der Referenzsignale durch eine Komplexmatrix C erhalten werden, so dass
xl = Cln n or x = C , (2)
wobei n die Referenzsignalnummer und N die Gesamtzahl der Referenzsignale ist. Die Matrixmultiplikation bzw. -vervielfachung entspricht einem Satz von Faltungen in dem Zeitbereich.
Die Referenzsignale u können sinusförmig sein mit konstanten Amplituden- und/oder konstanten Frequenz- oder Harmonischentransformierten werden. In jeder dieser Ausführungsformen sind die Ausgangsgeneratoren als Schwingungsform- bzw. Wellenformgeneratoren bekannt. Alternativ können ein oder mehrere Referenzsensoren verwendet werden, um Eingangssignale zu schaffen. Die transformierten Signale w des Satzes von Referenzsensoren können geschrieben werden als
w = Dx + u, (3)
worin die Transfer- bzw. Übertragungsfunktionsmatrix D die Rückkopplung (falls gegeben) von den Aktoren bzw. Aktuatoren zu den Referenzsensoren und u den Teil des Signals infolge der ursprünglichen Störung bzw. Störgröße bezeichnen.
Die Referenzsignale können von den Eingangssignalen w und den Ausgangssignalen χ geschätzt werden, indem verwendet wird
= w - x, (4)
worin eine Schätzung der Transferfunktionsmatrix D ist. Wenn diese Referenzsignale in Phase und Amplitude zu dem zu regelnden Geräusch stehen, wird der Ausgangsgenerator ein Filter genannt.
Einige der Restsensoren können gleichzeitig als Referenzsensoren (wie in einem Rückkogplungsregelsystem) verwendet werden oder zusätzliche Sensoren können verwendet werden, um Referenzsignale zu schaffen (oder eine Kombination von sowohl Rest- als auch zusätzlichen Sensoren kann verwendet werden). Zum Beispiel können zusätzliche Sensoren so positioniert werden, dass sie eine Vorausinformation bezüglich der Störung bzw. Störgröße geben.

Adaption des Ausgangsgenerators

In einem aktiven Auslöschungsschema wird gewöhnlich gewünscht, die Summe der Quadrate der Reste zu reduzieren. Die Leistung wird durch die skalare Kostenfunktion oder Zielfunktion (sealar cost function) gemessen
E = e, (5)
in welcher der hochgestellte Stern die konjugierte Transponierung des komplexen Vektors angibt. Diese Kostenfunktion oder Zielfunktion hängt nur von dem Pegel der Restsignale ab.
Das Regelsystem ist niemals perfekt, demzufolge ist immer Restgeräusch vorhanden. In vielen Anwendungen sind die Charakteristik dieses Restgeräusches wichtig. Wenn z. B. die niedrigste tonale Komponente eines periodischen Signals ausgelöscht wird, scheint es oft so, als ob der nächste Ton lauter wird.
Es ist ein Aspekt der Erfindung, dass das Regelsystem so konfiguriert ist, dass das Restgeräusch zu etwa einem gewünschten Pegel yd getrieben wird. Dieser gewünschte Pegel wird durch einen Ansprech- bzw. Antwortgenerator bestimmt. Die übliche Kostenfunktion oder Zielfunktion wird durch eine mehr generelle Kostenfunktion oder Zielfunktion ersetzt, welche von den bekannten Signalen abhängt, das heißt den Referenzsignalen, den Restsignalen und den Ausgangssignalen
E = E(w, e, x). (6)
Insbesondere ist in der bevorzugten Ausführungsform die Kostenfunktion oder Zielfunktion durch eine gewichtete Summe der Quadrate der Ausgangssignale χ und der Differenz zwischen dem tatsächlichen Restsignal und dem gewünschten Restsignal gegeben. Die Kostenfunktion oder Zielfunktion ist
E = e - yd (u, y, e) ² + λ x ², (7)
in der das gewünschte Restsignal yd (u, y, e) von den ursprünglichen Signalen y an den Fehlersensoren und den Referenzsignalen u abhängt. Der Parameter λ ist eine Minimierungsrandbedingung.
Die Aktor- bzw. Aktuatortreilbersignale, welche diese Kostenfunktion oder Zielfunktion minimieren, können aus einer einzigen Messung berechnet werden, sie sind gegeben durch
xd - B(y - yd(u, y, e)), (8)
wobei
B = (A·A + λI)&supmin;¹A·. (9)
Wenn diese Treibersignale verwendet werden, ist der Rest an den Sensoren
eopt = Axd + y = (I - AB)y + AByd(u, y, e). (10)
Dies demonstriert, dass der gewünschte Rest nur erreichbar ist, wenn AB = I, die Einheitsmatrix.
Die ursprünglichen und die Referenzsignale können jedoch nicht direkt gemessen werden, außer es ist kein Regelausgang vorhanden. Anstelle dessen wird der gewünschte Ausgang geschätzt als
wobei die Schätzung des ursprünglichen Signals aus den Fehlersignalen l und den Ausgangssignalen χ erhalten wird, wobei verwendet wird
und wobei und Schätzungen von A bzw. B sind.
Für statistisch stationäres bzw. gleich bleibendes Geräusch ist der optimale Frequenzbereichfilter gegeben durch
Copt = - B(y - yd(u, y, e))u· .Q, (13)
wo die spitzen Klammern den erwarteten Wert angeben und wo Q die inverse Autokorrelationsmatrix der Eingänge gegeben durch Q = uu* &supmin;¹ ist. Der optimale Zeitbereichsfilter unterliegt einer Kausalitätsbedingung, aber kann mit den Eingangs- und den gewünschten Resten berechnet werden.
Dies führt zu der Frequenzbereichs(bzw. -raum- bzw. -domain)-adaptionsformel, wie
in welcher u die Konvergenzschrittgröße ist und d durch die Gleichung (11) gegeben ist. Somit ist der Ausgangsgenerator angepasst in Abhängigkeit von bzw. als Antwort auf dem/den Unterschied zwischen der Schätzung der ursprünglichen Störung und den gewünschten Signalen yd.
Die Gleichung (12) kann verwendet werden, um die Schätzung der ursprünglichen Störung bzw. Störgröße zu substituieren. Dies ergibt eine alternative Form der umgeformten Gleichung
C' = (I - uΛ)C - u (e - yd) , (15)
in welcher I die Einheitsmatrix ist und das Matrixleck Λ gegeben ist durch
Λ = I - . (16)
In dieser Form der ungeformten Gleichung ist der Ausgangsgenerator in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Restsignalen und den gewünschten Signalen angepasst.
Ein Beispiel dieses Typs eines Regelsystems ist in Fig. 6 gezeigt. Referenzsensoren 28 schaffen Eingangssignale 29. Referenzsignale 31 sind durch subtrahierende Schätzungen 32 der Signale infolge der zu regelnden Störung oder Störgröße erhalten. Diese Schätzungen werden durch Führen der Treibersignale 27 durch ein Modell 33 der Systemrückkopplung (welche die Transferfunktion hat) erhalten. Der adaptive Filter 26 ist adaptiert in Bezug auf die Differenz zwischen den gewünschten Signalen und den gemessenen Restsignalen 23. Die gewünschten Signale werden durch den Antwort- bzw. Ansprechgenerator 24 erzeugt, welcher auf Restsignale 23, die Referenzsignale 31 und die geschätzten Originalsignale 34 ansprechen. Die geschätzten Originalsignale werden durch Subtrahieren der Schätzungen 35 der Signale infolge der Regelungsstörung von den Restsignalen erzeugt. Diese Schätzungen werden durch Führen der Treibersignale 27 durch ein Modell 36 der Systemrückkopplung (welche Transferfunktion hat) erhalten. Für ein Rückkopplungssystem sind die Sensoren 28 und 22 die gleichen und Signale 31 und 34 sind die gleichen, so dass sie nur einmal berechnet zu werden brauchen.
Eine schematische Darstellung des Regelsystems, welches das durch die Gleichung (14) gegebene Frequenzbereichs-Update verwendet, ist in Fig. 7 gezeigt. Die Restsignale 23 werden in einem Transformiertenmodul 40 transformiert, um die Transformiertenrestsignale 41 (e) zu erzeugen. Die Transformierte des geschätzten ursprünglichen Signals 42 ( ) wird durch Subtrahierung der Transformiertenschätzungen 43 der Signale infolge der geregelten Störung oder Störgröße von den Restsignalen erzeugt. Diese Schätzungen werden durch Führen der Transformiertentreibersignale 38 durch ein Modell 44 der Systemrückkopplung (welche die Transferfunktion besitzt) geführt. Die Transformiertentreibersignale werden durch Führen der Aktor- bzw. Aktuatortreibersignale 27 durch ein Vorwärtstransformiertenmodul 48 erzeugt. Die Referenzsignale 31 werden durch ein Vorwärtstransformiertenmodul 49 geführt, um die Transformiertenbezugssignale 50 zu erzeugen. Die Signale 41 und 42 werden zusammen mit den Transformiertenbezugssignalen 50 in dem Antwort- bzw. Ansprechgenerator 24 verwendet, um die Transformierte der gewünschten Störung oder Störgröße 45 zu bestimmen. Die Differenz zwischen den Signalen 45 und den Signalen 42 wird durch das inverse Transferfunktionsmodell 46 ( ) geführt und in einem Adaptionsmodul 47 verwendet, um die Transformierte der Filterkoeffizienten 51 einzustellen. Die inverse Transformierte dieser Koeffizienten wird bei 52 berechnet und dazu verwendet, die Koeffizienten der Filter upzudaten. Diese inverse Transformierte sollte die Kausalitätsbedingung auf den Filter und die Wirkung der zirkularen Faltungen berücksichtigen.
Alternativ kann der Filter selbst auch in dem Frequenzbereich ausgeführt werden. Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform dieser Systemart ist in Fig. 8 gezeigt. Die Transformierte des Referenzsignals 50 wird durch Führen des Eingangssignals 39 durch den Transformiertenmodul 49 und Subtrahieren der Transformierten der Signale 53 infolge der geregelten Störung oder Störgröße erhalten. Diese Signale werden erzeugt, indem die Transformierte der Treibersignale 38 durch ein Frequenzmodell 54 der Systemrückkopplung (welche die Transferfunktion hat) geführt wird. Die transformierten Treibersignale werden erhalten, indem die transformierten Bezugssignale 50 durch den Frequenzfilter 55 geführt werden.

Wellenformgeneratorsysteme

Für Wellenformgeneratortypsysteme, welche ein Synchronisiersignal oder ein Tachometersignal als Eingang verwenden, kann der Eingang angenommen werden als eine Einheit oder Eins bei allen Frequenzen. In diesem Falle können die obigen Gleichungen kompakter geschrieben werden.
Die optimalen Ausgangssignale können in Bezug auf die Fehlersignale geschrieben werden als
xd = - B(y - yd(u, e, xd)). (17)
Dies gibt Anlass für eine Anzahl von Adaptionsformeln einschließlich
= e - x
x' = (I - u)x - u ( - yd) (18)
und
x' = (I - uΛ)x - u (e - yd) (19)
wo Λ = I - und u die Adaptionsschrittgröße ist.
Eine schematische Darstellung des durch die Gleichung (18) gegebenen Regelsystems ist in Fig. 7 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der Ausgangsgenerator ein Wellenformgenerator 37, der mit einem Frequenzsignal 30 synchronisiert wird. Wenn der Wellenformgenerator in dem Frequenzbereich implementiert wird, wird der Ausgang wirksam eine inverse Transformierte der Harmonischenkoeffizienten 38 (χ) der Treibersignale. Alternativ kann der Wellenformgenerator durch Filtern sinusförmiger Referenzsignale implementiert werden. Die Restsignale 23 werden in einem Transformationsmodul 40 transformiert, um die Transformiertenrestsignale 41 (e) zu erzeugen. Die Transformierten der geschätzten ursprünglichen Signale 42 ( ) werden durch Subtrahieren der Transformiertenschätzwerte 43 der Signale infolge der zu regelnden Störung oder Störgröße von der Transformierten der Restsignale erzeugt. Diese Schätzwerte 43 werden dadurch erhalten, dass die Transformiertentreibersignale 38 durch ein Modell 44 des Systemfeedbacks (welches eine Transferfunktion hat) geführt werden. Die Signale 41 und 42 werden zusammen mit dem Frequenzsignal 30 in dem Antwort- bzw. Ansprechgenerator 24 verwendet, um die Transformierte der gewünschten Störung 45 zu bestimmen. Die Differenz zwischen den Signalen 45 und den Signalen 42 wird durch das inverse Transferfunktionsmodell 46 ( ) geführt und in einem Adaptionsmodul 47 verwendet, um die Harmonischentransformiertenkoeffizienten 38 des Treibersignals einzustellen.

Antwortgenerator

Im Wege der Erläuterung wird nun einiges an Beispielen zu dem Antwortgenerator beschrieben.

1. Modellreferenzsysteme

Für einige Systeme werden die Originalsignale an den Fehlersensoren zu den Eingangssignalen in Bezug gesetzt durch
y = Pu + n, (20)
wobei P eine Transferfunktion ist und n ein zusätzlicher nicht bezogener Lärm ist.
Bei einigen Anwendungen nimmt das gewünschte Restsignal die Form an
yd = Pd(e, x) . (21)
Das gewünschte Systemansprechverhalten kann fixiert werden oder es kann von den Treibersignalen oder den Restsignalen abhängen.
Der optimale Filter ist dann
Copt, = - B(P - Pd(e, x)), (22)
und die Update-Gleichung kann in Form der erhältlichen Signale (Verwendung der Gleichung (15)) angegeben werden als
C'(I - uΛ)C - u (e - Pd(e, x)). (23)

2. Spektralformung

Bei einigen Anwendungen ist es wünschenswert, das Leistungsspektrum des Restsignals zu formen. Der Pegel des Restsignals wird eingestellt relativ zu dem Pegel bei einer bestimmten Harmonischen (so etwa entsprechend der Zündfrequenz einer Innenkraftverbrennungsmaschine). Die Größe des gewünschten Signals wird gegeben durch
yd(k) = α(k). e(n) , (24)
wobei α(n) = 0 für irgendein n und wobei das α(k) positive Konstanten und k die Harmonischen- oder Frequenzzahl ist. Die Phase des Restes kann erhalten werden,
Die entsprechende Update-Gleichung ist
x'(k) = (I - uΛ)· x(k)- u(I - β(k)) · e(k), (26)
wobei
Wenn geschrieben wird u'(k) = u(I - β(k)) und Λ'(k) Λ/(l- β(k)), ergibt sich
x'(k) = (I - u'(k)Λ'(k))· x(k) - u'(k) · e(k), (28)
welches die Standardform ist, jedoch mit Parametern, welche von der Frequenz und den Restsignalen abhängen.

3. Vorbestimmte Reduktion

In anderen Anwendungen ist es wünschenswert, einen gewissen Anteil des Geräusches bei gewissen Frequenzen oder Harmonischen auszulöschen und das Geräusch bei anderen Frequenzen oder Harmonischen anzuheben. Das gewünschte Signal wird dann zu dem nicht gelöschten Signal durch
yd(k) = γ(k)· y(k) = γ · (e - Ax) (29)
in Beziehung gesetzt, wobei γ Konstanten sind, welche den Betrag der Zunahme oder Abnahme bestimmen. Diese Art einer Regelung kann z. B. erforderlich sein, wenn eine unzureichende Aktor- bzw. Aktuatorleistung vorhanden ist, um das gesamte Geräusch auszulöschen. In diesem Falle werden die Konstanten γ Online eingestellt, und zwar auf dem Pegel der Ausgangssignale. Die Update-Gleichung wird dann
x' = (l - u)x - u(l - γ) (30)
oder äquivalent
x' = (I - u[(l - γ)Λ + γI])x - u(l - γ) e, (31)
Diese Gleichung kann auch in die Standardform wie folgt überführt werden indem u'(k) = u(l - γ(k)) und Λ'(k) = Λ(k) + Iγ(k)/(l - γ(k)). Dies ergibt
x'(k) = (I - u'(k)Λ'(k))· x(k) - u'(k) e(k). (32)
Die Form in Gleichung (30) wird allgemein bevorzugt, da sie das Erfordernis der Berechnung von Λ vermeidet und der Bereich konvergenter Schrittgrößen unabhängig von γ ist.

4. Regelung des Harmonischenantwort- bzw. -ansprechverhaltens

In diesem Beispiel soll der Fall betrachtet werden, in welchem das physische bzw. physikalische System eine spezielle Antwort bzw. Ansprechverhalten aufweist. Bei passiven Systemen kann z. B. ein Soll- oder Zielfrequenzantwort- bzw. - ansprechverhalten spezifiziert werden. In aktiven Systemen kann ebenfalls ein gewünschtes Harmonischenantwort- bzw. -ansprechverhalten spezifiziert werden. In diesem Fall kann die Systemtransferfünktion H als eine Funktion der Frequenz und der Harmonischenzahl k (z. B. Maschinenordnung oder -reihenfolge) spezifiziert werden.
Der gewünschte Ausgang des Systems wird zu dem Eingang in Beziehung gesetzt durch
yd (f, k) = H(f, k)· (k) = H(f, k) · (w(k) - (f)x(k)) (33)
Dies hängt von den Eingangssignalen w und den Ausgangssignalen χ ab. Es hängt ferner von sowohl der Frequenz als auch der Harmonischenzahl ab.
Der optimale Filter (aus Gleichung) wird gegeben durch
Copt(f, k) = - (f)(P(f) - H(f, k)) (34)
und die korrespondierende Adaptionsformel ist
C'(f, k) = (I - uΛ)C(f, k)- u (f)(e(k) (k)Q - H(f, k))
Die spezielle Form des Antwortgenerators hängt von der Anwendung ab. Bei einigen Anwendungen kann das gewünschte Antwort- bzw. Ansprechverhalten von zusätzlichen Parametern abhängen, wie etwa der Geschwindigkeit, der Last oder der Drosselklappenstellung eines Kraftfahrzeugmotors. Diese können leicht in das hierin beschriebene Regelsystem eingefügt werden.
Eine andere Anwendung dieser Art eines Regelsystems ist in Audiosystemen gegeben. In vielen Audiosystemen hängt das wahrgenommene Spektrum des Musikausgangs von den Lautsprechern von der Lautheit des Eingangssignals ab. Dies hängt teilweise von Nichtlinearitäten in dem Wiedergabesystem und teilweise von der wahrgenommenen Lautheit durch die Hörer ab. Viele Systeme sind mit grafischen Equalizern versehen, welche es dem Benutzer ermöglichen, verschiedene Teile des Systems zu verstärken oder zu dämpfen, aber es ist unbequem, den Equalizer jedes Mal nachzustellen, wenn der Lautstärkepegel geändert wird. Ein Regelsystem dieser Art kann so konfiguriert werden, dass es den durch die Lautsprecher erzeugten Schall überwacht und das Eingangssignal so nachstellt, dass das wahrgenommene Spektrum des Schalls die gewünschte Beziehung zu dem Eingangssignal besitzt.
Nachdem bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, ist es offensichtlich für gewöhnliche Fachleute auf diesem Gebiet, dass viele Veränderungen, Ersetzungen und Modifikationen ausgeführt werden können, ohne den Bereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Regelsystem zur Änderung der Frequenz- oder Harmonischenspektren einer Originalstörung dergestalt, dass eine gewünschte Störung oder Störgröße mit gewünschten Frequenz- oder Harmonischenspektren erzeugt wird, mit:

wenigstens einer Betätigungseinrichtung (21) zur Erzeugung einer regelnden Störung oder Störgröße,

wenigstens einer Sensoreinrichtung (22), welche auf die geregelte Nettostörung anspricht und erste Signale (23) erzeugt, und

eine Ausgangsgeneratoreinrichtung (26), welche auf das erste Signale (23) anspricht und Treibersignale (27) für die Aktor- oder Aktuator- oder Betätigungseinrichtung (21) erzeugt, und

Antwort- oder Ansprechsgeneratoreinrichtungen (24), welche zur Erzeugung zweiter Signale (25) ausgelegt sind, welche eine gewünschte geregelte Nettostörung oder -störgröße mit einem spezifizierten Frequenz- oder Harmonischenspektrum charakterisieren,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Ausgangsgeneratoreinrichtung (26) auf die ersten Signale (23) und die zweiten Signale (25) derart anspricht, dass die geregelte Störung oder Störgröße zu den gewünschten Frequenz- oder Harmonischenspektren geformt wird.

2. Gesteuertes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortgeneratoreinrichtung (24) auf die ersten Signale (23) und die Treibersignale (27) anspricht.

3. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortgeneratoreinrichtung (24) auf Signale anspricht, die aus einer Frequenztransformation der ersten Signale (23) und einer Frequenztransformation der Treibersignale (27) erhalten wird.

4. Regelsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, in dem die Ausgangsgeneratoreinrichtung (26) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den zweiten Signalen (25) und den ersten Signalen (23) eingestellt wird.

5. Regelsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, in welchem die Ausgangssignaleinrichtung (26) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den zweiten Signalen (25) und einer Schätzung der Komponenten der ersten Signale (23), welche infolge der originalen Störung ohne Regelung vorhanden sind, eingestellt wird.

6. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in welchem die Ausgangsgeneratoreinrichtung (26) eine adaptive Filtereinrichtung aufweist, welche in Abhängigkeit von den Frequenz- oder Harmonischentransformationen der ersten Signale (23) und der zweiten Signale (25) eingestellt wird.

7. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in welchem die Ausgangsgeneratoreinrichtung (26) eine adaptive Filtereinrichtung aufweist, welche auf eine Schätzung der Komponenten des ersten Signals (23) anspricht, welche von der Originalstörung ohne Regelung abhängen.

8. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die Transformierte der gewünschten Störung bei jeder Frequenz oder Harmonischen proportional der Amplitude der Transformierten des korrespondierenden ersten Signals (23) bei einer vorgewählten Frequenz oder Harmonischen gemacht wird.

9. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die Transformierte der gewünschten Störung oder Störgröße bei jeder Frequenz oder Harmonischen so ausgebildet ist, dass sie die gleiche Phase wie die Transformierte des entsprechenden Restsignals bei der gleichen Frequenz oder Harmonischen hat.

10. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die Transformierte der gewünschten Störung oder Störgröße bei jeder Frequenz oder Harmonischen direkt proportional zur Transformierten der entsprechenden geschätzten Originalstörung oder -störgröße ohne Regelung gemacht wird.

11. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die Ausgangsgeneratoreinrichtung (26) aufweist:

eine adaptive Filtereinrichtung (26), welche auf eine Schätzung der Komponenten der ersten Signale (23) anspricht, welche entsprechend der Originalstörung oder -störgröße ohne Regelung sind, und

zusätzliche Fühleinrichtungen (28), welche dritte Eingangssignale (31) erzeugen, die wenigstens teilweise einen Bezug auf die Originalstörung oder - störgröße besitzen,

wobei die adaptive Filtereinrichtung (26) auf die dritten Eingangssignale (29) anspricht.

12. Regelsystem nach Anspruch 11, in welchem die adaptive Filtereinrichtung (26) auf die Frequenz- oder Harmonischentransformierte des dritten Signals (31) anspricht und die Treibersignale (27) durch inverse Frequenztransformation oder inverse Harmonischentransformation des Ausgangs der adaptiven Filtereinrichtung (26) erhalten werden.

13. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Regelung einer im Wesentlichen periodischen Störung oder Störgröße, wobei das System zusätzlich aufweist:

Frequenzmesseinrichtungen zur Schaffung eines oder mehrerer Synchronisiersignale, die auf die Frequenzen der originalen Störung oder Störgröße bezogen sind,

wobei die Ausgangsgeneratoreinrichtung mit den Synchronisiersignalen synchronisiert ist.

14. Regelsystem nach Anspruch 13, in welchem die Antwortgeneratoreinrichtung (24) auf Signale anspricht, die von der Harmonischentransformierten des ersten Signals (23) und der Harmonischentransformierten des besagten Treibersignals (27) abgeleitet wird, wobei die Harmonischentransformierten mit den Synchronisiersignalen synchronisiert wird.

15. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die Originalstörung oder -störgröße Geräusch von dem Auslass oder Auspuffund/oder Einlass einer Maschine oder eines Motors aufweist.

16. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Originalstörung oder -störgröße Geräusch innerhalb einer Fahrzeugkabine aufweist.

17. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches so konfiguriert ist, dass das Frequenzspektrum eines elektronischen Eingangssignals an ein nichtlineares System so geändert wird, dass das Frequenzspektrum des Ausgangs des nichtlinearen Systems in einer bevorzugten Beziehung zu dem elektronischen Eingangssignal aufrecht erhalten wird.

18. Verfahren zur Änderung der Frequenz- oder Harmonischenspektren einer geregelten bzw. gesteuerten Störung oder Störgröße, gemäß welchem ein erster Satz von Signalen (23) in Abhängigkeit von der geregelten Störung oder Störgröße erzeugt wird,

Treibersignale (27) für eine Betätigungseinrichtung (21) erzeugt werden, welche geeignet sind, eine inverse Gegenstörung zu erzeugen, um die geregelte Störung oder Störgröße zu dämpfen,

Formen der regulierten Störung oder Störgröße in gewünschte Frequenz- oder Harmonischenspektren, und

Erzeugen zweiter Signale (25), welche ein gewünschtes spezifisches Frequenz- oder Harmonischenspektrum der regulierten Störung oder Störgröße darstellen, und zwar in Abhängigkeit von den ersten Signalen (23) und den Treibersignalen (27), und wobei die Formung des genannten gewünschten spezifischen Frequenz- oder Harmonischenspektrums durch die ersten Signale (23) und die Treibersignale (27) beeinflusst wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, welches weiter den Schritt des Erhaltens zweiter Signale durch Filterung der ersten Signale (23) einschließt.

20. Verfahren nach Anspruch 18, welches weiterhin den Schritt des Erhaltens zweiter Signale durch Filterschätzungen der Komponenten der ersten Signale (23) infolge der originalen Störung oder Störgröße einschließt.

21. Verfahren nach den Ansprüchen 18, 19 oder 20, welches weiter die Schritte des Messens der Frequenz der Originalstörung oder -störgröße und die Schaffung von Synchronisiersignalen, welche zu den Frequenzen der Störung in Beziehung stehen, schafft.

22. Verfahren nach den Ansprüchen 18, 19, 20 oder 21, welches einschließt:

Schaffung der genannten zweiten Signale (25) in Abhängigkeit von den ersten Signalen (23) und den Treibersignalen (27) und kontinuierliche Einstellung der Treibersignale, um die Differenz zwischen den zweiten Signalen und den ersten Signalen zu reduzieren.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, welches einschließt:

Schaffung der genannten zweiten Signale (25) in Abhängigkeit von den ersten Signalen (23) und den Treibersignalen (27),

Schaffung einer Schätzung der Komponenten der genannten ersten Signale infolge der originalen Störung oder Störgröße ohne Regelung und

Einstellung der Treibersignale in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den zweiten Signalen und der Schätzung, um die regulierte Störung oder Störgröße zu formen.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, welches die Erzeugung der zweiten Signale in Abhängigkeit von einer Frequenztransformierten der Treibersignale und einer Frequenztransformierten der ersten Signale einschließt.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, welches einschließt:

Erzeugung der zweiten Signale (25) durch Filterung der ersten Signale und der genannten Treibersignale,

Erzeugung von Eingangssignalen in teilweiser Abhängigkeit von der geregelten Störung oder Störgröße und

Filterung der Eingangssignale zur Erzeugung der Treibersignale.

26. Verfahren nach Anspruch 25, in welchem die Filterung in Abhängigkeit von Signalen von den ersten Signalen (23), den zweiten Signalen (25) und den dritten Signalen (29) angepasst wird.

27. Verfahren nach Anspruch 25, in welchem die Antwort, welche die Filterung anpasst, durch eine Frequenz- oder Harmonischentransformierte der dritten Signale (29) und eine Inversion oder Harmonischentransformierte des Filterungsstufenausgangs bewirkt wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, in welchem die zweiten Signale die Harmonischen- oder Frequenztransformierten der gewünschten Signale charakterisieren.