EP2436003B1 - Method and device for narrow-band noise suppression in a vehicle passenger compartment - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method and a device for rejecting noise in a passenger compartment of a vehicle, in particular an automobile, by active control. It has applications in the industrial field of motor vehicles, this term being taken in the broad sense including including light vehicles, heavy, road, rail, boats, barges, submarines, and that of electroacoustic equipment as per example the car radios to which such a function can be added.
- Some acoustic noises occurring in a passenger compartment of a vehicle may have a broad spectrum, others may instead be approximately single-frequency. This is particularly the case of the noise generated by the rotation of the motor shaft, known as a buzz that results in a noise whose spectrum is composed of lines whose frequencies are proportional to the frequency of rotation of the motor. 'motor shaft with a fundamental and harmonics.
- a so-called feedforward or precompensation structure This structure requires a loudspeaker, an error microphone at which it seeks to cancel the noise and a controller receiving a reference signal, correlated with the signal to be canceled, producing a correction signal sent on the speaker.
- This structure is schematically represented on the Figure 1 of the state of the art.
- This structure has given rise to a series of algorithms based on the least square square (LMS) method: Fx-LMS, FR-LMS, whose goal is to minimize the least squares signal. from the error microphone, by exploiting the reference signal.
- LMS least square square
- feedback a structure called “feedback” or feedback.
- This structure is schematically represented on the Figure 2 of the state of the art.
- This structure does not require a reference signal, unlike the so-called “feedforward” structure.
- all the tools of the conventional automatic can be used.
- a robustness analysis of the looped system with respect to the variation of the transfer function of the passenger compartment can be performed.
- the present invention is classified in this second type of structure, called "feedback". It relates more particularly to an active process in real time, by feedback, attenuation of a narrow-band noise, essentially single-frequency at at least one determined frequency, in a passenger compartment of a vehicle by emission of a sound by at least one a transducer, typically a loudspeaker, controlled with a signal u (t) or U (t) in a monovariable or multivariable case respectively, generated by a programmable computer, as a function of an acoustic measurement signal y (t) or Y (t) depending on the case, made by at least one acoustic sensor, typically a microphone, the use of a sensor corresponding to a single-variable case and the use of several sensors corresponding to a multivariable case, and in a first phase of design, the electroacoustic behavior of the assembly formed by the passenger compartment, the transducer, and the sensor being modeled by an electroacoustic model in the form of an
- a correction control law then being determined and calculated from a global model of the system in which the correction control law is applied to the electroacoustic transfer function whose output additionally receives a signal of noise to attenuate p (t) to give the signal y (t) or Y (t) in said design phase, said correction control law making it possible to produce the signal u (t) or U (t) as a function of acoustic measurements y (t) or Y (t), and in a second phase of use, said calculated correction control law being used in the computer to produce the signal u (t) or U (t) then sent to the transducer according to the signal y (t) or Y (t) received from the sensor for attenuation of said noise.
- a correction control law comprising a fixed coefficient part called a central corrector and a variable coefficient part as a function of the frequency of the noise to be attenuated, which is here a parameter of Youla, the part the variable coefficient corrector being an infinite impulse response filter and after determining and calculating the correction control law, at least one of said variable coefficients is stored in a computer memory, preferably in a table according to the frequency (s); noise determinations p (t) used in the design phase and in the utilization phase, in real time: the current frequency of the noise to be attenuated is recovered and the calculator is computed with the correction control law, including the corrector fixed coefficient coefficient with the variable coefficient part using for the variable coefficient part, the coefficients nts stored at a determined frequency corresponding to the current frequency of the noise to be attenuated.
- a central corrector with fixed coefficients is used for the attenuation of the noise at at least one determined frequency, to which is added a block with variable coefficients which is a parameter of Youla in the form of a Q block of Youla.
- SISO single input single outpout
- MIMO multi-inputs-multi-outputs
- signal in the context of the invention relates both to analog signals such as the electrical signal coming out of the microphone itself as digital signals such as the output signal of the block Q (q - 1 ) Youla.
- transducer and sensor are used in a generic and functional manner and that in practice interface electronics are associated therewith such as in particular analog-digital or digital-to-analog converters, one or more filters. anti-aliasing, amplifiers (for the speaker (s) and microphone).
- signal also covers single-ended cases (a sensor and thus a single input of acoustic measurements) and multivariable (several sensors and therefore several inputs of acoustic measurements) and regardless of the number of loudspeakers.
- the invention can be applied both to a monovariable case (a single microphone, that is to say a single location where the noise will be attenuated in the cabin), as multivariable cases (several microphones, that is to say, as many locations where the noise will be attenuated).
- the invention is applicable both to attenuation of a noise which is at a particular fixed frequency over time (for example noise of a truck refrigeration compressor) that a noise whose frequency can evolve over time and in this case, in the design phase, it is preferable to determine and calculate Youla parameters, block Q (q - 1 ) , for several determined frequencies in order to take during the phase of using the result of the calculation of the Youla parameter for a determined frequency which corresponds (equal to or close to, which in fact corresponds best or is interpolated otherwise) to the current frequency of the noise to be attenuated.
- the parameterization of Youla has already been used for sinusoidal disturbance rejection: it is the vibration control of an active suspension.
- the corresponding article is: "Adaptive narrow disturbance applied to an active suspension- an internai model approach" (Automatica 2005), whose authors are ID Landau , et al.
- the Youla parameter is in the form of a finite impulse response filter (transfer function with a single polynomial without denominator) whereas in the present invention we will see that this parameter of Youla is in the form of an infinite impulse response filter (transfer function with a numerator and denominator).
- Youla parameter coefficients are computed using an adaptive device, that is, disturbance frequency information is not known unlike the present invention where this frequency is known from measurements, including a revolution counter, and where the Youla parameter coefficients are stored in tables for their use in real time.
- the devices and method of the invention allow a much greater robustness of the control law. In the case of the invention, this corresponds to an insensitivity of the control law to the parametric variations of the electroacoustic model, that is to say to the variations of the configuration of the passenger compartment, which, of an industrial point of view, is a capital element.
- the invention also relates to a device specially adapted for implementing the method of the invention for attenuation of narrow-band noise, essentially single-frequency at at least one determined frequency
- the device comprising at least one transducer , typically a loudspeaker, controlled with a signal generated by a programmable computer, as a function of a signal of acoustic measurements made by at least one acoustic sensor, typically a microphone, a correction control law having been determined and calculated in a first design phase, said calculated correction control law being used in a second phase of use in the computer to produce a signal sent to the transducer according to the signal received from the sensor for attenuation of said noise, and which device comprises means implementation in the calculator of a correction control law c omportant the application of a Youla parameter to a central corrector, only the Youla parameter having coefficients dependent on the frequency of the noise to attenuate in said correction control law the central corrector having fixed coefficients and a memory of the calculator stores at least said
- An aspect of the invention also relates to an instruction medium for directly or indirectly controlling the computer so that it operates according to the method of the invention and in particular in real time in the use phase.
- this device under control of a programmable computer, consisting of a microphone and a microphone. one or more speakers connected to each other and integrated into the vehicle.
- the loudspeakers are controlled by a control law which generates control signals from the signal received from the microphone.
- the control law and the methodology for regulating this control law will therefore be described in detail.
- in a first part we will be interested in the simpler single-variable case (only one microphone) then in a second part in the multivariable case (several microphones).
- the device of the invention (and the method that is implemented therein) comprises means for rejecting a monofrequency disturbance (noise), the frequency of which is assumed to be known thanks to external information such as, for example, the speed rotation of the engine of the vehicle given by a tachometer ...
- a monofrequency disturbance noise
- the electroacoustic model In order to synthesize a control law, one must have a model of the real system consisting of the electroacoustic and acoustic elements of the passenger compartment including the / speakers (transducers), microphones (sensor), associated electronic elements (amplifiers, converters ).
- This model called the electroacoustic model must be in the form of a rational transfer function, that is to say behaving as an infinite, discrete impulse response filter.
- the computer being digital, analog-digital and digital-to-analog converters are used in particular for sampling the analog signals.
- the equations governing the real behavior of the passenger compartment are partial differential equations, ie the transfer function representing exactly the real system is of infinite dimension (parameter model distributed). Therefore, in order to put the invention into practice, it is necessary to find a compromise for defining the electroacoustic model and the order of the transfer function of said model is chosen with a sufficiently small dimension so as not to result in a large volume of calculations. but large enough to correctly approximate the model. It follows from this constraint that oversampling is to be avoided. For example, for a maximum disturbing noise frequency of 120 Hz, a sampling frequency of 500 Hz can be chosen. One of the advantages of choosing a moderate sampling frequency lies in a reduction in the charging load. calculation of the on-board computer.
- the speaker amplifier since the speaker amplifier has a much higher sampling frequency (or even operates with analog components), it is desirable to place between the computer output and the speaker input.
- a low-pass filter operating at the frequency of the loudspeaker amplifier, the cut-off frequency of said filter being constant, in order to reduce the harmonic distortions due to the transition between different sampling period signals.
- the identification is performed by stimulating the real system with a signal u (t) whose spectral density is substantially uniform, over the frequency range [0, Fe / 2], Fe / 2 being the Nyquist frequency. It is understood that the frequency / frequencies of the noise that one seeks to attenuate must also be included in the same range and Fe is therefore chosen according to the highest frequency of the noise to be attenuated.
- a stimulation excitation signal can be produced for example by an SBPA (pseudo-random binary sequence).
- SBPA pseudo-random binary sequence
- this identification operation with stimulation is performed for all occupancy configurations of the passenger compartment of the actual model.
- This occupation may correspond to placements of passengers, accessories (additional seats for example), change of acoustic or electronic equipment, or any other condition that may change the electroacoustic behavior of the passenger compartment.
- the characterization of the level of rejection of the acoustic disturbance which acts on the cabin is done by means of the direct sensitivity function of the looped system noted Syp.
- the RST corrector is the most general form of implementation of a monovariable corrector.
- q - d B q - 1 AT q - 1 is the transfer function of the electroacoustic model described more high.
- p (t) is the equivalent of the acoustic disturbance that was deported at the output of the system, without loss of generality.
- the direct sensitivity function Syp can be defined as the transfer function between the perturbation signal p (t) and the microphone signal y (t). This transfer function describes the behavior of the closed loop concerning the rejection of acoustic disturbance.
- the object of the control law being to allow the rejection of disturbance at a fpert frequency, it is necessary that at said frequency the Syp module is low, in practice much below 0 dB.
- FIG. Figure 6 An example of a direct sensitivity function is shown in FIG. Figure 6 and the two areas, below and above the 0 dB axis, are equal.
- Equation (2) is a Bézout equation.
- the detail of the resolution of Bézout's equation can be found, for example, in the work of I.D. Landau cited above, on pages 151 and 152. It goes through the resolution of a Sylvester system.
- the choice of poles can be made according to various strategies. One of these strategies is explained below.
- Such a corrector is based on a so-called central corrector RS consisting of the blocks Ro ( q -1 ) and So ( q -1 ) .
- Ro and So being polynomials in q -1
- the blocks q - d B ( q -1 ) and A ( q -1 ) are the numerator and denominator of the transfer function of the electroacoustic system to be controlled.
- S q - 1 So q - 1 . ⁇ q - 1 - q - d B q - 1 ⁇ q - 1 in order to specify the block S with a prespecification block Hs, that is to say: S ' q - 1 .
- Hs q - 1 So q - 1 . ⁇ q - 1 - q - d B q - 1 ⁇ q - 1 Is : S ' q - 1 .
- Hs q - 1 + q - d B q - 1 ⁇ q - 1 So q - 1 . ⁇ q - 1 which is also a Bézout equation, allowing in particular to find ⁇ if ⁇ and Hs are defined.
- Sypo be the direct sensitivity function of the looped system with the central corrector without Youla parameter.
- Hs and ⁇ such that the transfer function Hs q - 1 ⁇ q - 1 results from the discretization of a continuous block of the second order by the method of Tustin with "prewarping": s 2 2 ⁇ . fpert 2 + 2 ⁇ ⁇ 1 . s 2 ⁇ . fpert + 1 s 2 2 ⁇ . fpert 2 + 2 ⁇ ⁇ 2 . s 2 ⁇ . fpert + 1
- Hs and ⁇ are polynomials in q -1 of degree 2 and , are damping coefficients of a second-order cell.
- the discretization operation of the continuous transfer function can be performed by means of calculation routines which can be found, for example, in computer software dedicated to the automatic. In the case of Matlab®, this is the "c2d" function.
- the number of variant parameters as a function of the frequency of the disturbing noise to be rejected in the control law is only 4.
- the calculation of these parameters parameters as a function of the frequency f of the disturbance to be rejected can be performed offline, previously, by solving the Bézout equation (10), during the design phase of the control law, the parameters that can be stored in tables on the on-board programmable computer in the vehicle and called, in real time, according to the frequency to be rejected.
- the Figure 8 represents the complete schema of the correction control law (central corrector RS + parameter of Youla Q).
- an electroacoustic model that can be described as median, that is to say, a model corresponding to an intermediate level of occupancy of the passenger among the models. electroacoustics corresponding to different occupancy configurations of the passenger compartment.
- the central corrector For the synthesis of the central corrector, it is preferably sought that it guarantees maximum margins without a particular objective of disturbance rejection. This can be achieved, for example, by a pole placement technique, and, if necessary, one can consult the book of ID Landau already cited for this, in particular, the whole of chapter 3. More precisely, it can be seen proceed as explained later.
- auxiliary poles whose value is between 0.05 and 0.5 in the complex plane are also placed (in the case where there is no oversampling). Recall that a sampled system is stable if all its poles are strictly included in the unit circle in the complex plane. These auxiliary poles have the role of increasing the robustness of the control law, when adding the Youla parameter.
- the central corrector was thus determined and calculated.
- the damping factors are selected , of equation (12), so as to adjust the depth of attenuation of Syp at said frequency, as well as the width of the notch (bandwidth) at the frequency fpert in Syp, while providing a sufficient robustness measurable by the module margin described above (maximum Syp). It is possible, for example, to set a target for a module margin of 0.7, which corresponds to a high level of robustness of the closed loop, a robustness that will guarantee the stability of the active control system during variations in passenger compartment configuration.
- the polynomials Hs ( q -1 ) and ⁇ ( q -1 ) are calculated as explained above by discretizing a second order cell and the Bézout equation (10) is solved to determine ⁇ ( q -1 ). .
- this calculation resulting in the determination of ⁇ ( q -1 ) and ⁇ ( q -1 ) as a function of fpert is performed over the entire frequency range where it is intended to perform a disturbance rejection.
- ⁇ and ⁇ can be calculated for frequencies varying from 2 Hz to 2 Hz over a range from 30 to 120 Hz.
- the set of coefficients of the polynomials ⁇ ( q -1 ) and ⁇ ( q -1 ) as a function of fpert is stored in memory, a table for these last, the calculator.
- the tables make it possible to find the data that will be used in real time according to the current conditions, in particular the current frequency of the noise to be attenuated and possibly a current configuration of occupancy of the passenger compartment.
- the correction control law (corrector RS + Youla parameter) is then synthesized. It is possible, in an optional phase of the design phase, to verify that it has a stability and a correct level of robustness (module margin> 0.5) with a simulation of the looped system and disturbance rejection over the entire range of Frequency for all occupancy configurations of the passenger compartment using the electroacoustic models identified in the various configurations. If this is not the case, we come back to the design of the control law by playing on the coefficients , (depth and frequency width of the rejection). If this is still not enough, we can then try to take as another electro acoustic model among those obtained for the various cockpit configurations or, then, to play on the location of the auxiliary poles of the closed loop (high poles frequency).
- the stored data in particular the coefficients of the polynomials ⁇ (q -1 ) and ⁇ ( q -1 ) for the Youla parameter, are called as a function of the information on the current frequency of the noise to be rejected originating, for example, indirectly , a tachometer measurement on the motor shaft.
- the coefficients of the polynomials ⁇ (q -1 ) and ⁇ ( q -1 ) are estimated by interpolating between coefficients calculated for two or more known frequency values. In the latter case, it is preferable that the frequency mesh is not too great between the frequencies used for the calculations of the coefficients, a mesh of 2 Hz in 2 Hz is generally suitable.
- the invention relates to a real-time active method, by feedback, attenuation of a narrow-band noise, essentially single-frequency at at least a predetermined frequency, in a passenger compartment of a vehicle by emission of a sound by at least one transducer, typically a loudspeaker, controlled with a signal u (t) generated by a programmable computer, depending of a signal of acoustic measurements y (t) made by an acoustic sensor, typically a microphone, in a first phase of design, the electroacoustic behavior of the assembly formed by the passenger compartment, the transducer, and the sensor being modeled by an electroacoustic model in the form of an electroacoustic transfer function which is determined and calculated, a correction control law then being determined and calculated from a global model of the system in which the correction control law is applied to the electroacoustic transfer function whose output additionally receives a noise signal p (t) to give the signal y (t)
- Eliott indicates that the zone of silence around the error microphone does not exceed one tenth of the wavelength of the noise to be rejected. about 110 cm for a noise of 30 Hz, 55 cm for a noise of 60 Hz, 28 cm for a noise of 120 Hz at room temperature.
- a first solution is to use the previously established control scheme for a single microphone to make a loudspeaker-microphone loop one by one.
- This solution may give very poor results, or even instability. Indeed, a given loudspeaker of a modeled system will have an influence on all the microphones of the cabin, even those which are not of its own modeled system.
- FIG. 9 a diagram of the electroacoustic transfer on a 2 * 2 system (2 loudspeakers, 2 microphones).
- the microphone 1 is sensitive to the acoustic effects of the speaker 1 (HP1) and the speaker 2 (HP2).
- the microphone 2 is sensitive to the acoustic effects of speaker 2 (HP2) and speaker 1 (HP1).
- nu ny to simplify the explanations but this is not restrictive, the following may also apply to the case n> ny.
- the coefficients of matrices G, H, W define the multivariable linear system.
- X (t) corresponds to the vector X at time t
- X (t + Te) corresponds to the vector X at time t + Te (ie a sampling period after X (t)).
- the correction control law is based on this state representation, so, as for the monovariable case, is it necessary to determine and calculate the model of the electroacoustic system to be controlled (electroacoustic model of the passenger compartment), that is to say say the coefficients of matrices G, H, W.
- the coefficients of the model of the electroacoustic system to be controlled by an identification procedure during the design phase, that is to say by stimulation of the real electroacoustic system with spectral density noise. substantially uniform, the naked speakers being excited by signals that are decorrelated between them.
- the input data (microphones measurements) and outputs (signals for the loudspeakers) are stored in a computer and are used therein to obtain a state representation of said system, this time using algorithms dedicated identification multivariable systems.
- algorithms are for example provided in toolboxes of software specialized in the field of automation such as for example Matlab®.
- Matlab® One can also consult advantageously L. LJUNG's book "System identification-Theory for the user" Prentice Hall, Englewood Cliffs, NS, 1987, the algorithms presented in this work having given birth to a box tool dedicated to the identification in Matlab® software. It is the same for the validation algorithms of the model obtained from the electroacoustic system to be controlled.
- Another possible embodiment consists in identifying the one-to-one transfer functions one by one with the monovariable identification tools, and stimulating the loudspeakers one to one, and then proceeding to an aggregation of the nu * ny models in one, multivariable.
- This aggregation can be done, for example by the least squares method of innovation, algorithm described in Ph de Larminat's book: "Automatique appliquée” Hermès 2007.
- the placement of the poles of the closed loop provided with the central corrector can be done by choosing the coefficients of Kf and Kc which are the adjustment parameters of this control structure.
- the number of poles to be placed is 2 * n.
- Kc Another way of proceeding to calculate Kc consists of an optimization LQ (quadratic linear) for which the literature is very abundant. For example, one can refer to the book “Robustness and optimal order" CEPADUES editions, 1999 on pages 69-79 .
- we will find associated with this work a calculation routine for the software Matlab®, allowing the calculation of the coefficients of Kc following the optimization LQ type B.
- the central corrector being determined and calculated, we will now present how to determine and calculate the Youla parameter which is associated with the central corrector for realize the correction control law in the multivariable case.
- the objective is always to reject sinusoidal perturbations of known frequency fpert, here at the level of each microphone, making sure that only the coefficients of the Youla parameter vary as fpert varies.
- Q parameter of Youla
- X Q t + You AT Q X Q t + B Q Y t - W ⁇ X ⁇ t
- X Q being the state vector of the Youla parameter.
- G 2 i W 2 i is not unique.
- hs 1 i and hs 2 i are deduced from the numerator of a transfer function H s i q - 1 ⁇ i q - 1 resulting from the discretization of a continuous cell of the second order, identical to that used in the monovariable case: s 2 2 ⁇ . fpert 2 + 2 ⁇ ⁇ 1 i . s 2 ⁇ . fpert + 1 s 2 2 ⁇ . fpert 2 + 2 ⁇ ⁇ 2 i . s 2 ⁇ . fpert + 1
- the discretization of the continuous transfer function can be done for example by means of the calculation routine "c2d" of the Matlab® software.
- Kf 2 i as a function of G 2 i , W 2 i , ⁇ i ( q -1 ) and is a classical pole placement.
- Matlab® software routine dedicated to this operation whose name is "PLACE”.
- Kf 2 K f 21 0 ⁇ 0 0 K f 22 ⁇ 0 0 ⁇ K f 2 ny
- equations (36) and (37) can be found in ph. de Larminat: "Automatic Applied" hermès 2007 on pages 202 205.
- the resolution of equations (37) leads to the resolution of a Sylvester system. It should be noted that a calculation routine for the Matlab® software solving the asymptotic rejection equations is provided with the aforementioned work.
- the coefficients of A Q , B Q and C Q can be calculated during the adjustment of the correction control law and put into tables in order, in use phase, to be called as a function of fpert on the real time calculator.
- the Figure 14 gives the scheme of application of the correction control law in the phase of use in real time in the programmable computer.
- the Youla Q block can be implemented as a transfer matrix to minimize the number of variant coefficients in this block. Such an operation can be carried out for example by means of the "ss2tf" routine of the Matlab® software.
- the adjustment parameters of the correction control law reside in the choice of control poles (by Kc parameters) which have an influence on the robustness of the control law.
- the choice of damping factors is available , continuous second-order cells, influencing the frequency widths and depth of the disturbance rejections at the fpert frequency.
- the robustness of the servocontrol can be evaluated by calculating the infinite norm of the transfer matrix between P (t) and Y (t) (generalization of the monovariable case). Since the calculation of the infinite norm of a transfer matrix is done by calculating the singular values of said transfer matrix, one can also use the Matlab® software and in particular the "SIGMA" function of the "control toolbox".
- the invention thus implements a central corrector with a Youla parameter which is in the form of an infinite impulse response filter with at least one input and at least one output, which number depends on the chosen embodiments (single variable, multivariable, number of sensors and transducers ).
- Hs and ⁇ are here polynomials in q -1 of degree 4 and are damping factors allowing just as in the case of single-frequency rejection to adjust the width and depth of the attenuation notch in the representative curve of the Syp module, ⁇ ( q -1 ) is a command polynomial 4 and ⁇ ( q -1 ) a polynomial of order 3.
- the number of variable coefficients in the control law is therefore higher: there are 4 additional coefficients to be varied according to fpert.
- the vector X 2 (t) is this time of size (4ny * 1) and the matrix W 2 is this time of size (ny * 4ny).
- the asymptotic rejection equations (36) and (37) are unchanged. The resolution of such a multivariable system is similar to the case of the rejection of a single previously detailed frequency.
- a central corrector to which a Youla parameter is added can be applied in practice for noise attenuation in other ways than the one detailed above.
- the type of electroacoustic model may be different, the methods for determining and / or synthesizing the central corrector and Youla parameter may also be different and it is useful to refer to the literature indicated for the practical implementation of these other modalities.
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Description
La présente invention concerne un procédé ainsi qu'un dispositif de rejet de bruit dans un habitacle d'un véhicule, notamment automobile, par contrôle actif. Elle a des applications dans le domaine industriel des véhicules à moteurs, ce terme étant pris au sens large en comprenant notamment les véhicules légers, lourds, routiers, sur rail, bateaux, péniches, sous-marins, et dans celui des équipements électroacoustiques comme par exemple les autoradios auxquels une telle fonction peut être ajoutée.The present invention relates to a method and a device for rejecting noise in a passenger compartment of a vehicle, in particular an automobile, by active control. It has applications in the industrial field of motor vehicles, this term being taken in the broad sense including including light vehicles, heavy, road, rail, boats, barges, submarines, and that of electroacoustic equipment as per example the car radios to which such a function can be added.
Certains bruits acoustiques survenant dans un habitacle d'un véhicule peuvent avoir un spectre large, d'autres peuvent au contraire être approximativement monofréquentiels. C'est en particulier la cas du bruit généré par la rotation de l'arbre moteur, connu sous le nom de bourdonnement qui se traduit par un bruit dont le spectre est composé de raies dont les fréquences sont proportionnelles à la fréquence de rotation de l'arbre moteur avec un fondamental et des harmoniques.Some acoustic noises occurring in a passenger compartment of a vehicle may have a broad spectrum, others may instead be approximately single-frequency. This is particularly the case of the noise generated by the rotation of the motor shaft, known as a buzz that results in a noise whose spectrum is composed of lines whose frequencies are proportional to the frequency of rotation of the motor. 'motor shaft with a fundamental and harmonics.
Ces fréquences sont variables suivant la vitesse de rotation de l'arbre moteur, néanmoins elles peuvent être connues avec précision grâce à l'information provenant du tachymètre généralement intégré au véhicule.These frequencies are variable according to the rotational speed of the motor shaft, nevertheless they can be known precisely thanks to the information from the tachometer generally integrated into the vehicle.
Il a déjà été proposé de réduire, voire de supprimer, ces bruits par des moyens acoustiques actifs. On peut mentionner à ce sujet un bilan de l'état de l'art dans le domaine du contrôle actif appliqué aux véhicules automobiles, fait par
Il existe deux principales structures de contrôle actif acoustique. Premièrement, une structure dite « feedforward » ou à précompensation. Cette structure nécessite un haut parleur, un microphone d'erreur au niveau duquel on cherche à annuler le bruit et un contrôleur recevant un signal de référence, corrélé avec le signal à annuler, produisant un signal de correction envoyé sur le haut-parleur. Cette structure est représentée schématiquement sur la
Toujours dans le cas d'une structure dite « feedforward », on peut citer l'article de Sano et All. intitulé « NV countermeasure technology for a cylinder - On-Demand Engine-Developpement of a active booming noise control applying adaptive notch filter (SAE 2004). Les auteurs présentent un algorithme basé sur un filtre adaptatif coupe-bande (« notch »), la fréquence d'atténuation du bruit étant connue. Le dispositif est basé sur un algorithme dont la structure est de type « feedforward », nommé FR-SAN, qui est une adaptation de l'algorithme FR-LMS au cas où le bruit à atténuer est de type monofréquentiel. Lors de la mise en oeuvre de cet algorithme, les problèmes se posant lorsque la fonction de transfert de l'habitacle varie, par exemple en fonction du nombre de passagers, ne sont pas pris en compte. Par ailleurs, avec cet algorithme, il n'est pas possible de connaître autrement qu'expérimentalement le comportement du système de contrôle à des fréquences autres que celles à laquelle il agit.Still in the case of a structure called "feedforward", we can cite the article by Sano and All. titled "NV Countermeasure Technology for a Cylinder - On-Demand Engine-Development of an Active Booming Noise Control Applied Adaptive Notch Filter (SAE 2004). The authors present an algorithm based on an adaptive notch filter, the noise attenuation frequency being known. The device is based on an algorithm whose structure is of the "feedforward" type, named FR-SAN, which is an adaptation of the FR-LMS algorithm in the case where the noise to be attenuated is of the single-frequency type. When implementing this algorithm, the problems arising when the transfer function of the passenger compartment varies, for example as a function of the number of passengers, are not taken into account. Moreover, with this algorithm, it is not possible to know otherwise than experimentally the behavior of the control system at frequencies other than those to which it acts.
Deuxièmement, une structure dite « feedback » ou à contre-réaction. Cette structure est représentée schématiquement sur la
Le document
Le document
La présente invention se classe dans ce deuxième type de structure, dite « feedback ». Elle concerne plus particulièrement un procédé actif en temps réel, par rétroaction, d'atténuation d'un bruit à bande étroite, essentiellement monofréquentiel à au moins une fréquence déterminée, dans un habitacle d'un véhicule par émission d'un son par au moins un transducteur, typiquement un haut-parleur, commandé avec un signal u(t) ou U(t) selon un cas monovariable ou multivariables respectivement, généré par un calculateur programmable, en fonction d'un signal de mesures acoustiques y(t) ou Y(t) selon le cas, effectuées par au moins un capteur acoustique, typiquement un microphone, l'utilisation d'un capteur correspondant à un cas monovariable et l'utilisation de plusieurs capteurs correspondant à un cas multivariables, et dans une première phase de conception, le comportement électroacoustique de l'ensemble formé par l'habitacle, le transducteur, et le capteur étant modélisé par un modèle électroacoustique sous forme d'une fonction de transfert électroacoustique qui est déterminée et calculée, une loi de commande de correction étant ensuite déterminée et calculée à partir d'un modèle global du système dans lequel la loi de commande de correction est appliquée à la fonction de transfert électroacoustique dont la sortie reçoit additionnellement un signal de bruit à atténuer p(t) pour donner le signal y(t) ou Y(t) dans ladite phase de conception, ladite loi de commande de correction permettant de produire le signal u(t) ou U(t) en fonction des mesures acoustiques y(t) ou Y(t), et dans une seconde phase d'utilisation, ladite loi de commande de correction calculée étant utilisée dans le calculateur pour produire le signal u(t) ou U(t) alors envoyé au transducteur en fonction du signal y(t) ou Y(t) reçu du capteur pour atténuation dudit bruit.The present invention is classified in this second type of structure, called "feedback". It relates more particularly to an active process in real time, by feedback, attenuation of a narrow-band noise, essentially single-frequency at at least one determined frequency, in a passenger compartment of a vehicle by emission of a sound by at least one a transducer, typically a loudspeaker, controlled with a signal u (t) or U (t) in a monovariable or multivariable case respectively, generated by a programmable computer, as a function of an acoustic measurement signal y (t) or Y (t) depending on the case, made by at least one acoustic sensor, typically a microphone, the use of a sensor corresponding to a single-variable case and the use of several sensors corresponding to a multivariable case, and in a first phase of design, the electroacoustic behavior of the assembly formed by the passenger compartment, the transducer, and the sensor being modeled by an electroacoustic model in the form of an electronic transfer function. which is determined and calculated, a correction control law then being determined and calculated from a global model of the system in which the correction control law is applied to the electroacoustic transfer function whose output additionally receives a signal of noise to attenuate p (t) to give the signal y (t) or Y (t) in said design phase, said correction control law making it possible to produce the signal u (t) or U (t) as a function of acoustic measurements y (t) or Y (t), and in a second phase of use, said calculated correction control law being used in the computer to produce the signal u (t) or U (t) then sent to the transducer according to the signal y (t) or Y (t) received from the sensor for attenuation of said noise.
Selon l'invention, on met en oeuvre une loi de commande de correction comportant l'application d'un paramètre de Youla à un correcteur central et telle que seul le paramètre de Youla ait des coefficients dépendant de la fréquence du bruit à atténuer dans ladite loi de commande de correction, le correcteur central ayant des coefficients fixes, le paramètre de Youla étant sous forme d'un filtre à réponse impulsionnelle infinie et après détermination et calcul de la loi de commande de correction, on stocke dans une mémoire du calculateur au moins lesdits coefficients variables, de préférence dans une table en fonction de la/des fréquences déterminées de bruit p(t) utilisées dans la phase de conception et dans la phase d'utilisation, en temps réel :
- on récupère la fréquence courante du bruit à atténuer,
- on fait calculer au calculateur la loi de commande de correction, comprenant le correcteur central avec le paramètre de Youla, en utilisant, pour le paramètre de Youla les coefficients mémorisés d'une fréquence déterminée correspondant à la fréquence courante du bruit à atténuer.
- we recover the current frequency of the noise to be attenuated,
- the correction control law, comprising the central corrector with the Youla parameter, is made to the computer, using, for the Youla parameter, the coefficients stored at a determined frequency corresponding to the current frequency of the noise to be attenuated.
En d'autres termes, on met en oeuvre une loi de commande de correction comportant une partie à coefficients fixes nommée correcteur central et une partie à coefficients variables en fonction de la fréquence du bruit à atténuer qui est ici un paramètre de Youla, la partie du correcteur à coefficients variables étant un filtre à réponse impulsionnelle infinie et après détermination et calcul de la loi de commande de correction, on stocke dans une mémoire du calculateur au moins lesdits coefficients variables, de préférence dans une table en fonction de la/des fréquences déterminées de bruit p(t) utilisées dans la phase de conception et dans la phase d'utilisation, en temps réel : on récupère la fréquence courante du bruit à atténuer et on fait calculer au calculateur la loi de commande de correction, comprenant le correcteur central à coefficients fixes avec la partie à coefficients variables en utilisant pour la partie à coefficients variables, les coefficients mémorisés d'une fréquence déterminée correspondant à la fréquence courante du bruit à atténuer. Ainsi, dans le cadre de l'invention, on met en oeuvre pour l'atténuation du bruit à au moins une fréquence déterminée, un correcteur central à coefficients fixes auquel est adjoint un bloc à coefficients variables qui est un paramètre de Youla sous forme d'un bloc Q de Youla.
le cas monovariable peut être qualifié de SISO (« single input single outpout » : une entrée, une sortie) et le cas multivariables peut être qualifié de MIMO (« multi-inputs-multi-outputs » : entrées multiples, sorties multiples).In other words, a correction control law is implemented comprising a fixed coefficient part called a central corrector and a variable coefficient part as a function of the frequency of the noise to be attenuated, which is here a parameter of Youla, the part the variable coefficient corrector being an infinite impulse response filter and after determining and calculating the correction control law, at least one of said variable coefficients is stored in a computer memory, preferably in a table according to the frequency (s); noise determinations p (t) used in the design phase and in the utilization phase, in real time: the current frequency of the noise to be attenuated is recovered and the calculator is computed with the correction control law, including the corrector fixed coefficient coefficient with the variable coefficient part using for the variable coefficient part, the coefficients nts stored at a determined frequency corresponding to the current frequency of the noise to be attenuated. Thus, in the context of the invention, a central corrector with fixed coefficients is used for the attenuation of the noise at at least one determined frequency, to which is added a block with variable coefficients which is a parameter of Youla in the form of a Q block of Youla.
the monovariable case can be called SISO ("single input single outpout": an input, an output) and the multivariable case can be called MIMO ("multi-inputs-multi-outputs": multiple inputs, multiple outputs).
Le terme signal dans le cadre de l'invention concerne aussi bien des signaux analogiques comme par exemple le signal électrique sortant du microphone proprement dit que des signaux numériques comme par exemple le signal de sortie du bloc Q(q - 1) de Youla. De plus, on comprend que les termes transducteur et capteur sont utilisés d'une manière générique et fonctionnelle et qu'en pratique des circuits électroniques d'interface y sont associés comme notamment des convertisseurs analogique-numérique ou numérique-analogique, un/des filtres anti-repliement de spectre, un/des amplificateurs (pour le/les haut-parleurs et micro). Le terme signal couvre également les cas monovariables (un capteur et donc une seule entrée de mesures acoustiques) et multivariables (plusieurs capteurs donc plusieurs entrées de mesures acoustiques) et quel que soit le nombre de haut-parleur(s). Ainsi, l'invention peut être appliquée aussi bien à un cas monovariable (un seul microphone, c'est-à-dire un seul emplacement où le bruit sera atténué dans l'habitacle), qu'à des cas multivariables (plusieurs microphones, c'est-à-dire autant d'emplacements où le bruit sera atténué). On comprend également que l'invention est applicable aussi bien à l'atténuation d'un bruit qui est à une fréquence sensiblement fixe particulière au cours du temps (par exemple bruit d'un compresseur frigorifique de camion) qu'un bruit dont la fréquence peut évoluer au cours du temps et dans ce cas, dans la phase de conception, il est préférable de déterminer et calculer des paramètres de Youla, bloc Q(q - 1), pour plusieurs fréquences déterminées afin de prendre lors de la phase d'utilisation le résultat du calcul du paramètre de Youla pour une fréquence déterminée qui correspond (égale ou voisine, qui, en fait, correspond le mieux ou est interpolé sinon) à la fréquence courante du bruit à atténuer. On comprend que plus le maillage fréquentiel sera fin, plus on aura de chance de trouver un résultat de calcul de paramètre de Youla avec une fréquence déterminée qui correspond à la fréquence du bruit courant à atténuer. En effet, on va voir que dans la loi de commande de correction, seul le paramètre de Youla est variable (ses coefficients en pratique) en fonction de la fréquence du bruit, contrairement aux coefficients du correcteur central qui restent fixes, indépendants de la fréquence du bruit.The term signal in the context of the invention relates both to analog signals such as the electrical signal coming out of the microphone itself as digital signals such as the output signal of the block Q (q - 1 ) Youla. In addition, it is understood that the terms transducer and sensor are used in a generic and functional manner and that in practice interface electronics are associated therewith such as in particular analog-digital or digital-to-analog converters, one or more filters. anti-aliasing, amplifiers (for the speaker (s) and microphone). The term signal also covers single-ended cases (a sensor and thus a single input of acoustic measurements) and multivariable (several sensors and therefore several inputs of acoustic measurements) and regardless of the number of loudspeakers. Thus, the invention can be applied both to a monovariable case (a single microphone, that is to say a single location where the noise will be attenuated in the cabin), as multivariable cases (several microphones, that is to say, as many locations where the noise will be attenuated). It is also understood that the invention is applicable both to attenuation of a noise which is at a particular fixed frequency over time (for example noise of a truck refrigeration compressor) that a noise whose frequency can evolve over time and in this case, in the design phase, it is preferable to determine and calculate Youla parameters, block Q (q - 1 ) , for several determined frequencies in order to take during the phase of using the result of the calculation of the Youla parameter for a determined frequency which corresponds (equal to or close to, which in fact corresponds best or is interpolated otherwise) to the current frequency of the noise to be attenuated. It is understood that the more the frequency mesh will be fine, the more likely it is to find a Youla parameter calculation result with a determined frequency which corresponds to the frequency of the current noise to be attenuated. Indeed, we will see that in the correction control law, only the Youla parameter is variable (its coefficients in practice) as a function of the frequency of the noise, unlike the coefficients of the central corrector which remain fixed, independent of the frequency noise.
On peut noter que dans un tout autre domaine, la paramétrisation de Youla a déjà été utilisée à des fins de rejet de perturbation sinusoïdale : il s'agit du contrôle des vibrations d'une suspension active. L'article correspondant est :
On peut également mentionner l'article
Enfin, dans le domaine du contrôle des vibrations d'un véhicule automobile, on peut également faire mention de l'article :
Dans divers modes de mise en oeuvre de l'invention, les moyens suivants pouvant être utilisés seuls ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont employés :
- la phase de conception est effectuée dans un calculateur programmable,
- le paramètre de Youla est déterminé et calculé par discrétisation d'une cellule du second ordre continue,
- dans le deuxième temps de la phase de conception, on détermine et calcule les polynômes Ro(q -1) et So(q -1) du correcteur central de manière à ce que ledit correcteur central seul garantisse des marges de gain et de phase, sans avoir d'objectif de rejet de perturbation,
- dans le cas monovariable, dans la phase de conception :
- a) - dans un premier temps, on utilise un modèle électroacoustique linéaire, le modèle électroacoustique étant sous forme d'une fonction de transfert électroacoustique rationnelle discrète, et on détermine et calcule ledit modèle électroacoustique par excitation acoustique de l'habitacle par le(s) transducteur(s) et mesures acoustiques par le capteur puis application d'un procédé d'identification de système linéaire avec les mesures et le modèle,
- b) - dans un deuxième temps, on met en oeuvre un correcteur central appliqué au modèle électroacoustique déterminé et calculé, le correcteur central étant sous forme d'un correcteur RS de deux
blocs 1/So(q -1) et Ro(q -1), dans le correcteur central, lebloc 1/So(q -1) produisant le signal u(t) et recevant en entrée le signal de sortie inversé du bloc Ro(q -1), ledit bloc Ro(q -1) recevant en entrée le signal y(t) correspondant à la sommation du bruit p(t) et de la sortie de la fonction de transfert électroacoustique du modèle électroacoustique, et on détermine et calcule le correcteur central, - c) - dans un troisième temps, on adjoint un paramètre de Youla, qui est donc un bloc de transfert à coefficients variables, au correcteur central pour former la loi de commande de correction, le paramètre de Youla étant sous forme d'un bloc Q(q-1), filtre à réponse impulsionnelle infinie, avec
bloc 1/So(q -1) du correcteur central RS, et on détermine et calcule le paramètre de Youla, donc le bloc de transfert à coefficients variables, dans la loi de commande de correction comportant le correcteur central auquel est associé le paramètre de Youla pour au moins une fréquence de bruit p(t) dont au moins la fréquence déterminée du bruit à atténuer,
- on récupère la fréquence courante du bruit à atténuer,
- on fait calculer au calculateur la loi de commande de correction, comprenant le correcteur RS avec le paramètre de Youla, en utilisant, pour le paramètre de Youla les coefficients qui ont été calculés pour une fréquence de bruit correspondant à la fréquence courante du bruit à atténuer, les coefficients de Ro(q -1) et So(q -1) étant fixes,
- dans la phase de conception (cas monovariable), on effectue les opérations suivantes :
- a) - dans le premier temps, on excite acoustiquement l'habitacle en appliquant au(x) transducteur(s) un signal d'excitation dont la densité spectrale est sensiblement uniforme sur une bande de fréquence utile,
- b) - dans le deuxième temps, on détermine et calcule les polynômes Ro(q -1) et So(q -1) du correcteur central de manière à ce que ledit correcteur central soit équivalent à un correcteur calculé par placement des pôles de la boucle fermée dans l'application du correcteur central à la fonction de transfert électroacoustique, n pôles de la boucle fermée étant placés sur les n pôles de la fonction de transfert du système électroacoustique,
- c) - dans le troisième temps, on détermine et calcule les numérateur et dénominateur du bloc Q(q - 1) de Youla au sein de la loi de commande de correction pour au moins une fréquence de bruit p(t) dont au moins la fréquence déterminée du bruit à atténuer, ceci en fonction d'un critère d'atténuation, le bloc Q(q -1 ) étant exprimé sous forme d'un rapport β(q-1)/α(q-1), afin d'obtenir des valeurs de coefficients des polynômes α(q -1) et β(q -1) pour la/chacune des fréquences, , le calcul de β(q-1) et α(q-1) se faisant par l'obtention d'une fonction de transfert discrète Hs(q-1)/α(q-1) résultant de la discrétisation d'une cellule du second ordre continu, le polynôme β(q-1) se calculant par la résolution d'une équation de Bézout,
- on fait calculer au calculateur la loi de commande de correction, correcteur central à coefficients fixes avec paramètre de Youla à coefficients variables, pour produire le signal u(t) envoyé au/aux transducteurs, en fonction des mesures acoustiques y(t) et en utilisant pour le bloc Q(q - 1) de Youla les valeurs des coefficients des polynômes α(q -1) et β(q -1) déterminées et calculées pour une fréquence déterminée correspondant à la fréquence courante,
- le calcul de l'estimation du bruit est obtenu par application du numérateur de la fonction de transfert électroacoustique à u(t) et soustraction du résultat à l'application de y(t) au dénominateur de la fonction de transfert électroacoustique,
- on utilise pour le modèle électroacoustique une fonction de transfert électroacoustique de la forme :
- pour le temps b), on détermine et calcule les polynômes Ro(q -1) et So(q -1) du correcteur central par une méthode de placement des pôles, n pôles dominants de la boucle fermée munie du correcteur central étant choisis égaux aux n pôles de la fonction de transfert électroacoustique et que m pôles auxiliaires sont des pôles situés en haute fréquence,
- dans la phase de conception :
- a) - dans un premier temps, on utilise un modèle électroacoustique linéaire, le modèle électroacoustique étant sous forme de représentation d'état de blocs matriciels H, W, G et q-1.I, G étant une matrice de transition, H étant une matrice d'entrée, W étant une matrice de sortie et I la matrice identité, ladite représentation d'état pouvant s'exprimer par une équation de récurrence :
et on détermine et calcule ledit modèle électroacoustique par excitation acoustique de l'habitacle par les transducteurs et mesures acoustiques par les capteurs puis application d'un procédé d'identification de système linéaire avec les mesures et le modèle, - b) - dans un deuxième temps, on met en oeuvre un correcteur central appliqué au modèle électroacoustique déterminé et calculé, le correcteur central étant sous forme observateur d'état et retour d'état estimé qui exprime X̂ un vecteur d'état de l'observateur itérativement en fonction de Kf un gain de l'observateur, Kc un vecteur de retour sur l'état estimé, ainsi que du modèle électroacoustique précédemment déterminé et calculé, soit
et on détermine et calcule ledit correcteur central, - c) - dans un troisième temps, on adjoint un paramètre de Youla, qui est donc un bloc de transfert à coefficients variables, au correcteur central pour former la loi de commande de correction, le paramètre de Youla étant sous forme d'un bloc Q multivariables, de matrices d'état AQ, BQ, CQ, adjoint au correcteur central exprimé également sous forme de représentation d'état, bloc Q dont la sortie additionnée à la sortie du correcteur central produit un signal qui forme l'opposée de U(t) et dont l'entrée reçoit le signal Y(t) auquel est soustrait le signal W·X̂(t), et on détermine et calcule le paramètre de Youla, donc le bloc de transfert à coefficients variables, dans la loi de commande de correction comportant le correcteur central auquel est associé le paramètre de Youla pour au moins une fréquence de bruit P(t) dont au moins la fréquence déterminée du bruit à atténuer, le calcul des coefficients des matrices AQ, BQ, CQ se faisant par l'obtention de fonctions de transfert discrètes Hsi(q-1)/αi(q-1) résultant de la discrétisation de cellules du second ordre continues et par un placement de pôles ainsi que la résolution d'équations de rejet asymptotique,
- on récupère la fréquence courante du bruit à atténuer,
- on fait calculer au calculateur la loi de commande de correction, comprenant le correcteur central à coefficients fixes avec le paramètre de Youla à coefficients variables, en utilisant, pour le paramètre de Youla les coefficients qui ont été calculés pour une fréquence de bruit correspondant à la fréquence courante du bruit à atténuer,
- a) - dans un premier temps, on utilise un modèle électroacoustique linéaire, le modèle électroacoustique étant sous forme de représentation d'état de blocs matriciels H, W, G et q-1.I, G étant une matrice de transition, H étant une matrice d'entrée, W étant une matrice de sortie et I la matrice identité, ladite représentation d'état pouvant s'exprimer par une équation de récurrence :
- dans la phase de conception (cas multivariables), on effectue les opérations suivantes :
- a) - dans le premier temps, on excite acoustiquement l'habitacle en appliquant aux transducteurs des signaux d'excitation dont la densité spectrale est sensiblement uniforme sur une bande de fréquence utile, les signaux d'excitation étant décorrélés entre-eux,
- b) - dans le deuxième temps, on détermine et calcule le correcteur central de manière à ce qu'il soit équivalent à un correcteur avec observateur d'état et retour sur l'état calculé par placement des pôles dans l'application du correcteur central à la fonction de transfert électroacoustique, à cette fin on choisit un gain de l'observateur nul, soit Kf=0 (choix du gain de l'observateur égal à la matrice nulle), et un gain de retour d'état Kc choisi de façon à introduire des pôles haute fréquences dans la boucle afin d'assurer la robustesse de la loi de commande munie du paramètre de Youla, le calcul de Kc étant par exemple effectué par optimisation LQ (linéaire quadratique),
- c) - dans le troisième temps, on détermine et calcule en considérant une représentation d'observateur d'état augmenté, les pôles du bloc Q de Youla au sein de la loi de commande de correction pour au moins une fréquence de bruit P(t) dont au moins la fréquence déterminée du bruit à atténuer en fonction d'un critère d'atténuation, afin d'obtenir des valeurs de coefficients du paramètre de Youla pour la/chacune des fréquences,
- on fait calculer au calculateur la loi de commande de correction, correcteur central à coefficients fixes avec paramètre de Youla à coefficients variables, pour produire le signal U(t) envoyé au/aux transducteurs, en fonction des mesures acoustiques Y(t) et en utilisant pour le paramètre de Youla les valeurs des coefficients déterminées et calculées pour une fréquence déterminée correspondant à la fréquence courante,
- dans le deuxième temps, le calcul de Kc est effectué par optimisation LQ (linéaire quadratique),
- le procédé est adapté à un ensemble de fréquences déterminées de bruit à atténuer et on répète le temps c) pour chacune des fréquences déterminées et, en phase d'utilisation lorsque aucune des fréquences déterminées ne correspond à la fréquence courante du bruit à atténuer, on fait une interpolation à ladite fréquence courante pour les valeurs des coefficients du bloc Q de Youla à partir des valeurs de coefficients dudit bloc Q de Youla connus pour les fréquences déterminées,
- les signaux sont échantillonnés à une fréquence Fe et au temps a) on utilise une bande de fréquence utile du signal d'excitation qui est sensiblement [0, Fe/2],
- le signal d'excitation a une densité spectrale uniforme,
- avant la phase d'utilisation, on ajoute à la phase de conception un quatrième temps d) de vérification de la stabilité et de la robustesse du modèle du système électroacoustique et de la loi de commande de correction, correcteur central avec paramètre de Youla, obtenus précédemment aux temps a) à c) en faisant une simulation de la loi de commande de correction obtenue aux temps b) et c) appliqué au modèle électroacoustique obtenu au temps a) pour la/les fréquences déterminées et lorsque un critère prédéterminé de stabilité et/ou robustesse n'est pas respecté, on réitère au moins le temps c) en modifiant le critère d'atténuation,
- dans le quatrième temps d) de la phase de conception, lorsqu'un critère prédéterminé de stabilité et/ou robustesse n'est pas respecté, on réitère en outre le temps b) en modifiant les pôles auxiliaires de la boucle fermée
- la phase de conception est une phase préalable et elle est effectuée une fois, préalablement à la phase d'utilisation, avec mémorisation des résultats des déterminations et calculs pour utilisation dans la phase d'utilisation, (par exemple, dans le cas monovariable, mémorisation des coefficients des blocs R, S et Q pour la loi de commande de correction calculée ainsi que de la fonction de transfert électroacoustique calculée, pour le bloc Q des tables de coefficients pouvant être mises en oeuvre du fait de calculs pour plusieurs fréquences déterminées)
- on sélectionne le critère d'atténuation en fonction d'au moins un des deux éléments suivants : la profondeur (amplitude) de l'atténuation et la largeur de bande de l'atténuation,
- la fréquence courante du bruit à atténuer est récupérée à partir d'une mesure compte-tour d'un moteur du véhicule.
- the design phase is performed in a programmable computer,
- the Youla parameter is determined and calculated by discretization of a continuous second order cell,
- in the second stage of the design phase, the polynomials Ro ( q -1 ) and So ( q -1 ) of the central corrector are determined and calculated so that the central corrector alone guarantees gain and phase margins, without having a disturbance rejection objective,
- in the monovariable case, in the design phase:
- a) - initially, a linear electroacoustic model is used, the electroacoustic model being in the form of a discrete rational electroacoustic transfer function, and said electroacoustic model is determined and calculated by acoustic excitation of the passenger compartment by the ) transducer (s) and acoustic measurements by the sensor then application of a linear system identification method with the measurements and the model,
- b) - in a second step, we implement a central corrector applied to the determined and calculated electroacoustic model, the central corrector being in the form of a corrector RS of two
blocks 1 / So ( q -1 ) and Ro ( q - 1 ), in the central corrector, theblock 1 / So ( q -1 ) producing the signal u (t) and receiving as input the inverted output signal of the block Ro ( q -1 ), said block Ro ( q -1 ) receiving as input the signal y (t) corresponding to the summation of the noise p (t) and the output of the electroacoustic transfer function of the electroacoustic model, and the central corrector is determined and calculated, - c) - in a third step, a Youla parameter, which is a transfer block with variable coefficients, is added to the central corrector to form the correction control law, the Youla parameter being in the form of a block Q (q -1 ), infinite impulse response filter, with
block 1 / So ( q -1 ) of the central corrector RS, and the parameter is determined and calculated of Youla, therefore the transfer block with variable coefficients, in the correction control law comprising the central corrector which is associated with the Youla parameter for at least one noise frequency p (t) of which at least the determined frequency of the noise at mitigate,
- we recover the current frequency of the noise to be attenuated,
- calculating the correction control law, comprising the corrector RS with the Youla parameter, using, for the Youla parameter, the coefficients that have been calculated for a noise frequency corresponding to the current frequency of the noise to be attenuated , the coefficients of Ro ( q -1 ) and So ( q -1 ) being fixed,
- in the design phase (monovariable case), the following operations are performed:
- a) - in the first stage, the cabin is acoustically excited by applying to the transducer (s) an excitation signal whose spectral density is substantially uniform over a useful frequency band,
- b) - in the second step, the polynomials Ro ( q -1 ) and So ( q -1 ) of the central corrector are determined and calculated so that said central corrector is equivalent to a corrector calculated by placing the poles of the closed loop in the application of the central corrector to the electroacoustic transfer function, n poles of the closed loop being placed on the n poles of the transfer function of the electroacoustic system,
- c) - in the third step, one determines and calculates the numerator and denominator of the block Q (q - 1 ) of Youla within the law of control of correction for at least a frequency of noise p (t) of which at least the determined frequency of the noise to be attenuated, this according to an attenuation criterion, the block Q (q - 1 ) being expressed in the form of a ratio β (q -1 ) / α (q -1 ), in order to obtain coefficient values of the polynomials α (q -1 ) and β ( q -1 ) for the / each of the frequencies, the calculation of β (q -1 ) and α (q -1 ) being obtained by obtaining a discrete transfer function Hs (q -1 ) / α (q -1 ) resulting from the discretization of a cell of the second continuous order , the polynomial β (q -1 ) being calculated by solving a Bézout equation,
- the correction control law, a fixed coefficient central corrector with Youla parameter with variable coefficients, is made to calculate the computer to produce the signal u (t) sent to the transducer (s), as a function of the acoustic measurements y (t) and using for the Q (q - 1 ) block of Youla the values of the coefficients of the polynomials α ( q -1 ) and β ( q -1 ) determined and calculated for a determined frequency corresponding to the current frequency,
- the calculation of the noise estimate is obtained by applying the numerator of the electroacoustic transfer function to u (t) and subtracting the result from the application of y (t) to the denominator of the electroacoustic transfer function,
- an electroacoustic transfer function of the form is used for the electroacoustic model:
- for time b), the polynomials Ro ( q -1 ) and So ( q -1 ) of the central corrector are determined and calculated by a method of placing the poles, n dominant poles of the closed loop provided with the central corrector being chosen equal. to the n poles of the electroacoustic transfer function and m auxiliary poles are poles located at high frequency,
- in the design phase:
- a) - firstly, a linear electroacoustic model is used, the electroacoustic model being in the form of a state representation of matrix blocks H, W, G and q -1 .I, G being a transition matrix, H being an input matrix, W being an output matrix and I the identity matrix, said state representation being able to express itself by a recursion equation:
and said electroacoustic model is determined and calculated by acoustic excitation of the passenger compartment by the transducers and acoustic measurements by the sensors, then application of a linear system identification method with the measurements and the model, - b) - in a second step, a central corrector is applied to the determined and calculated electroacoustic model, the central corrector being in state observer form and estimated state feedback which expresses X a state vector of the iteratively observes, according to Kf, a gain of the observer, Kc a vector of return on the estimated state, as well as the electroacoustic model previously determined and calculated,
and said central corrector is determined and calculated, - c) - in a third step, a Youla parameter, which is a transfer block with variable coefficients, is added to the central corrector to form the correction control law, the Youla parameter being in the form of a block Q multivariable, of state matrices AQ, BQ, CQ, assistant to the central corrector also expressed in the form of a state representation, block Q whose output added to the output of the central corrector produces a signal which forms the opposite of U ( t) and whose input receives the signal Y (t) from which the signal W · X (t) is subtracted, and the Youla parameter, and hence the variable coefficient transfer block, is determined and calculated in the control law correction device comprising the central corrector with which the Youla parameter is associated with at least one noise frequency P (t) of which at least the determined frequency of the noise to be attenuated, the calculation of the coefficients of the matrices AQ, BQ, CQ being carried out by obtaining function s of discrete transfer Hsi (q -1 ) / αi (q -1 ) resulting from the discretization of continuous second-order cells and by a placement of poles as well as the resolution of asymptotic rejection equations,
- we recover the current frequency of the noise to be attenuated,
- the correction control law, comprising the fixed coefficient central corrector with the variable coefficient Youla parameter, is calculated from the calculator using, for the Youla parameter, the coefficients which have been calculated for a noise frequency corresponding to the current frequency of the noise to be attenuated,
- a) - firstly, a linear electroacoustic model is used, the electroacoustic model being in the form of a state representation of matrix blocks H, W, G and q -1 .I, G being a transition matrix, H being an input matrix, W being an output matrix and I the identity matrix, said state representation being able to express itself by a recursion equation:
- in the design phase (multivariable cases), the following operations are performed:
- a) - in the first stage, the cabin is acoustically excited by applying to the transducers excitation signals whose spectral density is substantially uniform over a useful frequency band, the excitation signals being decorrelated between them,
- b) - in the second step, the central corrector is determined and calculated so that it is equivalent to a corrector with state observer and returns to the state calculated by placing the poles in the application of the central corrector to the electroacoustic transfer function, for this purpose a gain of the null observer is chosen, ie Kf = 0 (choice of the gain of the observer equal to the null matrix), and a gain of state return Kc chosen from way to introduce high frequency poles into the loop in order to ensure the robustness of the control law provided with the Youla parameter, the calculation of Kc being for example carried out by optimization LQ (quadratic linear),
- c) - in the third step, it determines and calculates, considering an augmented state observer representation, the poles of the Q block of Youla within the correction control law for at least one noise frequency P (t ) of which at least the determined frequency of the noise to be attenuated according to an attenuation criterion, in order to obtain coefficient values of the Youla parameter for the / each of the frequencies,
- the correction control law, a fixed coefficient central corrector with Youla parameter with variable coefficients, is calculated in the computer to produce the signal U (t) sent to the transducer (s), as a function of the acoustic measurements Y (t), and using for the Youla parameter the values of the coefficients determined and calculated for a determined frequency corresponding to the current frequency,
- in the second step, the computation of Kc is carried out by optimization LQ (linear quadratic),
- the method is adapted to a set of determined frequencies of noise to be attenuated and the time c) is repeated for each of the determined frequencies and, in the use phase when none of the determined frequencies corresponds to the current frequency of the noise to be attenuated, interpolates at said current frequency for the Youla Q block coefficient values from the Youla Q block coefficients known for the determined frequencies,
- the signals are sampled at a frequency Fe and at time a) a useful frequency band of the excitation signal is used which is substantially [0, Fe / 2],
- the excitation signal has a uniform spectral density,
- before the phase of use, a fourth time d) of verification of the stability and the robustness of the model of the electroacoustic system and the correction control law, central corrector with parameter of Youla, obtained in the design phase are added previously at times a) to c) by simulating the correction control law obtained at times b) and c) applied to the electroacoustic model obtained at time a) for the determined frequency / frequencies and when a predetermined criterion of stability and / or robustness is not respected, we reiterate at least the time c) by modifying the attenuation criterion,
- in the fourth step d) of the design phase, when a predetermined criterion of stability and / or robustness is not respected, the time b) is further reiterated by modifying the auxiliary poles of the closed loop
- the design phase is a preliminary phase and is carried out once, prior to the use phase, with the results of the determinations and calculations for use in the use phase are stored (for example, in the single-variable case, storage coefficients of the blocks R, S and Q for the calculated correction control law as well as the calculated electroacoustic transfer function, for the Q block of the coefficient tables that can be implemented due to calculations for several determined frequencies)
- the attenuation criterion is selected as a function of at least one of the following two elements: the depth (amplitude) of the attenuation and the bandwidth of the attenuation,
- the current frequency of the noise to be attenuated is recovered from a rev-counter measurement of a vehicle engine.
Plus généralement, l'invention concerne également, un dispositif spécialement adapté pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention pour atténuation d'un bruit à bande étroite, essentiellement monofréquentiel à au moins une fréquence déterminée, le dispositif comportant au moins un transducteur, typiquement un haut-parleur, commandé avec un signal généré par un calculateur programmable, en fonction d'un signal de mesures acoustiques effectuées par au moins un capteur acoustique, typiquement un microphone, une loi de commande de correction ayant été déterminée et calculée dans une première phase de conception, ladite loi de commande de correction calculée étant utilisée dans une seconde phase d'utilisation dans le calculateur pour produire un signal envoyé au transducteur en fonction du signal reçu du capteur pour atténuation dudit bruit, et lequel dispositif comporte des moyens de mise en oeuvre dans le calculateur d'une loi de commande de correction comportant l'application d'un paramètre de Youla à un correcteur central, seul le paramètre de Youla ayant des coefficients dépendant de la fréquence du bruit à atténuer dans ladite loi de commande de correction le correcteur central ayant des coefficients fixes et une mémoire du calculateur stocke au moins lesdits coefficients variables, de préférence dans une table en fonction de la/des fréquences déterminées de bruit p(t) utilisées dans la phase de conception.More generally, the invention also relates to a device specially adapted for implementing the method of the invention for attenuation of narrow-band noise, essentially single-frequency at at least one determined frequency, the device comprising at least one transducer , typically a loudspeaker, controlled with a signal generated by a programmable computer, as a function of a signal of acoustic measurements made by at least one acoustic sensor, typically a microphone, a correction control law having been determined and calculated in a first design phase, said calculated correction control law being used in a second phase of use in the computer to produce a signal sent to the transducer according to the signal received from the sensor for attenuation of said noise, and which device comprises means implementation in the calculator of a correction control law c omportant the application of a Youla parameter to a central corrector, only the Youla parameter having coefficients dependent on the frequency of the noise to attenuate in said correction control law the central corrector having fixed coefficients and a memory of the calculator stores at least said variable coefficients, preferably in a table as a function of the determined noise frequency (s) p (t) used in the design phase.
Un aspect de l'invention concerne également un support d'instructions permettant de commander directement ou indirectement le calculateur pour qu'il fonctionne selon le procédé de l'invention et notamment en temps réel dans la phase d'utilisation.An aspect of the invention also relates to an instruction medium for directly or indirectly controlling the computer so that it operates according to the method of the invention and in particular in real time in the use phase.
La présente invention, sans qu'elle en soit pour autant limitée, va maintenant être exemplifiée avec la description qui suit en relation avec :
- la
Figure 1 de l'état de la technique qui est une représentation schématique d'une structure dite « feedforward » ou à précompensation d'un système d'atténuation de bruit, - la
Figure 2 de l'état de la technique qui est une représentation schématique d'une structure dite « feedback » ou à contre-réaction d'un système d'atténuation de bruit, - la
Figure 3 de l'état de la technique qui est une représentation du schéma de principe d'un système à bouclage électroacoustique avec loi de commande pour habitacle de véhicule, - la
Figure 4 qui est une représentation schématique du temps de la stimulation du système réel électroacoustique de l'habitacle du véhicule destiné à déterminer et calculer le modèle électroacoustique qui sera utilisé, - la
Figure 5 qui est une représentation d'un système bouclé sur le modèle électroacoustique avec correcteur du type RST, dit correcteur central, avec T=0 et dans le cas monovariable, - la
Figure 6 qui est un exemple de fonction de sensibilité directe et qui montre que par application du théorème de Bode-Freudenberg-Looze, les deux aires, au dessous et au dessus de l'axe 0 dB, sont égales, - la
Figure 7 qui est une représentation d'un cas monovariable de loi de commande de correction appliquée au modèle électroacoustique et comportant un correcteur central de type RS auquel on a adjoint un paramètre de Youla, - la
Figure 8 qui représente le schéma complet d'une loi de commande de correction avec un correcteur central de type RS auquel on a adjoint un paramètre de Youla et calculé en temps réel en phase d'utilisation pour atténuation de bruit dans l'habitacle, - la
Figure 9 qui est une représentation d'un schéma du transfert surun système 2 haut-parleurs et deux microphones, donc dans le cas multivariables, - la
Figure 10 qui est une représentation sous forme de schéma bloc du système à commander, c'est à dire le modèle électroacoustique de l'habitacle, dans le cas multivariables, - la
Figure 11 qui est une représentation sous forme de schéma bloc du correcteur central, dans le cas multivariables, - la
Figure 12 qui est une représentation sous forme de schéma bloc du correcteur central appliqué au modèle électroacoustique de l'habitacle, dans le cas multivariables, - la
Figure 13 qui est une représentation sous forme de schéma bloc de la loi de commande de correction, correcteur central + paramètre de Youla appliqué au modèle électroacoustique de l'habitacle, dans le cas multivariables, et - la
Figure 14 qui est une représentation sous forme de schéma bloc de la loi de commande de correction, correcteur central + paramètre de Youla tel qu'utilisé en temps réel pour atténuation du bruit, dans le cas multivariables.
- the
Figure 1 of the state of the art which is a schematic representation of a so-called feedforward or pre-compensation structure of a noise attenuation system, - the
Figure 2 of the state of the art which is a schematic representation of a so-called "feedback" or feedback structure of a noise attenuation system, - the
Figure 3 of the state of the art which is a representation of the schematic diagram of an electroacoustic loopback system with control law for a vehicle cabin, - the
Figure 4 which is a schematic representation of the time of the stimulation of the real electroacoustic system of the vehicle cabin intended to determine and calculate the electroacoustic model that will be used, - the
Figure 5 which is a representation of a looped system on the electroacoustic model with corrector of the RST type, called central corrector, with T = 0 and in the monovariable case, - the
Figure 6 which is an example of a direct sensitivity function and which shows that by applying the Bode-Freudenberg-Looze theorem, the two areas, below and above the 0 dB axis, are equal, - the
Figure 7 which is a representation of a monovariable case of correction control law applied to the electroacoustic model and comprising a central corrector of RS type to which a parameter of Youla has been added, - the
Figure 8 which represents the complete diagram of a correction control law with a RS type central corrector to which a Youla parameter has been added and calculated in real time during the use phase for noise attenuation in the passenger compartment, - the
Figure 9 which is a representation of a diagram of the transfer on asystem 2 loudspeakers and two microphones, so in the multivariable case, - the
Figure 10 which is a representation in block diagram form of the system to be controlled, ie the electroacoustic model of the passenger compartment, in the multivariable case, - the
Figure 11 which is a block diagram representation of the central corrector, in the multivariable case, - the
Figure 12 which is a block diagram representation of the central corrector applied to the electroacoustic model of the passenger compartment, in the multivariable case, - the
Figure 13 which is a representation in block diagram form of the correction control law, central corrector + Youla parameter applied to the electroacoustic model of the passenger compartment, in the multivariable case, and - the
Figure 14 which is a block diagram representation of the correction control law, central corrector + Youla parameter as used in real time for noise attenuation, in the multivariable case.
On va maintenant expliciter en détail les principes qui sont à la base du fonctionnement du dispositif de l'invention de contrôle actif du bruit dans l'habitacle, ce dispositif, sous contrôle d'un calculateur programmable, étant constitué d'un microphone et d'un ou plusieurs haut-parleurs reliés entre eux et intégrés dans le véhicule. Les haut-parleurs sont contrôlés par une loi de commande qui élabore des signaux de commande à partir du signal reçu du microphone. La loi de commande ainsi que la méthodologie afin de régler cette loi de commande vont donc être décrits dans le détail. Afin de simplifier les explications, dans une première partie on s'intéressera au cas plus simple monovariable (un seul microphone) puis dans une seconde partie au cas multivariables (plusieurs microphones).We will now explain in detail the principles underlying the operation of the device of the invention for active control of noise in the passenger compartment, this device, under control of a programmable computer, consisting of a microphone and a microphone. one or more speakers connected to each other and integrated into the vehicle. The loudspeakers are controlled by a control law which generates control signals from the signal received from the microphone. The control law and the methodology for regulating this control law will therefore be described in detail. In order to simplify the explanations, in a first part we will be interested in the simpler single-variable case (only one microphone) then in a second part in the multivariable case (several microphones).
Dans sa généralité, le schéma de principe avec loi de commande et établissement d'un bouclage électroacoustique dans le véhicule est présenté
A la base, le dispositif de l'invention (et le procédé qui y est mis en oeuvre) comporte des moyens permettant de rejeter une perturbation (bruit) monofréquentielle, dont on suppose connue la fréquence grâce à une information extérieure comme par exemple la vitesse de rotation du moteur du véhicule donnée par un tachymètre...Basically, the device of the invention (and the method that is implemented therein) comprises means for rejecting a monofrequency disturbance (noise), the frequency of which is assumed to be known thanks to external information such as, for example, the speed rotation of the engine of the vehicle given by a tachometer ...
Afin de synthétiser une loi de commande, on doit disposer d'un modèle du système réel constitué des éléments électroacoustiques et acoustique de l'habitacle dont le/les haut-parleurs (transducteurs), microphones (capteur), éléments électroniques associés (amplificateurs, convertisseurs...). Ce modèle appelé modèle électroacoustique doit se présenter sous la forme d'une fonction de transfert rationnelle, c'est-à-dire se comporter comme un filtre à réponse impulsionnelle infinie, discrète.In order to synthesize a control law, one must have a model of the real system consisting of the electroacoustic and acoustic elements of the passenger compartment including the / speakers (transducers), microphones (sensor), associated electronic elements (amplifiers, converters ...). This model called the electroacoustic model must be in the form of a rational transfer function, that is to say behaving as an infinite, discrete impulse response filter.
On doit noter que le calculateur étant numérique, des convertisseurs analogique-numérique et numérique-analogique sont mis en oeuvre notamment pour échantillonner les signaux analogiques. Le calculateur traite donc des signaux échantillonnés, de période Te (en seconde) et à la fréquence Fe=1ATe en (Hertz).It should be noted that the computer being digital, analog-digital and digital-to-analog converters are used in particular for sampling the analog signals. The calculator therefore processes sampled signals of period Te (in second) and frequency Fe = 1ATe in (Hertz).
On peut avantageusement effectuer une approximation linéaire du système réel constitué des éléments électroacoustiques et acoustique de l'habitacle compte tenu du niveau des signaux en jeux. On peut même, dans des variantes de mise en oeuvre évoluées, utiliser des moyens destinés à éviter les phénomènes non-linéaires de saturation ou autre (par exemple compression/expansion des signaux, filtres fréquentiels anti-recouvrement de spectre...).It is advantageous to carry out a linear approximation of the real system consisting of the electroacoustic and acoustic elements of the passenger compartment taking into account the level of the signals in play. It is even possible, in advanced implementation variants, to use means intended to avoid non-linear phenomena of saturation or other (by example compression / expansion of signals, anti-spectrum overlap frequency filters ...).
On doit également tenir compte du fait que les équations régissant le comportement réel de l'habitacle sont des équations aux dérivées partielles, c'est-à-dire que la fonction de transfert représentant exactement le système réel est de dimension infinie (modèle à paramètres répartis). On doit donc, pour mettre en pratique l'invention, trouver un compromis pour définir le modèle électroacoustique et on choisi l'ordre de la fonction de transfert dudit modèle avec une dimension suffisamment réduite pour ne pas aboutir à un volume de calculs trop grand, mais suffisamment grande pour approximer correctement le modèle. Il résulte de cette contrainte que le suréchantillonnage est à éviter. A titre d'exemple, pour une fréquence de bruit perturbateur maximale de 120 Hz, on peut choisir une fréquence d'échantillonnage de 500 Hz. Un des avantages du choix d'une fréquence d'échantillonnage modérée réside dans une réduction de la charge de calcul du calculateur embarqué. Il est à noter qu'étant donné que l'amplificateur du haut parleur possède une fréquence d'échantillonnage beaucoup plus élevé (voire fonctionne avec des composants analogiques), il est souhaitable de placer entre la sortie du calculateur et l'entrée du haut parleur un filtre passe-bas fonctionnant à la fréquence de l'amplificateur du haut parleur, la fréquence de coupure dudit filtre étant constante, afin de réduire les distorsions harmoniques dues à la transition entres signaux de période d'échantillonnage différentes.It should also be taken into account that the equations governing the real behavior of the passenger compartment are partial differential equations, ie the transfer function representing exactly the real system is of infinite dimension (parameter model distributed). Therefore, in order to put the invention into practice, it is necessary to find a compromise for defining the electroacoustic model and the order of the transfer function of said model is chosen with a sufficiently small dimension so as not to result in a large volume of calculations. but large enough to correctly approximate the model. It follows from this constraint that oversampling is to be avoided. For example, for a maximum disturbing noise frequency of 120 Hz, a sampling frequency of 500 Hz can be chosen. One of the advantages of choosing a moderate sampling frequency lies in a reduction in the charging load. calculation of the on-board computer. It should be noted that since the speaker amplifier has a much higher sampling frequency (or even operates with analog components), it is desirable to place between the computer output and the speaker input. a low-pass filter operating at the frequency of the loudspeaker amplifier, the cut-off frequency of said filter being constant, in order to reduce the harmonic distortions due to the transition between different sampling period signals.
Dans le cadre de la présente invention, il a été choisi une forme particulière de modèle électroacoustique qui va maintenant être présentée. On comprend cependant que d'autres formes de modèles électroacoustiques peuvent être employés dans le cadre de l'invention et en particulier dans le cas où les déterminations et calculs du système d'atténuation appliqué à ce modèle électroacoustique ne donnerait pas une solution satisfaisante (voir plus loin la mise en oeuvre d'un temps optionnel de vérification de la stabilité et de la robustesse du modèle du système électroacoustique et du système correcteur RS avec paramètre de Youla pendant la phase de conception).In the context of the present invention, it has been chosen a particular form of electroacoustic model that will now be presented. However, it is understood that other forms of electroacoustic models can be used in the context of the invention and in particular in the case where the determinations and calculations of the attenuation system applied to this electroacoustic model would not give a satisfactory solution (see further the implementation of an optional time of verification of the stability and robustness of the model of the electroacoustic system and the RS correction system with Youla parameter during the design phase).
On peut exprimer la fonction de transfert du modèle électroacoustique qui décrit le comportement du système électroacoustique réel entre les points u(t) et y(t) du système en l'absence de tout bouclage. Si l'on pose q-1 l'opérateur retard d'une période d'échantillonnage, la fonction de transfert recherchée, en l'absence de tout bouclage et de bruit (le bruit qui est à atténuer n'est pas présent), est de la forme :
- d est le nombre de périodes d'échantillonnage de retard du système,
- B et A étant des polynômes en q -1, q -1 étant l'opérateur retard d'une période d'échantillonnage. En particulier, on a :
- d is the number of delay sampling periods of the system,
- B and A being polynomials at q -1 , where q -1 is the delay operator of a sampling period. In particular, we have:
L'identification est réalisée en stimulant le système réel avec un signal u(t) dont la densité spectrale est sensiblement uniforme, sur la plage de fréquences [0,Fe/2], Fe/2 étant la fréquence de Nyquist. On comprend que la/les fréquences du bruit que l'on cherche à atténuer doivent également être comprises dans le même intervalle et on choisi donc Fe en fonction de la fréquence la plus élevée du bruit à atténuer. Un tel signal d'excitation de stimulation peut être produit par exemple par une SBPA (séquence binaire pseudo-aléatoire). Cette stimulation, représentée schématiquement
Les algorithmes d'identification des systèmes linéaires utilisables sont nombreux. Afin d'avoir un aperçu des méthodologies utilisables, on peut se référer par exemple à l'ouvrage de
De préférence, cette opération d'identification avec stimulation est effectuée pour toutes les configurations d'occupation de l'habitacle du modèle réel. Cette occupation peut correspondre à des placements de passagers, d'accessoires (sièges supplémentaires par exemple), changement de matériel acoustique ou électronique, ou toute autre condition pouvant modifier le comportement électroacoustique de l'habitacle. Ainsi, il est souhaitable de réaliser des identifications pour toutes les configurations d'occupation de l'habitacle du véhicule car les multiples modèles obtenus présentent en fait des disparités en gain et phase pour chaque fréquence.Preferably, this identification operation with stimulation is performed for all occupancy configurations of the passenger compartment of the actual model. This occupation may correspond to placements of passengers, accessories (additional seats for example), change of acoustic or electronic equipment, or any other condition that may change the electroacoustic behavior of the passenger compartment. Thus, it is desirable to make identifications for all occupancy configurations of the passenger compartment of the vehicle because the multiple models obtained in fact have differences in gain and phase for each frequency.
Après l'obtention de la fonction de transfert du modèle électroacoustique et suite à sa validation au moyen des outils appropriés indiqués, on va maintenant synthétiser la loi de commande permettant le rejet d'une perturbation de fréquence variable.After obtaining the transfer function of the electroacoustic model and following its validation using the appropriate tools indicated, we will now synthesize the control law allowing the rejection of a variable frequency disturbance.
La caractérisation du niveau de rejet de la perturbation acoustique qui agit sur l'habitacle se fait au moyen de la fonction de sensibilité directe du système bouclé notée Syp.The characterization of the level of rejection of the acoustic disturbance which acts on the cabin is done by means of the direct sensitivity function of the looped system noted Syp.
Supposons que la loi de commande soit du type RST , c'est-à-dire une loi composée de trois blocs avec ici T=0, et R, S étant des polynômes tels que :
La loi de commande s'écrivant :
Le correcteur RST est la forme d'implantation la plus générale d'un correcteur monovariable. On peut alors schématiser le système bouclé par le bloc diagramme de la
On peut définir la fonction de sensibilité directe Syp comme la fonction de transfert entre le signal p(t) de perturbation et le signal y(t) du micro. Cette fonction de transfert décrit le comportement de la boucle fermée concernant le rejet de perturbation acoustique.The direct sensitivity function Syp can be defined as the transfer function between the perturbation signal p (t) and the microphone signal y (t). This transfer function describes the behavior of the closed loop concerning the rejection of acoustic disturbance.
En particulier, l'obtention de cette fonction permet de connaître à toute fréquence la qualité de rejet de perturbation.In particular, obtaining this function makes it possible to know at any frequency the quality of disturbance rejection.
On peut montrer que cette fonction de transfert s'écrit :
L'objet de la loi de commande étant de permettre le rejet de perturbation à une fréquence fpert, il faut qu'à ladite fréquence le module de Syp soit faible, en pratique très en dessous de 0 dB.The object of the control law being to allow the rejection of disturbance at a fpert frequency, it is necessary that at said frequency the Syp module is low, in practice much below 0 dB.
Dans l'idéal, il serait souhaitable que Syp soit la plus basse possible à toutes les fréquences, néanmoins cet objectif n'est pas atteignable à cause du théorème de Bode-Freudenberg-Looze qui montre que si le système en boucle fermée est asymptotiquement stable et est également stable en boucle ouverte, on a:
Ceci signifie que la somme des aires entre la courbe du module de sensibilité et l'axe 0 dB prises avec leur signe est nulle. Cela implique que l'atténuation de la perturbation dans une certaine zone de fréquence entraînera nécessairement l'amplification des perturbations dans d'autres zones de fréquence.This means that the sum of the areas between the sensitivity module curve and the 0 dB axis taken with their sign is zero. This implies that the attenuation of the perturbation in a certain frequency zone will necessarily lead to the amplification of disturbances in other frequency zones.
Un exemple de fonction de sensibilité directe est représenté à la
On a vu plus haut que le dénominateur de Syp s'écrit A(q -1)S(q -1)+q-dB(q -1)R(q -1) qui est un polynôme en q -1. Les racines de ce polynôme constituent les pôles de la boucle fermée.We saw above that the denominator of Syp is written A ( q -1 ) S ( q -1 ) + q -d B ( q -1 ) R ( q -1 ) which is a polynomial in q -1 . The roots of this polynomial constitute the poles of the closed loop.
Le calcul des coefficients des polynômes R(q -1) et S(q -1) peut notamment se faire par une technique de placement de pôles. Il existe également d'autres techniques de calcul pour synthétiser un correcteur linéaire mais, de préférence, on utilise ici la technique de placement de pôles. Elle revient à calculer les coefficients de R et S en spécifiant les pôles de la boucle fermée qui sont les racines du polynôme P, soit :
Après avoir choisi ces pôles, on exprime P et on résout l'équation (2) qui est une équation de Bézout. Le détail de la résolution de l'équation de Bézout peut par exemple se trouver dans l'ouvrage de I.D. Landau cité plus haut, aux pages 151 et 152. Elle passe par la résolution d'un système de Sylvester. Par ailleurs, à cet ouvrage sont associées des routines de calcul destinées aux logiciels Matlab® et Scilab®, permettant d'effectuer cette résolution. Le choix des pôles peut se faire suivant diverses stratégies. L'une de ces stratégies est explicitée plus bas.After choosing these poles, we express P and solve equation (2) which is a Bézout equation. The detail of the resolution of Bézout's equation can be found, for example, in the work of I.D. Landau cited above, on pages 151 and 152. It goes through the resolution of a Sylvester system. In addition, there are computational routines associated with Matlab® and Scilab® software that enable this resolution. The choice of poles can be made according to various strategies. One of these strategies is explained below.
L'annulation de l'effet des perturbations p(t) sur la sortie est obtenue aux fréquences où
Aussi, afin de calculer un correcteur rejetant une perturbation à la fréquence Fpert, on spécifie à priori une partie de S, en imposant dans l'équation (2) que S se factorise par Hs polynôme d'ordre 2 pour une perturbation monofréquentielle. C'est-à-dire :
Si h 2 ≠ 1 on peut introduire une paire de zéros complexes à amortissement non nul dans S, amortissement choisi en fonction de l'atténuation souhaitée à une certaine fréquence.If h 2 ≠ 1 we can introduce a pair of complex zeros with non-zero damping in S, damping chosen according to the desired attenuation at a certain frequency.
L'équation de Bézout à résoudre est alors :
En pratique, la fréquence du bruit à rejeter est variable au cours du temps, en fonction notamment de la vitesse de rotation de l'arbre moteur du véhicule, aussi le bloc Hs doit varier en fonction de ladite fréquence. Il en résulte alors, que l'on a également à résoudre une équation de Bézout de la forme :
Ainsi, afin de pallier à ce problème, on propose dans la suite une solution basée sur le concept de paramétrisation de Youla-Kucera appliqué à un correcteur de type RS.Thus, to overcome this problem, we propose in the following a solution based on the Youla-Kucera parameterization concept applied to an RS-type corrector.
Un tel système monovariable piloté par un correcteur de type RS auquel on a adjoint le paramètre de Youla est schématisé sur la
Un tel correcteur est basé sur un correcteur RS dit central constitué des blocs Ro(q -1) et So(q -1). Ro et So étant des polynômes en q -1 Such a corrector is based on a so-called central corrector RS consisting of the blocks Ro ( q -1 ) and So ( q -1 ) . Ro and So being polynomials in q -1
Le paramètre de Youla est le bloc
β et α étant des polynômes en q -1.β and α being polynomials in q -1 .
Comme on l'a vu, les blocs q - dB(q -1) et A(q -1) sont les numérateur et dénominateur de la fonction de transfert du système électroacoustique à contrôler.As we have seen, the blocks q - d B ( q -1 ) and A ( q -1 ) are the numerator and denominator of the transfer function of the electroacoustic system to be controlled.
On peut montrer que l'ensemble du correcteur ainsi réalisé et représenté
Supposons maintenant qu'un correcteur central ait été constitué et qu'il stabilise le système.Suppose now that a central corrector has been created and that it stabilizes the system.
Sans paramétrisation de Youla le polynôme caractéristique du système, Po, comme vu plus haut, s'écrit :
En munissant le correcteur central du paramètre de Youla, le polynôme caractéristique du système s'écrit :
Par ailleurs, on peut se servir de l'équation :
Soit Sypo la fonction de sensibilité directe du système bouclé avec le correcteur central sans paramètre de Youla.Let Sypo be the direct sensitivity function of the looped system with the central corrector without Youla parameter.
La fonction de sensibilité directe du système bouclé avec correcteur muni du paramètre de Youla, s'écrit :
Ainsi, à partir d'un système bouclé comprenant un correcteur central n'ayant pas vocation à rejeter une perturbation sinusoïdale à une fréquence fpert en particulier, on peut adjoindre au correcteur central le paramètre de Youla qui va modifier la fonction de sensibilité Syp, tout en maintenant les pôles de la boucle fermée munie du correcteur central, auxquels s'adjoindront les pôles de Q. On peut ainsi créer une encoche dans Syp à la fréquence fpert.Thus, from a looped system comprising a central corrector which is not intended to reject a sinusoidal disturbance at a particular frequency fpert, it is possible to add to the central corrector the parameter of Youla which will modify the sensitivity function Syp, while by keeping the poles of the closed loop provided with the central corrector, to which will add the poles of Q. It is thus possible to create a notch in Syp at the frequency fpert.
Pour cela, on calcule Hs et α tel que la fonction de transfert
Hs et α sont des polynômes en q -1 de degré 2 et , sont des coefficients d'amortissement d'une cellule du second ordre.Hs and α are polynomials in q -1 of
Par ailleurs, l'opération de discrétisation de la fonction de transfert continue (en s) peut être effectuée au moyen de routines de calcul que l'on peut trouver par exemple dans les logiciels de calculs dédiés à l'automatique. Dans le cas de Matlab®, il s'agit de la fonction « c2d ».Furthermore, the discretization operation of the continuous transfer function (in s) can be performed by means of calculation routines which can be found, for example, in computer software dedicated to the automatic. In the case of Matlab®, this is the "c2d" function.
On peut montrer que l'atténuation M à la fréquence fpert est donnée par la relation :
En outre, il faut
Par ailleurs, pour un rapport égal de
On peut ensuite calculer β par résolution de l'équation de Bézout (10).We can then calculate β by solving the Bézout equation (10).
On montre que ce choix de Hs et α crée une encoche dans la fonction de sensibilité Syp tout en ayant un effet quasi négligeable aux autres fréquences par rapport à Sypo, même si le théorème de Bode Freudenberg Looze s'applique, ce qui amène une remontée du module de Syp par rapport à Sypo à d'autres fréquences que fpert.It is shown that this choice of Hs and α creates a notch in the sensitivity function Syp while having an almost negligible effect at the other frequencies with respect to Sypo, even if the Bode Freudenberg Looze theorem applies, which brings up of the Syp module with respect to Sypo at frequencies other than fpert.
Cette remontée de Syp peut diminuer la robustesse de la boucle fermée mesurable par la marge de module (distance au point -1 du lieu fréquentiel de la boucle ouverte corrigée dans le plan de Nyquist) égale à l'inverse du maximum de |Syp| sur la plage de fréquence [0 ;Fe/2].This rise of Syp can decrease the robustness of the closed loop measurable by the module margin (distance at point -1 of the frequency locus of the open loop corrected in the Nyquist plane) equal to the inverse of the maximum of | Syp | in the frequency range [0; Fe / 2].
L'avantage principal de l'utilisation de la paramétrisation de Youla tient dans le fait que α est d'ordre 2 :
Ainsi, avec le système proposé de correcteur de type RS auquel est adjoint le paramètre de Youla, le nombre de paramètres variants en fonction de la fréquence du bruit perturbateur à rejeter dans la loi de commande n'est que de 4. Le calcul de ces paramètres en fonction de la fréquence f de la perturbation à rejeter peut être effectué hors ligne, préalablement, par résolution de l'équation de Bézout (10), lors de la phase de conception de la loi de commande, les paramètres pouvant être mémorisés dans des tables sur le calculateur programmable embarqué dans le véhicule et appelés, en temps réel, en fonction de la fréquence à rejeter.Thus, with the proposed RS type corrector system to which is added the Youla parameter, the number of variant parameters as a function of the frequency of the disturbing noise to be rejected in the control law is only 4. The calculation of these parameters parameters as a function of the frequency f of the disturbance to be rejected can be performed offline, previously, by solving the Bézout equation (10), during the design phase of the control law, the parameters that can be stored in tables on the on-board programmable computer in the vehicle and called, in real time, according to the frequency to be rejected.
La
Pour réaliser la synthèse du correcteur, il est préférable d'utiliser un modèle électroacoustique que l'on peut qualifier de médian, c'est-à-dire à un modèle correspondant à un niveau intermédiaire d'occupation de l'habitacle parmi les modèles électroacoustiques correspondant aux différentes configurations d'occupation de l'habitacle.To achieve the synthesis of the corrector, it is preferable to use an electroacoustic model that can be described as median, that is to say, a model corresponding to an intermediate level of occupancy of the passenger among the models. electroacoustics corresponding to different occupancy configurations of the passenger compartment.
Pour la synthèse du correcteur central, on cherche de préférence à ce qu'il garantisse des marges maximales sans objectif particulier de rejet de perturbation. Ceci peut être obtenu, par exemple, par une technique de placement de pôles, et, si nécessaire, on peut consulter l'ouvrage de I.D. Landau déjà cité pour cela, en particulier, l'ensemble du chapitre 3. Plus précisément, on peut procéder comme explicité par la suite.For the synthesis of the central corrector, it is preferably sought that it guarantees maximum margins without a particular objective of disturbance rejection. This can be achieved, for example, by a pole placement technique, and, if necessary, one can consult the book of ID Landau already cited for this, in particular, the whole of chapter 3. More precisely, it can be seen proceed as explained later.
On choisit d'effectuer le placement des pôles de la boucle fermée en plaçant n pôles dominants de la boucle fermée sur les n pôles du système à commander soit les racines de A(q
On place également un certains nombres de pôles auxiliaires en « haute fréquence » dont la valeur est comprise entre 0,05 et 0,5 dans le plan complexe (dans le cas où il n'y a pas suréchantillonnage). Rappelons qu'un système échantillonné est stable si tous ses pôles sont strictement compris dans le cercle unité dans le plan complexe. Ces pôles auxiliaires ont pour rôle d'augmenter la robustesse de la loi de commande, lors de l'adjonction du paramètre de Youla.A certain number of "high frequency" auxiliary poles whose value is between 0.05 and 0.5 in the complex plane are also placed (in the case where there is no oversampling). Recall that a sampled system is stable if all its poles are strictly included in the unit circle in the complex plane. These auxiliary poles have the role of increasing the robustness of the control law, when adding the Youla parameter.
Après avoir ainsi choisi les pôles de la boucle fermée, c'est-à-dire les racines de Po(q -1), on exprime Po(q -1), qui est un polynôme en (q -1) de degré n+m. On résout ensuite l'équation de Bézout en utilisant les routines précitées :
On a ainsi déterminé et calculé le correcteur central.The central corrector was thus determined and calculated.
On calcule ensuite les coefficients du paramètre de Youla Q (c'est à dire α et β) qui sont les seuls polynômes variants de la loi de commande en fonction de la fréquence de la perturbation à rejeter.The coefficients of the Youla Q parameter (that is to say α and β) which are the only variant polynomials of the control law as a function of the frequency of the perturbation to be rejected are then calculated.
Pour chacune des fréquences fpert de la perturbation à rejeter, on choisit les facteurs d'amortissement , de l'équation (12), de telle sorte à régler la profondeur de l'atténuation de Syp à la dite fréquence, ainsi que la largeur de l'encoche (largeur de bande) à la fréquence fpert dans Syp, tout en ménageant une robustesse suffisante mesurable par la marge de module décrite plus haut (maximum de Syp). On peut se fixer par exemple pour objectif une marge de module de 0,7, ce qui correspond à un niveau de robustesse important de la boucle fermée, robustesse qui garantira la stabilité du système de contrôle actif lors des variations de configuration d'habitacle.For each of the frequencies fpert of the perturbation to be rejected, the damping factors are selected , of equation (12), so as to adjust the depth of attenuation of Syp at said frequency, as well as the width of the notch (bandwidth) at the frequency fpert in Syp, while providing a sufficient robustness measurable by the module margin described above (maximum Syp). It is possible, for example, to set a target for a module margin of 0.7, which corresponds to a high level of robustness of the closed loop, a robustness that will guarantee the stability of the active control system during variations in passenger compartment configuration.
On sait qu'un asservissement est d'autant plus robuste que les pôles de la boucle fermée sont proches du système à commander. Cette condition est réalisée en totalité grâce au choix de placement de pôles lors de la synthèse du correcteur central.It is known that a servo is all the more robust that the poles of the closed loop are close to the system to be controlled. This condition is achieved entirely through the choice of placement of poles during the synthesis of the central corrector.
On calcule les polynômes Hs(q -1) et α(q -1) comme expliqué plus haut par discrétisation d'une cellule du second ordre et on résout l'équation de Bézout (10) afin de déterminer β(q -1).The polynomials Hs ( q -1 ) and α ( q -1 ) are calculated as explained above by discretizing a second order cell and the Bézout equation (10) is solved to determine β ( q -1 ). .
De préférence, ce calcul aboutissant à la détermination de α(q -1) et β(q -1) en fonction de fpert est effectué sur toute la plage de fréquence où l'on entend effectuer un rejet de perturbation. On peut par exemple calculer α et β pour des fréquences variant de 2 Hz en 2 Hz, sur une plage allant de 30 à 120 Hz.Preferably, this calculation resulting in the determination of α ( q -1 ) and β ( q -1 ) as a function of fpert is performed over the entire frequency range where it is intended to perform a disturbance rejection. For example, α and β can be calculated for frequencies varying from 2 Hz to 2 Hz over a range from 30 to 120 Hz.
Outre le/les modèles électroacoustiques et le modèle de correcteur central RS obtenus, l'ensemble des coefficients des polynômes α(q -1) et β(q -1) en fonction de fpert est mémorisé dans de la mémoire, une table pour ces derniers, du calculateur. Les tables permettent de retrouver les données qui seront à utiliser en temps réel en fonction des conditions courantes, notamment fréquence courante du bruit à atténuer et éventuellement configuration courante d'occupation de l'habitacle.In addition to the electroacoustic model (s) and the RS central corrector model obtained, the set of coefficients of the polynomials α ( q -1 ) and β ( q -1 ) as a function of fpert is stored in memory, a table for these last, the calculator. The tables make it possible to find the data that will be used in real time according to the current conditions, in particular the current frequency of the noise to be attenuated and possibly a current configuration of occupancy of the passenger compartment.
La loi de commande de correction (correcteur RS + paramètre de Youla) est donc alors synthétisée. On peut, dans un temps optionnel de la phase de conception, vérifier qu'elle possède une stabilité et un niveau correct de robustesse (marge de module >0,5) avec une simulation du système bouclé et rejet de perturbation sur toute la plage de fréquence pour toutes les configurations d'occupation de l'habitacle en utilisant les modèles électroacoustiques identifiés dans les diverses configuration. Si ce n'est pas le cas on revient sur la conception de la loi de commande en jouant sur les coefficients , (profondeur et largeur fréquentielle du rejet). Si cela n'est toujours pas suffisant, on peut alors essayer de prendre pour modèle électracoustique un autre modèle parmi ceux obtenus pour les diverses configuration d'habitacle ou, alors, jouer sur l'emplacement des pôles auxiliaires de la boucle fermée (pôles haute fréquence).The correction control law (corrector RS + Youla parameter) is then synthesized. It is possible, in an optional phase of the design phase, to verify that it has a stability and a correct level of robustness (module margin> 0.5) with a simulation of the looped system and disturbance rejection over the entire range of Frequency for all occupancy configurations of the passenger compartment using the electroacoustic models identified in the various configurations. If this is not the case, we come back to the design of the control law by playing on the coefficients , (depth and frequency width of the rejection). If this is still not enough, we can then try to take as another electro acoustic model among those obtained for the various cockpit configurations or, then, to play on the location of the auxiliary poles of the closed loop (high poles frequency).
Ces temps précédents de conception et synthèse nécessitent des calculs importants et ils sont donc de préférence effectués hors ligne. Une fois cette synthèse effectuée, on peut appliquer les modèles obtenus en temps réel au calculateur pour obtenir l'atténuation du bruit dans l'habitacle.These previous design and synthesis times require significant calculations and are therefore preferably performed offline. Once this synthesis is carried out, the models obtained in real time can be applied to the computer to obtain the attenuation of the noise in the passenger compartment.
Lorsque le calculateur fonctionne en temps réel comme représenté
Pour résumer l'exemple précédent, on peut considérer que l'invention concerne un procédé actif en temps réel, par rétroaction, d'atténuation d'un bruit à bande étroite, essentiellement monofréquentiel à au moins une fréquence déterminée, dans un habitacle d'un véhicule par émission d'un son par au moins un transducteur, typiquement un haut-parleur, commandé avec un signal u(t) généré par un calculateur programmable, en fonction d'un signal de mesures acoustiques y(t) effectuées par un capteur acoustique, typiquement un microphone, dans une première phase de conception, le comportement électroacoustique de l'ensemble formé par l'habitacle, le transducteur, et le capteur étant modélisé par un modèle électroacoustique sous forme d'une fonction de transfert électroacoustique qui est déterminée et calculée, une loi de commande de correction étant ensuite déterminée et calculée à partir d'un modèle global du système dans lequel la loi de commande de correction est appliquée à la fonction de transfert électroacoustique dont la sortie reçoit additionnellement un signal de bruit p(t) pour donner le signal y(t) dans ladite phase de conception, ladite loi de commande de correction permettant de produire le signal u(t) en fonction des mesures acoustiques y(t), et dans une seconde phase d'utilisation, ladite loi de commande de correction calculée étant utilisée dans le calculateur pour produire le signal u(t) alors envoyé au transducteur en fonction du signal y(t) reçu du capteur pour atténuation dudit bruit.To summarize the previous example, it can be considered that the invention relates to a real-time active method, by feedback, attenuation of a narrow-band noise, essentially single-frequency at at least a predetermined frequency, in a passenger compartment of a vehicle by emission of a sound by at least one transducer, typically a loudspeaker, controlled with a signal u (t) generated by a programmable computer, depending of a signal of acoustic measurements y (t) made by an acoustic sensor, typically a microphone, in a first phase of design, the electroacoustic behavior of the assembly formed by the passenger compartment, the transducer, and the sensor being modeled by an electroacoustic model in the form of an electroacoustic transfer function which is determined and calculated, a correction control law then being determined and calculated from a global model of the system in which the correction control law is applied to the electroacoustic transfer function whose output additionally receives a noise signal p (t) to give the signal y (t) in said pha design, said correction control law making it possible to produce the signal u (t) as a function of the acoustic measurements y (t), and in a second phase of use, said calculated correction control law being used in the calculator to produce the signal u (t) then sent to the transducer as a function of the signal y (t) received from the sensor for attenuation of said noise.
Plus particulièrement, dans la phase de conception :
- a) - dans un premier temps, on utilise comme modèle électroacoustique une fonction de transfert électroacoustique rationnelle discrète et on détermine et calcule ladite fonction de transfert électroacoustique par excitation acoustique de l'habitacle par le transducteur et mesures acoustiques par le capteur puis application d'un procédé d'identification de système linéaire avec les mesures et le modèle de la fonction de transfert,
- b) - dans un deuxième temps, on met en oeuvre une loi de commande de correction comportant un correcteur RS dit central de deux
blocs 1/So(q -1) et Ro(q -1), dans le correcteur central,le bloc 1/So(q -1) produisant le signal u(t) et recevant en entrée le signal de sortie inversé du bloc Ro(q -1), ledit bloc Ro(q -1) recevant en entrée le signal y(t) correspondant à la sommation du bruit p(t) et de la sortie de la fonction de transfert électroacoustique du modèle électroacoustique, et on détermine et calcule le correcteur central, - c) - dans un troisième temps, on introduit un paramètre de Youla dans la loi de commande de correction sous forme d'un bloc Q(q - 1) de Youla adjoint au correcteur central RS, ledit bloc Q(q -1 ) de Youla recevant une estimation du bruit obtenue par calcul à partir des signaux u(t) et y(t) et en fonction de la fonction de transfert électroacoustique et le signal en sortie dudit bloc Q(q - 1) de Youla étant soustrait au signal inversé de Ro(q -1) envoyé à l'entrée du
bloc 1/So(q -1) du correcteur central RS, et on détermine et calcule le bloc Q(q - 1) de Youla dans la loi de commande de correction comportant le correcteur central auquel est associé le paramètre de Youla pour au moins une fréquence de bruit p(t) dont au moins la fréquence déterminée du bruit à atténuer,
- on détermine la fréquence courante du bruit à atténuer,
- on fait calculer au calculateur la loi de commande de correction, comprenant le correcteur RS avec le paramètre de Youla, en utilisant celle qui a été calculée pour une fréquence déterminée correspondant à la fréquence courante du bruit à atténuer.
- a) - firstly, a discrete rational electroacoustic transfer function is used as an electroacoustic model, and said electroacoustic transfer function is determined and calculated by acoustic excitation of the passenger compartment by the transducer and acoustic measurements by the sensor then application of a linear system identification method with the measurements and the model of the transfer function,
- b) - in a second step, a correction control law is implemented comprising a central RS corrector of two
blocks 1 / So ( q -1 ) and Ro ( q -1 ), in the central corrector, theblock 1 / So ( q -1 ) producing the signal u (t) and receiving as input the inverted output signal of the block Ro ( q -1 ), said block Ro ( q -1 ) receiving as input the signal y (t) corresponding to the summation of the noise p (t) and the output of the electroacoustic transfer function of the electroacoustic model, and the central corrector is determined and calculated, - c) - in a third step, a Youla parameter is introduced into the correction control law in the form of a block Q (q - 1 ) of Youla associated with the central corrector RS, said block Q (q - 1 ) of Youla receiving an estimate of the noise obtained by calculation from the signals u (t) and y (t) and as a function of the electroacoustic transfer function and the output signal of said block Q (q - 1 ) of Youla being subtracted from the signal inverted of Ro ( q -1 ) sent to the input of the
block 1 / So ( q -1 ) of the central corrector RS, and the block Q (q - 1 ) of Youla is determined and calculated in the correction control law having the central corrector associated with the Youla parameter for at least one noise frequency p (t), of which at least the determined frequency of the noise to be attenuated,
- the current frequency of the noise to be attenuated is determined,
- the correction control law, comprising the corrector RS with the Youla parameter, is calculated by the computer using the one calculated for a determined frequency corresponding to the current frequency of the noise to be attenuated.
Jusqu'à présent on a présenté une mise en oeuvre simple avec un habitacle muni d'un seul microphone et d'un haut parleur, ou un groupe de haut-parleurs, tous excités par le même signal.So far we have presented a simple implementation with a cockpit with a single microphone and a speaker, or a group of speakers, all excited by the same signal.
Or il s'avère que la réduction de bruit/le silence qui peut être obtenu par un procédé de contrôle actif est spatialement très localisé. Dans l'article « A review of active noise and vibration control in road vehicles » déjà cité, Eliott indique que la zone de silence autour du microphone d'erreur n'excède pas le dixième de la longueur d'onde du bruit à rejeter soit environ 110 cm pour un bruit de 30 Hz, 55 cm pour un bruit de 60 Hz, 28 cm pour un bruit de 120 Hz à la température ambiante.However, it turns out that the noise reduction / silence that can be obtained by an active control method is spatially very localized. In the article "A review of active noise and vibration control in road vehicles" already cited, Eliott indicates that the zone of silence around the error microphone does not exceed one tenth of the wavelength of the noise to be rejected. about 110 cm for a noise of 30 Hz, 55 cm for a noise of 60 Hz, 28 cm for a noise of 120 Hz at room temperature.
On voit donc qu'il n'est pas possible d'obtenir une réduction de bruit uniforme dans un habitacle d'une voiture quelque peu spacieuse avec un seul microphone et qu'il est donc nécessaire de multiplier le nombre de microphones d'erreur et les répartir dans l'habitacle pour augmenter l'espace où il y a réduction du bruit.So we see that it is not possible to obtain a uniform noise reduction in a cabin of a car somewhat spacious with a single microphone and it is therefore necessary to multiply the number of error microphones and distribute them in the passenger compartment to increase the space where there is noise reduction.
Dans ce qui suit, afin de généraliser les explications, on va considérer le cas où l'habitacle est équipé de plusieurs microphones et de plusieurs haut-parleurs (ou groupes de haut-parleurs). Cette généralisation permet de comprendre les applications plus spécifiques à nombres de haut-parleur(s) et microphone(s) particuliers.In what follows, in order to generalize the explanations, we will consider the case where the cabin is equipped with several microphones and several speakers (or groups of speakers). This generalization makes it possible to understand the applications that are more specific to specific loudspeaker (s) and microphone (s) numbers.
Une première solution consiste à utiliser le schéma de commande précédemment établi pour un seul microphone afin de faire un rebouclage haut-parleur-microphone un à un. Cette solution risque toutefois de donner de très mauvais résultats, voire même une instabilité. En effet, un haut-parleur donné d'un système modélisé aura une influence sur tous les microphones de l'habitacle, même ceux qui ne sont pas de son propre système modélisé.A first solution is to use the previously established control scheme for a single microphone to make a loudspeaker-microphone loop one by one. This solution, however, may give very poor results, or even instability. Indeed, a given loudspeaker of a modeled system will have an influence on all the microphones of the cabin, even those which are not of its own modeled system.
On propose donc une autre solution plus globale en se plaçant du point de vue de l'automatique. Ici, avec plusieurs microphones, on se trouve en présence d'un problème multivariables, c'est-à-dire avec plusieurs entrées et plusieurs sorties couplées.We therefore propose another more global solution from the point of view of the automatic. Here, with several microphones, there is a multivariable problem, that is to say with several inputs and several coupled outputs.
A titre d'exemple, on a représenté sur la
Soit encore, toujours dans le cas 2*2
La représentation d'un système multivariables par fonction de transfert est en fait peu pratique, on lui préfère la représentation d'état, qui est une représentation universelle des systèmes linéaires (multivariables ou non).The representation of a multivariable system by transfer function is actually impractical, it prefers the representation of state, which is a universal representation of linear systems (multivariable or not).
Soit
- nu : le nombre d'entrées du système (soit le nombre de haut parleurs ou groupes de haut-parleurs reliés ensemble) ;
- ny : le nombre de sorties du système (soit le nombre de microphones) ;
- n : l'ordre du système.
- nu: the number of system inputs (the number of speakers or groups of speakers connected together);
- ny: the number of outputs of the system (ie the number of microphones);
- n: the order of the system.
Dans ce qui suit on considère que nu=ny afin de simplifier les explications mais cela n'est pas restrictif, ce qui suit pouvant également s'appliquer au cas nu >ny.In what follows we consider that nu = ny to simplify the explanations but this is not restrictive, the following may also apply to the case n> ny.
La représentation d'état du système électroacoustique (de l'habitacle) peut s'écrire sous forme d'une équation de récurrence dite équation d'état :
- X : vecteur d'état du système de taille (n*1)
- U : vecteur des entrées du système de taille (nu*1)
- Y: vecteur des sorties de taille (ny*1)
- G une matrice dite matrice d'évolution de taille (n*n)
- H la matrice d'entrée du système de taille (n*nu)
- W la matrice de sortie du système de taille (ny*n).
- X : size system state vector (n * 1)
- U : vector size system inputs (nu * 1)
- Y: size output vector (ny * 1)
- G a matrix called size evolution matrix (n * n)
- H the input matrix of the size system (n * naked)
- W the output matrix of the size system (ny * n).
Les coefficients des matrices G, H, W définissent le système linéaire multivariables.The coefficients of matrices G, H, W define the multivariable linear system.
On précise que X(t) correspond au vecteur X à l'instant t et X(t+Te) correspond au vecteur X à l'instant t+Te (soit une période d'échantillonnage après X(t)).It is specified that X (t) corresponds to the vector X at time t and X (t + Te) corresponds to the vector X at time t + Te (ie a sampling period after X (t)).
La loi de commande de correction est basée sur cette représentation d'état, aussi, comme pour le cas monovariable, faut-il déterminer et calculer le modèle du système électroacoustique à contrôler (modèle électroacoustique de l'habitacle), c'est-à-dire les coefficients des matrices G, H, W.The correction control law is based on this state representation, so, as for the monovariable case, is it necessary to determine and calculate the model of the electroacoustic system to be controlled (electroacoustic model of the passenger compartment), that is to say say the coefficients of matrices G, H, W.
Sur la
Comme pour le cas monovariable, on obtient les coefficients du modèle du système électroacoustique à contrôler par une procédure d'identification au cours de la phase de conception, c'est-à-dire par stimulation du système électroacoustiques réel avec des bruits à densité spectrale sensiblement uniforme, les nu haut parleurs étant excités par des signaux qui sont décorrélés entre eux.As for the monovariable case, we obtain the coefficients of the model of the electroacoustic system to be controlled by an identification procedure during the design phase, that is to say by stimulation of the real electroacoustic system with spectral density noise. substantially uniform, the naked speakers being excited by signals that are decorrelated between them.
Ainsi, les données d'entrées (mesures des microphones) et sorties (signaux pour les haut-parleurs) sont mémorisées dans un calculateur et y sont exploitées en vue d'obtenir une représentation d'état dudit système, en utilisant cette fois des algorithmes d'identification dédiés aux systèmes multivariables. Ces algorithmes sont par exemple fournis dans des boites à outils de logiciels spécialisés dans le domaine de l'automatique comme par exemple Matlab®. On peut également consulter avantageusement l'ouvrage de L. LJUNG « System identification-Theory for the user» Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.S ,1987, les algorithmes présentés dans cet ouvrage ayant donné naissance à une boite a outil dédiée à l'identification dans le logiciel Matlab®. Il en est de même pour les algorithmes de validation du modèle obtenu du système électroacoustique à contrôler.Thus, the input data (microphones measurements) and outputs (signals for the loudspeakers) are stored in a computer and are used therein to obtain a state representation of said system, this time using algorithms dedicated identification multivariable systems. These algorithms are for example provided in toolboxes of software specialized in the field of automation such as for example Matlab®. One can also consult advantageously L. LJUNG's book "System identification-Theory for the user" Prentice Hall, Englewood Cliffs, NS, 1987, the algorithms presented in this work having given birth to a box tool dedicated to the identification in Matlab® software. It is the same for the validation algorithms of the model obtained from the electroacoustic system to be controlled.
Un autre mode de réalisation possible, consiste à procéder à une identification des nu*ny fonctions de transfert une à une avec les outils d'identification monovariable, et en stimulant les haut-parleurs uns à uns, puis de procéder ensuite à une agrégation des nu*ny modèles en un seul, multivariables. Cette agrégation peut être faite, par exemple par la méthode des moindres carrés d'innovation, algorithme décrit dans l'ouvrage de Ph de Larminat : « Automatique appliquée » Hermès 2007.Another possible embodiment consists in identifying the one-to-one transfer functions one by one with the monovariable identification tools, and stimulating the loudspeakers one to one, and then proceeding to an aggregation of the nu * ny models in one, multivariable. This aggregation can be done, for example by the least squares method of innovation, algorithm described in Ph de Larminat's book: "Automatique appliquée" Hermès 2007.
Comme pour le cas monovariable, il est souhaitable d'effectuer une identification pour chacune des configurations d'habitacle et de prendre pour modèle du système électroacoustique qui est conservé pour la suite de la phase de conception un modèle que l'on qualifiera de « médian ».As for the monovariable case, it is desirable to carry out an identification for each of the cockpit configurations and to take as a model of the electroacoustic system which is conserved for the rest of the design phase a model that will be described as "median ".
Une fois que l'on a obtenu un modèle entrées-sorties du système électroacoustique sous forme de représentation d'état et que ce modèle a été validé on peut passer à la détermination et calcul de la loi de commande de correction. On doit donc maintenant synthétiser une loi de commande de correction permettant de rejeter au niveau de chacun des micros une perturbation acoustique de fréquence fpert, ladite fréquence fpert pouvant évoluer au cours du temps.Once an input-output model of the electroacoustic system has been obtained in the form of a state representation and this model has been validated, it is possible to proceed to the determination and calculation of the correction control law. It is therefore now necessary to synthesize a correction control law making it possible to reject at the level of each of the microphones an acoustic disturbance of frequency fpert, said fpert frequency being able to evolve over time.
Pour ce faire, on généralise le concept de correcteur central et le concept de paramétrisation de Youla du cas monovariable au cas multivariables.To do this, we generalize the concept of central corrector and the concept of Youla parameterization of the monovariable case to the multivariable case.
On considère que le système électroacoustique est décrit par la représentation d'état (18). On peut montrer que le correcteur central se présente dans le cas multivariables sous une forme observateur d'état + retour sur l'état estimé de la forme :
- X̂ est le vecteur d'état de l'observateur de taille (n*1)
- Kf est le gain de l'observateur de taille (n*ny)
- X is the state vector of the size observer (n * 1)
- Kf is the gain of the size observer (n * ny)
On a donc :
On peut consulter avantageusement à ce sujet l'ouvrage
The work can be advantageously consulted on this subject
En correspondance avec ces formules, sur la
- eig(G - Kf · W) sont nommés : pôles de filtrage et
- eig(G - H · Kc) sont nommés : pôles de commande
- eig (G - Kf · W) are named: filtering poles and
- eig (G - H · Kc ) are named: command poles
Ainsi le placement des pôles de la boucle fermée munie du correcteur central peut se faire en choisissant les coefficients de Kf et Kc qui sont les paramètres de réglage de cette structure de commande. Le nombre de pôles à placer est de 2*n.Thus the placement of the poles of the closed loop provided with the central corrector can be done by choosing the coefficients of Kf and Kc which are the adjustment parameters of this control structure. The number of poles to be placed is 2 * n.
On choisit donc comme correcteur central cet ensemble observateur et retour d'état estimé. Dans le cas monovariable, on avait montré que si on plaçait n pôles de la boucle fermée sur les n pôles du système électroacoustique (soit les racines du polynôme de A(q -1)), on obtenait un correcteur central ne rejetant pas spécifiquement les perturbations, mais à robustesse maximale.We thus choose as central corrector this observer set and estimated state return. In the monovariable case, it had been shown that if we placed n poles of the closed loop on the n poles of the electroacoustic system (ie the roots of the polynomial of A ( q -1 )), we obtained a central corrector not rejecting specifically the disturbances, but with maximum robustness.
Dans le cas multivariables, on cherche également à ce que le correcteur central présente la robustesse maximale, sans objectif particulier de rejet de perturbation. Aussi, les pôles de filtrages sont choisis égaux aux pôles du système à commander. Il faut donc que Kf · W = 0. La solution la plus triviale est :
Ainsi l'équation du correcteur central devient simplement :
Il reste n autres pôles à placer (les pôles de commande eig(G - H · Kc)). En suivant ce qui a été fait pour le correcteur monovariable, on choisira ces pôles comme un ensemble de pôles haute fréquence destinés à assurer la robustesse de la loi de commande. Il est à noter que puisque l'on est en multivariables, le nombre de coefficients de Kc (nu*n) est plus important que le nombre de pôles encore à placer (n), aussi ces degrés de liberté peuvent être mis à profit pour effectuer un placement de structure propre (choix non seulement de valeurs propres mais également des vecteurs propres de (G - H · Kc). There remain n other poles to place (the control poles eig (G - H · Kc )). Following what has been done for the monovariable corrector, these poles will be chosen as a set of high frequency poles intended to ensure the robustness of the control law. It should be noted that since we are multivariable, the number of coefficients of Kc (nu * n) is greater than the number of poles yet to be placed (n), so these degrees of freedom can be used for perform a clean structure placement (choice not only of eigenvalues but also eigenvectors of ( G - H · Kc ) .
Une autre façon de procéder afin de calculer Kc consiste en une optimisation LQ (linéaire quadratique) pour laquelle la littérature est très abondante. On peut par exemple se référer à l'ouvrage
Le correcteur central étant déterminé et calculé, on va maintenant présenter la manière de déterminer et calculer le paramètre de Youla qui est associé au correcteur central pour réaliser la loi de commande de correction dans le cas multivariables. L'objectif est toujours de rejeter des perturbations sinusoïdales de fréquence connue fpert, ici au niveau de chaque microphone, en faisant en sorte que seuls varient les coefficients du paramètre de Youla lorsque fpert varie.The central corrector being determined and calculated, we will now present how to determine and calculate the Youla parameter which is associated with the central corrector for realize the correction control law in the multivariable case. The objective is always to reject sinusoidal perturbations of known frequency fpert, here at the level of each microphone, making sure that only the coefficients of the Youla parameter vary as fpert varies.
On peut montrer que le paramètre de Youla s'associe au correcteur central pour former la loi de commande de correction de la manière représentée à la
Dans la loi de commande de correction telle que représentée symboliquement sur la
XQ étant le vecteur d'état du paramètre de Youla. X Q being the state vector of the Youla parameter.
La loi de commande du correcteur central muni du paramètre de Youla s'écrit alors :
On va maintenant montrer comment déterminer les paramètres de Q de façon à assurer un rejet de perturbations de fréquence connue.We will now show how to determine the parameters of Q so as to ensure a rejection of disturbances of known frequency.
Dans le cas monovariable, on avait calculé une fonction de transfert
Dans le cas multivariables, posons sur chaque sortie n° i un modèle de perturbation non commandable :
Pour chaque sortie i, ce modèle de perturbation non commandable s'écrit :
- X̂ 2i est le vecteur d'état du modèle de la perturbation i (
taille 2*1) - Z 2i est la perturbation additive sur la sortie i (
taille 1*1)
For each output i, this uncontrollable perturbation model is written:
- X 2 i is the state vector of the perturbation model i (
size 2 * 1) - Z 2 i is the additive disturbance on the output i (
size 1 * 1)
Il est à noter que le choix de la forme de G 2 i W 2i n'est pas unique. On a ici adopté une représentation canonique d'observabilité. hs 1i et hs 2i se déduisent du numérateur d'une fonction de transfert
Avec :
La discrétisation de la fonction de transfert continue peut être faite par exemple au moyen de la routine de calcul « c2d » du logiciel Matlab®.The discretization of the continuous transfer function can be done for example by means of the calculation routine "c2d" of the Matlab® software.
On peut alors écrire l'équation d'état d'un observateur augmenté des modèles de perturbation sur les sorties qui est alors :
- Kf 2 est de taille (2*ny,ny)
- Kc 2 est de taille (nu,2*ny)
- Kf 2 is large (2 * ny, ny)
- Kc 2 is large (nude, 2 * ny)
L'équation (29) de l'observateur s'écrit encore :
Il faut maintenant choisir les coefficients de Kf 2, de façon à placer les pôles de cette partie de l'observateur augmenté.We must now choose the coefficients of Kf 2 , so as to place the poles of this part of the observer increased.
En choisissant pour pôles les 2ny racines des dénominateurs αi (q -1), on généralise au cas multivariables ce que l'on a fait en monovariable.By choosing the two roots of the denominators α i ( q -1 ) as poles, we generalize to the multivariable case what we did in monovariable.
Plus précisément, on choisit: eig(G 2i - Kf 2i · W 2i ) égales aux racines des polynômes αi (q -1) sus mentionnés, ces polynômes résultant comme on l'a dit plus haut de la discrétisation d'une cellule continue du second ordre.More precisely, one chooses: eig ( G 2 i - Kf 2 i · W 2 i ) equal to the roots of polynomials α i ( q -1 ) mentioned above, these polynomials resulting as we said above from the discretization of a continuous cell of the second order.
Le calcul de Kf 2i en fonction de G 2i , W 2i , αi (q -1) et est un classique placement de pôle. Pour l'effectuer, on peut par exemple utiliser la routine du logiciel Matlab® dédiée à cette opération dont le nom est « PLACE ».The calculation of Kf 2 i as a function of G 2 i , W 2 i , α i ( q -1 ) and is a classical pole placement. To do this, one can for example use the Matlab® software routine dedicated to this operation whose name is "PLACE".
Sous cette dernière condition la matrice Kf 2 est diagonale par blocs, soit :
Il reste à choisir Kc 2 de taille (nu*2ny). Ce choix n'est pas libre si l'on veut obtenir un rejet asymptotique des perturbations de sortie.It remains to choose Kc 2 of size (nu * 2ny). This choice is not free if we want to obtain an asymptotic rejection of the output disturbances.
Il faut que Kc 2 satisfasse aux équations dites du rejet asymptotique qui sont :
La justification des équations (36) et (37) peut se trouver dans l'ouvrage de ph. de Larminat : « Automatique appliquée » hermès 2007 aux pages 202 205. La résolution des équations (37) aboutit à la résolution d'un système Sylvester. Il est à noter qu'une routine de calcul pour le logiciel Matlab® réalisant la résolution des équations de rejet asymptotique est fournie avec l'ouvrage précité.The justification of equations (36) and (37) can be found in ph. de Larminat: "Automatic Applied" hermès 2007 on pages 202 205. The resolution of equations (37) leads to the resolution of a Sylvester system. It should be noted that a calculation routine for the Matlab® software solving the asymptotic rejection equations is provided with the aforementioned work.
En comparant les équations (24) et (25) avec l'équation (34), on s'aperçoit alors que cette structure avec état augmenté de l'observateur n'est autre que le correcteur central tel qu'il a été défini, muni du paramètre de Youla avec, en reprenant les notations de (24) et (25) :
Il est à noter que ces équations sont valides car l'on a choisi Kf = 0.It should be noted that these equations are valid because we have chosen Kf = 0.
Ainsi pour chaque fréquence de perturbation les coefficients de AQ, BQ, CQ peuvent être calculés lors du réglage de la loi de commande de correction et mis dans des tables afin, en phase d'utilisation, d'être appelés en fonction de fpert sur le calculateur temps réel. La
Le bloc de Youla Q peut être implémenté sous forme de matrice de transfert afin de minimiser le nombre de coefficients variants dans ce bloc. Une telle opération peut être effectuée par exemple au moyen de la routine « ss2tf » du logiciel Matlab®.The Youla Q block can be implemented as a transfer matrix to minimize the number of variant coefficients in this block. Such an operation can be carried out for example by means of the "ss2tf" routine of the Matlab® software.
Comme on l'a vu, les paramètres de réglage de la loi de commande de correction résident dans le choix des pôles de commande (par les paramètres de Kc) qui ont une influence sur la robustesse de la loi de commande. Pour chaque fréquence, on dispose du choix des facteurs d'amortissement , des cellules du second ordre continues, influençant les largeurs fréquentielles et profondeur des rejets des perturbations à la fréquence fpert.As we have seen, the adjustment parameters of the correction control law reside in the choice of control poles (by Kc parameters) which have an influence on the robustness of the control law. For each frequency, the choice of damping factors is available , continuous second-order cells, influencing the frequency widths and depth of the disturbance rejections at the fpert frequency.
Il est à noter que la robustesse de l'asservissement peut être évaluée par le calcul de la norme infinie de la matrice de transfert entre P(t) et Y(t) (généralisation du cas monovariable). Le calcul de la norme infinie d'une matrice de transfert se faisant par calcul des valeurs singulières de ladite matrice de transfert, on peut là aussi utiliser le logiciel Matlab® et notamment la fonction « SIGMA » de la « control toolbox ».It should be noted that the robustness of the servocontrol can be evaluated by calculating the infinite norm of the transfer matrix between P (t) and Y (t) (generalization of the monovariable case). Since the calculation of the infinite norm of a transfer matrix is done by calculating the singular values of said transfer matrix, one can also use the Matlab® software and in particular the "SIGMA" function of the "control toolbox".
Ces possibilités de réglage généralisent les possibilités de réglage du cas mono variable.These adjustment possibilities generalize the possibilities of setting the mono variable case.
Pour résumer, la loi de commande de correction (correcteur central + paramètre de Youla) destinée à s'appliquer à un modèle électroacoustique d'habitacle de véhicule, dans le cas multivariables, s'obtient en suivant les étapes suivantes :
- Obtention d'un modèle électroacoustique de l'habitacle de véhicule qui est linéaire, multivariables, sous forme de représentation d'état, calculé par identification,
- Synthèse d'un correcteur central sous forme observateur d'état et retour d'état estimé avec choix de Kf=0,
- Choix des coefficients de Kc correspondant à des pôles haute fréquence pour assurer la robustesse la loi de commande (éventuellement par optimisation LQ et notamment optimisation LQ de type B),
- Choix des facteurs d'amortissement , pour un maillage de fréquences de perturbation à rejeter, maillage effectué en particulier dans le cas où plusieurs fréquences courantes de bruit à atténuer peuvent être rencontrées au cours du temps ou que la fréquence du bruit varie au cours du temps (comme pour le cas monovariable, une interpolation des paramètres variables en fonction de la fréquence peut être effectuée dans la phase d'utilisation),
- Calcul les coefficients du paramètre de Youla qui sont mis dans des tables du calculateur pour utilisation dans la phase d'utilisation en temps réel.
- Obtaining an electroacoustic model of the vehicle cabin that is linear, multivariable, in the form of a state representation, calculated by identification,
- Synthesis of a central corrector in state observer form and estimated state return with choice of Kf = 0,
- Choice of the coefficients of Kc corresponding to high frequency poles to ensure the robustness of the control law (possibly by LQ optimization and in particular LQ optimization type B),
- Choice of damping factors , for a mesh of disturbance frequencies to be rejected, meshwork carried out in particular in the case where several common frequencies of noise to be attenuated may be encountered over time or the frequency of the noise varies over time (as in the case of the single-variable case, an interpolation of the variable parameters as a function of the frequency can be carried out in the use phase),
- Calculates the Youla parameter coefficients that are put in the calculator tables for use in the real-time usage phase.
Il est à noter qu'une réduction du nombre de coefficients à placer dans les tables peut être effectuée en choisissant tous les égaux pour une fréquence de perturbation donnée.It should be noted that a reduction in the number of coefficients to be placed in the tables can be performed by choosing all the equal for a given disturbance frequency.
L'invention met donc en oeuvre un correcteur central avec un paramètre de Youla qui est sous forme d'un filtre à réponse impulsionnelle infinie à au moins une entrée et au moins une sortie, nombre fonction des modalités de réalisation choisies (monovariable, multivariables, nombre de capteurs et de transducteurs...).The invention thus implements a central corrector with a Youla parameter which is in the form of an infinite impulse response filter with at least one input and at least one output, which number depends on the chosen embodiments (single variable, multivariable, number of sensors and transducers ...).
Dans les exemples de mise en oeuvre présentés ci-dessus, on a considéré le cas d'un rejet d'une seule fréquence afin de simplifier les explications. Toutefois, l'invention est applicable au rejet de plusieurs fréquences à la fois et on va donc maintenant décrire un tel cas.In the implementation examples presented above, the case of a rejection of a single frequency was considered in order to simplify the explanations. However, the invention is applicable to the rejection of several frequencies at once and we will now describe such a case.
En effet, que ce soit dans le cas monovariable ou dans le cas multivariables, il est possible de rejeter simultanément plus d'une fréquence. Cela conduit à introduire une seconde voire une troisième encoche dans la fonction de sensibilité Syp. Cependant, il en résulte, compte tenu du théorème de Bode Freudenberg Looze, que la réalisation d'une ou plusieurs encoches supplémentaires dans la fonction de sensibilité entraîne nécessairement une remontée de |Syp| aux autres fréquences d'où un amoindrissement de la robustesse.Indeed, whether in the single-variable case or in the multivariable case, it is possible to reject more than one frequency simultaneously. This leads to introducing a second or even a third notch in the sensitivity function Syp. However, as a result, given the Bode Freudenberg Looze theorem, the realization of one or more additional notches in the sensitivity function necessarily leads to a rise of | Syp | at other frequencies resulting in a decrease in robustness.
Dans ce qui suit on va supposer que l'on rejette deux fréquences, mais ceci n'est pas limitatif et est donné uniquement à titre d'exemple. Ces deux fréquences sont :
- la fréquence courante que l'on nomme ici fpert pour reprendre les notations utilisées jusqu'à présent, et
- une seconde fréquence reliée à fpert que l'on notera η.fpert, η étant pas nécessairement entier, η peut être constant sans nécessairement être entier, mais il peut également être fonction de fpert, la seule condition étant que la fonction η(fpert) soit continue .
- the current frequency that is called here fpert to use the notation used so far, and
- a second frequency connected to fpert that one will note η.fpert, η being not necessarily integer, η can be constant without necessarily being integer, but it can also be function of fpert, the only condition being that the function η (fpert) be continuous.
Dans le cas monovariable, on a toujours l'équation de Bézout (10) soit :
Hs et α sont ici des polynômes en q -1 de degré 4 et sont des facteurs d'amortissement permettant tout comme dans le cas du rejet monofréquentiel de régler la largeur et la profondeur de l'encoche d'atténuation dans la courbe représentative du module de Syp, α(q -1) est un polynôme d'ordre 4 et β(q -1) un polynôme d'ordre 3. Le nombre de coefficient variables dans la loi de commande est donc plus élevé : il y a 4 coefficients supplémentaires à faire varier en fonction de fpert. Hs and α are here polynomials in q -1 of
Dans le cas multivariables, la matrice G 2i de l'équation (27) est maintenant de dimension 4*4, soit :
Il est à noter que le choix de la forme de G 2 i W 2i n'est pas unique. On a ici adopté une représentation canonique d'observabilité.
où hs 1 i hs 2 i hs 3 i hs 4i sont les coefficients du numérateur d'une fonction de transfert.
- Kf 2 est de taille (4*ny,ny)
- Kc 2 est de taille (nu,4*ny)
where hs 1 i hs 2 i hs 3 i hs 4 i are the numerator coefficients of a transfer function.
- Kf 2 is large (4 * ny, ny)
- Kc 2 is big (naked, 4 * ny)
Le vecteur X̂ 2 (t) est cette fois de taille (4ny*1) et la matrice W 2 est cette fois de taille (ny*4ny). Les équations de rejet asymptotique (36) et (37) sont inchangées. La résolution d'un tel système multivariables s'apparente au cas du rejet d'une seule fréquence détaillé précédemment.The vector X 2 (t) is this time of size (4ny * 1) and the matrix W 2 is this time of size (ny * 4ny). The asymptotic rejection equations (36) and (37) are unchanged. The resolution of such a multivariable system is similar to the case of the rejection of a single previously detailed frequency.
Ce qui a été décrit pour un nombre de fréquences simultanément rejetées égal à deux peut être éventuellement étendu à un nombre de fréquences plus élevées, cependant, comme dit plus haut, l'augmentation du nombre de fréquences rejetées entraîne une perte de robustesse devenant vite rédhibitoire.What has been described for a number of frequencies simultaneously rejected equal to two may be optionally extended to a higher number of frequencies, however, as said above, the increase in the number of rejected frequencies causes a loss of robustness quickly becoming prohibitive .
On comprend que le principe à la base de l'invention, correcteur central auquel est adjoint un paramètre de Youla, peut est appliqué en pratique pour atténuation de bruit d'autres manières que celle détaillée ci-dessus. En particulier, le type de modèle électroacoustique peut être différent, les modalités de détermination et/ou de synthèse du correcteur central et du paramètre de Youla peuvent également être différents et on peut utilement se rapporter à la littérature indiquée pour la mise en oeuvre pratique des ces autres modalités.It will be understood that the principle underlying the invention, a central corrector to which a Youla parameter is added, can be applied in practice for noise attenuation in other ways than the one detailed above. In particular, the type of electroacoustic model may be different, the methods for determining and / or synthesizing the central corrector and Youla parameter may also be different and it is useful to refer to the literature indicated for the practical implementation of these other modalities.
Claims (15)
- A real-time active method for attenuating, through feedback, a narrow-band noise, essentially mono-frequency at at least one determined frequency, in a vehicle passenger compartment, by emitting a sound through at least one transducer, typically a loud-speaker, controlled by a signal u(t) or U(t) according to the case respectively, generated by a programmable calculator, as a function of a signal of acoustic measurements y(t) or Y(t) according to the case, performed by at least one acoustic sensor, typically a microphone, wherein the use of one sensor corresponds to a monovariable case, and the use of several sensors corresponds to a multivariable case, and the method comprising following steps:in a first phase of design, the electroacoustic response of the unit formed by the passenger compartment, the transducer and the sensor, is modeled by an electroacoustic model as an electroacoustic transfer function that is determined and calculated, a control law being then determined and calculated from a global model of the system in which the control law is applied to the electroacoustic transfer function whose output additionally receives a noise signal to be attenuated p(t) to give the signal y(t) or Y(t) in said design phase, said control law making it possible to produce the signal u(t) or U(t) as a function of the acoustic measurements y(t) or Y(t), andin a second phase of use, said calculated control law is used in the calculator to produce the signal u(t) or U(t) then sent to the transducer as a function of the signal y(t) or Y(t) received from the sensor for attenuating said noise,characterized in that a control law is implemented, which comprises the application of a Youla parameter to a central controller and which is such that only the Youla parameter has coefficients that depend on the frequency of the noise to be attenuated in said control law, the central controller having fixed coefficients, the Youla parameter being in the form of an infinite impulse response filter, and in that, after determination and calculation of the control law, at least said variable coefficients are stored into a memory of the calculator, preferably in a table as a function the determined noise frequency(ies) p(t) used in the design phase, and in that, in the use phase, in real time:- the current frequency of the noise to be attenuated is collected,- the calculator is caused to calculate the control law, comprising the central controller with the Youla parameter, using as the Youla parameter the memorized coefficients of a determined frequency corresponding to the current frequency of the noise to be attenuated.
- A method according to claim 1, characterized in that, in the monovariable case, in the design phase:a) - in a first time, a linear electroacoustic model is used, the electroacoustic model being in the form of a discrete rational electroacoustic transfer function, and said electroacoustic model is determined and calculated by acoustic excitation of the passenger compartment by the transducer(s) and acoustic measurements by the sensor, then application of a linear system identification process with the measures and the model,b) - in a second time, a central controller is implemented, which is applied to the determined and calculated electroacoustic model, the central controller being in the form of a RS controller of two blocks 1/So(q -1) and , Ro(q -1), in the central controller, the block 1/So(q -1) producing the signal u(t) and receiving as an input the inverted output signal of the block Ro(q -1), said block Ro(q -1) receiving as an input the signal y(t) corresponding to the sum of the noise p(t) and of the output of the electroacoustic transfer function of the electroacoustic model, and the central controller is determined and calculated,c) - in a third time, a Youla parameter is adjoined to the central controller to form the control law, the Youla parameter being in the form of a block Q(q -1), a infinite impulse response filter, with
and in that, in the use phase, in real time:- the current frequency of the noise to be attenuated is collected,- the calculator is caused to calculate the control law, comprising the RS controller with the Youla parameter, using as the Youla parameter the coefficients that have been calculated for a noise frequency corresponding to the current frequency of the noise to be attenuated, the coefficients of Ro(q -1) and So(q -1) being fixed coefficients. - A method according to claim 2, characterized in that, in the design phase, the following operations are performed:a) - in a first time, the passenger compartment is acoustically excited by applying to the transducer an excitation signal whose spectral density is substantially uniform over an effective band of frequencies,b) - in a second time, the polynomials Ro(q -1) and So(q -1) of the central controller are determined and calculated, so that said central controller is equivalent to a controller calculated by poles placement of the closed loop in the application of the central controller to the electroacoustic transfer function, n poles of the closed loop being placed onto the n poles of the transfer function of the electroacoustic system,c) - in a third time, the numerator and denominator of the Youla block Q(q -1) in the control law are determined and calculated for at least one noise frequency p(t), including at least the determined frequency of the noise to be attenuated, as a function of a criterion of attenuation, the block Q(q -1) being expressed in the form of a ratio, β(q-1)/α(q-1), so as to obtain coefficient values of the polynomials α(q -1) and β(q -1) for the/each frequency, the calculation of β(q -1) and α(q -1) being performed by obtaining a discrete transfer function Hs(q-1)/α(q-1) resulting from the discretization of a continuous transfer function of the second order, the polynomial β(q -1) being calculated by solving a Bezout equation,and in that, in the use phase, in real time, the following operations are performed:- the calculator is caused to calculate the control law, fixed-coefficient central controller with variable-coefficient Youla parameter, to produce the signal u(t) sent to the transducer, as a function of the acoustic measurements y(t) and using for the Youla block Q(q -1) the coefficient values of the polynomials α(q -1 ) and β(q-1) determined and calculated for a determined frequency corresponding to the current frequency.
- A method according to claim 2 or 3, characterized in that, for the electroacoustic model is used an electroacoustic transfer function of the form:
- A method according to claim 2, 3 or 4, characterized in that, for the time b), the polynomials Ro(q-1 ) and So(q-1 ) of the central controller are determined and calculated by a method of poles placement of the closed loop, n dominant poles of the closed loop provided with the central controller being chosen equal to the n poles of the electroacoustic transfer function and m auxiliary poles being poles located in high frequency.
- A method according to claim 1, characterized in that, in the multivariable case in the design phase:a) - in a first time, a linear electroacoustic model is used, wherein the electroacoustic model is in the form of a state representation of matrix blocks H, W, G and q-1.I, G being a evolution matrix, H being an input matrix, W being an output matrix, and I being the identity matrix, wherein said state representation can be expressed by a recurrence equation:
and said electroacoustic model is determined and calculated by acoustic excitation of the passenger compartment by the transducers and acoustic measurements by the sensors, then application of a linear system identification process with the measures and the model,b) - in a second time, a central controller applied to the determined and calculated model is implemented, the central controller being in the form of a state observer and feedback of estimated state, that iteratively expresses, X, a state vector of the observer, as a function of Kf, a gain of the observer, Kc a vector of feedback on the estimated state, as well as the previously determined and calculated electroacoustic model, i.e.:
and said central controller is determined and calculated,c) - in a third time, a Youla parameter is adjoined to the central controller to form the control law, the Youla parameter being in the form of a multivariable block Q, of state matrices AQ, BQ, CQ, adjoined to the central controller also expressed in the form of a state representation, block Q whose output added to the output of the central controller produces a signal that forms the opposite of U(t), and whose input receives the signal Y(t) from which is subtracted the signal W · X̂(t), and the Youla parameter in the control law comprising the central controller with which is associated the Youla parameter is determined and calculated for at least one noise frequency p(t), including at least the determined frequency of the noise to be attenuated, the calculation of the coefficients of the matrices AQ, BQ, CQ being performed by obtaining discrete transfer functions Hsi(q-1)/αi(q-1) resulting from the discretization of continuous transfer functions of the second order and by placing poles, as well as solving equations of asymptotic rejection,and in that, in the use phase, in real time:- the current frequency of the noise to be attenuated is collected,- the calculator is caused to calculate the control law, comprising the fixed-coefficient central controller with the variable-coefficient Youla parameter, using as the Youla parameter the coefficients that have been calculated for a noise frequency corresponding to the current frequency of the noise to be attenuated. - A method according to claim 6, characterized in that, in the design phase, the following operations are performed:a) - in a first time, the passenger compartment is acoustically excited by applying to the transducers excitation signals whose spectral density is substantially uniform over an effective band of frequencies, the excitation signals being de-correlated from each other,b) - in a second time, the central controller is determined and calculated so that it is equivalent to a controller with a state observer and a feedback on the calculated state by poles placement in the application of the central controller to the electroacoustic transfer function, wherein, for that purpose, a null observer gain is chosen, i.e. Kf=0, and a gain of state feedback Kc is chosen so as to ensure the robustness of the control law provided with the Youla parameter, by means of a LQ optimization,c) - in a third time, considering a representation of increased state observer, the coefficients of the Youla block Q in the control law are determined and calculated for at least one noise frequency P(t) including at least the determined frequency of the noise to be attenuated, as a function of criterion of attenuation, so as to obtain coefficient values of the Youla parameter for the/each frequency,and in that, in the use phase, in real time, the following operations are performed:- the calculator is caused to calculate the control law, fixed-coefficient central controller with variable-coefficient Youla parameter, to produce the signal U(t) sent to the transducers, as a function of the acoustic measurements Y(t) and using for the Youla parameter the coefficient values determined and calculated for a determined frequency corresponding to the current frequency.
- A method according to any one of claims 2 to 7, characterized in that the method is adapted to a set of determined frequencies of noise to be attenuated, and the time c) is repeated for each of the determined frequencies, and in that, in the use phase, when no one of the determined frequencies corresponds to the current frequency of the noise to be attenuated, an interpolation is made at said current frequency for the coefficient values of the Youla block Q, based on the coefficient values of said Youla block Q that are known for the determined frequencies.
- A method according to any one of claims 2 to 8, characterized in that the signals are sampled at a frequency Fe and, at the time a), the effective band of frequencies used for the excitation signal is substantially equal to [0, Fe/2].
- A method according to any one of claims 2 to 9, characterized in that, before the use phase, a fourth time d) is added to the design phase, for verifying the stability and the robustness of the electroacoustic system model and of the control law, central controller with Youla parameter, previously obtained at the times a) to c), by making a simulation of the control law obtained at times b) and c), applied to the electroacoustic model obtained at the time a), for the determined frequency(ies), and when a predetermined criterion of stability and/or robustness is not respected, at least the time c) is reiterated by modifying the criterion of attenuation.
- A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the design phase is a preliminary phase and it is performed once, preliminary to the use phase, with memorization of the determination and calculation results for use in the use phase.
- A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the current frequency of the noise to be attenuated is collected from a measurement of a motor revolution counter of the vehicle.
- A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the noise is at one determined frequency fpert.
- A method according to any one claims 1 to 12, characterized in that the noise is at two determined frequencies, with a first frequency fpert, and a second frequency η.fpert, η being either constant or varying continuously with fpert.
- A device specially adapted for the implementation of the method according to any one of the preceding claims, to attenuate a narrow-band noise, essentially mono-frequency at at least one determined frequency, the device comprising at least one programmable calculator, one acoustic sensor and one transducer, typically a loudspeaker, controlled with a signal generated by the programmable calculator, as a function of a signal of acoustic measurements performed by said acoustic sensor, typically a microphone, a control law having been determined and calculated in a first phase of design, said calculated control law being used, in a second phase of use, in the calculator, to produce a signal sent to the transducer, as a function of the signal received from the sensor for attenuation of said noise, characterized in that it comprises means for implementing, in the calculator, a control law comprising the application of Youla parameter to a central controller, wherein only one variable-coefficient transfer block corresponds to the Youla parameter having coefficients that depend on the frequency of the noise to be attenuated in said control law, the central controller having fixed coefficients, the Youla parameter being in the form of an infinite impulse response filter, and a memory of the calculator stores at least said variable coefficients, preferably in a table as a function of the determined noise frequency(ies) p(t) used in the design phase.
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