JP4516774B2 - 振動制御システム - Google Patents

Description

本発明は、制御対象の周期性振動を発生する回転機械の回転を検出する回転検出手段と、この制御対象の周期性振動に対する制御振動を発生する制御振動発生手段とを備えるとともに、
制御振動の影響を受けた制御対象の周期性振動である振動誤差を検出する誤差振動検出手段を備え、
回転検出手段により検出された回転信号から、特定の周波数群からなる周波数信号を発生する信号発生手段と、制御振動発生手段により制御振動を発生するための制御振動生成信号を、位相係数及び振幅係数に基づいて前記周波数信号より生成する主位相・振幅調整手段とを備え、
前記周波数信号と、前記誤差信号検出手段により検出される振動誤差信号とに基づいて、主位相・振幅調整手段で使用する前記位相係数及び振幅係数を生成する適応アルゴリズムを備えた主適応制御手段から構成される振動制御システムに関する。

この種の振動制御システムについて、本願にあっては、エンジンの排気ダクト内を伝播する音響を制御する音響制御システムを例にとって説明する。
この種の音響制御システムでは、図５に示すように、制御対象の周期性振動がダクト１内を伝播する音響であり、その発生源がダクト基端に接続されるエンジン２である。さらに、制御振動である制御音を発生する消音スピーカ３が制御振動発生手段として設けられるとともに、この消音スピーカ３よりダクト１の下流側に、誤差振動検出手段としての第一マイクロフォン４が設けられる。

図５（イ）に見られるように、この種の音響制御システムでは、エンジン２から検出される回転信号に基づいて、特定の周波数群からなる周波数信号を発生する信号発生手段６と、消音スピーカにより制御音（消音のための音）を発生するための制御振動生成信号を、位相係数及び振幅係数に基づいて周波数信号より生成する主位相・振幅調整手段８が備えられ、さらに、この周波数信号と、第一マイクロフォンにより検出される音響誤差信号とに基づいて、前述の主位相・振幅調整手段８で使用する位相係数及び振幅係数を生成する適応アルゴリズムを備えた主適応制御手段１０が設けられる。

このようなシステム構成を採用する場合は、その適応アルゴリズムは遅延調和シンセサイザ最小平均二乗法（以下、ＤＸＨＳと称する）とされる。このＤＸＨＳを採用する場合は、処理する周波数が限定されるため、迅速な制御を実現できる。

さて、適応アルゴリズムを使って適応制御を行う例としては、図５（ロ）に示すような、適応最小平均二乗法（例えばFiltered−X LMS）のアルゴリズムを採用するものがある。
この種のアルゴリズムを採用する場合、上述の主位相・振幅調整手段８は有限長インパルス応答を使用した有限長フィルタとされる。このシステム構成の場合は、主適応制御手段１０及び主位相・振幅調整手段８に対する入力は、現実のダクト１内を伝播する音響であり、エンジン２と消音スピーカ４との間に設置される第二マイクロフォン１１から、この音響が取り込まれる。

ここで適応アルゴリズムとして、連立方程式法を採用すると、参照音を取り込むための第二マイクロフォン１１を使用することなく、エンジン回転から生成される周波数信号を使用することが可能となる。
上述の、適応最小平均二乗アルゴリズム、連立方程式アルゴリズムを採用するシステムにあっては、音響振動のように、帯域を有する信号の制御を良好に行える。

本願は、応答性と帯域処理との両面で良好な結果を得たいとする目的から開発が進められたものである。
本願にあっては、回転検出手段により検出された回転信号から、特定の周波数群からなる周波数信号を発生する信号発生手段を備えるとともに、主位相・振幅調整手段及び、主適応制御手段を備えて振動制御システムを構成する。
この構成において、その主位相・振幅調整手段を有限長インパルス応答を使用した有限長フィルタとする。この構成を改良型制御システム構成と称する。このシステム構成を図５（ハ）に示した。

この構成を採用する場合、発明者らは、音響制御の場合、以下のような問題が発生することを見出し、この問題を解決することで本願の完成に至った。

発明者らによって見出された課題を図３（イ）〜（ホ）に基づいて説明する。
今、能動型音響システムにおいて、誤差音としてω０の周波数で発生している音を消す場合を想定する。
図３（イ）に示すように、エンジン等からの音にω１という音響信号が含まれているとすると、適応アルゴリズムによって調整される位相・振幅調整フィルタＨ´（ｚ）は、簡単にするためとりあえず振幅に注目すると、Ｈ（ｚ）において入力されたω１は図３（ハ）に示すように出力０にならなければならない。すると、Ｈ´（ｚ）はω１において、ゲインを０としなければならない。

例えば、Ｈ（ｚ）の振幅設定をフーリエ変換を用いて行うと、ω０がフーリエ変換窓の長さの整数倍であるならば、図３（ハ）に示すようになるが、そうならない場合、図３（ニ）に示すような分布を示し、適応アルゴリズムが意図しないのに、Ｈ´（ｚ）の振幅ゲインは、ω１において図３（ホ）に示すようにβのゲインを持つ。すると出力にβωの信号が出力されてしまう。

この状況を具体的に示したのが、図６（ロ）であり、上述の改良型制御システム構成を採用した場合の、誤差検出手段である第二マイクロフォンにより検出される音響信号のスペクトルグラフである。

本願構成を採用して、良好に制御が行われた場合の例を、図２（イ）及び図６（イ）に示した。図６（イ）は図２（イ）の一部を取り出したものである。一方、図２（ロ）は、エンジンから発生される音響信号のスペクトルグラフである。

これらの結果を参照すると、図６（ロ）にあっては、誤差信号内に幾つかのピークを見出すことができ、十分な制御効果が得られていないことが判る。

本発明の目的は、回転検出手段により検出された回転信号から、特定の周波数群からなる周波数信号を発生する信号発生手段を備えるとともに、主位相・振幅調整手段及び、主適応制御手段を備えて振動制御システムを構成するにおいて、主位相・振幅調整手段を有限長インパルス応答を使用した有限長フィルタとする構成でも、十分に良好な制御効果を得ることができる振動制御システムを得ることにある。

上記目的を達成するための、
制御対象の周期性振動を発生する回転機械の回転を検出する回転検出手段と、前記制御対象の周期性振動に対する制御振動を発生する制御振動発生手段とを備えるとともに、
前記制御振動の影響を受けた前記制御対象の周期性振動である振動誤差を検出する誤差振動検出手段を備え、
前記回転検出手段により検出された回転信号から、特定の周波数群からなる周波数信号を発生する信号発生手段と、前記制御振動発生手段により前記制御振動を発生するための制御振動生成信号を、位相係数及び振幅係数に基づいて前記周波数信号より生成する主位相・振幅調整手段とを備え、
前記周波数信号と、前記誤差信号検出手段により検出される振動誤差信号とに基づいて、前記主位相・振幅調整手段で使用する前記位相係数及び振幅係数を生成する適応アルゴリズムを備えた主適応制御手段から構成される振動制御システムの特徴構成は、
前記主位相・振幅調整手段が有限長インパルス応答を使用した有限長フィルタであり、
前記信号発生手段と前記主位相・振幅調整手段との間に、前記周波数信号より補正済み周波数信号を生成して、前記主適応制御手段及び主位相・振幅調整手段に送る副調整手段を備え、前記主位相・振幅調整手段を安定化させてあり、前記主適応制御手段により生成される前記位相係数及び振幅係数により、前記主位相・振幅調整手段の適切な出力特性として求められる適正出力特性と、前記主位相・振幅調整手段で実際に設定される係数により定まる実出力特性との関係に基づいて、前記副調整手段において使用される振幅係数を生成する副適応制御手段を備えたことにある。

ここで、前記主位相・振幅調整手段を安定化させるとは、主位相・振幅調整手段に入力する係数を求める適応制御によって求められた真の出力特性（適正出力特性）と、この主位相・振幅調整手段で設定される係数が合致できるように、主適応制御手段及び主位相・振幅調整手段へ入力される周波数信号が補償されていることを意味する。
この構成の振動制御システムにあっては、副調整手段を備え、これにより主位相・振幅調整手段への入力信号を調整する。この調整は、主適応制御手段から主位相・振幅調整手段を介しての適応制御が本来働くべき状態となるように働かせる。
このようにすることで、結果的に有限長フィルタを主位相・振幅調整手段として備えた振動制御システムにおいて帯域制御を伴う場合も、その本来の制御を良好に行うことができる。

また、このように二重構造とするとともに、主位相・振幅調整手段における調整の的確性を確保するように副適応制御を行うことで、結果的に良好な制御結果を得ることができる。

さらに具体的には、
前記主適応制御手段により前記主位相・振幅調整手段に求められる適性な出力伝達関数をＨ（ω）とする場合における周波数ω１での出力振幅をＨω１とし、
前記主位相・振幅調整手段で実際に設定される実出力伝達関数をＨ´（ω）とする場合における前記周波数ω１での出力振幅をＨ´ω１として、
前記副調整手段が出力する前記周波数ω１での出力振幅Ｐω１を、

とすることができる。

この構成では、もっとも簡便な手法で、副適応制御側の制御を実現できる。

さらに、これまで説明してきた構成において、
前記振動発生源と前記制御振動発生手段との間における振動を検出する参照振動検出手段を備え、
前記参照振動検出手段から出力される参照検出信号が、前記主適応制御手段に入力されて前記係数生成に使用されるとともに、前記副調整手段より前記主位相・振幅調整手段に送られる補正済み周波数信号に重畳されて、前記主位相・振幅調整手段に入力されることが好ましい。
この構成の場合は、参照振動をも加味した状態での適応制御を主適応制御側で実現できる。

さて、これまで説明してきた前記適応アルゴリズムとして、適応最小平均二乗法アルゴリズムもしくは連立方程式法アルゴリズムを採用することができる。
このようにすると、通用の適応アルゴリズムを使用して的確な制御を実現できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
〔第一実施形態の音響制御システム〕
音響制御システムＳは、図１に示されるように、制御対象の周期性振動がダクト１内を伝播する音響の低減を目的とする。この音響の発生源がダクト基端に接続されたエンジン２である。
システムＳには、制御振動である制御音を発生するための制御信号発生手段としての消音スピーカ３が設けられるとともに、この消音スピーカ３よりダクト１の下流側の位置に、誤差振動検出手段としての第一マイクロフォン４が備えられる。
この音響制御システムＳでは、消音スピーカ３から音響低減のための音を出すため、所謂、能動型の音響制御を行う。

同図に示すように、エンジン２には、その回転信号を検出するための回転検出手段５が備えられている。この回転検出手段５は、例えば、クランク角を検出するクランク角検出器５ａ、あるいは、エンジン回転を制御するためのイグニッション信号が流れる回路５ｂ自体が、この回転検出手段の役割を果たす。

回転検出手段５により検出される回転信号ｓ１は、信号発生手段６に送られ、この信号発生手段６において、特定の周波数群からなる周波数信号ｓ２が発生される。
例えば、エンジン２が特定周波数で回転している場合、この特定周波数に対してその整数倍といった倍長の周波数を有し所定の振幅分布を成す信号が重畳された信号が周波数信号ｓ２として生成される。この周波数信号ｓ２が制御振動（消音スピーカから発生される制御音響）を生成するための基本信号となる。

信号発生手段６からの周波数信号ｓ２は、副調整手段７に送られ、この手段７により一段目の振幅調整を受け補正済み周波数信号ｓ３とされ、主位相・振幅調整手段８に送られる。そして、この手段８において、二段目の位相・振幅調整を受け、制御振動生成信号ｓ４とされ、消音スピーカ３に送られる。
これら２つの調整の意味合いは、第一段目のものは、第二段目の位相・振幅調整手段８において調整しきれない周波数成分の調整にある。一方、第二段目のものは、従来型の適応制御で行われてきたと同じく、実質的な参照信号と誤差信号との関係に基づいて、この誤差を減少させる方向に適応制御を働かせることにある。

本願システムＳにあっては、上述のように、副調整手段７及び主位相・振幅調整手段８を備えるのであるが、前者の副調整器７は、信号発生手段６により発生される例えば正弦波信号の少なくとも振幅調整の役割を果たし、信号発生手段６と副調整手段７とにより所謂ハーモニックシンセサイザーを構成する。但し、副調整手段７には、所謂、有限長フィルタとは異なったフィルタを採用する。

後者の主位相・振幅調整手段８は、有限長インパルス応答を使用した有限長フィルタである。

そして、それぞれ対応して設けられる適応制御手段９，１０から送られてくる係数（副適応制御手段９の場合は振幅係数、主適応制御手段１０の場合は位相係数及び振幅係数）に基づいて、入力されてくる周波数信号（主位相・振幅調整手段８の場合は補正済み周波数信号ｓ３、副調整手段７の場合は信号発生手段６から送られてくる周波数信号ｓ２）を調整して下手側へ出力する。

上述の各適応制御手段９，１０は、それぞれ所定の適応アルゴリズム演算処理を実行するように構成されており、主適応制御手段１０は主位相・振幅調整手段８に、副適応制御手段９は副調整手段７に、係数を送る。

以下、それぞれの適応制御手段９，１０に採用されるアルゴリズムについて説明する。
ア 副適応制御手段９
この手段９には、主位相・振幅調整手段８における調整状況が入力され、この状況に従って、主位相・振幅調整手段８を安定化するのに必要となる係数の生成を実行する。
さらに具体的には、副調整手段７で使用する振幅係数は、主適応制御手段１０により生成される位相係数及び振幅係数により主位相・振幅調整手段８の適切な出力特性として求められる適性出力特性と、主位相・振幅調整手段８で設定される実際の係数による実出力特性との関係に基づいて、以下のように求める。

即ち、主位相・振幅調整手段８の適正な出力伝達関数をＨ（ω）（本来、主位相・振幅調整手段が主適応制御手段１０からの係数設定に従って働くべき適正な出力伝達関数）とする場合における周波数ω１での出力振幅（パワー）をＨω１、主位相・振幅調整手段８で実際に設定された出力伝達関数である実出力伝達関数をＨ´（ω）とする場合における周波数ω１での出力振幅（パワー）をＨ´ω１として、副調整手段９により出力される周波数ω１での出力振幅（パワー）Ｐω１を以下のように設定する。

実際には、これをそのまま実行するとループゲインが高すぎて、発信等を起こす可能性があるため、下記の数３に従って処理する。

このようにして、消音スピーカ３へ送る制御振動生成信号ｓ４を安定化することで、結果的な良好な適応制御を実現できる。

イ 主適応制御手段１０
この主適応制御手段１０は、従来型の適応アルゴリズム演算処理可能なものであり、具体的には、適応最小平均二乗アルゴリズムを使用する。
図１において、主適応制御手段１０に入力される補正済みの周波数信号をｓ３、振動誤差信号ｅとして、主適応制御手段１０では、次式の適応最小平均二乗法アルゴリズムに従って新たな係数を決定する。

[数４]
ｈ（ｎ）＝ｈ（ｎー１）−ｋ×ｅ×ｓ３
ただし、ｈ（ｎ）は信号処理の次回の演算係数を表す列ベクトル（１×Ｎ）、ｈ（ｎー１）は信号処理の現在の演算係数を表す列ベクトル（１×Ｎ）、ｅは振動誤差信号の現在から過去Ｎサンプル前までの列ベクトル（１×Ｎ）、ｓ３は補正済みの周波数信号の現在から過去Ｎサンプル前までの列ベクトル（１×Ｎ）、Ｎは信号処理を構成する主位相・振幅処理手段１０である有限長フィルタのタップ数、ｋは適応推定の収束を調節する任意に設定できる定数を表している。この場合もｋは１．０未満、０．０より大きい値とする。

第一の実施形態の制御結果
上記の第一の実施形態の制御を実行した場合に得られる、消音後の音響状態を図２（イ）及び図６（イ）に示した。提案型の図６（ロ）に示す音響状態より誤差信号より良好に消音制御が働いていることが判る。
この例にあっては、信号発生手段６により発生する信号の周波数は、２０Ｈｚから２５０Ｈｚまでに１０Ｈｚおきのものとなった。図２（イ）と図２（ロ）との結果を比較すると、９０Ｈｚと１１０Ｈｚとの両周波数において、顕著な制御効果が認められる。

〔第二実施形態の音響制御システム〕
第一実施形態の音響制御システムＳにあっては、主適応制御手段１０への入力信号は、補正済み周波数信号ｓ３と誤差信号ｅとしたが、エンジン２から消音スピーカ３に至るダクト１経路内に第二マイクロフォン１１を設けて、このマイクロフォンにより検出される音響信号ｓ５を補正済み周波数信号ｓ３に重畳させてもよい。
この構成を図４に示した。
この構成の場合は、参照信号をも加味して位相係数・振幅係数が生成されるため、実際にダクト内を伝播する音響を制御に加味できる。

以上、説明してきた実施の形態にあっては、適応制御を行うに、適応最小平均二乗法を使用する例を示したが、先に説明したように、連立方程式法に基づく適応制御としてもよい。この種の手法としては、最小平均二乗法（Least-Mean-Square法）、正規化最小平均二乗法（Normalized−Least-Mean-Square法）、再帰型最小二乗法（Recursive-Least-Square法）、個別正規化最小平均二乗法（Individually-Normalized−Least−Mean−Square法）等があり本願において採用可能である。

上記の実施の形態においては、音響振動の消音制御の例を示したが、本願構成は、自動車シートへのエンジンからの振動の伝播を消す、構造物の振動の吸収を行う等、任意の能動型防振制御に採用することができる。

本願にかかる能動型音響制御システムのシステム構成を示す図 消音状態を示す図 本願が採用するシステム構成の機能を説明するための図 本願の別実施の形態を示す図 適応制御を実行する従来型及び提案型の能動音響制御システムの構成を示す図 改良型の能動音響制御システムの問題点を示す図

符号の説明

１ ダクト
２ エンジン
３ 消音スピーカ（制御振動生成手段）
４ 第一マイクロフォン（誤差信号検出手段）
５ 回転検出手段
６ 信号発生手段
７ 副調整手段
８ 主位相・振幅調整手段
９ 副適応制御手段
１０ 主適応制御手段
１１ 第二マイクロフォン
ｅ 誤差信号
Ｓ 音響制御システム
ｓ１ 回転信号
ｓ２ 周波数信号
ｓ３ 補正済み周波数信号
ｓ４ 制御振動生成信号
ｓ５ 音響信号

Claims (4)

1. 制御対象の周期性振動を発生する回転機械の回転を検出する回転検出手段と、前記制御対象の周期性振動に対する制御振動を発生する制御振動発生手段とを備えるとともに、
   前記制御振動の影響を受けた前記制御対象の周期性振動である振動誤差を検出する誤差振動検出手段を備え、
   前記回転検出手段により検出された回転信号から、特定の周波数群からなる周波数信号を発生する信号発生手段と、前記制御振動発生手段で前記制御振動を発生するための制御振動生成信号を、位相係数及び振幅係数に基づいて前記周波数信号より生成する主位相・振幅調整手段とを備え、
   前記周波数信号と、前記誤差信号検出手段により検出される振動誤差信号とに基づいて、前記主位相・振幅調整手段で使用する前記位相係数及び振幅係数を生成する適応アルゴリズムを備えた主適応制御手段を備えた振動制御システムであって、
   前記主位相・振幅調整手段が有限長インパルス応答を使用した有限長フィルタであり、
   前記信号発生手段と前記主位相・振幅調整手段との間に、前記周波数信号より補正済み周波数信号を生成して、前記主適応制御手段及び前記主位相・振幅調整手段に送る副調整手段を備え、前記主位相・振幅調整手段を安定化させてあり、
   前記主適応制御手段により生成される前記位相係数及び振幅係数により、前記主位相・振幅調整手段の適切な出力特性として求められる適正出力特性と、前記主位相・振幅調整手段で実際に設定される係数により定まる実出力特性との関係に基づいて、前記副調整手段において使用される振幅係数を生成する副適応制御手段を備えた振動制御システム。
2. 前記主適応制御手段により前記主位相・振幅調整手段に求められる適性な出力伝達関数をＨ（ω）とする場合における周波数ω１での出力振幅をＨω１とし、
   前記主位相・振幅調整手段で実際に設定された実出力伝達関数をＨ´（ω）とする場合における前記周波数ω１での出力振幅をＨ´ω１として、
   前記副調整手段が出力する前記周波数ω１での出力振幅Ｐω１を、
   Ｐω１（ｎ）＝Ｐω１（ｎ−１）＋Ｋ（Ｈω１（ｎ）−Ｈ´ω１（ｎ））
   ここで、
   Ｋは１．０未満で０．０より大きい値、
   Ｐω１（ｎ）、Ｐω１（ｎ−１）は、それぞれｎ及びｎ−１回目に更新された副調整手段のＰω１、
   Ｈω１（ｎ）、Ｈ´ω１（ｎ）は、ｎ回目におけるＨω１、Ｈ´ω１、
   とする請求項１記載の振動制御システム。
3. 前記回転機械と前記制御振動発生手段との間における振動を検出する参照振動検出手段を備え、
   前記参照振動検出手段から出力される参照検出信号が、前記主適応制御手段に入力されて係数生成に使用されるとともに、前記副調整手段より前記主位相・振幅調整手段に送られる前記補正済み周波数信号に重畳されて、前記主位相・振幅調整手段に入力される請求項１又は２記載の振動制御システム。
4. 前記制御対象の周期性振動が前記回転機械としてのエンジンから発生する音響振動であり、制御振動発生手段がスピーカであるとともに、前記誤差振動検出手段が前記スピーカより前記エンジンから離間した位置に配置されるマイクロフォンである請求項１から３のいずれか１項記載の振動制御システム。

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