RU2798744C1 - Active vibration damping method - Google Patents
Active vibration damping method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2798744C1 RU2798744C1 RU2022134085A RU2022134085A RU2798744C1 RU 2798744 C1 RU2798744 C1 RU 2798744C1 RU 2022134085 A RU2022134085 A RU 2022134085A RU 2022134085 A RU2022134085 A RU 2022134085A RU 2798744 C1 RU2798744 C1 RU 2798744C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- parameters
- sensors
- signal
- compensating
- signals
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для снижения уровня вибрационных полей в элементах приборов, машин и механизмов, а также применимо для создания активной виброизоляционной платформы, предназначенной для размещения на ней чувствительного к вибрационным воздействиям оборудования, в частности относится к способам активного контроля вибраций.The invention relates to mechanical engineering and can be used to reduce the level of vibration fields in the elements of devices, machines and mechanisms, and is also applicable to create an active vibration isolation platform designed to place equipment sensitive to vibration effects on it, in particular, relates to methods for active vibration control.
Традиционно для снижения уровня вибрационных полей используются пассивные системы (амортизаторы и инерциальные демпферы) и активные системы (воздействующие на объект виброзащиты акютатором).Traditionally, to reduce the level of vibration fields, passive systems (shock absorbers and inertial dampers) and active systems (acting on the object of vibration protection with an acu- tor) are used.
Пассивные способы и системы гашения вибрационных полей, несмотря на простоту и сравнительную дешевизну реализации, имеет недостаток, заключающийся в низкой эффективности пассивных методов на низких частотах. Passive methods and systems for damping vibrational fields, despite the simplicity and relatively low cost of implementation, have the disadvantage of low efficiency of passive methods at low frequencies.
Другим способом решения подобных задач является активное гашение, то есть использование управляемых вибрационных излучателей, создающих воздействие, снижающее суммарный уровень вибраций в заданной области пространства. При этом целью задачи активного гашения является формирование необходимых сигналов, подаваемых на управляемые излучатели. Another way to solve such problems is active damping, that is, the use of controlled vibration emitters that create an impact that reduces the total level of vibrations in a given area of space. In this case, the purpose of the problem of active damping is the formation of the necessary signals applied to controlled emitters.
Сложность состоит в том, что для реализации известных методов активного гашения необходимо использовать устройство цифровой обработки сигналов реального времени. The difficulty lies in the fact that in order to implement the known methods of active damping, it is necessary to use a real-time digital signal processing device.
По патенту RU2572664, публ. 20.01.2016, МПК G10K 11/178 известно устройство активного гашения вибраций, содержащее датчики периода вращения валов механизмов, равное числу компенсирующих источников и контрольных приемников, установленных на фундаментной конструкции, электронный тракт системы гашения, состоящий из анализатора, дискретного интегратора, синтезатора, формирователя экспоненциальных функций, измерителя периода, причем выходы датчиков периода вращения валов механизмов соединены с входами формирователя экспоненциальных функций и входами измерителя периода, выходы контрольных приемников соединены с первыми входами анализатора, выход измерителя периода соединен со вторым входом анализатора, выход формирователя экспоненциальных функций соединен с третьим входом анализатора и первым входом синтезатора, отличающееся тем, что оно снабжено модальным анализатором и модальным синтезатором, при этом выход анализатора последовательно соединен с входом модального анализатора, дискретного интегратора, модального синтезатора и вторым входом синтезатора, выходы которого соединены с входами компенсирующих источников. According to patent RU2572664 , publ. 01/20/2016, IPC G10K 11/178, a device for active vibration damping is known, containing sensors for the period of rotation of the shafts of mechanisms, equal to the number of compensating sources and control receivers installed on the foundation structure, the electronic path of the damping system, consisting of an analyzer, a discrete integrator, a synthesizer, a shaper exponential functions, a period meter, moreover, the outputs of the sensors of the period of rotation of the shafts of the mechanisms are connected to the inputs of the generator of exponential functions and the inputs of the period meter, the outputs of the control receivers are connected to the first inputs of the analyzer, the output of the period meter is connected to the second input of the analyzer, the output of the generator of exponential functions is connected to the third input analyzer and the first input of the synthesizer, characterized in that it is equipped with a modal analyzer and a modal synthesizer, while the output of the analyzer is connected in series with the input of the modal analyzer, discrete integrator, modal synthesizer and the second input of the synthesizer, the outputs of which are connected to the inputs of compensating sources.
Однако устройство-аналог имеет недостаток, заключающийся в необходимости непрерывной корректировки сигналов управления компенсирующими источниками в процессе работы устройства, что требует использования высокопроизводительного устройства цифровой обработки сигналов в режиме реального времени. However, the analog device has the disadvantage that it is necessary to continuously adjust the control signals of the compensating sources during the operation of the device, which requires the use of a high-performance digital signal processing device in real time.
По патенту US5365594, публ. 15.11.1994, МПК G10K11/178; H03H21/00; G10K11/16 известна система обработки сигналов, предназначенная для управления вибрациями, в которой в качестве входных данных используются свободные от шума сигналы первичного источника и, по меньшей мере, одного вторичного источника периодических вибраций, в которой сигналы обрабатываются для получения выходного сигнала, представляющего свободный от помех сигнал с первичного источника. Устройство активного подавления звука или вибраций, содержит:According to US5365594, publ. 11/15/1994, IPC G10K11/178; H03H21/00; G10K11/16, a signal processing system for controlling vibrations is known, in which noise-free signals of a primary source and at least one secondary source of periodic vibrations are used as input, in which the signals are processed to obtain an output signal representing noise-free interference signal from the primary source. Active sound or vibration suppression device, contains:
• измерительное устройство, имеющее выход для создания компенсирующего сигнала;• a measuring device with an output for creating a compensating signal;
• набор датчиков звука или вибраций;• a set of sound or vibration sensors;
• набор управляемых излучателей звука или вибраций;• a set of controlled emitters of sound or vibrations;
• АЦП для обработки сигналов указанных датчиков звука или вибрации.• ADC for signal processing of the specified sound or vibration sensors.
• управляющий контроллер для формирования сигнала подавления• control controller for generation of suppression signal
К недостаткам способа-аналога можно отнести невозможность отслеживания предлагаемым устройством быстрых изменений частоты вибрационного воздействия, например при изменении скорости вращения привода механизма или изменении нагрузки.The disadvantages of the analogue method include the impossibility of tracking by the proposed device of rapid changes in the frequency of vibration exposure, for example, when changing the speed of rotation of the mechanism drive or changing the load.
Наиболее близким аналогом (прототип) по технической сущности предлагаемого способа является способ и устройство для активного подавления основного источника шума для создания желаемого уровня шума по меньшей мере в одном местоположении, известный по патенту WO9424970, публ. 10.11.1994, МПК G10K11/178; H04B1/12; A61F11/06; H03B29/00; H04B15/00, включающий следующие этапы: The closest analogue (prototype) in technical essence of the proposed method is a method and device for active suppression of the main noise source to create the desired noise level in at least one location, known from patent WO9424970, publ. 11/10/1994, IPC G10K11/178; H04B1/12; A61F11/06; H03B29/00; H04B15/00, comprising the following steps:
• управление по меньшей мере одним исполнительным механизмом с помощью процессора; • control of at least one actuator by means of a processor;
• выбор мест размещения датчиков остаточных вибраций; • selection of locations for residual vibration sensors;
• предоставление процессору опорного сигнала первичного шума в блочном формате; • providing the processor with the primary noise reference signal in block format;
• направление выходного сигнала датчика ошибки в блочном формате на процессор; • direction of the output signal of the error sensor in block format to the processor;
• моделирование взаимосвязи между работой исполнительных механизмов и выходным сигналом датчика ошибки с помощью адаптивных фильтров; • modeling of the relationship between the operation of actuators and the output signal of the error sensor using adaptive filters;
• формирование сигнала подавления от исполнительных механизмов, управляемых процессором, на основе модели и опорного сигнала первичного шума; • formation of a suppression signal from the actuators controlled by the processor, based on the model and the reference signal of the primary noise;
• адаптацию коэффициентов фильтра в ответ на сравнение сигналов ошибки с моделью в процессоре.• adaptation of the filter coefficients in response to the comparison of the error signals with the model in the processor.
Однако способ-прототип имеет недостаток, заключающийся в необходимости непрерывной адаптации коэффициентов формирующих фильтров в процессе функционирования системы с использованием градиентных методов, что требует использования высокопроизводительного устройства цифровой обработки сигналов, выполняющего вычисления в режиме реального времени. Это увеличивает время настройки алгоритмов определения параметров компенсирующего сигнала, удорожает и усложняет практическую реализацию системы компенсации. However, the prototype method has the disadvantage that it is necessary to continuously adapt the coefficients of the shaping filters during the operation of the system using gradient methods, which requires the use of a high-performance digital signal processing device that performs calculations in real time. This increases the time for setting up algorithms for determining the parameters of the compensating signal, increases the cost and complicates the practical implementation of the compensation system.
Технической задачей, решаемой данным изобретением является уменьшение времени настройки алгоритма определения параметров компенсирующего сигнала при одновременном снижении требований к вычислительной мощности используемого устройства обработки сигналов посредством отказа от высокопроизводительных вычислений в реальном времени.The technical problem solved by this invention is to reduce the tuning time of the algorithm for determining the parameters of the compensating signal while reducing the requirements for computing power of the signal processing device used by eliminating high-performance real-time computing.
Технический результат в предлагаемом способе достигается тем, что он, как и прототип включает в себя размещение датчиков остаточных вибраций в местах, требующих гашения вибраций, передачу сигнала с опорных датчиков и сигналов с датчиков остаточных вибраций в блок вычисления параметров устройства компенсирующего воздействия, определение параметров формирующих фильтров компенсирующего сигнала, генерацию компенсирующих сигналов при помощи преобразования формирующими фильтрами сигнала с опорных датчиков.The technical result in the proposed method is achieved by the fact that, like the prototype, it includes placing residual vibration sensors in places requiring vibration damping, transmitting a signal from reference sensors and signals from residual vibration sensors to a block for calculating the parameters of a compensating action device, determining the parameters of the forming compensating signal filters, generation of compensating signals by converting the signal from reference sensors by forming filters.
Новым в предлагаемом способе является то, что определение параметров формирующих фильтров компенсирующего сигнала осуществляют по ограниченной по времени выборке сигналов с опорных датчиков и датчиков остаточных вибраций, что не требует расчета и постоянной коррекции параметров формирующих фильтров в режиме реального времени, и в качестве вычислительного метода применяют метод наименьших квадратов. New in the proposed method is that the parameters of the shaping filters of the compensating signal are determined by a time-limited sample of signals from the reference sensors and residual vibration sensors, which does not require calculation and constant correction of the parameters of the shaping filters in real time, and as a computational method is used least square method.
Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.
Осуществляют регистрацию сигналов в течение определенного промежутка времени с располагаемого рядом с источником компенсируемых вибраций 1 опорного датчика 2 и датчиков остаточных вибраций 3. Длина промежутка времени определяется экспериментально в зависимости от конкретной реализации устройства. Signals are registered for a certain period of time from a
Производят вычисление импульсных характеристик формирующих фильтров в блоке вычисления параметров устройства компенсирующего воздействия 5.The impulse characteristics of the shaping filters are calculated in the block for calculating the parameters of the compensating
Вычисленные коэффициенты передаются в устройство цифровой обработки сигналов 4, обеспечивающее вычисление свертки сигнала с опорного датчика 2 с импульсными характеристиками формирующих фильтров и формирование компенсирующих сигналов, подаваемых на управляемые излучатели 6.The calculated coefficients are transferred to the digital
Вычисление импульсных характеристик формирующих фильтров производится в частотной области. При этом осуществляется минимизация уровня остаточных вибраций на каждой из частотных компонент. The impulse responses of the shaping filters are calculated in the frequency domain. In this case, the level of residual vibrations on each of the frequency components is minimized.
Вычисление производят следующим образом: The calculation is made as follows:
Поле, регистрируемое датчиками остаточных вибраций 3 складывается из поля, создаваемого компенсируемым источником и полей, создаваемых управляемыми излучателями 6:The field recorded by the
Y p - поле, создаваемое источником вибраций 1, регистрируемое опорными датчиками 2 в точках их расположения: Y p - the field created by the
Y p = Pv, (1) Y p = Pv , (1)
где v - сигнал, регистрируемый опорными датчиками 2, P - передаточная матрица от источника вибраций до датчиков остаточных вибраций 3.where v is the signal recorded by the
Y s - поле, создаваемое управляемыми излучателями 6, регистрируемое датчиками остаточных вибраций 3 в точках их расположения: Y s - field created by controlled emitters 6, recorded by
Y s = Sy, (2) Y s = Sy, (2)
где S - передаточная матрица от управляемых излучателей 6 до датчиков остаточных вибраций 3 на фиксированной частоте, y – напряжения, подаваемые на управляемые излучатели 6. where S is the transfer matrix from controlled emitters 6 to
y = Wv, (3) y = Wv , (3)
где – W - матрица, составленная из АФЧХ формирующих фильтров.where – W is a matrix composed of the AFC of shaping filters.
Тогда остаточное поле, регистрируемое датчиками остаточных вибраций e:Then the residual field recorded by the sensors of residual vibrations e :
e = Y p + Y s = Pv + Sy (4) e = Y p + Y s = Pv + Sy (4)
Решая задачу минимизации мощности остаточных вибраций методом наименьших квадратов с учетом регуляризации, получаем уравнение: Solving the problem of minimizing the power of residual vibrations by the least squares method, taking into account regularization, we obtain the equation:
Решая уравнение (5) и вводя регуляризацию, можно найти решение для матрицы из АФЧХ формирующих фильтров W и по полученным АФЧХ определить импульсные характеристики через обратное преобразование Фурье.By solving equation (5) and introducing regularization, one can find a solution for the matrix of the AFC of the shaping filters W and, using the obtained AFC, determine the impulse responses through the inverse Fourier transform.
где:Where:
A = 2S H S, В = vv H , (7) A = 2 S H S , B = vv H , (7)
C = -2S H Y p v H (8) C = -2 S H Y p v H (8)
где операция векторизации матрицы, произведение Кронекера (блочное произведение матриц), α - коэффициент регуляризации, выбираемый под конкретную систему активного гашения (определяется экспериментально), I - единичная матрица. Н – знак эрмитового сопряжения, T - знак транспонирования.Where matrix vectorization operation, Kronecker product (block product of matrices), α - regularization coefficient chosen for a specific active damping system (determined experimentally), I - identity matrix. H is the Hermitian conjugation sign, T - transpose sign.
Импульсные характеристики формирующих фильтров:Impulse characteristics of shaping filters:
Н = F -1 (W) (9) H \u003d F -1 (W) (9)
где обратное преобразование Фурье.Where inverse Fourier transform.
Принимая во внимание уравнение (1), можно заметить, что решение не зависит от и Таким образом, импульсные характеристики формирующих фильтров определяются механическими параметрами системы и не зависят от времени. Это позволяет осуществлять вычисление H не в режиме реального времени, а по определенной ограниченной по времени выборке сигналов. Таким образом, не требуется высокопроизводительного устройства цифровой обработки сигналов, производящего вычисления в режиме реального времени. Taking into account equation (1), one can see that the solution does not depend on And Thus, the impulse responses of shaping filters are determined by the mechanical parameters of the system and do not depend on time. This makes it possible to calculate H not in real time, but according to a certain time-limited sample of signals. Thus, a high-performance digital signal processing device that performs real-time calculations is not required.
По записанным сигналам и вычисленным импульсным характеристикам формирующих фильтров Н формируются сигналы, подаваемые на управляемые излучатели. According to the recorded signals and the calculated impulse responses of the shaping filters H , signals are generated that are fed to the controlled emitters.
Кроме того, использование метода наименьших квадратов вместо градиентных методов позволяет резко увеличить скорость сходимости используемого алгоритма.In addition, the use of the least squares method instead of gradient methods can dramatically increase the rate of convergence of the algorithm used.
Данный способ достаточно просто реализуется путем использования ПЭВМ и устройства обработки сигналов, подключенного к многоканальным АЦП и ЦАП. Назначением устройства обработки сигналов (4) при этом будет только вычисление свертки сигналов с опорных датчиков (2) с вычисленными импульсными характеристиками, без необходимости вычисления характеристик формирующих фильтров в режиме реального времени.This method is quite simply implemented by using a PC and a signal processing device connected to multichannel ADCs and DACs. The purpose of the signal processing device (4) in this case will be only the calculation of the convolution of signals from the reference sensors (2) with the calculated impulse responses, without the need to calculate the characteristics of the shaping filters in real time.
Работа алгоритма гашения невозможна без знания передаточных матриц от управляемых элементов к датчикам остаточных вибраций. (S - передаточная матрица от управляемых излучателей 6 до датчиков остаточных вибраций 3). Для определения данных передаточной матрицы S необходимо использование отдельной процедуры калибровки. Данная процедура заключается в подаче калибровочного сигнала (например, коротких импульсов, полосового шума, широкополосного модулированного сигнала) на каждый из управляемых излучателей 6 и вычислении требуемых передаточных характеристик по записанным с датчиков остаточных вибраций 3 сигналам.The operation of the damping algorithm is impossible without knowledge of the transfer matrices from the controlled elements to the residual vibration sensors. ( S - transfer matrix from controlled emitters 6 to sensors of residual vibrations 3). To determine the transfer matrix data S, a separate calibration procedure must be used. This procedure consists in applying a calibration signal (for example, short pulses, bandpass noise, broadband modulated signal) to each of the controlled radiators 6 and calculating the required transfer characteristics from the signals recorded from the
На фиг. 1 изображена схема расположения датчиков и излучателей, блока вычисления параметров устройства компенсирующего воздействия и устройства цифровой обработки сигналов по предлагаемому способу.In FIG. 1 shows the layout of sensors and emitters, the block for calculating the parameters of the compensating action device and the digital signal processing device according to the proposed method.
Обозначения:Designations:
1 – источник компенсируемого шума1 - source of compensated noise
2 – опорный датчик2 - reference sensor
3 – датчиками остаточных вибраций3 - sensors of residual vibrations
4 – устройство цифровой обработки сигналов4 - digital signal processing device
5 – блок вычисления параметров устройства компенсирующего воздействия5 - block for calculating the parameters of the compensating action device
6 – управляемые излучатели6 - controlled emitters
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2798744C1 true RU2798744C1 (en) | 2023-06-26 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0712115A2 (en) * | 1994-11-08 | 1996-05-15 | Bolt Beranek And Newman Inc. | Active noise and vibration control system accounting for time varying plant, using residual signal to create probe signal |
JPH10232682A (en) * | 1997-02-19 | 1998-09-02 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Adaptive processor and active noise controller |
US7773760B2 (en) * | 2005-12-16 | 2010-08-10 | Honda Motor Co., Ltd. | Active vibrational noise control apparatus |
JP2017207928A (en) * | 2016-05-18 | 2017-11-24 | 倉敷化工株式会社 | Vibration control device |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0712115A2 (en) * | 1994-11-08 | 1996-05-15 | Bolt Beranek And Newman Inc. | Active noise and vibration control system accounting for time varying plant, using residual signal to create probe signal |
JPH10232682A (en) * | 1997-02-19 | 1998-09-02 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Adaptive processor and active noise controller |
US7773760B2 (en) * | 2005-12-16 | 2010-08-10 | Honda Motor Co., Ltd. | Active vibrational noise control apparatus |
JP2017207928A (en) * | 2016-05-18 | 2017-11-24 | 倉敷化工株式会社 | Vibration control device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0091926B1 (en) | Improved method and apparatus for cancelling vibrations | |
US5691893A (en) | Adaptive control system | |
US5917919A (en) | Method and apparatus for multi-channel active control of noise or vibration or of multi-channel separation of a signal from a noisy environment | |
EP0712115B1 (en) | Active noise and vibration control system accounting for time varying plant, using residual signal to create probe signal | |
EP0695452B1 (en) | Frequency domain adaptive control system | |
US5365594A (en) | Active sound and/or vibration control | |
US5836165A (en) | Adaptive feedforward vibration control system and method | |
US7003380B2 (en) | System for computationally efficient adaptation of active control of sound or vibration | |
EP0654901B1 (en) | System for the rapid convergence of an adaptive filter in the generation of a time variant signal for cancellation of a primary signal | |
RU2798744C1 (en) | Active vibration damping method | |
GB2122052A (en) | Reducing noise or vibration | |
Masson et al. | Active structural acoustic control using strain sensing | |
JPH11168792A (en) | Sound field controller | |
GB2271908A (en) | Adaptive control for a noise cancelling system | |
Halkyard et al. | Adaptive active control of flexural waves in a beam in the presence of a nearfield | |
JP3798033B2 (en) | Vibration control method and apparatus | |
JPH09506444A (en) | Adaptive control system for controlling repetitive events | |
Kim et al. | Delayed-X LMS algorithm: An efficient ANC algorithm utilizing robustness of cancellation path model | |
GB2287851A (en) | Time domain adaptive control system for active noise cancellation | |
Eure | Adaptive predictive feedback techniques for vibration control | |
JP3590096B2 (en) | Noise cancellation system | |
JP2007286595A (en) | Active noise reduction device | |
JP3611169B2 (en) | Adaptive control method for periodic signals | |
JPH05232969A (en) | Vibration control device for vehicle | |
Akiho et al. | Virtual reference signals for active noise cancellation system |