專利名稱：模擬反饋有源抗噪聲系統(tǒng)中控制聲源和控制電路的參數(shù)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬反饋ANC系統(tǒng)中控制聲源和控制電路的參數(shù)優(yōu)化算法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，噪聲污染已成為一個(gè)世界性的問題，二十世紀(jì)二十年代，電子學(xué)的發(fā)展奠定了有源噪聲控制(ANC)的基礎(chǔ)，開辟了噪聲控制的新領(lǐng)域。有源噪聲控制ANC(active noise control)，涉及信號(hào)處理、自動(dòng)控制、聲學(xué)、振動(dòng)、電子、計(jì)算機(jī)等眾多學(xué)科，1933年，德國的PaulLueg初步提出了ANC的基本思想，即在待控制的聲場區(qū)域建立一個(gè)與待消除的聲音強(qiáng)度相同、相位相反的聲場，即次級(jí)聲場，利用的干涉原理，人為造成聲場的相消干涉，從而消除噪聲。
在模擬反饋ANC系統(tǒng)中，優(yōu)化次級(jí)通道傳遞函數(shù)可以通過改變控制聲源本身頻響來完成，也可以通過改變控制聲源到誤差傳聲器的聲傳播路徑來完成。對(duì)于已系統(tǒng)地優(yōu)化了控制源和誤差傳感器位置的有源控制系統(tǒng)，次級(jí)通道傳遞函數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化可通過設(shè)計(jì)合適的控制聲源來完成。已有的研究一般假設(shè)控制源是理想的頻率響應(yīng)平直的揚(yáng)聲器，本專利將優(yōu)化控制聲源的頻率響應(yīng)特性使其在所要求頻段有更好的降噪性能。對(duì)于模擬控制電路傳遞函數(shù)優(yōu)化已有大量研究。一般思路就是先構(gòu)造一個(gè)和系統(tǒng)降噪性能有關(guān)的代價(jià)函數(shù)，然后通過優(yōu)化代價(jià)函數(shù)得到模擬控制電路的傳遞函數(shù)。本專利將通過經(jīng)典控制理論中的補(bǔ)償濾波器原理，以電路中的電阻、電容值直接作為控制器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以保證所設(shè)計(jì)控制器的物理可實(shí)現(xiàn)性。為獲得最優(yōu)化的參數(shù)，提出使用差分演化算法，該算法在其它領(lǐng)域被證明對(duì)大多數(shù)測(cè)試情況有較好的收斂特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種模擬反饋ANC系統(tǒng)中控制聲源和控制電路的參數(shù)優(yōu)化方法。
本發(fā)明方法目的是提出選擇諧振頻率在要控制噪聲中心頻率附近的次級(jí)揚(yáng)聲器能獲得更好的噪聲抑制性能；以電路中的電阻、電容值直接作為控制器的參數(shù)，構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，通過差分演化算法進(jìn)行優(yōu)化，得到物理可實(shí)現(xiàn)的控制器參數(shù)最優(yōu)值。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種模擬反饋式有源抗噪聲系統(tǒng)控制聲源和控制電路的參數(shù)優(yōu)化方法，用誤差傳聲器拾取噪聲信號(hào)，通過控制器濾波，反相，放大，輸入次級(jí)揚(yáng)聲器，發(fā)出控制聲與噪聲信號(hào)相互作用，達(dá)到噪聲抑制的目的；通過優(yōu)化次級(jí)通道傳遞函數(shù)，即次級(jí)揚(yáng)聲器到誤差傳聲器的傳遞函數(shù)，決定控制器電路參數(shù)，其特征是選擇次級(jí)揚(yáng)聲器的諧振頻率在欲控制噪聲中心頻率附近確定欲控制噪聲的中心頻率，在1000Hz以下；測(cè)量次級(jí)揚(yáng)聲器到誤差傳聲器的傳遞函數(shù)，取1000Hz以下頻段；判斷傳遞函數(shù)最大值是否在中心頻率±50Hz范圍內(nèi)，越接近中心頻率噪聲抑制效果越好，否則更換次級(jí)揚(yáng)聲器并重復(fù)以上步驟。
優(yōu)化控制器電路參數(shù)時(shí)根據(jù)實(shí)際要求提出代價(jià)函數(shù)，使用差分演化算法優(yōu)化選擇任意具有濾波，反向，放大功能的電路系統(tǒng)，并確定其參數(shù)；根據(jù)欲抑制的噪聲頻帶范圍，系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，“水床效應(yīng)”導(dǎo)致噪聲放大的限制，電路參數(shù)物理可實(shí)現(xiàn)性要求，設(shè)計(jì)上述參數(shù)的代價(jià)函數(shù)；用差分演化算法優(yōu)化上述代價(jià)函數(shù)，可得全局最優(yōu)的控制器電路參數(shù)?？紤]通道間相互影響A.將多通道誤差傳聲器信號(hào)，噪聲干擾信號(hào)，閉環(huán)響應(yīng)(包括次級(jí)通道傳遞函數(shù)和控制器頻響)表示成矩陣形式；B.用差分演化算法優(yōu)化上述代價(jià)函數(shù)，可得全局最優(yōu)的控制器電路參數(shù)。
本發(fā)明的特點(diǎn)是選擇諧振頻率在要控制噪聲中心頻率附近的次級(jí)揚(yáng)聲器能獲得更好的噪聲抑制性能；以電路中的電阻、電容值直接作為控制器的參數(shù)，構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，通過差分演化算法進(jìn)行優(yōu)化，得到物理可實(shí)現(xiàn)的控制器參數(shù)最優(yōu)值。
四

圖1是反饋控制的有源噪聲控制系統(tǒng)原理框圖。
圖2是二階控制電路。
圖3是多通道反饋控制系統(tǒng)方框示意圖。
圖4是一階控制電路。
圖5是噪聲控制效果圖(數(shù)值模擬)，噪聲控制效果圖(數(shù)值模擬)(a)采用共振頻率在150Hz的次級(jí)揚(yáng)聲器；(b)采用共振頻率在250Hz的次級(jí)揚(yáng)聲器圖6是噪聲控制效果圖(實(shí)驗(yàn))，a)采用共振頻率在150Hz的次級(jí)揚(yáng)聲器；b)采用共振頻率在250Hz的次級(jí)揚(yáng)聲器圖7簡化的雙通道反饋式有源噪聲控制系統(tǒng)示意圖。
圖8是單通道系統(tǒng)噪聲衰減量曲線(數(shù)值模擬)。
圖9是單通道系統(tǒng)噪聲衰減量曲線(實(shí)驗(yàn))。
圖10(a)和圖10(b)是兩路系統(tǒng)控制器參數(shù)單通道/多通道優(yōu)化噪聲衰減量曲線比較其中圖(a)通道1；圖10(b)通道2，其中，虛線為單通道優(yōu)化結(jié)果，實(shí)線為多通道優(yōu)化結(jié)果。
圖11(a)和圖11(b)是采用單通道優(yōu)化的兩路系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)測(cè)得的干擾抑制結(jié)果。圖11(a)是誤差傳聲器1處；圖11(b)誤差傳聲器2處采用多通道優(yōu)化的兩路系統(tǒng)同時(shí)工作測(cè)得的干擾抑制結(jié)果圖12(a)和圖12(b)是采用多通道優(yōu)化的兩路系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)測(cè)得的干擾抑制結(jié)果。圖12(a)誤差傳聲器1處；圖12(b)誤差傳聲器2處五具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明原理部分圖1為相應(yīng)的模擬反饋式有源噪聲控制系統(tǒng)的原理框圖。其中G(s)表示反饋控制電路的傳遞函數(shù)，K表示放大器增益，C(s)表示次級(jí)通道傳遞函數(shù)(包括延時(shí)因子e-jωτ，τ為時(shí)延)，u(t)表示次級(jí)揚(yáng)聲器發(fā)出的控制聲信號(hào)，d(t)表示外部噪聲信號(hào)(即控制前誤差傳聲器處的噪聲信號(hào))，e(t)為在誤差傳聲器處外部噪聲和控制聲疊加得到輸出信號(hào)(即控制后誤差傳聲器處的噪聲信號(hào))。從圖1知控制后誤差傳聲器處噪聲信號(hào)為E(s)=D(s)1-KG(s)C(s)]]>假設(shè)外部噪聲信號(hào)的功率譜密度為Sdd(ω)，由上式可知控制后誤差傳聲器處噪聲信號(hào)功率譜密度為See(ω)=Sdd(ω)|1-KG(jω)C(jω)|2]]>定義控制后噪聲衰減量ΔL(ω)=-10log10See(ω)Sdd(ω)=20log10|KG(jω)C(jω)|]]>為了最小化See(ω)，須要優(yōu)化開環(huán)響應(yīng)KG(jω)C(jω)，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定條件，電路參數(shù)物理可實(shí)現(xiàn)條件基礎(chǔ)上，使See(ω)在要抑制噪聲頻段內(nèi)足夠小，同時(shí)在其它頻段范圍控制See(ω)的增幅。主要采取如下措施1、優(yōu)化次級(jí)揚(yáng)聲器頻響即選擇諧振頻率在要控制噪聲頻率附近的揚(yáng)聲器作為次級(jí)揚(yáng)聲器。從理論分析可知，當(dāng)揚(yáng)聲器工作在諧振頻率附近時(shí)，能發(fā)出較大能量的聲音。在反饋式有源噪聲控制系統(tǒng)中，次級(jí)揚(yáng)聲器發(fā)出與主級(jí)噪聲能量相當(dāng)相位相反的次級(jí)噪聲與之相互作用，達(dá)到噪聲控制的目的。所以，當(dāng)選用諧振頻率在要控制噪聲頻率附近的次級(jí)揚(yáng)聲器能有效增加誤差傳感器處的噪聲衰減量。
2、優(yōu)化控制器頻響G(jω)放大倍數(shù)K由前式可得靈敏度方程S(jω)=E(jω)D(jω)=11-KC(jω)G(jω)]]>C(jω)是次級(jí)通道傳遞函數(shù)，K是放大倍數(shù)，G(jω)是控制器傳遞函數(shù)，這理選用二階控制電路來說明。圖2是其電路圖，可由G1，G2，G3，a，b，r六個(gè)參數(shù)確定G(jω)=-rω2+jω{r[2(G1+G3)+G2]-aG2-2bG3}+[rG2(G1+G3)-bG2G3]-ω2+2jG1ω+G1G2]]>其中，Vin為輸入信號(hào)，Vout為輸出信號(hào)，Ri＝1/(GiC)(i＝1，2，3)，R可任取。為了能獲得最好的性能，補(bǔ)償器的參數(shù)須要根據(jù)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。將需要最小化目標(biāo)函數(shù)分成四個(gè)部分A、能量相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)首先測(cè)量次級(jí)通道傳遞函數(shù)C(jω)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，能量目標(biāo)函數(shù)可寫成如下形式P1(K,G1,G2,G3,a,b,r)=Σi=1N(|S(jωi)|)2Wi]]>這里Wi是頻率選擇權(quán)重，可以通過它對(duì)較重要的頻率點(diǎn)賦予較大的權(quán)重。N表示全頻帶所有頻率點(diǎn)數(shù)(下同)。
B、穩(wěn)定相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)穩(wěn)定相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)是基于增益裕值和相位裕值的選擇。這個(gè)選擇必須滿足系統(tǒng)的安全限制條件，也即系統(tǒng)在適當(dāng)背離均值時(shí)不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。這個(gè)方程定義如下P2(K,G1,G2,G3,a,b,r)=Σi=1Nf2(ωi)]]>f2(ωi)=0others1000|φ(ωi)|<Φandγ(ωi)>r]]>其中Φ定義為相位域值，φ(ωi)是開環(huán)頻響在頻率ωi的相位遷移，γ定義為幅度域值，γ(ωi)是開環(huán)頻響在頻率ωi的增益幅值。Φ應(yīng)當(dāng)為包圍Nyquist點(diǎn)的扇形區(qū)域的相位遷移，在這樣的區(qū)域里，增益幅值應(yīng)當(dāng)小γ才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定。所以，當(dāng)γ(ωi)＞γ時(shí)，代價(jià)函數(shù)變得非常大。
C、噪聲放大的目標(biāo)函數(shù)由于“水床效應(yīng)”的存在，在需要干擾衰減的頻段內(nèi)S(jω)＜1必然導(dǎo)致其它頻段S(jω)＞1，這樣就必須考慮由于“水床效應(yīng)”造成的噪聲放大的域值。
P3(K,G1,G2,G3,a,b,r)=Σi=1Nf3(ωi)]]>f3(ωi)=0others1000|S(jωi)|>T(ωi)]]>這里，T(ωi)是設(shè)定的噪聲放大的最大值。這個(gè)限制在有源噪聲控制中是非常重要的，因?yàn)槌隹刂祁l帶會(huì)導(dǎo)致噪聲放大，而這與全頻帶噪聲抑制的目標(biāo)相違背。
D、電路參數(shù)相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)為了使補(bǔ)償器是物理可實(shí)現(xiàn)的，要求，G1，G2，G3，a，b，r六個(gè)參數(shù)滿足G1，G2，G3＞0 and0＜a，b，r＜1。這個(gè)限制可表示成參數(shù)相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)的形式P4(K,G1,G2,G3,a,b,r)=0others1000G1<01000G2<01000G3<01000a<0or a>11000b<0or b>11000r<0or r>1]]>綜上所述將四個(gè)目標(biāo)函數(shù)表示成統(tǒng)一的形式P(x)=Σi=14Pi(x)]]>這里，x＝[x1...x7]T，其中，x1＝K，x2＝G1，x3＝G2，x4＝G3，x5＝a，x6＝b，x7＝r。
為了最小化上述目標(biāo)函數(shù)，使用差分演化算法。差分演化算法，是一種并行直接尋找方法，使用NP個(gè)參數(shù)矢量xi，G，i＝0，1，...，NP-1對(duì)于每一代(G)，NP在最小化過程中始終是不變化的。如果對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)一無所知，矢量的成員數(shù)最初是任意選取的。G+1代的參數(shù)矢量xi，G+1，i＝0，1，...，NP-1是從矢量xi，G根據(jù)以下三步得來的A、產(chǎn)生試驗(yàn)矢量試驗(yàn)矢量的產(chǎn)生公式v=xr1,G+F·(xr2,G-xr3,G)]]>其中，整數(shù)r1，r2，r3是從
中任意抽取的，F(xiàn)是一個(gè)實(shí)常數(shù)控制差分變量(xr2，G-xr3，G)的幅值。
B、獲得比較矢量比較矢量u＝[u1...uD]T獲得公式uj=vjforj=<n>D,<n+1>D,...,<n+L-1>D(xi,G)jothers]]>這里，<.>D表示系數(shù)為D的求余數(shù)方程，D是矢量xi，G的長度，開始序數(shù)n是從
隨機(jī)選取的整數(shù)，整數(shù)L是從
中以概率Pr(L＝v)＝(CR)v選取的，CR∈
表示交叉概率。
C、成員數(shù)更新如果矢量u比xi，G產(chǎn)生更小的目標(biāo)函數(shù)的值，xi，G+1就設(shè)置為u，否則仍然保持xi，G不變。
圖3為多通道反饋控制系統(tǒng)的方框示意圖，其中多通道矢量誤差信號(hào)可以表示成如下形式E(s)＝[I-C(s)KG(s)]-1D(s)其中，D(s)是矢量干擾信號(hào)。M×M矩陣[I-C(s)KG(s)]-1是靈敏度方程矩陣，可以寫成如下形式[I-C(s)KG(s)]-1(s)=adj[I-C(s)KG(s)]det[I-C(s)KG(s)]=adj[I-C(s)KG(s)]1-{1-det[I-C(s)KG(s)}]]>這里，adj[]表示伴隨矩陣，det[]表示矩陣的特征值。
四個(gè)多通道反饋系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)可以類似于單通道反饋系統(tǒng)的方式來定義。將|S(jωi)|以靈敏度方程矩陣[I-C(s)KG(s)]-1的范數(shù)(Frobenius范數(shù)和奇異值范數(shù)等)來代替，就得到了能量相關(guān)和噪聲放大相關(guān)的多通道目標(biāo)函數(shù)。最小化上述目標(biāo)函數(shù)，即通過差分演化算法進(jìn)行優(yōu)化，就可獲得多通道系統(tǒng)的控制器傳遞函數(shù)G(s)的最佳參數(shù)和放大倍數(shù)K的最佳值。
實(shí)施部分A優(yōu)化次級(jí)揚(yáng)聲器頻響比較共振頻率分別在150Hz和250Hz的次級(jí)揚(yáng)聲器的150Hz噪聲抑制情況。誤差傳聲器距離次級(jí)揚(yáng)聲器的距離為5cm，反饋控制器采用如圖4所示的一階控制電路。次級(jí)通道傳遞函數(shù)由實(shí)測(cè)得到。用差分演化算法優(yōu)化R1，R2及增益K分別使得兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)150Hz噪聲衰減量達(dá)到最大。圖5是模擬預(yù)測(cè)兩系統(tǒng)寬帶噪聲控制效果圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。其中圖5(a)和圖6(a)是采用共振頻率在150Hz的次級(jí)揚(yáng)聲器的噪聲控制效果圖，而圖5(b)和圖6(b)是采用共振頻率在250Hz的次級(jí)揚(yáng)聲器的噪聲控制效果圖。從圖中可以看出采用共振頻率在150Hz的次級(jí)揚(yáng)聲器對(duì)150Hz附近的噪聲有很好的控制效果，而采用共振頻率在250Hz的次級(jí)揚(yáng)聲器對(duì)250Hz附近的噪聲有很好的控制效果。
B.優(yōu)化控制器頻響G(jω)放大倍數(shù)K實(shí)驗(yàn)中采用的兩路電路，如圖7所示。誤差傳感器置于高于相應(yīng)的次級(jí)揚(yáng)聲器5cm處，兩路揚(yáng)聲器之間的距離為22cm。次級(jí)通道傳遞函數(shù)通過HP35665A測(cè)得，干擾信號(hào)選用隨機(jī)白噪聲信號(hào)，通過一個(gè)揚(yáng)聲器發(fā)出正好在激勵(lì)器2的右邊50cm的地方。在補(bǔ)償器參數(shù)優(yōu)化時(shí)，當(dāng)頻率在[200 400]Hz，權(quán)重因子Wi＝1，其他頻段Wi＝0。對(duì)于穩(wěn)定相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)，預(yù)定義的相位域值是Φ＝10°，預(yù)定義的增益域值是6dB，對(duì)應(yīng)的γ＝0.5。噪聲放大限制為不超過6dB，相應(yīng)的T(ωi)＝2。
首先，對(duì)單通道系統(tǒng)控制器進(jìn)行優(yōu)化，補(bǔ)償控制電路由圖2所示電路圖實(shí)現(xiàn)。用單通道控制器設(shè)計(jì)方法優(yōu)化單通道系統(tǒng)的控制器參數(shù)和放大倍數(shù)K。圖8是模擬結(jié)果，圖9是實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，在200-400Hz頻率范圍內(nèi)噪聲有很大衰減，全頻帶噪聲增強(qiáng)不超過6dB，滿足設(shè)計(jì)要求。其次，對(duì)兩通道系統(tǒng)控制器進(jìn)行優(yōu)化，為了與多通道優(yōu)化方法進(jìn)行比較，先采用單通道優(yōu)化方法，即優(yōu)化時(shí)不考慮相互之間的影響。測(cè)得次級(jí)揚(yáng)聲器到誤差傳聲器的傳遞函數(shù)H12和H21，噪聲衰減量由下面兩式得到e1(jω)e2(jω)=1-KG(jω)C(jω)-KG(jω)H21(jω)-KG(jω)H12(jω)1-KGC(jω)-1d1(jω)d2(jω)]]>ΔL1＝20log10(‖d1(jω)‖)-20log10(‖e1(jω)‖)ΔL2＝20log10(‖d2(jω)‖)-20log10(‖e2(jω)‖)模擬結(jié)果見圖10虛線部分。圖11所示的是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的兩路單通道優(yōu)化系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)在誤差傳聲器處的噪聲抑制結(jié)果。從圖中可知，由于耦合的影響在1100Hz附近，誤差傳聲器1處的噪聲放大達(dá)到14dB，誤差傳聲器2處的噪聲放大達(dá)到12dB，明顯大于預(yù)定義的噪聲放大限制。
最后，采用多通道優(yōu)化方法設(shè)計(jì)反饋式有源噪聲控制系統(tǒng)的兩路電路，并假設(shè)設(shè)備響應(yīng)矩陣接近于對(duì)角矩陣H(s)=H(s)00H(s)]]>圖10實(shí)線部分為模擬結(jié)果，可以看出多通道優(yōu)化系統(tǒng)比單通道優(yōu)化系統(tǒng)好，全頻帶噪聲放大不超過6dB。圖12是實(shí)驗(yàn)結(jié)果。200-400Hz頻段衰減量為大約12dB，在誤差傳聲器1和誤差傳聲器2處的噪聲放大均未超過預(yù)定義的噪聲放大的限制。但代價(jià)是需要抑制頻段的噪聲衰減量有所減小。
權(quán)利要求
1.一種模擬反饋式有源抗噪聲系統(tǒng)控制聲源和控制電路的參數(shù)優(yōu)化方法，用誤差傳聲器拾取噪聲信號(hào)，通過控制器濾波，反相，放大，輸入次級(jí)揚(yáng)聲器，發(fā)出控制聲與噪聲信號(hào)相互作用，達(dá)到噪聲抑制的目的；通過優(yōu)化次級(jí)通道傳遞函數(shù)，即次級(jí)揚(yáng)聲器到誤差傳聲器的傳遞函數(shù)，決定控制器電路參數(shù)，其特征是選擇次級(jí)揚(yáng)聲器的諧振頻率在欲控制噪聲中心頻率附近A.確定欲控制噪聲的中心頻率，在1000Hz以下；B.測(cè)量次級(jí)揚(yáng)聲器到誤差傳聲器的傳遞函數(shù)，取1000Hz以下頻段；C.判斷傳遞函數(shù)最大值是否在中心頻率±50Hz范圍內(nèi)，越接近中心頻率噪聲抑制效果越好，否則更換次級(jí)揚(yáng)聲器并重復(fù)以上步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述模擬反饋有源抗噪聲系統(tǒng)中控制聲源和控制電路的的方法，其特征是優(yōu)化控制器電路參數(shù)時(shí)根據(jù)實(shí)際要求提出代價(jià)函數(shù)，使用差分演化算法優(yōu)化A.選擇任意具有濾波，反向，放大功能的電路系統(tǒng)，并確定其參數(shù)；B.根據(jù)欲抑制的噪聲頻帶范圍，系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，“水床效應(yīng)”導(dǎo)致噪聲放大的限制，電路參數(shù)物理可實(shí)現(xiàn)性要求，設(shè)計(jì)上述參數(shù)的代價(jià)函數(shù)；C.用差分演化算法優(yōu)化上述代價(jià)函數(shù)，可得全局最優(yōu)的控制器電路參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬反饋有源抗噪聲系統(tǒng)中控制聲源和控制電路的的方法，其特征是控制后誤差傳聲器處噪聲信號(hào)為E(s)=D(s)1-KG(s)C(s)]]>其中G(s)表示反饋控制電路的傳遞函數(shù)，K表示放大器增益，C(s)表示次級(jí)通道傳遞函數(shù)(包括延時(shí)因子e-jωτ，τ為時(shí)延)，D(s)表示外部噪聲信號(hào)(即控制前誤差傳聲器處的噪聲信號(hào))，E(s)為在誤差傳聲器處外部噪聲和控制聲疊加得到輸出信號(hào)(即控制后誤差傳聲器處的噪聲信號(hào))；并由此可定義靈敏度方程S(jω)=E(jω)D(jω)=11-KC(jω)G(jω)]]>假設(shè)外部噪聲信號(hào)的功率譜密度為Sdd(ω)，由上式可知控制后誤差傳聲器處噪聲信號(hào)功率譜密度為See(ω)=Sdd(ω)|-1KG(jω)C(jω)|2]]>定義控制后噪聲衰減量ΔL(ω)=-10log10See(ω)Sdd(ω)=20log10|KG(jω)C(jω)|]]>為了最小化See(ω)，須要優(yōu)化開環(huán)響應(yīng)KG(jω)C(jω)，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定條件，電路參數(shù)物理可實(shí)現(xiàn)條件基礎(chǔ)上，使See(ω)在要抑制噪聲頻段內(nèi)足夠小，同時(shí)在其它頻段范圍控制See(ω)的增幅；首先是優(yōu)化次級(jí)通道傳遞函數(shù)C(jω)，即次級(jí)揚(yáng)聲器到誤差傳聲器的傳遞函數(shù)，選擇次級(jí)揚(yáng)聲器的諧振頻率在欲控制噪聲中心頻率附近優(yōu)化控制器電路傳遞函數(shù)G(jω)和放大器增益K，根據(jù)實(shí)際要求提出合適的代價(jià)函數(shù)，使用差分演化算法優(yōu)化，主過以下步驟實(shí)現(xiàn)A.選擇任意具有濾波，反向，放大功能的電路系統(tǒng)，確定其參數(shù)x＝[x1...xn]T，可由具體的電路元件表示，如電阻、電容、電感，放大倍數(shù)等；B.根據(jù)以下四個(gè)方面的內(nèi)容規(guī)定上述參數(shù)的代價(jià)函數(shù)a.要控制噪聲的頻帶范圍P1(x)=Σi=1N(|S(ωi|)2Wi]]>這里Wi是頻率選擇權(quán)重，可以通過它對(duì)較重要的頻率點(diǎn)賦予較大的權(quán)重；N表示全頻帶所有頻率點(diǎn)數(shù)；b.系統(tǒng)穩(wěn)定的要求穩(wěn)定相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)是基于增益裕值和相位裕值的選擇。這個(gè)選擇必須滿足系統(tǒng)的安全限制條件，也即系統(tǒng)在適當(dāng)背離均值時(shí)不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。這個(gè)方程定義如下P2(x)=Σi=1Nf2(ωi)]]>f2(ωi)=0others1000|φ(ωi)|<Φandγ(ωi)>γ]]>其中Φ定義為相位域值，φ(ωi)是開環(huán)頻響在頻率ωi的相位遷移，γ定義為幅度域值，γ(ωi)是開環(huán)頻響在頻率ωi的增益幅值。Φ應(yīng)當(dāng)為包圍Nyquist點(diǎn)的扇形區(qū)域的相位遷移，在這樣的區(qū)域里，增益幅值應(yīng)當(dāng)小γ才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定；所以，當(dāng)γ(ωi)＞γ時(shí)，代價(jià)函數(shù)變得非常大；c.“水床效應(yīng)”導(dǎo)致噪聲放大的限制由于“水床效應(yīng)”的存在，在需要干擾衰減的頻段內(nèi)S(jω)＜1必然導(dǎo)致其它頻段S(jω)＞1，這樣就必須考慮由于“水床效應(yīng)”造成的噪聲放大的域值；P3(x)=Σi=1Nf3(ωi)]]>f3(ωi)=0others1000|S(jωi)|>T(ωi)]]>這里，T(ωi)是設(shè)定的噪聲放大的最大值；電路參數(shù)物理可實(shí)現(xiàn)性要求為了使補(bǔ)償器是物理可實(shí)現(xiàn)的，要求x滿足電路參數(shù)的限制條件。這個(gè)限制可表示成參數(shù)相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)的形式 綜上所述將四個(gè)目標(biāo)函數(shù)表示成統(tǒng)一的形式P(x)=Σi=14Pi(x)]]>C.用差分演化算法或其它類似方法(推薦使用差分演化算法)最小化上述代價(jià)函數(shù)，可得全局最優(yōu)的控制器電路參數(shù)和放大器增益。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬反饋有源抗噪聲系統(tǒng)中控制聲源和控制電路的的方法，其特征是其特征是考慮通道間相互影響多通道矢量誤差信號(hào)可以表示成如下形式E(s)＝[I-C(s)KG(s)]-1D(s)其中，D(s)是矢量干擾信號(hào)；M×M矩陣[I-C(s)KG(s)]-1是靈敏度方程矩陣，可成如下形式[I-C(s)KG(s)]-1(s)=adj[I-C(s)KG(s)]det[I-C(s)KG(s)]=adj[I-C(s)KG(s)]1-{1-det[I-C(s)KG(s)]}]]>這里，adj[]表示伴隨矩陣，det[]表示矩陣的特征值。優(yōu)化多通道模擬反饋ANC系統(tǒng)通過以下步驟實(shí)現(xiàn)A.定義多通道反饋ANC系統(tǒng)控制器傳遞函數(shù)參數(shù)和放大器增益代價(jià)函數(shù)，定義過程與單路系統(tǒng)類似，其中在要控制噪聲頻帶范圍和“水床效應(yīng)”導(dǎo)致噪聲放大的限制中將|S(jωi)|以靈敏度方程矩陣[I-C(s)KG(s)]-1的范數(shù)代替即可。最小化上述目標(biāo)函數(shù)，即通過差分演化算法或其它類似方法進(jìn)行優(yōu)化，就可獲得多通道系統(tǒng)的控制器傳遞函數(shù)G(s)的最佳參數(shù)和放大倍數(shù)K的最佳值。
全文摘要
本發(fā)明公開了模擬反饋ANC系統(tǒng)中控制聲源和控制電路的參數(shù)優(yōu)化方法。由誤差傳聲器拾取噪聲信號(hào)，通過控制器濾波，反相，放大，輸入次級(jí)揚(yáng)聲器，發(fā)出控制聲與噪聲信號(hào)相互作用，通過優(yōu)化次級(jí)通道傳遞函數(shù)，即次級(jí)揚(yáng)聲器到誤差傳聲器的傳遞函數(shù)，決定控制器電路參數(shù)，選擇次級(jí)揚(yáng)聲器的諧振頻率在欲控制噪聲中心頻率附近確定欲控制噪聲的中心頻率，在1000Hz以下；測(cè)量次級(jí)揚(yáng)聲器到誤差傳聲器的傳遞函數(shù)，取1000Hz以下頻段；判斷傳遞函數(shù)最大值是否在中心頻率±50Hz范圍內(nèi)，越接近中心頻率噪聲抑制效果越好，否則換次級(jí)揚(yáng)聲器并重復(fù)以上步驟。
文檔編號(hào)G06F17/00GK101013570SQ20071002035
公開日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2007年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者祖峰磊, 吳鳴, 邱小軍, 李寧榮 申請(qǐng)人:南京大學(xué)