【摘要】：隨著旋轉(zhuǎn)設(shè)備在日常生活中的廣泛應(yīng)用,其產(chǎn)生的噪聲問題引起了社會的廣泛關(guān)注,各種噪聲控制技術(shù)也應(yīng)運而生,其中主動噪聲控制(Active Noise Control,ANC)技術(shù)最具代表性。ANC技術(shù)在線性控制領(lǐng)域已經(jīng)取得了豐碩的理論成果和實踐經(jīng)驗,但是實際噪聲環(huán)境一般具有非線性問題,如參考信號為混沌噪聲,聲學(xué)路徑為非線性系統(tǒng)等。這些非線性問題嚴(yán)重限制了傳統(tǒng)線性ANC技術(shù)的應(yīng)用,促使非線性ANC技術(shù)的研究備受關(guān)注�？刂葡到y(tǒng)按照物理結(jié)構(gòu)可以分為前饋控制、反饋控制和前反饋混合控制。前饋控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強,但是不適用于時變和非線性對象。反饋控制結(jié)構(gòu)魯棒性較強,且適用于時變和非線性對象,但是系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度較差。前反饋混合控制結(jié)構(gòu)對前兩者進(jìn)行了優(yōu)勢互補,具有更廣泛的應(yīng)用環(huán)境和更高的控制精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)設(shè)備的噪聲根據(jù)其頻帶特性可以分為窄帶噪聲、寬帶噪聲和寬窄帶混合噪聲。因此論文分別針對窄帶噪聲、寬帶噪聲和寬窄帶混合噪聲,基于前反饋混合結(jié)構(gòu)研究新型、高效的非線性ANC方法。針對窄帶噪聲,研究基于FELMS(Filtered-Error Least Mean Square)算法的窄帶ANC(FELMS-based Narrowband ANC,FE-NANC)系統(tǒng),并在平均和均方意義下分析該系統(tǒng)動態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性以及步長穩(wěn)定邊界。在非線性初級路徑條件下,分析初級噪聲頻率特性,建立其與參考信號頻率的數(shù)學(xué)模型。通過前饋頻率拓展和反饋頻譜估計結(jié)構(gòu)快速準(zhǔn)確地獲取初級噪聲頻率,將其作為新的參考信號頻率,基于FE-NANC系統(tǒng)研究低復(fù)雜度窄帶非線性ANC方法。此外,通過引入誤差分離技術(shù)進(jìn)一步提高該方法的降噪效果和收斂特性。針對寬窄帶混合噪聲,分析初級噪聲的頻帶特性,研究前饋FLANN(Function Link Artificial Neural Network)結(jié)構(gòu)和反饋FIR(Finite Impulse Response)結(jié)構(gòu)的降噪機理,并詳細(xì)分析其各自的降噪優(yōu)缺點,提出了FLANN-FIR混合結(jié)構(gòu)的ANC方法。該方法對前饋FLANN結(jié)構(gòu)和反饋FIR結(jié)構(gòu)的降噪效果進(jìn)行優(yōu)勢互補,不僅提高了系統(tǒng)的收斂速度,而且同時對初級噪聲中的線性分量和非線性分量都具有明顯降噪效果。針對寬帶混沌噪聲和隨機噪聲,研究反饋非線性ANC方法進(jìn)行降噪處理。反饋ANC系統(tǒng)是一個初級噪聲的反饋預(yù)測過程,不受聲反饋的影響。但是寬帶混沌噪聲和隨機噪聲不能線性預(yù)測,且非線性預(yù)測精度不佳。為成功解決該問題,利用小波包對寬帶混沌噪聲和隨機噪聲進(jìn)行全頻段分解,然后進(jìn)行線性獨立預(yù)測,構(gòu)成新型反饋非線性ANC方法。與傳統(tǒng)的反饋非線性ANC方法相比,提出的方法對寬帶混沌噪聲和隨機噪聲的降噪效果更加明顯,特別是寬帶隨機噪聲。針對非線性ANC中的聲反饋問題開展研究,提出了基于雙線性FLANN(Bilinear FLANN,BFLANN)濾波器的非線性ANC方法。該方法主要包含F(xiàn)LANN結(jié)構(gòu)、反饋輸出項以及輸入與輸出的乘積項。因為FLANN和輸入與輸出乘積項都具有非線性映射能力,所以與FLANN相比,BFLANN可以處理更復(fù)雜的非線性ANC問題。在BFLANN中,反饋輸出項和輸入與輸出乘積項可以分別對線性聲反饋和非線性聲反饋進(jìn)行補償,從而成功解決非線性ANC中的聲反饋問題。此外,詳細(xì)的理論推導(dǎo)充分證明當(dāng)BFLANN輸入有界時,其輸出同樣有界。為了驗證論文中提出的基于前反饋混合結(jié)構(gòu)的非線性ANC方法的降噪有效性,本文設(shè)計了封閉空間的ANC實驗平臺,該封閉空間是尺寸為2.2m×1.1m×1.2m的矩形空間。ANC實驗平臺的控制器由實時控制模塊dSPACE DS1104和MATLAB/Simulink軟件構(gòu)成。通過該實驗平臺分別對文中提出的方法在不同非線性聲學(xué)環(huán)境下進(jìn)行驗證,實驗結(jié)果充分說明:(1)FE-NANC系統(tǒng)不僅節(jié)約計算成本而且成功實現(xiàn)了多頻窄帶參考信號的實時降噪;(2)FLANNFIR方法提高了傳統(tǒng)非線性ANC方法的收斂速度和降噪能力;(3)BFLANN方法成功降低了線性聲反饋和非線性聲反饋的影響。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB535

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2618962