封闭空腔有源结构声控制方法

摘要

本发明公开了一种封闭空腔有源结构声控制方法，该方法包括如下步骤：步骤1：对封闭空腔结构声控制问题进行分解；步骤2：局部控制问题解决方案；步骤3：控制器主体之间的协调。本申请能够方便地将主体添加或移除而不必重新设计系统的其余部分，表明系统具有较强的可扩展性。另外，它还具有自治性、灵活性以及社会性，能够有效地处理封闭空腔中的动态噪声。也就是说，本申请能够满足大规模工程应用所需的智能性、强鲁棒性和可扩展性等特点。

主权项

一种封闭空腔有源结构声控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1：对封闭空腔结构声控制问题进行分解；提出一个由两块支撑弹性板和四块刚性板组成的矩形封闭空腔模型，两块支撑弹性板分别称为第一弹性板模型和第二弹性板模型；设第一弹性板和第二弹性板为简支撑边界条件；第一弹性板和第二弹性板分别被标记为板a和板b，其所在位置坐标分别为z＝L_z和y＝L_y；第一弹性板和第二弹性板均假设为各向同性；该矩形封闭腔的弹性模量E＝71GPa，质量密度ρ₁＝2700kg/m³，泊松比υ＝0.3；声速为c＝344m/s，空气的质量密度ρ＝1.21kg/m³；一外部声场作用在板a上，使得板a向腔内辐射噪声；外部声场假设为一平面波p_in，入射角度为α＝45°，即与水平面之间的夹角和θ＝135°，即与x轴之间的夹角；假定矩形封闭空腔外部入射声波和辐射声波之间的干涉忽略不计；分布控制力f_ci施加在板a上，以有效抑制板a的声辐射；因为板a的第1、4、6、7、8、9、10阶模态对腔内声场贡献大，其频率分别为30Hz、119Hz、177Hz、186Hz、196Hz、219Hz、255Hz，所以板a的第6和第8阶模态为例，将矩形封闭空腔内噪声控制问题分解为针对板a第6和第8阶模态噪声的两个局部控制问题，并分别表示为CA₆和CA₈；步骤2：局部控制问题解决方案；局部控制问题的解决方案由控制器主体来执行；控制器主体在特定环境下感知环境，并能自治地运行以代表其设计者或使用者实现一系列目标的实体或计算程序；将主体的特性加入到局部控制器中；控制器主体包括外部接口和内部结构；它的外部接口是由输入、输出、激活请求信号和应答信号接口组成；输入接口用于接收传感器信号，输出接口用于发送控制电压信号给点力致动器；激活请求信号，表示为μ(n)，应答信号，表示为ack(n)，输入接口用于协调与系统中其他的控制器主体之间的行为关系；其中，n表示离散时间序列；控制器主体的内部结构由用于实现其功能行为的函数组成；下面具体说明各个函数的功能和定义；首先，激活请求函数用来定义控制器主体的操作域和计算激活请求信号，并发送给上层组织；激活请求函数定义为$p_{f_i}\ge T,i=\mathrm{6,8}$                                        激活条件1式中，i为板a的模态阶数，f_i为板a的第i阶模态所对应的特征频率，为特征频率f_i上的腔内声压，T为噪声标准阈值；如果满足激活条件1，则控制器主体被激活并向上层组织发送二进制激活请求信号μ(n)(＝1)，然后上层组织通过协调机制处理激活请求信号，并发送响应信号以决定控制器主体操作状态是激活还是保持不激活；计算功能函数的作用是根据控制算法获得期望的控制信号或控制行为；计算功能函数中的控制算法采用自适应前馈算法FxLMS，相关符号的含义分别为：P(z)是初级通道传递函数；S(z)是次级通道传递函数；是次级通道传递函数的估计；W(z)是自适应滤波器，线性预测初级噪声以最小化残留噪声；x(n)是y(n)经过滤波输出信号和声压误差信号e(n)合成的参考信号；x′(n)是x(n)经滤波得到的信号，称为滤波‑x信号；e(n)是麦克风测得的声压误差信号；d(n)是初级激励在麦克风处产生的声压信号，即初级噪声；s(n)是次级源在麦克风处产生的声压信号；y(n)是自适应滤波器生成的次级电压信号，用于驱动点力致动器；在仿真中，P(z)，S(z)，和W(z)均利用有限脉冲响应(FIR)滤波器进行建模；在时刻n，误差信号e(n)表示为$e\left(n\right)=d\left(n\right)-\underset{m=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{s}_{\mathrm{my}}(n-m)$                                         公式2n,m都是函数的时间参数变量，y(n)是个函数,M是m的取值极限；式中，s_m是M阶FIR滤波器S(z)的系数；次级或控制信号为$y\left(n\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\Sigma }}{w}_l\left(n\right)x(n-l)$                                           公式3式中，w_l(n)是L阶自适应FIR滤波器W(z)在n时刻的系数，其通过FxLMS算法更新为w_l(n+1)＝w_l(n)+μx′(n‑l)e(n),l＝0,...,L‑1          公式4式中，μ是收敛系数；滤波后的参考信号x′(n‑l)在时刻n被定义为$x^{\prime }\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{\hat{s}}_{m}x(n-m)$                                        公式5式中，是M阶FIR滤波器的系数；操作状态计算函数用于识别来自协调体的应答信号，当应答信号ack(n)从0变为1时，控制器主体执行初始化函数，反之执行终止函数，实现主体在激活和禁止状态之间的转换；更新函数用于更新系统内部的状态变量；步骤3：控制器主体之间的协调；通过协调体结构对控制器主体之间的耦合关系进行协调和处理，它包括竞争和合作机制；竞争机制用于没有启动但发送了激活请求信号的控制器主体之间关系的协调；竞争机制由决策函数来执行，决策函数定义为公式6式中，f_max为腔内最大声压对应的频率；考虑到板a特征频率在耦合前后会发生少量变化，使第i阶模态所产生的最大声压频率f_max不一定等于f_i；因此，由此将二者之差绝对值的最小值限定在0～α之间的较小范围内，目的是找到最大声压所对应的结构模态，同时也避免其他模态频率所对应的控制器主体的激活；公式6表明，产生最大声压的结构模态所对应的控制器主体CA_i将会收到协调体发来的肯定应答信号1，从而CA_i被激活并执行初始化函数；其余发送激活请求信号的控制器主体将不能被激活；一个以上的控制器主体用于控制噪声；当多个控制器主体被激活时，它们之间就需要合作；各主体之间的合作是通过协调体向其分配不同的加权系数来实现的，即由协调体中的合作机制进行解决；因为控制器主体的控制行为之间的耦合表现为相互间的传递函数，故将传递函数提取出来储存在协调体中作为加权系数；最后通过协调体结构将各控制器主体组织成一个完整的有源控制系统。