CN112540586B - 一种基于星型网络的分布式声振主动控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于星型网络的分布式声振主动控制***,主要由主机和多个控制器构成,其中主机通过网线与所有控制器相连,而各控制器之间不存在直接的网络连接,***整体呈星型网络形式。主机由第一网络通信模块、控制监测模块、控制参数选择模块和显示模块构成。控制器主要由第二网络通信模块、自适应控制算法模块、信号采集模块、信号输出及驱动模块构成。本发明通过增加主机和通讯模块,将各分散式子控制***通过星型网络链接起来,实现了对各子控制***状态的监测,并进一步对各子控制***的控制参数实施动态调整,从而在保障***总体稳定的前提下,维持了分散式控制中各子***的独立性。
Description
技术领域
本发明属于噪声和振动控制领域,具体涉及一种基于星型网络的分布式声振主动控制***。
背景技术
旋转、往复机械是常用的工业设备,其运行时激励的周期性线谱噪声和振动是工业噪声振动的主要成分之一,如何有效对上述线谱噪声和振动进行抑制已日益受到关注,在航空、电力、船舶等行业有着重要的应用背景。
在实际应用中,为有效抑制大型结构体的整体线谱噪声和振动,往往需要布放多个作动器、传感器单元,实施多通道控制。传统的集总控制方法将所有作动器、传感器连接至同一控制器,将***视为一个整体实施控制。随着通道数增多,该方法对控制器的实现提出更高的要求,同时布线复杂、通用性差,故其实用受到限制。
与集总式控制相比,分散式控制将多通道***简化为多个子***的叠加、将复杂的高阶控制问题等效为多个简单的低阶控制***的并联,故可大大简化***整体的实现难度、提升通用性。然而,由于忽略了各子***间的物理耦合,分散式控制存在潜在不稳定的问题,这极大制约了该技术的实用性。针对这一问题,在现有技术中也公开了一种解决分散式控制的潜在不稳定的方法,通过优化各控制单元内自适应算法的参数,解决了分散式控制的潜在不稳定问题。但是,该方法要求所有控制单元必须同时工作,任何控制子***的关闭都会重新让***陷入不稳定的风险中,即此时各控制子***丧失了工作的独立性。
与分散式控制相比,分布式控制通过在各个控制器间建立网络连接关系、精确或近似实现集总式控制算法,从而表现出更好的***稳定性。现有的技术方案中,通过环状网络或仅相邻节点具有链接关系的网状网络实现分布式控制,且一般各节点仅实施单通道控制。上述分布式控制实施过程中,各节点间存在大量的实时数据传输,网络通信延迟对控制效果影响较大;另外,***中缺乏对整体控制效果的监测机制,且某个控制节点的损坏或关闭会引起整个***的失效。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题,本发明提供了一种基于星型网络的分布式声振主动控制***,针对线谱噪声和振动,实现了全局稳定的分散式自适应控制。
本发明采用的技术方案如下:
一种分布式声振主动控制***,主要由主机和多个控制器构成,其中主机通过网线与所有控制器相连,而各控制器之间不存在直接的网络连接,***整体呈星型网络形式;
所述的主机包括一个控制参数选择模块;所述的控制参数选择模块,被配置为根据外部输入或内部设置的线谱噪声或振动频率信息,生成控制频率值并下载至各个控制器中;且控制参数选择模块根据当前各个控制器的实际工作状态,选择对应的一组控制参数,并下载至各个控制器中;
所述的控制器包括一个自适应控制算法模块;所述的自适应控制算法模块利用采集的传感器信号、根据主机传送的控制频率值和控制参数,对线谱噪声或振动实施自适应控制,其输出的数字控制信号一方面输入信号输出及驱动模块,另一方面上传至主机。
作为进一步的技术方案,所述的主机还包括第一网络通讯模块,所述的第一网络通讯模块实时接收各个控制器上传的传感器采样数据和控制器输出数据,并将上述数据输入给主机的控制监测模块。
作为进一步的技术方案,所述的控制监测模块利用接收到的数据,计算和评价当前的控制效果,并将该结果输入主机的显示模块进行显示;同时,控制监测模块根据其输入数据实时监测各个控制器的工作状态,并将其输入至控制参数选择模块。
作为进一步的技术方案,所述的控制参数选择模块仅在生成的控制频率值或选择的控制参数发生变化时才触发网络通信,并将当前参数下载至各个控制器中。
作为进一步的技术方案,各个控制器连接的传感器数目应不小于作动器数目。
作为进一步的技术方案,所述的控制器还包括信号采集模块,所述的信号采集模块外接若干传感器,负责采集传感器的输出信号并将其转换为数字信号,该信号一方面输入自适应控制算法模块,另一方面通过第二网络通信模块上传至主机。
作为进一步的技术方案,所述的控制器包括第二网络通讯模块,第二网络通信模块负责将传感器信号和控制算法输出的控制信号实时上传至主机,同时接收来自主机传送的控制频率和控制参数,并将其写入自适应控制算法模块。
作为进一步的技术方案,所述的控制器包括信号输出及驱动模块,所述的信号输出及驱动模块接收自适应控制算法模块输出的数字控制信号,将其转换为模拟信号后通过功率放大器驱动与该模块连接的外部作动器,实施噪声或振动的主动控制。
作为进一步的技术方案,所述的分布式声振主动控制***,还包括初始化模块,所述的初始化模块首先依次对所有作动器至所有传感器在控制频率处的频率响应进行辨识;其次,利用上述辨识的频率响应数据,针对每种控制器的开关组合状态,计算能令控制***全局稳定的控制参数值,并进行存储;最后,将当前工作状态对应的控制参数连同控制频率下载至各个控制器中,开启控制功能。
本发明的主要优势在于:
(1)与现有的分散式主动控制方法相比,本发明通过增加主机和通讯模块,将各分散式子控制***通过星型网络链接起来,实现了对各子控制***状态的监测,并进一步的对各子控制器的控制参数实施动态调整(主要是通过主机的控制参数选择模块实现),从而在保障***总体稳定的前提下,维持了分散式控制中各子***的独立性,即单独关闭某个或某些子***不会影响其他子***控制的稳定性,更符合实际应用的需求;
(2)与现有的分布式主动控制方法相比,本发明将各控制器的单通道控制拓展为多通道,并利用主机和星型结构建立网络链接,不仅能极大降低网络通信的数据流量和整体的计算量、消除网络通信延迟对控制效果的影响,还可利用主机实时监测***的整体控制效果,且消除了某个控制节点损坏或关闭对整个***的不利影响。
附图说明
图1是本发明涉及的一种分布式声振主动控制***框图;
图2是本发明一种具体实施例中的自适应控制算法框图。
具体实施方式:
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非本发明另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合;
本实施例的结构如图1所示,基于星型网络的分布式声振主动控制***主要由1个主机和N个控制器构成,其中主机通过网线或者无线通讯方式与所有N个控制器相连,而各控制器之间不存在直接的网络连接,***整体呈星型网络形式,构成了分布式控制方式;
进一步的,本实施例中的主机主要由第一网络通信模块、控制监测模块、控制参数选择模块和显示模块构成。
其中,第一网络通信模块实时接收N个控制器上传的传感器采样数据和控制器输出数据,并将上述数据输入控制监测模块;
控制监测模块利用上述数据,计算和评价当前的控制效果,并将该结果输入显示模块进行显示;同时,控制监测模块根据其输入数据实时监测各个控制器的工作状态,并将其输入至控制参数选择模块。
控制参数选择模块连接外部旋转设备(振源)的转速计,并根据这一信号生成控制频率值并通过第一网络通信模块下载至各个控制器中;另外,控制参数选择模块根据当前各个控制器的实际开关状态,从2N-1个预存储的控制参数中选择与当前状态对应的一组控制参数,并通过第一网络通信模块下载至各个控制器中。
控制参数选择模块仅在生成的控制频率值或选择的控制参数发生变化时才触发网络通信,并将更新后的频率或控制参数下载至各个控制器中。在其他实施例中,线谱噪声或振动频率信息不仅可从其他的传感器或设备获取,也可直接人为设定。
进一步,本实施例中的控制器主要由第二网络通信模块、自适应控制算法模块、信号采集模块、信号输出及驱动模块构成;
其中,信号采集模块外接K个加速度计,负责采集加速度计的输出信号并将其转换为数字信号,该数字信号一方面输入自适应控制算法模块,另一方面通过第二网络通信模块上传至主机。
自适应控制算法模块利用采集的K路加速度信号、根据主机通过第一网络通信模块传送的控制频率值ω和控制参数C,对由外部旋转设备激励的线谱振动实施自适应控制,其输出的M路数字控制信号一方面输入信号输出及驱动模块,另一方面通过第二网络通信模块上传至主机。
信号输出及驱动模块接收自适应控制算法模块输出的M路数字控制信号,将其转换为模拟信号后通过功率放大器驱动与该模块连接的M(M<=K)个激振器,实施振动主动控制。第二网络通信模块负责将K路加速度信号和控制算法输出的M路控制信号实时上传至主机,同时接收来自主机传送的控制频率和控制参数,并将其写入自适应控制算法模块。在其他实施例中,各个控制器连接的传感器和作动器数目可不一致,但传感器数目应不小于作动器数目。
图2给出了本实施例中控制器自适应控制算法模块的具体实现结构。首先,根据主机传送的控制频率ω,生成参考信号
xc(n)=cos(ωn),xs(n)=sin(ωn)
其次,计算输出信号向量
y(n)=xc(n)wc(n)+xs(n)ws(n)
上式中wc(n)、ws(n)为M×1维控制器向量,y(n)为M×1维输出信号向量。
进一步,利用K×1维加速度信号输入向量e(n),根据LMS算法对控制器向量进行自适应更新
wc(n+1)=wc(n)-μRc(n)e(n)
ws(n+1)=ws(n)-μRs(n)e(n)
Rc(n)=Re<C>xc(n)+Im<C>xs(n)
Rs(n)=Re<C>xs(n)-Im<C>xc(n)
其中μ为更新步长,M×K维矩阵C为主机传送的控制参数。在其他实施例中,也可实用现有的其他线谱自适应控制算法实施主动控制。
本实施例中的分布式振动主动控制***,在首次开机时需要进行初始化,包含步骤如下:首先,依次对所有激振器至所有加速度计在控制频率处的频率响应进行辨识;其次,利用上述辨识的频率响应数据,针对2N-1种控制器的开关组合状态,根据现有论文(https://doi.org/10.1016/j.jsv.2020.115763)给出的方法,计算能令控制***全局稳定的控制参数值并进行存储
其中C的下标j对应第j个控制器,上标i对应不同的控制器开关组合状态;最后,将当前工作状态对应的一组控制参数连同控制频率依次下载至对应的控制器中,开启控制功能。每当***中的某个或多个控制器开关状态改变时,上述控制参数均须根据当前的状态重新读取,并依次下载至对应的控制器中。
在其他实施例中,可将传声器、扬声器连接至各控制器,实现线谱噪声的主动控制或者线谱噪声和振动的混合主动控制。
除上述实施例外,凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均落在本发明要求的保护范围内。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于星型网络的分布式声振主动控制***,其特征在于,由主机和多个控制器构成,其中主机与所有控制器通讯,各个控制器之间相互独立;
所述的主机包括一个控制参数选择模块;所述的控制参数选择模块,被配置为根据外部输入或内部设置的线谱噪声或振动频率信息,生成控制频率值并下载至各个控制器中;且控制参数选择模块根据当前各个控制器的实际工作状态,选择对应的一组控制参数,并下载至各个控制器中;所述的控制参数选择模块仅在生成的控制频率值或选择的控制参数发生变化时才触发网络通信,并将当前参数下载至各个控制器中;
所述的控制器包括一个自适应控制算法模块;所述的自适应控制算法模块利用采集的传感器信号、根据主机传送的控制频率值和控制参数,对线谱噪声或振动实施自适应控制,其输出的数字控制信号一方面输入信号输出及驱动模块,另一方面上传至主机。
2.如权利要求1所述的基于星型网络的分布式声振主动控制***,其特征在于,所述的主机还包括第一网络通讯模块,所述的第一网络通讯模块实时接收各个控制器上传的传感器采样数据和控制器输出数据,并将上述数据输入给主机的控制监测模块。
3.如权利要求2所述的基于星型网络的分布式声振主动控制***,其特征在于,所述的控制监测模块利用接收到的数据,计算和评价当前的控制效果,并将该结果输入主机的显示模块进行显示;同时,控制监测模块根据其输入数据实时监测各个控制器的工作状态,并将其输入至控制参数选择模块。
4.如权利要求1所述的基于星型网络的分布式声振主动控制***,其特征在于,各个控制器连接的传感器数目应不小于作动器数目。
5.如权利要求1所述的基于星型网络的分布式声振主动控制***,其特征在于,所述的控制器还包括信号采集模块,所述的信号采集模块外接若干传感器,负责采集传感器的输出信号并将其转换为数字信号,该信号一方面输入自适应控制算法模块,另一方面通过第二网络通信模块上传至主机。
6.如权利要求1所述的基于星型网络的分布式声振主动控制***,其特征在于,所述的控制器包括第二网络通讯模块,第二网络通信模块负责将传感器信号和控制算法输出的控制信号实时上传至主机,同时接收来自主机传送的控制频率和控制参数,并将其写入自适应控制算法模块。
7.如权利要求1所述的基于星型网络的分布式声振主动控制***,其特征在于,所述的控制器包括信号输出及驱动模块,所述的信号输出及驱动模块接收自适应控制算法模块输出的数字控制信号,将其转换为模拟信号后通过功率放大器驱动与该模块连接的外部作动器,实施噪声或振动的主动控制。
8.如权利要求1所述的基于星型网络的分布式声振主动控制***,其特征在于,还包括初始化模块,所述的初始化模块首先依次对所有作动器至所有传感器在控制频率处的频率响应进行辨识;其次,利用上述辨识的频率响应数据,针对每种控制器的开关组合状态,计算能令控制***全局稳定的控制参数值,并进行存储;最后,将当前工作状态对应的控制参数连同控制频率下载至各个控制器中,开启控制功能。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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