专利名称：可级联的前馈有源控制单元及分布式前馈有源控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种前馈有源控制单元，尤其涉及一种可级联的前馈有源控制单元， 以及一种由该单元级联组成的分布式有源控制系统。本发明特别适用于，但不限于，将多个 可级联的前馈有源控制单元级联组成分布式前馈有源控制系统，在需要多个控制通道的场 合使用。
背景技术：
有源控制器是有源控制系统的核心部分，广泛应用于噪声和振动控制领域。有源 控制器拾取原始噪声或振动信号，通过计算驱动控制源(扬声器或激振器)，使控制源产生 的噪声或振动信号与原始噪声或振动信号相互作用，达到降低噪声或振动的目的。有源控 制器对低频噪声和振动的抑制效果明显，弥补了传统的噪声和振动控制方法在低频效果差 的缺点。目前，有源控制器已广泛应于管道内的有源噪声控制系统、有源抗噪声耳罩、有源 抗噪声耳塞、飞机和轿车舱内的有源噪声控制系统。在通信设备机箱的噪声控制、交通噪声 控制和变压器噪声控制等领域也有大量研究。有源控制器有单通道和多通道的，在控制目标区域小的场合，如有源抗噪声耳罩 和有源抗噪声耳塞，可使用单通道控制系统。在控制目标区域较大的场合，如飞机和轿车舱 内的有源噪声控制、大型变压器有源噪声控制、有源降噪声屏障以及虚拟声屏障，需使用多 通道控制系统。对于多通道控制器，随着通道数的增加，运算量将几何级数形式增加，由于芯片运 算能力的限制，现有技术很难实现16通道以上的控制器。另一方面，运算量的增大需采用 高端的数字处理芯片，成本很高。例如，澳大利亚考兹系统公司生产的EZ-ANC II型有源控 制器为10通道的，南京大学声学所研制的有源控制器为16通道的，国内其它研究单位如西 北工业大学、中国科学院声学研究所等也研究制作了一些有源控制器，这些控制器通道数 一般少于16，应用能力有限，主要用于科学研究和基本实验。因此，在要求控制器通道数量较大的场合，如有源降噪声屏障、大型变压器的有源 噪声控制，使用集中式多通道控制系统难度大、成本高，难于实用。分布式有源控制系统由 多个单通道控制器构成，可以降低有源控制系统的计算量，成本也大幅降低，在上述场合可 代替多通道控制系统使用。例如，2004年国际声学大会(ICA2004)上日本学者报告了他们 在有源声屏障研究上的进展，他们使用分布式控制系统在40米长的声屏障上做了实验，取 得一定的降噪效果。构造分布式控制系统有两种方法，一种是在多通道控制器中，改变数字信号处理 模块的算法，将多通道控制器设置成多个单通道控制器使用，如澳大利亚考兹系统公司生 产的EZ-ANC II型有源控制器，它是10通道的控制器，也可设置为10个单通道控制器使 用，这种方法的缺点是(1)多通道控制器通道数少，因此构造的分布式控制系统通道也少； (2)多通道控制器是一个整体，不方便扩展；(3)有源控制系统的分布尺寸较大时各种连 接线多而长，如在有源声屏障中，控制器要连接传感器、控制源，各个通道的连接线都要汇集到控制器上，不方便。另一种构造分布式控制系统的方法中，使用多个单通道控制器作 为单元，每个单通道控制器物理独立，比如安装在一个独立的尺寸小的机箱中，因此在使用 中布置灵活，扩展方便，与要连接的传感器、控制源等距离近，例如2004年国际声学大会 (ICA2004)上日本学者的学术报告中指出他们在有源声屏障中使用的分布式控制系统即为 这种形式。后一种分布式控制系统的缺点在于(1)系统基本使用反馈控制器作为控制单 元，它要求误差传声器必须靠近次级声源才能使系统稳定，因此控制效果有限；(2)反馈控 制系统存在水床效应，即在某些频段的噪声衰减必然导致其它频段噪声的增强；(3)目前 的分布式控制系统各个控制单元之间完全独立，没有信息传输通道，不利于调试与监控管 理。
发明内容
本发明的目的是提供一种可级联的前馈有源控制单元，以及一种由该单元级联组 成的分布式有源控制系统。该控制单元采用前馈单通道自适应控制算法，控制系统稳定；一 个该控制单元可独立作为单通道前馈有源控制系统使用，多个该控制单元可串行级联组成 分布式前馈有源控制系统使用；控制系统的总通道数可以根据需要任意增减；各控制单元 可通过级联通讯模块实现单元间的信息传输；可通过计算机对由该单元组成的单通道前馈 有源控制系统或分布式前馈有源控制系统进行管理。根据本发明的第一方面，提供一种可级联的前馈有源控制单元，一个该控制单元 可独立作为单通道前馈有源控制系统使用，多个该控制单元可串行级联组成分布式前馈有 源控制系统使用。该单元包括参考信号条件模块、误差信号条件模块、数字信号处理模块、滤波模 块、控制信号驱动模块、级联通讯模块、串口通讯模块。来自该单元以外的参考信号(例如 交通噪声信号、变压器噪声信号、通信设备机箱外壳振动信号)经过参考信号条件模块输 入数字信号处理模块，来自该单元以外的误差信号(例如交通噪声信号、变压器噪声信号、 通信设备机箱外壳振动信号)经过误差信号条件模块输入数字信号处理模块，该单元的数 字信号处理模块通过计算得到控制信号，控制信号依次经过滤波模块和控制信号驱动模块 输入该单元以外的控制源(例如扬声器、激振器)。该单元的级联通讯模块用于连接其它单 元，使得多个该单元可串行级联组成分布式前馈有源控制系统。该单元的串口通讯模块用 于连接计算机。每个单元的级联通讯模块有两个接口，即上行接口与下行接口。一个该单元可独 立作为单通道前馈有源控制系统使用，此时，不使用这两个接口 ；多个单元组成分布式前馈 有源控制系统时，各单元通过自身的级联通讯模块的两个接口依次连接，即前一单元的下 行接口连接后一单元的上行接口，串行级联组成分布式前馈有源控制系统。一个该单元独立作为单通道前馈有源控制系统使用时，该单元的串口通讯模块与 计算机相连，计算机通过计算机串口、该单元串口通讯模块这一通道向该单元发送操作命 令和接收该单元的状态信息；多个单元组成分布式前馈有源控制系统时，各个单元串行级 联，第一个单元通过串口通讯模块和计算机连接，计算机通过计算机串口、第一个单元的串 口通讯模块、各个单元的级联通讯模块这一通道向任意或所有单元发送操作命令和接收任 意或所有单元的状态信息，由此可方便地通过计算机对任意单元进行调试与监控管理。。
5
该单元的滤波模块为重构滤波模块或低通滤波模块，对来自数字信号处理器的信 号进行滤波，再通过控制信号驱动器向控制源输出控制信号。该单元的数字信号处理模块采用目前教科书上都有详细论述的前馈单通道自适 应控制算法。根据本发明的第二方面，提供一种分布式前馈有源控制系统，该系统由如本发明 内容第一方面所述的可级联的前馈有源控制单元通过各单元的级联通讯模块的上行接口 与下行接口依次连接，即前一单元的下行接口连接后一单元的上行接口，串行级联组成。例 如，设共有N个单元组成分布式前馈有源控制系统，则第一个单元的下行接口连接第二个 单元的上行接口，第二个单元的下行接口连接第三个单元的上行接口，依此类推，最后，第 N-I个单元的下行接口连接第N个单元的上行接口。组成该系统的各个可级联的前馈有源控制单元的数字信号处理模块采用前馈单 通道自适应控制算法，即各单元的数字信号处理模块通过计算得到控制信号仅与该单元的 参考信号、误差信号有关，与其它单元的无关。组成该系统的可级联的前馈有源控制单元数目可根据需要任意增减。组成该系统的各个可级联的前馈有源控制单元串行级联，第一个单元通过串口通 讯模块和计算机连接，计算机通过计算机串口、第一个单元的串口通讯模块、各个单元的级 联通讯模块这一通道向任意或所有单元发送操作命令和接收任意或所有单元的状态信息。本发明的有益效果是(1)使用本发明的可级联的前馈有源控制单元构成分布式 前馈有源控制系统，可解决使用反馈有源控制单元的两大问题，即控制效果和系统稳定性 之间的两难问题(控制系统效果越好，系统会变得越不稳定)，以及水床效应问题(某些频 段的噪声衰减必然导致其它频段噪声的增强)；(2)本发明的前馈有源控制单元具有级联 通讯模块，由该单元组成的分布式前馈有源控制系统，可实现任意单元间的信息传输；(3) 本发明的分布式有源控制系统可在计算机上的软件界面设置组成该系统的各单元的各种 控制参数，下发各种操作指令，显示各单元的状态信息，操作简便，方便地对任意单元进行 调试与监控管理；(4)使用本发明的前馈有源控制单元构成分布式前馈有源控制系统，总 通道数可以根据科学研究或工程实现的需要任意增减，扩展方便；(5)在要求控制器通道 数量较大的场合，本发明的分布式有源控制系统可代替多通道控制器，降低控制系统的复 杂程度和实现成本。
四
为方便理解和实施本发明，可参照附图描述示例性的优选实施例子，其中图1是可级联的前馈有源控制单元的原理图；图2是分布式前馈控制系统的原理图；图3是软件模块示意图；图4是操作命令在各个软件模块的传递路径图；图5是可级联的前馈有源控制单元的DSP的程序流程图；图6是计算机上运行的软件界面。五具体实施例方式下面通过实例对本发明进行详细说明本发明的可级联的前馈有源控制单元1原理图见图1，包括参考信号条件模块3、 误差信号条件模块4、数字信号处理模块5、滤波模块6、控制信号驱动模块7、级联通讯模块 8和串口通讯模块9。来自该单元以外的参考传感器12的信号经过参考信号条件模块3处 理后输入数字信号处理模块5 ；来自该单元以外的误差传感器13的信号经过误差信号条件 模块4输入数字信号处理模块5 ；该单元的数字信号处理模块5通过前馈单通道自适应算 法计算得到控制信号，控制信号依次经过滤波模块6和控制信号驱动模块7输入该单元以 外的控制源14。参考信号条件模块3可通过模拟电路实现，将来自参考传声器12的信号放大、整 形、归一化，再输入到数字信号处理模块5的模拟输入端。误差信号条件模块4可通过模拟 电路实现，将来自误差传感器13的信号放大、滤波、归一化，再输入到数字信号处理模块5 的模拟输入端。数字信号处理模块5包括一个模数/数模转换芯片，一个实时数据处理芯片，模数 /数模转换芯片将数字信号处理模块5模拟输入端的信号转化为数字信号并输入给实时数 据处理芯片。实时数据处理芯片计算得到控制信号输出至模数/数模转换芯片，模数/数 模转换芯片将该信号转化为模拟信号并输出至数字信号处理模块5模拟输出端。数字信号处理模块5模拟输出端的信号经滤波模块6到达控制信号驱动模块7。 滤波模块6可用模拟电路实现，对信号进行重构滤波，并在1000Hz截止，根据需要，截止频 率可以扩展，如至1600Hz。控制信号驱动模块7可用模拟电路实现，用以驱动控制源14，本 例子采用30W的功率放大器驱动控制源。级联通讯模块8使用数字信号处理模块5中的DSP芯片的八个管脚自行定义实 现，其中四个管脚为上行接口 10，另四个管脚为下行接口 11，上行接口用于连接前一单元， 下行接口用于连接后一单元。除本实施例的方法外，级联通讯模块8也可用其它方式实现， 例如选用TCP/IP网络接口芯片。串口通讯模块9包括一个连接串口与数字信号处理芯片的串口通讯芯片，其功能为 在串口与数字信号处理芯片间进行电平转换，即串口输入信号进行电平转换后输入数字信号 处理芯片，也将数字信号处理芯片要输出到串口的信号进行电平转换形成串口输出信号。如只将一个单元独立作为单通道前馈有源控制系统使用，不需使用级联通讯模块 8，将该单元的串口通讯模块9与计算机15连接，通过计算机15上的软件界面可向该单元 发送操作命令和接收该单元的状态信息。操作命令依次经过计算机软件界面程序、计算机 串口、该单元的串口通讯模块9到达数字信号处理模块5并由数字信号处理模块5执行 ’另 一方面，数字信号处理模块5将本单元的工作状态和输入信号幅值等状态信息依次通过串 口通讯模块9、计算机串口到达计算机软件界面程序并显示于软件界面上。整个单元可集成安装在一个外部有接口的小体积机箱内部，接口包括与参考传声 器、误差传声器的接口，与控制源的接口，上行接口 10，下行接口 11和串口。本发明的分布式前馈有源控制系统2的原理图见图2，它由各前馈有源控制单元1 通过自身的级联通讯模块8依次连接，串行级联组成。如图2所示，由N个单元组成的分布 式前馈有源控制系统2，第一个单元的下行接口 11连接第二个单元的上行接口 10，第二个
7单元的下行接口 11连接第三个单元的上行接口 10，依此类推，最后，第N-I个单元的下行接 口 11连接第N个单元的上行接口 10。第一个单元通过该单元的串口通讯模块9和计算机 连接。可通过计算机15向任意或所有单元发送操作命令，也可通过计算机15接收任意或 所有单元的状态信息，并显示于软件界面上。由此可方便灵活地通过计算机15对任意单元 进行调试与监控管理。单元数目N可根据使用需要任意增减。组成分布式前馈有源控制系统2的各个可级联的前馈有源控制单元1的数字信号 处理模块5采用前馈单通道自适应控制算法，即各单元的数字信号处理模块5通过计算得 到控制信号仅与该单元的参考信号、误差信号有关，与其它单元的无关。换而言之，该系统 是分布式控制的，但通过级联方式进行集中管理。本实施例的软件编制分为五个部分，如图3所示(1)前馈控制算法软件模块包 括控制源和误差传感器间物理场的建模软件模块，实时控制信号产生软件模块，控制信号 更新软件模块，在各单元的数字信号处理模块5所在的DSP芯片上执行；(2)操作维护软件 模块包括操作命令处理软件模块，状态信息上报软件模块，在各单元的数字信号处理模块 5所在的DSP芯片上执行；(3)级联通讯软件模块，在各单元的数字信号处理模块5所在的 DSP芯片上执行；(4)串口通讯软件模块，在各单元的数字信号处理模块5所在的DSP芯片 上和计算机上执行；(5)用户界面软件模块，在计算机15上执行。在DSP上采用汇编语言 和C语言编制程序，在计算机上采用美国国家仪器的CVI工具软件编制程序。前馈控制算法可采用常用的FXLMS算法，并分为控制源14和误差传感器13间物 理场的建模软件模块，实时控制信号产生软件模块和控制信号更新软件模块三个部分。操作命令处理软件模块处理来自级联通讯模块8的操作命令，状态信息上报软件 模块将各单元自身的工作状态、输入信号幅值和数字信号处理模块5的滤波器系数等信息 传递给级联通讯模块8。级联通讯软件模块接收来自上行接口 10与串口通讯软件模块的下行消息，以及 来自下行接口 11与状态信息上报软件模块的上行消息。下行消息为操作命令，若操作命令 的对象是本单元，则将操作命令传递给操作命令处理软件模块，若操作命令的对象是所有 单元，则将操作命令传递给操作命令处理软件模块和下行接口 11，若操作命令的对象是后 面的单元，则将操作命令传递给下行接口 11。上行消息为后面单元或本单元的状态信息，本 单元将该消息转发至上行接口 10，若本单元为第一个单元，则转发至串口通讯软件模块。仅第一个单元的串口通讯软件模块是工作的，它接收来自计算机15的下行消息， 以及来自级联通讯软件模块的上行消息。下行消息为操作命令，若操作命令的对象是本单 元，则将操作命令传递给操作命令处理软件模块，若操作命令的对象是所有单元，则将操作 命令传递给操作命令处理软件模块和下行接口 11，若操作命令的对象是后面的单元，则将 操作命令传递给下行接口 11。上行消息为后面单元或本单元的状态信息，本单元将该消息 传递给计算机15的串口。计算机上的串口通讯模块将来自用户界面模块的操作命令传递给计算机串口，将 来自计算机串口的状态信息传递给用户界面模块。计算机上的用户界面模块提供图形界面实现友好的人机交互，可通过界面下发对 某个特定单元或所有单元的操作命令，以及观察各单元上报的状态信息。操作命令包括但 不限于次级通道建模启动与停止、自适应控制启动与停止、固定滤波器系数控制启动与停止、设置前馈控制算法的各项参数、滤波器系数复位、存取滤波器系数、系统初始化、系统自 检和系统复位等，各单元的数字信号处理模块根据接收到的命令内容执行相应功能。状态 信息包括单元工作状态、输入信号幅值和数字信号处理模块的滤波器系数等，各单元的数 字信号处理模块将本单元的状态信息上传至计算机的软件界面显示。一个可选的用户界面 例子如图6所示。图3和图4分别显示了状态信息与操作命令在各个软件模块的传递路径。DSP中的软件的程序流程图如图5所示，各单元开机后首先进行自检，自检后监测 DSP中断，共有模数转换中断、串口中断、级联接口中断和定时器中断共四种中断。其中模数 转换中断来自模数数模转换芯片，DSP根据当前工作状态选择执行(1)次级通道建模，(2) 更新滤波器并产生控制信号即自适应控制，(3)不更新滤波器并产生控制信号即固定滤波 器参数控制，(4)什么也不做。串口中断来自串口通讯芯片，此时必然是串口传来操作命令， DSP根据操作命令中的命令对象参数选择执行和/或转发该操作命令。级联接口中断来自 上、下行接口，若来自上行接口，必然是从前一单元传来操作命令，DSP根据操作命令中的命 令对象参数选择执行和/或转发该操作命令；若来自下行接口，必然是从后一单元传来状 态信息，DSP根据本单元是否第一个单元选择将该状态信息转发至串口或上行接口。定时 器中断来自DSP中定义的定时器，目的是定时上报本单元的状态信息。前面的详细描述只提供了优选实施例，对本发明的范围、使用性或构造不产生任 何限制。前面对优选实施例的详细描述只是为了使本领域的技术人员能够实现本发明的优 选实施例。应当理解，在不偏离所附权利要求限定的本发明的宗旨和范围的前提下，可以在 本发明的各组成部分的功能和布局上进行各种改变。
权利要求
1.一种可级联的前馈有源控制单元(1)，其特征在于该单元包括参考信号条件模块(3)、误差信号条件模块(4)、数字信号处理模块(5)、滤 波模块(6)、控制信号驱动模块(7)、级联通讯模块(8)、串口通讯模块(9)；来自该单元以外的参考信号经过参考信号条件模块(3)输入数字信号处理模块(5)， 来自该单元以外的误差信号经过误差信号条件模块(4)输入数字信号处理模块(5)，该单 元的数字信号处理模块(5)通过计算得到控制信号，控制信号依次经过滤波模块(6)和控 制信号驱动模块(7)输入该单元以外的控制源；该单元的级联通讯模块(8)用于连接其它单元，使得多个该单元可串行级联组成分布 式前馈有源控制系统(2)；该单元的串口通讯模块(9)用于连接计算机。
2.如权利要求1所述的可级联的前馈有源控制单元，其特征在于每个单元的级联通讯模块(8)有两个接口，即上行接口(10)与下行接口(11)； 一个该单元可独立作为单通道前馈有源控制系统使用，此时，不使用这两个接口 ； 多个单元组成分布式前馈有源控制系统(2)时，各单元通过自身的级联通讯模块(8) 的两个接口依次连接，即前一单元的下行接口(11)连接后一单元的上行接口(10)，串行级 联组成分布式前馈有源控制系统。
3.如权利要求1所述的可级联的前馈有源控制单元，其特征在于一个该单元独立作为单通道前馈有源控制系统使用时，该单元的串口通讯模块(9)与 计算机相连，计算机通过计算机串口、该单元串口通讯模块这一通道向该单元发送操作命 令和接收该单元的状态信息；多个单元组成分布式前馈有源控制系统(2)时，各个单元串行级联，第一个单元通 过串口通讯模块(9)和计算机连接，计算机通过计算机串口、第一个单元的串口通讯模块 (9)、各个单元的级联通讯模块(8)这一通道向任意或所有单元发送操作命令和接收任意 或所有单元的状态信息。
4.如权利要求1所述的可级联的前馈有源控制单元，其特征在于滤波模块(6)为重 构滤波模块或低通滤波模块。
5.如权利要求1所述的可级联的前馈有源控制单元，其特征在于数字信号处理模块 (5)采用前馈单通道自适应控制算法。
6.一种分布式前馈有源控制系统，其特征在于该系统由如权利要求1所述的可级联的前馈有源控制单元(1)通过各单元的级联通讯 模块(8)的上行接口(10)与下行接口(11)依次连接，即前一单元的下行接口(11)连接后 一单元的上行接口(10)，串行级联组成；设共有N个单元组成分布式前馈有源控制系统，则第一个单元的下行接口(11)连接第 二个单元的上行接口(10)，第二个单元的下行接口(11)连接第三个单元的上行接口(10)， 依此类推，最后，第N-I个单元的下行接口(11)连接第N个单元的上行接口(10)。
7.如权利要求6所述的分布式前馈有源控制系统，其特征在于组成该系统的各个可 级联的前馈有源控制单元(1)的数字信号处理模块(5)如权利要求5所述采用前馈单通道 自适应控制算法，即各单元的数字信号处理模块(5)通过计算得到控制信号仅与该单元的 参考信号、误差信号有关，与其它单元的无关。
8.如权利要求6所述的分布式前馈有源控制系统，其特征在于组成该系统的可级联 的前馈有源控制单元数目可根据需要任意增减。
9.如权利要求6所述的分布式前馈有源控制系统，其特征在于组成该系统的各个可 级联的前馈有源控制单元(1)串行级联，第一个单元通过串口通讯模块(9)和计算机连接， 计算机通过计算机串口、第一个单元的串口通讯模块(9)、各个单元的级联通讯模块(8)这 一通道向任意或所有单元发送操作命令和接收任意或所有单元的状态信息。
全文摘要
本发明公开了一种可级联的前馈有源控制单元，以及一种由该单元级联组成的分布式有源控制系统。该单元包括参考信号条件模块、误差信号条件模块、数字信号处理模块、滤波模块、控制信号驱动模块、级联通讯模块、串口通讯模块。该单元采用前馈单通道自适应控制算法，控制效果好，控制系统稳定。一个该单元可独立作为单通道前馈有源控制系统使用。该单元的级联通讯模块用于连接其它单元，使得多个该单元可串行级联组成分布式前馈有源控制系统，控制系统的总通道数可以根据需要任意增减，各单元可通过级联通讯模块实现单元间的信息传输。该单元的串口通讯模块用于连接计算机，可通过计算机对由该单元组成的单通道前馈有源控制系统或分布式前馈有源控制系统进行管理。本发明的分布式有源控制系统通过多个前馈有源控制单元级联而成，在控制器通道数量较大的场合，可代替多通道控制器使用，降低控制系统的复杂程度和实现成本，该控制系统操作简单，配置灵活，并具有实时控制的能力。
文档编号G05B19/042GK102081368SQ201110039638
公开日2011年6月1日 申请日期2011年2月17日 优先权日2011年2月17日
发明者卢晶, 吴海全, 吴训, 师瑞文, 彭久高, 曾荣源, 李宁荣, 林志斌, 耿锡年, 董家富, 邱小军, 邹海山, 陈卫松, 陈家兴, 陈锴, 陶建成 申请人:南京大学, 深圳市冠旭电子有限公司