專利名稱：敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及噪聲控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種彈性腔體內(nèi)的噪聲控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，在注重飛機、坦克、汽車性能的同時，乘駕舒適性問題日益為人們所關(guān)注，上述產(chǎn)品腔體內(nèi)噪聲作為衡量乘駕舒適性的一個重要指標，已逐漸為客戶與相關(guān)廠商所重視，現(xiàn)在主要有以下幾種控制噪聲的方式(1)傳統(tǒng)噪聲控制技術(shù)，傳統(tǒng)的控制腔內(nèi)噪聲的徐徑主要有減弱聲源強度、隔絕傳播途經(jīng)、吸聲處理等，其主要缺點， 是對原系統(tǒng)增加很大的附加質(zhì)量，使原系統(tǒng)極笨重，且不經(jīng)濟；(2)主動控制技術(shù)，主要包括有源噪聲控制技術(shù)(ANC)和有源振動控制(AVC)，有源噪聲控制技術(shù)(ANC)它與傳統(tǒng)的降噪技術(shù)相比，突出的優(yōu)點在于對低頻噪聲控制效果好，且對原系統(tǒng)的附加質(zhì)量小，近年來得到了廣泛的應(yīng)用，它的原理是人為、有目的地產(chǎn)生一個次級信號去控制初級信號，以達到降噪的目的，它的缺點有時容易溢出；有源振動控制(AVC)又叫主動振動控制，它是用另一個振動源產(chǎn)生某種振動，迭加到原有的振動上，達到減振、隔振和吸振的目的，有源振動控制作為一種新的有效方法，具有低頻效果好，可以任意改變振動系數(shù)的等效阻尼、質(zhì)量和彈性系數(shù)等優(yōu)點，并且可以在一定的頻帶寬度內(nèi)同時控制多個頻率點的固有振動方式的響應(yīng)等許多優(yōu)點，有源振動控制的缺點結(jié)構(gòu)振動會產(chǎn)生其它的噪聲，另外，用次級聲源進行的有源控制往往需要許多次級聲源，結(jié)構(gòu)較龐大，不太適合空腔噪聲控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目是提供一種可有效抑制或減少彈性腔體內(nèi)的噪聲、體積質(zhì)量小、不容易失效的敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)。為達到上述發(fā)明目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)，該方案主要是采用主動約束阻尼(ACLD)機理來消噪，該控制系統(tǒng)包括基于DSP的主控制器及分別與主控制器連接的智能驅(qū)動電路、RFID信號接收電路、系統(tǒng)電源電路、鍵盤接口電路、液晶接口電路，所述控制系統(tǒng)還包括粘貼在被控制腔體腔壁外表面的阻尼材料、貼在阻尼材料上的動作執(zhí)行元件壓電薄膜、貼在被控制腔體腔壁內(nèi)表面可測量被控制腔體腔壁的應(yīng)變并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至主控制器中的智能壓電傳感器，所述智能驅(qū)動電路與壓電薄膜連接，所述智能壓電傳感器通過RFID信號接收電路將信號傳輸給主控制器，主控制器接收智能壓電傳感器發(fā)出的信號并根據(jù)信號計算出驅(qū)動數(shù)據(jù)，與主控制器連接的智能驅(qū)動電路將驅(qū)動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓信號傳輸給貼在阻尼材料上的壓電薄膜，壓電薄膜產(chǎn)生約束力約束阻尼材料產(chǎn)生剪切變形以最大量耗散被控制腔體腔壁的振動能量來抑制噪聲。其中所述主控制器的控制步驟包括建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行極點配置、對被控制腔體噪聲進行控制，對被控制腔體噪聲進行控制先判斷噪聲是否異常不可控，噪聲異常不可控直接返回建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的步驟，噪聲不是異常不可控直接判斷噪聲是否小于期望值，噪聲小于期望值主控制器直接輸出驅(qū)動數(shù)據(jù)給智能驅(qū)動電路，噪聲不小于期望值再判斷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是否有微小時變，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型無微小時變直接進入自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的步驟，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型有微小時變先在線校正模型再進入自適應(yīng)調(diào)節(jié) PID參數(shù)的步驟，自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)后主控制器輸出驅(qū)動數(shù)據(jù)給智能驅(qū)動電路，輸出驅(qū)動數(shù)據(jù)后主控制器進入模型在線校正所需數(shù)據(jù)更新的步驟。其中建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型包括輸入輸出數(shù)據(jù)采集及處理、模型參數(shù)辨識、模型驗證的步驟。其中自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的步驟中的自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的方法是把系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)模型作為內(nèi)部模型進行內(nèi)?？刂?，在內(nèi)模控制時結(jié)合單神經(jīng)PID控制，即利用單神經(jīng)算法，動態(tài)修改PID參數(shù)，從而使系統(tǒng)的動態(tài)特性更優(yōu)化，同時由于內(nèi)?？刂坪蛦紊窠?jīng) PID的結(jié)合，使系統(tǒng)能很好的動態(tài)解耦。其中所述被控制腔體腔壁外表面貼阻尼材料的位置與腔壁內(nèi)表面貼智能壓電傳感器的位置相對應(yīng)。其中所述智能驅(qū)動電路包括增強型8051單片機及分別與增強型8051單片機連接的壓電驅(qū)動輸出電路，壓電驅(qū)動輸出電路包括依次連接的A/D轉(zhuǎn)換電路、電壓放大器、功率放大器，壓電驅(qū)動輸出電路還包括與功率放大器連接的高壓保護電路及連接于功率放大器輸出端與電壓放大器輸入端間的電壓負反饋穩(wěn)定電路。其中所述智能壓電傳感器包括依次連接的傳感元件、前置放大器、帶通濾波器、后置差動放大器及智能RFID芯片。其中所述智能壓電傳感器為分布式網(wǎng)絡(luò)智能壓電無線傳感器，所述智能RFID芯片為CCM30，所述傳感元件為壓電薄膜。采用本發(fā)明敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有以下有益效果
1.本發(fā)明采用主動約束阻尼(ACLD)機理來消噪，主控制器輸出的驅(qū)動數(shù)據(jù)通過智能驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為控制電壓給壓電薄膜，壓電薄膜約束阻尼材料產(chǎn)生剪切變形以最大量耗散被控制腔體腔壁的振動能量進行降噪，即使電子控制系統(tǒng)失效，仍然依靠阻尼材料來降噪， 能防止系統(tǒng)的徹底失效；
2.本發(fā)明的主控制器可根據(jù)系統(tǒng)信息自動生成或重建或修正系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型建立困難的問題，主控制器自動在線調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，從而在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變時，能自動在線調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，把被動約束與主動約束結(jié)合了起來，降噪效果明顯，避免了模型失配時、系統(tǒng)的失效；
3.本發(fā)明信號檢測部分的智能壓電傳感器采用了智能RFID芯片CCM30，它集成了一片增強型工業(yè)級8051單片機、無線收發(fā)模塊以及A/D轉(zhuǎn)換模塊，智能壓電傳感器非常小，且性能穩(wěn)定可靠；智能驅(qū)動電路部分，采用了一片工業(yè)用的增強型8051單片機，因此智能驅(qū)動電路可以單獨管理驅(qū)動電源，可有效降低主控器的負擔(dān)；主控制器采用了高速數(shù)字信號處理芯片DSP，因此主控器非常小，便于工程實現(xiàn)，采用本系統(tǒng)控制噪聲幾乎不增加原系統(tǒng)的質(zhì)量。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)作進一步的說明。


圖1是本發(fā)明敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖2是智能壓電傳感器的結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是智能壓電傳感器傳輸示意圖； 圖4是智能壓電驅(qū)動輸出電路的結(jié)構(gòu)框圖； 圖5是圖4所示壓電驅(qū)動輸出電路的結(jié)構(gòu)框圖； 圖6是自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應(yīng)控制的框圖； 圖7是主控制器主控程序流程圖。元件符號說明
1-阻尼材料，2-壓電薄膜，3-智能壓電傳感器，4-被控制腔體腔壁。
具體實施例方式如圖1至圖5所示，本發(fā)明敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)(下面簡稱“控制系統(tǒng)”)，該控制系統(tǒng)主要是采用主動約束阻尼(ACLD)機理來消噪，該控制系統(tǒng)包括基于DSP的主控制器及分別與主控制器連接的智能驅(qū)動電路、RFID信號接收電路、系統(tǒng)電源電路、鍵盤接口電路、液晶接口電路，控制系統(tǒng)還包括粘貼在被控制腔體腔壁外表面的阻尼材料、貼在阻尼材料上的執(zhí)行元件壓電薄膜、貼在被控制腔體腔壁內(nèi)表面可測量被控制腔體腔壁的應(yīng)變并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至主控制器中的智能壓電傳感
ο被控制腔體腔壁4外表面貼阻尼材料1的位置與腔壁內(nèi)表面貼無線智能壓電傳感器3的位置相對應(yīng)。智能驅(qū)動電路與壓電薄膜連接，智能壓電傳感器通過RFID信號接收電路將信號傳輸給主控制器，主控制器接收智能壓電傳感器發(fā)出的信號并根據(jù)信號計算出驅(qū)動數(shù)據(jù)，與主控制器連接的智能驅(qū)動電路將驅(qū)動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給貼在阻尼材料上的壓電薄膜，壓電薄膜產(chǎn)生約束力約束阻尼材料產(chǎn)生剪切變形以最大量耗散被控制腔體腔壁的振動能量，以達到控制噪聲的目的。所述主控制器主要是完成對外設(shè)的初始化、向智能壓電傳感器發(fā)出接收數(shù)據(jù)的準備、接收數(shù)據(jù)、然后對數(shù)據(jù)進行運算處理、根據(jù)運算結(jié)果向智能驅(qū)動電路輸出驅(qū)動數(shù)據(jù)。同時，主控制器還接收來自鍵盤的中斷，必要時便于人為修改必要的參數(shù)，或把必要的信息通過液晶接口電路輸出到液晶顯示屏(圖中未示出)，便于人了解被控制腔體腔內(nèi)的各個參數(shù)。所述智能驅(qū)動電路包括增強型8051單片機及分別與增強型8051單片機連接的壓電驅(qū)動輸出電路，而壓電驅(qū)動輸出電路包括依次連接的A/D轉(zhuǎn)換電路、電壓放大器、功率放大器，壓電驅(qū)動輸出電路還包括與功率放大器連接的高壓保護電路及連接于功率放大器輸出端與電壓放大器輸入端間的電壓負反饋穩(wěn)定電路。所述智能壓電傳感器包括依次連接的傳感元件、前置放大器、帶通濾波器、后置差動放大器及智能RFID芯片，智能壓電傳感器為分布式網(wǎng)絡(luò)智能壓電無線傳感器，其中智能 RFID芯片為CCM30，傳感元件為壓電薄膜。智能RFID芯片(CC2430)集成一片增強型工業(yè)級8051單片機、無線收發(fā)模塊以及A/D轉(zhuǎn)換模塊，所以數(shù)據(jù)采集及處理，完全由它獨立完成，且數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定可靠，不需要主控制器管理，大大降低了主控制的負擔(dān)，便于主控制器高速運算，另外由于智能壓電傳感器所采用的智能RFID芯片是微型貼片芯片，所以智能壓電傳感器體積非常小，粘貼在被控制腔體內(nèi)腔不會占據(jù)過多的體積。每一個智能壓電傳感器有一個固定地址，智能壓電傳感器地址能自動識別，智能壓電傳感器采集的信號序列中包含地址信息，主控制器的接收智能壓電傳感器的信號可以通過地址識別來判斷是哪個智能壓電傳感器發(fā)出的信號，這些不需要人為干預(yù)。智能壓電傳感器是通過測量被控制腔體腔壁的應(yīng)變來檢測噪聲，腔體內(nèi)產(chǎn)生噪聲時，腔壁一定在振動，噪聲音越大，腔壁的振動也越大，腔壁產(chǎn)生振動，必定產(chǎn)生應(yīng)變，本發(fā)明通過測量應(yīng)變來反映噪聲強度，智能壓電傳感器的傳感元件是壓電薄膜(PVDF)，由壓電方程可知應(yīng)變與電荷的關(guān)系，通過它就可以把應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為電信號。在本實施例中采用了多點采樣、多點控制，即在被控制腔體腔壁內(nèi)表面的多處設(shè)置有智能壓電傳感器、在被控制腔體腔壁外表面的多處對應(yīng)位置設(shè)有阻尼材料和壓電材料(為了清楚顯示整體系統(tǒng)，圖1 中僅示出三個位置設(shè)有智能壓電傳感器、阻尼材料和壓電薄膜)。智能壓電傳感器的信號傳輸采用無線傳輸出方式，如圖3，Al-A、A2-A、A3_A連接方式，信號直接傳輸給RFID信號接收電路，RFID信號接收電路再與主控制器連接，主控器接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)的地址標志，識別出數(shù)據(jù)來源，按照主控程序的流程進行處理，處理完后，把驅(qū)動數(shù)據(jù)輸出送到智能驅(qū)動電路的增強型8051單片機，增強型8051單片機將驅(qū)動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電壓傳給相應(yīng)的壓電驅(qū)動輸出電路，相應(yīng)的壓電驅(qū)動輸出電路驅(qū)動對應(yīng)被控制腔體腔壁外的壓電薄膜，壓電薄膜產(chǎn)生約束力約束阻尼材料變形以最大量耗散被控制腔體腔壁的振動能量從而達到自適應(yīng)控制噪聲。當然信號傳輸也可采用有線傳輸出方式，如圖3，B1-B1’、B2-B2’、B3-B3’連接方式，通過線路將信號傳輸給RFID信號接收電路， RFID信號接收電路再與主控制器連接，主控器接收到數(shù)據(jù)后，與上述無線傳輸出方式處理過程相同，在此不再重復(fù)敘述。如圖7所示，采用上述結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)的主控制器的控制步驟包括建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行極點配置、對被控制腔體噪聲進行控制。其中建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型包括輸入輸出數(shù)據(jù)采集及處理、模型參數(shù)辨識、模型驗證的步驟。在線辨識建立數(shù)學(xué)模型過程如下
由于腔體內(nèi)噪聲的聲強極為復(fù)雜，本控制系統(tǒng)采用多點采樣、多點控制，本來是一個多輸入輸出的系統(tǒng)，但是為了便于工業(yè)控制，本控制系統(tǒng)把多輸入多輸出系統(tǒng)簡化為多個單輸入單輸出系統(tǒng)，把相互之間的藕合歸結(jié)為干擾，例如圖1上是一個三輸入三輸出系統(tǒng)，設(shè)輸入為Α，B，C輸出為Al，Bi, Cl，本控制系統(tǒng)處理時，把它歸結(jié)為三個獨立的輸入輸出，如A 的輸入輸出，其中它與B，C之間藕合，理解為B、C對它的輸出產(chǎn)生的干擾，這樣做的原因，一是便于工業(yè)控制，二是因為本發(fā)明采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID技術(shù)，這樣做完全可以達到期望的要求。設(shè)數(shù)學(xué)模型的差分方程為戌ζ—1)}章)=S(z-h)u(k-d) + C(k)
其中為輸入，內(nèi)太)為輸出，為干擾,結(jié)構(gòu)參數(shù) ， 乂為已知，這個可用有限元理論計算初步得到，且
權(quán)利要求
1.一種敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)采用主動約束阻尼機理來消噪，該控制系統(tǒng)包括基于DSP的主控制器及分別與主控制器連接的智能驅(qū)動電路、RFID信號接收電路、系統(tǒng)電源電路、鍵盤接口電路、液晶接口電路，所述控制系統(tǒng)還包括粘貼在被控制腔體腔壁外表面的阻尼材料、貼在阻尼材料上的執(zhí)行元件壓電薄膜、貼在被控制腔體腔壁內(nèi)表面可測量被控制腔體腔壁的應(yīng)變并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至主控制器中的智能壓電傳感器，所述智能驅(qū)動電路與執(zhí)行元件壓電薄膜連接，所述智能壓電傳感器通過RFID信號接收電路將信號傳輸給主控制器，主控制器接收智能壓電傳感器發(fā)出的信號并根據(jù)信號計算出驅(qū)動數(shù)據(jù)，與主控制器連接的智能驅(qū)動電路將驅(qū)動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓信號傳輸給貼在阻尼材料上的壓電薄膜，壓電薄膜產(chǎn)生約束力約束阻尼材料產(chǎn)生剪切變形以耗散被控制腔體腔壁的振動能量來抑制噪聲。
2.如權(quán)利要求1所述的敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述主控制器的控制步驟包括建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行極點配置、對被控制腔體噪聲進行控制，對被控制腔體噪聲進行控制先判斷噪聲是否異常不可控，噪聲異常不可控直接返回建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的步驟，噪聲不是異常不可控直接判斷噪聲是否小于期望值，噪聲小于期望值主控制器直接輸出驅(qū)動數(shù)據(jù)給智能驅(qū)動電路，噪聲不小于期望值再判斷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是否有微小時變，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型無微小時變直接進入自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的步驟，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型有微小時變先在線校正模型再進入自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID 參數(shù)的步驟，自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)后主控制器輸出驅(qū)動數(shù)據(jù)給智能驅(qū)動電路，輸出驅(qū)動數(shù)據(jù)后主控制器進入模型在線校正所需數(shù)據(jù)更新的步驟。
3.如權(quán)利要求2所述的敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型包括輸入輸出數(shù)據(jù)采集及處理、模型參數(shù)辨識、模型驗證的步馬聚ο
4.如權(quán)利要求2所述的敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的步驟中自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的方法是把系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型作為內(nèi)部模型進行內(nèi)?？刂疲趦?nèi)?？刂茣r結(jié)合單神經(jīng)PID控制，即利用單神經(jīng)算法，動態(tài)修改PID參數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述被控制腔體腔壁外表面貼阻尼材料的位置與腔壁內(nèi)表面貼智能壓電傳感器的位置相對應(yīng)。
6.如權(quán)利要求1所述的敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述智能驅(qū)動電路包括增強型8051單片機及分別與增強型8051單片機連接的壓電驅(qū)動輸出電路，壓電驅(qū)動輸出電路包括依次連接的A/D轉(zhuǎn)換電路、電壓放大器、功率放大器，壓電驅(qū)動輸出電路還包括與功率放大器連接的高壓保護電路及連接于功率放大器輸出端與電壓放大器輸入端間的電壓負反饋穩(wěn)定電路。
7.如權(quán)利要求1所述的敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述智能壓電傳感器包括依次連接的傳感元件、前置放大器、帶通濾波器、后置差動放大器及智能RFID芯片。
8.如權(quán)利要求7所述的敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述智能壓電傳感器為分布式網(wǎng)絡(luò)智能壓電無線傳感器，所述智能RFID芯片為CC2430，所述傳感元件為壓電薄膜。
全文摘要
本發(fā)明敷有主動約束層彈性空腔噪聲特性一體化自適應(yīng)控制系統(tǒng)，涉及噪聲控制技術(shù)領(lǐng)域，采用主動約束阻尼機理來消噪，該控制系統(tǒng)包括基于DSP的主控制器及分別與主控制器連接的智能驅(qū)動電路、RFID信號接收電路、系統(tǒng)電源電路、鍵盤接口電路、液晶接口電路、粘貼在被控制腔體腔壁外表面的阻尼材料、貼在阻尼材料上的執(zhí)行元件壓電薄膜、貼在被控制腔體腔壁內(nèi)表面的智能壓電傳感器，智能驅(qū)動電路與壓電薄膜連接，主控制器接收智能壓電傳感器發(fā)出的信號并根據(jù)信號計算出驅(qū)動數(shù)據(jù)，智能驅(qū)動電路將驅(qū)動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓信號傳輸給貼在阻尼材料上的執(zhí)行元件壓電薄膜，壓電薄膜產(chǎn)生約束力約束阻尼材料產(chǎn)生剪切變形以耗散被控制腔體腔壁的振動能量來降噪。
文檔編號G05B13/04GK102279566SQ20111015061
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月7日
發(fā)明者伍松, 向宇, 張彥會 申請人:廣西工學(xué)院