专利名称：一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法
技术领域：
本发明涉及变压器噪声有源控制领域，尤其是涉及一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法。
背景技术：
目前，降噪技术包括无源降噪技术及有源降噪技术。无源降噪技术能有效地控制中高频噪声，但要对低频噪声的控制取得较好的效果，就要增加吸声材料的厚度或者隔件的重量，而这样会增大实际装置的体积，从而导致电力变压器散热困难的问题，因此，仅使用无源降噪技术来控制电力变压器的低频噪声是不可取的。于是，有源降噪的思想就应运而生，并且不断引起了研究者的关注。德国物理学家Paul Lueg在1936年发明“电子消声器”时，第一次将有源噪声控制的基本想法提出来。之后，诸多发达国家相继在噪声主动控制的研究和实践方面投入了大量的物力及人力。噪声主动控制也被称为有源消声及有源噪声控制，属于在噪声传播路径上进行降噪的方法。有源降噪技术与传统的无源降噪技术相比，主要优点为适合控制中低频噪声、控制系统实时性强、重量轻、体积小等，能依据被控噪声的特性，针对性地设计和修正控制系统特性，噪声控制的目标更明确，该系统的工程应用价值较高。随着数字信号处理器技术的快速发展，芯片性价比的提高，促使基于DSP (数字信号处理器)的数字滤波技术广泛使用到各种降噪技术中。目前，降噪技术的发展方向是数字式噪声控制系统的研发，该系统的核心是数字信号处理器及其相关算法。变压器噪声属于一种声波，可以通过有源噪声控制法来处理，也就是通过控制系统产生与噪声波相位相差180°、振幅相同的“反噪声”来抵消。有源噪声控制法实施简单，对变压器及其运行环境没有额外的要求，和隔音壁等无源降噪方法比较，降噪成本更低。所以，国外有人认为目前变压器降噪更好的方法是有源降噪法。随着电力电子技术的进步和逐渐成熟，有源噪声控制法有望得到推广与应用。控制算法是控制系统的核心，所以控制算法的研究也倍受有源噪声控制研究者的关注。自适应算法种类繁多，在工程应用中，能否对自适应算法恰当选择，直接决定了自适应控制系统的可行性和系统性能。目前,最小均方(Least Mean Square,LMS)算法及其改进算法是常用的自适应控制算法。LMS算法是1960年Hoff和Widrow提出的，该算法是应用最广泛的自适应控制算法之一，属于线性自适应算法。算法中没有积分、平均和平方运算，主要具有简单和高效的优点。但在时变系统中使用时，LMS算法将不稳定、收敛慢、甚至发散。自适应控制策略是影响有源噪声控制系统性能的重要因素之一，而现有的自适应控制尚不完善，相应算法仍存在缺陷。开发新的控制算法成为一项很有潜力、赋有重要意义的工作。
发明内容
本发明针对现有技术缺陷，提出了一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法。本发明的技术方案为一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法，包括以下步骤，步骤1，采集初级声源，通过频谱分析，得到能量最大的角频率w ;设ADC中断的定时器长度为w对应的噪声信号周期的Ι/m ;同时，开始计时t ；步骤2，对当前声音周期进行采样，采样方式为，每个噪声信号周期执行m次ADC中断，对当前声音周期中每个ADC中断，执行如下操作，采集误差声源；计算并通过D/A送出输出量Vtjut=KX sin(wXt+PHI);累加误差，误差采样计数值增加I ;K和PHI分别为记录D/A输出的幅值和相位的变量；步骤3，判断是否已完成N个声音周期的采样，否则返回步骤2对下一个声音周期进行采样，是则执行计算平均误差并记为err，累加误差清零，误差计数清零，然后进入步骤4 ；步骤4，判断是否平均误差err比上一个N周期的平均误差last_err小，是则直接进入步骤5。否则设置调整方向adjust_direction为原来方向的反方向，调整反复次数updown_count加I,然后进入步骤5 ；步骤5，调整D/A输出的幅值或相位，调整D/A输出的幅值公式如下，K=K+ratioKX0.0lXadjust_direction调整D/A输出的相位公式如下，PHI=PHI+ratioPHIXadjust_direction其中，ratioK和ratioPHI分别为幅值步长和相位步长；步骤6，判断是否调整反复次数>5，否则返回步骤2，是则设定下一次调整对象，包括在本次执行调整的是相角时设定下次执行步骤5时调整幅值，在本次执行调整的是幅值时设定下次执行步骤5时调整相角；步骤7,根据平均误差err,调整N值、幅值步长ratioK和相位步长ratioPHI ；err较大时，N取较小值,且ratioK和ratioPHI取较大值；err较小时，N取较大值，且atioK和ratioPHI取较小值；步骤8,重复采集初级声源,通过频谱分析,得到能量最大的角频率w ;设ADC中断的定时器长度为w对应的噪声信号周期的Ι/m ;返回至步骤2继续执行。Vout=KX sin (wt+PHI) ;err表示误差监测点处的误差信号。控制器进行A/D采样，将采样信号Vin进行频谱分析，提取能量分布最大的频率，根据该信号和误差信号err，调整D/A输出信号Vwt的幅值和相位。
而且，执行步骤I前，设m=360，K的初始值取为w频率分量对应的幅值，PHI初始值取为O, N的初始值为I, adjust_direction初始值为I, updown_count初始值为O, ratioK初始值取2，ratioPHI的初始值取5。而且，步骤7的实现方式如下，当err〈0.09V 时，ratioK=0.2, ratioPHI=!, N=IO ；
当err<0.1V 时，ratioK=0.2, ratioPHI=l, N=8 ；当err〈0.15V 时，ratioK=l, ratioPHI=l, N=5 ；当err〈0.19V 时，ratioK=l, ratioPHI=2, N=3 ；当err〈0.25V 时，ratioK=l, ratioPHI=3, N=3 ；当err〈0.38V 时，ratioK=2, ratioPHI=4, N=2 ；在其它情况时，ratioK=2,ratioPHI=5, N=I。该方法通过利用变步长调整的变压器噪声有源控制算法，判断监测点噪声变化大小，当监测点噪声变化大时，系统处于大步长调整控制状态，实现快速降噪的目的；当监测点噪声变化小时，系统处于小步长调整控制状态，减少系统振荡，使系统性能更加稳定，最终达到尽可能降低监测点噪声的目的。
图1是IlOkV电力变压器某检测点噪声的频谱特性曲线图。图2是本发明实施例的有源噪声控制原理图。图3是本发明实施例的变步长调整的变压器噪声有源控制算法流程图。图4是本发明实施例的控制系统框图。图5是本发明实施例的降噪实验线路图。图6是本发明实施例的自适应控制效果示意图。
具体实施例方式本发明提出的技术方案为:根据有源噪声控制的原理，将整个控制方法分为三部分，第一部分是频谱分析，第二部分是AD采样并通过D/A输出次级声源，第三部分是次级声源的相位、幅值的步长及方向的调整。当监测点噪声变化大时，系统处于大步长调整控制状态，实现快速降噪的目的；当监测点噪声变化较小时，系统处于小步长调整控制状态，减少系统振荡，使系统性能更加稳定，最终达到尽可能降低监测点噪声的目的。本发明采集初级声源和误差声源，由控制器根据初级声源和误差声源生成控制信号，通过控制信号得到次级声源。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。初级声源:通过传声器采集电力变压器噪声，该噪声信号为初级声源，也叫初级声波。例如IlOkV电力变压器噪声，提取该噪声中IOOHz的信号作为初级声源。在变压器噪声的检测平面上选择不同的测点，对检测点声压信号进行FFT (快速傅里叶变换)分析。不同检测点声压信号具有基本一致的频谱特性。其中，某一检测点的频谱特性曲线如附图1所示，横坐标为频率/Hz，纵坐标为幅度/dB。由附图1可知，具有离散线谱特性的低频噪声主要在500Hz以下。能量分布较大的离散频点在IOOHz、200Hz、300Hz上。并且，IOOHz点的能量分布最大，200Hz和300Hz点的能量分布次之。次级声源:通过产生控制信号，驱动电声器件产生一个信号，该信号就是“次级声源”，也叫次级声波。误差声源:在监测点安放传声器来检测经过有源控制后的监测点噪声，后面把该噪声称为“误差信号”。有源噪声控制原理可以通过声波互相作用的原理来解释。通过电声器件产生一个与初级声源(初级声波)幅值相等、相位相反的次级声波，在一定区域里抵消原噪声，进而实现消噪的目的。这便是有源降噪的原理，相应的原理示意图如附图2所示。
为了形象而直观地阐述有源噪声控制的原理，下面的初、次级声波都为平面声波。 设初级声波的声压是
pp (X，t) =Acos (ω t_kx)(I)
其中，ω表示初级声波的角频率，A表示初级声波的幅值，k表示波数(k=co/ ο=2π/λ, λ为声波的波长，c为初级声波的声速)，X表示声传播的距离，t表示传播时间。
初级声波的平均声势能密度是
权利要求
1.一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤1，采集初级声源，通过频谱分析，得到能量最大的角频率W ;设ADC中断的定时器长度为w对应的噪声信号周期的Ι/m ;同时，开始计时t ； 步骤2，对当前声音周期进行采样，采样方式为，每个噪声信号周期执行m次ADC中断，对当前声音周期中每个ADC中断，执行如下操作， 采集误差声源；计算并通过D/A送出输出量Vrat=KXsin(WXt-PHI);累加误差，误差采样计数值增加I ; K和PHI分别为记录D/A输出的幅值和相位的变量； 步骤3，判断是否已完成N个声音周期的采样，否则返回步骤2对下一个声音周期进行采样，是则执行计算平均误差并记为err，累加误差清零，误差计数清零，然后进入步骤4 ; 步骤4，判断是否平均误差err比上一个N周期的平均误差last_err小，是则直接进入步骤5。否则设置调整方向adjust_direction为原来方向的反方向，调整反复次数updown_count加I,然后进入步骤5 ； 步骤5，调整D/A输出的幅值或相位， 调整D/A输出的幅 值公式如下，K=K+ratioKX0.0lXadjust_direction调整D/A输出的相位公式如下，PHI=PHI+ratioPHIXadjust_direction 其中，ratioK和ratioPHI分别为幅值步长和相位步长； 步骤6，判断是否调整反复次数>5，否则返回步骤2，是则设定下一次调整对象，包括在本次执行调整的是相角时设定下次执行步骤5时调整幅值，在本次执行调整的是幅值时设定下次执行步骤5时调整相角； 步骤7，根据平均误差err,调整N值、幅值步长ratioK和相位步长ratioPHI ； err较大时，N取较小值，且ratioK和ratioPHI取较大值； err较小时，N取较大值，且atioK和ratioPHI取较小值； 步骤8，重复采集初级声源，通过频谱分析，得到能量最大的角频率w ;设ADC中断的定时器长度为w对应的噪声信号周期的Ι/m ;返回至步骤2继续执行。
Vout=KX sin (wt+PHI) ;err表示误差监测点处的误差信号。控制器进行A/D采样，将采样信号Vin进行频谱分析，提取能量分布最大的频率，根据该信号和误差信号err，调整D/A输出信号Vrat的幅值和相位。
2.根据权利要求1所述变步长调整的变压器噪声有源控制方法，其特征在于:执行步骤I前，设m=360，K的初始值取为w频率分量对应的幅值，PHI初始值取为0，N的初始值为1，adjust_direction 初始值为 1，updown_count 初始值为 O, ratioK 初始值取 2, ratioPHI的初始值取5。
3.根据权利要求2所述变步长调整的变压器噪声有源控制方法，其特征在于:步骤7的实现方式如下，当 err<0.09V 时，ratioK=0.2, ratioPHI=l, N=IO ；当 err<0.1V 时，ratioK=0.2, ratioPHI=l, N=8 ；当 err<0.15V 时，ratioK=!, ratioPHI=!, N=5 ；当 err<0.19V 时，r atioK=l, ratioPHI=2, N=3 ；当 err<0.25V 时，ratioK=l, ratioPHI=3, N=3 ；当 err<0.38V 时，ratioK=2，ratioPHI=4, N=2 ；在其它情况时，ratioK=2，ratioPHI=5，N=I。
全文摘要
本发明提出一种变步长调整的变压器噪声有源控制方法，包括频谱分析，AD采样并通过D/A输出次级声源，次级声源的相位、幅值的步长及方向的调整。当监测点噪声变化大时，系统处于大步长调整控制状态，实现快速降噪的目的；当监测点噪声变化较小时，系统处于小步长调整控制状态，减少系统振荡，使系统性能更加稳定，最终达到尽可能降低监测点噪声的目的。
文档编号G10K11/178GK103208281SQ20131007811
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月12日 优先权日2013年3月12日
发明者刘姜涛, 邓其军, 应黎明 申请人:武汉大学