专利名称：敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及噪声控制技术领域，特别是一种弹性腔体内的噪声控制系统。
背景技术：
随着社会经济的飞速发展，在注重飞机、坦克、汽车性能的同时，乘驾舒适性问题日益为人们所关注，上述产品腔体内噪声作为衡量乘驾舒适性的一个重要指标，已逐渐为客户与相关厂商所重视，现在主要有以下几种控制噪声的方式(1)传统噪声控制技术，传统的控制腔内噪声的徐径主要有减弱声源强度、隔绝传播途经、吸声处理等，其主要缺点， 是对原系统增加很大的附加质量，使原系统极笨重，且不经济；(2)主动控制技术，主要包括有源噪声控制技术(ANC)和有源振动控制(AVC)，有源噪声控制技术(ANC)它与传统的降噪技术相比，突出的优点在于对低频噪声控制效果好，且对原系统的附加质量小，近年来得到了广泛的应用，它的原理是人为、有目的地产生一个次级信号去控制初级信号，以达到降噪的目的，它的缺点有时容易溢出；有源振动控制(AVC)又叫主动振动控制，它是用另一个振动源产生某种振动，迭加到原有的振动上，达到减振、隔振和吸振的目的，有源振动控制作为一种新的有效方法，具有低频效果好，可以任意改变振动系数的等效阻尼、质量和弹性系数等优点，并且可以在一定的频带宽度内同时控制多个频率点的固有振动方式的响应等许多优点，有源振动控制的缺点结构振动会产生其它的噪声，另外，用次级声源进行的有源控制往往需要许多次级声源，结构较庞大，不太适合空腔噪声控制。
发明内容
本发明的目是提供一种可有效抑制或减少弹性腔体内的噪声、体积质量小、不容易失效的敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统。为达到上述发明目的本发明采用的技术方案是一种敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统，该方案主要是采用主动约束阻尼(ACLD)机理来消噪，该控制系统包括基于DSP的主控制器及分别与主控制器连接的智能驱动电路、RFID信号接收电路、系统电源电路、键盘接口电路、液晶接口电路，所述控制系统还包括粘贴在被控制腔体腔壁外表面的阻尼材料、贴在阻尼材料上的动作执行元件压电薄膜、贴在被控制腔体腔壁内表面可测量被控制腔体腔壁的应变并将应变转换为电信号传输至主控制器中的智能压电传感器，所述智能驱动电路与压电薄膜连接，所述智能压电传感器通过RFID信号接收电路将信号传输给主控制器，主控制器接收智能压电传感器发出的信号并根据信号计算出驱动数据，与主控制器连接的智能驱动电路将驱动数据转换为电压信号传输给贴在阻尼材料上的压电薄膜，压电薄膜产生约束力约束阻尼材料产生剪切变形以最大量耗散被控制腔体腔壁的振动能量来抑制噪声。其中所述主控制器的控制步骤包括建立系统数学模型、对系统的数学模型进行极点配置、对被控制腔体噪声进行控制，对被控制腔体噪声进行控制先判断噪声是否异常不可控，噪声异常不可控直接返回建立系统数学模型的步骤，噪声不是异常不可控直接判断噪声是否小于期望值，噪声小于期望值主控制器直接输出驱动数据给智能驱动电路，噪声不小于期望值再判断系统数学模型是否有微小时变，系统数学模型无微小时变直接进入自适应调节PID参数的步骤，系统数学模型有微小时变先在线校正模型再进入自适应调节 PID参数的步骤，自适应调节PID参数后主控制器输出驱动数据给智能驱动电路，输出驱动数据后主控制器进入模型在线校正所需数据更新的步骤。其中建立系统数学模型包括输入输出数据采集及处理、模型参数辨识、模型验证的步骤。其中自适应调节PID参数的步骤中的自适应调节PID参数的方法是把系统建立的数学模型作为内部模型进行内模控制，在内模控制时结合单神经PID控制，即利用单神经算法，动态修改PID参数，从而使系统的动态特性更优化，同时由于内模控制和单神经 PID的结合，使系统能很好的动态解耦。其中所述被控制腔体腔壁外表面贴阻尼材料的位置与腔壁内表面贴智能压电传感器的位置相对应。其中所述智能驱动电路包括增强型8051单片机及分别与增强型8051单片机连接的压电驱动输出电路，压电驱动输出电路包括依次连接的A/D转换电路、电压放大器、功率放大器，压电驱动输出电路还包括与功率放大器连接的高压保护电路及连接于功率放大器输出端与电压放大器输入端间的电压负反馈稳定电路。其中所述智能压电传感器包括依次连接的传感元件、前置放大器、带通滤波器、后置差动放大器及智能RFID芯片。其中所述智能压电传感器为分布式网络智能压电无线传感器，所述智能RFID芯片为CCM30，所述传感元件为压电薄膜。采用本发明敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统具有以下有益效果
1.本发明采用主动约束阻尼(ACLD)机理来消噪，主控制器输出的驱动数据通过智能驱动电路转换为控制电压给压电薄膜，压电薄膜约束阻尼材料产生剪切变形以最大量耗散被控制腔体腔壁的振动能量进行降噪，即使电子控制系统失效，仍然依靠阻尼材料来降噪， 能防止系统的彻底失效；
2.本发明的主控制器可根据系统信息自动生成或重建或修正系统的数学模型，解决了复杂结构模型建立困难的问题，主控制器自动在线调节系统控制参数，从而在系统参数发生改变时，能自动在线调节系统控制参数，把被动约束与主动约束结合了起来，降噪效果明显，避免了模型失配时、系统的失效；
3.本发明信号检测部分的智能压电传感器采用了智能RFID芯片CCM30，它集成了一片增强型工业级8051单片机、无线收发模块以及A/D转换模块，智能压电传感器非常小，且性能稳定可靠；智能驱动电路部分，采用了一片工业用的增强型8051单片机，因此智能驱动电路可以单独管理驱动电源，可有效降低主控器的负担；主控制器采用了高速数字信号处理芯片DSP，因此主控器非常小，便于工程实现，采用本系统控制噪声几乎不增加原系统的质量。下面结合附图和实施例对本发明敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统作进一步的说明。
图1是本发明敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统的结构框图2是智能压电传感器的结构框图； 图3是智能压电传感器传输示意图； 图4是智能压电驱动输出电路的结构框图； 图5是图4所示压电驱动输出电路的结构框图； 图6是自适应调节PID参数的自适应控制的框图； 图7是主控制器主控程序流程图。元件符号说明
1-阻尼材料，2-压电薄膜，3-智能压电传感器，4-被控制腔体腔壁。
具体实施例方式如图1至图5所示，本发明敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统(下面简称“控制系统”)，该控制系统主要是采用主动约束阻尼(ACLD)机理来消噪，该控制系统包括基于DSP的主控制器及分别与主控制器连接的智能驱动电路、RFID信号接收电路、系统电源电路、键盘接口电路、液晶接口电路，控制系统还包括粘贴在被控制腔体腔壁外表面的阻尼材料、贴在阻尼材料上的执行元件压电薄膜、贴在被控制腔体腔壁内表面可测量被控制腔体腔壁的应变并将应变转换为电信号传输至主控制器中的智能压电传感
ο被控制腔体腔壁4外表面贴阻尼材料1的位置与腔壁内表面贴无线智能压电传感器3的位置相对应。智能驱动电路与压电薄膜连接，智能压电传感器通过RFID信号接收电路将信号传输给主控制器，主控制器接收智能压电传感器发出的信号并根据信号计算出驱动数据，与主控制器连接的智能驱动电路将驱动数据转换为电信号传输给贴在阻尼材料上的压电薄膜，压电薄膜产生约束力约束阻尼材料产生剪切变形以最大量耗散被控制腔体腔壁的振动能量，以达到控制噪声的目的。所述主控制器主要是完成对外设的初始化、向智能压电传感器发出接收数据的准备、接收数据、然后对数据进行运算处理、根据运算结果向智能驱动电路输出驱动数据。同时，主控制器还接收来自键盘的中断，必要时便于人为修改必要的参数，或把必要的信息通过液晶接口电路输出到液晶显示屏(图中未示出)，便于人了解被控制腔体腔内的各个参数。所述智能驱动电路包括增强型8051单片机及分别与增强型8051单片机连接的压电驱动输出电路，而压电驱动输出电路包括依次连接的A/D转换电路、电压放大器、功率放大器，压电驱动输出电路还包括与功率放大器连接的高压保护电路及连接于功率放大器输出端与电压放大器输入端间的电压负反馈稳定电路。所述智能压电传感器包括依次连接的传感元件、前置放大器、带通滤波器、后置差动放大器及智能RFID芯片，智能压电传感器为分布式网络智能压电无线传感器，其中智能 RFID芯片为CCM30，传感元件为压电薄膜。智能RFID芯片(CC2430)集成一片增强型工业级8051单片机、无线收发模块以及A/D转换模块，所以数据采集及处理，完全由它独立完成，且数据的传输稳定可靠，不需要主控制器管理，大大降低了主控制的负担，便于主控制器高速运算，另外由于智能压电传感器所采用的智能RFID芯片是微型贴片芯片，所以智能压电传感器体积非常小，粘贴在被控制腔体内腔不会占据过多的体积。每一个智能压电传感器有一个固定地址，智能压电传感器地址能自动识别，智能压电传感器采集的信号序列中包含地址信息，主控制器的接收智能压电传感器的信号可以通过地址识别来判断是哪个智能压电传感器发出的信号，这些不需要人为干预。智能压电传感器是通过测量被控制腔体腔壁的应变来检测噪声，腔体内产生噪声时，腔壁一定在振动，噪声音越大，腔壁的振动也越大，腔壁产生振动，必定产生应变，本发明通过测量应变来反映噪声强度，智能压电传感器的传感元件是压电薄膜(PVDF)，由压电方程可知应变与电荷的关系，通过它就可以把应变信号转换为电信号。在本实施例中采用了多点采样、多点控制，即在被控制腔体腔壁内表面的多处设置有智能压电传感器、在被控制腔体腔壁外表面的多处对应位置设有阻尼材料和压电材料(为了清楚显示整体系统，图1 中仅示出三个位置设有智能压电传感器、阻尼材料和压电薄膜)。智能压电传感器的信号传输采用无线传输出方式，如图3，Al-A、A2-A、A3_A连接方式，信号直接传输给RFID信号接收电路，RFID信号接收电路再与主控制器连接，主控器接收到数据后，根据数据的地址标志，识别出数据来源，按照主控程序的流程进行处理，处理完后，把驱动数据输出送到智能驱动电路的增强型8051单片机，增强型8051单片机将驱动数据转换为驱动电压传给相应的压电驱动输出电路，相应的压电驱动输出电路驱动对应被控制腔体腔壁外的压电薄膜，压电薄膜产生约束力约束阻尼材料变形以最大量耗散被控制腔体腔壁的振动能量从而达到自适应控制噪声。当然信号传输也可采用有线传输出方式，如图3，B1-B1’、B2-B2’、B3-B3’连接方式，通过线路将信号传输给RFID信号接收电路， RFID信号接收电路再与主控制器连接，主控器接收到数据后，与上述无线传输出方式处理过程相同，在此不再重复叙述。如图7所示，采用上述结构的控制系统的主控制器的控制步骤包括建立系统数学模型、对系统的数学模型进行极点配置、对被控制腔体噪声进行控制。其中建立系统数学模型包括输入输出数据采集及处理、模型参数辨识、模型验证的步骤。在线辨识建立数学模型过程如下
由于腔体内噪声的声强极为复杂，本控制系统采用多点采样、多点控制，本来是一个多输入输出的系统，但是为了便于工业控制，本控制系统把多输入多输出系统简化为多个单输入单输出系统，把相互之间的藕合归结为干扰，例如图1上是一个三输入三输出系统，设输入为Α，B，C输出为Al，Bi, Cl，本控制系统处理时，把它归结为三个独立的输入输出，如A 的输入输出，其中它与B，C之间藕合，理解为B、C对它的输出产生的干扰，这样做的原因，一是便于工业控制，二是因为本发明采用神经网络PID技术，这样做完全可以达到期望的要求。设数学模型的差分方程为戌ζ—1)}章)=S(z-h)u(k-d) + C(k)
其中为输入，内太)为输出，为干扰,结构参数 ， 乂为已知，这个可用有限元理论计算初步得到，且
权利要求
1.一种敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统，其特征在于，该控制系统采用主动约束阻尼机理来消噪，该控制系统包括基于DSP的主控制器及分别与主控制器连接的智能驱动电路、RFID信号接收电路、系统电源电路、键盘接口电路、液晶接口电路，所述控制系统还包括粘贴在被控制腔体腔壁外表面的阻尼材料、贴在阻尼材料上的执行元件压电薄膜、贴在被控制腔体腔壁内表面可测量被控制腔体腔壁的应变并将应变转换为电信号传输至主控制器中的智能压电传感器，所述智能驱动电路与执行元件压电薄膜连接，所述智能压电传感器通过RFID信号接收电路将信号传输给主控制器，主控制器接收智能压电传感器发出的信号并根据信号计算出驱动数据，与主控制器连接的智能驱动电路将驱动数据转换为电压信号传输给贴在阻尼材料上的压电薄膜，压电薄膜产生约束力约束阻尼材料产生剪切变形以耗散被控制腔体腔壁的振动能量来抑制噪声。
2.如权利要求1所述的敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统，其特征在于，所述主控制器的控制步骤包括建立系统数学模型、对系统的数学模型进行极点配置、对被控制腔体噪声进行控制，对被控制腔体噪声进行控制先判断噪声是否异常不可控，噪声异常不可控直接返回建立系统数学模型的步骤，噪声不是异常不可控直接判断噪声是否小于期望值，噪声小于期望值主控制器直接输出驱动数据给智能驱动电路，噪声不小于期望值再判断系统数学模型是否有微小时变，系统数学模型无微小时变直接进入自适应调节PID参数的步骤，系统数学模型有微小时变先在线校正模型再进入自适应调节PID 参数的步骤，自适应调节PID参数后主控制器输出驱动数据给智能驱动电路，输出驱动数据后主控制器进入模型在线校正所需数据更新的步骤。
3.如权利要求2所述的敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统，其特征在于，建立系统数学模型包括输入输出数据采集及处理、模型参数辨识、模型验证的步马聚ο
4.如权利要求2所述的敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统，其特征在于，自适应调节PID参数的步骤中自适应调节PID参数的方法是把系统的数学模型作为内部模型进行内模控制，在内模控制时结合单神经PID控制，即利用单神经算法，动态修改PID参数。
5.如权利要求1所述的敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统，其特征在于，所述被控制腔体腔壁外表面贴阻尼材料的位置与腔壁内表面贴智能压电传感器的位置相对应。
6.如权利要求1所述的敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统，其特征在于，所述智能驱动电路包括增强型8051单片机及分别与增强型8051单片机连接的压电驱动输出电路，压电驱动输出电路包括依次连接的A/D转换电路、电压放大器、功率放大器，压电驱动输出电路还包括与功率放大器连接的高压保护电路及连接于功率放大器输出端与电压放大器输入端间的电压负反馈稳定电路。
7.如权利要求1所述的敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统，其特征在于，所述智能压电传感器包括依次连接的传感元件、前置放大器、带通滤波器、后置差动放大器及智能RFID芯片。
8.如权利要求7所述的敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统，其特征在于，所述智能压电传感器为分布式网络智能压电无线传感器，所述智能RFID芯片为CC2430，所述传感元件为压电薄膜。
全文摘要
本发明敷有主动约束层弹性空腔噪声特性一体化自适应控制系统，涉及噪声控制技术领域，采用主动约束阻尼机理来消噪，该控制系统包括基于DSP的主控制器及分别与主控制器连接的智能驱动电路、RFID信号接收电路、系统电源电路、键盘接口电路、液晶接口电路、粘贴在被控制腔体腔壁外表面的阻尼材料、贴在阻尼材料上的执行元件压电薄膜、贴在被控制腔体腔壁内表面的智能压电传感器，智能驱动电路与压电薄膜连接，主控制器接收智能压电传感器发出的信号并根据信号计算出驱动数据，智能驱动电路将驱动数据转换为电压信号传输给贴在阻尼材料上的执行元件压电薄膜，压电薄膜产生约束力约束阻尼材料产生剪切变形以耗散被控制腔体腔壁的振动能量来降噪。
文档编号G05B13/04GK102279566SQ20111015061
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月7日 优先权日2011年6月7日
发明者伍松, 向宇, 张彦会 申请人:广西工学院