一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法

本发明涉及主动隔振控制，尤其是涉及一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法。

背景技术：

1、主动隔振控制技术是解决低频段振动的主要方法，通过施加与初级振动方向相反、大小相同的次级力实现减振。多通道的主动隔振控制可以实现大规模系统的减振效果。

2、传统的多通道主动隔振控制算法采用集中式滤波x-最小均方算法(fxlms)或者分散式fxlms算法，前者存在计算量大、待建模次级通道个数多的问题，后者存在通道串扰导致系统不稳定的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，实现了在多通道主动隔振系统中达到全局误差最小，且仅使用每个通道本身信息与邻居信息来减小计算量。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，方法包括以下步骤：

4、s1、建立多通道主动隔振系统模型，系统模型包括多个通道和次级通路，次级通路分为通道本身的次级通路和两个通道之间的次级通路，每个通道设有原始输入信号和误差信号，每个通道视为一个节点，离线建立每个通道次级通路的fir滤波器模型，fir滤波器模型中，第i个通道与第j个通道之间的的次级通路描述为hij(z)，所述原始输入信号经过第i个通道的本身的次级通路后成为第i个通道的滤波输入信号，原始输入信号经过两个通道之间的次级通路成为经过该通道的滤波信号；

5、s2、构建通道间的节点拓扑图，基于节点拓扑图计算节点的度，采用metropolis的方法，基于节点的度计算组合矩阵，当组合矩阵的第i行第j个元素的值大于0，说明节点i和节点j之间的距离小于邻居阈值，则通道i和通道j为邻居；

6、s3、设置每个通道的算法更新步长；

7、s4、基于fir滤波器模型获取当前时间各个通道的滤波输入信号与误差信号，对每个通道单独执行fxlms算法，基于滤波输入信号、误差信号、算法更新步长和当前时刻的估计中间权向量得到每个通道的下一时刻的估计中间权向量；

8、s5、基于各通道单独更新得到的中间权向量，通过组合矩阵再融合形成下一时刻的各通道的实际权向量；

9、s6、根据下一时刻各通道的实际权向量施加次级力，进行减振，若当前时刻达到更新时刻的阈值或获取的当前的误差信号小于误差的阈值，则停止迭代，反之，则返回s4，直至满足停止迭代的条件。

10、进一步地，组合矩阵的元素的表达式为：

11、

12、其中，aij为组合矩阵的第i行第j个元素，ηi表示第i个通道在图中的度，ni为第i个通道的邻居集合，第i个通道的邻居集合包含i节点本身，ni\{i}表示去除i节点本身的第i个通道的邻居集合，m表示循环参数。

13、进一步地，s3的算法更新步长基于保证平均收敛的补偿条件选取，所述保证平均收敛的补偿条件通过对扩散算法在存在串扰情况下的平均收敛性分析得到，对于第i个通道，算法更新步长的表达式为：

14、

15、其中，μi为第i个通道的算法更新步长，为自相关矩阵的期望，λmax为最大特征值，为当前时刻第i个通道的滤波输入信号。

16、进一步地，对于第i个通道，下一时刻的估计中间权向量的表达式为：

17、

18、其中，ψi(n+1)为第i个通道下一时刻的估计中间权向量，为当前时刻第i个通道的滤波输入信号，ψi(n)为第i个通道当前时刻的估计中间权向量，μi为第i个通道的算法更新步长，ei(n)为当前时刻第i个通道的误差。

19、进一步地，当前时刻第i个通道的滤波输入信号与估计中间权向量和实际权向量的阶数相同，所述阶数为fir滤波器的阶数。

20、进一步地，对于第i个通道，其下一时刻的实际权向量的表达式为：

21、

22、其中，ψj(n+1)为第j个通道下一时刻的估计中间权向量，ni为第i个通道的邻居集合，wi(n+1)为第i个通道下一时刻的实际权向量。

23、进一步地，对于第i个通道，当前时刻的误差信号的表达式为：

24、

25、其中，di(n)为第i个通道的原始振动，为输入信号x(n)经过次级通道hji(z)滤波信号，hji(z)为第j个通道与第i个通道之间的的次级通路，k为通道总数。

26、进一步地，对于第i个通道，原始振动的表达式为：

27、di(n)＝x(n)*pi(n)

28、其中，pi(n)为前向通道pi(z)的脉冲响应，x(n)为原始输入信号。

29、进一步地，组合矩阵满足a1t＝1t，其中a为组合矩阵，1表示所有元素都为1的行向量。

30、进一步地，所述fir滤波器模型通过最小均方算法建立。

31、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

32、(1)本发明采用分布式算法，通过利用组合矩阵，相比于集中式算法大大减小了计算量及需建模的次级通道个数。

33、(2)本发明在减小计算量的基础上，通过通道与邻居间的互相协作，实现了与集中式算法相近的令全局误差最小的效果。

34、(3)本发明采用分布式算法，在多通道场景中存在通道串扰时进行合适的步长选取，保证了分布式算法的收敛性，在通道串扰时也能稳定减振。

技术特征：

1.一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，其特征在于，方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，其特征在于，组合矩阵的元素的表达式为：

3.根据权利要求1所述的一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，其特征在于，s3的算法更新步长基于保证平均收敛的补偿条件选取，所述保证平均收敛的补偿条件通过对扩散算法在存在串扰情况下的平均收敛性分析得到，对于第i个通道，算法更新步长的表达式为：

4.根据权利要求1所述的一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，其特征在于，对于第i个通道，下一时刻的估计中间权向量的表达式为：

5.根据权利要求3或4所述的一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，其特征在于，当前时刻第i个通道的滤波输入信号与估计中间权向量和实际权向量的阶数相同，所述阶数为fir滤波器的阶数。

6.根据权利要求5所述的一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，其特征在于，对于第i个通道，其下一时刻的实际权向量的表达式为：

7.根据权利要求1所述的一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，其特征在于，对于第i个通道，当前时刻的误差信号的表达式为：

8.根据权利要求7所述的一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，其特征在于，对于第i个通道，原始振动的表达式为：

9.根据权利要求2所述的一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，其特征在于，组合矩阵满足a1t＝1t，其中a为组合矩阵，1表示所有元素都为1的行向量。

10.根据权利要求1所述的一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，其特征在于，所述fir滤波器模型通过最小均方算法建立。

技术总结
本发明涉及一种基于扩散滤波的多通道主动减振方法，方法包括以下步骤：S1、离线建立每个通道本身的次级通路的FIR滤波器模型；S2、构建节点拓扑图基于节点的度计算组合矩阵；S3、设置每个通道的算法更新步长；S4、得到每个通道的当前时刻的估计中间权向量；S5、通过组合矩阵再融合形成当前时刻的各通道的实际权向量；S6、根据当前时刻各通道的实际权向量施加次级力。与现有技术相比，本发明实现了在多通道主动隔振系统中达到全局误差最小，且仅使用每个通道本身信息与邻居信息来减小计算量，且各通道的步长可以计算获得，免除不断试错的成本。

技术研发人员：王辉烨,董怡
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13