大功率变压器自适应有源降噪控制方法及控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大功率变压器降噪技术领域，尤其涉及一种大功率变压器自适应有源 降噪控制方法及控制系统。
【背景技术】
[0002] 变压器噪声是由本体结构设计、选型布局、安装、使用过程中，变压器本体及冷却 系统产生的不规则、间歇、连续或随机引起的机械噪声及空气噪声总和。变压器所产生的噪 声广泛影响住宅小区、商业中心、轻站、机场、厂矿、企业、医院、学校等场所。随着人们环境 意识的提高和环保部门对各类噪声的限制，特别是由于城市的不断扩大和城区电网改造的 需求，一些变电站有时就要建于商业区和居民区内，于是变压器噪声问题就变的十分突出 了。
[0003]自适应有源降噪系统是指通过自适应控制器运算产生次级信号来使扬声器发声 以抵消噪声的一种方法，由于初级声源以及周围环境时刻变化的特性，自适应控制器必须 能够时刻调整次级噪声的幅值、频率和相位，才能取得良好的降噪效果。自适应控制器控制 方法的好坏对降噪效果的好坏起到决定性作用，目前传统控制算法中每一个权系数在迭代 过程中，其收敛步长都是相同的，这就导致了收敛速度与稳态误差性能之间的矛盾问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种大功率变压器自适应有源降噪 控制方法及控制系统，能够自行调整收敛系数的大小，从而调整控制方法的搜索方向和收 敛速度，以获得最优权系数和更好的自适应性，降噪处理效果更稳定，取得了良好的降噪效 果。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 大功率变压器自适应有源降噪控制方法，自适应控制器中滤波器采用FIR滤波 器，包括以下步骤：
[0007] 步骤一，传感器采集初级噪声作为参考信号x(n)传递到自适应控制器中，自适应 控制器根据此参考信号输出一个控制信号作为次级信号y(n)驱动扬声器发出次级噪声；
[0008] 步骤二，电力变压器发出的噪声所建立的初级声场与扬声器发出的次级噪声所建 立的次级声场产生叠加，由误差传感器采集到叠加后的声压，并形成误差信号e(n);
[0009] 步骤三，自适应控制器接收到误差信号e(n)后，根据预设的目标函数J(n)利用 收敛系数变化的LMS算法来调整次级信号的相位和幅值，持续至误差信号满足目标函数 J(n)，达到稳定状态。
[0010] 第n时刻的次级信号y(n)输出用矢量形式表不具体为：
[0011] y(n) =XT (n)ff=ffTX(n)
[0012] 其中X(n) = [x(n)，x(n-l)，? ? ?，x(n-L+l)]T，W= [w"w2, ? ? ?，wJT，WiOi)为权系 数，L为滤波器的长度；第n时刻的误差信号e(n)为：
[0013]e(n) =d(n)-y(n) =d(n)-ffTX(n)
[0014] 能够使期望信号d(n)和次级信号y(n)之间的均方误差最小为目标，由期望信号d(n)和次级信号y(n)得到目标函数J(n)。
[0015] 所述目标函数J(n)为期望信号d(n)和次级信号y(n)的均方误差，即：
[0016] J(n) =E[e2(n) ] =E[(d(n) -ffTX(n))2]
[0017] =E[d2 (n) ] +ffTE[X(n)XT (n) ]ff-2ffTE[d(n)X(n)]
[0018] =E[d2 (n)]+ffTRff-2ffTP
[0019] 其中，R为输入信号x(n)的自相关矩阵，R=E[X(n)XT(n)] ;P为互相关矢量，P= E[d(n)X(n)]，利用收敛系数变化的LMS算法时采用迭代法获得最优权矢量矿，取最优权矢 量f时，目标函数最小。
[0020] 利用收敛系数变化的LMS算法时采用迭代法获得最优权矢量矿过程中所采用的 迭代函数为：
[0021]ff(n+1) =ff(n)+2y(n)X(n)e(n)
[0022] 其中，y(n)为LXL的对角矩阵：
[0023]
[0024] yi(n) (1 = 0, 1，? ? ?，L-l)为收敛系数，具体取值方法为：
[0025]
[0026] 其中a大于1。
[0027] 所述稳定状态为误差信号的幅值ht与稳态时刻幅值h"相差5%以内时。
[0028] 大功率变压器自适应有源降噪控制系统，包括参考传感器、误差传感器及自适应 控制器，所述参考传感器通过第一前置放大器连接自适应控制器的输入端，所述误差传感 器通过第二前置放大器连接自适应控制器的输入端，所述自适应控制器的输出端通过功率 放大器连接扬声器。
[0029] 所述参考传感器和误差传感器采用电容式传声器。
[0030] 本发明的有益效果：
[0031] 本控制方法能够在保证稳态误差性能的情况下加快算法的收敛速度，并提高降噪 效果，在一定程度上缓解了传统算法无法同时兼顾收敛速度和稳态误差性能的矛盾，且收 敛系数初值的选择也变得更加自由，有效地降低初级噪声。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明的系统工作示意图；
[0033]图2为有源降噪系统数学模型图；
[0034]图3(a)为有源降噪系统模型连续域简化图；图3(b)为有源降噪系统模型离散域 简化图；
[0035] 图4为自适应滤波系统原理图；
[0036] 图5为FIR滤波器原理图；
[0037] 图6 (a)为变压器原始噪声时域波形图，图6 (b)为变压器原始噪声幅频特性图；
[0038] 图7(a)为自适应滤波后残余噪声信号仿真图，图7(b)为自适应滤波后幅频特性 仿真图，
[0039] 图7(c)为自适应滤波后次级信号仿真图；
[0040]图8(a)为本发明残余噪声信号仿真图，图8(b)为本发明幅频特性仿真图，
[0041]图8(c)为本发明学习曲线图，图8(d)为权系数取值。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0043] 如图1所示，大功率变压器自适应有源降噪控制系统，包括参考传感器、误差传感 器及自适应控制器，所述参考传感器通过第一前置放大器连接自适应控制器的输入端，所 述误差传感器通过第二前置放大器连接自适应控制器的输入端，所述自适应控制器的输出 端通过功率放大器连接扬声器。所述参考传感器和误差传感器采用电容式传声器。
[0044] 参考传感器和误差传感器采集到的信号一般比较弱，因此须经过第一前置放大器 和第二前置放大器的放大才能作为自适应控制器的输入。同样，自适应控制器输出的信号 不足以驱动扬声器发声，因此需要功率放大器进行比例放大。
[0045] 由图1可以明显看出整个自适应降噪系统主要由三条回路来完成整个降噪过程， 初级回路的功能是拾取初级噪声作为系统的参考信号，次级回路完成次级信号的放大与输 出工作，反馈回路则将参考信号和误差信号输送至自适应控制器运算产生次级信号。
[0046] 大功率变压器自适应有源降噪控制方法，自适应控制器中滤波器采用FIR滤波 器，包括以下步骤：
[0047] 大功率变压器自适应有源降噪控制方法，自适应控制器中滤波器采用FIR滤波 器，包括以下步骤：
[0048] 步骤一，传感器采集初级噪声作为参考信号x(n)传递到自适应控制器中，自适应 控制器根据此参考信号输出一个控制信号作为次级信号y(n)驱动扬声器发出次级噪声；
[0049] 步骤二，电力变压器发出的噪声所建立的初级声场与扬声器发出的次级噪声所建 立的次级声场产生叠加，由误差传感器采集到叠加后的声压，并形成误差信号e(n);
[0050] 步骤三，自适应控制器接收到误差信号e(n)后，根据预设的目标函数J(n)利用 收敛系数变化的LMS算法来调整次级信号的相位和幅值，持续至误差信号满足目标函数 J(n)，达到稳定状态。
[0051] 假设自适应控制器、参考信号传感器、误差传感器的频响函数分别为w(u)、 & (?)和s2(?)，次级声源P的频率响应为p(?h假设声波从变压器传播到参考信号传 感器Si的传播路径的传递函数为HS1 (?)，从变压器和次级声源P到误差传感器间的传递函 数分别为HS2 (?)、HPS (?)。假设初级回路中前置放大器等器件频率响应为& (?)，次级回 路中功率放大器等器件频率响应为N2 (?)，反馈回路中的前置放大器等器件的频率响应为N3(?)。整个变压器智能化有源降噪系统的数学模型如图2所示。
[0052] 图2中，p(t)、x(t)和e(t)分别为初级信号、参考信号和误差信号。将各个回路 的传递函数作如下整理：
[0053] Hr (?) =S: (?)HS1 (?)N: (?) (1)
[0054] Hp(?)=Hps(?) (2)
[0055] Hs (?) =HS2 (?)N2 (?)P(?) (3)
[0056] Hf(?) =S2(?)N3(?) (4)
[0057] 由上可知，Hr〇)、Hp〇)、Hs〇)和Hf 〇)分别为参考回路、初级回路、次级回路 和反馈回路的传递函数，因此图2可简化为图3(a)。为了后续计算的方便，可以将该简化 图转化为离散域，如图3(b)所示，相应地控制器和各回路的传递函数即可记为W(z)、札(z)、 Hp (z)、Hs (z)和Hf (z)。
[0058] 由图3可以明显看出，在已知各回路传递函数的情况下，该系统的核心是自适应 控制器的控制算法。
[0059] 自适应滤波器是一种以最小均方误差或最小二乘法为准则的最佳过滤器，能够自 动调节其单位脉冲以达到最佳优化效果。它可以分为两个部分，一部分是滤波器来完成滤 波任务，另一部分是控制算法来完成系数的调整任务。其系统原理如图4所示。
[0060] 图4中，x(n)和y(n)分别为参考信号和次级信号，d(n)为期望信号，e(n)则为误 差信号。自适应滤波器能够使d(n)和y(n)之间的均方误差最小，因此该均方误差即为系 统的目标函数，用J(n)表示，即
[0061] J(n) =E[e2 (n) ] =E[(d(n)-y(n))2] (5)
[0062] 自适应滤波器结构是利用抽头延时做成的横向结构有限长冲击响应 (Finite-durationImpulseResponse,FIR)滤波器，它的抽头加权系数集正好等于其冲击 响应。FIR滤波器是一种非递归结构的滤波器，具有两个特点：首先它具有线性的相位频率 特性，能够保证信号在通带内不会发生失真；其次它是一个无条件稳定的因果系统，没有反 馈回路，仅包含零点。其结构如图5所示，Wl(n)为权系数，假设滤波器的长度为L，则第n时 刻的输出为：
[0063]
(6)
[0064] 从式（6)可以看出，输出信号y(n)是前L个输入信号x(n)的线性加权之和，那么 用矢量形式分别表示滤波器的输入信号和权系数：
[0065]X(n) =[x(n),x(n-1),. . . ,x(n-L+1)]T (7)
[0066] ff= [w1；w2, .