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1、http:/ 基于基于DSP的汽车内部噪声主动智能控制系统设计的汽车内部噪声主动智能控制系统设计1孟繁营 德州职业技术学院，山东德州（253000） E-mail：mfy_ 摘摘 要：要： 本文在 LMS 的基础上研究了改进的归一化变步长最小均方误差算法 （MNVS） ， 得出了该算法的权重调整公式。 论文以 TMS320F2812 DSP 为基础设计了智能控制器， 并且根据课题需要完成了汽车内部噪声主动控制实验系统的设计。 关键词：关键词：噪声主动控制 自适应控制 LMS 算法 DSP 汽车噪声 1研究背景研究背景 噪声对人们在心理、生理和社会生活诸多方面都将产生不利影响，随着现代社会的发展
2、和人们生活水平的提高，噪声控制问题日益引起了人们的重视和关注。尤其在汽车、飞机、潜艇等封闭舱内的噪声控制更是具有重要的意义，引起了工程技术界的广泛关注，成为各国争相研究的重点。 噪声主动控制基本思想是由德国物理学家Paul Lueg于 1936 年发明 “电子消声器”1 时首次提出的。汽车内部噪声控制方法主要分为被动控制和主动控制。被动控制技术对于高频噪声具有较好的衰减能力，并且实现简单、系统稳定性好，但是被动控制存在许多致命的不足，如容易引起硬件过重、成本增加，更为关键的问题是，被动控制技术对于中、低频噪声控制更显得无能为力。这样噪声主动控制(Active Noise Control, 简称
3、ANC)的思想便应运而生并逐渐引起了人们的重视。噪声主动控制技术相对传统的被动控制来说，具有对中、低频段噪声的控制效果明显、系统轻巧、实时性强等优点，具有潜在的工程应用价值2。 2改进的变步长归一化最小均方误差（改进的变步长归一化最小均方误差（MNVS）算法）算法 2.1 多误差多误差 LMS 算法算法 最小均方（Least Mean Square ，LMS） 算法是由 Widrow 和 Hoff 于 1960 年提出的。LMS 算法是基于最小均方误差准则（NMSE）的特殊维纳滤波器和最陡下降法 提出的一种线性自适应算法3。LMS算法的递推公式为 w(1)w( )2( ) ( )nnen+=+
4、x n)（1） 但是在实际应用中，这种简单的形式很难真正达到预想的效果。不过以它为基础的多误差 LMS 算法（NVS）具有很高的实用价值。NVS 算法的权重调整公式为公式 2和 3。 0(1)( )2( )(Jxmixmixllmj jwkwke kcx ki=j+= （2） 0(1)( )2( )(Jymiymiyllmj j)wkwke kcy ki=j+= （3） 1本论文得到山东省自然科学基金项目（2004ZRB02001）的资助。 - 1 -http:/ LMS算法因其计算量小、性能稳定、简单易实现而被广泛应用于时不变系统。但是，应用于时变系统时，其跟踪能力常常不能满足要求。改进的归
5、一化变步长最小均方误差算法（MNVS）对LMS算法作了很大改进4，它采用了归一化变步长方法，加速了算法在大的误差区域内和小误差区的快速收敛性，有效地提高了跟踪性能。 传统的 LMS 算法权系数的迭代公式如公式（1）所示，当步长一定时，该算法的总收敛速度主要取决于输入序列自相关矩阵xxR的最小特征值min，而总失调则主要取决于最大特征值max。当xxR的特征值严重分散时，输出收敛速度低且失调大。由于xxR的特征值随着输入信号强度的改变而改变，影响收敛和失调，甚至可能破坏收敛条件。 这就要求自适应算法有较大的动态范围， 归一化变步长最小均方误差 （NVS）算法就能很好地适应这一要求，它采取的措施之
6、一是在公式（1）中引进了变步长因子j，可以将步长视为jj =，即j大时，j随之增大，自适应算法自动地进行快速跟踪，当j小时，即算法输出已经较好地跟踪期望值，取小步长j，以保证算法小的失调。其中j可以由下式给出： =其他当jj jCC（2） 这里C为常数，且，对1C j进行限幅的目的在于保证满足收敛条件。NVS 算法的又一措施是将输入功率归一化，即以ju p代替，jp表示输入信号的功率，用下式的一阶递归法进行估计： 10),(122 1+=jjjjpxpp（3） 初始2 00px=。由于输入信号的特征值及自相关矩阵xxR的迹均与输入功率成比例， 因而它的引入使 LMS 算法的性能保持稳定， 不随
7、输入信号强度的改变而改变，从而扩大了 LMS 算法输入的动态范围，综合起来归一化变步长（NVS）自适应滤波算法的迭代公式为： xxTr Rjp)()/2()() 1(jXpjWjWjjj+=+（5） 式中的j和jp分别由公式（2）、（3）两式决定，公式（5）收敛的条件为： )(10maC（6） 事实上在 NVS 算法中，变步长jjp 随着j的减少而越来越小，而jp是较平稳的量，因而使 NVS 算法收敛到精确值的时间大大超过 LMS 算法，为了克服这一缺点，在此给出改进的归一化变步长最小均方算法（MNVS）。 MNVS 算法吸收了 NVS 算法对大输入动态范围信号具有良好跟踪性能和 LMS 算法
8、在渐进稳态时收敛较快的特点，使该算法在整体跟踪速度上明显优于 LMS 算法和NVS 算法。MNVS 算法的具体实现可以由下式表示： - 2 -http:/ ( )(2/)( )1(1)( )2( )jjjjjW jpX jW jW jX joth ers+=+（7） 式中各变量的定义与 NVS 算法相同。 根据以上推出的 MNVS 算法，多误差 LMS 算法权系数的调整公式（5）和（7）可以优化为以下形式： 00( )2( )( )()( )1.(1) ( )2( )()Jxmixlxillmjl jxmiJxmixllmj jwke kp e kcx kije kwk wke kcx kij
9、= += )ot hers（8） 00( )2( )( )()( )1.(1) ( )2( )()Jymiylyillmjl jymiJymiyllmj jwke kp e kcy kije kwk wke kcy kij= += )ot hersJJxixixlmjlmjxi jjppcx kijcx kijp =+ )10（9） 其中 11 00()() x11 00()()JJyiyiylmjlmjyi jjppcy kijcy kijp =+ )y013汽车内部噪声主动控制系统设计汽车内部噪声主动控制系统设计 本控制系统主要有四部分组成，即：汽车被控系统模型（含执行器）、外部声源、控制
10、器和信号监视（含传感器）。系统组成如图 2 所示。 控 制 器外 部 声 源功 放 B O M ： A V - 3 6低 通 滤 波 器任 意 函 数 发 生 器低 通 滤 波 器功 放 T X -1D /AA /DD S P动 态 信 号 分 析 仪P V D FP Z T铝 板声 压 传 感 器汽 车 模 型数 据 采 集 及 分 析P CU S B 2 .0图 2 实验系统组成示意图 在实验系统中，我们采用外部扬声器模拟舱体从外部受到的激励。系统的示意图如图 2 所示，在此需要说明一点的是：在控制系统中，我们的被控汽车模型包含多块铝板，在此为了表达方便，只画出给系统的其中一块。扬声器发出
11、的声波迫使汽车模型的一个由铝板构成的面发生受迫振动，从而使汽车内部出现较大的噪声；当放置在- 3 -http:/ 箱体内部指定位置的声压传感器检测到该处的声压变化，就把最新的声压值向 DSP控制器传送，控制器根据此时系统的输入和输出情况，及时做出判断，对系统施加控制，此控制功能是通过粘贴在封闭舱体薄铝板壁上的 PZT 执行器完成的，因为 PZT在控制信号的作用下能够产生振动能量，同样使铝板受迫振动，以此来降低在汽车内部指定位置的噪声。 3.1汽车被控系统模型汽车被控系统模型 由于本论文是针对汽车车内内部噪展开的，为了研究方便，采用了粗略的轿车的模型作为被控对象。该模型的四面有 1mm 的铝板组
12、成,在车身上和车身内部安装有控制传感器,其中该控制系统的执行器是 PZT，也是对称地安装在模型上。 由于压电陶瓷具有把电能转变为机械能的能力，因此当应用系统通电给压电陶瓷时，使材料的自发偶极矩发生变化，从而使材料的尺寸发生改变，这种效应能产生200-300 的微应变，可在 20ms 内产生 50m 的位移，响应速度之快是其它材料所无法比拟的，而且频带很宽，对温度不敏感，随着加压次数的增加，性能趋于稳定，并且容易集成，是高精度、高速驱动器所必须的材料，在智能结构系统中得到了广泛的应用。本课题选用了压电材料 PZT 作为执行器。 3.2外部声源外部声源 在实验中的外部声源是由扬声器代替的，扬声器由
13、信号发生器发出的信号经过功率放大器后驱动。 3.3智能控制器智能控制器 该智能控制器是根据本课题自主开发的，该控制器能够通过 USB2.0 接口与 PC通讯，以便向计算机发送数据和接收计算机发过来的控制命令。 本课题设计的基于 DSP 的智能控制器选用美国 TI(Texas Instruments)公司最新推出的 TMS320F2812 数字信号处理器。 设计了以 TMS320F2812 为核心的既可以脱机独立 自 主 运 行 又 可 以 通 过USB 接口在线仿真的 DSP智能控制器结构框图， 如图3 所示。 根据图 3， 智能控制器的主要器件有模拟电路部分（包括数字信号采集电路和输出信号处
14、理电路）、DSP子系统部分（包括 DSP 芯片及外围芯片电路）、电源、时钟及复位电路等。 图 3 智能控制器结构框图 DSPTMS320 F2812低通滤波放大器A/D光隔光隔D/A放大器输入 信号输出 信号电源与复位 电路SRAM 扩展FLASH 扩展RTC 实时时钟CY7C680BUSB2.0DSP 子 系 统电源、 时钟及 复位电 路模拟电路部分3.4信号监视器信号监视器 为了能够对箱内的控制误差信号和压电片驱动信号监视，并且进行信号处理工作，本控制系统的信号监视器采用了自行开发的多功能信号采集和处理系统。 由于压电材料对于所加应力能产生可测量的电信号，因此在高智能材料系统中可用做传感器
15、。本课题所选用的座位传感器的压电材料为压电薄膜PVDF，PVDF- 4 -http:/ 很薄，柔软、密度低，灵敏度很好，而且机械柔韧性比压电陶瓷高十倍，PVDF压电材料的压电性比石英高 3-5 倍，压电系数值更高，可贴在物体表面5-7。PVDF感知的信号作为系统的参考信号。 4控制软件开发控制软件开发 4.1 程序框图程序框图 本文开发了 ANC 控制软件， ANC 程序主框图如图 4 所示。 5结论结论 本文在 LMS 的基础上， 本文在 LMS 的基础上研究了改进的归一化变步长最小均方误差算法（MNVS）；以 TMS320F2812 DSP 为基础设计了智能控制器，并以该控制器为 核心设计了汽车噪声主动控制模型，根据前面的理论完成了整个控制系统的软件开发。 开 始初 始 化 C h = M 结 束 吗 ?A / D 采 参 考 信 号 XC h = M ?Y = X * Z- ND / A 输 出 驱 动 P Z Td = D x * XC h = M ?c = T l m x * X
