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噪聲控制基礎(chǔ)：汽車的主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制概述

2019-05-12 18:24:57·  來(lái)源：索辰信息  作者：龐劍  
　
來(lái)源：內(nèi)容摘錄自《汽車進(jìn)排氣系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)》講義，作者：龐劍，系長(zhǎng)安汽車工程研究總院副院長(zhǎng)和總工程師，該講義2005年5月寫(xiě)于美國(guó)密西根，系作者撰寫(xiě)的《
來(lái)源：內(nèi)容摘錄自《汽車進(jìn)排氣系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)》講義，作者：龐劍，系長(zhǎng)安汽車工程研究總院副院長(zhǎng)和總工程師，該講義2005年5月寫(xiě)于美國(guó)密西根，系作者撰寫(xiě)的《汽車噪聲與振動(dòng)：理論與應(yīng)用》的一部分

主動(dòng)控制的概念是1933年由Lueg提出。他的設(shè)想很簡(jiǎn)單，就是在管道中安裝一個(gè)傳感器提取聲學(xué)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)控制器產(chǎn)生一個(gè)大小與管道聲壓幅值相等但是相位相反的聲信號(hào)來(lái)抵消管道中的聲音。圖1為L(zhǎng)ueg的設(shè)計(jì)。
圖1 Lueg的主動(dòng)消音控制設(shè)想
 
五十年代，Olson做了許多主動(dòng)消音的研究，他試圖用這種方法消除管道中、房間內(nèi)和防護(hù)耳塞的噪聲。從那以后的幾十年內(nèi)，很多學(xué)者開(kāi)始從事這方面的研究。八十年代后，很多人申請(qǐng)專利。但是這方面研究和應(yīng)用的進(jìn)展卻非常緩慢，原因有三方面。
 
第一是受到電子技術(shù)發(fā)展的制約。在這項(xiàng)技術(shù)中，控制是最關(guān)鍵的，當(dāng)快速控制系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)明之前，要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)噪聲與振動(dòng)控制是非常困難的。
 
第二主動(dòng)噪聲與振動(dòng)控制要涉及到很多方面，比如電子技術(shù)、振動(dòng)噪聲理論、信號(hào)處理等等。
 
第三是當(dāng)電子和控制技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)噪聲與振動(dòng)控制是可行的時(shí)候，卻受到成本因素的限制。
 
所以即使到了二十世紀(jì)的最后年代，主動(dòng)噪聲與振動(dòng)控制多半還是停留在學(xué)術(shù)和研究階段。近十年來(lái)，電子和控制設(shè)備成本以及控制軟件價(jià)格的大幅度下降，主動(dòng)噪聲與振動(dòng)控制在汽車上的廣泛應(yīng)用才變得現(xiàn)實(shí)。
 
為什么要使用主動(dòng)噪聲與振動(dòng)控制呢？這里有兩個(gè)原因，第一是政府，第二是顧客。政府法規(guī)對(duì)汽車的排放污染和噪聲污染限制越來(lái)越嚴(yán)。比如在以往的三十多年里，歐洲的通過(guò)噪聲標(biāo)準(zhǔn)不斷提高?，F(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越來(lái)越大，產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲也在增加，可是顧客對(duì)汽車的安靜與舒適要求卻越來(lái)越高。為了滿足這兩方面的要求，就必須采用更多的噪聲與振動(dòng)控制設(shè)備，而且消音器的容積越來(lái)越大?？墒侵亓吭黾訒?huì)影響到汽車行駛的經(jīng)濟(jì)性能，體積的增加又受到安裝空間的限制。於是主動(dòng)控制慢慢地在汽車上應(yīng)用起來(lái)。
 
開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制
 
圖2表示一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，控制對(duì)象的特征是確定的，系統(tǒng)的輸出完全取決于輸入。對(duì)于某個(gè)特點(diǎn)的輸入就有相應(yīng)的輸出。
圖2 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)
圖3表示一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。輸出與輸入的關(guān)系沒(méi)有開(kāi)環(huán)控制那么簡(jiǎn)單，也就是說(shuō)，假定輸入給定了，一般得不到所需要的輸出。系統(tǒng)的實(shí)際輸出和理想輸出有所差別。為了使實(shí)際輸出盡可能的接近理想輸出，就必須將實(shí)際輸出反饋回來(lái)與理想輸出進(jìn)行比較。兩者的差值為：
將其再乘上一個(gè)放大系數(shù)，作為控制系統(tǒng)的輸入。這個(gè)放大系數(shù)通常叫著控制增益因子，用K表示。
圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)
在汽車控制中，閉環(huán)控制是用得最為廣泛的。對(duì)主動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)基本是都是閉環(huán)控制，而對(duì)于半主動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有閉環(huán)控制也有開(kāi)環(huán)控制。
反饋控制與超前控制
汽車噪聲與振動(dòng)控制中有兩種最基本的方法：反饋控制與超前控制。圖4表示一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)包括誤差傳感器，控制裝置和揚(yáng)聲器。誤差傳感器測(cè)量信號(hào)，輸入到控制裝置，再推動(dòng)揚(yáng)聲器，產(chǎn)生一個(gè)與前行主聲源的聲波幅度相等而相位相反的次聲源。主聲源的聲波與次聲源的聲波在誤差傳聲器的位置抵消，從而達(dá)到消音目的。
圖4 反饋控制系統(tǒng)
圖5表示一個(gè)超前控制系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)中有誤差傳感器，控制裝置、揚(yáng)聲器和參考傳感器。參考信號(hào)與誤差信號(hào)同時(shí)傳遞到控制裝置，然后再推動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生次聲源。超前控制系統(tǒng)與反饋系統(tǒng)的根本不同是超前系統(tǒng)采用了參考信號(hào)。這樣系統(tǒng)遇到微小的干擾時(shí)，它可以自我調(diào)節(jié)。超前控制系統(tǒng)是一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)。而反饋控制是一個(gè)非自適應(yīng)系統(tǒng)。
圖5 超前控制系統(tǒng)
控制的方法非常多，如最優(yōu)控制、雙狀態(tài)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等等。但目前在汽車上使用的控制多半還是傳統(tǒng)和經(jīng)典的控制，如比例控制、微分控制、積分控制等等。
主動(dòng)控制與半主動(dòng)控制
在汽車噪聲與振動(dòng)控制系統(tǒng)中，都有主動(dòng)控制與半主動(dòng)控制。圖6表示一個(gè)動(dòng)力裝置主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)。動(dòng)力裝置通過(guò)隔振器安放在車架上，其振動(dòng)通過(guò)隔振器傳到車架，同時(shí)路面的振動(dòng)也通過(guò)車胎等部件傳遞到車架。為了減小這些振動(dòng)，一個(gè)主動(dòng)控制系統(tǒng)裝在車架上，并產(chǎn)生一個(gè)相位與振動(dòng)相差1800的力來(lái)抵消一部分振動(dòng)。這個(gè)控制力是由一個(gè)額外能量供應(yīng)系統(tǒng)來(lái)提供的。
圖6 動(dòng)力裝置主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)
主動(dòng)控制的好處是可以有效地控制振動(dòng)與噪聲，但是其缺陷是成本高、需要額外的能源供應(yīng)系統(tǒng)、增加重量、系統(tǒng)的可靠性降低、維修困難等。半主動(dòng)控制能夠克服主動(dòng)控制的這些弱點(diǎn)。圖7表示一個(gè)閉環(huán)的半主動(dòng)控制系統(tǒng)。比較圖7與圖6，其差別是在半主動(dòng)控制系統(tǒng)中，沒(méi)有額外的能源供應(yīng)系統(tǒng)。半主動(dòng)控制中的激勵(lì)力來(lái)自振動(dòng)系統(tǒng)本身的能量。當(dāng)系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，一部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，經(jīng)過(guò)控制器調(diào)節(jié)后，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候釋放出來(lái)抵消傳遞到框架上的振動(dòng)。
圖7 閉環(huán)的半主動(dòng)控制系統(tǒng)
半主動(dòng)振動(dòng)控制也可以是開(kāi)環(huán)的，如圖8所示。圖中沒(méi)有了傳感器來(lái)反饋車架的振動(dòng)信號(hào)。只要發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特性確定了，通過(guò)激勵(lì)裝置作用到車架上的力也就確定了。
圖8 開(kāi)環(huán)半主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)
半主動(dòng)控制的成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有額外的能源供應(yīng)系統(tǒng)，但是其應(yīng)用受到限制。半主動(dòng)控制對(duì)低頻控制效果好，對(duì)高頻噪聲振動(dòng)很難控制。
狀態(tài)空間分析
在系統(tǒng)的動(dòng)力分析中，通常是用二階的微分方程來(lái)表示。如圖3.2中的單自由度阻尼系統(tǒng)，假設(shè)基礎(chǔ)不運(yùn)動(dòng)，那么運(yùn)動(dòng)方程可以寫(xiě)成：
用下面的式子代表上式中的變量：
將上面兩式代入運(yùn)動(dòng)方程中得到下面兩個(gè)方程：
或者寫(xiě)成矩陣形式：
式中，u=F(t)為控制力。
經(jīng)過(guò)上面的變換，運(yùn)動(dòng)方程中的二階微分方程就變?yōu)榱艘浑A微分方程。這種用一階微分方程表示一個(gè)系統(tǒng)的方程就是系統(tǒng)的狀態(tài)方程。
一般來(lái)說(shuō)，對(duì)於一個(gè)多自由度系統(tǒng)，狀態(tài)方程可以寫(xiě)成：
式中，X是狀態(tài)矢量，Y是輸出矢量，u是輸入矢量，A和C是系統(tǒng)矩陣，B和D是系統(tǒng)增益因子。
 
將系統(tǒng)的動(dòng)力方程寫(xiě)成了狀態(tài)方程，就可以對(duì)系統(tǒng)實(shí)行實(shí)時(shí)計(jì)算、識(shí)別、分析與控制。
 
現(xiàn)在主動(dòng)噪聲與振動(dòng)控制在汽車上的應(yīng)用越來(lái)越多，而且這種趨勢(shì)還在繼續(xù)。隨著電子控制系統(tǒng)成本的大幅度下降，主動(dòng)控制不僅在豪華車上應(yīng)用，而且開(kāi)始在普通汽車上應(yīng)用。
 
主動(dòng)控制的好處在于：它能在一定寬的頻率范圍內(nèi)控制振動(dòng)與噪聲。被動(dòng)控制一旦設(shè)計(jì)好了，其作用效果的頻率范圍也就卻定了，但有多個(gè)頻率需要控制時(shí)，就需要多個(gè)被動(dòng)控制系統(tǒng)?？墒且惶字鲃?dòng)控制系統(tǒng)可以隨著頻率變化而調(diào)節(jié)。這樣主動(dòng)控制可以減輕設(shè)備重量和體積，還可以進(jìn)行聲音質(zhì)量的體調(diào)節(jié)和設(shè)計(jì)。
但主動(dòng)控制也有缺陷：系統(tǒng)的可靠性降低、維修困難;在排氣等高溫系統(tǒng)中受到溫度環(huán)境的限制。主動(dòng)控制提供的次級(jí)聲源能量還受到限制。比如在發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)隔振中，目前基本上是對(duì)怠速狀態(tài)效果好，在高速狀態(tài)時(shí)，由于需要的推動(dòng)功率大，所以很難實(shí)現(xiàn)。雖然控制設(shè)備的成本在大幅度降低，但是與被動(dòng)控制相比，成本還是顯得高了。
 
 
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