基于改進FxLMS前饋控制算法的高速列車主動控制系統(tǒng)研究

丁江沨 趙艷菊 帥仁忠

摘 要：傳統(tǒng)的高速列車噪聲控制方法采用被動降噪方法，如隔聲、減振等，但只對高頻噪聲控制有效。為了有效的消除低頻和中頻噪聲，提出了一種基于改進FxLMS前饋控制算法的高速列車主動控制設(shè)計方案，并在此基礎(chǔ)上，對該方案進行了仿真分析和試驗測試。將8個參考傳聲器安裝在VIP座椅及內(nèi)飾板上，通過在高速列車上的長時間運行試驗，結(jié)果表明，在啟動ANC系統(tǒng)時，噪聲可以降低3dBA。

關(guān)鍵詞：改進FxLMS前饋控制算法;主動降噪;高速列車;ANC

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.34.092

減振降噪措施是高速列車設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)之一。線路試驗結(jié)果表明，高速列車內(nèi)部噪聲主要集中在低頻和中頻。眾所周知，吸聲和隔聲措施對低頻和中頻噪聲的影響較小。降低低頻噪聲一直是噪聲控制的難題。主動噪聲控制（ANC）是通過適當?shù)亩温曉搓嚵幸胍粋€對消“噪聲”來實現(xiàn)的。這些二次聲源通過控制系統(tǒng)產(chǎn)生與源噪聲相反的波對原有噪聲進行消聲降噪處理。主動控制的優(yōu)點是附加質(zhì)量小，低頻噪聲效果好。因此，ANC在制造業(yè)、工業(yè)和汽車業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，但在鐵路領(lǐng)域報道較少。

本文研究了主動噪聲控制在高速列車中的應(yīng)用，根據(jù)ANC原理，提出了一種基于改進FxLMS前饋控制算法的高速列車主動控制設(shè)計方案，根據(jù)ANC開發(fā)過程，進行了線路測試和靜態(tài)傳遞函數(shù)測試。然后通過在實驗室和實車驗證了該主動控制系統(tǒng)的降噪效果。

1 主動降噪原理

主動噪聲控制的原理是兩列相位相反聲波干涉相消的原理。如果次級聲源產(chǎn)生與原有聲源（空間和時間上）相位相反、幅值相等的聲波，則該區(qū)域內(nèi)的原始聲場相互抵消就達到了降噪的目的。

主動噪聲控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于主動控制算法。目前，根據(jù)采用最佳原則的不同，主要分為兩類：一是基于最小均方差（LMS）算法，例如歸一化的最小均方誤差算法（NLMS）、多誤差 的LMS算法 、濾波-U等算法;二是基于遞歸最小二乘（RLS）算法，比如最小二乘格形算法（LSL）、濾波最小二乘算法（FRLS）、快速橫向濾波算法（FTF）等。而 LMS 算法因為計算量小、算法簡單、收斂性較好而且硬件易實現(xiàn)，目前的實時噪聲主動控制系統(tǒng)大多采用此類算法。由 Widrow和 Burgess兩位學者各自獨立推導的 FXLMS（Filtered X LMS）算法及其改進算法由于結(jié)構(gòu)簡單收斂性好，目前已成為主動噪聲控制領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的算法。

2 FXLMS主動控制算法

在ANC前饋控制器中，采用橫向 FIR 結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)濾波器。前饋ANC系統(tǒng)中，次路徑長度為M，hi（n）為n時刻次路徑的第i個脈沖響應(yīng)系數(shù)。定義代價函數(shù)為：

FXLMS算法這一名稱是Burgess于1981年命名的，它結(jié)合管道噪聲有源控制的需求，詳細推導了這一算法并給出了收斂曲線和降噪性能的計算機仿真結(jié)果。FXLMS算法是最早應(yīng)用于主動噪聲控制中的自適應(yīng)算法，已成為主動控制算法中的最經(jīng)典和最常用的算法，也成為其他算法比較的 “標準算法”。

前饋FXLMS控制算法主要特點為：

（1）參考傳感器和誤差傳聲器分別采集聲源的參考輸入信號x（n）和誤差信號e（n）;

（2）控制濾波器的輸出信號為：u（n）=WT（n）X（n）=∑N-1i=0wi（n）x（n-i）;

（3）輸出信號u（n）以驅(qū)動次級揚聲器;

（4）計算濾波-X信號xf（n）=∑M-1i=0si（n）x（n-i）;

（5）采用FXLMS算法更新自適應(yīng)濾波器W（z）的權(quán)值參數(shù);

W（n+1）=W（n）-μe（n）Xf（n）

（6）重復以上過程直至誤差信號e（n）滿足設(shè)定要求。

主動噪聲控制系統(tǒng)的物理實現(xiàn)要求系統(tǒng)是因果系統(tǒng)。所謂因果系統(tǒng)，是指系統(tǒng)輸出只取決于此時刻以及此時刻以前的輸入，如果初級通路的聲時延比次級通路大，則控制器是可以物理實現(xiàn)。此時的控制器就是一個最佳的可實現(xiàn)線性濾波器。

2.1 基于LMS算法的次路徑建模

最小均方（LMS）算法的權(quán)系數(shù)計算迭代公式是通過梯度估計得來，這個梯度估計值存在一定的誤差，因此在有源噪聲控制過程中，需要預先辨識次路徑的模型，以修正LMS算法的誤差梯度估計值。

有源噪聲控制過程中，一般是采用基于LMS算法的FIR濾波器對次路徑的模型進行預先辨識，以修正LMS算法的誤差梯度估計值。圖3給出了次路徑模型辨識的框圖，為充分激勵次路徑的各個頻率成分，激勵信號選擇白噪聲，其辨識過程總結(jié)如圖3。

（1）白噪聲信號驅(qū)動次級揚聲器，同時作為自適應(yīng)濾波器S∧（z）及LMS算法的參考輸入信號;

（2）揚聲器的輸出信號為次級聲源信號y（n）;

（3）主動控制自適應(yīng)濾波器S∧（z）的輸出信號為：y∧（n）=∑M-1i=0si（n）u（n-i）;

（4）誤差信號為實際系統(tǒng)和辨識模型的輸出差值：e（n）=y（n）-y∧（n）;

（5）采用LMS算法更新自適應(yīng)濾波器S∧（z）的系數(shù);

si（n+1）=si（n）+μe（n）u（n-i）， i=0，1，…，M-1重復以上過程直至誤差信號e（n）滿足設(shè)定要求。存儲濾波器參數(shù)S∧（z），供FXLMS算法使用。

2.2 改進的FXLMS算法

考慮聲反饋的FXLMS算法在自適應(yīng)前饋主動控制系統(tǒng)中，還需要注意的是：

（1）主動噪聲控制系統(tǒng)處理的是聲學參量，因此需要考慮各個電氣元器件的延遲影響;

（2）主動噪聲控制系統(tǒng)中次級聲源的輸出并不是立刻被誤差傳感器接收，而是經(jīng)過一個復雜的次級通路的傳播，因此次級通路對算法的影響必須要考慮;

（3）主動噪聲控制系統(tǒng)中還存在次級聲的反饋問題（即指次級聲源反饋到參考傳感器中）。

次級聲反饋是指喇叭等次級聲源產(chǎn)生的聲波反饋到參考輸入傳聲器處所導致的參考信號失真現(xiàn)象，其原因是因為聲波傳播具有非單向性;主動噪聲控制過程中，有時需要設(shè)計考慮次級聲反饋的前饋主動控制系統(tǒng)，以保證主動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在聲反饋FXLMS算法（FBFXLMS）中，利用次級聲反饋路徑的估計F∧（z） 對控制輸出u（n）進行濾波。次級聲反饋路徑的估計值F∧（z）如果與實際路徑F（z）充分接近，則可較好的恢復真實的參考輸入x（n），從而減小次級聲反饋對系統(tǒng)性能的影響。

（1）白噪聲信號驅(qū)動次級揚聲器，同時作為自適應(yīng)濾波器S∧（z），F(xiàn)∧（z）及LMS算法的參考輸入信號;

（2）參考傳感器和誤差傳聲器用來分別采集聲源的參考輸入信號x（n）及誤差信號e（n）;

（3）計算誤差信號e'（n）和f（n）;

e'（n）=e（n）-∑M-1i=0si（n）u（n-i）

f（n）=x（n）-∑L-1i=0di（n）u（n-i）

（4）采用LMS算法更新自適應(yīng)濾波器S∧（z），F(xiàn)∧（z）參數(shù);

si（n+1）=si（n）+μse（n）u（n-i）， i=0，1，…，M-1，

di（n+1）=di（n）+μdf（n）u（n-i）， i=0，1，…，L-1

（5）重復以上過程直至誤差信號e'（n）和f（n）滿足設(shè)定要求，存儲S∧（z），F(xiàn)∧（z）參數(shù)，供FBFXLMS算法使用。

3 主動降噪控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)噪聲主動控制理論，一個ANC系統(tǒng)主要包括參考傳感器、誤差傳感器、主動發(fā)聲裝置（喇叭）和控制器四個部分。

參考傳感器是采用加速度傳感器獲取引起車內(nèi)噪聲的激勵源，并傳遞到控制器中;誤差傳感器：監(jiān)控ANC 系統(tǒng)運行情況;主動發(fā)聲裝置（喇叭）：物理產(chǎn)生相反的噪聲，抵消原有噪聲;控制器：驅(qū)動喇叭的信號處理器。在最簡單的情況下，數(shù)字信號處理（DSP）控制器將參考傳感器接收的信號乘以負一并將其傳送到喇叭來產(chǎn)生相反的噪聲。

噪聲主動控制算法研究首先需要進行聲源識別，找出引起乘客耳部區(qū)域噪聲的噪聲源，由于高速列車結(jié)構(gòu)復雜，噪聲源眾多，隨著速度不同，車內(nèi)噪聲源的貢獻也不同。通過傳遞路徑和貢獻量分析，確定車輛的主要噪聲源，用作參考信號來重構(gòu)引起乘客耳部噪聲的噪聲源。

搭建控制算法模型，通過篩選不同的參考通道，模擬主動控制系統(tǒng)的控制效果，選取8個參考信號、2個次級聲源、2個誤差傳感器，作為控制系統(tǒng)的輸入和輸出通道。圖7所示的simlink程序即為控制算法程序中，圖8所示的dSPACE為控制器。

4 試驗驗證

在半消聲室內(nèi)搭建VIP座椅主動降噪系統(tǒng)，將主動裝置嵌入VIP座椅中，不改變VIP座椅外形結(jié)構(gòu)，通過模擬列車噪聲環(huán)境，進行靜態(tài)調(diào)試。根據(jù)噪聲特性和乘客頭部活動區(qū)域，優(yōu)化控制參數(shù)，實現(xiàn)最優(yōu)控制，目前試驗室條件下，降噪效果可以達到10dBA。

根據(jù)試驗室模擬效果，在實車上搭建主動控制系統(tǒng)，將參考傳感器布置在VIP座椅周圍車體地板、側(cè)墻、頂板上。驗證結(jié)果表明，該主動控制系統(tǒng)能有效地降低3-6dB的低頻噪聲，特別是在人頭部300Hz以下。圖10顯示了控制系統(tǒng)的布置情況，圖11為噪聲控制效果對比，300km/h速度工況下，在較寬頻帶內(nèi)可實現(xiàn)噪聲級降低3 dBA。

5 結(jié)論

本文研究了主動噪聲控制在高速列車中的應(yīng)用，針對高速列車復雜的噪聲環(huán)境，根據(jù)ANC原理，提出了一種基于改進FxLMS前饋控制算法的高速列車主動控制設(shè)計方案，并開發(fā)了一套適應(yīng)于VIP座椅的主動控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場試驗，對開發(fā)的主動噪聲控制系統(tǒng)進行了驗證和評價，試驗表明開發(fā)的主動控制系統(tǒng)可以降低座椅頭部區(qū)域噪聲在3dBA左右。

參考文獻

[1]陳克安.有源噪聲控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[2]周亞麗，張奇志.有源噪聲與振動控制[M].北京：清華大學出版社，2014.

[3]Gorman J，Hinchliffe R，Stothers I.Active sound control on the flight deck of AC130 Hercules[C].Proceedings of ACTIVE04，2004.

[4]Sano H，Yamashita T，Terai K.Active control system for low-frequency road noise combined with an audio system[J].IEEE Transactions on Speech and Audio Processing，2001，9（7）：755-763.

[5]Elliott S J.A review of active noise and vibration control in road vehicles[J].ISVR Technical Memorandum No.981，2008.