论文部分内容阅读
[摘 要]通过基于简化直升机有限元模型的仿真，验证了该算法具有良好的收敛特性和较小的计算量。综合考虑直升机实际减振需求，以自由一自由梁为对象，以振动成分为控制目的进行了双频单人单出和四人两出振动控制试验，包括外扰及通道变化等多种复杂情况下的试验，以考验算法的自适应能力。试验结果表明：基于所提出算法的主动振动控制系统能有效控制多个目标频谱，单人单出系统被控点振动水平至少降低84%，四人两出情况下总体振动水平降低66%，且收敛速度较快，自适应能力较强。
[关键词]直升机；自适应控制；多频振动；并联结构；
中图分类号：E231 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0325-01
引言
现有直升机主动振动控制技术主要对机体主通过频率振动成分进行控制，但更严格的振动控制需要考虑机体的高阶谐波振动成分。为实现直升机多频振动主动控制，以多频窄带噪声主动控制算法为基础，发展了一种运用无延迟带通滤波器的并联结构滤波最小均方算法。无延迟带通滤波器的引入削弱了参考信号和误差信号中谐波分量之间的调频问题，同时避免了在次级通道中引入额外的延迟，加快了收敛速度，且提高了控制效果。
一、直升机AVCS多频控制算法
直升机机体结构振动包含主通过频率及其高阶谐波在内的多个窄带频率成分。从有效性、适应性、易实现性等方面综合考虑，参照ANC领域的并联结构Fx—LMS算法，设计能够实现多频振动控制的AVCS算法。 [1]
1.1含无延迟带通滤波器的并联结构
AVCS算法由于AVCS的目标频率较低，则参考信号频谱间隔较小，采用直接型Fx—LMS算法的情况下，收敛速度较慢。而并联结构AVCS算法的基本思想是通过数個独立的自适应滤波器对振动信号中相应频率的振动成分进行单独控制，这实际上增大了参考信号的频谱间隔，可取得更好的总体减振效果。但是典型的并联结构算法通过含有多个频率成分的单个误差信号来更新所有控制滤波器的系数，这会在误差信号中调制出多个其他频率成分，降低控制效果。为削弱由单个反馈误差信号引起的调频问题，同时为了避免引入额外的延迟而降低算法收敛速度，本节以并联结构AVCs算法为基础，发展了运用无延迟带通滤波器的并行结构多频算法，以提升系统的控制效果，如所示。同时，该算法中采用高于二阶的控制滤波器，以降低对参考信号的要求和控制滤波器的非线性。该算法框中含有M个对参考信号和误差信号进行滤波处理的无限冲激响应（InfiniteImpulseResponse，IIR）数字滤波器。[2]
1.2收敛性仿真及计算量分析
为考察并联结构AVCS算法的收敛速度和计算量，本节以简化的直升机有限元仿真模型为对象，进行直升机多频振动主动控制仿真研究。给出了简化的直升机有限元模型，其材料为钢，总重6.114×103kg。在94号节点引入外扰力以模拟外扰力频率。最终，选择由电磁激振器激励梁产生15Hz+30Hz多频谐波振动，以观测点的加速度响应为控制目标，采用叠堆压电陶瓷作动器进行了模拟直升机机身的自由一自由弹性梁结构的谐波响应振动主动控制试验研究。梁结构主动振动控制系统框图所示，试验现场如所示，传感器和作动器布置示意图所示。需要说明的是，弹性梁模型能够用于直升机机身结构振动响应分析¨81及AVCS研究，因此本试验研究对直升机AVCS具有一定的参考价值。
1.3双频单入单出试验结果与分析
首先进行了利用中安装于A处的作动器控制测点1处双频振动加速度（15Hz+30Hz）的试验研究，以验证算法的振动抑制效果、收敛速度以及适应能力。另外，实际的结构振动环境比较复杂，通常表现为外扰的复杂性和初级通道、次级通道的时变性。为了考察控制方法对复杂环境的适应性，从中选取几种典型情况进行了控制试验。
（1）两个简谐信号叠加的外扰激励下的控制试验
采样率1000Hz。带通滤波器中，该情况下的试验结果如所示，其中（C）和9（d）中的D/A输出电压经过驱动电源放大后驱动作动器工作。由（a）可得，实施主动控制后，测点的加速度响应得到了很好的抑制，控制30S后，振动水平降为原来的84%。由（b）和9（C）可见，控制后15Hz和30Hz频率成分的振动得到有效控制，控制电压平稳增大，最终幅值约3.1V。由（d）可以看出，控制电压也由两个频率分量构成，分别对应外扰信号的两个频率。停止控制后，振动恢复到控前水平。
（2）外扰激励幅值变化的控制试验
系统开始受到15Hz+30Hz的外扰激励，10S时开始控制，当振动衰减稳定后，150s时将外扰的幅值增大到原幅值的1.3倍，240S时恢复到原幅值，试验结果如所示。由可得，控制算法对幅值变化有很好的适应能力。控制施加40s后，振动水平下降85%。150S时激励幅值增大为原来I.3倍，此时控制电压及误差信号也相应地增大为原来的1.3倍左右。
二、基于Fx-LMS的多频控制算法
如前文所述，ACSR的多频控制律设计可以采用的方法有多种，其中时域自适应控制方法对于具有不确定性的实际系统具有更好的控制效果。本章首先结合直升机振动特点介绍了自适应滤波原理，在此基础上，对基于自适应滤波的并行结构多频Fx-LMS算法进行了稳定性分析和诱导频谱分析，根据分析结果，提出了带误差信号滤波器的改进型并行结构多频算法，以提升ACSR系统的稳定性和控制效果。
三、自适应滤波基本原理
自适应滤波器是能够根据输入信号自动调整性能进行数字信号处理的数字滤波器，它主要由数字滤波器和自适应算法两部分所组成，其基本工作原理为：自适应算法根据外部环境的变化，调整滤波器的参数和结构，使得滤波器的输出达到期望的响应信号。其优点是不需要控制对象的精确模型，算法简单，便于实时控制系统的实现。FIR为非递归结构来实现的横向滤波器，它利用正规直接形式实现全零点传输函数，而不采用反馈环节，输出信号）（ny是滤波器系数的线性组合，其最大的优点在于稳定性好。IIR为递归结构形式来实现的滤波器，它能够对零点和极点进行自适应调节，与FIR滤波器相比降低了计算的复杂度，但同时也带来了许多问题，如存在不稳定现象、收敛速度慢、误差曲面存在局部极小值点等。因此在实际应用中FIR滤波器应用最为广泛。
四、结束语
为实现直升机多频振动控制，本文发展了适用于AVCS的含无延迟带通滤波器的并联结构Fx—MS算法通过仿真考察了算法的收敛特性和计算量，并以自由一自由梁为对象进行了若干种典型状态下的多频振动控制试验。采用无延迟带通滤波器的并联结构AVCS算法增大了参考信号中的频率间隔，加快了算法收敛速度，增强了系统收敛稳定性；削弱了误差信号中谐波分量之间的调频问题，同时避免了在次级通道中引入额外的延迟，提高了控制效果，且进一步加快了算法收敛速度。
参考文献
[1]马逊军， 陆洋， 陈仁良，等. 直升机多频振动并联结构自适应控制方法研究[J]. 振动工程学报， 2016， 29（5）：755-764.
[2]周录军. 直升机多频振动主动控制方法研究[D]. 南京航空航天大学， 2015.
[关键词]直升机；自适应控制；多频振动；并联结构；
中图分类号：E231 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0325-01
引言
现有直升机主动振动控制技术主要对机体主通过频率振动成分进行控制，但更严格的振动控制需要考虑机体的高阶谐波振动成分。为实现直升机多频振动主动控制，以多频窄带噪声主动控制算法为基础，发展了一种运用无延迟带通滤波器的并联结构滤波最小均方算法。无延迟带通滤波器的引入削弱了参考信号和误差信号中谐波分量之间的调频问题，同时避免了在次级通道中引入额外的延迟，加快了收敛速度，且提高了控制效果。
一、直升机AVCS多频控制算法
直升机机体结构振动包含主通过频率及其高阶谐波在内的多个窄带频率成分。从有效性、适应性、易实现性等方面综合考虑，参照ANC领域的并联结构Fx—LMS算法，设计能够实现多频振动控制的AVCS算法。 [1]
1.1含无延迟带通滤波器的并联结构
AVCS算法由于AVCS的目标频率较低，则参考信号频谱间隔较小，采用直接型Fx—LMS算法的情况下，收敛速度较慢。而并联结构AVCS算法的基本思想是通过数個独立的自适应滤波器对振动信号中相应频率的振动成分进行单独控制，这实际上增大了参考信号的频谱间隔，可取得更好的总体减振效果。但是典型的并联结构算法通过含有多个频率成分的单个误差信号来更新所有控制滤波器的系数，这会在误差信号中调制出多个其他频率成分，降低控制效果。为削弱由单个反馈误差信号引起的调频问题，同时为了避免引入额外的延迟而降低算法收敛速度，本节以并联结构AVCs算法为基础，发展了运用无延迟带通滤波器的并行结构多频算法，以提升系统的控制效果，如所示。同时，该算法中采用高于二阶的控制滤波器，以降低对参考信号的要求和控制滤波器的非线性。该算法框中含有M个对参考信号和误差信号进行滤波处理的无限冲激响应（InfiniteImpulseResponse，IIR）数字滤波器。[2]
1.2收敛性仿真及计算量分析
为考察并联结构AVCS算法的收敛速度和计算量，本节以简化的直升机有限元仿真模型为对象，进行直升机多频振动主动控制仿真研究。给出了简化的直升机有限元模型，其材料为钢，总重6.114×103kg。在94号节点引入外扰力以模拟外扰力频率。最终，选择由电磁激振器激励梁产生15Hz+30Hz多频谐波振动，以观测点的加速度响应为控制目标，采用叠堆压电陶瓷作动器进行了模拟直升机机身的自由一自由弹性梁结构的谐波响应振动主动控制试验研究。梁结构主动振动控制系统框图所示，试验现场如所示，传感器和作动器布置示意图所示。需要说明的是，弹性梁模型能够用于直升机机身结构振动响应分析¨81及AVCS研究，因此本试验研究对直升机AVCS具有一定的参考价值。
1.3双频单入单出试验结果与分析
首先进行了利用中安装于A处的作动器控制测点1处双频振动加速度（15Hz+30Hz）的试验研究，以验证算法的振动抑制效果、收敛速度以及适应能力。另外，实际的结构振动环境比较复杂，通常表现为外扰的复杂性和初级通道、次级通道的时变性。为了考察控制方法对复杂环境的适应性，从中选取几种典型情况进行了控制试验。
（1）两个简谐信号叠加的外扰激励下的控制试验
采样率1000Hz。带通滤波器中，该情况下的试验结果如所示，其中（C）和9（d）中的D/A输出电压经过驱动电源放大后驱动作动器工作。由（a）可得，实施主动控制后，测点的加速度响应得到了很好的抑制，控制30S后，振动水平降为原来的84%。由（b）和9（C）可见，控制后15Hz和30Hz频率成分的振动得到有效控制，控制电压平稳增大，最终幅值约3.1V。由（d）可以看出，控制电压也由两个频率分量构成，分别对应外扰信号的两个频率。停止控制后，振动恢复到控前水平。
（2）外扰激励幅值变化的控制试验
系统开始受到15Hz+30Hz的外扰激励，10S时开始控制，当振动衰减稳定后，150s时将外扰的幅值增大到原幅值的1.3倍，240S时恢复到原幅值，试验结果如所示。由可得，控制算法对幅值变化有很好的适应能力。控制施加40s后，振动水平下降85%。150S时激励幅值增大为原来I.3倍，此时控制电压及误差信号也相应地增大为原来的1.3倍左右。
二、基于Fx-LMS的多频控制算法
如前文所述，ACSR的多频控制律设计可以采用的方法有多种，其中时域自适应控制方法对于具有不确定性的实际系统具有更好的控制效果。本章首先结合直升机振动特点介绍了自适应滤波原理，在此基础上，对基于自适应滤波的并行结构多频Fx-LMS算法进行了稳定性分析和诱导频谱分析，根据分析结果，提出了带误差信号滤波器的改进型并行结构多频算法，以提升ACSR系统的稳定性和控制效果。
三、自适应滤波基本原理
自适应滤波器是能够根据输入信号自动调整性能进行数字信号处理的数字滤波器，它主要由数字滤波器和自适应算法两部分所组成，其基本工作原理为：自适应算法根据外部环境的变化，调整滤波器的参数和结构，使得滤波器的输出达到期望的响应信号。其优点是不需要控制对象的精确模型，算法简单，便于实时控制系统的实现。FIR为非递归结构来实现的横向滤波器，它利用正规直接形式实现全零点传输函数，而不采用反馈环节，输出信号）（ny是滤波器系数的线性组合，其最大的优点在于稳定性好。IIR为递归结构形式来实现的滤波器，它能够对零点和极点进行自适应调节，与FIR滤波器相比降低了计算的复杂度，但同时也带来了许多问题，如存在不稳定现象、收敛速度慢、误差曲面存在局部极小值点等。因此在实际应用中FIR滤波器应用最为广泛。
四、结束语
为实现直升机多频振动控制，本文发展了适用于AVCS的含无延迟带通滤波器的并联结构Fx—MS算法通过仿真考察了算法的收敛特性和计算量，并以自由一自由梁为对象进行了若干种典型状态下的多频振动控制试验。采用无延迟带通滤波器的并联结构AVCS算法增大了参考信号中的频率间隔，加快了算法收敛速度，增强了系统收敛稳定性；削弱了误差信号中谐波分量之间的调频问题，同时避免了在次级通道中引入额外的延迟，提高了控制效果，且进一步加快了算法收敛速度。
参考文献
[1]马逊军， 陆洋， 陈仁良，等. 直升机多频振动并联结构自适应控制方法研究[J]. 振动工程学报， 2016， 29（5）：755-764.
[2]周录军. 直升机多频振动主动控制方法研究[D]. 南京航空航天大学， 2015.