模糊控制算法在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道有源消聲系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王娟 王俊

[摘 要] 利用模糊控制算法對(duì)管道有源噪聲控制技術(shù)進(jìn)行探索研究，設(shè)計(jì)出了模糊控制器，并基于matlab軟件對(duì)模糊控制算法進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，模糊控制算法在管道有源噪聲控制中具有良好效果，其輸出誤差低于目前常用的自適應(yīng)控制器的輸出誤差。

[關(guān) 鍵 詞] 模糊控制算法；有源消聲；matlab；仿真

[中圖分類號(hào)] TB535 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）20-0105-01

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道有源噪聲控制技術(shù)是指通過(guò)在排氣管內(nèi)產(chǎn)生次級(jí)聲信號(hào)與源噪聲信號(hào)產(chǎn)生相消性干涉，從而在管道下游出口達(dá)到降低噪聲的目的。在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)有源噪聲控制系統(tǒng)中，控制結(jié)構(gòu)比較容易實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵在于控制算法。管道有源噪聲控制算法實(shí)現(xiàn)：一是控制器能實(shí)時(shí)地對(duì)被控聲場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)；二是能夠補(bǔ)償次級(jí)聲道傳遞函數(shù)及非線性或未建模動(dòng)力學(xué)的影響。而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)在管道噪聲的有源控制中大都采用自適應(yīng)控制算法，但自適應(yīng)控制算法存在響應(yīng)慢和對(duì)非線性環(huán)節(jié)的補(bǔ)償能力不理想的問(wèn)題，文獻(xiàn)查閱表明目前國(guó)內(nèi)外很少將智能模糊控制算法用于管道噪聲的有源控制中，本文試圖在控制算法上做探討，研究模糊控制算法在管道噪聲的有源控制中的有效性及效果。

一、模糊控制原理

模糊控制是一種線性智能控制。它是在模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，利用模糊集合、模糊關(guān)系、模糊推理來(lái)模仿人的思維，來(lái)判斷推理解決問(wèn)題。

二、模糊控制器的設(shè)計(jì)

在整個(gè)模糊控制系統(tǒng)中，控制器是核心，其硬件由微機(jī)或單片機(jī)組成；軟件則通過(guò)模糊控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此模糊控制器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是設(shè)計(jì)模糊控制算法。

要對(duì)模糊控制算法在有源噪聲控制中的應(yīng)用進(jìn)行初步探索，所以對(duì)于模糊控制器采用單輸入單輸出。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道有源消聲的基本原理得到模糊控制算法的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道有源噪聲控制系統(tǒng)模型，如下圖：

基于上述的理論和控制器的設(shè)計(jì)原則，對(duì)管道有源消聲系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計(jì)如下：

a在模糊控制的管道有源消聲系統(tǒng)中把初級(jí)噪聲源d（n）作為模糊控制器的給定值。定義模糊控制器的輸出信號(hào)為次級(jí)源信號(hào)y（n）。誤差e（n）=y（n）+d（n）作為模糊控制器的輸入變量。

b輸入變量和輸出變量的語(yǔ)言描述

設(shè)誤差e的論域?yàn)閄，并將誤差大小量化為九個(gè)等級(jí)分別表示為-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，則有：X={-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}；同時(shí)定義描述輸入量的語(yǔ)言值的模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，用字母表示為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}。選擇控制量y的論域?yàn)閅，并同X一樣也把控制量的大小化為九個(gè)等級(jí)，即：Y={-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，同理得出輸出變量的語(yǔ)言值的模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，用字母表示為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}。

c模糊控制規(guī)則的語(yǔ)言描述

根據(jù)手動(dòng)控制策略，可以將該系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則設(shè)定如下：

三、模糊控制算法的matlab仿真

由于matlab軟件中提供了fuzzy命令，很容易實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的仿真。因此，通過(guò)對(duì)fuzzy設(shè)計(jì)器界面中的input模塊和output模塊進(jìn)行輸入模糊量的隸屬函數(shù)和輸出量的隸屬函數(shù)設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)好的模糊控制器在matlab/simulink中進(jìn)行模型的搭建。同時(shí)對(duì)比自適應(yīng)算法在matlab中的模型圖。

在simulink中建立了基于模糊控制的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道有源消聲系統(tǒng)。對(duì)兩種控制算法進(jìn)行matlab仿真得到仿真結(jié)果如下圖：

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，應(yīng)用模糊控制的管道有源消聲系統(tǒng)的消聲誤差被控制在-0.2到0.2之間，完全符合之前所設(shè)的-0.5到0.5的范圍。將模糊控制算法的仿真結(jié)果與自適應(yīng)控制算法的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，模糊控制算法的消聲效果較好。

四、結(jié)論

本文主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道有源消聲系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行了新的探索。對(duì)基于模糊控制算法的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道有源消聲系統(tǒng)進(jìn)行了模糊控制器的建立，模糊算法分析和模糊子集的確定，在matlab/simulink軟件中建立仿真模型，并進(jìn)行了仿真。模糊控制算法和自適應(yīng)控制算法模塊框圖和仿真圖形進(jìn)行對(duì)比，可以明顯看到，模糊控制算法不僅能夠達(dá)到所需要的控制效果，而且比自適應(yīng)控制算法整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成更加簡(jiǎn)練。盡管本文還有一些不足之處，但是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道有源消聲技術(shù)算法的理論研究具有一定的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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