JPH09501779A - 適応フィードフォワード及びフィードバック制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 絶え間ない雑音又は振動を制御する多重相互作用チャンネルのための能動制御装置が基準信号と残差信号をそれぞれ与えるように構成された第１及び第２のセンサ装置、第１及び第２の出力制御信号を与える第１と第２のフィルタ装置及び第１と第２の減算装置並びに前記出力信号を結合する手段からなっている。

Description

【発明の詳細な説明】 適応フィードフォワード及びフィードバック制御装置 背景 音、振動又は信号内の外乱などの外乱の能動制御がよく知られている。この分 野の最近の概観がアカデミック・プレス社の１９９１年発行のピー・エイ・ネル ソン及びエス・ジェイ・エリオット共著「適応音声制御」に含まれている。この ような装置は,元の外乱と位相が合わないでそれを相殺する傾向のある制御外乱 を発生するためにアクチュエータを用いる。この技術は最初ルーグ（Lueg）によ って米国特許第２，０４３，４１６号に記載されている。たいていの適応制御装 置が適応フィルタ技術を用い、その技術では制御装置の特性がＩＥＥＥトランザ クション・オン・アクスチックス、スピーチ・アンド・シグナル・プロセシング (IEEE Transaction on Acoustics,Speech and Signal Processing)、第ＡＳＳＦ ２８巻、第４号，１９８０年にディー・アール・モルガン（Morgan）によって、 プレンチス・ホール、１９８５年発行の「適応信号処理」にウィドロー（Widrow ）及びスターンズ（Stearns）によって開示された「フィルタド-ｘＬＭＳアルゴ リズム」どのアルゴリズムに従って調節される。二つの広く用いられる技術は、 チャップリン(Chaplin)の米国特許第４，１２２，３０３号に記載されたフィー ドフォワード制御及びツィーグラー(Ziegler)の米国特許第４，８７８，１８８ 号に記載されたフィードバック制御である。 能動制御装置において、基準センサーは通常制御外乱に感応する。これは、装 置に不安定をもたらす可能性のあるフィードバック機構を与える。これを補償す るひとつの周知のの方法はフィードバック成分を算定し、それをセンサー信号か ら引くことである。チャプリンとツィーグラーの両者はこの補償技術を用いてい る。 チャップリンの特許に開示された適応フィードフォワード制御装置は、図１に 示されている。この構成において、制御装置はパイプまたはダクト（２）を伝搬 する雑音を打ち消すのに用いられる。上流（音の伝搬方向に対して）又は基準セ ンサー（３）がそのセンサー位置における音に関する基準信号（４）を与える。 この信号は制御信号（６）を発生する制御装置（５）に入力される。この制御信 号は、元の雑音を打ち消す音を生ずるアクチュエータ（７）に送られる。このア クチュエータの下流にある誤差又は残差センサー（８）がその位置における残差 音に関する残差信号（９）を生ずる。この信号は、制御装置（５）の特性を調節 するために用いられる。制御装置は、アクチュエータによる信号（４）の成分の 推定値である補償信号（１１）を作るために制御信号（６）に作用する補償フィ ルタ（１０）を備えている。したがって、このフィルタの特性は、制御装置の出 力から制御装置への入力への物理装置のインパルス応答（アクチュエータ（７） 、センサ（３）及びディタル装置の場合、任意のアンチエイリアジング・フィル タ又はアンチイメイジング・フィルタを備える）の応答に対応する必要がある。 補償信号（１１）は（１２）において基準信号（４）から引かれて入力信号（１ ３）を作る。次に、この入力信号は制御信号（６）を作るために相殺フィルタ（ １４）を通される。フィルタド−ｘＬＭＳアルゴリズムは、相殺フィルタ（１４ ）の特性を調節するために普通に用いられる。補償フィルタ（１０）の特性は周 知の装置識別技術によって決定できる。 ツィーグラーによって開示された適応フィードバック制御装置は、図２に示さ れている。この構成においては、制御装置はパイプ又はダクト（２）を伝搬する 雑音を打ち消すために用いられる。アクチュエータの下流（音の伝搬方向に対し て）にあるセンサ（８）がセンサ位置における音に関する信号（９）を与える。 この信号は、制御信号（６）を発生する制御装置（１５）へ入力される。制御信 号は、元の雑音を打ち消す音を作るアクチュエータ（７）に送られる。同じセン サ（８）は、信号（９）がその位置における残差音に関係しているので、残差セ ンサとして作用する。この信号は、制御装置（１５）の特性を調節するために用 いられる。制御装置は、アクチュエータによる信号（９）の成分の推定値である 補償信号（１７）を作るために制御信号（６）に作用する補償フィルタ（１６） を備えている。したがって、このフィルタの特性は、制御装置の出力から制御装 置への入力への物理装置のインパルス応答（アクチュエータ（７）、センサ（３ ）及びディタル装置の場合、任意のアンチエイリアジング・フィルタ又はアンチ イメイジング・フィルタを備える）の応答に対応する必要がある。補償信号（１ ７）は（１８）において残差信号（９）から引かれて入力信号（１９）を作る。 次に、この入力信号は制御信号（６）を作るために相殺フィルタ（２０）を通さ れる。フィルタド−ｘＬＭＳアルゴリズムは、相殺フィルタ（２０）の特性を調 節するために普通に用いられる。 フィードフォワード制御装置の性能は、外乱と相関させられていない基準セン サにおける雑音によって制限される。これを「コヒーレンス限界」という。フィ ードバック制御装置の性能は、性能を狭帯域又は低周波数外乱に制限する制御ル ープにおける遅延によって制限される。したがって、広帯域と狭帯域の雑音の混 合したものである外乱の場合、フィードフォワード制御とフィードバック制御の 組み合わせを用いることによって得られる利点がある。 これは、ジャーナル・オブ・インテリジェント・マテリアル・システムズ・ア ンド・ストラクチャの第２巻、第４号、１９９１年１０月号の第５５８〜５８０ 頁のエヌ・ジェイ・ドウルマン(Doelman)著「音と振動の能動低減のための統一 戦略」によって認められた。この装置は、図３（ドウルマンの図３でもある）に 示されている。フィードフォワード・フィルタ（５）とフィードバック・フィル タ（１５）の出力は制御信号（６）を作るために（２１）において結合される。 ドウルマンは、巡回形フィルタを用い、定常雑音信号のための最適フィルタ特性 を導いている。しかし、ドウルマンの装置には二つのフィルタ（５）と（１５） の間に相互作用がない。これは、ドウルマンが導いたフィルタが安定である補償 がないので厳しい意味を持つ可能性がある。オフライン設計のプロセスの場合、 フィルタの安定性（オープンループにおけるとクローズドループの両方における ）をフィルタが導入される前に検査できるが、適応制御装置の場合装置の安定性 を絶えず検査することは実際的でない。装置に不安定性の危険があるとこの装置 を実際に導入することを不適当にするだろう。発明の概要 本発明は、外乱を制御する組合わせフィードバック及びフィードフォワード装 置に関する。この装置は、装置のクローズドループ安定性を確実にするために補 償フィルタを用い、そのような装置を安定性を保ちながら適応する計算的に効率 的な方法を与える。 本発明の一つの目的は、どんな不安定性もなく適応され得る装置を提供するこ とである。 本発明のこれ及びその他の目的は、添付図面を基準するとき明らかになる。 図面の簡単な説明 図１は、周知の適応フィードフォワード制御装置の線図である。 図２は、周知の適応フィードバック制御装置の線図である。 図３は、周知の組合わせフィードフォワード及びフィードバック制御装置の線 図である。 図４は、本発明の組合わせフィードフォワード及びフィードバック制御装置の 線図である。 図５は、本発明の組合わせフィードフォワード及びフィードバック制御装置の もう一つの実施例の線図である。 図６は、本発明のマフラー騒音制御装置への適用の線図である。 発明の詳細な説明 本発明は、振動外乱又は雑音外乱を制御する装置に関する。 例えば、外乱は、パイプやダクトを伝搬する若しくは開放領域内を伝搬する音で あることもあり、又は構造物を通して伝搬する振動であることもある。装置は、 その装置の安定性を確実にするために補償フィルタを利用する組合わせフィード フォワード及びフィードバック制御装置である。 基準センサが制御される予定の外乱の少なくとも一部分に関する基準信号(uf) を与えるために用いられ、残差センサが制御された外乱に関する残差信号（ub） を与えるために用いられる。基準補償信号（Cy）がフィードフォワード入力信号 （xf）を作るために基準信号から引かれる。フィードフォワード入力信号がフィ ードフォワード出力信号（yf）を作るためにフィードフォワード相殺フィルタ(A )によってフィルタされる。残差補償信号（Dy）がフィードバック信号（xb）が を作るために残差信号から引かれる。フィードバック入力信号は、フィードバッ ク出力信号(yb)を作るためにフィードバック相殺フィルタ（B）によってフィル タされる。 次に、フィードフォワード信号及びフィードバック信号は、結合されてアクチ ュエータに送られる制御信号(y)を作る。アクチュエータは、元の外乱を修正す る制御外乱を発生する。必ずではないが、通常は、残差外乱が元の外乱より小さ いことを意図している。 一般的実施装置においては、相殺フィルタは巡回形フィルタであり、最も簡単 な実施装置では、それらは有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタである。この 場合には、ｎ番目の段階の動作は、次式によって記載される。 ここでnAは、フィードフォワード相殺フィルタにおける係数の数であり、nBはフ ィードバック相殺フィルタにおける係数の数である。基準補償信号は を用いて結合出力から導かれ、ここで、フィルタ cは、制御装置出力から制御装 置入力への物理的フィードバックをモデル化する基準補償フィルタであり、アク チュエータ、センサ及び任意のフィルタの応答を含む。nCは、このフィルタにお ける係数の数である。これは結合出力がフィルタにおいて用いられないドウエル マンのスキームとは対照的である。 残差補償信号は二つの方法の一つで導かれる。第１には、それを を用いて結合出力から導け、ここでフィルタDは制御装置出力から制御装置残差 入力をモデル化する残差補償フィルタであり、アクチュエータ、センサ及び任意 のフィルタの応答を含む。nDはこのフィルタの係数の数である。 代わりに、残差相殺信号をフィードバック相殺フィルタの出力から導出きるの で、 フィルタcおよびD（巡回形フィルタ又はＦＩＲフィるあたであってもよい）の特 性を標準の装置識別技術又はオンライン装置識別によって見出すことができる。 後者の場合、低レベル試験信号が出力制御信号に加えられ、実際の応答と推定応 答との間の差は、フィルタ特性を調節するために用いられる。例えば、ＬＭＳア ルゴリズムをこの適応に使用できる。 これは図４に示されている。フィードバック相殺フィルタBは、例えばフィル タド−ｘアルゴリズムによって適応できる。これは最も簡単なアルゴリズムであ るが、多くの代わりの適応アルゴリズムが開示されてきた。諸係数は、 を用いて更新され、ここで、μ_Bは適応ステップサイズであり、λ_Bは、リーケー ジパラメータである。フィードフォアード・フィルタもフィルタド−ｘＬＭＳを 用いて適応されてもよい。フィルタド入力信号は によって与えられる。フィードフォワード補償区数を にしたがって残差信号、rb、を用いて更新できる。ここで、μ_Aは適応ステップ サイズであり、λ_Aは、リーケージパラメータである。これは、図４に示されて いる。図４は、出力制御信号（６）を作るためにフィードフォワード・フィルタ （１４）及びフィードバック・フィルタ（２０）からの出力が（２１）で結合さ れており、補償信号（１１）と（１７）が個々の出力信号ではなく組合せ出力制 御信号（６）をフィルタすることによって得られる。フィルタ（１４）と（２０ ）の両方が残差信号に応答して調節され。上述のフィルタド−ｘＬＭＳのような 大抵の適応アルゴリズムにおいては、相殺フィルタへの入力もまた更新計算にお いて用いられる。 式（１２）に変わるものが にしたがってフィードバック入力信号、xb，を用いてフィードバック相殺係数を 適応することである。これは図５に示されている。ここではフィードバック補償 信号（１７）は、結合出力ではなくフィードバック相殺フィルタ（２０）からの 出力（２２）から計算される。したがってフィードバック入力信号は、フィード バック制御信号だけからの効果から生ずる残差信号を表し、それはフィードバッ ク制御装置からの出力とは関係ない。 本発明の組合せアルゴリズムをマルチ・チャンネル・システムに用いることが できる。ＬＭＳ型アルゴリズムのマルチ・チャンネル・システムへの拡張は周知 である。例えば、フィードバック補償を用いるマルチ・チャンネル・フィードフ ォワード制御は、ネルソン及びエリオットの著書の第１２章に記載されている。 フィードバック補償を用いるマルチ・チャンネル・フィードバック制御はツィー グラーのこの明細書に引用して組み込まれている米国特許出願番号０７／９２８ ，４７１の「多重相互作用ＤＶＥアルゴリズム」によって開示されている。本発 明の上述の単一チャンネルからの多重基準入力、多重アクチュエータ及び多重残 差センサへの拡張は当業者には明らかである。 ＦＩＲフィルタを用いて実現された装置に用いる基本式は であり、ここで、nIは、基準センサの数、nJは、残差センサの数、及びnKはアク チュエータの数である。A_kjは、ｊ番目の入力とｋ番目の間のフィルタを表して いる。B,C及びDのマルチ・チャンネル型を同様に定義する。 袖償信号は 及び 又は のいずれかで与えられる、。これらのフィルタを更新するマルチ・チャンネルＬ ＭＳアルゴリズムは、ネルソン及びエリオット（第１２章）によって記載されて いる。アルゴリズムの例 制御装置の一つの実施例において、フィルタは、有限インパルス応答（ＦＩＲ ）フィルタとして実現される。パラメータは、以下の表に定義されている。 変数、すなわち処理装置における動的データ、は下表に定義されている。 フィルタ係数の適応のためのアルゴリズムが以下に与えられる。これはアルゴ リズムのｎ番目のステップを記載し、標本ごとに繰り返される。この特定の例は 、正規化最小平均自乗（ＮＬＭＳ）アルゴリズムを用い、ランダム試験信号を用 いるオンラインシステム識別を含んである。四角括弧［・・・］は、要求されな くでもよいが望ましい動作を表す。大括弧｛・・・｝は、低い割合で（すなわち 標本ごとではない）か、又は処理装置にかかる処理負荷を小さくするようにバ ックグランドタスクとしてなされ得る動作を表す。 注：試験信号を補償する 注：出力信号を補償する 注：出力の完全な計算 注：入力信号の平均モジュラスを計算する 注：ピーク出力信号を調整する（新しいリークを計算する） 注：フィルタを更新する 注：フィルタド出力を計算する 注：次の反復のための補償信号を計算する 注：次の反復のための部分和を計算する 注：残差信号の平均モジュラスを計算する 注：試験信号利得を計算する 既知のフィードフォワード適応フィルタに対して非常の多くの用途がある。こ れらのすべては基準センサと残差センサを用いるので、このフィードフォワード 制御装置は、本発明の組合せフィードドワード及びフィードバック制御装置によ って置き換えできる。これらの用途は、必ずしも雑音または振動の制御に限られ ない。 一つの適応領域は、ダクト又はパイプを伝搬される雑音を低減するためのもの である。ここでは基準センサは、通常、アクチュエータの上流（音の伝搬に対し て）のパイプの中にある。アクチュエータはパイプの中またはパイプの端に隣接 して置くことのできる一つ以上の拡声器であることが多い。アクチュエータをパ イプの端に隣接して置く主な理由は、アクチュエータをパイプの中のガス又は液 体から離すことであり−これらは高温であったり腐食性であったりすることがあ り、そしてアクチュエータに害がある可能性があるからである。その他の利点は アクチュエータから上流センサへのフィードバックが低減され無視されてもよい ことがあることである。これは、制御装置を基準補償フィルタの必要をなくすこ とによって簡単化できる。 この制御装置は、自動車のマフラーからの騒音を打ち消す試験に成功を納めた 。一般的構成は図６に示されている。排気ガスと騒音（１）は、排気パイプ（２ ）を下って解放端の方へ伝搬する。上流センサ（３）は、マイクロホンで、アク チュエータは、マフラーパイプの端に隣接した囲い（７）の中にある拡声器であ った。残差センサ（８）はパイプの端に隣接して置かれたマイクロホンであった 。この制御装置は、ＦＩＲフィルタと２ｋＨｚの標本化速度を用いた。結果とし て生ずる騒音低減は、過渡的駆動条件の下では約１０ｄＢで、定常駆動条件では ２０ｄＢであった。これはフィードフォワード制御装置又はフィードバック制御 装置を単独で用いるより良好であった。更に詳しくは同時係属出願に記載されて いる。 もう一つの用途が能動耳防御装置にある。ここではアクチュエータは耳に隣接 しているか又は耳道内にある拡声器である。残差センサは、拡声器と鼓膜の間に あり、基準センサは拡声器の囲いの外側に又は近くの位置に置かれている。適応 フィードフォワード制御は、この形式の耳防護装置と共に用いるために開示され た。組合せフィードフォワード及びフィードバック制御が性能を改良した。 本発明を説明したが、多くの変化形又は改変形を添付請求の範囲からそれるこ となく作り得ることは当業者には明らかであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．連続するベース外乱を制御する制御装置であり、 前記外乱に関する基準信号を与える第１のセンサ装置と、 やはり前記外乱に関する残差信号を与える第２のセンサ装置と、 第１の入力信号を作るために第１の補償信号を前記基準信号から引く第１ の減算装置と、 第１の出力信号を作るために前記第１の入力信号に応ずる第１のフィルタ 装置と、 第２の入力信号を作るために第２の補償信号を前記残差信号から引く第２ の減算装置と、 第２の出力信号を作るために前記第２の入力信号に応ずる第２のフィルタ 装置と、 制御信号を作るために前記第１及び第２の信号を結合する結合装置と、 前記制御信号に応答し制御外乱を作りそれによって前記ベース音又は振動 外乱をそれを連続的に制御することによって制御するように適応されたアクチュ エータ装置とを備える制御装置。 ２．前記第１の補償信号が前記制御信号をフィルタすることによって導出され る請求項１に記載の装置。 ３．前記第２の補償信号が前記制御信号をフィルタすることによって導出され る請求項１に記載の装置。 ４．前記第２の補償信号が前記第２の出力信号をフィルタすることによって導 出される請求項１に記載の装置。 ５．前記第１にフィルタ装置が適応フィルターである請求項１に記載の装置。 ６．前記第１のフィルタ装置の特性が前記残差信号に応じて適応される請求項 ５に記載の装置。 ７．前記第１のフィルタ装置の特性が前記第２の入力信号に応じて適応される 請求項５に記載の装置。 ８．前記第１にフィルタ装置が適応フィルターである請求項１に記載の装置。 ９．前記第２のフィルタ装置の特性が前記残差信号に応じて適応される請求項 ８に記載の装置。 １０．適応が最小平均自乗アルゴリズムに基づいている請求項８に記載の装置 。 １１．前記第１のフィルタ装置がデジタル有限インパルス応答フィルタである 請求項１に記載の装置。 １２．前記第１のフィルタ装置がデジタル巡回形フィルタである請求項１に記 載の装置。 １３．オンラインシステム識別のための手段をさらに備える請求項１に記載の 装置。 １４．連続的な外乱を制御する多重相互作用チャンネルを備えた制御装置であり 、 前記外乱に関する基準信号を与える第１のセンサ装置と、 やはり前記外乱に関する残差信号を与える第２のセンサ装置と、 第１の入力信号を作るために第１の補償信号を前記基準信号から引く第１ の減算装置と、 第１の出力信号を作るために前記第１の入力信号に応ずる第１のフィルタ 装置と、 第２の入力信号を作るために第２の補償信号を前記残差信号から引く第２ の減算装置と、 第２の出力信号を作るために前記第２の入力信号に応ずる第２のフィルタ 装置と、 制御信号を作るために前記第１及び第２の信号を結合する結合装置と、 前記制御信号に応答し、制御外乱を作りそれによって前記連続的外乱を制 御するように適応されたアクチュエータ装置と を備える多重相互作用チャンネル制御装置。 １５．前記第１の補償信号が前記制御信号をフィルタすることによって導出され る請求項１４に記載の装置。 １６．前記第２の補償信号が前記制御信号をフィルタすることによって導出され る請求項１４に記載の装置。 １７．前記第２の補償信号が前記第２の出力信号をフィルタすることによって導 出される請求項１４に記載の装置。 １８．前記第１にフィルタ装置が適応フィルターである請求項１４に記載の装置 。 １９．各前記第１のフィルタ装置の特性が前記残差信号に応答して適応される請 求項１８に記載の装置。 ２０．前記第１のフィルタ装置の特性が前記第２の入力信号に応答して適応され る請求項１８に記載の装置。 ２１．各前記第２のフィルタ装置の特性が前記残差信号に応じて適応される請求 項１４に記載の装置。 ２２．適応が最小平均自乗アルゴリズムに基づいている請求項２１に記載の装置 。 ２３．前記第１のフィルタ装置がデジタル有限インパルス応答フィルタである請 求項１４に記載の装置。 ２４．前記第１のフィルタ装置がデジタル巡回形フィルタである請求項１４に記 載の装置。 ２５．オンラインシステム識別のための手段をさらに備える請求項１４に記載の 装置。