來源：內(nèi)容摘錄自《汽車進(jìn)排氣系統(tǒng)的噪聲與振動》講義，作者：龐劍，系長安汽車工程研究總院副院長和總工程師，該講義2005年5月寫于美國密西根，系作者撰寫的《汽車噪聲與振動：理論與應(yīng)用》的一部分
主動控制的概念是1933年由Lueg提出。他的設(shè)想很簡單，就是在管道中安裝一個傳感器提取聲學(xué)信號，然后經(jīng)過一個控制器產(chǎn)生一個大小與管道聲壓幅值相等但是相位相反的聲信號來抵消管道中的聲音。圖1為Lueg的設(shè)計。
圖1 Lueg的主動消音控制設(shè)想
五十年代，Olson做了許多主動消音的研究，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)者開始從事這方面的研究。八十年代后，很多人申請專利。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)沒有發(fā)明之前，要實(shí)現(xiàn)主動噪聲與振動控制是非常困難的。
第二主動噪聲與振動控制要涉及到很多方面，比如電子技術(shù)、振動噪聲理論、信號處理等等。
第三是當(dāng)電子和控制技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)主動噪聲與振動控制是可行的時候，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，主動噪聲與振動控制多半還是停留在學(xué)術(shù)和研究階段。近十年來，電子和控制設(shè)備成本以及控制軟件價格的大幅度下降，主動噪聲與振動控制在汽車上的廣泛應(yīng)用才變得現(xiàn)實(shí)。
為什么要使用主動噪聲與振動控制呢？這里有兩個原因，第一是政府，第二是顧客。政府法規(guī)對汽車的排放污染和噪聲污染限制越來越嚴(yán)。比如在以往的三十多年里，歐洲的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。現(xiàn)在發(fā)動機(jī)的功率越來越大，產(chǎn)生的振動與噪聲也在增加，可是顧客對汽車的安靜與舒適要求卻越來越高。為了滿足這兩方面的要求，就必須采用更多的噪聲與振動控制設(shè)備，而且消音器的容積越來越大。可是重量增加會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。於是主動控制慢慢地在汽車上應(yīng)用起來。
開環(huán)控制和閉環(huán)控制
圖2表示一個開環(huán)控制系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)內(nèi)，控制對象的特征是確定的，系統(tǒng)的輸出完全取決于輸入。對于某個特點(diǎn)的輸入就有相應(yīng)的輸出。
圖2 開環(huán)控制系統(tǒng)
圖3表示一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。輸出與輸入的關(guān)系沒有開環(huán)控制那么簡單，也就是說，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)際輸出反饋回來與理想輸出進(jìn)行比較。兩者的差值為：
將其再乘上一個放大系數(shù)，作為控制系統(tǒng)的輸入。這個放大系數(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。對主動控制系統(tǒng)來說基本是都是閉環(huán)控制，而對于半主動控制系統(tǒng)來說，有閉環(huán)控制也有開環(huán)控制。
反饋控制與超前控制
汽車噪聲與振動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。誤差傳感器測量信號，輸入到控制裝置，再推動揚(yáng)聲器，產(chǎn)生一個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表示一個超前控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)中有誤差傳感器，控制裝置、揚(yáng)聲器和參考傳感器。參考信號與誤差信號同時傳遞到控制裝置，然后再推動揚(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。這樣系統(tǒng)遇到微小的干擾時，它可以自我調(diào)節(jié)。超前控制系統(tǒng)是一個自適應(yīng)系統(tǒng)。而反饋控制是一個非自適應(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。
主動控制與半主動控制
在汽車噪聲與振動控制系統(tǒng)中，都有主動控制與半主動控制。圖6表示一個動力裝置主動振動控制系統(tǒng)。動力裝置通過隔振器安放在車架上，其振動通過隔振器傳到車架，同時路面的振動也通過車胎等部件傳遞到車架。為了減小這些振動，一個主動控制系統(tǒng)裝在車架上，并產(chǎn)生一個相位與振動相差1800的力來抵消一部分振動。這個控制力是由一個額外能量供應(yīng)系統(tǒng)來提供的。
圖6 動力裝置主動振動控制系統(tǒng)
主動控制的好處是可以有效地控制振動與噪聲，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。半主動控制能夠克服主動控制的這些弱點(diǎn)。圖7表示一個閉環(huán)的半主動控制系統(tǒng)。比較圖7與圖6，其差別是在半主動控制系統(tǒng)中，沒有額外的能源供應(yīng)系統(tǒng)。半主動控制中的激勵力來自振動系統(tǒng)本身的能量。當(dāng)系統(tǒng)振動時，一部分能量儲存起來，經(jīng)過控制器調(diào)節(jié)后，在適當(dāng)?shù)臅r候釋放出來抵消傳遞到框架上的振動。
圖7 閉環(huán)的半主動控制系統(tǒng)
半主動振動控制也可以是開環(huán)的，如圖8所示。圖中沒有了傳感器來反饋車架的振動信號。只要發(fā)動機(jī)的振動特性確定了，通過激勵裝置作用到車架上的力也就確定了。
圖8 開環(huán)半主動振動控制系統(tǒng)
半主動控制的成本低，結(jié)構(gòu)簡單，沒有額外的能源供應(yīng)系統(tǒng)，但是其應(yīng)用受到限制。半主動控制對低頻控制效果好，對高頻噪聲振動很難控制。
狀態(tài)空間分析
在系統(tǒng)的動力分析中，通常是用二階的微分方程來表示。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，那么運(yùn)動方程可以寫成：
用下面的式子代表上式中的變量：
將上面兩式代入運(yùn)動方程中得到下面兩個方程：
或者寫成矩陣形式：
式中，u=F(t)為控制力。
經(jīng)過上面的變換，運(yùn)動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系統(tǒng)的方程就是系統(tǒng)的狀態(tài)方程。
一般來說，對於一個多自由度系統(tǒng)，狀態(tài)方程可以寫成：
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)的動力方程寫成了狀態(tài)方程，就可以對系統(tǒng)實(shí)行實(shí)時計算、識別、分析與控制。
現(xiàn)在主動噪聲與振動控制在汽車上的應(yīng)用越來越多，而且這種趨勢還在繼續(xù)。隨著電子控制系統(tǒng)成本的大幅度下降，主動控制不僅在豪華車上應(yīng)用，而且開始在普通汽車上應(yīng)用。
主動控制的好處在于：它能在一定寬的頻率范圍內(nèi)控制振動與噪聲。被動控制一旦設(shè)計好了，其作用效果的頻率范圍也就卻定了，但有多個頻率需要控制時，就需要多個被動控制系統(tǒng)。可是一套主動控制系統(tǒng)可以隨著頻率變化而調(diào)節(jié)。這樣主動控制可以減輕設(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。
但主動控制也有缺陷：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。主動控制提供的次級聲源能量還受到限制。比如在發(fā)動機(jī)主動隔振中，目前基本上是對怠速狀態(tài)效果好，在高速狀態(tài)時，由于需要的推動功率大，所以很難實(shí)現(xiàn)。雖然控制設(shè)備的成本在大幅度降低，但是與被動控制相比，成本還是顯得高了。
