Математические модели и методы анализа и синтеза средств активного управления акустическими полями

Учреждение Российской академии наукИнститут проблем управления им. В.А. Трапезникова РАННа правах рукописиСеменцов Станислав ГригорьевичМАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ИСИНТЕЗА СРЕДСТВ АКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯАКУСТИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИСпециальность 05.13.05 –Элементы и устройства вычислительной техники и систем управленияАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наук2009Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийскийнаучно-исследовательский институт электромеханики с заводом имени А.Г.

Иосифьяна» (ФГУП«НПП ВНИИЭМ», г. Москва).Научный консультант:Член-корреспондент РАН,доктор технических наук, профессорШахнов Вадим АнатольевичОфициальные оппоненты: Доктор технических наук,профессор Назаров Александр ВикторовичДоктор технических наукЮркевич Евгений ВладимировичДоктор технических наук,профессор Ерофеев Владимир ИвановичВедущее предприятие:Научно-исследовательский институт интроскопии «Московскоенаучно-производственное объединение «Спектр» (НИИИН МНПО «Спектр», г. Москва)Защита диссертации состоится 24 декабря 2009 г. на заседании диссертационногосовета Д 002.226.03 при Институте проблем управления им.

В.А. Трапезникова РАН (ИПУРАН) по адресу: г. Москва, ул. Профсоюзная, 65.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПУ РАН.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просьбавысылать по адресу: 117997, ГСП-7, В-342, г. Москва, ул. Профсоюзная, 65.Автореферат разослан «___» ___________ 2009 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат технических наукА.А. Кулинич2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТКА РАБОТЫАктуальность:Среди всего разнообразия дестабилизирующих факторов, воздействующих начеловека, одним из самых распространенных и значимых являются акустические шумы, защитаот которых стала актуальнейшей проблемой для всех развитых стран мира.

Огромное вниманиевопросам борьбы с шумом уделяется международными организациями. Так, техническимкомитетом ISO т.к. 43 «Акустика» разработано более 50 стандартов, регламентирующихспособы оценки источников шума и контроля за ними.Пагубное физиологическое и психологическое воздействие шума хорошо изучено.Шумовые поля действуют угнетающе на человеческую психику, вызывают быструюутомляемость и раздражительность. Особенно неблагоприятно это воздействие внизкочастотной части спектра, где сосредоточена основная энергия излучения большинстваисточников звука и где обычные средства звукоизоляции малоэффективны.

Разнообразныепоглотители, демпферы, звукоизоляторы, называемые пассивными средствами защиты,обладают эффективным поглощением только при линейных размерах, сравнимых с длинойволны излучения, т.е. для гашения шума в диапазоне до 100 Гц на 10 дБ необходимоприменение пассивного глушителя диаметром около 4 м. Это заставляет разрабатывать ииспользовать новые активные средства управления акустическими полями, использующиедополнительные источники энергии, способные адаптироваться к изменяющимся условиямсреды в автоматическом режиме и реальном масштабе времени.Широкому распространению активных методов управления, и в том числе методовактивного гашения акустических полей, способствовали два обстоятельства: во-первых,необходимость снижения шума в низкочастотном диапазоне, где классические пассивныесредства малоэффективны, во-вторых, успехи в области теории систем управления,вычислительной техники, цифровой обработки сигналов, микроэлектроники и миниатюризацииэлектроакустических преобразователей, что позволило обеспечить высокие требования,предъявляемые к качеству гашения, быстродействию, устойчивости, массогабаритнымхарактеристикам и другим технико-экономическим показателям систем активного гашенияакустических шумов.Долгое время основной областью применения средств акустической защитыявлялись промышленные системы снижения шума в волноводах и индивидуальные системыпромышленного и специального назначения, в том числе, например, системы защитыперсонала палубной авиации и пилотов.

В последние годы, в связи со значительнымснижением стоимости, эти системы проникают и в бытовую сферу.На основе проведенного анализа тенденций развития и опыта применения серийновыпускаемых и опытных образцов систем активного управления акустическими полями можносделать вывод, что применение систем активного гашения (САГ) для защиты человека отвоздействия интенсивных акустических полей весьма перспективно.

Высокое качество такихэлементов современных систем управления как электроакустические преобразователи, АЦП иЦАП, сигнальные процессоры, позволяет получить ослабление внешнего шумового поля всреднем на 10-25 дБ для синусоидальных сигналов и 6-12 дБ для широкополосных сигналов вдиапазоне частот 20-700 Гц.Однако эти системы обладают рядом существенных недостатков, например,адаптивные системы индивидуальной защиты - невозможностью работы с источникомполезного сигнала, что существенно ограничивает область применения подобных систем. Для3пространственных систем наиболее существенными проблемами являются отсутствие болееили менее адекватных моделей объекта управления и, как следствие, невозможность оценкиграниц применимости тех или иных методов управления, чисто эмпирический илитеоретический подход при построении подобных систем.Важнейшей проблемой, стоящей перед разработчиками микропроцессорныхсистем активного управления акустическими полями, является разработка нового структурноалгоритмического базиса как на уровне математических моделей элементов системы, так и науровне математических и физических моделей объекта управления, максимальноеиспользование результатов моделирования и современных средств цифровой сигнальнойобработки, что позволит в итоге существенно расширить область применения подобныхсистем и повысить их качественные показатели.В данной работе решена крупная народнохозяйственная проблема разработкинаучных основ создания средств активного управления акустическими полями с помощьюмоделирования передаточных функций, построенных на основе априорной информации обобъектах управления.

Применение теории в практических задачах позволило создатькомплекс средств активного управления акустическими полями на базе новых методов,моделей и алгоритмов, которые до настоящего времени не могли быть реализованы спомощью существующих методик, технологий и средств проектирования.Цели и задачи работы: повышение эффективности моделирования, разработки ипроектирования систем активного управления акустическими полями, расширение областиприменения подобных систем. Для достижения поставленной цели ставятся задачи:•анализ существующих и разработка новых методов синтеза и моделированияпередаточных функций, аппроксимирующих функцию Грина для среды распространения, системколлективной и индивидуальной защиты;•оценка адекватности и границ применимости новых методов моделированияпередаточных функций, а также методов их формализации;•разработка моделей элементов и подсистем САГ, позволяющих оценить их влияние напараметры системы в целом;•построение управляющих структур на основе новых методов и моделей и анализ ихпроизводительности на реальных сигналах;•разработка структурно-функционального построения, аппаратного и программногообеспечения адаптивных САГ с учетом предполагаемой области применения.Методы исследования.

При решении поставленных задач в работе использованматематический аппарат теории автоматического управления, акустики и психоакустики,линейной алгебры, спектрального анализа, основ математической физики и теории цифровойобработки сигналов (ЦОС).4Научная новизна работы состоит в следующем:•на основе проведенного анализа активных средств управления акустическими полямипредложены обобщенные критерии реализации активных систем, учитывающие используемуюмодель управления, особенности объекта управления и размерность системы;•предложена метамодель реакции человека на воздействие низкочастотных акустическихполей высокой интенсивности;•разработана технология синтеза передаточных функций объекта управления дляодномерного и трехмерного случая на основе априорной информации об объекте управления,проведена оценка границ адекватности предложенных моделей;•проведен структурно-алгоритмический синтез систем индивидуальной и коллективнойзащиты с учетом особенностей объекта управления и используемых алгоритмов управления;•синтезированы математические модели элементов системы и проведена оценка влияния ихпараметров на характеристики системы;•разработаны варианты аппаратно-программной реализации активных систем управленияакустическими полями, значительно расширяющие область применения подобных систем.Достоверностьнаучныхрезультатов,выводовирекомендацийдиссертационной работы подтверждена экспериментальными исследованиями систем вреальном масштабе времени на физических моделях и натурных объектах, а также внедрениемрезультатов работы.

Полученные в работе результаты подтверждают работоспособностьпредложенных методов активного управления акустическими полями, а также нагляднодемонстрируют эффективность использования разработанных вариантов реализации систем вразличных областях.Положения выносимые на защиту:•технология моделирования передаточных функций объекта управления для одномерного итрехмерного случаев с использованием аппарата модального и трассерного анализа;•математические модели, структурные схемы и алгоритмы построения систем активногоуправления акустическими полями на основе средств цифровой обработки сигналов. Результатытеоретических и экспериментальных исследований работоспособности таких систем;•особенности аппаратно-программной реализации микропроцессорных САГ акустическихвоздействий на основе предложенных управляющих структур с учетом влияния нестационарностихарактеристик объекта управления;•векторный критерий сопоставления вариантов конструкторско-технической реализацииСАГ с учетом предполагаемой области применения;•обобщение результатов экспериментальных исследований САГ на моделях и натурныхобъектах.Практическая ценность работы состоит в том, что модели и структурноалгоритмические решения в построении широкополосных адаптивных систем активногогашения на основе алгоритмов цифровой фильтрации, рассмотренные в данной работе,позволяют реализовать эффективные одномерные и пространственные САГ, имеющиеприемлемые массогабаритные и стоимостные характеристики.Предложенная технология моделирования передаточных функций позволяетсинтезировать модели объекта управления с достаточной точностью без проведения5экспериментальных исследований на основе априорной информации об объекте управления, втом числе, для объектов на этапе их проектирования.Проведенные экспериментальные исследования разработанных средств активнойзащиты от акустических воздействий показали, что данные средства можно использовать длярешения широкого круга задач по акустической защите в самых различных областях, в томчисле: защита палубного персонала современных авианосцев; машинистов железнодорожноготранспорта; пилотов гражданской и военной авиации; технического персонала; пассажировназемного и воздушного транспорта; снижение шума в волноводах и туннелях, а также в жилыхпомещениях и на промышленных объектах.Например, результаты оценки эффективности индивидуальной системы активногогашения шума в реальном времени при реализации блока управления на базе платы ЦОС EZ-Kitс цифровым сигнальным процессором (ЦСП) ADSP-21061 при воздействии гармоническихсигналов показали, что в среднем наблюдается ослабление внешнего шума с уровнем 86 дБ на15-35 дБ в полосе до 700 Гц.

Для полигармонических сигналов ослабление в полосе частот 20500 Гц в среднем составляет 6-13 дБ. При гашении шума в волноводе с использованиемнеадаптивного цифрового блока управления и плоского магнитострикционногопреобразователя эффективность гашения гармонических сигналов с уровнем 80 дБ составляет60, 53 и 20 дБ для частот 330, 500 и 1 кГц соответственно. При использованиипространственной системы в замкнутом объеме эффективность гашения на частотах 50-150 Гцсоставляет 6-12 дБ.Реализация результатовПолученные в работе математические модели, алгоритмы и программы управленияСАГ, методика оценки параметров системы в зависимости от характеристик объектауправления, структурно-алгоритмический базис и конкретные схемотехнические решенияпостроения широкополосных индивидуальных и коллективных систем активного гашения,использованы в проекте «Аппаратно-программные средства и интерактивные методыуправления волновыми полями и создание на их основе дистанционных обучающих систем»осуществляемом в рамках межвузовской научно-технической программы "Научнопроизводственные и обучающие технологии на основе инженерно-физических комплексов"Министерства образования России.Итоги работы также могут быть использованы в научно-производственныхобъединениях, специализирующихся в области борьбы с воздействиями волновых полейразличной природы, например, в ГНЦ "ЦНИИ им.