阅读说明：本技术 一种机械制冷机自适应高阶振动主动控制方法 (Self-adaptive high-order vibration active control method for mechanical refrigerator ) 是由 杨宝玉 张家昆 倪天智 吴亦农 于 2020-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种机械制冷机自适应高阶振动主动控制方法,控制方法包括以下步骤：(1)将交流驱动控制信号x(n)输至机械制冷机内,驱动直线电机；(2)将交流驱动控制信号x(n),作为参考信号和采集到的振动信号e(n),一起输入自适应高阶振动主动控制器,生成减振器驱动控制信号y(n)；(3)将生成的减振器驱动控制信号y(n),输入减振器,驱动减振器输出减振力y′(n),抵消制冷机本身产生的振动力d(n),并采集更新振动信号e(n)；(4)将采集更新后的振动信号e(n),与交流驱动控制信号x(n)重新一起输入至自适应高阶振动主动控制器中,生成新的y(n)返回步骤(3)。步骤(3)与步骤(4)之间来回迭代,使得e(n)的均方差最小。实测证明,本方法在对机械制冷机高阶振动进行主动控制时,能实现各阶次快速地、有效地收敛抑制。(The invention discloses a self-adaptive high-order vibration active control method for a mechanical refrigerator, which comprises the following steps: (1) inputting an alternating current driving control signal x (n) into the mechanical refrigerator to drive the linear motor; (2) inputting an alternating current drive control signal x (n) serving as a reference signal and an acquired vibration signal e (n) into a self-adaptive high-order vibration active controller together to generate a vibration damper drive control signal y (n); (3) inputting the generated vibration damper driving control signal y (n) into the vibration damper, driving the vibration damper to output a vibration reduction force y' (n), offsetting a vibration force d (n) generated by the refrigerator, and collecting an updated vibration signal e (n); (4) and (3) inputting the collected and updated vibration signal e (n) and the alternating current driving control signal x (n) into the self-adaptive high-order vibration active controller again, and generating new y (n) and returning to the step (3). And (4) iterating back and forth between the step (3) and the step (4) to minimize the mean square error of e (n). The actual measurement proves that the method can realize rapid and effective convergence suppression of each order when the high-order vibration of the mechanical refrigerator is actively controlled.)

一种机械制冷机自适应高阶振动主动控制方法

技术领域：

本发明涉及一种机械制冷机自适应高阶主动振动控制方法，适用于需要应用机械制冷机提供低温环境但对对振动要求的场景较高，如精密光学载荷等的。本发明能够快速自适应的降低多阶频率的振动干扰，提升制冷机稳定性，对航空航天精密光学载荷等场景内具有重要意义。

背景技术：

机械制冷机制冷量大、制冷温度低、效率高、体积小、质量轻，满足了红外探测器、超导滤波等正常工作需要的温度。随着上世纪80年代末牛津型斯特林制冷机的研制成功，机械制冷机的寿命和可靠性得到极大的提高，从而被广泛的应用于红外光电系统、超导量子干涉、低温超导滤波等领域。

然而机械制冷机产生的振动是影响其应用的一个关键因素。用于光电探侧、超导滤波、超导量子干涉的制冷机多为分置式双驱动结构，由压缩机、冷指组成，运动部件以一定的频率沿轴向做往复运动，外壳、支架产生相应的反作用力，从而引起制冷机的振动。大量实验分析发现，制冷机的振动主要由基频和一系列谐波成分组成，基频为直线电机的驱动频率，一般是40-120Hz内的某个固定值，谐波成分来自于驱动力、弹簧、和阻尼部件的非线性因素。机械制冷机的振动对仪器产生极大的危害；振动会带动与冷指相连的探测器件产生往复运动，偏离仪器光学系统的正常“焦深”范围，导致成像模糊，对探测目标的分辨率和定位精度下降；振动会引起电磁干扰信号，甚至引起仪器的机械共振，对一些敏感的传感器产生较大的干扰。

发明内容

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1.发明目的

本发明的目的在于，针对现有机械制冷机的高阶减振技术存在的问题，结合制冷机实际情况和振动控制的基本原理，设计一套自适应主动振动控制系统，能够通过自适应算法快速的精确的完成迭代，并能够完成多阶次频率振动的主动抑制。

2.技术方案

一种机械制冷机自适应高阶主动振动控制方法，其特征在于：

包含以下步骤：

(1)将交流驱动控制信号x(n)输至机械制冷机内,驱动两台对置直线电机。

(2)将交流驱动控制信号x(n)作为参考信号，和采集到的振动信号e(n)，一起输入自适应高阶振动主动控制器，生成减振器驱动控制信号y(n)。

(3)将生成的减振器驱动信号y(n)，输入至制冷机内安装的减振器，驱动减振器输出减振力y′(n)，抵消制冷机本身产生的振动力d(n)，并采集更新振动信号e(n)。

(4)将采集更新后的振动信号e(n)，与单频率交流驱动信号x(n)重新一起输入至自适应高阶振动主动控制器中，生成新的y(n)到步骤(3)。步骤(3)与步骤(4)之间来回迭代，使得e(n)呈现均方差值最小。

针对于步骤(2)中，所述的高阶振动控制器由不同阶次频率的自适应陷波滤波器并联组成。自适应滤波器组成包括滤波器和自适应算法两个部分。通过对参考输入信号x(n)进行N倍频处理，得到N倍频输入信号x_N(n)；同时将误差信号e(n)中对应的N阶次振动频率通过数字带通滤波器分离出来，得到N阶次频率点振动e_N(n)。N倍频输入信号x_N(n)和减振后N阶次频率点振动e(n)输入进单个自适应滤波器，可以得到针对N阶次频率震动的减振驱动输出y_N(n)。若将抑制K个不同阶次频率点的振动，则将K个并联的自适应滤波器的输出累加可以得到高阶减振输出y(n).

考虑其中单个阶次频率滤波器，所述自适应滤波器组成包括滤波器和自适应算法两个部分。

其中滤波器的特征在于：

滤波器部分基于自适应过程稳定性考虑，选用滤波器结构为横向有限脉冲响应(FIR)滤波器。定义n时刻的输入信号向量和滤波器权系数向量分别为：

滤波器输出可以表示为输入信号与FIR滤波器系数w_l(n)的卷积，：

结合目标函数d(n)，滤波器输出误差可以算得：

考虑机械制冷机的振动信号为一系列离散谐波，即窄带信号。所以单阶次频率点的信号，可以使用L＝2的滤波器来实现窄带信号的构建实现，得到滤波器输出简化为:

y(n)＝w₁(n)x(n)+w₂(n)x(n-1)

考虑一个Ω阶次单频率点振动作为一个具有特定幅值及相位的余弦波形，可以分解为两个三角函数相加的形式：

设定：

x_0Ω(n)＝cos(Ωn)

x_1Ω(n)＝sin(Ωn)

所以一个Ω阶次单频率点的输出信号y_Ω(n)关系式可以表示为

结合振动系统特性，考虑对输入参考信号x_N(n)可表示为一个余弦信号，设定为x_0N(n)。通过Hilbert变换，x_0N(n)能够实现相移90°转换为x_1N(n)，从而可以用来完成输出自适应滤波器输出的构建。对于n时刻的N阶次单频率的输出y_N(n)，可以得到：

对于组成自适应滤波器中的自适应算法，其特征在于：

所述自适应算法，通过自动更新滤波器系数来修正系统的传递函数，从而达到生成与所针对阶次单频率振动幅值相等、相位相反的减振力学信号，本方法中为自动迭代修正陷波滤波器的权系数向量。自适应算法采用基于随机梯度的、与模型无关的最小均方算法(LMS)实现。结合滤波器结构，经简化过的N阶次滤波器权系数向量表示为：

通过迭代关系式：

完成权系数的迭代更新，其中e_N(n)为测量采集的N阶次频率点振动信号；μ为步长因子，通常会取一个比较小的值；为单频率输入信号向量经过相位补偿所得到。

3.有益效果

(1)本发明提出了一种机械制冷机自适应高阶主动振动控制方法。相比于传统的主动控制方法，摆脱了减振动器传递函数误差影响的制约，能满足多阶次噪声的同时消除，并且稳定性、收敛性和鲁棒性更好。控制算法的收敛时间也更短。

(2)本文提出自适应高阶振动主动控制方法的思想具有广泛的应用空间。其不仅可应用于斯特林、脉管等机械制冷机的主动减振，还能够有类似振动和噪声特征的电机、车辆、空调、管道等减振消噪问题。

附图说明：

图1为制冷机自适应高阶振动主动控制方法技术方案示意图。

图2为未进行自适应高阶振动主动控制时制冷机振动测试结果图。

图3为进行自适应高阶振动主动控制时制冷机振动测试结果图。

具体实施方式

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以下结合附图对本发明的具体内容作进一步说明，但本发明的具体实施方式不限于此。凡依本发明的创造精神及特征、模式和实现本发明功能的都在本发明的保护范围之内。

参照图1所示，本发明通过以下技术方案实现：一种机械制冷机自适应高阶主动振动控制方法，所述主动振动控制方法包括以下步骤：

(1)将驱动控制信号x(n)输出至机械制冷机内两台对置直线电机。

(2)x(n)作为参考信号，采集初始的振动信号e(n)，输入集成了自适应高阶振动主动控制算法的控制器，生成减振器驱动控制信号y(n)。

(3)减振器驱动控制信号y(n)驱动减振器，输出减振力y′(n)对消产生的振动d(n)，采集并更新振动信号e(n)。

(4)将更新后的e(n)和x(n)反馈至自适应高阶振动控制器中，实现控制器中自适应算法的迭代，并生成新的减振驱动信号y(n)，重复步骤(3)，并在步骤(3)与步骤(4)之间来回迭代，最终使得e(n)呈现均方差最小。

如图2与图3所示，实测证明，本方法在针对机械制冷机高阶振动进行主动控制时，能实现各阶次快速地、有效地收敛抑制。