自抗扰控制主动降噪混凝土结构及其控制器的设计方法与流程

1.本发明属于噪声控制技术领域，具体涉及一种自抗扰控制主动降噪混凝土结构及其控制器的设计方法。


背景技术：

2.随着我国城市化进程的逐年推进，我国公民居住在高层或多层楼房建筑的比例不断升高，引发了一些新的社会问题。特别，由于噪声(包括生活噪音、装修噪音等)干扰产生的管理问题，乃至暴力事件呈现高发态势。因此，社会和市场急需能够有效的监测建筑物内噪声并阻断噪声传播的技术手段。
3.现有的噪声抑制技术，可以根据原理的不同分为两类。
4.一类为被动式。被动式的噪声抑制，其原理在于改变噪声的传播介质，增加噪声在传播过程中的能量衰减，用于建筑隔音的典型代表包括多孔隔音板、棉布隔音帘等。此类技术的缺点主要有两点：1.只有在噪声源地进行安装维护，才能有效的隔离噪声；若噪声源地不固定或无法安装，则无法取得好的效果。2.此类技术对噪声的消减近似等比例的，即响度越大的噪声残余越多。
5.另一类为主动式，其原理在于测量当前的噪声波形，利用振幅相等、相位相反的声波进行抵消。现有此类技术主要用于手机通话和音乐播放等领域，需要基于较为精密的计算设备(计算机或手机)，并配备专用的耳机设备(抗噪声耳机)。现有的主动式噪声抑制技术对于建筑的使用效果尚不能满足需求。


技术实现要素：

6.针对现有技术中噪声抑制技术在建筑中使用不能满足需求的问题，本发明提供一种自抗扰控制主动降噪混凝土结构，其目的在于：通过建筑结构对噪声进行主动抑制，达到降低室内噪声的作用。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.一种自抗扰控制主动降噪混凝土结构，所述混凝土结构中设置有数个振动传感器和数个振动器，所述振动传感器和振动器连接有控制器，所述控制器连接有综合服务器；所述振动传感器将实时测量的混凝土结构中的噪声信号发送给所述控制器；所述控制器根据测量到的噪声信号生成指令，并将指令发送给所述振动器；所述振动器根据控制器的指令生成相应波形的振动；所述控制器储存运行历史数据并实时或异时上传到综合服务器上，综合服务器根据运行历史数据计算出控制器参数，并将控制器参数下传到控制器上。
9.优选的，所述综合服务器由设置在云端的一台或多台计算机组成。
10.优选的，还包括通讯模块，所述通讯模块安装在控制器或者综合服务器上，控制器根据振动传感器采集到的噪声强度及噪声传播情况判断噪声源的位置，并通过通讯模块将噪声源的位置信息发送给管理人员。
11.优选的，所述振动器为覆盖或嵌入墙壁的板状设备。
12.优选的，所述振动器为安装在墙体中的钢筋两端的柱状或针状设备。
13.优选的，还包括用于监视所述振动器的工作状况，并根据振动器的工作状况改进指令或者报错的振动工况传感器，所述振动工况传感器安装在钢筋的两端。
14.优选的，所述控制器或者综合服务器上设置有供使用者进行人机交互、查询历史记录或者查看当前工作状态的接口。
15.本发明还提供一种用于所述自抗扰控制主动降噪混凝土结构的控制器的设计方法，步骤为：
16.步骤a：设计连续形式的自抗扰控制器：
[0017][0018][0019][0020]
式中，(i,j)∈{(1,2),(2,1)}；t为时间变量，t为振动从钢筋一端传递到另一端所需的时间常数，ni(t)是传感器i(i＝1,2)在t时刻测量到的压力大小，是ni(t)在[t-1,t]∩[0,t]上的均值；ui(t)是振动器i(i＝1,2)在t时刻施加的压力大小；z
i1
(t)、z
i2
(t)、ui(t)三者均是自抗扰控制器的计算中间变量，z
i1
(t)跟踪ni(t)，z
i2
(t)跟踪系统中的总扰动(“总扰动”是指来自系统外部和内部的所有扰动影响的总和)，ui(t)是ui(t)的导数，是z
i1
(t)的导数，是z
i2
(t)的导数；bi是钢筋i端振动器对i端压力的影响系数，b
ji
是钢筋j端振动器对i端压力的影响系数，pi是自抗扰控制器的预期响应速度参数，β
i1
是自抗扰控制器对ni(t)的观测速度参数，β
i2
是自抗扰控制器对系统总扰动的预测速度参数；
[0021]
步骤b：将连续形态离散化：
[0022][0023][0024][0025]
上式中h为硬件采样时间，且t是h的整数倍，变量上标为k的表示相应函数在t＝hk的值。
[0026]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0027]
1.相对被动式阻隔噪声的方案，本发明不需要对装修设计进行限制，可以在非噪声源地实现更好的减噪效果。相对在室内设置扬声器，通过空气振动主动抵消噪声的方案，本发明将噪声抵消提前至噪声在建筑实体(屋顶、墙壁、地面等)内传播的环节。由于声音在固体中传播的指向性比在空气中更加明确，而且振动器可以投入抵消噪声的能量高于扬声器，本发明的技术方案能够取得更好的抵消效果。
[0028]
2.本发明的技术方案可以在建筑建设阶段统一实施、全面覆盖，所以能够更加精
准的测量和分析噪声来源，方便物业管理人员及时制止违规噪声。并且统一实施也能够降低平均安装和使用成本，节约社会资源。
[0029]
3.本发明并非单纯的反向抵消噪声，而是利用综合服务器和自抗扰控制器根据大量用户的历史数据预测噪声在下一时刻的波形，提前动作，预防式抵消噪声。
[0030]
4.本发明还可以通过监测噪声的分布情况判断噪声源的位置，并利用通讯模块发送给管理人员，提醒管理人员进行处理。
附图说明
[0031]
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0032]
图1是本发明的原理框图。
具体实施方式
[0033]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0034]
在本技术实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0035]
下面结合图1对本发明作详细说明。
[0036]
一种自抗扰控制主动降噪混凝土结构，所述混凝土结构中设置有数个振动传感器和数个振动器，所述振动传感器和振动器连接有控制器，所述控制器连接有综合服务器；所述振动传感器用于实时测量混凝土结构中的噪声，并将测量信号发送给控制器；所述控制器用于根据测量信号生成指令，并将指令发送给振动器；所述振动器用于根据控制器的指令生成相应波形的振动；所述控制器储存运行历史数据并实时或异时上传到综合服务器上，综合服务器根据运行历史数据计算出控制器参数，并将控制器参数下传到控制器上。
[0037]
本实施例中，所述综合服务器由多台计算机组成，可设置在本地或者设置在云端。
[0038]
本实施例中，还包括通讯模块，所述通讯模块安装在控制器或者综合服务器上，控制器根据振动传感器采集到的噪声强度及噪声传播情况判断噪声源的位置，并通过通讯模块将噪声源的位置信息发送给管理人员。
[0039]
本实施例中，所述振动器为安装在墙体中的钢筋两端的柱状或针状设备。
[0040]
在另一实施例中，所述振动器为覆盖或嵌入墙壁的板状设备。
[0041]
本实施例中，还包括振动工况传感器，所述振动工况传感器用于监视振动器的工
作状况，并根据振动器的工作状况改进指令或者报错，所述振动工况传感器与振动器共同安装在钢筋的两端。所述振动工况传感器、振动器、钢筋等在建筑建设期间就安装完成，预埋在墙体中。
[0042]
本实施例中，所述控制器或者综合服务器上设置有供使用者进行人机交互的接口，用于查询历史记录或者查看当前工作状态。
[0043]
本实施例中，综合服务器根据运行历史数据计算控制器参数的具体算法为：
[0044]
步骤a：设计连续形式的自抗扰控制器
[0045][0046][0047][0048]
式中，(i,j)∈{(1,2),(2,1)}；t为时间变量，t为振动从钢筋一端传递到另一端所需的时间常数，ni(t)是传感器i(i＝1,2)在t时刻测量到的压力大小，是ni(t)在[t-1,t]∩[0,t]上的均值；ui(t)是振动器i(i＝1,2)在t时刻施加的压力大小；z
i1
(t)、z
i2
(t)、ui(t)三者均是自抗扰控制器的计算中间变量，z
i1
(t)跟踪ni(t)，z
i2
(t)跟踪系统中的总扰动，ui(t)是ui(t)的导数，是z
i1
(t)的导数，是z
i2
(t)的导数；bi是钢筋i端振动器对i端压力的影响系数，b
ji
是钢筋j端振动器对i端压力的影响系数，pi是自抗扰控制器的预期响应速度参数，β
i1
是自抗扰控制器对ni(t)的观测速度影响系数，β
i2
是自抗扰控制器对系统总扰动的预测速度影响系数；
[0049]
步骤b：将连续形态离散化。在控制器硬件上实现上述控制器算法时，需要将连续形态离散化，离散化的方法并不唯一。设硬件采样时间为h，且t是h的整数倍，下面以欧拉离散法为例写出离散形式：
[0050][0051][0052][0053]
上式中h为硬件采样时间，且t是h的整数倍，变量上标为k的表示相应函数在t＝hk的值，例如其它同理。
[0054]
以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。