[發(fā)明專利]基于CMAC與PID的參量聲源并行控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510091044.4
• 申請(qǐng)日: 2015-03-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104698851A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 不公告發(fā)明人
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳市波奇智能系統(tǒng)有限公司
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 無(wú)
• 代理人: 無(wú)

技術(shù)領(lǐng)域

本專利涉及參量聲源的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，尤其涉及CMAC與PID復(fù)合控制系統(tǒng)在改善參量聲源聲音失真方面的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

參量聲源也稱為定向聲頻系統(tǒng)，它是能發(fā)出具有指向性聲音信號(hào)的非線性系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理是：把聲頻信號(hào)通過(guò)調(diào)制算法加載到超聲信號(hào)上，已調(diào)超聲波經(jīng)功率放大并通過(guò)換能器陣列發(fā)出具有強(qiáng)指向性的超聲波束。超聲波束在傳播時(shí)通過(guò)非線性交互過(guò)程解調(diào)出音頻信號(hào)。由于定向聲頻系統(tǒng)的自解調(diào)是一個(gè)強(qiáng)非線性過(guò)程，解調(diào)后的信號(hào)除了包括原始音頻信號(hào)外，也產(chǎn)生了其他非線性失真頻率成分，產(chǎn)生的失真主要包括諧波失真和互調(diào)失真，這就導(dǎo)致解調(diào)出的聲頻音質(zhì)受到影響。為改善音質(zhì)，當(dāng)前該領(lǐng)域的研究人員大都是不斷的改進(jìn)信號(hào)調(diào)制算法，鑒于信號(hào)調(diào)制算法的研究已經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間，通過(guò)改進(jìn)調(diào)制算法來(lái)提升音質(zhì)的空間也越來(lái)越小，這是因?yàn)槟壳八_(kāi)發(fā)的信號(hào)調(diào)制算法都是基于“Berktay遠(yuǎn)場(chǎng)解”理論，該理論描述只是參量聲學(xué)系統(tǒng)自解調(diào)過(guò)程的二階近似，參考H.O.?Berktay發(fā)表在Journal?of?Sound?and?Vibration的論文《Possible?Exploitation?of?Non-Linear?Acoustics?in?Underwater?Transmitting?Application》。不難理解，而基于“Berktay遠(yuǎn)場(chǎng)解”所開(kāi)發(fā)的信號(hào)處理和調(diào)制算法實(shí)際是不能準(zhǔn)確表達(dá)參量聲學(xué)系統(tǒng)的，當(dāng)前可精確描述參量聲學(xué)系統(tǒng)自解調(diào)過(guò)程的“KZK方程”的解析求解還比較困難，這就需要尋求其他方式來(lái)解決參量聲學(xué)系統(tǒng)的失真問(wèn)題。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域的研究目前已經(jīng)在學(xué)術(shù)理論方面積累了較多成果，CMAC網(wǎng)絡(luò)（也稱為小腦模型）就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中比較出色的一種網(wǎng)絡(luò)模型，它是一種局部逼近網(wǎng)絡(luò)，可以快速收斂，這對(duì)軟件實(shí)時(shí)控制有利。CMAC網(wǎng)絡(luò)通過(guò)學(xué)習(xí)算法調(diào)節(jié)表格內(nèi)容，可具有表達(dá)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)函數(shù)和較強(qiáng)的信息分類存儲(chǔ)能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)非線性系統(tǒng)的控制等效于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近被控系統(tǒng)逆的過(guò)程，逼近的逆系統(tǒng)可一定程度上抵消原系統(tǒng)（被控系統(tǒng)）函數(shù)中的失真因素。利用CMAC網(wǎng)絡(luò)逼近任意復(fù)雜非線性系統(tǒng)的能力，并結(jié)合常規(guī)PID控制手段，專利所公開(kāi)的CMAC與PID并行控制方法為參量聲源改善音質(zhì)提供了一種可行方法。。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)參量聲學(xué)系統(tǒng)由于強(qiáng)非線性特性所導(dǎo)致的聲音失真問(wèn)題，提供了一種CMAC-PID并行控制設(shè)計(jì)的方法來(lái)提高音質(zhì)。該方法技術(shù)方案為：

1.?CMAC與PID復(fù)合控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：CMAC采用前饋控制方法，復(fù)合控制系統(tǒng)是由CMAC網(wǎng)絡(luò)和PID模塊并行構(gòu)成，PID模塊和CMAC網(wǎng)絡(luò)分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制量，兩部分控制量之和實(shí)現(xiàn)對(duì)串接在后面的參量聲學(xué)系統(tǒng)（被控系統(tǒng)）失真控制，參考圖1所示。

2.?復(fù)合控制系統(tǒng)中PID模塊設(shè)計(jì)，選擇數(shù)字增量式PID控制方法，設(shè)計(jì)PID模塊與CMAC網(wǎng)絡(luò)為并行控制方式；

1）結(jié)合參量聲學(xué)系統(tǒng)特性設(shè)定PID模塊的三個(gè)控制參數(shù)；

2）計(jì)算參量聲學(xué)系統(tǒng)第個(gè)控制周期的輸出與期望輸出的誤差值為?????????????????????????????????????????????????；

3）誤差值進(jìn)入PID控制模塊，并通過(guò)以下的PID控制算法，得到PID模塊的控制增量：

?。

3.?CMAC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要步驟包括：

1）依據(jù)被控對(duì)象（參量聲學(xué)系統(tǒng)）的特性來(lái)設(shè)計(jì)CMAC網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲(chǔ)空間和實(shí)際存儲(chǔ)空間容量；

2）虛擬映射，完成輸入狀態(tài)空間到虛擬存儲(chǔ)空間的映射，確定一個(gè)反映網(wǎng)絡(luò)泛化能力的值，參考圖2所示；

3）實(shí)際映射，這一步為實(shí)現(xiàn)減小存儲(chǔ)空間的目的，采用“除余數(shù)法”，將輸入樣本映射至虛擬存儲(chǔ)器的地址，除以一個(gè)大質(zhì)數(shù)，把得到的余數(shù)作為實(shí)際存儲(chǔ)器的地址，這樣就可以完成虛擬存儲(chǔ)空間中個(gè)地址值到實(shí)際存儲(chǔ)空間個(gè)地址的映射；

4）CMAC網(wǎng)絡(luò)輸出值計(jì)算，實(shí)際存儲(chǔ)空間中每個(gè)單元中存放著相應(yīng)權(quán)值，將實(shí)際存儲(chǔ)器空間中的所有連接權(quán)值相加，所得到和就是CMAC網(wǎng)絡(luò)的輸出。

4.C?MAC網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法的主要步驟包括：

1）計(jì)算PID模塊的第k個(gè)控制周期的輸出量；

2）計(jì)算CMAC網(wǎng)絡(luò)的第k個(gè)控制周期的輸出量；

3）計(jì)算總控制輸出量，總控制量；

4）設(shè)定網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率以及慣性量，并利用學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)對(duì)CMAC網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣就可以計(jì)算出下一控制周期的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值；

5）返回至上面第1步，循環(huán)運(yùn)算；