Estimation-based synthesis of H∞-optimal adaptive FIR filtersfor filtered-LMS problems

This paper presents a systematic synthesis procedure for H∞-optimal adaptive FIR filters in the context of an active noise cancellation (ANC) problem. An estimation interpretation of the adaptive control problem is introduced first. Based on this interpretation, an H∞ estimation problem is formulated, and its finite horizon prediction (filtering) solution is discussed. The solution minimizes the maximum energy gain from the disturbances to the predicted (filtered) estimation error and serves as the adaptation criterion for the weight vector in the adaptive FIR filter. We refer to this adaptation scheme as estimation-based adaptive filtering (EBAF). We show that the steady-state gain vector in the EBAF algorithm approaches that of the classical (normalized) filtered-X LMS algorithm. The error terms, however, are shown to be different. Thus, these classical algorithms can be considered to be approximations of our algorithm. We examine the performance of the proposed EBAF algorithm (both experimentally and in simulation) in an active noise cancellation problem of a one-dimensional (1-D) acoustic duct for both narrowband and broadband cases. Comparisons to the results from a conventional filtered-LMS (FxLMS) algorithm show faster convergence without compromising steady-state performance and/or robustness of the algorithm to feedback contamination of the reference signal

Adaptive feedback feedforward compensation for disturbance rejection in a one DOF flexible structure: comparative analysis

En este artículo se estudia un Control Vibratorio Activo (AVC) para un problema de tres carritos. Se comparan los algoritmos de mínimos cuadrados filtrados (FxLMS) y mínimos cuadrados recurrentes (RLS) en términos de rechazo de perturbaciones, costo computacional y esfuerzo de control cuando se dispone de una medición correlacionada de la perturbación. El compensador RLS propuesto considera un acoplamiento de retroalimentación entre el compensador y la perturbación. La ruta de propagación secundaria de la planta se estimó utilizando el algoritmo LMS normalizado (NLMS). El acoplamiento positivo interno se modela como un filtro FIR estimado por los parámetros reales de la planta. Las simulaciones mostraron un rendimiento superior del algoritmo RLS con un costo informático razonable. El análisis comparativo se realizó comparando la compensación entre el orden del filtro y la magnitud del rechazo. In this paper an Active Vibrational Control (AVC) for a three-cart problem is studied. The Filtered-x Least Mean Square (FxLMS) and Recursive Least Square (RLS) algorithms are compared in terms of disturbance rejection, computational cost and control effort when a correlated measurement of the disturbance is available. The proposed RLS compensator considers a feedback coupling between the compensator and the disturbance. The secondary propagation path of the plant was estimated using normalized LMS (NLMS) algorithm. The internal positive coupling is modeled as a FIR filter estimated by the real plant parameters. Simulations showed a superior performance of RLS algorithm with a reasonable computer cost. The comparative analysis was performed comparing the tradeoff between the filter order and the magnitude of the rejection.&nbsp

Control structures and optimal sensor/actuator allocation: application in active noise control

Aquesta tesi presenta treball original i aplicat en l'àrea del control i la col·locació de sensors/actuadors (S/A) en sistemes de Control Actiu de Soroll (ANC). Primer, s'han aplicat tècniques de control i identificació robustes per a aconseguir ANC. La fase d'identificació està basada en una proposta d'identificació robusta orientada al control, considerant descripcions del sistema tant paramètriques com no-paramètriques, així com quantificant la incertesa. El disseny del controlador compara les estructures de control feedback (FB), feedforward (FF) i híbrida (FB/FF). El controlador feedback és sintetitzat i avaluat en el marc del control robust, i s'ha dissenyat utilitzant control òptim H∞ plantejat com un problema de sensibilitats mixtes. El controlador FF és un identificador adaptatiu, basat en l'algorisme σ robustament normalitzat. S'han desenvolupat dues propostes per a decidir quina de les estructures de control és més eficient, aplicades a un conducte de 4 metres amb soroll de banda ampla. A més a més, s'han mostrat de manera explícita els compromisos entre identificació i control, les limitacions inherents a un llaç de control feedback, així com qüestions relatives a la implementació de sistemes ANC. També s'han tractat altres qüestions com la relació entre acompliment, ordre del controlador, models paramètrics/no-paramètrics i implementació en processadors digitals de senyal (DSP), així com s'han comparat resultats teòrics i experimentals en el conducte. Les llacunes que encara resten entre teoria i pràctica en aquest tipus d'aplicacions també s'han resumit. D'altra banda, en aquest treball també es tracta el problema de com quantificar la col·locació de sensors i actuadors, amb la finalitat de controlar un sistema físic determinat. La mesura per a determinar la millor localització de S/A es basa en un criteri de llaç tancat orientat al control, el qual optimitza tant acompliment com qüestions pràctiques d'implementació. Aquesta mesura hauria de calcular-se abans del disseny, implementació i prova del controlador. La utilització d'aquesta mesura minimitza la prova combinatòria de controladors en totes les possibles combinacions de S/A. Per a aconseguir-ho, s'han definit diferents mesures que pesen l'acompliment potencial en llaç tancat, la robustesa, el número de condició de la planta (guanys relatius entrada/sortida (I/O)) així com altres qüestions d'implementació, com l'ordre del controlador. Aquestes poden calcular-se utilitzant software estàndard, tant per a models d'una-entrada-una-sortida (SISO) com per a models de múltiples-entrades-múltiples-sortides (MIMO) i poden aplicar-se a múltiples problemes d'enginyeria, ja siguin mecànics, acústics, aeroespacials, etc. En aquest treball, aquests resultats també s'han il·lustrat amb l'aplicació ANC presentada i validat amb dades experimentals. Com a resultat d'aplicar aquestes mesures, s'obté la localització de S/A que aconsegueix la millor atenuació del soroll en llaç tancat amb el menor ordre possible del controlador.Esta tesis presenta trabajo original y aplicado en el área del control y la colocación de sensores/actuadores (S/A) en sistemas de Control Activo de Ruido (ANC). Primero, se han aplicado técnicas de control e identificación robustas para conseguir ANC. La fase de identificación está basada en una propuesta de identificación robusta orientada al control, considerando descripciones del sistema tanto paramétricas como no-paramétricas, así como cuantificando la incertidumbre. El diseño del controlador compara las estructuras de control feedback (FB), feedforward (FF) e híbrida (FB/FF). El controlador feedback es sintetizado y evaluado en el marco del control robusto, y se ha diseñado utilizando control óptimo H∞ planteado como un problema de sensibilidades mixtas. El controlador FF es un identificador adaptativo, basado en el algoritmo σ robustamente normalizado. Se han desarrollado dos propuestas para decidir cual de las estructuras de control es más eficiente, aplicadas a un conducto de 4 metros con ruido de banda ancha. Además, se han mostrado de manera explícita los compromisos entre identificación y control, las limitaciones inherentes a un lazo feedback, así como cuestiones relativas a la implementación de sistemas ANC. También se han tratado otras cuestiones como la relación entre desempeño, orden del controlador, modelos paramétricos/no-paramétricos e implementación en procesadores digitales de señal (DSP), así como se han comparado resultados teóricos y experimentales en el conducto. Las lagunas que aún quedan entre teoría y práctica en este tipo de aplicaciones también se han resumido. Por otra parte, en este trabajo se trata también el problema de como cuantificar la colocación de sensores y actuadores, con la finalidad de controlar un sistema físico determinado. La medida para determinar la mejor localización de S/A se basa en un criterio de lazo cerrado orientado al control, el cual optimiza tanto desempeño como cuestiones prácticas de implementación. Esta medida debería calcularse antes del diseño, implementación y prueba del controlador. La utilización de esta medida minimiza la prueba combinatoria de controladores en todas las posibles combinaciones de S/A. Para conseguirlo, se han definido distintas medidas que pesan el desempeño potencial en lazo cerrado, la robustez, el número de condición de la planta (ganancias relativas entrada/salida (I/O)) y otras cuestiones de implementación, como el orden del controlador. Éstas pueden calcularse utilizando software estándar, tanto para modelos de una-entrada-una-salida (SISO) como para modelos de múltiples-entradas-múltiples-salidas (MIMO) y pueden aplicarse a múltiples problemas ingenieriles, ya sean mecánicos, acústicos, aeroespaciales, etc. En este trabajo, estos resultados también son ilustrados con la aplicación ANC presentada y validados con datos experimentales. Como resultado de aplicar estas medidas, se obtiene la localización de S/A que consigue la mejor atenuación de ruido en lazo cerrado con el menor orden posible del controlador.This thesis presents novel and applied work in the area of control and sensor/actuator (S/A) allocation in Active Noise Control (ANC) systems. First, robust identification and control techniques to perform ANC have been applied. The identification phase is based on a control-oriented robust identification approach that considers both parametric and nonparametric descriptions of the system, and quantifies the uncertainty. The controller design compares the feedback (FB), feedforward (FF) and hybrid (FB/FF) control structures. The feedback control is synthesized and evaluated in the robust control framework, and it is designed using H∞ optimal control as a mixed-sensitivity problem. The FF controller is an adaptive identifier, based on the robustly normalized σ-algorithm. Two approaches are developed to decide which control structure is more efficient on a 4-m duct example with broadband noise. In addition, the compromises between identification and control, the inherent limitations of feedback and implementation issues in ANC are explicitly pointed out. Relations between performance, controller order, parametric/nonparametric models and digital signal processor (DSP) implementation are discussed. Theoretical and experimental results on the duct are compared. The gaps that still remain between theory and practice in this type of applications, are also outlined. Furthermore, this work considers the problem of quantifying the location of sensors and actuators in order to control a certain physical system. The measure to determine the best S/A location is based on a closed loop control-oriented criteria, which optimizes overall performance and practical implementation issues. In addition, it should be computed before the actual controller is designed, implemented and tested. The use of this measure minimizes the combinatorial controller testing over all possible S/A combinations. To this end, several measures have been defined which weight the potential closed-loop performance, robustness, plant condition number (input/output (I/O) relative gains) and implementation issues, such as the controller order. These may be computed with standard software, either for Single Input Single Output (SISO) models or Multiple Input Multiple Output (MIMO) models, and may be applied to many engineering problems: mechanics, acoustics, aerospace, etc. Here, these results are also illustrated with the prior ANC example and validated against experimental data. The outcome of applying these measures is the selection of the S/A location which achieves the best closed loop noise attenuation with the lowest possible controller order

Development of novel hybrid method and geometrical configuration-based active noise control system for circular cylinder and slat noise prediction and reduction applications

This thesis presents a study about the application of a geometrical configuration-based feedforward adaptive active noise control (ANC) system in the low-frequency range of flow-induced (aeroacoustics) noise cancellation and the investigation on the effects of different geometrical configurations on the cancellation performance in the presence of the residual noise signal magnitude (in decibel) or the average amount of cancellation (in decibel). The first motivation is that according to the literature review, the passive flow control is limited in the practical consideration and the active flow control performs better than the passive flow control, especially for the low-frequency range. Consider the principle of the active flow control is the same as the ANC technique, therefore, it is feasible to apply the ANC technique in cancelling the low-frequency range of the far-field (aeroacoustics) noise, which provides instructions on the future practical experiments. The second motivation is that we want to explore the effects of different geometrical configurations on the cancellation performance and it provides instructions on the implementation in future practical experiments. To predict the far-field (aeroacoustics) noise, the computational fluid dynamics (CFD) and the Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) equations are used separately for unsteady flow calculation and far-field (aeroacoustics) noise prediction. The proposed ANC system is used for the low-frequency range of the far-field (aeroacoustics) noise cancellation. Soft computing techniques and evolutionary-computing-based techniques are employed as the parameter adjustment mechanism to deal with nonlinearities existed in microphones and loudspeakers. The case study about the landing gear noise cancellation in the two-dimensional computational domain is completed. Simulation results validate the accuracy of the obtained acoustic spectrum with reasonable error because of the mesh resolution and computer capacity. It is observed that the two-dimensional approach can only predict discrete values of sound pressure level (SPL) associated with the fundamental frequency (Strouhal number) and its harmonics. Cancellation results demonstrate the cancellation capability of the proposed ANC system for the low-frequency range of far-field (aeroacoustics) noise and reflect that within the reasonable physical distance range, the cancellation performance will be better when the detector is placed closer to the secondary source in comparison with the primary source. This conclusion is the main innovative contribution of this thesis and it provides useful instructions on future practical experiments, but detailed physical distance values must be dependent on individual cases

Distributed and Collaborative Processing of Audio Signals: Algorithms, Tools and Applications

Tesis por compendio[ES] Esta tesis se enmarca en el campo de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC), especialmente en el área del procesado digital de la señal. En la actualidad, y debido al auge del Internet de los cosas (IoT), existe un creciente interés por las redes de sensores inalámbricos (WSN), es decir, redes compuestas de diferentes tipos de dispositivos específicamente distribuidos en una determinada zona para realizar diferentes tareas de procesado de señal. Estos dispositivos o nodos suelen estar equipados con transductores electroacústicos así como con potentes y eficientes procesadores con capacidad de comunicación. En el caso particular de las redes de sensores acústicos (ASN), los nodos se dedican a resolver diferentes tareas de procesado de señales acústicas. El desarrollo de potentes sistemas de procesado centralizado han permitido aumentar el número de canales de audio, ampliar el área de control o implementar algoritmos más complejos. En la mayoría de los casos, una topología de ASN distribuida puede ser deseable debido a varios factores tales como el número limitado de canales utilizados por los dispositivos de adquisición y reproducción de audio, la conveniencia de un sistema escalable o las altas exigencias computacionales de los sistemas centralizados. Todos estos aspectos pueden llevar a la utilización de nuevas técnicas de procesado distribuido de señales con el fin de aplicarlas en ASNs. Para ello, una de las principales aportaciones de esta tesis es el desarrollo de algoritmos de filtrado adaptativo para sistemas de audio multicanal en redes distribuidas. Es importante tener en cuenta que, para aplicaciones de control del campo sonoro (SFC), como el control activo de ruido (ANC) o la ecualización activa de ruido (ANE), los nodos acústicos deben estar equipados con actuadores con el fin de controlar y modificar el campo sonoro. Sin embargo, la mayoría de las propuestas de redes distribuidas adaptativas utilizadas para resolver problemas de control del campo sonoro no tienen en cuenta que los nodos pueden interferir o modificar el comportamiento del resto. Por lo tanto, otra contribución destacable de esta tesis se centra en el análisis de cómo el sistema acústico afecta el comportamiento de los nodos dentro de una ASN. En los casos en que el entorno acústico afecta negativamente a la estabilidad del sistema, se han propuesto varias estrategias distribuidas para resolver el problema de interferencia acústica con el objetivo de estabilizar los sistemas de ANC. En el diseño de los algoritmos distribuidos también se han tenido en cuenta aspectos de implementación práctica. Además, con el objetivo de crear perfiles de ecualización diferentes en zonas de escucha independientes en presencia de ruidos multitonales, se han presentado varios algoritmos distribuidos de ANE en banda estrecha y banda ancha sobre una ASN con una comunicación colaborativa y compuesta por nodos acústicos. Se presentan además resultados experimentales para validar el uso de los algoritmos distribuidos propuestos en el trabajo para aplicaciones prácticas. Para ello, se ha diseñado un software de simulación acústica que permite analizar el rendimiento de los algoritmos desarrollados en la tesis. Finalmente, se ha realizado una implementación práctica que permite ejecutar aplicaciones multicanal de SFC. Para ello, se ha desarrollado un prototipo en tiempo real que controla las aplicaciones de ANC y ANE utilizando nodos acústicos colaborativos. El prototipo consiste en dos sistemas de control de audio personalizado (PAC) compuestos por un asiento de coche y un nodo acústico, el cual está equipado con dos altavoces, dos micrófonos y un procesador con capacidad de comunicación entre los dos nodos. De esta manera, es posible crear dos zonas independientes de control de ruido que mejoran el confort acústico del usuario sin necesidad de utilizar auriculares.[CA] Aquesta tesi s'emmarca en el camp de les Tecnologies de la Informació i les Comunicacions (TIC), especialment en l'àrea del processament digital del senyal. En l'actualitat, i a causa de l'auge de la Internet dels coses (IoT), existeix un creixent interés per les xarxes de sensors sense fils (WSN), és a dir, xarxes compostes de diferents tipus de dispositius específicament distribuïts en una determinada zona per a fer diferents tasques de processament de senyal. Aquests dispositius o nodes solen estar equipats amb transductors electroacústics així com amb potents i eficients processadors amb capacitat de comunicació. En el cas particular de les xarxes de sensors acústics (ASN), els nodes es dediquen a resoldre diferents tasques de processament de senyals acústics. El desenvolupament de potents sistemes de processament centralitzat han permés augmentar el nombre de canals d'àudio, ampliar l'àrea de control o implementar algorismes més complexos. En la majoria dels casos, una topologia de ASN distribuïda pot ser desitjable a causa de diversos factors tals com el nombre limitat de canals utilitzats pels dispositius d'adquisició i reproducció d'àudio, la conveniència d'un sistema escalable o les altes exigències computacionals dels sistemes centralitzats. Tots aquests aspectes poden portar a la utilització de noves tècniques de processament distribuït de senyals amb la finalitat d'aplicar-les en ASNs. Per a això, una de les principals aportacions d'aquesta tesi és el desenvolupament d'algorismes de filtrat adaptatiu per a sistemes d'àudio multicanal en xarxes distribuïdes. És important tindre en compte que, per a aplicacions de control del camp sonor (SFC), com el control actiu de soroll (ANC) o l'equalització activa de soroll (ANE), els nodes acústics han d'estar equipats amb actuadors amb la finalitat de controlar i modificar el camp sonor. No obstant això, la majoria de les propostes de xarxes distribuïdes adaptatives utilitzades per a resoldre problemes de control del camp sonor no tenen en compte que els nodes poden modificar el comportament de la resta. Per tant, una altra contribució destacable d'aquesta tesi se centra en l'anàlisi de com el sistema acústic afecta el comportament dels nodes dins d'una ASN. En els casos en què l'entorn acústic afecta negativament a l'estabilitat del sistema, s'han proposat diverses estratègies distribuïdes per a resoldre el problema d'interferència acústica amb l'objectiu d'estabilitzar els sistemes de ANC. En el disseny dels algorismes distribuïts també s'han tingut en compte aspectes d'implementació pràctica. A més, amb l'objectiu de crear perfils d'equalització diferents en zones d'escolta independents en presència de sorolls multitonales, s'han presentat diversos algorismes distribuïts de ANE en banda estreta i banda ampla sobre una ASN amb una comunicació col·laborativa i composta per nodes acústics. Es presenten a més resultats experimentals per a validar l'ús dels algorismes distribuïts proposats en el treball per a aplicacions pràctiques. Per a això, s'ha dissenyat un programari de simulació acústica que permet analitzar el rendiment dels algorismes desenvolupats en la tesi. Finalment, s'ha realitzat una implementació pràctica que permet executar aplicacions multicanal de SFC. Per a això, s'ha desenvolupat un prototip en temps real que controla les aplicacions de ANC i ANE utilitzant nodes acústics col·laboratius. El prototip consisteix en dos sistemes de control d'àudio personalitzat (PAC) compostos per un seient de cotxe i un node acústic, el qual està equipat amb dos altaveus, dos micròfons i un processador amb capacitat de comunicació entre els dos nodes. D'aquesta manera, és possible crear dues zones independents de control de soroll que milloren el confort acústic de l'usuari sense necessitat d'utilitzar auriculars.[EN] This thesis fits into the field of Information and Communications Technology (ICT), especially in the area of digital signal processing. Nowadays and due to the rise of the Internet of Things (IoT), there is a growing interest in wireless sensor networks (WSN), that is, networks composed of different types of devices specifically distributed in some area to perform different signal processsing tasks. These devices, also referred to as nodes, are usually equipped with electroacoustic transducers as well as powerful and efficient processors with communication capability. In the particular case of acoustic sensor networks (ASN), nodes are dedicated to solving different acoustic signal processing tasks. These audio signal processing applications have been undergone a major development in recent years due in part to the advances made in computer hardware and software. The development of powerful centralized processing systems has allowed the number of audio channels to be increased, the control area to be extended or more complex algorithmms to be implemented. In most cases, a distributed ASN topology can be desirable due to several factors such as the limited number of channels used by the sound acquisition and reproduction devices, the convenience of a scalable system or the high computational demands of a centralized fashion. All these aspects may lead to the use of novel distributed signal processing techniques with the aim to be applied over ASNs. To this end, one of the main contributions of this dissertation is the development of adaptive filtering algorithms for multichannel sound systems over distributed networks. Note that, for sound field control (SFC) applications, such as active noise control (ANC) or active noise equalization (ANE), acoustic nodes must be not only equipped with sensors but also with actuators in order to control and modify the sound field. However, most of the adaptive distributed networks approaches used to solve soundfield control problems do not take into account that the nodes may interfere or modify the behaviour of the rest. Therefore, other important contribution of this thesis is focused on analyzing how the acoustic system affects the behavior of the nodes within an ASN. In cases where the acoustic environment adversely affects the system stability, several distributed strategies have been proposed for solving the acoustic interference problem with the aim to stabilize ANC control systems. These strategies are based on both collaborative and non-collaborative approaches. Implementation aspects such as hardware constraints, sensor locations, convergenge rate or computational and communication burden, have been also considered on the design of the distributed algorithms. Moreover and with the aim to create independent-zone equalization profiles in the presence of multi-tonal noises, distributed narrowband and broadband ANE algorithms over an ASN with a collaborative learning and composed of acoustic nodes have been presented. Experimental results are presented to validate the use of the distributed algorithms proposed in the work for practical applications. For this purpose, an acoustic simulation software has been specifically designed to analyze the performance of the developed algorithms. Finally, the performance of the proposed distributed algorithms for multichannel SFC applications has been evaluated by means of a real practical implementation. To this end, a real-time prototype that controls both ANC and ANE applications by using collaborative acoustic nodes has been developed. The prototype consists of two personal audio control (PAC) systems composed of a car seat and an acoustic node, which is equipped with two loudspeakers, two microphones and a processor with communications capability. In this way, it is possible to create two independent noise control zones improving the acoustic comfort of the user without the use of headphones.Antoñanzas Manuel, C. (2019). Distributed and Collaborative Processing of Audio Signals: Algorithms, Tools and Applications [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130209TESISCompendi