DE19714199C1 - Self-adapting control system for actuators - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Umwandlung ei nes elektrischen Eingangssignals in ein akustisches oder mechanisches Ausgangssignal, bestehend aus einem Wandler, der als Aktuator benutzt wird, einem Steuerungssystem mit linearem oder nichtlinearem Übertragungsverhalten und einem Parameterdetektor. Der Ausgang des Steuerungssystems ist über den Parameterdetektor mit den Klem men des Wandlers verbunden. Das Steuerungssystem kompensiert die vom Wandler erzeugten linearen und/oder nichtlinearen Signalverzerrungen und erzeugt im Gesamt system ein gewünschtes Übertragungsverhalten zwischen dem elektrischen Eingangs signal und dem Ausgangssignal. Der Parameterdetektor schätzt die Parameter des Wandlers aus den elektrischen Klemmensignalen, die zur Anpassung des Steuerungs systems an den speziellen Wandler verwendet werden.The invention relates to an arrangement and a method for converting egg an electrical input signal into an acoustic or mechanical output signal, consisting of a converter that is used as an actuator, a control system with linear or non-linear transmission behavior and a parameter detector. The output of the control system is via the parameter detector with the terminals connected to the converter. The control system compensates for that from the converter generated linear and / or nonlinear signal distortions and generated overall system a desired transmission behavior between the electrical input signal and the output signal. The parameter detector estimates the parameters of the Converter from the electrical terminal signals used to adapt the control systems can be used on the special converter.
Wandler, die als Aktuatoren (Lautsprecher, Kopfhörer, Schwingungsanreger) ge nutzt werden, erzeugen beträchtliche lineare und nichtlineare Verzerrungen im Ausgangs signal. Diese Verzerrungen vermindern die Qualität der Schallwiedergabe und den Wir kungsgrad bei der aktiven Lärmbekämpfung. Diese Verzerrungen können durch eine Servoregelung (bezeichnet als "motional feedback" in PCT WO 97/25 833 A1, US 5408533 und US 5542001) vermindert werden. Hierbei wird mit Hilfe einer Meßeinrichtung am Laut sprecher eine Istgröße ständig bestimmt und auf das Eingangsignal in negativer Phasenlage zu rückgekoppelt. Diese Methode hat sich jedoch in der Praxis nicht bewährt, da die erforderliche hohe Kreisverstärkung bei Veränderung des Lautsprechers und Beschädigung der Meßeinrich tung (Sensors) ein instabiles Verhalten und eine Zerstörung des Lautsprechers verursachen kann.Transducers used as actuators (loudspeakers, headphones, vibration exciters) are used, produce considerable linear and non-linear distortions in the output signal. These distortions reduce the quality of sound reproduction and the we degree of active noise abatement. These distortions can be caused by a Servo control (referred to as "motional feedback" in PCT WO 97/25 833 A1, US 5408533 and US 5542001) can be reduced. Here, using a measuring device on the sound speaker determines an actual value constantly and towards the input signal in negative phase fed back. However, this method has not proven itself in practice since it is the required one high loop gain when changing the loudspeaker and damaging the measuring device device (sensor) cause unstable behavior and destruction of the loudspeaker can.
Aus diesem Grunde wurden neue Steuerungsysteme entwickelt, die exakt das inverse Übertragungsverhalten des Lautsprechers erzeugen und somit die Verzerrungen im abgestrahltem Signal kompensieren. Zu dieser Methode gehören das Polynomfilter im U. S. Patent 4,709,391, das sogenannte Spiegelfilter im U.S. Patent 5,438,625 und die Methode der Linearisierung mit Hilfe statischer Zustandsrückkopplung in der Veröffentlichung von J. Suykens, et al., "Feedback Linearization of Nonlinear Distortion in Electrodynamic Loudspeakers," J. Audio Eng. Soc., Band 43, Seite 690-694. Diese Steuerungssysteme besitzen jedoch freie Steuerparameter, die an den jeweiligen Lautsprecher exakt angepaßt werden müssen.For this reason, new control systems were developed that exactly the inverse Generate transmission behavior of the speaker and thus the distortion in the emitted Compensate signal. This method includes the polynomial filter in U.S. Patent 4,709,391, the so-called mirror filters in the U.S. Patent 5,438,625 and the method of linearization with the help static state feedback in the publication by J. Suykens, et al., "Feedback Linearization of Nonlinear Distortion in Electrodynamic Loudspeakers, "J. Audio Eng. Soc., Vol 43, pages 690-694. However, these control systems have free control parameters that are assigned to the each speaker must be adjusted exactly.
Die Bestimmung der optimalen Parameter des Steuerungssystems kann in adaptiver Weise erfolgen, wie es die deutsche Patentanmeldung DE 43 32 804 A1 offenlegt. Diese Anordnung kann die Filterparameter bei der Übertragung des Audiosignals bestimmen und verzichtet auf einen gesonderten Meßvorgang. Dadurch können Parameterveränderungen bedingt durch Alterung oder Erwärmung im normalen Betriebszustand ausgeglichen werden. Das adaptive Steuerungssystem erfordert Informationen über das Ausgangssignal oder den inneren Zustand des Wandlers. Die direkte Messung des akustischen oder mechanischen Ausgangssignals erfordert einen hochqualitativen Sensor (z. B. Mikrofon, Beschleunigungsaufnehmer), der teuer und in vielen Anwendungen nicht anwendbar ist. The determination of the optimal parameters of the control system can be done in an adaptive manner take place as disclosed in German patent application DE 43 32 804 A1. This arrangement can determine the filter parameters during the transmission of the audio signal and dispenses with one separate measuring process. This can result in parameter changes due to aging or Warming can be compensated in the normal operating state. The adaptive control system requires information about the output signal or the internal condition of the converter. The direct measurement of the acoustic or mechanical output signal requires one high quality sensor (e.g. microphone, accelerometer) that is expensive and in many Applications is not applicable.
Das deutsche Patent DE 43 34 040 legt ein adaptives Steuerungssystem offen, das keinen zusätzlichen akustischen oder mechanischen Sensor benötigt. Eine adaptive Detektoranordnung schätzt ein Bewegungssignal des Wandlers (zum Beispiel die Schnelle der Schwingspule) aus der elektrischen Klemmenspannung und dem Eingangsstrom des Wandlers. Die geschätzte Schnelle wird dem adaptiven Korrekturfilter zugeführt und zur Schätzung der optimalen Filterparameter benutzt. Die Anpassung der Detektorschaltung und die Anpassung des Korrekturfilters sind zwei getrennte adaptive Prozesse, die mit unterschiedlichen Systemstrukturen realisiert werden können. Hierbei müssen die Detektorparameter in keinem direkten Zusammenhang mit den Filterparametern stehen. Dieses bekannte System mit zwei separaten adaptiven Parameterschätzern erfordert jedoch einen hohen Rechneraufwand, und kann auf digitalen Signalprozessoren nicht kostengünstig implementiert werden.German patent DE 43 34 040 discloses an adaptive control system that does not additional acoustic or mechanical sensor required. An adaptive detector arrangement estimates a movement signal from the transducer (for example the speed of the voice coil) from the electrical terminal voltage and the input current of the converter. The estimated quick will fed to the adaptive correction filter and used to estimate the optimal filter parameters. The adjustment of the detector circuit and the adjustment of the correction filter are two separate ones adaptive processes that can be implemented with different system structures. Here the detector parameters need not be directly related to the filter parameters. However, this known system with two separate adaptive parameter estimators requires one high computing effort, and can not be implemented inexpensively on digital signal processors will.
Es ist das Ziel der Erfindung, eine Anordnung und eine Methode zu entwickeln, die ein elektrisches Eingangssignal in ein mechanisches oder akustisches Ausgangssignal umwandelt und dabei ein gewünschtes Übertragungsverhalten erzeugt.It is the aim of the invention to develop an arrangement and a method which an electrical input signal into a mechanical or acoustic output signal converts and generates a desired transmission behavior.
Die Anordnung und Methode soll hierbei Veränderungen des Wandlers und externe Einflüsse kompensieren und dafür keinen zusätzlichen Sensor benötigen.The arrangement and method here are intended to change the converter and external Compensate for influences and do not require an additional sensor for this.
Die Anordnung und Methode soll unter allen Arbeitsbedingungen ein stabiles und robustes Systemverhalten garantieren und einfach und kostengünstig realisierbar sein.The arrangement and method should be stable and stable under all working conditions guarantee robust system behavior and be simple and inexpensive to implement.
Zur Lösung dieser Aufgabe, besteht die Anordnung aus einem Wandler, einem Steuerungssystem und einem Parameterdetektor. Das Steuerungssystem hat einen Signaleingang, der mit dem elektrischen Eingangssignal versorgt wird und ein Signalausgang, der mit dem Signaleingang des Parameterdetektors verbunden ist. Der Parameterdetektor hat zwei Signalausgänge, welche mit den Klemmen des Wandlers verbunden sind. Der Parameterdetektor hat einen Parametervektorausgang, der einen Parametervektor bereitstellt. Das Steuerungssystem besitzt einen Parametervektoreingang, der mit dem Paramtervektorausgang des Parameterdetektors verbunden ist. Das Steuerungssystem besitzt eine veränderbare Übertragungscharakteristik zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang, die von dem über den Parametervektoreingang zugeführten Parametervektor abhängt.To solve this problem, the arrangement consists of a converter, a Control system and a parameter detector. The control system has one Signal input that is supplied with the electrical input signal and on Signal output that is connected to the signal input of the parameter detector. Of the The parameter detector has two signal outputs, which are connected to the terminals of the converter are connected. The parameter detector has a parameter vector output, the one Provides parameter vector. The control system has a parameter vector input, which is connected to the parameter vector output of the parameter detector. The Control system has a variable transmission characteristic between the Signal input and the signal output by that via the parameter vector input supplied parameter vector depends.
Zur Lösung der genannten Aufgabe, enthält das Verfahren die folgenden Schritte:
Im ersten Schritt erfolgt die Umwandlung des elektrischen Eingangssignales in ein vor
verzerrtes elektrisches Signal mit Hilfe einer eindeutigen Transformationsvorschrift, die
durch Steuerparameter veränderbar ist. Im folgenden Schritt wird das vorverzerrte
elektrische Signal mit Hilfe eines Wandlers in ein mechanisches oder akustisches Aus
gangssignal umgewandelt. Im nächsten Schritt wird ein zweites elektisches Signal an
den Klemmen des Wandlers gemessen, wobei sich das zweite elektrische Signal von
dem vorverzerrten elektrischen Signal unterscheiden muß. In einem weiteren Schritt
erfolgt die Modellierung des Zusammenhangs zwischen dem vorverzerrten elektrischen
Signal und dem gemessenen zweiten elektrischen Signals mit Hilfe eines Wandlermo
delles, das freie Modellparameter besitzt. Danach werden die optimalen Modellparame
ter geschätzt, so daß das Wandlermodell mit den optimalen Modellparametern den Zu
sammenhang zwischen dem vorverzerrten elektrischen Signal und dem gemessenen
zweiten elektrischen Signal möglichst genau beschreibt. Schließlich werden die optima
len Steuerparameter aus den optimalen Modellparametern berechnet. Hierfür wird der
physikalischer Zusammenhang zwischen der Transformationsvorschrift und dem
Wandlermodell und die gewünschte Beziehung zwischen dem elektrischen Eingangs
signal und dem mechanischen oder akustischen Ausgangssignal benutzt.The method includes the following steps to achieve the stated task:
In the first step, the electrical input signal is converted into a pre-distorted electrical signal with the aid of a clear transformation rule that can be changed by control parameters. In the following step, the predistorted electrical signal is converted into a mechanical or acoustic output signal using a converter. In the next step, a second electrical signal is measured at the terminals of the converter, the second electrical signal having to differ from the predistorted electrical signal. In a further step, the relationship between the predistorted electrical signal and the measured second electrical signal is modeled with the aid of a converter that has free model parameters. The optimal model parameters are then estimated so that the converter model with the optimal model parameters describes the relationship between the predistorted electrical signal and the measured second electrical signal as precisely as possible. Finally, the optimal control parameters are calculated from the optimal model parameters. For this, the physical relationship between the transformation rule and the converter model and the desired relationship between the electrical input signal and the mechanical or acoustic output signal are used.
Im letzten Schritt werden die optimalen Steuerparameter bei der Umwandlung des elektrischen Eingangssignals in das vorverzerrte elektrische Signal verwendet und die Transformationsvorschrift an die Eigenschaften des Wandlers angepaßt, so daß die Verzerrungen des Wandlers kompensiert werden und der gewünschte Zusammenhang zwischen dem elektrischen Eingangssignal und dem Ausgangssignal erzeugt wird.In the last step, the optimal control parameters when converting the electrical input signal used in the predistorted electrical signal and the Adapted transformation regulation to the properties of the converter, so that the Distortion of the converter can be compensated and the desired relationship is generated between the electrical input signal and the output signal.
Es ist ein Kennzeichen der Erfindung, daß die Signalvorverarbeitung des elektrischen Antriebssignals (Steuersystem Transformationsvorschrift) von der Systemidentifikation (Parameterdetektor, Parameterschätzung) des Wandlers getrennt ist. Allerdings liegt beiden Teilsystemen ein gemeinsames physikalisches Modell des Wandlers zu Grunde. Damit wird es möglich, beide Teilsysteme miteinander zu verkoppeln und die vom Steuerungssystem benötigten Steuerparameter direkt aus den vom Parameterdetektor gemessenen Wandlerparametern abzuleiten. Das Steuerungssystem kann im Unterschied zum bekannten Stand der Technik als ein nichtadaptives System ausgeführt werden, dessen Übertragungseigenschaften lediglich durch einen Parametervektor verändert werden. Dadurch vereinfacht sich das Gesamtsystem und kann mit geringeren Kosten realisiert werden.It is a characteristic of the invention that the signal preprocessing of the electrical drive signal (control system transformation regulation) from the System identification (parameter detector, parameter estimation) of the converter is separated. However, both subsystems have a common physical model of the converter to the bottom. This makes it possible to couple both subsystems and the control parameters required by the control system directly from those of the parameter detector to derive measured converter parameters. The control system can make a difference to the known state of the art as a non-adaptive system, the Transmission properties can only be changed by a parameter vector. This simplifies the overall system and can be implemented at lower costs will.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist die Stabilisierung der Ruheposition der Schwingspule. Um den maximalen Wirkungsgrad des Wandlers auch bei Alterung zu gewährleisten, wird mit Hilfe des Parameterdetektors die Ruheposition der Schwingspule bestimmt und die Schwingspule durch Addition eines Gleichanteils im. Steuerungssystem in die optimale Position geführt.An important aspect of the invention is the stabilization of the rest position Voice coil. To ensure the maximum efficiency of the converter even with aging ensure the rest position of the voice coil with the help of the parameter detector determined and the voice coil by adding a DC component in the. Control system in the optimal position.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Berücksichtigung der Erwärmung der Schwingspule im Steuerungssystem. Eine Veränderung des Schwingspulenwiderstandes durch die im Wandler umgesetzte Leistung erfordert eine Korrektur der Eigenschaften des Steuerungssystems. Hierzu werden im Detektorsystem die thermischen Parameter des Lautsprechers geschätzt und dem Steuerungssystem im Parametervektor übergeben. Das Steuerungssystem schätzt die im Wandler umgesetzte elektrische Leistung aus dem übertragenen Signal, leitet hieraus die momentane Temperatur und den Widerstand der Schwingspule ab und paßt die Signalvorverzerrung an das veränderte Verhalten des erwärmten Lautsprechers an.Another aspect of the invention is the consideration of the heating of the Voice coil in the control system. A change in voice coil resistance due to the power implemented in the converter requires a correction of the properties of the Control system. For this purpose, the thermal parameters of the Loudspeaker estimated and passed to the control system in the parameter vector. The Control system estimates the electrical power converted in the converter transmitted signal, derives from this the current temperature and the resistance of the Voice coil and adapts the signal pre-distortion to the changed behavior of the heated speaker.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich dieses Steuerungssystem selbständig ohne Verwendung eines zusätzlichen Sensors an den Aktuator anpaßt. Der Lernprozeß kann bei Übertragung des Nutzsignals ständig oder zeitweise aktiviert werden. Zeitliche Parameterveränderungen des Schallsenders durch Erwärmung und Alterung werden durch das Steuerungssystem selbständig ausgeglichen und das gewünschte Übertragungsverhalten bleibt über einen langen Zeitraum gewährleistet. Das Steuerungssystem läßt sich einfacher realisieren als bisher bekannte Steuerungssysteme und besitzt verbesserte Eigenschaften in Bezug auf Stabilität und Robustheit.The advantages achieved with the invention are in particular that this control system independently without using an additional sensor adapts the actuator. The learning process can be constant when the useful signal is transmitted or activated temporarily. Temporal parameter changes of the sound transmitter heating and aging make the control system independent balanced and the desired transmission behavior remains over a long Guaranteed period. The control system is easier to implement than before known control systems and has improved properties with respect to Stability and robustness.
Durch die folgende Abbildungen sollen die oben genannten Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung genauer dargestellt werden The following illustrations are intended to illustrate the objectives, features and Advantages of this invention are presented in more detail
Abb. 1 zeigt ein Signalflußplan des adaptiven Steuerungssystems entsprechend dem Stand der Technik. Fig. 1 shows a signal flow diagram of the adaptive control system according to the prior art.
Abb. 2 zeigt eine erste Ausführung der Erfindung. Fig. 2 shows a first embodiment of the invention.
Abb. 3 zeigt die Ausführung des adaptiven Steuerungssystems im einzelnen. Fig. 3 shows the implementation of the adaptive control system in detail.
Abb. 4 zeigt eine detaillierte Ausführung der Fehlerschaltung und des Parameter schätzers für den Steifigkeitskoeffizienten k1. Fig. 4 shows a detailed version of the error circuit and the parameter estimator for the stiffness coefficient k 1 .
Abb. 5 zeigt eine zweite Ausführung der Erfindung. Fig. 5 shows a second embodiment of the invention.
Abb. 6 zeigt eine dritte Ausführung des Steuerungssystems zur Korrektur der Schwingspulenposition. Fig. 6 shows a third embodiment of the control system for correcting the voice coil position.
Abb. 7 zeigt eine vierte Ausführung des Steuerungssystems zur Kompensation der Schwingspulenerwärmung. Fig. 7 shows a fourth version of the control system to compensate for voice coil heating.
Abb. 8 zeigt das Schätzsystem für den momentanen Widerstand im einzelnen. Fig. 8 shows the estimation system for the current resistance in detail.
Abb. 1 zeigt den Signalflußplan des bekannten Steuerungssystems, das im Patent DE 43 34 040 offengelegt wurde. Die Anordnung besteht aus einem Wandler 1, einem adaptiven Korrekturfilter 3, einer adaptiven Detektorschaltung 5, einem Referenzfilter 7 und einen Differenzverstärker 9. Ein elektrisches Signal w(t) wird vom Signaleingang 11 über ein Koffekturfilter 3 und Detektorschaltung 5 zu den Klemmen des Wandlers 1 geleitet. Die Detektorschaltung 5 schätzt die Schnelle v(t) der Schwingspule des angeschlossenen Wandlers 1. Das Referenzsignal r(t), erzeugt von dem Referenzfilter 7, und die Schnelle v(t) werden zu den Eingängen des Differenzverstärker 9 geführt. Das Fehlersignal e(t) = r(t) - v(t) am Ausgang des Differenzverstärkers wird sowohl dem Korrekturfilter 3 als auch der Detektorschaltung 5 zugeführt, die adaptive Systeme sind und eine getrennte Parameterschätzung durchführen und hierbei die Amplitude des Fehlersignals e(t) minimieren. Fig. 1 shows the signal flow diagram of the known control system, which was disclosed in patent DE 43 34 040. The arrangement consists of a converter 1 , an adaptive correction filter 3 , an adaptive detector circuit 5 , a reference filter 7 and a differential amplifier 9 . An electrical signal w (t) is passed from the signal input 11 via a caffeine filter 3 and detector circuit 5 to the terminals of the converter 1 . The detector circuit 5 estimates the rapid v (t) of the voice coil of the connected converter 1 . The reference signal r (t), generated by the reference filter 7 , and the fast v (t) are fed to the inputs of the differential amplifier 9 . The error signal e (t) = r (t) - v (t) at the output of the differential amplifier is fed to both the correction filter 3 and the detector circuit 5 , which are adaptive systems and carry out a separate parameter estimation and in this case the amplitude of the error signal e (t ) minimize.
Abb. 2 zeigt eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung besteht aus einem Steuerungssystem 15, einem Parameterdetektor 17 und einem Wandler 19. Fig. 2 shows a first embodiment of the present invention. The arrangement consists of a control system 15 , a parameter detector 17 and a converter 19 .
Das Steuerungssystem 15 besitzt einen Signaleingang 13, einen Signalausgang 23 und einen Parametervektoreingang 24. Die Übertragungscharakteristik zwischen dem Signaleingang 13 und Signalausgang 23 ist veränderlich und wird durch den momentanen Parametervektor P am Parametervektoreingang 24 bestimmt. Da die optimalen Steuerungsparameter direkt aus dem übergebenen Parametervektor P abgeleitet werden können, ist im Gegensatz zum Stand der Technik eine adaptive Parameterschätzung im Steuerungssystem nicht erforderlich.The control system 15 has a signal input 13 , a signal output 23 and a parameter vector input 24 . The transmission characteristic between the signal input 13 and signal output 23 is variable and is determined by the current parameter vector P at the parameter vector input 24 . Since the optimal control parameters can be derived directly from the transferred parameter vector P, in contrast to the prior art, an adaptive parameter estimation in the control system is not necessary.
Der Parameterdetektor 17 besitzt einen Detektoreingang 21, zwei Detektorausgänge 25 und 27 und einen Parametervektorausgang 29. Der Detektoreingang 21 wird mit dem Signal z(t) vom Signalausgang 23 versorgt. Die Detektorausgänge 25 und 27 sind mit den Klemmen des Wandlers 19 verbunden. Der Parametervektor P wird vom Parameterdetektor geschätzt und über den Parametervektorausgang 29 dem Parametervektoreingang 24 des Steuerungssystems 15 übergeben.The parameter detector 17 has a detector input 21 , two detector outputs 25 and 27 and a parameter vector output 29 . The detector input 21 is supplied with the signal z (t) from the signal output 23 . The detector outputs 25 and 27 are connected to the terminals of the converter 19 . The parameter vector P is estimated by the parameter detector and transferred to the parameter vector input 24 of the control system 15 via the parameter vector output 29 .
Der Parameterdetektor 17 enthält eine Fehlerschaltung 31 und einen Parameterschätzer 33.The parameter detector 17 contains an error circuit 31 and a parameter estimator 33 .
Die Fehlerschaltung 31 besitzt einen Fehlerschaltungseingang 35, zwei Fehlerschaltungsausgänge 37 und 39, einen Fehlerausgang 41, einen Gradientenvektorausgang 43 und einen Parametervektoreingang 45. Der Fehlerschaltungseingang 35 erhält das Signal z(t) vom Detektoreingang 21. Die Fehlerschaltungsausgänge 37 und 39 sind jeweils über die Detektorausgänge 25 und 27 mit den Klemmen des Wandlers verbunden. Der Parametervektoreingang 45 erhält den Parametervektor P. Die Fehlerschaltung erzeugt ein Fehlersignal e(t), welches das Kriterium für die Identifikation der Wandlerparameter ist. Die Fehlerschaltung 31 stellt auch den Gradientenvektor SG am Gradientenvektorausgang 43 bereit, der von den geschätzten Zustandssignalen des Wandler abgeleitet wird.The error circuit 31 has an error circuit input 35 , two error circuit outputs 37 and 39 , an error output 41 , a gradient vector output 43 and a parameter vector input 45 . The error circuit input 35 receives the signal z (t) from the detector input 21 . The fault circuit outputs 37 and 39 are connected to the terminals of the converter via the detector outputs 25 and 27 , respectively. The parameter vector input 45 receives the parameter vector P. The error circuit generates an error signal e (t), which is the criterion for the identification of the converter parameters. The error circuit 31 also provides the gradient vector S G at the gradient vector output 43 , which is derived from the estimated state signals of the converter.
Der Parameterschätzer 33 besitzt einen Parameterschätzerausgang 47, einen Gradientenvektoreingang 49, der mit dem Gradientenvektorausgang 43 verbunden ist und einen Fehlereingang 51, der mit dem Fehlerausgang 41 verbunden ist. Der Parameterschätzer 33 schätzt mit Hilfe des Gradientenvektors SG und dem Fehlersignal e(t) den Parametervektor P. Die geschätzten Parameter werden über den Parameterschätzerausgang 47 sowohl zu dem Parametervektoreingang 45 als auch zu dem Parametervektorausgang 29 geleitet. Ist die Amplitude des Fehlersignals e(t) minimal, dann ist der Detektorparameter optimal an den speziellen Wandler angepaßt und der Parametervektor P ist die beste Schätzung für die realen Wandlerparameter.The parameter estimator 33 has a parameter estimator output 47 , a gradient vector input 49 which is connected to the gradient vector output 43 and an error input 51 which is connected to the error output 41 . The parameter estimator 33 uses the gradient vector S G and the error signal e (t) to estimate the parameter vector P. The estimated parameters are passed via the parameter estimator output 47 both to the parameter vector input 45 and to the parameter vector output 29 . If the amplitude of the error signal e (t) is minimal, then the detector parameter is optimally adapted to the special converter and the parameter vector P is the best estimate for the real converter parameters.
Abb. 3 zeigt eine detaillierte Ausführung des Steuerungssystems. Bei Benutzung
des Spiegelfilters für einen stromgespeisten Wandler wird das Ausgangssignal z(t) des
Steuerungssystems
Fig. 3 shows a detailed version of the control system. When using the mirror filter for a current-fed converter, the output signal z (t) of the control system
aus dem Eingangssignal w und der Auslenkung
from the input signal w and the deflection
abgeleitet, wobei b(xm) der auslenkungsabhängige Kraftfaktor, k(xm) die auslenkungsabhängige Steifheit der mechanischen Aufhängung, m die bewegte Masse, Rm die mechanische Dämpfung, s der Laplace-operator und L-1{} die inverse Laplacetransformation ist.derived, where b (x m ) the deflection-dependent force factor, k (x m ) the deflection-dependent stiffness of the mechanical suspension, m the moving mass, R m the mechanical damping, s the Laplace operator and L -1 {} the inverse Laplace transformation .
Nach Entwicklung der nichtlinearen Parameter
After developing the nonlinear parameters
b(x) = b0 + b1x + b2x2
Le(x) = l0 + l1x + l2x2
k(x) = k0 + k1x + k2x2 (3)
b (x) = b 0 + b 1 x + b 2 x 2
L e (x) = l 0 + l 1 x + l 2 x 2
k (x) = k 0 + k 1 x + k 2 x 2 (3)
in nach dem quadratischen Glied abgebrochene Potenzreihen, erweisen sich die Koeffizienten in Gl. (3) und die linearen Parameter m, Rm als die freien Parameter des Steuerungssystems und die Elemente des Parametervektors P. Die veränderbare Übertragungsfunktion des Steuerungssystems wird mit Hilfe von steuerbaren Verstärkern realisiert, wobei der Verstärkungsfaktor jedes einzelnen Verstärkers durch einen Steuerparameter bestimmt wird. Abb. 3 zeigt die Einstellung des Steuerparameters k1 im Detail. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung der anderen Parameter verzichtet, deren Einstellung in gleicher Weise geschieht. Das elektrische Signal w(t) am Signaleingang 13 wird mit Hilfe des Verstärkers 61 um den Faktor b0 verstärkt und zum ersten Eingang des Addierers 63 geleitet. Die Auslenkung xm wird mit Hilfe des lineare Filters 65 entsprechend Gl. (2) aus dem Signal w(t) erzeugt und über den Quadrierer 67 und einem anschließenden steuerbaren Verstärker 69 zu dem zweiten Eingang des Addierers 63 geleitet. Diese Teilschaltung kompensiert die Verzerrungen zweiter Ordnung, die durch den Koeffizienten k1 der auslenkungsabhängigen Steifigkeit k(x) verursacht werden.in power series broken off according to the quadratic term, the coefficients in Eq. (3) and the linear parameters m, R m as the free parameters of the control system and the elements of the parameter vector P. The variable transfer function of the control system is realized with the help of controllable amplifiers, the gain factor of each individual amplifier being determined by a control parameter. Fig. 3 shows the setting of the control parameter k 1 in detail. For reasons of clarity, the other parameters, which are set in the same way, have been omitted. The electrical signal w (t) at the signal input 13 is amplified by the factor b 0 with the aid of the amplifier 61 and passed to the first input of the adder 63 . The deflection x m is determined using the linear filter 65 in accordance with Eq. (2) generated from the signal w (t) and passed via the squarer 67 and a subsequent controllable amplifier 69 to the second input of the adder 63 . This subcircuit compensates for the second-order distortions caused by the coefficient k 1 of the deflection-dependent stiffness k (x).
Ein Parameterschätzwert k1 am Eingang 71, welcher ein Bestandteil des Parametervektors am Parametervektoreingangs 24 in Abb. 2 ist, wird über einen Parametertransformer 73 zu dem Steuereingang des steuerbaren Verstärkers 69 geleitet. Der Parametertransformer 73 leitet aus dem Wandlerparameter einen entsprechenden Steuerparameter ab, der das gewünschte Übertragungsverhalten zwischen dem Eingangssignal w(t) und dem mechanischen oder akustischen Ausgangssignal erzeugt. Um zum Beispiel das Gesamtsystem zu linearisieren, muß der Verstärkungsfaktor des steuerbaren Verstärkers 69 dem Wandlerparameter k1 entsprechen. Darüberhinaus überprüft der Parametertransformer 73 den Wert des geschätzten Wandlerparameters auf physikalische Plausibilität und speichert den geschätzten Parameter. Dadurch verhält sich das Steuerungssystem robust und verbleibt beim Ausfall des Parameterdetektors funktionstüchtig.A parameter estimated value k 1 at the input 71 , which is a component of the parameter vector at the parameter vector input 24 in FIG. 2, is passed via a parameter transformer 73 to the control input of the controllable amplifier 69 . The parameter transformer 73 derives a corresponding control parameter from the converter parameter, which generates the desired transmission behavior between the input signal w (t) and the mechanical or acoustic output signal. For example, in order to linearize the overall system, the gain factor of the controllable amplifier 69 must correspond to the converter parameter k 1 . In addition, the parameter transformer 73 checks the value of the estimated converter parameter for physical plausibility and stores the estimated parameter. As a result, the control system behaves robustly and remains functional if the parameter detector fails.
Das statische, nichtlineare System 75 und der Addierer 77 kompensieren die Verzerrungen höherer Ordnung, die durch die nichtlineare Steifheit k(x) verursacht werden. Die Kompensation des nichtlinearen Kraftfaktors b(x) wird entsprechend Gl. (1) durch Benutzung des statischen, nichtlinearen Systems 79, des Multiplizierers 81 und des Addierers 83 realisiert. Abb. 3 zeigt die Übertragung des Wandlerparameters k1 vom Parameterschätzerausgang 53 sowohl zu dem Parametereingang 55 der Fehlerschaltung 31 als auch über den Parameterausgang 57 zu dem Parametereingang 71.The static nonlinear system 75 and adder 77 compensate for higher order distortions caused by the nonlinear stiffness k (x). The compensation of the non-linear force factor b (x) is according to Eq. (1) Realized by using the static nonlinear system 79 , the multiplier 81 and the adder 83 . Fig. 3 shows the transmission of the converter parameter k 1 from the parameter estimator output 53 both to the parameter input 55 of the error circuit 31 and via the parameter output 57 to the parameter input 71 .
Abb. 4 zeigt die Ausführung der Fehlerschaltung 31 und des Parameterschätzers 34 im einzelnen. Das Steuerausgangssignal z(t) wird über einen Fehlerschaltungseingang 35 zu einem Verstärker 59 geleitet, der eine hohe Ausgangsimpedanz hat. Dieser Verstärker verwandelt das Steuersignal z(t) in einen Strom i(t), der zu dem Wandler geleitet wird. Die Spannung u(t) zwischen den Wandlerklemmen entspricht der momentanen elektrischen Eingangsimpedanz des Wandlers. Fig. 4 shows the execution of the error circuit 31 and the parameter estimator 34 in detail. The control output signal z (t) is passed via an error circuit input 35 to an amplifier 59 which has a high output impedance. This amplifier converts the control signal z (t) into a current i (t), which is passed to the converter. The voltage u (t) between the converter terminals corresponds to the current electrical input impedance of the converter.
Die Fehlerschaltung 31 enthält einen Differenzverstärker 57, dessen erster Eingang die Klemmenspannung u(t) und dessen zweiter Eingang die geschätzte Spannung û(t) erhält. Der Ausgang des Differenzverstärkers 57 erzeugt das Fehlersignal e(t) = û(t) - u(t), das an den Felderausgang 41 geleitet wird. The error circuit 31 contains a differential amplifier 57 , the first input of which receives the terminal voltage u (t) and the second input of which the estimated voltage û (t). The output of the differential amplifier 57 generates the error signal e (t) = û (t) - u (t), which is sent to the field output 41 .
Die Fehlerschaltung schätzt die Spannung
The fault circuit estimates the voltage
aus der geschätzten Auslenkung
from the estimated displacement
wobei Re der Schwingspulenwiderstand und Le(x) die auslenkungsabhängige Induktivität der Schwingspule sind. Dieser Teil der Fehlerschaltung hat eine veränderbare Übertragungscharakteristik zwischen dem Strom i(t) = z(t) und der geschätzten Spannung û(t) abhängig von den Wandlerparametern, die im Vektor P enthalten sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit zeigt Abb. 4 nur die Schätzung des Koeffizienten k1. Das gleiche Prinzip wurde auch auf die verbleibenden Elemente des Parametervektors P angewendet. Die Fehlerschaltung ergibt sich aus Gl. (4) und enthält einen Verstärker 89 mit dem Verstärkungsfaktor Re, ein statisches nichtlineares System 91 mit der Übertragungsfunktion Le(x), einen Multiplizierer 93, einen Differenzierer 95, einen Addierer 97, ein statisches nichtlineares System 99 mit der Übertragungsfunktion b(x), einen Differenzierer 101, einen Multiplizierer 103 und einen Addierer 105. Die geschätzte Spannung û(t) an dem Ausgang des Addierers 105 wird zu dem Differenzverstärker 57 geleitet. Die Auslenkung xD wird entsprechend Gl. (5) ebenfalls aus dem Strom i(t) unter Benutzung eines Multiplizierers 107, eines Addierers 109, eines statischen nichtlinearen Systems 111, eines Quadrierers 113, eines steuerbaren Amplifieres 115, eines Addierers 117 und eines linearen Filters 119 mit der Übertragungsfunktion HG(s) = 1/(ms2 + Rms + k(0)) geschätzt.where R e is the voice coil resistance and L e (x) are the displacement-dependent inductance of the voice coil. This part of the error circuit has a variable transmission characteristic between the current i (t) = z (t) and the estimated voltage û (t) depending on the converter parameters that are contained in the vector P. For reasons of clarity, Fig. 4 only shows the estimate of the coefficient k 1 . The same principle was applied to the remaining elements of the parameter vector P. The fault circuit results from Eq. (4) and includes an amplifier 89 with the gain factor R e, a static non-linear system 91b with the transfer function L e (x), a multiplier 93, a differentiator 95, an adder 97, a static non-linear system 99 with the transfer function ( x), a differentiator 101 , a multiplier 103 and an adder 105 . The estimated voltage û (t) at the output of adder 105 is passed to differential amplifier 57 . The deflection x D is calculated according to Eq. (5) also from the current i (t) using a multiplier 107 , an adder 109 , a static nonlinear system 111 , a squarer 113 , a controllable amplifier 115 , an adder 117 and a linear filter 119 with the transfer function H G ( s) = 1 / (ms 2 + R m s + k (0)) estimated.
Der steuerbare Amplifierer 115 besitzt einen Steuereingang, der mit dem geschätzten Parameter k1 vom Parametereingang 55 (Bestandteil des Parametervektoreingangs 45 von Abb. 2) gespeist wird. Der Ausgang des Quadrieres 113 ist ebenfalls mit dem Eingang des linearen Filters 123 mit der Übertragungsfimktion HG(s)s verbunden. Der Multiplizierer 124 multipliziert das Ausgangssignal des Filters 123 mit dem Ausgangssignal des statischen nichtlinearen Systems 99 und erzeugt das Gradientensignal sk1, das zu dem Ausgang 126 (Bestandteil des Gradientenvektorausgangs 43 in Abb. 2) geleitet wird.The controllable amplifier 115 has a control input which is fed with the estimated parameter k 1 from the parameter input 55 (part of the parameter vector input 45 from FIG. 2). The output of the square 113 is also connected to the input of the linear filter 123 with the transfer function H G (s) s. The multiplier 124 multiplies the output signal of the filter 123 by the output signal of the static nonlinear system 99 and generates the gradient signal s k1 , which is passed to the output 126 (part of the gradient vector output 43 in FIG. 2).
Die Parameterschätzer 33 in Abb. 2 bestimmt das Minimum des mittleren
quadratischen Fehlers
The parameter estimator 33 in Fig. 2 determines the minimum of the mean square error
abhängig von den Parametervektor P.depending on the parameter vector P.
Beginnend mit einer ersten Schätzung des Parametervektors P erfolgt die nächste
Schätzung des Parametervektors mit Hilfe der rekursiven Rechenvorschrift
Starting with a first estimate of the parameter vector P, the next estimate of the parameter vector is carried out with the aid of the recursive calculation rule
die zu dem bekannten adaptiven Gradientenalgorithmus führt. Zur Schätzung des Parame ters k1 entsprechend Gl. (7) enthält der Parameterschätzer 34 in Abb. 4 (Bestandteil des Pa rameterschätzers 33 in Abb. 2) einen Multiplizierer 127 und einen Integrierer 129. Der Multiplizierer 127 verknüpft das Fehlersignal e(t) und das Gradientensignal sk1 = ∂û(t)/∂k1 vom Gradienteneingang 49. Der Integrierer bestimmt entsprechend dem bekannten LMS Algorithmus aus dem Multipliziererausgangssignal den Parameterschätzwert k1, der zu dem Parameterausgang 53 geleitet wird. Ist die Amplitude des Fehlers minimal, so ist der Detek tor optimal an den Wandler angepaßt und liefert den optimalen Schätzwert für den Wand lerparameter k1 (Bestandteil des Vektors P) und der momentanen Zustandssignale (Auslenkung xD, Klemmenspannung û) des Wandlers.which leads to the known adaptive gradient algorithm. To estimate the parameter k 1 according to Eq. (7), the parameter estimator 34 in FIG. 4 (part of the parameter estimator 33 in FIG. 2) contains a multiplier 127 and an integrator 129 . The multiplier 127 combines the error signal e (t) and the gradient signal sk 1 = ∂û (t) / ∂k 1 from the gradient input 49 . In accordance with the known LMS algorithm, the integrator determines the parameter estimated value k 1 from the multiplier output signal, which is passed to the parameter output 53 . If the amplitude of the error is minimal, the detector is optimally adapted to the converter and provides the optimal estimate for the converter parameter k 1 (component of the vector P) and the current status signals (deflection x D , terminal voltage û) of the converter.
Abb. 5 zeigt eine zweite Ausführung der Erfindung. Das Steuerungssystem 16 ent spricht dem Steuerungssystem 15 in Abb. 2, enthält jedoch einen zusätzlichen Steuerzu standsvektorausgang 28 und einen Wandlerzustandsvektoreingang 30. Die Fehlerschaltung 26 entspricht der Fehlerschaltung 31 in Abb. 2, enthält jedoch einen zusätzlichen Steuer zustandsvektoreingang 32, der mit dem Steuerzustandsvektorausgang 28 verbunden ist, und einen Wandlerzustandsvektorausgang 34, der mit dem Wandlerzustandsvektoreingang 30 verbunden ist. Die Übergabe des Zustandsvektors SC des Steuerungssystems in die Feh lerschaltung 31 erlaubt eine Modifikation der Parameterschätzung. Die Substitution des Stromes in den Gln. (4) und (5) durch Gl. (1) und die Berechnung der partiellen Ableitung entsprechend Gl. (7) nach dem Parametervektor P führt zu dem Gradientenvektor SG, der sowohl von dem Zustand der Detektorschaltung als auch von dem Zustand des Steue rungssystems abhängig ist. Der Gradientenvektor SG wird dem Gradientenvektoreingang 49 des Parameterschätzers 33 übergeben. Auch in dieser zweiten Ausführung der Erfindung werden die Parameter des Steuerungssystems und der Detektorschaltung in einem System gemeinsam geschätzt. Das garantiert Stabilität im Gesamtsystem und optimale Konvergenz in der Parameterschätzung. Fig. 5 shows a second embodiment of the invention. The control system 16 corresponds to the control system 15 in FIG. 2, but contains an additional control status vector output 28 and a converter status vector input 30 . The error circuit 26 corresponds to the error circuit 31 in FIG. 2, but contains an additional control state vector input 32 , which is connected to the control state vector output 28 , and a converter state vector output 34 , which is connected to the converter state vector input 30 . The transfer of the state vector S C of the control system into the error circuit 31 allows a modification of the parameter estimate. The substitution of the current in Eqs. (4) and (5) by Eq. (1) and the calculation of the partial derivative according to Eq. (7) after the parameter vector P leads to the gradient vector S G , which is dependent both on the state of the detector circuit and on the state of the control system. The gradient vector S G is transferred to the gradient vector input 49 of the parameter estimator 33 . In this second embodiment of the invention, too, the parameters of the control system and the detector circuit are estimated together in one system. This guarantees stability in the overall system and optimal convergence in the parameter estimation.
Das Steuerungssystem 16 in Abb. 5 verwendet an Stelle des Spiegelfilters die Methode der Linearisierung mit Hilfe statischer Zustandsrückkopplung. Hierzu besitzt das Steuerungssystem 16 einen zusätzlichen Wandlerzustandsvektoreingang 30, der mit dem in der Detektorschaltung 26 geschätzten Zustandsvektor ST (z. B. Auslenkung xD) vom Wandlerzustandsvektorausgang 34 versorgt wird. Das Steuergesetz des Steuerungssystems 16 entspricht der Gl. (1) des Spiegelfilters, aber es benutzt anstelle der synthetisierten Aus lenkung xm die von der Fehlerschaltung geschätzte Auslenkung xD entsprechend Gl. (5).The control system 16 in FIG. 5 uses the method of linearization instead of the mirror filter with the aid of static status feedback. For this purpose, the control system 16 has an additional converter state vector input 30 , which is supplied with the state vector S T (eg deflection x D ) estimated in the detector circuit 26 from the converter state vector output 34 . The tax law of the control system 16 corresponds to Eq. (1) of the mirror filter, but instead of the synthesized deflection x m , it uses the deflection x D estimated by the error circuit in accordance with Eq. (5).
Abb. 6 zeigt eine dritte Ausführung der Erfindung bestehend aus dem Parame
terdetektor 17 und dem Wandler 19 entsprechend Abb. 2 und einem modifizierten
Steuerungssystem 133. Das modifizierte Steuerungssystem enthält eine nichtlineare
Steuerschaltung 149, einen Addierer 151 und eine Positionssteuerschaltung 143. Die
Steuerschaltung 149 entspricht dem Steuerungssystem 15 in Abb. 3 und wird mit dem
Parametervektor P über den Eingang 139 gesteuert. Die Positionssteuerschaltung 143
wird über den Eingang 153 ebenfalls mit dem Parametervektor P versorgt und erzeugt
ein Gleichspannungssignal Woffset, das mit Hilfe des Addierers 151 zum elektrischen
Eingangssignal w(t) addiert wird. Diese Anordnung verschiebt die Ruheposition der
Schwingspule in das Minimum der Steifigkeitskennlinie k(x) oder zum Maximum der
Kraftfaktorkennlinie b(x) und reduziert dadurch die nichtlinearen Verzerrungen, ver
bessert die Stabilität und den Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Um die Ruheposition
der Schwingspule beispielsweise in das Minimum der Steifigkeitskennlinie zu bewegen,
erzeugt die Positionssteuerschaltung das Signal
Fig. 6 shows a third embodiment of the invention consisting of the parameter detector 17 and the converter 19 corresponding to Fig. 2 and a modified control system 133 . The modified control system includes a non-linear control circuit 149 , an adder 151, and a position control circuit 143 . The control circuit 149 corresponds to the control system 15 in FIG. 3 and is controlled with the parameter vector P via the input 139 . The position control circuit 143 is also supplied with the parameter vector P via the input 153 and generates a DC voltage signal W offset , which is added to the electrical input signal w (t) with the aid of the adder 151 . This arrangement shifts the rest position of the voice coil to the minimum of the stiffness curve k (x) or to the maximum of the force factor curve b (x) and thereby reduces the nonlinear distortions, improves the stability and efficiency of the overall system. In order to move the rest position of the voice coil into the minimum of the stiffness characteristic, for example, the position control circuit generates the signal
mit Hilfe der geschätzten Wandlerparameter im Parametervektors P.using the estimated converter parameters in the parameter vector P.
Abb. 7 zeigt eine dritte Ausführung der Erfindung, die die Erwärmung der Schwingspule bei der Steuerung des Wandlers berücksichtigt. Diese Anordnung enthält ebenfalls ein Steuerungssystem 161, einen Parameterdetektor 163 und einen Wandler 19. Wird der Wandler von einem Verstärker mit niedriger Ausgangsimpedanz gespeist (normale Spannungspeisung), dann haben temperaturbedingte Veränderungen des Schwingspulenwiderstands erheblichen Einfluß auf die Übertragungscharakteristik des Wandlers. Das Steuerungssystem 15 in Abb. 2 kann die Abhängigkeit des Widerstan des Re von der Schwingspulentemperatur T nur dann berücksichtigen, wenn der Para meterdetektor 17 ständig aktiviert ist und der momentane Widerstand Re(t) des Wand lers im Parametervektor P dem Steuerungssystem übergeben wird. Fig. 7 shows a third embodiment of the invention, which takes into account the heating of the voice coil when controlling the converter. This arrangement also includes a control system 161 , a parameter detector 163 and a converter 19 . If the converter is fed by an amplifier with a low output impedance (normal voltage supply), then temperature-related changes in the voice coil resistance have a considerable influence on the transmission characteristics of the converter. The control system 15 in Fig. 2 can only take into account the dependence of the resistance of the R e on the voice coil temperature T if the parameter detector 17 is constantly activated and the instantaneous resistance R e (t) of the converter in the parameter vector P is transferred to the control system .
Das Steuerungssystem 161 in Abb. 7 simuliert das thermische Verhalten des Wandlers und schätzt den Schwingspulenwiderstand Re(t) aus dem elektrischen Signal z(t) und den thermischen Parametern des Wandlers. Das Steuerungssystem 161 besteht aus einer Steuerschaltung 165 und einem Widerstandsschätzer 167. Die Steuerschal tung 165 basiert auf dem Spiegelfilter für Spannunsspeisung wie im U. S. Patent 5,438,625 offengelegt und besitzt einen zusätzlichen Parametereingang 169 für den mo mentanen Widerstand Re(t). Der Widerstandsschätzer 167 wird mit dem elektrische Steu ersignal z(t) und dem thermischen Widerstand RT vom Parametervektoreingang 171 ver sorgt und erzeugt den elektrischen Widerstand Re(t) der zum Parametereingang 169 geleitet wird.The control system 161 in FIG. 7 simulates the thermal behavior of the converter and estimates the voice coil resistance R e (t) from the electrical signal z (t) and the thermal parameters of the converter. The control system 161 consists of a control circuit 165 and a resistance estimator 167 . The control circuit 165 is based on the mirror filter for voltage supply as disclosed in US Pat. No. 5,438,625 and has an additional parameter input 169 for the current resistance R e (t). The resistance estimator 167 is provided with the electrical control signal z (t) and the thermal resistance R T from the parameter vector input 171 and generates the electrical resistance R e (t) which is passed to the parameter input 169 .
Der Parameterdetektor 163 enthält eine Schaltung 179, die mit dem Parameterde tektor 17 in Abb. 2 identisch ist. Der Parameterausgang 176 ist Bestandteil des Para metervektorausgangs 29 in Abb. 2 und stellt den aus den elektrischen Klemmensigna len gemessenen Schwingspulenwiderstand bereit. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die weitereren Elemente des Parametervektors P und ihre Übergabe in das Steuer system 165 in Abb. 7 nicht dargestellt. Der Parameterdetektor enthält neben der Schaltung 179 einen Widerstandsschätzer 173, der mit dem Widerstandsschätzer 167 identisch ist, ei nen Differenzversstärker 175 und einen Integrierer 177. Der Widerstandsschätzer 173 wird mit dem elektrischen Steuersignal z(t) und dem thermischen Widerstand RT gespeist und schätzt den momentanen Widerstand Re(t). Der geschätzte elektrische Widerstand wird mit dem von der Schaltung 179 gemessenen elektrischen Widerstand mit Hilfe des Differenzverstärkers 175 verglichen und der thermische Widerstand RT mit Hilfe des Integrierers 177 aus der Differenz des geschätzten und gemessenen Schwingspulenwi derstandes bestimmt. Der thermische Widerstand RT wird sowohl zum Eingang 197 des Widerstandsschätzers 173 als auch über den Parameterausgang 179 zum Wider standsschätzer 167 im Steuerungssystem 161 geleitet.The parameter detector 163 contains a circuit 179 which is identical to the parameter detector 17 in FIG. 2. The parameter output 176 is part of the parameter vector output 29 in FIG. 2 and provides the voice coil resistance measured from the electrical terminal signals. For reasons of clarity, the further elements of the parameter vector P and their transfer to the control system 165 were not shown in FIG. 7. In addition to the circuit 179 , the parameter detector contains a resistance estimator 173 , which is identical to the resistance estimator 167 , a differential amplifier 175 and an integrator 177 . The resistance estimator 173 is fed with the electrical control signal z (t) and the thermal resistance R T and estimates the instantaneous resistance R e (t). The estimated electrical resistance is compared with the electrical resistance measured by the circuit 179 with the aid of the differential amplifier 175 and the thermal resistance R T is determined with the aid of the integrator 177 from the difference between the estimated and measured voice coil resistance. The thermal resistance R T is passed both to the input 197 of the resistance estimator 173 and via the parameter output 179 to the resistance estimator 167 in the control system 161 .
Abb. 8 zeigt den Widerstandsschätzer 173 in detaillierter Darstellung. Das
Steuersignal z(t) am Eingang 181 entspricht der Klemmenspannung u(t) des Wandlers
in normaler Spannungsspeisung. Das Filter 183 bestimmt aus der Klemmenspannung
den Eingangsstrom i(t) des Wandlers. Ein Multiplizierer 185, der mit den elektrischen
Signalen u(t) und i(t) versorgt wird, schätzt die im Wandler in Wärme umgesetzte Lei
stung PD. Der Integrierer 187 und der Amplifier 189 bestimmen die Erhöhung der
Schwingspulentemperatur
Fig. 8 shows the resistance estimator 173 in a detailed representation. The control signal z (t) at input 181 corresponds to the terminal voltage u (t) of the converter in normal voltage supply. The filter 183 determines the input current i (t) of the converter from the terminal voltage. A multiplier 185 , which is supplied with the electrical signals u (t) and i (t), estimates the power P D converted into heat in the converter. The integrator 187 and the amplifier 189 determine the increase in the voice coil temperature
aus der Leistung PD und den thermischen Parametern des Wandler (thermische
Kapazität CTB und thermischer Widerstand RT). Der nachfolgende Verstärker 191 und
der Addierer 193 erzeugen aus der Temperaturerhöhung den elektrischen Widerstand
from the power P D and the thermal parameters of the converter (thermal capacity C TB and thermal resistance R T ). The subsequent amplifier 191 and the adder 193 generate the electrical resistance from the temperature increase
Re(T) = Re(T0)[1 + α ΔT] (10)
R e (T) = R e (T 0 ) [1 + α ΔT] (10)
wobei α = 3.9.10-3 (für Kupferdraht) und Re(T0) der Schwingspulenwiderstand bei Raumtemperatur ist.where α = 3.9.10-3 (for copper wire) and R e (T 0 ) is the voice coil resistance at room temperature.
Die Erfindung wurde am Beispiel eines diskreten, analogen Schaltungsnetzwer kes ausgeführt. Der heutige Stand der Technik erlaubt es, dieses Steuerungssystem ebenfalls in einem digitalen Signalprozessorsystem zu implementieren.The invention was based on the example of a discrete, analog circuit network kes executed. The current state of the art allows this control system also to be implemented in a digital signal processor system.
Claims (16)
das Steuerungssystem einer Signaleingang, einen Signalausgang und einen Parametervektoreingang besitzt, das elektrische Eingangssignal zum Signaleingang geführt wird, der Parametervektoreingang mit einem oder mehreren Parameterwerten versorgt wird und am Signalausgang ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird; und
der Parameterdetektor einen Detektoreingang, zwei Detektorausgänge und einen Parametervektorausgang besitzt, der Detektoreingang mit dem Signalausgang verbunden ist, die Detektorausgänge mit den elektrischen Anschlüssen des Wandlers verbunden sind und an dem Parametervektorausgang zumindest ein Parameterwert ständig oder zu bestimmten Zeitpunkten zu dem Parametervektoreingang des Steuerungssystems geleitet wird, wobei dieser Parameterwert ein geschätzter Parameter eines Lautsprechermodelles oder eine davon abgeleitete Größe ist.1. An arrangement for converting an electrical input signal into a mechanical or acoustic output signal using a converter and an electrical circuit for compensating the signal distortions of the converter, for realizing a desired transmission behavior between the electrical input signal and the mechanical or acoustic output signal and for automatically adapting the electrical circuit to the converter, characterized in that the circuit contains a control system and a parameter detector, wherein
the control system has a signal input, a signal output and a parameter vector input, the electrical input signal is fed to the signal input, the parameter vector input is supplied with one or more parameter values and an electrical output signal is generated at the signal output; and
the parameter detector has a detector input, two detector outputs and a parameter vector output, the detector input is connected to the signal output, the detector outputs are connected to the electrical connections of the converter and at least one parameter value is routed to the parameter vector output continuously or at certain times to the parameter vector input of the control system, this parameter value being an estimated parameter of a speaker model or a quantity derived therefrom.
die Fehlerschaltung einen Fehlerschaltungseingang, einen Fehlerschaltungsausgang, einen Parametereingang, einen Gradientenvektorausgang und einen Fehlerausgang besitzt, wobei der Fehlerschaltungseingang mit dem Detektoreingang, die Fehlerschaltungsausgänge mit den entsprechenden Detektorausgängen jeweils verbunden sind, der Parametereingang einen oder mehrere Parameterwerte erhält, der Gradientenvektorausgang einen oder mehrere Gradientensignale bereitstellt und der Fehlerausgang ein Fehlersignal produziert; und
der Parameterschätzer einen Gradientenvektoreingang besitzt, der mit dem Gradientenvektorausgang verbunden ist, einen Fehlereingang, der mit dem Fehlerausgang, verbunden ist und einen Parameterschätzerausgang, der sowohl mit dem Parametervektorausgang als auch mit dem Parametereingang verbunden ist, und der Parameterschätzer mindestens einen Parameterwert durch Minimierung der Amplitude des Fehlersignals bestimmt.9. Arrangement according to claim 8, characterized in that the parameter detector contains an error circuit and a parameter estimator, wherein
the error circuit has an error circuit input, an error circuit output, a parameter input, a gradient vector output and an error output, the error circuit input being connected to the detector input, the error circuit outputs each being connected to the corresponding detector outputs, the parameter input receiving one or more parameter values, the gradient vector output providing one or more gradient signals and the error output produces an error signal; and
the parameter estimator has a gradient vector input that is connected to the gradient vector output, an error input that is connected to the error output, and a parameter estimator output that is connected to both the parameter vector output and the parameter input, and the parameter estimator has at least one parameter value by minimizing the amplitude of the error signal determined.
der Monitor zur Messung eines elektrischen Signals an den Klemmen des Wandlers einen Monitoreingang, der mit dem Fehlerschaltungseingang verbunden ist, zwei Monitorausgänge, die jeweils mit den Fehlerschaltungsausgängen verbunden sind, und einen Meßausgang besitzt;
der Schätzer einen Schätzereingang, einen Schätzerparametereingang, der mit dem Parametereingang der Fehlerschaltung verbunden ist, einen Schätzergradientenvektorausgang, der mit dem Gradientenvektorausgang verbunden ist, und einen Schätzerausgang besitzt, der Schätzer ein veränderliches Übertragungsverhalten zwischen dem Schätzereingang und dem Schätzerausgang aufweist, das von den Parameterwerten am Schätzerparametereingang bestimmt wird;
und der Differenzverstärker einen ersten und einen zweiten Differenzverstärkereingang und einen Differenzverstärkerausgang besitzt, der Schätzerausgang mit dem ersten Differenzverstärkereingang, der Meßausgang mit dem zweiten Differenzverstärkereingang und der Differenzverstärkerausgang mit dem Fehlerausgang verbunden ist.10. The arrangement according to claim 9, characterized in that the error circuit includes a monitor, an estimator and a differential amplifier, wherein
the monitor for measuring an electrical signal at the terminals of the converter has a monitor input which is connected to the error circuit input, two monitor outputs which are each connected to the error circuit outputs, and a measurement output;
the estimator has an estimator input, an estimator parameter input, which is connected to the parameter input of the error circuit, an estimator gradient vector output, which is connected to the gradient vector output, and an estimator output, the estimator has a variable transmission behavior between the estimator input and the estimator output, which depends on the parameter values on Estimator parameter input is determined;
and the differential amplifier has a first and a second differential amplifier input and a differential amplifier output, the estimator output is connected to the first differential amplifier input, the measuring output is connected to the second differential amplifier input and the differential amplifier output is connected to the error output.
die Positionskorrekturschaltung einen Eingang besitzt, der mit dem Parametervektoreingang verbunden ist und einen Ausgang besitzt, an dem das optimale Positionskorrektursignal bereitgestellt wird;
der Addierer zwei Eingänge und einen Signalausgang besitzt, der Eingang der Steuerschaltung mit dem ersten Eingang des Addierers verbunden ist, und der Ausgang der Positionskorrekturschaltung mit dem zweiten Eingang des Addierers verbunden ist;
und die nichtlineare Schaltung einen Eingang und einen Ausgang besitzt, der Ausgang des Addierers mit dem Eingang der nichtlinearen Schaltung verbunden ist und der Ausgang der nichtlinearen Schaltung mit dem Ausgang der Steuerschaltung verbunden ist.14. The arrangement according to claim 1, characterized in that the control circuit for correcting the rest position of the voice coil includes an adder, a non-linear circuit and a position correction circuit, wherein
the position correction circuit has an input which is connected to the parameter vector input and has an output at which the optimal position correction signal is provided;
the adder has two inputs and a signal output, the input of the control circuit is connected to the first input of the adder, and the output of the position correction circuit is connected to the second input of the adder;
and the non-linear circuit has an input and an output, the output of the adder is connected to the input of the non-linear circuit and the output of the non-linear circuit is connected to the output of the control circuit.
Umwandlung des elektrischen Eingangssignals in ein vorverzerrtes elektrisches Signal mit Hilfe einer eindeutigen Transformationsvorschrift, die durch mindestens einen Steuerparameter veränderbar ist;
Umwandlung des vorverzerrten elektrischen Signals in ein mechanisches oder akustisches Ausgangssignal mit Hilfe eines Wandlers;
Messung eines zweiten elektrischen Signals an den elektrischen Eingangsklemmen des Wandlers, wobei sich das zweite elektrische Signal von dem vorverzerrten elektrischen Signal unterscheidet;
Beschreibung des Zusammenhangs zwischen dem vorverzerrten elektrischen Signal und dem gemessenen zweiten elektrischen Signal mit Hilfe eines Wandlermodelles, das freie Modellparameter besitzt;
Schätzung optimaler Modellparameter, so daß das Wandlermodell mit den optimalen Modellparametern den Zusammenhang zwischen dem vorverzerrten elektrischen Signal und dem gemessenen zweiten elektrischen Signal möglichst genau beschreibt;
Berechnung mindesten eines optimalen Steuerparameters aus den optimalen Modellparametern unter Benutzung des physikalischen Zusammenhangs zwischen Transformationsvorschrift und Wandlermodell und der gewünschten Beziehung zwischen dem elektrischen Eingangssignal und dem mechanischen oder akustischen Ausgangssignal, wobei diese Berechnung ständig oder zu bestimmten Zeitpunkten ausgeführt wird;
Verwendung des optimalen Steuerparameters bei der Umwandlung des elektrischen Eingangssignals in das vorverzerrte elektrische Signal.16. A method of converting an electrical input signal into a mechanical or acoustic output signal using the following steps
Converting the electrical input signal into a pre-distorted electrical signal with the aid of a unique transformation regulation which can be changed by at least one control parameter;
Converting the predistorted electrical signal into a mechanical or acoustic output signal using a converter;
Measuring a second electrical signal at the electrical input terminals of the converter, the second electrical signal differing from the predistorted electrical signal;
Description of the relationship between the predistorted electrical signal and the measured second electrical signal with the aid of a converter model which has free model parameters;
Estimation of optimal model parameters so that the converter model with the optimal model parameters describes the relationship between the predistorted electrical signal and the measured second electrical signal as precisely as possible;
Calculation of at least one optimal control parameter from the optimal model parameters using the physical relationship between the transformation regulation and the converter model and the desired relationship between the electrical input signal and the mechanical or acoustic output signal, this calculation being carried out continuously or at specific times;
Use of the optimal control parameter when converting the electrical input signal into the predistorted electrical signal.
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