一种飞行器动导数试验数据处理方法技术

本发明专利技术公开了一种飞行器动导数试验数据处理方法，应用于飞行器试验数据处理领域，包括：获得截短信号；对截短信号中的第一力矩信号和第一角位移信号进行直流分量滤除处理获得第二力矩信号和第二角位移信号；对第二力矩信号和第二角位移信号进行处理获得第二力矩信号中第1次谐波分量的第一幅值估计值和第一初相位估计值，以及第二角位移信号中第1次谐波分量的第二幅值估计值和第二初相位估计值；基于第一初相位估计值和第二初相位估计值获得相位差；基于相位差、第一幅值估计值和第二幅值估计值计算获得气动俯仰阻尼力矩导数和气动俯仰恢复力矩导数；本方法可以有效的去除噪声影响，提高气动俯仰阻尼力矩导数和气动俯仰恢复力矩导数的准确性。仰恢复力矩导数的准确性。仰恢复力矩导数的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行器动导数试验数据处理方法


[0001]本专利技术飞行器试验数据处理领域，具体地，涉及一种飞行器动导数试验数据处理方法。

技术介绍

[0002]动导数是飞行器动态气动特性的表征参数，也是飞行器控制系统设计和飞行器品质分析的重要参数，控制系统设计通常以动导数为基础确定增益系数，动导数直接决定了飞行器开环系统受到扰动时振荡的敛散特性，飞行器闭环系统的稳定性不仅取决于气动稳定性，更主要与控制系统相关，控制系统可以通过姿态面和角速率的反馈来改变系统的稳定性。快速准确预测动导数对于飞行器的设计与安全至关重要。获取飞行器动导数的方法主要有理论计算、数值模拟和风洞试验。理论方法效率高，但是适用范围狭窄，精度通常不高，数值模拟方法效率，但是对算法依赖程度高，通常需要风洞试验数据进行校验。因此，试验模拟对飞行器动导数的预测依然具有重要的作用，风洞试验测试过程中收到环境干扰较多，风洞试验的数据处理依然是获取准确获取动导数的核心技术。在飞行器小攻角、附着流的情况下，飞行器的动导数可以通过工程计算的方法获得，但是随着攻角范围的扩大和飞行器外形的复杂化，使得动导数在一定程度上取决于流动分离、涡的形成和破碎等原因。对动态情况下流动分离、涡的形成、破碎等利用数值的方法对其模拟较为困难。动导数风洞试验常用自由振动法和强迫振动法。强迫振动法是强迫模型在一个或者多个自由度下作固定频率的简谐振动（转动或者平移）。强迫振动法通常工作于远离模型天平系统的共振区，其中频率和振幅可分别调整，可进行动不稳定试验。试验时迎角和侧滑角的改变通过风洞转盘转角和支杆转动角组合机构进行实现。可实现四个方向自由度包括绕模型三个体轴的转动和法向的移动。简谐振荡运动通过直流伺服电机驱动，电机转动通过减速器传动到曲柄，曲柄转动带动连杆上下移动改变摆杆与垂直方向的角度，从而实现飞机俯仰振荡。
[0003]模型作单自由度俯仰强迫振动时，其振动微分方程为：
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(1)式（1）中，为绕穿过质心的俯仰轴转动惯量，为模型的角位移，和分别为角位移的一阶导数和二阶导数，和分别为振动系统已知的机械阻尼和弹性常数，为已知振动频率，为振动时间，为自然底数，为虚数单位，为外加强迫振动力矩值，和分别为气动俯仰阻力力矩导数和恢复力矩导数，是动导数试验最终需要获取的值。
[0004]通过求解微分方程，可得到和。
[0005]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)可见，强迫振动动导数试验数据处理的关键是获取施加的外加力矩振幅，角位移振幅，以及二者的初相位差。
[0006]通过采样，可将力矩信号和角位移信号分别表示为： (3)式（3）中，、、和、和分别表示力矩信号和角位移信号的直流分量、第1次谐波分量和第m次谐波分量的幅值；和分别表示力矩信号第1次谐波分量和第m次谐波分量的初相位，、和分别表示角位移信号第1次谐波分量、第m次谐波分量和频偏分量的初相位；表示频偏分量，为频偏分量幅值，为频率偏移量；和分别表示力矩信号和角位移信号谐波分量次数，，和分别表示采样时刻点和采样长度；和分别是均值为0，方差为的加性高斯白噪声，且二者间相互独立。
[0007]通过式(2)可知，只需要计算出力矩信号和角位移信号第1次谐波的幅值和相位差，即可求得动导数值。目前，针对动导数试验数据，主要有几类处理方法：第一类：傅里叶变换法，直接对力矩信号和角位移信号进行傅里叶变换，得到其幅值和初相位。该方法步骤简单，易于实现，但受噪声和谐波影响大，精度有待提高。
[0008]第二类：延时相关法，根据已知的振动频率，直接对信号进行延时，实现采样信号90度相移。在实际使用时，由于驱动电机随机失步影响，角位移信号容易发现频率偏移，该方法不具备抗频率偏移能力，直接使用会引起移相误差，降低动导数计算精度。
[0009]第三类：Hilbert和相关法结合的方法，首先通过带通滤波器抑制噪声和谐波的影响，再利用Hilbert和相关法得到信号主频分量幅值和初相位。由于滤除谐波不彻底，残余谐波会产生频谱泄漏，影响幅值和初相位的估计精度，且该方法不适用于频率偏移较小的情况。更重要的是，上述方法均没有考虑谐波分量的次数，无法准确的抑制谐波影响，降低了幅值和初相位的估计精度，从而影响动导数试验数据处理精度。
[0010]传统的风洞试验数据动导数处理方法可以分析数据得到动导数，但是依然面临精度不高、处理过程复杂和效率低等问题。

技术实现思路

[0011]针对以上问题，本专利技术提出了一种飞行器动导数试验数据处理方法，本方法可以有效去除噪声影响，提取主要的试验参数，提高气动俯仰阻尼力矩导数和气动俯仰恢复力矩导数的准确性。
[0012]为实现上述目的，本专利技术提供了一种飞行器动导数试验数据处理方法，所述方法包括：采集获得采样信号，对所述采样信号进行截短处理获得截短信号；对所述截短信号中的第一力矩信号和第一角位移信号进行直流分量滤除处理，分别获得第二力矩信号和第二角位移信号；对所述第二力矩信号进行分析处理获得所述第二力矩信号中第1次谐波分量的第一幅值估计值和第一初相位估计值；对所述第二角位移信号进行分析处理获得所述第二角位移信号中第1次谐波分量的第二幅值估计值和第二初相位估计值；基于所述第一初相位估计值和所述第二初相位估计值获得相位差；基于所述相位差、所述第一幅值估计值和所述第二幅值估计值分别计算获得气动俯仰阻尼力矩导数和气动俯仰恢复力矩导数。
[0013]为抑制谐波分量和频偏分量频谱泄漏的影响，提高动导数试验数据处理精度，本专利技术提出了上述方法，本方法首先对采样信号进行截短，得到近似的整周期采样信号，并滤除力矩信号和角位移信号中的直流分量；其次，利用相减策略和判断能量占比估计力矩信号谐波次数，通过相减策略、频谱分析和迭代计算等方式得到力矩信号第1次谐波分量精确的幅值和初相位。然后，利用相同思路处理角位移信号，得到角位移信号第1次谐波分量精确的幅值和初相位。最后，根据力矩信号和角位移信号主频率分量的幅值，以及二者间的初相位差值，计算阻尼力矩导数和恢复力矩导数。
[0014]优选的，气动俯仰阻尼力矩导数和气动俯仰恢复力矩导数的计算方式分别为：其中，和分别为气动俯仰阻力力矩导数和恢复力矩导数，为绕穿过质心的俯仰轴转动惯量，和分别为振动系统已知的机械阻尼和弹性常数，为振动频率，为第一幅值估计值，为第二幅值估计值，为相位差。
[0015]优选的，采用以下方式对所述采样信号进行截短处理获得截短信号，目的是对采样信号进行截短，得到截短信号，使截短信号尽量满足整周期采样。
[0016]其中，为截短信号的信号长度，表示最接近的正整数，为正整数，且满足，表示取的绝对值，表示第一阈值，为振动频率。
[0017]优选的，采用以下方式对所述截短信号中的第一力矩信号和第一角位移信号进行
直流分量滤除处理：直流分量滤除处理：其中，为采样时刻点，为截短信号的信号长度，为第一力矩信号，为第一角位移信号，为第二力矩信号，为第二角位移信号，和分别表示第二力矩信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行器动导数试验数据处理方法，其特征在于，所述方法包括：采集获得采样信号，对所述采样信号进行截短处理获得截短信号；对所述截短信号中的第一力矩信号和第一角位移信号进行直流分量滤除处理，分别获得第二力矩信号和第二角位移信号；对所述第二力矩信号进行分析处理获得所述第二力矩信号中第1次谐波分量的第一幅值估计值和第一初相位估计值；对所述第二角位移信号进行分析处理获得所述第二角位移信号中第1次谐波分量的第二幅值估计值和第二初相位估计值；基于所述第一初相位估计值和所述第二初相位估计值获得相位差；基于所述相位差、所述第一幅值估计值和所述第二幅值估计值分别计算获得气动俯仰阻尼力矩导数和气动俯仰恢复力矩导数。2.根据权利要求1所述的飞行器动导数试验数据处理方法，其特征在于，气动俯仰阻尼力矩导数和气动俯仰恢复力矩导数的计算方式分别为：其中，和分别为气动俯仰阻力力矩导数和恢复力矩导数，为绕穿过质心的俯仰轴转动惯量，和分别为振动系统已知的机械阻尼和弹性常数，为振动频率，为第一幅值估计值，为第二幅值估计值，为相位差。3.根据权利要求1所述的飞行器动导数试验数据处理方法，其特征在于，采用以下方式对所述采样信号进行截短处理获得截短信号：其中，为截短信号的信号长度，表示最接近的正整数，为正整数，且满足，表示取的绝对值，表示第一阈值，为振动频率。4.根据权利要求3所述的飞行器动导数试验数据处理方法，其特征在于，采用以下方式对所述截短信号中的第一力矩信号和第一角位移信号进行直流分量滤除处理：
其中，为采样时刻点，为截短信号的信号长度，为第一力矩信号，为第一角位移信号，为第二力矩信号，为第二角位移信号，和分别表示第二力矩信号和第二角位移信号的谐波分量次数，表示第二力矩信号中第m次谐波分量的幅值，表示第二角位移信号中第m次谐波分量的幅值，表示第二力矩信号中第m次谐波分量的初相位，表示第二角位移信号中第m次谐波分量的初相位；为第二角位移信号中频偏分量的幅值，为频率偏移量，表示第二角位移信号中频偏分量的初相位，和分别是均值为0且方差为的加性高斯白噪声。5.根据权利要求1所述的飞行器动导数试验数据处理方法，其特征在于，所述对所述第二力矩信号进行分析处理获得所述第二力矩信号中第1次谐波分量的第一幅值估计值和第一初相位估计值，具体包括：步骤1：计算获得所述第二力矩信号的谐波次数以及所述第二力矩信号中各谐波分量的复幅值；步骤2：基于步骤1的计算结果构造第一参考信号，基于所述第一参考信号和所述第二力矩信号获得第三力矩信号，基于所述第三力矩信号更新第二力矩信号中的每个谐波分量的复幅值；步骤3：对所述步骤2进行多次迭代计算，基于迭代计算结果获得所述第二力矩信号中第1次谐波分量的第一幅值估计值和第一初相位估计值。6.根据权利要求5所述的飞行器动导数试验数据处理方法，其特征在于，所述步骤1具体为按照的顺序依次对所述第二力矩信号进行如下步骤1.1至步骤1.6处理：步骤1.1：构造包括前个谐波分量的第二参考信号；步骤1.2：从所述第二力矩信号中减去所述第二参考信号获得第四力矩信号；步骤1.3：基于所述第四力矩信号和振动频率，计算获得第i次谐波分量的复幅值；步骤1.4：基于步骤1.3获得的第i次谐波分量的复幅值构造第三参考信号，基于所述第三参考信号计算获得第i次谐波分量的第一能量；步骤1.5：计算获得所述第二力矩信号的第二能量，基于所述第一能量和所述第二能量计算获得第i次谐波分量的能量占比，基于第i次谐波分量的能量占比获得前i个谐波分量的能量占比之和；步骤1.6：判断前i个谐波分量的能量占比之和是否大于或等于第二阈值，若是则此时i的取值为所述第二力矩信号的谐波次数。7.根据权利要求6所述的飞行器动导数试验数据处理方法，其特征在于，所述第二力矩信号的第二能量的计算方式为：
其中，为第二能量，为截短信号的信号长度，为采样时刻点，为第二力矩信号。8.根据权利要求6所述的飞行器动导数试验数据处理方法，其特征在于，第i次谐波分量的复幅值的计算方式为：其中，为第i次谐波分量的复幅值，为截短信号的信号长度，为采样时刻点，为第二力矩信号，为振动频率，为自然底数，为虚数单位。9.根据权利要求6所述的飞行器动导数试验数据处理方法，其特征在于，所述第三参考信号为：其中，为第三参考信号，为第i次谐波分量的复幅值，为采样时刻点，为振动频率，为自然底数，为虚数单位，表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏，陈立立，刘春华，吴双，苏欣，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：