CN104635487A - 基于气动辨识需求的横侧向激励信号设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行试验设计技术领域，具体涉及一种基于气动辨识需求的横侧向激励信号设计方法；本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种可以根据飞行器特点设计激励信号，分析和设计方法简便，能够保证运动模态的充分激发的基于气动辨识需求的横侧向激励信号设计方法；步骤一，采集飞行器的转动惯量J_x1、转动惯量J_y1、惯性积J_x1y1、参考面积S及参考长度L；步骤二，采集待辨识飞行状态的攻角α、动压q以及气动力矩导数和步骤三，利用步骤一和步骤二所采集的数据，求出偏航力矩梯度N′_β和滚转力矩梯度L′_β；步骤四，根据偏航力矩梯度N′_β和滚转力矩梯度L′_β求出特征频率f_c；步骤五，根据特征频率f_c设计激励信号δ_e(t)。

Description

基于气动辨识需求的横侧向激励信号设计方法

技术领域

本发明属于飞行试验设计技术领域，具体涉及一种基于气动辨识需求的横侧向激励信号设计方法。 

背景技术

气动力矩参数的辨识需要利用舵偏激励信号以实现需要的机动动作，如所示。激励信号设计效果直接影响着气动参数辨识的精度。 

已有的激励信号设计方法往往基于仿真和优化，通过比较不同激励信号下的辨识结果，确定激励信号的参数。该类方法效果受仿真模型和算法影响，且应用起来比较复杂，不能方便地根据飞行器特性调整和设计激励信号。本文提出了一种基于飞行器频率特性分析的横侧向激励信号设计方法，可以针对飞行器特点设计激励信号，保证横侧向气动参数的可辨识性和辨识精度。 

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种可以根据飞行器特点设计激励信号，分析和设计方法简便，能够保证运动模态的充分激发的基于气动辨识需求的横侧向激励信号设计方法。 

本发明的技术方案是： 

一种基于气动辨识需求的横侧向激励信号设计方法，包括以下步骤： 

步骤一，采集飞行器的转动惯量J_x1、转动惯量J_y1、惯性积J_x1y1、参考面积S及参考长度L； 

步骤二，采集待辨识飞行状态的攻角α、动压q以及气动力矩导数和 

步骤三，利用步骤一和步骤二所采集的数据，求出偏航力矩梯度N′_β和滚 转力矩梯度L′_β，如公式（1）、（2）所示 

$N_{\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{J_{x1y1}{C}_{\mathrm{mx}1}^{\mathrm{\β}}\mathrm{qSL}+J_{x1}{C}_{\mathrm{my}1}^{\mathrm{\β}}\mathrm{qSL}}{J_{x1}{J}_{y1}-J_{x1y1}^2}---\left(1\right)$

$L_{\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{J_{x1y1}{C}_{\mathrm{my}1}^{\mathrm{\β}}\mathrm{qSL}+J_{y1}{C}_{\mathrm{mx}1}^{\mathrm{\β}}\mathrm{qSL}}{J_{x1}{J}_{y1}-J_{x1y1}^2}---\left(2\right)$

步骤四，根据偏航力矩梯度N′_β和滚转力矩梯度L′_β求出特征频率f_c，如公式（3）所示 

$f_c=\sqrt{|N_{\mathrm{\β}}^{\′}\cos \mathrm{\α}-L_{\mathrm{\β}}^{\′}\sin \mathrm{\α}|}---\left(3\right)$

步骤五，根据特征频率f_c设计激励信号δ_e(t)，所述激励信号δ_e(t)可以为偶极方波、“211”、“3211”和正弦组合； 

当所述激励信号δ_e(t)为偶极方波时，取T在范围内，获得激励信号δ_e(t)为： 

当所述激励信号δ_e(t)为“211”形式的激励信号时，取T在范围内，获得激励信号δ_e(t)为： 

当所述激励信号δ_e(t)为“3211”形式的激励信号时，取T在范围内，获得激励信号δ_e(t)如下： 

当所述激励信号δ_e(t)为正弦组合形式的激励信号时，获得激励信号 保证存在k（1≤k≤M），使得在[0.5f_c,2f_c]范围内。 

所述J_x1和J_y1分别为飞行器绕x₁轴和y₁轴的转动惯量，J_x1y1为飞行器相对于x₁轴和y₁轴的惯性积；x₁轴位于飞行器纵向对称面内，平行于底平面指向飞行器前方为正；y₁轴位于飞行器纵向对称面内，垂直于x₁轴指向飞行器上方为正。 

所述为气动滚动力矩对侧滑角β的导数，为气动偏航力矩对侧滑角β的导数。 

本发明的有益效果是： 

可以有效设计出横侧向激励信号，得到准确的横侧向气动参数辨识结果。对本文方法进行了仿真实验。利用本文方法为某飞行器方向舵和差动舵设计了激励信号，将激励信号加入到仿真模型中，对仿真数据利用最小二乘方法辨识横侧向稳定性导数和控制导数，通过将辨识结果与气动参数真值比较，辨识结果是准确的。这表明本文方法的有效性。 

具体实施方式

下面结合与实施例对本发明提出的一种基于气动辨识需求的横侧向激励信号设计方法进行进一步的介绍： 

一种基于气动辨识需求的横侧向激励信号设计方法，包括以下步骤： 

步骤一，采集飞行器的转动惯量J_x1、转动惯量J_y1、惯性积J_x1y1、参考面积S及参考长度L； 

步骤二，采集待辨识飞行状态的攻角α、动压q以及气动力矩导数和 

步骤三，利用步骤一和步骤二所采集的数据，求出偏航力矩梯度N′_β和滚 转力矩梯度L′_β，如公式（1）、（2）所示 

$N_{\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{J_{x1y1}{C}_{\mathrm{mx}1}^{\mathrm{\β}}\mathrm{qSL}+J_{x1}{C}_{\mathrm{my}1}^{\mathrm{\β}}\mathrm{qSL}}{J_{x1}{J}_{y1}-J_{x1y1}^2}---\left(1\right)$

$L_{\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{J_{x1y1}{C}_{\mathrm{my}1}^{\mathrm{\β}}\mathrm{qSL}+J_{y1}{C}_{\mathrm{mx}1}^{\mathrm{\β}}\mathrm{qSL}}{J_{x1}{J}_{y1}-J_{x1y1}^2}---\left(2\right)$

步骤四，根据偏航力矩梯度N′_β和滚转力矩梯度L′_β求出特征频率f_c，如公式（3）所示 

$f_c=\sqrt{|N_{\mathrm{\β}}^{\′}\cos \mathrm{\α}-L_{\mathrm{\β}}^{\′}\sin \mathrm{\α}|}---\left(3\right)$

步骤五，根据特征频率f_c设计激励信号δ_e(t)，所述激励信号δ_e(t)可以为偶极方波、“211”、“3211”和正弦组合； 

当所述激励信号δ_e(t)为偶极方波时，取T在范围内，获得激励信号δ_e(t)为： 

当所述激励信号δ_e(t)为“211”形式的激励信号时，取T在范围内，获得激励信号δ_e(t)为： 

当所述激励信号δ_e(t)为“3211”形式的激励信号时，取T在范围内，获得激励信号δ_e(t)如下： 

当所述激励信号δ_e(t)为正弦组合形式的激励信号时，获得激励信号 保证存在k（1≤k≤M），使得在[0.5f_c,2f_c]范围内。 

所述J_x1和J_y1分别为飞行器绕x₁轴和y₁轴的转动惯量，J_x1y1为飞行器相对于x₁轴和y₁轴的惯性积；x₁轴位于飞行器纵向对称面内，平行于底平面指向飞行器前方为正；y₁轴位于飞行器纵向对称面内，垂直于x₁轴指向飞行器上方为正。 

所述为气动滚动力矩对侧滑角β的导数，为气动偏航力矩对侧滑角β的导数。 

Claims (3)

1.一种基于气动辨识需求的横侧向激励信号设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，采集飞行器的转动惯量J_x1、转动惯量J_y1、惯性积J_x1y1、参考面积S及参考长度L；

步骤二，采集待辨识飞行状态的攻角α、动压q以及气动力矩导数和

步骤三，利用步骤一和步骤二所采集的数据，求出偏航力矩梯度N′_β和滚转力矩梯度L′_β，如公式（1）、（2）所示

$N_{\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{J_{x1y1}{C}_{\mathrm{mx}1}^{\mathrm{\β}}\mathrm{qSL}+J_{x1}{C}_{\mathrm{my}1}^{\mathrm{\β}}\mathrm{qSL}}{J_{x1}{J}_{y1}-J_{x1y1}^2}---\left(1\right)$

$L_{\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{J_{x1y1}{C}_{\mathrm{my}1}^{\mathrm{\β}}\mathrm{qSL}+J_{y1}{C}_{\mathrm{mx}1}^{\mathrm{\β}}\mathrm{qSL}}{J_{x1}{J}_{y1}-J_{x1y1}^2}---\left(2\right)$

步骤四，根据偏航力矩梯度N′_β和滚转力矩梯度L′_β求出特征频率f_c，如公式（3）所示

$f_c=\sqrt{|N_{\mathrm{\β}}^{\′}\cos \mathrm{\α}-L_{\mathrm{\β}}^{\′}\sin \mathrm{\α}|}---\left(3\right)$

步骤五，根据特征频率f_c设计激励信号δ_e(t)，所述激励信号δ_e(t)可以为偶极方波、“211”、“3211”和正弦组合；

当所述激励信号δ_e(t)为偶极方波时，取T在范围内，获得激励信号δ_e(t)为：

当所述激励信号δ_e(t)为“211”形式的激励信号时，取T在范围内，获得激励信号δ_e(t)为：

当所述激励信号δ_e(t)为“3211”形式的激励信号时，取T在范围内，获得激励信号δ_e(t)如下：

当所述激励信号δ_e(t)为正弦组合形式的激励信号时，获得激励信号保证存在k（1≤k≤M），使得在[0.5f_c,2f_c]范围内。

2.如权利要求1所述的一种基于气动辨识需求的横侧向激励信号设计方法，其特征在于：所述J_x1和J_y1分别为飞行器绕x₁轴和y₁轴的转动惯量，J_x1y1为飞行器相对于x₁轴和y₁轴的惯性积；x₁轴位于飞行器纵向对称面内，平行于底平面指向飞行器前方为正；y₁轴位于飞行器纵向对称面内，垂直于x₁轴指向飞行器上方为正。

3.如权利要求1所述的一种基于气动辨识需求的横侧向激励信号设计方法，其特征在于：所述为气动滚动力矩对侧滑角β的导数，为气动偏航力矩对侧滑角β的导数。