CN109508511A - 频率响应分析测量中扫频方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种频率响应分析测量中扫频方法。该方法包括以下步骤：设定相邻两个扫频频率点之间幅频特性的幅值增益的变化量，以及扫频频率的最小值和最大值；读取当前扫频点以及前序扫频点对应幅频特性数据，或者读取当前扫频点以及前序扫频点对应相频特性数据；选取扫频点及其对应的幅频特性数据，或者选取扫频点及其对应相频特性数据，通过数值分析预测计算下一个扫频点频率值；判断计算完扫频段全部扫频点否，如未完则返回继续扫频频率的计算；如已经完成扫频段全部扫频点计算，则结束。该方法根据已测量得到的幅频特性或相频特性数据自动实现扫频点的预测计算，具有扫频效率高、测量精度高，保证被测对象安全，通用性、实用性强，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及航空工程试验与测试领域的技术领域，尤其是涉及一种频率响应分析测量中扫频方法。
背景技术
大型工程试验中，频率响应特性的测量是常见而且重要的一项试验。如飞机飞行控制系统试验、飞机结构与模态耦合试验、飞行控制系统稳定储备测量试验中，都需要完成对被试系统的频率响应分析。在频率响应特性的测量中，通常使用以相关分析技术为基础的频率响应分析仪或是以快速傅立叶变化(FFT)技术为基础的动态信号分析仪，如SI1250、SI 1254频率响应分析仪，以及HP3562A、E35670A动态信号分析仪。
上述完成频率响应特性测量分析的频率响应分析仪或是动态信号分析仪，均配置有信号发生器，产生正弦激励信号，并且在测量过程中能自动改变正弦激励信号的频率，完成不同频率点的频率响应特性的测量，得到被试对象在整个扫频段的幅频特性和相频特性。
频率响应测量中的输入激励信号通常为正弦扫频信号，一般有线性的扫频和对数扫频两种形式。线性扫频时，激励信号的频率从最大值或最小值开始，频率按固定间隔逐步变化；对数扫频时，激励信号的频率从上限或下限开始，频率按对数关系逐步改变。
线性扫频时，由于频率点之间按线性变化，即所有频率点之间的变化量是相同的，其缺点是在低频段频率变化量相对较大，而在高频段频率变化量相对较小，从而导致在低频段扫频点相对较少，而在高频段扫频点相对密集，长时间的扫频容易损坏被测系统。而对数扫频时，由于频率点之间按对数关系变化，其缺点是随着扫频频率的增大，在高频段频率变化量相对较大，导致扫频点稀疏，容易遗漏必要的扫频点，难以准确测量得到被试系统完整的频率响应特性。
发明内容
本发明的目的是：是设计一种频率响应分析测量中扫频方法，根据已测量得到的幅频特性或相频特性数据曲线的变化，按照数值分析算法，预测计算下一个扫频点的频率值，完成整个扫频段所有频率点的频率响应特性测量分析。
本发明的技术方案是：一种频率响应分析测量中扫频方法，在频率响应分析测量中，对已经测量得到扫频频率点及其对应的幅频特性数据或相频特性数据进行处理，设定当前扫频频率点与下一个扫频频率点所对应幅频特性幅值增益之间的变化量，或者是相频特性相位数据之间的变化量，通过数值分析算法，预测计算下一个扫频点的频率值，依次类推，直到完成整个扫频段所有频率点的频率响应特性测量分析。
下面对频率响应分析测量中扫频方法进行详细说明。
一种频率响应分析测量中扫频方法，设定扫频频率的最小值为xmin，扫频频率的最大值为xmax，扫频频率点数据集为X(x1,x2,…,xn-1)，对应每个扫频频率点的频率响应分析测量幅频特性数据集为Y(y1,y2,…,yn-1)，其中y＝f(x)，从而，幅频特性数据集也可表示为f(x1),f(x2),…,f(xn-1)，对应第k个扫频频率点xk，其幅频特性数据的变化量为Δf(xk)；
频率响应分析测量中起始前三个扫频点的频率值xk-2,xk-1,xk由设置给定，对应前述各扫频频率点的幅频特性数据为f(xk-2),f(xk-1),f(xk)，从第四个扫频点xk+1开始，给定当前扫频点的幅频特性数据与下一个扫频点的幅频特性数据的变化量为Δf(xk)，则有扫频点xk+1处的幅频特性数据f(xk+1)＝f(xk)+Δf(xk)；
上述问题转化为在已知幅频特性数据的基础上求其对应的频率，其优选方法是通过数值插值的方法计算得到，为了得到连续光滑的幅频特性曲线，不但要求在被插值函数节点处的函数值相等，而且在某些点处具有相同的导数，优选埃尔米特插值法，其插值多项式如下式(1)
在给定已知幅频特性数据，应用埃尔米特插值多项式求扫频频率值时，插值函数为函数y＝f(x)的反函数x＝g(y)，计算扫频频率值的插值多项式如下式(2)
给定已知幅频特性数据，预测计算对应扫频频率值也可以采用求解非线性方程根的方法，下面对该方法进行详细说明。
一种频率响应分析测量中扫频方法，设定扫频频率的最小值为xmin，扫频频率的最大值为xmax，扫频频率点数据集为X(x1,x2,…,xn-1)，对应每个扫频频率点的频率响应分析测量幅频特性数据集为f(x1),f(x2),…,f(xn-1)，对应第k个扫频频率点xk，其幅频特性数据的变化量为Δf(xk)；
频率响应分析测量中起始前三个扫频点的频率值xk-2,xk-1,xk由设置给定，对应前述各扫频频率点的幅频特性数据为f(xk-2),f(xk-1),f(xk)，从第四个扫频点xk+1开始，给定当前扫频点的幅频特性数据与下一个扫频点的幅频特性数据的变化量为Δf(xk)，则有如下方程式：
f(x)-Δf(xk)＝0 (3)
通常，上述方程(3)为非线性方程，通过求解方程(1)的根，即为下一个扫频点频率值。
求解方程(3)根的方法采用抛物线法，详细步骤如下：
首先，引入新的变量λ、λ3、δ3，其中
按照上面(4)式求解变量λ3、δ3；
其次，引入中间变量a、b、c，其中
按照上面(5)式计算a、b、c；
第三，按照下式(6)计算λ4
第四，按照下式(7)计算xk+1
第五，产生激励信号频率为xk+1的正弦激励信号，进行频率响应分析测量，得到幅频特性数据f(xk+1)；
第六，用xk-1,xk,xk+1分别替代xk-2,xk-1,xk，用f(xk-1),f(xk),f(xk+1)分别替代f(xk-2),f(xk-1),f(xk)，并通过继续迭代，计算下一个扫频点频率值；
在迭代计算过程中，对于从最小频率到最大频率的向上扫频，如果计算得到的扫频频率值xk+1大于扫频频率的最大值xmax，则完成频率响应分析测量中扫频频率计算；
对于从最大频率到最小频率的向下扫频，如果计算得到的扫频频率值xk+1小于扫频频率的最小值xmin，则完成频率响应分析测量中扫频频率计算。
本发明的优点和效果是：
(1)按照测量得到扫频频率点对应的幅频特性数据或相频特性数据，采用数值分析方法预测计算下一个扫频频率值，能够准确、灵活选择扫频频率值，解决了线性扫频或对数扫频中频率变化单一，导致幅频特性数据或相频特性数据剧烈变化，甚至遗漏重要敏感扫频频率点的缺陷，提高测量精度；
(2)扫频频率计算算法相对简单，效果好，非常适合于对大型复杂系统的自动化扫频和频率响应特性分析测量；
(3)算法具有通用性，适合不同类型工程试验与测试中频率响应分析测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的是说了中需要使用的附图作简单的解算。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例的频率响应分析测量中扫频方法的原理示意图；
图2是本发明一实施例的频率响应分析测量中扫频方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以相互结合，各个实施例可以相互参考和引用。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提出了一种频率响应分析测量中扫频方法，属于工程试验与测试领域。其特征在于：在频率响应分析测量中，对扫频的频率点及其对应的幅频特性或相频特性数据进行处理，设定扫频的相邻两个频率点对应幅频特性的幅值增益的变化量，或者是相频特性的相位数据的变化量，按照数值分析算法，预测计算下一个扫频点的频率值，依次类推，直到完成整个扫频段所有频率点的频率响应特性测量分析。该方法根据已测量得到的幅频特性或相频特性数据自动实现扫频点的预测计算，具有扫频效率高、测量精度高，保证被测对象安全，通用性、实用性强，可靠性高。
图1是本发明一实施例的频率响应分析测量中扫频方法的原理示意图。
如图1所示频率响应分析测量中扫频方法可以包括以下步骤：
步骤1：设定相邻两个扫频频率点之间幅频特性的幅值增益的变化量，以及扫频频率的最小值和最大值；
步骤2：读取当前扫频点以及前序扫频点对应幅频特性数据，或者读取当前扫频点以及前序扫频点对应相频特性数据；
步骤3：选取扫频点及其对应的幅频特性数据，或者选取扫频点及其对应相频特性数据，通过数值分析预测计算下一个扫频点频率值；
步骤4：判断计算完扫频段全部扫频点否，如未完则返回步骤2，继续扫频频率的计算；如已经完成扫频段全部扫频点计算，则结束。
图2是本发明一实施例的频率响应分析测量中扫频方法的流程示意图。
如图2所示，频率响应分析测量中扫频方法的实施例说明了其实现方法可以包括以下详细步骤：
步骤1：执行[101]，开始并设置参数的初始状态；
步骤2：执行[102]，设定扫频频率的最小值为xmin、最大值为xmax，幅频特性数据的变化量为Δf(xk)；
步骤3：执行[103]，读取频率值xk-2,xk-1,xk，及其幅频特性数据f(xk-2),f(xk-1),f(xk)；
步骤4：执行[104]，求解变量λ3、δ3，其中
步骤5：执行[105]，求解变量a、b、c，其中
步骤6：执行[106]，求解变量λ4，其中
步骤7：执行[107]，计算xk+1，其中
步骤8：执行[108]，产生激励信号频率为xk+1的正弦激励信号，进行频率响应分析测量，得到幅频特性数据f(xk+1)；
步骤9：执行[109]，判断xk+1<xmin或者xk+1>xmax，如果判断逻辑结果为真，则执行步骤11，否则执行步骤10；
步骤10：执行[110]，用xk-1,xk,xk+1分别替代xk-2,xk-1,xk，用f(xk-1),f(xk),f(xk+1)分别替代f(xk-2),f(xk-1),f(xk)，执行步骤4；
步骤11：执行[111]，程序结束。
本发明实施例的一种频率响应分析测量中扫频方法，可以根据已测量得到的幅频特性或相频特性数据曲线的变化，按照数值分析算法，预测计算下一个扫频点的频率值，完成整个扫频段所有频率点的频率响应特性测量分析。
本发明实施例的频率响应分析测量中扫频方法，在频率响应分析测量中，对已经测量得到扫频频率点及其对应的幅频特性数据或相频特性数据进行处理，设定当前扫频频率点与下一个扫频频率点所对应幅频特性幅值增益之间的变化量，或者是相频特性相位数据之间的变化量，通过数值分析算法，预测计算下一个扫频点的频率值，依次类推，直到完成整个扫频段所有频率点的频率响应特性测量分析。
下面对频率响应分析测量中扫频方法进行详细说明。
一种频率响应分析测量中扫频方法，设定扫频频率的最小值为xmin，扫频频率的最大值为xmax，扫频频率点数据集为X(x1,x2,…,xn-1)，对应每个扫频频率点的频率响应分析测量幅频特性数据集为Y(y1,y2,…,yn-1)，其中y＝f(x)，从而，幅频特性数据集也可表示为f(x1),f(x2),…,f(xn-1)，对应第k个扫频频率点xk，其幅频特性数据的变化量为Δf(xk)；
频率响应分析测量中起始前三个扫频点的频率值xk-2,xk-1,xk由设置给定，对应前述各扫频频率点的幅频特性数据为f(xk-2),f(xk-1),f(xk)，从第四个扫频点xk+1开始，给定当前扫频点的幅频特性数据与下一个扫频点的幅频特性数据的变化量为Δf(xk)，则有扫频点xk+1处的幅频特性数据f(xk+1)＝f(xk)+Δf(xk)；
上述问题转化为在已知幅频特性数据的基础上求其对应的频率，其优选方法是通过数值插值的方法计算得到，为了得到连续光滑的幅频特性曲线，不但要求在被插值函数节点处的函数值相等，而且在某些点处具有相同的导数，优选埃尔米特插值法，其插值多项式如下式(1)
在给定已知幅频特性数据，应用埃尔米特插值多项式求扫频频率值时，插值函数为函数y＝f(x)的反函数x＝g(y)，计算扫频频率值的插值多项式如下式(2)
给定已知幅频特性数据，预测计算对应扫频频率值也可以采用求解非线性方程根的方法，下面对该方法进行详细说明。
一种频率响应分析测量中扫频方法，设定扫频频率的最小值为xmin，扫频频率的最大值为xmax，扫频频率点数据集为X(x1,x2,…,xn-1)，对应每个扫频频率点的频率响应分析测量幅频特性数据集为f(x1),f(x2),…,f(xn-1)，对应第k个扫频频率点xk，其幅频特性数据的变化量为Δf(xk)；
频率响应分析测量中起始前三个扫频点的频率值xk-2,xk-1,xk由设置给定，对应前述各扫频频率点的幅频特性数据为f(xk-2),f(xk-1),f(xk)，从第四个扫频点xk+1开始，给定当前扫频点的幅频特性数据与下一个扫频点的幅频特性数据的变化量为Δf(xk)，则有如下方程式：
f(x)-Δf(xk)＝0 (3)
通常，上述方程(3)为非线性方程，通过求解方程(1)的根，即为下一个扫频点频率值。
求解方程(3)根的方法采用抛物线法，详细步骤如下：
首先，引入新的变量λ、λ3、δ3，其中
按照上面(4)式求解变量λ3、δ3；
其次，引入中间变量a、b、c，其中
按照上面(5)式计算a、b、c；
第三，按照下式(6)计算λ4
第四，按照下式(7)计算xk+1
第五，产生激励信号频率为xk+1的正弦激励信号，进行频率响应分析测量，得到幅频特性数据f(xk+1)；
第六，用xk-1,xk,xk+1分别替代xk-2,xk-1,xk，用f(xk-1),f(xk),f(xk+1)分别替代f(xk-2),f(xk-1),f(xk)，并通过继续迭代，计算下一个扫频点频率值；
在迭代计算过程中，对于从最小频率到最大频率的向上扫频，如果计算得到的扫频频率值xk+1大于扫频频率的最大值xmax，则完成频率响应分析测量中扫频频率计算；
对于从最大频率到最小频率的向下扫频，如果计算得到的扫频频率值xk+1小于扫频频率的最小值xmin，则完成频率响应分析测量中扫频频率计算。
需要说明的是，上述流程操作可以进行不同程度的组合应用，为了简明，不再赘述各种组合的实现方式。本领域的技术人员可以按实际情况将上述的方法的步骤的顺序(或者产品的部件的位置)进行灵活调整，或者组合等操作。
另外，上述实施例中所示的功能组件的实现方式可以为硬件、软件或者二者的组合。当以硬件方式实现时，其可以使电子电路、专用集成电路(ASIC)、插件、功能卡等。当以软件方式实现时，其可以事被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以出存储在机器或者可读介质中，或者其可以通过载波中所携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种频率响应分析测量中扫频方法，其特征在于：包括以下步骤：
S11，设定相邻两个扫频频率点之间幅频特性的幅值增益的变化量，以及扫频频率的最小值和最大值；
S12，读取当前扫频点以及前序扫频点对应幅频特性数据，或者读取当前扫频点以及前序扫频点对应相频特性数据；
S13，选取扫频点及其对应的幅频特性数据，或者选取扫频点及其对应相频特性数据，通过数值分析预测计算下一个扫频点频率值；
S14，判断计算完扫频段全部扫频点否，如未完则返回S12，继续扫频频率的计算；如已经完成扫频段全部扫频点计算，则结束。
2.一种频率响应分析测量中扫频方法，其特征在于，包括以下步骤：
在频率响应分析测量中，对已经测量得到扫频频率点及其对应的幅频特性数据或相频特性数据进行处理；
设定当前扫频频率点与下一个扫频频率点所对应幅频特性幅值增益之间的变化量，或者是相频特性相位数据之间的变化量；
通过数值分析算法，预测计算下一个扫频点的频率值，依次类推，直到完成整个扫频段所有频率点的频率响应特性测量分析。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
设定扫频频率的最小值为xmin，扫频频率的最大值为xmax，扫频频率点数据集为X(x1,x2,…,xn-1)；
设置对应每个扫频频率点的频率响应分析测量幅频特性数据集为Y(y1,y2,…,yn-1)，其中y＝f(x)；
设置幅频特性数据集为f(x1),f(x2),…,f(xn-1)，对应第k个扫频频率点xk，其幅频特性数据的变化量为Δf(xk)；
频率响应分析测量中起始前三个扫频点的频率值xk-2,xk-1,xk由设置给定，对应前述各扫频频率点的幅频特性数据为f(xk-2),f(xk-1),f(xk)，从第四个扫频点xk+1开始，给定当前扫频点的幅频特性数据与下一个扫频点的幅频特性数据的变化量为Δf(xk)，则有扫频点xk+1处的幅频特性数据f(xk+1)＝f(xk)+Δf(xk)。
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