CN111541437A - 一种适用弹性频率时变特性的滤波器算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适应飞行器弹性频率时变特性的滤波器算法，包含以下步骤：根据待辨识的信号，确定输入‑输出之间的数学表达式，构建辨识器；确定有限步内辨识器输出的递推公式；确定辨识器输出量与弹性频率的转换关系，在线实时获得时变的弹性频率点；将辨识出的弹性频率点作为滤波器的中心频率，建立滤波器模型，完成滤波器参数设计。将在线辨识出的弹性频率作为滤波器中心对准频率，可以避免预置中心频率偏离弹性模态频率造成滤波效果大幅度下降的问题，解决传统预置中心频率进行陷滤波的弊端。

Description

一种适用弹性频率时变特性的滤波器算法
技术领域
本发明涉及一种适应弹性频率时变特性的滤波器算法，主要应用领域为飞行器弹性振动抑制，通过在线频率辨识技术获得弹性模态频率，在线更新滤波中心频率，改善滤波效果，提高飞行器对弹性频率时变特性的适应能力。
背景技术
由于飞行器飞行包线比较大，飞行过程中易诱发弹性振动，这些固有的振动信息被敏感元器件所敏感到，通过控制系统反馈到舵系统中，严重影响飞行控制品质，因此在飞行器稳定控制系统设计时需考虑弹性振动带来的影响。目前传统方法主要是通过地面模态试验获得飞行器弹性模态所对应的频率点，离线状态针对该频率点进行陷滤波器的设计，频率拉偏条件下保证幅值和相位裕度满足设计指标。
飞行过程中气动加热等因素会引起飞行器的结构模态参数摄动，使得弹性振动频率点偏离预置中心频率点，导致滤波效果大幅下降，甚至引起控制系统失稳，根据预置中心频率进行滤波器设计的方法对弹性振动抑制能力弱，因此寻求一种适用弹性频率时变特性的滤波器算法显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适应弹性频率时变特性的滤波器算法，在线辨识出不同时刻的弹性模态频率，并作为滤波器的中心对准频率，滤除敏感元件输出中的高频振动信号，提高飞行控制品质。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种适应弹性频率时变特性的滤波器算法，步骤包括：
步骤一：确定频率辨识器输入和输出误差之间的传递函数；
步骤二：根据步骤一中的传递函数，确定递推数学表达式，并输出有限步递推后的估计值；
步骤三：根据步骤二中的估计值与频率的对应关系，计算出频率数值；
步骤四：根据步骤四中在线辨识的频率数值，作为滤波器的中心对准频率，对敏感元件输出信息进行滤波处理，滤除高频振动信息。
进一步，所述步骤1中频率辨识器输入输出之间的表达式为：
Figure BDA0002489625530000021
从表达式可以看出辨识器本身属于陷滤波器的范畴，上式中e(z-1)表示辨识器输出误差，x(z-1)表示辨识器输入，ρ表示影响辨识器滤波宽度的参数，a1表示影响辨识器滤波中心频率的参数。
进一步，所述辨识器经过有限步递推，输出递推辨识结果，其对应的表达式如下：
Figure BDA0002489625530000022
式中an,1、en,1分别表示为第n步递推得到a1的估值和辨识器输出误差；Kn,1、Pn,1为递推过程中的辅助计算变量；
Figure BDA0002489625530000031
为辨识器的负梯度；λ为遗忘因子，其数值一般小于1。
进一步，根据步骤3中第n步递推得到的估值an,1和弹性频率点的对应关系，计算出辨识的频率值，其计算公式为：
Figure BDA0002489625530000032
其中f表示在线辨识出的频率点，T表示系统采样周期。
进一步，将在线辨识出的频率点f作为陷滤波器的中心频率，调整滤波器参数，对敏感元件输出信号进行滤波处理，剔除其中的高频振动信号。
进一步，所述陷波滤波器的数学表达式如下式所示：
Figure BDA0002489625530000033
其中T0为滤波时间常数，ζ1、ζ2为陷滤波器阻尼系数；滤波时间常数与频率f之间的数学关系式如下式所示：
Figure BDA0002489625530000034
本发明优点：本发明可以在线辨识出当前输入信号中包含的弹性频率点，实时输出弹性模态频率，作为滤波器的中心频率点进行滤波。避免通过预置中心频率的传统方式对输入信号进行滤波处理，传统方法在弹性模态频率偏离预置中心频率时造成滤波效果差，而本发明则可解决上述问题，并且保证滤波器在弹性时变状态下依然拥有良好的滤波效果。
附图说明
图1为本发明一种适应弹性频率时变特性的滤波器算法流程图。
具体实施方式
本发明的一种适应弹性频率时变特性的滤波器算法流程如图1所示。
一种适应弹性频率时变特性的滤波器算法，步骤包括：
步骤一：确定频率辨识器输入和输出误差之间的传递函数；
步骤二：根据步骤一中的传递函数，确定递推数学表达式，并输出有限步递推后的估计值；
步骤三：根据步骤二中的估计值与频率的对应关系，计算出频率数值；
步骤四：根据步骤四中在线辨识的频率数值，作为滤波器的中心对准频率，对敏感元件输出信息进行滤波处理，滤除高频振动信息。
所述步骤1中频率辨识器输入输出之间的表达式为：
Figure BDA0002489625530000041
从表达式可以看出辨识器本身属于陷滤波器的范畴，上式中e(z-1)表示辨识器输出误差，x(z-1)表示辨识器输入，ρ表示影响辨识器滤波宽度的参数，a1表示影响辨识器滤波中心频率的参数。
根据式(1)可推算出经过n步后偏差结果与输入的关系表达式
Figure BDA0002489625530000042
其中en,1、xn,1分别表示为通过n步递推后辨识器的输出误差值和输入值；an,1为通过n步递推后a1的值。
进一步，所述辨识器经过有限步递推，输出递推辨识结果，其对应的表达式如下：
Figure BDA0002489625530000051
式中an,1、en,1分别表示为第n步递推得到a1的估值和辨识器输出误差；Kn,1、Pn,1为递推过程中的辅助计算变量；
Figure BDA0002489625530000052
为辨识器的负梯度；λ为遗忘因子，其数值一般小于1。
进一步，根据步骤3中第n步递推得到的估值an,1和弹性频率点的对应关系，计算出辨识的频率值，其计算公式为：
Figure BDA0002489625530000053
其中f表示在线辨识出的频率点，T表示系统采样周期。
进一步，将在线辨识出的频率点f作为陷滤波器的中心频率，调整滤波器参数，对敏感元件输出信号进行滤波处理，剔除其中的高频振动信号。
进一步，所述陷波滤波器的数学表达式如下式所示：
Figure BDA0002489625530000054
其中T0为滤波时间常数，ζ1、ζ2为陷滤波器阻尼系数；滤波时间常数与频率f之间的数学关系式如下式所示：
Figure BDA0002489625530000055
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种适应弹性频率时变特性的滤波器算法，其特征在于，步骤包括：
步骤一：确定频率辨识器的输入-输出之间的关系表达式；
步骤二：确定辨识器有限步递推算法公式；
步骤三：确定递推输出结果与弹性频率点的对应关系；
步骤四：根据步骤三中的辨识频率，确定滤波器的中心频率，进行滤波器设计。
2.如权利要求1所述的一种适应弹性频率时变特性的滤波器算法，其特征在于，所述步骤1中频率辨识器输入输出之间的表达式为：
Figure FDA0002489625520000011
从表达式可以看出辨识器本身属于陷滤波器的范畴，上式中e(z-1)表示辨识器输出误差，x(z-1)表示辨识器输入，ρ表示影响辨识器滤波宽度的参数，a1表示影响辨识器滤波中心频率的参数。
3.如权利要求2所述的一种适应弹性频率时变特性的滤波器算法，其特征在于，所述辨识器经过有限步递推，输出递推辨识结果，其对应的表达式如下：
Figure FDA0002489625520000012
式中an,1、en,1分别表示为第n步递推得到a1的估值和辨识器输出误差；Kn,1、Pn,1为递推过程中的辅助计算变量；
Figure FDA0002489625520000021
为辨识器的负梯度；λ为遗忘因子，其数值一般小于1。
4.如权利要求3所述的一种适应弹性频率时变特性的滤波器算法，其特征在于，根据步骤3中第n步递推得到的估值an,1和弹性频率点的对应关系，计算出辨识的频率值，其计算公式为：
Figure FDA0002489625520000022
其中f表示在线辨识出的频率点，T表示系统采样周期。
5.如权利要求4所述的一种适应弹性频率时变特性的滤波器算法，其特征在于，将在线辨识出的频率点f作为陷滤波器的中心频率，调整滤波器参数，对敏感元件输出信号进行滤波处理，剔除其中的高频振动信号。
6.如权利要求5所述的一种适应弹性频率时变特性的滤波器算法，其特征在于，所述陷波滤波器的数学表达式如下式所示：
Figure FDA0002489625520000023
其中T0为滤波时间常数，ζ1、ζ2为陷滤波器阻尼系数；滤波时间常数与频率f之间的数学关系式如下式所示：
Figure FDA0002489625520000024
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