CN114237039A - 一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞行器结构控制信号技术领域，公开了一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法，用于飞机结构控制系统中，在飞控计算机与伺服作动器之间设置能够抑制高频畸变响应的陷波滤波器，该陷波滤波器的中心频率为畸变响应中心幅值最高的频点，陷波滤波器的陷波深度及开口大小与伺服作动器频率响应特性需求相匹配。使用本发明的方法后，加入抑制措施降低伺服作动器响应中的高频分量，达到降低高频镜像频率舵面激励能量的效果，实现对非线性结构控制耦合的抑制，同时减轻因高频分量带来的不期望的舵面振动对飞控传感器及飞机结构的影响；相比于传统采用低通滤波器的设计，可以最大限度的降低对伺服系统频响特性的影响。
Description
技术领域
本发明属于飞行器结构控制信号技术领域，涉及一种飞行器结构控制信号的抗干扰方法，具体涉及一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法。
背景技术
由于飞行器结构并不是纯刚性的，飞控系统传感器在感受飞行器刚体运动的同时，也会感受由于飞行器的结构弹性模态引起的角速率和过载信号，并形成由飞控传感器-飞控计算机-伺服作动器-飞机结构弹性模态-飞控传感器的结构控制耦合回路。通过在地面开展飞行器结构控制耦合试验，获取飞行器结构控制耦合特性，并设计结构陷波滤波器抑制结构模态处的响应。
传统的结构控制耦合分析理论，将飞控计算机、伺服作动系统、飞行器结构、飞控传感器形成的耦合回路看成是单输入单输出的线性系统，并基于此设计结构陷波滤波器，一般在飞控传感器输出至飞控计算机控制律解算之前设置结构陷波滤波器对结构控制耦合进行抑制。当飞行器飞控系统全面数字化后，易引入混频、畸变等问题，产生非线性的结构控制耦合回路。由于伺服作动系统的运算频率远高于飞控计算机的控制解算频率，从伺服系统来看飞控计算机输出的低频舵偏指令呈台阶状，包含明显的高频分量，导致伺服作动系统的位置响应中包含高频的分量。该高频分量幅值虽小，但是其产生的舵面激振能量与振动频率的平方成正比，当飞控传感器局部安装频率偏低时，会引起很强的响应。传感器感受该高频振动响应，在传输到低频率运行的飞控计算机时，会混频畸变为与飞控计算机输出舵偏指令同频的低频信号，从而形成完整的耦合回路，如图1所示。
传统的结构控制耦合抑制方法是对飞控传感器输出信号设计结构陷波滤波器，如图2所示。但是对于非线性的结构控制耦合回路，仅仅对传感器信号进行滤波不能完全解决问题。因为不论传感器信号怎么滤波，飞控计算机输出的位置指令始终包含高频分量，伺服作动器响应中也包含高频分量，且作动器位置响应中高频分量幅值与原指令幅值并非成线性关系，根据理论分析，小幅值指令下作动器位置响应中高频分量幅值反而更高。因此，传感器安装处感受到的高频振动，并不会因为对传感器输出信号进行滤波而得到改善，长期持续易导致传感器及结构的疲劳损伤，需要在产生高频畸变环节，增加抑制措施，衰减高频畸变。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法，针对传统结构控制耦合抑制设计方法不能完全解决非线性结构控制耦合问题的缺陷，通过在飞控计算机位置指令输出后端，加入抑制措施降低伺服作动器响应中的高频分量，达到降低高频镜像频率舵面激励能量的效果，实现对非线性结构控制耦合的抑制，同时减轻因高频分量带来的不期望的舵面振动对飞控传感器及飞机结构的影响。
本发明的技术方案是：
一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法，用于飞机结构控制系统中，在飞控计算机与伺服作动器之间设置能够抑制高频畸变响应的陷波滤波器，该陷波滤波器的中心频率为畸变响应中心幅值最高的频点，陷波滤波器的陷波深度及开口大小与伺服作动器频率响应特性需求相匹配。
进一步的，按照以下步骤设计陷波滤波器的参数：
步骤一，进行伺服作动器对指令高频分量的响应特性测试，明确非线性结构耦合控制回路中，不期望的高频舵面激励的频率响应特性；
步骤二，根据步骤一的测试结果，确定陷波滤波器的中心频率；
步骤三，根据步骤一的测试结果，初步确定陷阵滤波器参数；
步骤四，对飞行器增稳回路进行稳定性分析，确定增稳回路的相位裕量为a°，从而确定作动器指令对陷波滤波器设计的限制条件；
步骤五，分析增加了陷波滤波器后的伺服作动器线性模型的频响特性，在考虑幅值衰减影响的状况下，调整步骤三中初步确定的陷阵滤波器参数，直至满足相位延迟要求。
进一步的，还包括步骤六，在台架上对伺服作动系统进行传统的频响测试，确认增加了陷波滤波器后实际伺服作动系统幅频带宽及相位滞后满足控制要求；如不满足，需调整步骤五确认的陷阵滤波器参数后再重复本步骤；如满足则确认最终的陷阵滤波器设计参数。
进一步的，步骤一的测试方法具体如下：
A、用飞控计算机模拟设备，给伺服作动器发定频f0正弦指令，对位置测量传感器输出进行频谱分析，记录频点f0、飞控计算机/模拟设备的指令输出频率fs至f0的幅值；
B、正弦指令频率f0从1Hz开始以1Hz为步长直至fs/2分别进行测试，记录信号分析仪f0、fs-f0两个频点处的幅值；将各个频率的测试结果连线得到飞控计算机按采样定理可表征的信号频率范围内所有频点正弦指令激励下，伺服作动器位置响应中线性响应幅值特性，以及非线性响应幅值特性；
C、改变正弦指令幅值不断重复步骤B的测试直至找到高频分量响应最高的状态；
D、根据步骤C的测试结果，确定高频分量位置响应曲线中最高幅值所对应的频率fn。
进一步的，上述步骤A中，采用设置为功率谱密度分析模式的信号分析仪对位置测量传感器输出进行频谱分析。
进一步的，步骤二中，陷波滤波器传递函数为
其中陷波滤波器中心频率参数ωn＝fn。
进一步的，步骤三中，初步确定陷阵滤波器参数的方法是：
先自行设定陷阵滤波器参数ζ1和ζ2的初始值，在matlab中，利用SYS＝tf([1，2ζ1ωn，ωn2]，[1，2ζ2ωn，ωn2]，TS)，建立滤波器传递函数，绘制伯德图，观察陷波滤波器的实现效果能否满足要求；若满足要求则完成陷阵滤波器参数ζ1和ζ2的初始设置；
若不满足要求，则调整陷阵滤波器参数ζ1和ζ2的值，重新建立滤波器传递函数、绘制伯德图、且再观察，重复本步骤直至完成陷阵滤波器参数ζ1和ζ2的初始设置。
进一步的，步骤三中，满足要求的概念是：初步确定陷波滤波的开口宽度以及陷波深度，将作动器高频分量位置响应抑制到＜-30dB；其中，ζ1越大，则ωn处挖的深度越浅，ζ2越大则ωn处挖的深度越深，且开口变大。
进一步的，步骤五中，利用matlab分析增加了陷波滤波器后伺服作动器线性模型的频响特性；通过这一步，评估陷波滤波器对伺服作动系统在＜8Hz区域的相位延迟及幅值衰减影响；其中附加相位延迟＜a°，最终幅值衰减应≯-3dB；如不能满足，则调整陷阵滤波器参数ζ1和ζ2，直至满足相位延迟＜a°的要求。
本发明的有益效果是：
1、某型号空天飞行器在地面控制结构耦合试验中采用传统测试方法，得到的开环频响特性与闭环稳定性出现了不一致，采用本发明方法后，加入抑制措施降低伺服作动器响应中的高频分量，达到降低高频镜像频率舵面激励能量的效果，实现对非线性结构控制耦合的抑制，同时减轻因高频分量带来的不期望的舵面振动对飞控传感器及飞机结构的影响；
2、相比于传统采用低通滤波器的设计，可以最大限度的降低对伺服系统频响特性的影响。
附图说明
图1是非线性结构控制耦合控制回路示意；
图2传统的结构控制耦合抑制方法中结构陷波滤波的设置示意图；
图3是本发明适用于非线性结构控制耦合的抑制方法中结构陷波滤波的设置示意图；
图4是作动系统对数字指令的高频分量的响应特性测试构型示意图；
图5是伺服作动系统原始指令频率和高频分量的位置响应示意图。
具体实施方式
本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。
本发明创造性的提出，针对非线性结构控制耦合路径中产生高频畸变的作动器响应环节，定量测试作动器响应高频畸变特性的测试方法；基于定量测试结果，给出了抑制高频畸变响应的陷波滤波器设计方法，其中陷波滤波器的中心频率为畸变响应幅值最高的频点，陷波滤波器的陷波深度及开口大小设计则受限于伺服作动系统频响特性需求。相比于传统采用低通滤波器的设计，可以最大限度的降低对伺服系统频响特性的影响。
发明的主要特征在于：基于非线性结构耦合路径中高频畸变环节的定量测试，采取陷波滤波进行针对性抑制。
该发明包括以下步骤
第一步：进行伺服作动器对于指令高频分量的响应特性测试。通过这一步，明确非线性结构耦合控制回路中，不期望的高频舵面激励的频率响应特性。
1、测试构型见图4。在台架上利用飞控计算机模拟设备，给伺服作动系统发定频(频率为f0)正弦指令，通过信号分析仪对位置测量传感器输出进行频谱分析，记录频点f0、fs-f0的幅值。
注①信号分析仪设置为功率谱密度分析模式；②fs为飞控计算机/模拟设备的指令输出频率。
该步测试可以获得，频率为f0的正弦指令，经飞控计算机数字化按fs频率输出时，伺服作动器位置响应中原频率f0的响应幅值，以及fs-f0非线性频率响应幅值。
2、正弦指令频率f0从1Hz开始以1Hz为步长直至fs/2分别进行测试，记录信号分析仪f0、fs-f0两个频点处的幅值；将各个频率的测试结果连线，得到如图5所示的位置响应曲线。通过该步，可以获得飞控计算机按采样定理可表征的信号频率范围内所有频点正弦指令激励下，伺服作动器位置响应中线性响应幅值特性，以及非线性响应幅值特性。
3、改变正弦指令幅值(注：正弦指令幅值不宜过大，应使伺服作动系统处于线性工作区)重复2的测试，找到高频分量响应最高的状态；通过该步骤可以排除指令幅值带来的非线性影响，找到最高的高频畸变响应幅值；
4、根据第3步测试结果，确定高频分量位置响应曲线中最高幅值所对应的频率fn，见图5。
第二步，依据第一步的测试结果，确定陷波滤波器中心频率。陷波滤波器传递函数为
其中陷波滤波器中心频率参数ωn＝fn。
第三步，依据第一步的测试结果，初步确定陷波滤波器参数ζ1、ζ2，目标是将图5所示高频分量位置响应衰减到-30dB以下。
具体操作如下：
1、依据经验设置ζ1初值为0.3，ζ2初值为0.6，在matlab中，利用SYS＝tf([1，2ζ1ωn，ωn2]，[1，2ζ2ωn，ωn2]，TS)，建立滤波器传递函数(其中TS为采样频率)，绘制伯德图，观察陷波滤波器的实现效果能否满足要求；
2、如不能满足要求，调整ζ1、ζ2。ζ1越大，则ωn处挖的深度越浅，ζ2越大则ωn处挖的深度越深，且开口变大；
通过这一步会初步确定陷波滤波的开口宽度以及陷波深度，将作动器高频分量位置响应抑制到＜-30dB。
第四步，对飞行器增稳回路进行稳定性分析，确定增稳回路的相位裕量为a°；该步确定了作动器指令陷波滤波器设计的限制条件；
第五步，利用matlab分析增加了陷波滤波器后伺服作动器线性模型的频响特性；通过这一步，评估陷波滤波器对伺服作动系统在＜8Hz区域(＜5Hz区域为飞机增稳控制工作频带)的相位延迟及幅值衰减影响；其中附加相位延迟＜a°，最终幅值衰减应≯-3dB(＜8Hz区域内)；如不能满足，则将ζ2调小，减小陷波滤波开口宽度，降低对低频区域幅值特性及相位特性的影响；ζ2调小会降低滤波深度，可适当减小ζ1，增加滤波深度。
第六步，在陷波滤波器在伺服作动系统中实现后，在台架上对伺服作动系统进行传统的频响测试，确认增加了陷波滤波器后实际伺服作动系统幅频带宽及相位滞后满足控制要求；如不满足，需调整ζ1、ζ2后重复第六步；通过该步确认最终的设计参数ζ1、ζ2。
图1：显示了在同一套飞行器软硬件条件下，由于数字飞控的架构特性，带来信号混叠和信号畸变，出现非线性结构控制耦合回路与线性结构控制耦合回路并存的情况。
图2：显示了传统对结构控制耦合抑制的设计，在飞控传感器信号输出到飞控计算机CPU板进行控制解算前，对传感器信号进行陷波滤波。
图3：显示了本发明专利中针对非线性结构控制耦合而新增的抑制高频畸变结构陷波滤波器设计位置。
图4：抑制高频畸变结构陷波滤波器时，需要通过试验测试确定作动系统对数字指令中高频分量的响应特性，以此作为滤波器设计的基础。图4显示了试验测试的方法，其中：
飞控计算机模拟设备模拟飞控计算机输出离散化定频正弦信号；
位置测量装置采用外部LVDT传感器，测量伺服作动器的实际运动输出；
信号分析仪对伺服作动器的位移信号进行频谱分析，信号分析仪设置为功率谱密度分析模式；
作动器台架用于安装被测伺服作动系统，并为伺服作动系统提供能源。
Claims (9)
1.一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法，其特征在于，用于飞机结构控制系统中，在飞控计算机与伺服作动器之间设置能够抑制高频畸变响应的陷波滤波器，该陷波滤波器的中心频率为畸变响应中心幅值最高的频点，陷波滤波器的陷波深度及开口大小与伺服作动器频率响应特性需求相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法，其特征在于，按照以下步骤设计陷波滤波器的参数：
步骤一，进行伺服作动器对指令高频分量的响应特性测试，明确非线性结构耦合控制回路中，不期望的高频舵面激励的频率响应特性；
步骤二，根据步骤一的测试结果，确定陷波滤波器的中心频率；
步骤三，根据步骤一的测试结果，初步确定陷阵滤波器参数；
步骤四，对飞行器增稳回路进行稳定性分析，确定增稳回路的相位裕量为a°，从而确定作动器指令对陷波滤波器设计的限制条件；
步骤五，分析增加了陷波滤波器后的伺服作动器线性模型的频响特性，在考虑幅值衰减影响的状况下，调整步骤三中初步确定的陷阵滤波器参数，直至满足相位延迟要求。
3.根据权利要求2所述的一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法，其特征在于，还包括步骤六，在台架上对伺服作动系统进行传统的频响测试，确认增加了陷波滤波器后实际伺服作动系统幅频带宽及相位滞后满足控制要求；如不满足，需调整步骤五确认的陷阵滤波器参数后再重复本步骤；如满足则确认最终的陷阵滤波器设计参数。
4.根据权利要求2所述的一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法，其特征在于，步骤一的测试方法具体如下：
A、用飞控计算机模拟设备，给伺服作动器发定频f0正弦指令，对位置测量传感器输出进行频谱分析，记录频点f0、飞控计算机/模拟设备的指令输出频率fs至f0的幅值；
B、正弦指令频率f0从1Hz开始以1Hz为步长直至fs/2分别进行测试，记录信号分析仪f0、fs-f0两个频点处的幅值；将各个频率的测试结果连线得到飞控计算机按采样定理可表征的信号频率范围内所有频点正弦指令激励下，伺服作动器位置响应中线性响应幅值特性，以及非线性响应幅值特性；
C、改变正弦指令幅值不断重复步骤B的测试直至找到高频分量响应最高的状态；
D、根据步骤C的测试结果，确定高频分量位置响应曲线中最高幅值所对应的频率fn。
5.根据权利要求4所述的一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法，其特征在于，上述步骤A中，采用设置为功率谱密度分析模式的信号分析仪对位置测量传感器输出进行频谱分析。
6.根据权利要求4所述的一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法，其特征在于，步骤二中，陷波滤波器传递函数为
其中陷波滤波器中心频率参数ωn＝fn。
7.根据权利要求6所述的一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法，其特征在于，步骤三中，初步确定陷阵滤波器参数的方法是：
先自行设定陷阵滤波器参数ζ1和ζ2的初始值，在matlab中，利用SYS＝tf([1，2ζ1ωn，ωn2]，[1，2ζ2ωn，ωn2]，TS)，建立滤波器传递函数，绘制伯德图，观察陷波滤波器的实现效果能否满足要求；若满足要求则完成陷阵滤波器参数ζ1和ζ2的初始设置；
若不满足要求，则调整陷阵滤波器参数ζ1和ζ2的值，重新建立滤波器传递函数、绘制伯德图、且再观察，重复本步骤直至完成陷阵滤波器参数ζ1和ζ2的初始设置。
8.根据权利要求7所述的一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法，其特征在于，步骤三中，满足要求的概念是：初步确定陷波滤波的开口宽度以及陷波深度，将作动器高频分量位置响应抑制到＜-30dB；其中，ζ1越大，则ωn处挖的深度越浅，ζ2越大则ωn处挖的深度越深，且开口变大。
9.根据权利要求2所述的一种适用于非线性结构控制耦合的抑制方法，其特征在于，步骤五中，利用matlab分析增加了陷波滤波器后伺服作动器线性模型的频响特性；通过这一步，评估陷波滤波器对伺服作动系统在＜8Hz区域的相位延迟及幅值衰减影响；其中附加相位延迟＜a°，最终幅值衰减应≯-3dB；如不能满足，则调整陷阵滤波器参数ζ1和ζ2，直至满足相位延迟＜a°的要求。
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