CN114444551B - 一种基于小波变换和卷积自编码器的气动力载荷辨识方法 - Google Patents

一种基于小波变换和卷积自编码器的气动力载荷辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于小波变换和卷积自编码器的气动力载荷辨识方法，包括以下步骤：步骤一，采集样本；步骤二，采集标签；步骤三，剔除干扰；步骤四，系统信号分类；步骤五，力载荷信号分类；步骤六，训练网络模型；步骤七，重构气动力载荷信号并进行验证；所述步骤七中，将验证数据集II和验证数据集IV输入训练好的卷积自编码器中，通过卷积自编码器的计算后，输出理想的气动力载荷信号并与真实气动力载荷信号进行对比验证，本发明可以降低变频干扰、噪声干扰和惯性振动干扰，有效重构出风洞试验过程中的气动力信号，准确的反映出风洞试验过程中气动力载荷的大小及变化过程，且能够提高气动力载荷的辨识精度。

Description

一种基于小波变换和卷积自编码器的气动力载荷辨识方法
技术领域
本发明涉及气动力载荷辨识技术领域，具体为一种基于小波变换和卷积自编码器的气动力载荷辨识方法。
背景技术
风洞试验是吸气式高超声速飞行器研制的关键技术，高精度气动力测量是其中的重要部分，在风洞启动过程，高速瞬态气流会对安装在测力系统中的飞行器模型产生瞬态冲击，从而产生瞬态振动，由振动引起的模型惯性力会与气动力一同被测力系统采集，由于有效时间短暂，仅有200ms左右，惯性力难以衰减完全，最终悬挂测力系统的输出信号呈现出振荡衰减特性，在风洞试验过程中，测力系统的信号传输和采集不可避免的会产生噪声，主要为高频白噪声，此外，在试验过程中飞行器模型与测力系统连接部分的结合部会出现变频冲击，使得测力系统输出信号中会出现变频信号，影响气动力辨识精度，目前工程常用载荷辨识方法主要有：均值法、频域法、时域法和传统神经网络法，但以上方法无法有效降低变频信号的干扰，且部分方法仅能辨识一个气动力载荷常数，无法有效反映出风洞试验过程中动态气动力载荷的大小及变化过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于小波变换和卷积自编码器的气动力载荷辨识方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于小波变换和卷积自编码器的气动力载荷辨识方法，包括以下步骤：步骤一，采集样本；步骤二，采集标签；步骤三，剔除干扰；步骤四，系统信号分类；步骤五，力载荷信号分类；步骤六，训练网络模型；步骤七，重构气动力载荷信号并进行验证；
其中在上述步骤一中，首先采集原始的测力系统输出信号作为网络训练样本；
其中在上述步骤二中，再采集与原始测力系统输出信号相对应的力载荷信号作为网络训练标签；
其中在上述步骤三中，取步骤一中的原始测力系统输出信号，通过小波变换将样本中的变频干扰信号剔除；
其中在上述步骤四中，取步骤三中去除变频干扰信号的测力系统输出信号将其分为训练数据集I和验证数据集II；
其中在上述步骤五中，取步骤二中相对应的力载荷信号将其分为训练数据集III和验证数据集IV；
其中在上述步骤六中，利用训练数据集I和训练数据集III对卷积自编码模型进行训练，使该模型能够准确重构出力载荷信号；
其中在上述步骤七中，利用验证数据集II和验证数据集IV对训练完成的卷积自编码模型进行验证，将力载荷验证结果与真实力载荷信号进行对比，判断其准确性。
优选的，所述步骤一中采集的原始测力系统输出信号与步骤二中采集的力载荷信号长度一致。
优选的，所述步骤一中采集的原始测力系统输出信号与步骤二中采集的力载荷信号长度一致。
优选的，所述步骤三中，输入快速衰减的母小波振荡波型来匹配输入的信号，其具体过程为，对原始信号
Figure 820116DEST_PATH_IMAGE001
进行Meyer小波逐层分解得到在不同子空间中的平滑逼近曲线，应用现有分解公式如下：
Figure 553717DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 306909DEST_PATH_IMAGE003
为尺度因子，
Figure 703124DEST_PATH_IMAGE004
为平移因子，
Figure 199965DEST_PATH_IMAGE005
为时间，
Figure 53651DEST_PATH_IMAGE006
为整数集，
Figure 961433DEST_PATH_IMAGE007
为尺度函数，
Figure 330098DEST_PATH_IMAGE008
称为
Figure 365050DEST_PATH_IMAGE009
在
Figure 135560DEST_PATH_IMAGE010
级子空间
Figure 214243DEST_PATH_IMAGE011
的平滑逼近，即
Figure 70204DEST_PATH_IMAGE009
在尺度
Figure 174426DEST_PATH_IMAGE010
时的平滑逼近，系数
Figure 720814DEST_PATH_IMAGE012
称为逼近系数，表达如下：
Figure 455552DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 985759DEST_PATH_IMAGE014
表示内积运算，
Figure 18306DEST_PATH_IMAGE015
为
Figure 956218DEST_PATH_IMAGE016
在
Figure 658595DEST_PATH_IMAGE017
级子空间
Figure 879360DEST_PATH_IMAGE018
的平滑逼近。
最终得到剔除变频干扰后的信号：
Figure 528648DEST_PATH_IMAGE019
Figure 315207DEST_PATH_IMAGE020
由真实气动力
Figure 391747DEST_PATH_IMAGE021
以及惯性力分量
Figure 958864DEST_PATH_IMAGE022
两部分组成，其中，
Figure 880683DEST_PATH_IMAGE023
为固有模态阶数，
Figure 600378DEST_PATH_IMAGE024
为第
Figure 831508DEST_PATH_IMAGE025
阶的幅值，
Figure 839915DEST_PATH_IMAGE026
为第
Figure 611431DEST_PATH_IMAGE025
阶的频率，
Figure 920052DEST_PATH_IMAGE027
为第
Figure 135133DEST_PATH_IMAGE025
阶的相位。
优选的，所述步骤六中训练数据集I和训练数据集III一一对应。
优选的，所述步骤七中验证数据集II和验证数据集IV一一对应。
优选的，所述步骤七中，将验证数据集II和验证数据集IV输入训练好的卷积自编码器中，通过卷积自编码器的计算后，输出理想的气动力载荷信号并与真实气动力载荷信号进行对比验证。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以降低变频干扰、噪声干扰和惯性振动干扰，有效重构出风洞试验过程中的气动力信号，准确的反映出风洞试验过程中气动力载荷的大小及变化过程，且能够提高气动力载荷的辨识精度，效果显著。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的原理流程图；
图3为本发明的卷积自编码器的结构示意图；
图4为本发明的模型训练的损失函数；
图5为本发明的第一次气动力载荷信号辨识和重构结果；
图6为本发明的第二次气动力载荷信号辨识和重构结果；
图7为本发明的第三次气动力载荷信号辨识和重构结果；
图8为本发明的第四次气动力载荷信号辨识和重构结果。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
请参阅图1-8，本发明提供的一种实施例：一种基于小波变换和卷积自编码器的气动力载荷辨识方法，包括以下步骤：步骤一，采集样本；步骤二，采集标签；步骤三，剔除干扰；步骤四，系统信号分类；步骤五，力载荷信号分类；步骤六，训练网络模型；步骤七，重构气动力载荷信号并进行验证；
其中在上述步骤一中，首先采集原始的测力系统输出信号作为网络训练样本；
其中在上述步骤二中，再采集与原始测力系统输出信号相对应的力载荷信号作为网络训练标签，其中，步骤一中采集的原始测力系统输出信号与步骤二中采集的力载荷信号长度一致；
其中在上述步骤三中，取步骤一中的原始测力系统输出信号，通过小波变换将样本中的变频干扰信号剔除，其中，输入快速衰减的母小波振荡波型来匹配输入的信号，其具体过程为，对原始信号
Figure 896416DEST_PATH_IMAGE001
进行Meyer小波逐层分解得到在不同子空间中的平滑逼近曲线，应用现有分解公式如下：
Figure 471622DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 103592DEST_PATH_IMAGE003
为尺度因子，
Figure 942104DEST_PATH_IMAGE004
为平移因子，
Figure 659524DEST_PATH_IMAGE005
为时间，
Figure 259262DEST_PATH_IMAGE006
为整数集，
Figure 542476DEST_PATH_IMAGE007
为尺度函数，
Figure 302622DEST_PATH_IMAGE008
称为
Figure 287764DEST_PATH_IMAGE009
在
Figure 955506DEST_PATH_IMAGE010
级子空间
Figure 296488DEST_PATH_IMAGE011
的平滑逼近，即
Figure 539120DEST_PATH_IMAGE009
在尺度
Figure 762291DEST_PATH_IMAGE028
时的平滑逼近，系数
Figure 171407DEST_PATH_IMAGE012
称为逼近系数，表达如下：
Figure 412901DEST_PATH_IMAGE013
最终得到剔除变频干扰后的信号：
Figure 311587DEST_PATH_IMAGE019
Figure 756475DEST_PATH_IMAGE020
由真实气动力
Figure 484128DEST_PATH_IMAGE021
以及惯性力分量
Figure 596440DEST_PATH_IMAGE022
两部分组成；其中，
Figure 400448DEST_PATH_IMAGE023
为固有模态阶数，
Figure 863791DEST_PATH_IMAGE024
为第
Figure 660714DEST_PATH_IMAGE025
阶的幅值，
Figure 627533DEST_PATH_IMAGE029
为第
Figure 602443DEST_PATH_IMAGE025
阶的频率，
Figure 740032DEST_PATH_IMAGE027
为第
Figure 91379DEST_PATH_IMAGE025
阶的相位；
其中在上述步骤四中，取步骤三中去除变频干扰信号的测力系统输出信号将其分为训练数据集I和验证数据集II；
其中在上述步骤五中，取步骤二中相对应的力载荷信号将其分为训练数据集III和验证数据集IV；
其中在上述步骤六中，利用训练数据集I和训练数据集III对卷积自编码模型进行训练，使该模型能够准确重构出力载荷信号，其中，训练数据集I和训练数据集III一一对应；
其中在上述步骤七中，利用验证数据集II和验证数据集IV对训练完成的卷积自编码模型进行验证，验证方法为将验证数据集II和验证数据集IV输入训练好的卷积自编码器中，通过卷积自编码器的计算后，输出理想的气动力载荷信号并与真实气动力载荷信号进行对比验证，其中，验证数据集II和验证数据集IV一一对应。
基于上述，本发明的优点在于，该发明使用时，通过小波变换可以有效剔除测力系统输出信号中的变频信号等干扰因素，再通过卷积自编码器可以有效对测力系统输出信号进行信号重构，从而实现对气动力载荷的有效辨识，准确反映出气动力载荷的大小及变化过程，且提高了辨识气动力载荷的精度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (1)

1.一种基于小波变换和卷积自编码器的气动力载荷辨识方法，包括以下步骤：步骤一，采集样本；步骤二，采集标签；步骤三，剔除干扰；步骤四，系统信号分类；步骤五，力载荷信号分类；步骤六，训练网络模型；步骤七，重构气动力载荷信号并进行验证；其特征在于：
其中在上述步骤一中，首先采集原始的测力系统输出信号作为网络训练样本；
其中在上述步骤二中，再采集与原始测力系统输出信号相对应的力载荷信号作为网络训练标签；
其中在上述步骤三中，取步骤一中的原始测力系统输出信号，通过小波变换将样本中的变频干扰信号剔除；
其中在上述步骤四中，取步骤三中去除变频干扰信号的测力系统输出信号将其分为训练数据集I和验证数据集II；
其中在上述步骤五中，取步骤二中相对应的力载荷信号将其分为训练数据集III和验证数据集IV；
其中在上述步骤六中，利用训练数据集I和训练数据集III对卷积自编码模型进行训练，使该模型能够准确重构出力载荷信号；
其中在上述步骤七中，利用验证数据集II和验证数据集IV对训练完成的卷积自编码模型进行验证，将力载荷验证结果与真实力载荷信号进行对比，判断其准确性；所述步骤一中采集的原始测力系统输出信号与步骤二中采集的力载荷信号长度一致；所述步骤三中，输入快速衰减的母小波振荡波型来匹配输入的信号，其具体过程为，对原始信号x(t)进行Meyer小波逐层分解得到在不同子空间中的平滑逼近曲线，应用现有分解公式如下：
Figure FDA0003638353370000011
其中，j为尺度因子，k为平移因子，t为时间，Z为整数集，
Figure FDA0003638353370000012
为尺度函数，Pjx(t)称为x(t)在j级子空间Vj的平滑逼近，即x(t)在尺度j时的平滑逼近，系数aj,k称为逼近系数，表达如下：
Figure FDA0003638353370000021
其中，<,>表示内积运算，P0x(t)为x(t)在0级子空间V0的平滑逼近；
最终得到剔除变频干扰后的信号：
Figure FDA0003638353370000022
f(t)由真实气动力F0以及惯性力分量
Figure FDA0003638353370000023
两部分组成，其中，i为固有模态阶数,m表示为固有模态阶数，Ai为第i阶的幅值，ωi为第i阶的频率，
Figure FDA0003638353370000024
为第i阶的相位；
所述步骤六中训练数据集I和训练数据集III一一对应；所述步骤七中验证数据集II和验证数据集IV一一对应；将验证数据集II和验证数据集IV输入训练好的卷积自编码器中，通过卷积自编码器的计算后，输出理想的气动力载荷信号并与真实气动力载荷信号进行对比验证。
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