CN110866326B - 结构伺服弹性试验开环扫频信号设计方法、存储介质及检测*** - Google Patents
结构伺服弹性试验开环扫频信号设计方法、存储介质及检测*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种结构伺服弹性试验开环扫频信号设计方法、存储介质及检测***，设计方法包括以下步骤：确定开环扫频试验的扫频频点；计算各所述扫频频点的正弦扫频信号幅值；判断所述各扫频频点处正弦扫频信号的幅值是否大于执行机构的死区宽度：如果大于，则在该频点采用这一幅值的所述正弦扫频信号用于扫频试验；如果小于，则在该频点采用低频基础信号与所述正弦扫频信号的叠加，作为该频点的扫频信号。本发明能够在满足执行机构偏转速率约束的情况下克服执行机构的死区，解决了单独采用正弦信号进行扫频时执行机构偏转角度陷入死区之内，无法对飞行器结构产生激励的问题。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天领域，尤其涉及飞行器设计与试验技术，具体为用于地面结构伺服弹性试验的开环扫频信号设计方法、存储介质及检测***。
背景技术
飞行器的非定常气动力、飞行控制***以及飞行器结构动力之间的耦合，形成了“气动伺服弹性”问题，这可能会破坏飞行器原有的稳定性，产生自激振动，出现气动伺服弹性不稳定现象。为了避免气动伺服弹性不稳定现象的出现，必须进行气动伺服弹性稳定性分析。然而，伺服控制***含有非线性环节，很难对其进行精确的建模，这就需要开展结构伺服弹性地面试验，采用真实的执行机构验证结构伺服***建模的准确性并检验校正网络设计的有效性。
飞行器的结构伺服弹性试验包括开环扫频试验和闭环稳定性试验。开环扫频试验以飞行器的执行机构偏转产生的惯性力作为激励，测试控制***与结构之间的动力耦合特性，为飞行器结构伺服弹性模型验证和稳定性分析提供依据。
开环扫频试验的扫频频率至少要高于飞行器的第三阶弹性模态频率。传统的开环扫频信号，通常为频率随时间变化的一组正弦信号。然而，对于液压摆动喷管这类执行机构，考虑到安全因素和成本，其在地面试验中只能采用中频电机等功率较低的设备进行驱动，使得摆动喷管仅能以较小的偏转角速率转动，扫频试验中可实现的最大偏转角速度要明显小于实际飞行情况下可实现的最大偏转角速度。这时，仍简单沿用传统的高频正弦信号作为扫频信号，则高频扫频信号的幅值将被执行机构的死区所淹没，执行机构无法对该高频扫频信号进行响应。
发明内容
本发明的目的在于克服部分类型的执行机构因偏转速率限制、死区特性等对高频扫频试验造成的不利影响，提供一种扫频信号的改进设计方法，在满足执行机构实际地面偏转速率限制的条件下，既保证扫频信号的频率可以满足结构伺服弹性***模型验证的需求，又使得测试信号不会被淹没在执行机构的死区之中。
本发明提供的一种结构伺服弹性试验开环扫频信号设计方法，包括以下步骤：
确定开环扫频试验的扫频频点；
计算各所述扫频频点的正弦扫频信号幅值；
判断所述各扫频频点处正弦扫频信号的幅值是否大于执行机构的死区宽度：
如果大于，则在该频点采用这一幅值的所述正弦扫频信号用于扫频试验；
如果小于，则在该频点采用低频基础信号与所述正弦扫频信号的叠加，作为该频点的扫频信号。
其中，所述低频基础信号的频率满足执行机构偏转速率的约束，幅度包络大于执行机构的死区宽度并留有一定余量。
进一步地，所述低频基础信号采用梯形信号，所述正弦扫频信号叠加在梯形信号的直线段，梯形信号上升斜坡和下降斜坡的斜率小于执行机构的偏转速率约束，直线段幅值大于执行机构的死区宽度，并留有一定余量。
进一步地，所述低频基础信号采用频率远低于俯仰、偏航、滚动三通道开环截止频率的正弦信号。
进一步地，所述作为低频基础信号的正弦信号频率不高于扫频频率的十分之一。
进一步地，所述低频基础信号采用三角波信号。
进一步地，所述开环扫频信号设计方法还包括步骤：
将各频点的扫频信号组成时间序列，存入飞控计算机软件，用于控制执行机构偏转，完成开环扫频试验。
进一步地，采用所述低频基础信号与所述正弦扫频信号的叠加作为扫频信号时，在输出端采用滤波器对低频分量进行滤波，以获取执行机构对所述正弦扫频信号的响应。
本发明的另一个方面提供了一种存储介质，其存储有可执行程序，在可执行程序被调用时，执行如上所述的开环扫频信号设计方法。
本发明的再一个方面提供了一种检测***，包括存储器和处理器，所述存储器存储可执行程序，所述处理器用于调用所述可执行程序，以执行如上所述的开环扫频信号设计方法。
本发明将飞行器结构与执行机构串联而成的***视为线性***，利用线性***的叠加性，在低频信号上叠加高频正弦信号进行扫频，所获得的飞行器角速度稳态输出为分别施加两种信号时产生响应的叠加，因此，采用这种扫频信号，由其中叠加的幅值较大而速率较小的低频信号，可以在满足执行机构偏转速率约束的情况下克服执行机构的死区，解决了单独采用高频正弦信号进行扫频时执行机构偏转角度陷入死区之内，无法对飞行器结构产生激励的问题，同时又因为低频信号频率已知，可以通过对相应时刻的角速度输出进行滤波，获得飞行器结构对高频正弦信号的响应，进而获取飞行器结构的开环传函，达到扫频试验的目的。
应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
附图说明
下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。
附图标记说明：
1-本公开所述开环扫频信号设计方法流程图；
2-示例性的结构伺服弹性试验开环扫频信号。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
附图1中给出了示例性结构伺服弹性试验开环扫频信号设计方法流程图，如图中所示，包括以下步骤：
(1)确定开环扫频试验的扫频频点。
开环扫频试验频点包含：俯仰、偏航、滚动三通道的开环截止频率，飞行器横向一弯、二弯和三弯模态频率，飞行器一阶扭转模态频率，并在飞行器弹性模态频率范围内适当加密扫频节点。
具体可以根据弹性模态分析或弹性模态试验结果确定。
(2)计算不同扫频频点下的正弦扫频信号幅值。
本发明仍然以传统的高频正弦信号作为扫频信号设计的基础。
根据执行机构在地面结构伺服弹性试验中可实现的最大偏转角速度计算。
(3)根据执行机构死区宽度值，判断所述各扫频频点处正弦扫频信号的幅值是否大于执行机构的死区宽度：
如果大于，则在该频点采用这一幅值的正弦扫频信号用于扫频试验；
如果小于，则采用低频基础信号与所述正弦扫频信号的叠加，作为该频点的扫频信号。
其中，执行机构死区宽度值可以采用实测值，也可以采用指标值。
如果传统正弦扫频信号的幅值小于执行机构的死区宽度，则将该高频信号叠加于幅值较大而速率较小的低频信号上，则可以在满足执行机构偏转速率约束的情况下克服执行机构的死区，解决单独采用该正弦信号进行扫频时执行机构偏转角度陷入死区之内，无法对飞行器结构产生激励的问题。
低频基础信号频率满足执行机构偏转速率的约束，幅度包络大于执行机构的死区宽度并留有一定余量。
作为优选方案，低频基础信号可以采用梯形信号，高频的正弦扫频信号叠加在梯形信号的直线段，梯形信号上升斜坡和下降斜坡的斜率小于执行机构的偏转速率约束，直线段幅值大于执行机构的死区宽度，并留有一定余量。如附图2所示。
当执行机构扫频信号为高频正弦信号和常值信号(梯形信号的直线段)的叠加时，在执行机构的激励下，飞行器所产生的姿态角速度振动等价于分别施加正弦和常值激励信号时飞行器产生的角速度信号的叠加。由于常值信号的频率为零，飞行器结构(视为线性***)在常值输入下的稳态输出为零；而对于正弦输入信号，飞行器结构(视为线性***)的输出为与输入频率相同的幅值存在一定衰减或放大、相位存在一定滞后的正弦。因此，利用线性***的叠加性，通过在低频信号上叠加高频正弦扫频信号，所获得的飞行器角速度稳态输出仅与扫频信号的正弦分量相关，易于对开环扫频结果进行分析，获得飞行器结构的开环传函。
低频基础信号也可以采用频率远低于俯仰、偏航、滚动三通道开环截止频率的正弦信号。优选地，所述作为低频基础信号的正弦信号频率不高于扫频频率的十分之一。
所述低频基础信号也可以采用三角波信号。
本领域技术人员也可以按照各自的需求选取其他低频基础信号，与高频的正弦扫频信号叠加，作为扫频信号。
作为优选方案，本公开所述开环扫频信号设计方法还包括步骤：将各频点的扫频信号组成时间序列，存入飞控计算机软件，用于控制执行机构偏转，完成开环扫频试验。
在飞控组合(飞控计算机)软件中，各频点的扫频信号组成一个时间序列，飞控组合(飞控计算机)按该序列，向执行机构(摆动喷管、摆动发动机、空气舵、栅格舵等)发送指令，控制其偏转，完成开环扫频试验。
作为优选方案，当采用所述低频基础信号与正弦扫频信号的叠加作为扫频信号时，在输出端采用滤波器对低频分量进行滤波，以获取执行机构对正弦扫频信号的响应。滤波器的中心频率等于此时的低频基础信号频率。滤波器可以采用陷波器。
应用示例
(1)根据某飞行器的弹性模态试验结果，飞行器在空载、半载、满载状态下的横向一弯模态频率在2.8Hz～4.0Hz、横向二弯模态频率在5.3Hz～7.5Hz、横向三弯模态频率在10Hz～13Hz频率范围内，一阶扭转频率约为12Hz。根据理论分析，俯仰、偏航、滚转三通道的截止频率在0.3Hz～0.9Hz范围内。确定开环扫频测试信号的频点如下表所示。
表1扫频点频率
| 扫频点序号 | 频率(Hz) | 扫频点序号 | 频率(Hz) |
| 1 | 0.3 | 16 | 6.5 |
| 2 | 0.6 | 17 | 7.0 |
| 3 | 0.9 | 15 | 7.5 |
| 4 | 2 | 18 | 8 |
| 5 | 2.5 | 19 | 9 |
| 6 | 2.8 | 20 | 9.5 |
| 7 | 3.3 | 21 | 10 |
| 8 | 3.8 | 22 | 10.5 |
| 9 | 4.0 | 23 | 11 |
| 10 | 4.5 | 24 | 11.5 |
| 11 | 5.0 | 25 | 12 |
| 12 | 5.3 | 26 | 12.5 |
| 13 | 5.5 | 27 | 13 |
| 14 | 6.0 | 28 | 13.5 |
(2)该飞行器采用中频电机进行驱动，液压摆动喷管在地面结构伺服弹性试验中可达到的最大偏转角速率为10°/s，对于扫频频率为fi的正弦信号，其扫频幅值Ai为：
式中，Rmax为执行机构可达到的最大偏转角速度，在本实例中Rmax为10°/s。
各扫频点的扫频幅值如下表所示。
表2扫频点幅值的计算结果
(3)该液压摆喷的死区宽度为0.3°，可见，当扫频频率高于5.3Hz时，正弦扫频信号的幅值就会小于执行机构的死区宽度，若仍采用传统的正弦信号进行扫频测试，则该扫频信号会陷入到执行机构的死区中，执行机构无法响应测试指令进行偏转，因而也无法达到激励结构伺服耦合特性的开环试验目的。
对于幅值小于执行机构死区宽度的正弦信号，采用将该正弦信号叠加在梯形信号的直线段，那么，对于第i个扫频点，得到扫频信号为：
式中，t0i为第i个扫频频点的开始扫频时间，t01为整个扫频开始的时间。
(4)将根据上述扫频信号组成的按时间排列的扫频序列
i≤11时，
i＞11时，
写入飞控组合(飞控计算机)软件中，在结构伺服弹性开环试验中，由飞控组合(飞控计算机)向执行机构(摆动喷管或摆动发动机、空气舵面、栅格舵等)发送指令，控制其偏转，即可完成扫频试验。
本发明主要针对以液压伺服机构为执行机构的结构伺服弹性试验进行了开环测试信号的改进设计，但不仅局限于该种执行机构。对于液压伺服机构-空气舵复合的控制形式，以及电机伺服机构考虑电流安全所提出的偏转速度限制时，采用本发明给出的设计方法也可以避免高频扫频信号的幅值陷入执行机构的死区之中。
上述的本发明实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本发明的实施例也可为在数据信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)中执行上述方法的程序代码。本发明也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)执行的多种功能。可根据本发明配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本发明揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本发明执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本发明的精神与范围。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种结构伺服弹性试验开环扫频信号设计方法，包括以下步骤：
确定开环扫频试验的扫频频点；
计算各所述扫频频点的正弦扫频信号幅值；
判断所述各扫频频点处正弦扫频信号的幅值是否大于执行机构的死区宽度：
如果大于，则在该频点采用这一幅值的所述正弦扫频信号用于扫频试验；
如果小于，则在该频点采用低频基础信号与所述正弦扫频信号的叠加，作为该频点的扫频信号；
其中，所述低频基础信号的频率满足执行机构偏转速率的约束，幅度包络大于执行机构的死区宽度并留有一定余量。
2.根据权利要求1所述的开环扫频信号设计方法，其特征在于，所述低频基础信号采用梯形信号，所述正弦扫频信号叠加在梯形信号的直线段，梯形信号上升斜坡和下降斜坡的斜率小于执行机构的偏转速率约束，直线段幅值大于执行机构的死区宽度，并留有一定余量。
3.根据权利要求1所述的开环扫频信号设计方法，其特征在于，所述低频基础信号采用频率远低于俯仰、偏航、滚动三通道开环截止频率的正弦信号。
4.根据权利要求3所述的开环扫频信号设计方法，其特征在于，所述作为低频基础信号的正弦信号频率不高于扫频频率的十分之一。
5.根据权利要求1所述的开环扫频信号设计方法，其特征在于，所述低频基础信号采用三角波信号。
6.根据权利要求1所述的开环扫频信号设计方法，其特征在于，所述开环扫频信号设计方法还包括步骤：
将各频点的扫频信号组成时间序列，存入飞控计算机软件，用于控制执行机构偏转，完成开环扫频试验。
7.根据权利要求1所述的开环扫频信号设计方法，其特征在于，采用所述低频基础信号与所述正弦扫频信号的叠加作为扫频信号时，在输出端采用滤波器对低频分量进行滤波，以获取执行机构对所述正弦扫频信号的响应。
8.一种存储介质，其特征在于，存储有可执行程序，在可执行程序被调用时，执行如权利要求1-7任一项所述的开环扫频信号设计方法。
9.一种检测***，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储可执行程序，所述处理器用于调用所述可执行程序，以执行如权利要求1-7任一项所述的开环扫频信号设计方法。
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