用于扭摆系统的微推力平滑降噪优化还原方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于扭摆系统的微推力平滑降噪优化还原方法，实现微推力曲线的精确还原和误差评定。该方法综合运用正交多项式局部滑动拟合方法和推力反向计算的复化辛普森方法，从计算过程、计算方法和计算结果上减小推力误差，获取一系列推力初始估计值；再综合运用样条函数插值法和系统响应预测值的正向计算方法，通过系统响应预测值与实际系统响应测量值比较，确定推力最优估计值和上下包络线。该方法能够高精度获取微推力随时间变化曲线，并有效评估推力测量误差。

Optimal Reduction Method for Smoothing Noise Reduction of Micro-thrust for Torsional Pendulum System

【技术实现步骤摘要】
用于扭摆系统的微推力平滑降噪优化还原方法
本专利技术涉及航天器微推进领域的推力测量技术。
技术介绍
推力是微推力器的重要推进性能指标，对工况参数选择、工况优选、推力器设计以及推力器应用都有很强的工程指导意义。目前，微推力器的推力一般采用扭摆二阶振动结构测量。如果推力的作用时间小于扭摆测量系统固有周期的0.25倍时，推力作用在扭摆系统上的效应相当于瞬间脉冲冲量作用的效应，只能根据测量系统的响应辨识所施加推力的冲量大小，冲量辨识技术已经较为成熟。如果推力的作用时间大于扭摆测量系统固有周期的0.25倍时，可以根据测量系统的响应辨识推力大小。通常，推力辨识方法是根据推力与扭摆系统稳态变化量之间的线性关系。该方法只能获取推力器试验条件下的单点推力值，无法还原推力随时间的变化情况，从而无法分析推力器开机阶段、平稳工作阶段和关机阶段的推进性能。同时，微推力器的推力测量也具有很大的挑战性，易受多种噪声影响，如测量环境的振动、测量环境的气流、位移传感器等。因此，如何在多噪声条件下辨识还原推力曲线是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于：针对多噪声影响下的微推力测量和辨识还原推力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于扭摆系统的微推力平滑降噪优化还原方法，其特征在于：用于扭摆系统的微推力平滑降噪优化还原方法的实施步骤为：第一步，系统参数标定和校验：采用高精度阶跃标定力产生扭摆系统的阶跃响应；利用正交多项式局部滑动拟合方法确定系统响应的平均位置曲线；根据系统响应的平均位置曲线确定振动频率和阻尼比的初始估计值及置信区间；在振动频率和阻尼比置信区间内对系统参数进行微调和验校，确定最优振动频率、最优阻尼比和最后扭转刚度系数；第二步，确定最小划分区间数目：采用复化辛普森积分方法，将推力和系统响应的积分方程离散化为线性方程组，反向计算推力；采用与待测推力变化范围和趋势相似的模拟推力，在测量噪声忽略不计的条件下，...

【技术特征摘要】
1.用于扭摆系统的微推力平滑降噪优化还原方法，其特征在于：用于扭摆系统的微推力平滑降噪优化还原方法的实施步骤为：第一步，系统参数标定和校验：采用高精度阶跃标定力产生扭摆系统的阶跃响应；利用正交多项式局部滑动拟合方法确定系统响应的平均位置曲线；根据系统响应的平均位置曲线确定振动频率和阻尼比的初始估计值及置信区间；在振动频率和阻尼比置信区间内对系统参数进行微调和验校，确定最优振动频率、最优阻尼比和最后扭转刚度系数；第二步，确定最小划分区间数目：采用复化辛普森积分方法，将推力和系统响应的积分方程离散化为线性方程组，反向计算推力；采用与待测推力变化范围和趋势相似的模拟推力，在测量噪声忽略不计的条件下，确定积分方程离散化的最小划分区间数目；第三步，确定推力最优估计值：采用正交多项式局部滑动拟合方法，确定推力作用下实际系统响应的平均位置曲线和上下包络线；从最小划分区间数目开始，逐步增大划分区间数目以及局部滑动拟合函数，综合运用多次局部滑动拟合方法、积分方程离散化反向计算推力、样条函数插值获得推力连续函数和微分方程正向计算系统响应预测值等方法，产生一系列推力估计值与对应的一系列系统响应预测值；根据系统响应预测值是否在实际系统响应测量值的包络线以内，以及是否在实际系统响应测量值的平均位置曲线附近上下波动最小，确定推力最优估计值；对推力最优估计值，采用正交多项式局部滑动拟合方法，确定推力最优估计值的平均位置曲线和上下包络线。2.如权利要求1所述的用于扭摆系统的微推力平滑降噪优化还原方法，其特征在于：系统参数标定和校验的步骤为：第一步，给扭摆系统施加阶跃标定力f0，获得实际系统响应测量值Θ(tj)，j＝1,2,…,m，采用正交多项式局部滑动拟合方法对实际系统响应Θ(tj)平滑降噪，平均位置曲线估计值并判读出极值点对应时间tMi和扭转角θ(tMi)，i＝1,2,…,n；第二步，确定振动频率的初始估计值和标准差式中，第三步，确定阻尼比的初始估计值和标准差式中，利用方程获得，i＝2,3,…,n；第四步，系统参数微调和验校：首先，在振动频率的置信区间和阻尼比的置信区间内，采样小步长搜索方法，不断改变振动频率和阻尼比；其次，在相应的振动频率和阻尼比下，计算出一系列稳态扭转角估计值以及一系列平均位置曲线最后，构造残差根据准则“残差为零均值、零均值附近对称分布、取正值和负值的次数基本相等”，寻找到最优振动频率最优阻尼比最优稳态扭转角估计值第五步，确定扭转刚度系数最优估计值和误差式中，f0和df0为标定力及其误差，Lf和dLf为标定力力臂及其误差，3.如权利要求1所述的用于扭摆系统的微推力平滑降噪优化还原方法，其特征在于：确定最小划分区间数目的步骤为：第一步，获取待测推力作用下的实际系统响应测量值ΘF(ti)(i＝1,2,…,m)，采用正交多项式局部滑动拟合方法获得实际系统响应的平均位置曲线测量值θF(ti)(i＝1,2,…,m)；第二步，采用推力反向计算的复化辛普森方法计算推力值，通过改变划分区间数目M，分析待测推力变化范围和趋势；第三步，根据被测推力变化范围和趋势，选择模拟推力f(τ)(连续函数表示)，在测量噪声忽略不计条件下，根据推力微分方程正向计算模拟推力作用下的系统响应θfi(i＝0,1,2,…,m)；第四步，根据模拟推力下的系统响应θfi(i＝0,1,2,…,m)，采用推力反向计算的复化辛普森方法，计算推力值fi'(i＝0,1,…,m-1)；第五步，根据推力相对截断误差Δfi/fi＝(fi'-fi)/fi(i＝0,1,…,m-1)，选择最小划分区间数目Mmin，将推力截断误差控制在要求的水平。4.如权利要求1所述的用于扭摆系统的微推力平滑降噪优化还原方法，其特征在于：确定推力最优估计值的步骤为：第一步，根据待测推力作用下的实际系统响应测量值[ti,ΘF(ti)](i＝1,2,…,m)，采用正交多项式局部滑动拟合方法，确定实际系统响应的平均位置曲线[ti,θF(ti)](i＝1,2,…,m)，以及确定实际系统响应测量值的上包络线ΘFu(ti)＝ΘF(ti)[ΘF(ti)＞θF(ti)]和下包络线ΘFd(ti)＝ΘF(ti)[ΘF(ti)＜θF(ti)]；第二步，从最小划分区间数目Mmin开始，逐步增大划分区间数目，以及采用不同局部数据窗长度(如3、5、7等)的二阶正交多项式滑动拟合方法，在任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：金星，常浩，周伟静，叶继飞，李南雷，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京,11