一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法及系统，考虑冲击载荷的稀疏信号的性质，采用多个不同半余弦函数作为基函数组拟合冲击载荷信号，得到半余弦基函数矩阵，并利用遗传算法对半余弦基函数矩阵进行优化，最后使用Tikhonov正则化方法(吉洪诺夫正则化方法)优化求解，得到最优的冲击载荷向量，识别速度快，可用于结构动态响应含噪声、结构存在不确定参数且载荷识别对象复杂的情况，只需测量结构上一个点的结构响应，在已知结构模态信息的前提下，即可间接获得结构上的冲击载荷，在动态冲击载荷识别过程中不会出现误差累积现象，载荷识别精度高，在确定半余弦函数参数之后可以得到解析解，计算效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法及系统
本专利技术涉及航空航天
，特别是涉及一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法及系统。
技术介绍
随着空间卫星技术的发展，卫星天线因其所处真空环境以及自身低阻尼柔性结构的特性，在受到空间碎片撞击冲击之后将会出现持续大幅度振动的情况，会影响整个系统的运行性能，因此对动态载荷的获取是十分必要的。一方面，获取动态载荷后，可以用来指导天线结构的设计，对结构进行改进以降低动态载荷对结构性能的影响。另一方面，获取动态载荷可以帮助后续设计实现天线的精确控制并有效抑制振动。然而结构实际所承受的冲击载荷往往不好直接测量，而在外部激励作用下的结构动态响应是相对容易测量的，因此，如何依据结构动态响应信息及必要的载荷反求方法确定冲击载荷，是现代工程领域亟需解决的关键问题。“载荷识别”技术属于结构动力学反问题，是一项根据结构系统动态特性及测量的响应信号来反演外部激励的技术。近几十年来，载荷识别技术不断发展，为高超声速飞行器结构的载荷识别奠定了坚实的基础。现有的载荷识别方法主要包括频域法和时域法，同时还衍生出奇异值分解法等方法，这些方法有各自明显的优缺点。其中，基于频域的矩阵求逆法最为常见，过程相对简单，但是计算量很大，耗费分析资源。时域法则是最近才开始研究兴起的方法，存在一定的累计误差。而其他的衍生方法虽然各有优点，但是需要积累数值计算和信号处理的经验，使用起来门槛相对较高，近些年来还涌现了时间有限元法、逆系统法、神经网络方法和小波变换法等载荷识别方法。针对冲击载荷信号的稀疏性质，近些年来的主要识别方法是l1正则化方法，但是此方法没有解析解，需要通过ISTA(IterativeShrinkageThresholdingAlgorithm、迭代收缩阈值算法)、FISTA(FastIterativeShrinkageThresholdingAlgorithm、快速迭代收缩阈值算法)等软阈值算法进行迭代求解，在结构工况复杂的情况下计算量会大大增加，因此提出快速准确识别冲击载荷的识别方法十分重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法及系统，采用多个不同半余弦函数作为基函数组拟合冲击载荷信号，得到半余弦基函数矩阵，并利用遗传算法对半余弦基函数矩阵进行优化，最后使用Tikhonov正则化方法(吉洪诺夫正则化方法)优化求解，得到最优的冲击载荷向量，识别速度快，对于只能安装少量传感器测量结构响应的情形和工作环境噪声较大的情形，是非常有帮助的，只需测量结构上一个点的结构响应，在已知结构模态信息的前提下，即可间接获得结构上的冲击载荷。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法，所述识别方法包括如下步骤：建立所述柔性天线结构的有限元模型，对所述有限元模型进行网格划分，得到由多网格单元构成的离散有限元结构；对所述离散有限元结构进行模态分析，得到所述离散有限元结构的多阶结构模态信息；根据所述多阶结构模态信息以及冲击载荷激励位置信息确定时域上离散的传递函数；以多个不同半余弦函数作为拟合冲击载荷信号的基函数组，将所述基函数组在时间轴上进行离散，得到半余弦基函数矩阵；所述基函数组的离散步数与所述传递函数的离散步数相同；利用遗传算法对所述半余弦基函数矩阵进行优化，得到优化后的半余弦基函数矩阵；利用传感器采集所述柔性天线结构的结构响应；所述结构响应包括所述柔性天线结构的位移响应或加速度响应；根据所述传递函数、所述优化后的半余弦基函数矩阵和所述结构响应，利用Tikhonov正则化方法进行求解，得到系数向量；根据所述系数向量和所述优化后的半余弦基函数矩阵确定冲击载荷。一种柔性天线结构的冲击载荷识别系统，所述识别系统包括传递函数获取模块、半余弦基函数矩阵获取模块、结构响应获取模块和冲击载荷计算模块；所述传递函数获取模块用于建立所述柔性天线结构的有限元模型，对所述有限元模型进行网格划分，得到由多网格单元构成的离散有限元结构；对所述离散有限元结构进行模态分析，得到所述离散有限元结构的多阶结构模态信息；根据所述多阶结构模态信息以及冲击载荷激励位置信息确定时域上离散的传递函数；所述半余弦基函数矩阵获取模块用于以多个不同半余弦函数作为拟合冲击载荷信号的基函数组，将所述基函数组在时间轴上进行离散，得到半余弦基函数矩阵；所述基函数组的离散步数与所述传递函数的离散步数相同；利用遗传算法对所述半余弦基函数矩阵进行优化，得到优化后的半余弦基函数矩阵；所述结构响应获取模块用于利用传感器采集所述柔性天线结构的结构响应；所述结构响应包括所述柔性天线结构的位移响应或加速度响应；所述冲击载荷计算模块用于根据所述传递函数、所述优化后的半余弦基函数矩阵和所述结构响应，利用Tikhonov正则化方法进行求解，得到系数向量；根据所述系数向量和所述优化后的半余弦基函数矩阵确定冲击载荷。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术所提供的一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法及系统，考虑冲击载荷的稀疏信号的性质，采用多个不同半余弦函数作为基函数组拟合冲击载荷信号，得到半余弦基函数矩阵，并利用遗传算法对半余弦基函数矩阵进行优化，最后使用Tikhonov正则化方法优化求解，得到最优的冲击载荷向量，识别速度快，可用于结构动态响应含噪声、结构存在不确定参数且载荷识别对象复杂的情况，只需测量结构上一个点的结构响应，在已知结构模态信息的前提下，即可间接获得结构上的冲击载荷。在动态冲击载荷识别过程中不会出现误差累积现象，载荷识别精度高，在确定半余弦函数参数之后可以得到解析解，相对于目前冲击载荷识别算法而言无需进行迭代计算，计算效率高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1所提供的识别方法流程图。图2为本专利技术实施例1所提供的离散有限元结构示意图。图3为本专利技术实施例1所提供的模拟得到的柔性天线结构所受的真实冲击载荷的示意图。图4为本专利技术实施例1所提供的在不同信噪比下冲击载荷识别结果与实际冲击载荷的对比示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的目的是提供一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法及系统，考虑冲击载荷的稀疏信号的性质，采用多个不同半余弦函数作为基函数组拟合冲击载荷，利用遗传算法对半余弦基函数矩阵进行优化，并基于Tikhonov方法得到系数向量，最终基于优化后的半余弦基函本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法，其特征在于，所述识别方法包括如下步骤：/n建立所述柔性天线结构的有限元模型，对所述有限元模型进行网格划分，得到由多网格单元构成的离散有限元结构；对所述离散有限元结构进行模态分析，得到所述离散有限元结构的多阶结构模态信息；根据所述多阶结构模态信息以及冲击载荷激励位置信息确定时域上离散的传递函数；/n以多个不同半余弦函数作为拟合冲击载荷信号的基函数组，将所述基函数组在时间轴上进行离散，得到半余弦基函数矩阵；所述基函数组的离散步数与所述传递函数的离散步数相同；利用遗传算法对所述半余弦基函数矩阵进行优化，得到优化后的半余弦基函数矩阵；/n利用传感器采集所述柔性天线结构的结构响应；所述结构响应包括所述柔性天线结构的位移响应或加速度响应；/n根据所述传递函数、所述优化后的半余弦基函数矩阵和所述结构响应，利用Tikhonov正则化方法进行求解，得到系数向量；根据所述系数向量和所述优化后的半余弦基函数矩阵确定冲击载荷。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法，其特征在于，所述识别方法包括如下步骤：
建立所述柔性天线结构的有限元模型，对所述有限元模型进行网格划分，得到由多网格单元构成的离散有限元结构；对所述离散有限元结构进行模态分析，得到所述离散有限元结构的多阶结构模态信息；根据所述多阶结构模态信息以及冲击载荷激励位置信息确定时域上离散的传递函数；
以多个不同半余弦函数作为拟合冲击载荷信号的基函数组，将所述基函数组在时间轴上进行离散，得到半余弦基函数矩阵；所述基函数组的离散步数与所述传递函数的离散步数相同；利用遗传算法对所述半余弦基函数矩阵进行优化，得到优化后的半余弦基函数矩阵；
利用传感器采集所述柔性天线结构的结构响应；所述结构响应包括所述柔性天线结构的位移响应或加速度响应；
根据所述传递函数、所述优化后的半余弦基函数矩阵和所述结构响应，利用Tikhonov正则化方法进行求解，得到系数向量；根据所述系数向量和所述优化后的半余弦基函数矩阵确定冲击载荷。


2.如权利要求1所述的一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法，其特征在于，所述建立所述柔性天线结构的有限元模型，对所述有限元模型进行网格划分，得到由多网格单元构成的离散有限元结构具体包括：
将所述柔性天线结构通过力学性能等效的方式简化为桁架结构，对所述桁架结构建立有限元模型；沿所述桁架结构的长度方向以设定长度对所述有限元模型进行网格划分，得到由多网格单元构成的离散有限元结构。


3.如权利要求1所述的一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法，其特征在于，所述根据所述多阶结构模态信息以及冲击载荷激励位置信息确定时域上离散的传递函数具体包括：
根据惯性完备性原理确定所述离散有限元结构的模态截断阶数P，所述多阶结构模态信息为所述离散有限元结构的前P阶结构模态信息；每一阶结构模态信息均包括模态质量、固有频率、模态阻尼比以及振型矩阵；其中，P为常数；
当所述结构响应为所述柔性天线结构的位移响应时，根据前P阶结构模态信息、冲击载荷激励位置信息以及传感器所在的响应点位置信息得到单位脉冲响应，根据所述单位脉冲响应确定时域上离散的位移-载荷传递函数，以所述位移-载荷传递函数作为时域上离散的传递函数。


4.如权利要求3所述的一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法，其特征在于，当所述结构响应为所述柔性天线结构的加速度响应时，根据前P阶结构模态信息、冲击载荷激励位置信息以及传感器所在的响应点位置信息得到单位脉冲响应；令所述单位脉冲响应对时间求二阶导，以得到加速度响应对应的单位脉冲响应，根据所述加速度响应对应的单位脉冲响应确定时域上离散的加速度-载荷传递函数，以所述加速度-载荷传递函数作为时域上离散的传递函数。


5.如权利要求1所述的一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法，其特征在于，所述以多个不同半余弦函数作为拟合冲击载荷信号的基函数组，将所述基函数组在时间轴上进行离散，得到半余弦基函数矩阵具体包括：
半余弦函数的表达式为：

σ、b分别为半余弦函数的宽度和中心轴位置；σ分别取区间[A1，A2]上均匀离散的M个值，b分别取区间[0，B]上均匀离散的N个值；其中，A1为半余弦函数宽度的下限，A2为半余弦函数宽度的上限；B为半余弦函数中心轴位置的上限；
根据M个σ的取值和N个b的取值确定MN个半余弦函数，以所述MN个半余弦函数作为拟合冲击载荷信号的基函数组；
将所述基函数组中的半余弦函数均在时间轴上进行离散，得到半余弦基函数矩阵。


6.如权利要求5所述的一种柔性天线结构的冲击载荷识别方法，其特征在于，所述利用遗传算法对所述半余弦基函数矩阵进行优化，得到优化后的半余弦基函数矩阵具体包括：
建立精确度评价指标Err，Err＝||f-fexact||2；其中，f为冲击载荷计算值；fexact为冲击载荷实际值；
选取Num个样本，每个所述样本包括冲击载荷实际值fexact和与fexact相对...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，邱雨晴，王磊，王晓宇，黄淳，季宏丽，裘进浩，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32