一种用于风洞飞行实验的正交多正弦激励信号设计方法技术

本发明专利技术涉及风洞实验和飞行器激励设计领域，提供一种用于风洞飞行实验的正交多正弦激励信号设计方法，包括如下步骤：首先通过设定激励周期、激励覆盖的频率范围和舵面数量，得到谐波分量的总数；然后根据谐波分量的总数，为每个舵面分配等量的谐波分量数量并设定每个舵面中的谐波分量的幅值；其次使用PSO算法对每个舵面中的谐波分量的相位进行优化；最后得到每个舵面中的正交多正弦激励信号。本发明专利技术设计流程简洁高效，采用PSO算法优化相位，使得到的正交多正弦激励信号内的各频率分量相互正交，因此它可同时施加在多个操纵面上，使飞机在短时间内产生大量的运动信息，从而实现对多个轴的同时辨识，提高风洞飞行试验效率和安全性。全性。全性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于风洞飞行实验的正交多正弦激励信号设计方法


[0001]本专利技术涉及风洞实验和飞行器激励设计领域，特别涉及一种用于风洞飞行实验的正交多正弦激励信号设计方法。

技术介绍

[0002]在风洞飞行实验中对飞机进行系统辨识时，需要利用丰富的运动信息来解析模型。为了获得更多可靠的数据信息，则需要设计一个有效的激励方案，用于充分激发飞行器的运动模态。
[0003]目前，风洞飞行实验中常用的激励形式有对偶方波、3211方波、211方波和扫频。其中，对偶方波在低频区域的频率分量较为单一。这三种方波信号的能量总集中在一段狭小的频率区间，因此，在实验中需要多次施加不同频率的信号才能激发更多的运动模态。扫频信号与这3种方波信号相比，各频率分量能量均匀且频带更宽，在飞行器固有频率未知的情况下，更有可能覆盖到感兴趣的频率范围。但是，扫频信号只能确定频率范围，在对应范围内分量的能量一致，无法针对某一分量增加或减小能量，且扫频信号的频率有一个逐渐递增的历程，因此需要较长的激励时间，可能会使飞行器逐渐偏离正常飞行状态，在开环状态下实验的安全性较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种用于风洞飞行实验的正交多正弦激励信号设计方法，以解决现有技术中存在的激励形式单一，并且激励时间较长，安全性较低的问题。本专利技术是这样实现的：一种用于风洞飞行实验的正交多正弦激励信号设计方法，包括：设定激励周期、激励覆盖的频率范围和舵面数量；基于所述激励周期和所述频率范围，得到谐波分量的总数；基于所述谐波分量的总数，为个舵面分配等量的谐波分量数量，其中；设定第个舵面中的谐波分量的幅值，其中；使用PSO算法对第个舵面中的谐波分量的相位进行优化，得到优化后的第个舵面中的谐波分量的相位；将所述激励周期、所述谐波分量数量、第个舵面中的谐波分量的幅值和优化后的第个舵面中的谐波分量的相位代入正交多正弦激励信号的公式，得到第个舵面中的正交多正弦激励信号；每个舵面按照第个舵面的正交多正弦激励信号的计算方式执行，从而得到个舵面的正交多正弦激励信号。
[0005]进一步地，谐波分量的总数为：
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（1）其中，为向下取整，所述谐波分量的最小频率需要满足；和/或，幅值为：
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（2）其中，为预设的正交多正弦激励信号的最大幅值。
[0006]进一步地，所述正交多正弦激励信号的公式为：
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（3）其中，为第个舵面的正交多正弦激励信号，为第个舵面的谐波分量数，为激励周期，为第个舵面的第个谐波分量，为第个舵面的第个谐波分量的幅值，为第个舵面的第个谐波分量的相位，为时间。
[0007]进一步地，使用PSO算法对第个舵面中的谐波分量的相位进行优化，得到优化后的第个舵面中的谐波分量的相位，包括：基于第个舵面中的谐波分量数，初始化粒子群和参数设置，使每一个粒子的位置表示为一个维向量，代表第个舵面中的个谐波分量的相位；基于适应度函数，得到粒子群中每个粒子的初始适应度值；基于每个粒子的初始适应度值，得出初始个体极值和初始全局极值；基于所述初始个体极值、所述初始全局极值、粒子位置更新表达式和粒子速度更新表达式，迭代更新每个粒子的位置和速度；判断是否满足退出条件，若满足退出条件则退出优化，若不满足则继续迭代更新粒子的位置和速度，直至满足退出条件；输出全局极值对应的粒子的位置，得到优化后的第个舵面中的谐波分量的相位。
[0008]进一步地，所述基于第个舵面中的谐波分量数，初始化粒子群和参数设置，使每一个粒子的位置表示为一个维向量，代表第个舵面中的个谐波分量的相位，包括：设定第个舵面中的谐波分量的相位的区间为；基于第个舵面中的谐波分量数建立维的搜索空间；在维的搜索空间中随机生成个粒子组成一个种群，每一个粒子的位置表示为一个维向量，代表第个舵面中的个谐波分量的相位；随机初始化个粒子的初始位置，则第个粒子的初始位置为：
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（4）；随机初始化个粒子的初始速度，则第个粒子的初始速度为：
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（5）。
[0009]进一步地，所述适应度函数为：
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（6）其中，为适应度值，和分别为第个舵面的正交多正弦激励信号的最大幅值和最小幅值，为均方根。
[0010]进一步地，基于适应度函数，得到粒子群中每个粒子的初始适应度值，包括：基于个粒子的初始位置，得到个相位；将个相位、激励周期、谐波分量数和幅值代入正交多正弦激励信号的公式，得到个粒子分别对应的正交多正弦激励信号；基于个粒子分别对应的正交多正弦激励信号和适应度函数，分别得到个粒子的初始适应度值。
[0011]进一步地，所述初始个体极值为个粒子中每一个粒子的初始适应度值，所述初始全局极值为个粒子的初始适应度值中最小的值。
[0012]进一步地，基于所述初始个体极值、所述初始全局极值、粒子位置更新表达式和粒子速度更新表达式，迭代更新每个粒子的位置和速度，包括：基于初始个体极值、初始全局极值、粒子速度更新表达式和粒子位置更新表达式，对粒子的位置和粒子的速度进行更新，每一次更新之后，个体极值为每一个粒子在当前位置的适应度值和上一个位置的适应度值之中较小的适应度值，全局极值为当前个粒子中的适应度值最小的值；粒子位置更新表达式为：
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（7）其中，表示第个粒子在第次迭代后的位置，表示第个粒子在第
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1次迭代后的位置，表示第个粒子在第
‑
1次迭代后的速度；粒子的速度更新表达式为： （8）其中，表示第个粒子在第次迭代后的速度，和为加速度常数，为随机函数。
[0013]进一步地，所述退出条件设定为：计算的适应度值小于或等于预设的适应度值或达到预设的迭代次数。
[0014]本专利技术采用的技术方案能够达到以下有益效果：本专利技术设计流程简洁高效，采用PSO算法优化相位，利用PSO算法收敛速度更快、需要调整的参数更少、更易于工程实现的优势对舵面中的谐波分量的相位进行优化，使得到的正交多正弦激励具有：更宽的频带，在飞机固有频率未知时，可以一次性激发更多的运动模态；能够对每个频率分量做单独调整，可提高激励设计的可控性；由于激励信号内各频率分量相互正交，因此它可同时施加在多个操纵面上，使飞机在短时间内产生大量的运动信息，从而实现对多个轴的同时辨识，提高风洞飞行试验效率和安全性。
附图说明
[0015]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，下面将对实施例或现有技术描述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。
[0016]图1是本专利技术实施例的流程示意图；图2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于风洞飞行实验的正交多正弦激励信号设计方法，其特征在于，包括：设定激励周期、激励覆盖的频率范围和舵面数量；基于所述激励周期和所述频率范围，得到谐波分量的总数；基于所述谐波分量的总数，为个舵面分配等量的谐波分量数量，其中；设定第个舵面中的谐波分量的幅值，其中；使用PSO算法对第个舵面中的谐波分量的相位进行优化，得到优化后的第个舵面中的谐波分量的相位；将所述激励周期、所述谐波分量数量、第个舵面中的谐波分量的幅值和优化后的第个舵面中的谐波分量的相位代入正交多正弦激励信号的公式，得到第个舵面中的正交多正弦激励信号；每个舵面按照第个舵面的正交多正弦激励信号的计算方式执行，从而得到个舵面的正交多正弦激励信号。2.根据权利要求1所述的一种用于风洞飞行实验的正交多正弦激励信号设计方法，其特征在于，所述谐波分量的总数为：
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（1）其中，为向下取整，所述谐波分量的最小频率需要满足；和/或，所述幅值为：
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（2）其中，为预设的正交多正弦激励信号的最大幅值。3.根据权利要求1所述的一种用于风洞飞行实验的正交多正弦激励信号设计方法，其特征在于，所述正交多正弦激励信号的公式为：
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（3）其中，为第个舵面的正交多正弦激励信号，为第个舵面的谐波分量数，为激励周期，为第个舵面的第个谐波分量，为第个舵面的第个谐波分量的幅值，为第个舵面的第个谐波分量的相位，为时间。4.根据权利要求1所述的一种用于风洞飞行实验的正交多正弦激励信号设计方法，其特征在于，使用PSO算法对第个舵面中的谐波分量的相位进行优化，得到优化后的第个舵面中的谐波分量的相位，包括：基于第个舵面中的谐波分量数，初始化粒子群和参数设置，使每一个粒子的位置表示为一个维向量，代表第个舵面中的个谐波分量的相位；基于适应度函数，得到粒子群中每个粒子的初始适应度值；基于每个粒子的初始适应度值，得出初始个体极值和初始全局极值；基于所述初始个体极值、所述初始全局极值、粒子位置更新表达式和粒子速度更新表达式，迭代更新每个粒子的位置和速度；
判断是否满足退出条件，若满足退出条件则退出优化，若不满足则继续迭代更新粒子的位置和速度，直至满足退出条件；输出全局极值对应的粒子的位置，得到优化后的第个舵面中的谐波分量的相位。5.根据权利要求4所述的一种用于风洞飞行实验的正交多正弦激励信号设计方法，其特征在于，所述基于第个舵面中的谐波分量数，初始化粒子群和参数设置，使每一个粒子的位置表示为一个维向量，代表第个舵面中的个谐波分量的相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：岑飞，徐若洋，蒋永，杨宇，魏政磊，郭天豪，任忠才，朱任宇，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：