一种基于扫频试验的控制回路频域辨识方法技术

本申请属于航空发动机控制领域，特别涉及一种基于扫频试验的控制回路频域辨识方法，将生成的扫频正弦激励信号输入系统中，获取输出信号；将激励信号通过傅里叶变换获得处理后激励信号，将输出信号通过傅里叶变换获得处理后输出信号；将处理后激励信号与处理后输出信号相位之差作为闭环系统的相频；将处理后激励信号与处理后输出信号之比的分贝表示作为闭环系统的幅频；基于所述相频与幅频获取闭环系统辨识的传递函数，可获得对噪声数据的鲁棒性，避免了噪声对特性的干扰；可以完全自动化得到工程上可以应用的辨识结果，为进一步建立模型

【技术实现步骤摘要】
一种基于扫频试验的控制回路频域辨识方法


[0001]本申请属于航空发动机控制领域，特别涉及一种基于扫频试验的控制回路频域辨识方法
。

技术介绍

[0002]频域的系统辨识就是利用系统的频率特性来估计其模型的参数，系统的频域特性能够同它的结构以及参数联系起来，便于通过修改系统的参数或改变系统的元件调整系统的动态性能
。
虽然频域的辨识方法只能用于线性系统，但它对系统的扰动小，并且在辨识定常及非定常线性动力学系统的传递函数参数方面有很大的优势
。
[0003]扫频正弦信号是频率随时间变化的频率扫描信号，又称为扫频信号
。
由于它扫描的频率范围可以根据需要进行设置，因此在测试对象的动力特性时常被当作宽频的振动激励信号，也被广泛运用于测定系统的动态特性中
。
系统的输入信号可以表示为一组不同频率正弦信号的组合
。
系统的频率特性能够反映系统对不同频率正弦信号的响应特性
。
对于线性定常的稳定系统来说，将谐波信号输入到系统中而产生的稳态输出分量是与该谐波同一频率的谐波信号，而幅值和相位则是以频率
ω
为变量且与系统模型相关的函数
。
定义在谐波信号输入下，系统的输出响应中与输入谐波信号同一频率的分量与该输入谐波的幅值之比
A(
ω
)
称为幅频特性，相位之差称为相频特性
。
获得系统的频率特性只需要知道系统的输入信号与输出信号，无需了解系统内部的结构和参数等详细信息，而又可以通过测量获得系统的输入和输出信号，所以系统的频率特性有着重要的实用价值，在工程实践中有着广泛的应用
。
[0004]目前在航空发动机领域较多使用的基于时域的辨识方法，通过小台阶阶跃试验获取试验数据，再利用通用的频域辨识方法辨识传递函数，如：辅助变量法
、
极大似然法
、
最小二乘法等进行辨识
。
现有技术的缺点包括：
[0005]1、
由于存在噪声数据，波峰与波谷数据标记存在误差较大的现象；
[0006]2、
调整波峰与波谷
、
输入与输出的匹配数据需要耗费大量的人力，效率不高；
[0007]3、
无法针对不同的数据进行完全自动化程序输出结果
。

技术实现思路

[0008]为了解决上述问题，本申请提供了一种基于扫频试验的控制回路频域辨识方法，包括：
[0009]将生成的扫频正弦激励信号
X(t)
输入系统中，获取输出信号
Y(t)
；
[0010]将激励信号
X(t)
通过傅里叶变换获得处理后激励信号
X(k)
，将输出信号
Y(t)
通过傅里叶变换获得处理后输出信号
Y(k)
；
[0011]将处理后激励信号
X(k)
与处理后输出信号
Y(k)
相位之差作为闭环系统的相频；将处理后激励信号
X(k)
与处理后输出信号
Y(k)
之比的分贝表示作为闭环系统的幅频；
[0012]基于所述相频与幅频获取闭环系统辨识的传递函数
。
[0013]优选的是，所述相频的获取公式为：
[0014][0015][0016]其中，
φ
e
为相频，
M
为相频，
φ
out
为处理后输出信号
Y(k)
的相角，
φ
in
为处理后激励信号
X(k)
的相角，
A
f
为处理后输出信号
Y(k)
的幅值，
A
m
为处理后激励信号
X(k)
的幅值
。
[0017]优选的是，激励信号
X(t)
能够持续充分的激励系统的所有模态以保证系统可辨识性；输出信号
Y(t)
的采样频率至少是测试频率的2倍以上以满足香农采样定理
。
[0018]优选的是，基于相频和幅频，利用
MATLAB
频域函数
invfreqs(hp,w,nb,na),hp
为计算出来的系统频域特性的复数域表达，
w
为对应的频率值，单位为
rad/s,nb、na
分别为希望辨识的传递函数分子和分母的阶次
。
使用该方法即可得到与复频特性
hp
相对应的分子和分母阶数分别为
nb
和
na
的传递函数
。
返回值为传递函数的分子和分母系数
bb
和
aa,
从而得到闭环系统辨识的传递函数
。
[0019]优选的是，在激励信号
X(t)
通过傅里叶变换之前进行加窗修正，将输出信号
Y(t)
通过傅里叶变换之前进行加窗修正
。
[0020]优选的是，所述加窗修正的方法包括：改变采样窗的形状以及增大采样窗长度
。
[0021]优选的是，采样窗包括汉宁窗
、
海明窗和布莱克曼窗
。
[0022]优选的是，所述加窗修正采用汉宁窗
。
[0023]本申请的优点包括：可获得对噪声数据的鲁棒性，避免了噪声对特性的干扰；
[0024]可以完全自动化得到工程上可以应用的辨识结果，为进一步建立模型
、
开展仿真工作提供帮助
。
附图说明
[0025]图1是频域辨识流程图；
[0026]图2是
a2
小闭环扫频试验输入信号图；
[0027]图3是
a2
小闭环扫频试验输出信号图；
[0028]图4是闭环系统
Bode
图；
[0029]图5是辨识传递函数和实际信号
Bode
图；
[0030]图6是频率特性辨识误差曲线图；
[0031]图7分子是零阶
、
分母是二阶的传递函数辨识结果图
。
具体实施方式
[0032]为使本申请实施的目的
、
技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述
。
在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件
。
所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式
。
下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制
。
基于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于扫频试验的控制回路频域辨识方法，其特征在于，包括：将生成的扫频正弦激励信号
X(t)
输入系统中，获取输出信号
Y(t)
；将激励信号
X(t)
通过傅里叶变换获得处理后激励信号
X(k)
，将输出信号
Y(t)
通过傅里叶变换获得处理后输出信号
Y(k)
；将处理后激励信号
X(k)
与处理后输出信号
Y(k)
相位之差作为闭环系统的相频；将处理后激励信号
X(k)
与处理后输出信号
Y(k)
之比的分贝表示作为闭环系统的幅频；基于所述相频与幅频获取闭环系统辨识的传递函数
。2.
如权利要求1所述的基于扫频试验的控制回路频域辨识方法，其特征在于，所述相频的获取公式为：的获取公式为：其中，
φ
e
为相频，
M
为相频，
φ
out
为处理后输出信号
Y(k)
的相角，
φ
in
为处理后激励信号
X(k)
的相角，
A
f
为处理后输出信号
Y(k)
的幅值，
A
m
为处理后激励信号
X(k)
的幅值
。3.
如权利要求1所述的基于扫频试验的控制回路频域辨识方法，其特征在于，激励信号
X(t)
能够持续充分的激励系统的所有模态以保证系统可辨识性...

【专利技术属性】
技术研发人员：哈菁，李文涛，李庚伟，郝彬彬，孟祥禄，刘凯，刘易斯，李杰杰，左伟，李琛，
申请(专利权)人：中国航发沈阳发动机研究所，
类型：发明
国别省市：