一种随机激励下空气舵模态参数准确获取方法与流程

1.本发明属于测量测试技术领域，具体涉及一种随机激励下空气舵模态参数准确获取方法。


背景技术：

2.空气舵系统是飞行器控制系统的重要执行机构，与传统的导弹结构相比，新型飞行器舵尺寸与质量占比越来越大，空气舵自身模态对整体结构姿态的影响较大，控制系统设计不准确，可能会导致产品飞行时失控；同时，空气舵系统具有强非线性，飞行时，在气动力作用下，舵系统低频频率可能会与飞行器弹性频率耦合，导致飞行器失稳。通过空气舵模态试验获取空气舵系统模态参数，可用于空气舵动力学模型修正以及气动弹性分析，为控制系统设计提供重要的数据参考。
3.目前空气舵模态参数获取通常使用正弦激励方法，在舵面安装加速度传感器，利用激振器对舵施加正弦激励，通过分析各测点的频响函数，得到空气舵的模态参数。空气舵系统属于强非线性结构，在非线性影响下，正弦激励获得的频响函数通常存在明显的失真现象，例如对称性差、不光滑等问题，通过分析此频响函数获得的频率和阻尼比往往误差较大。
4.随机激励方法具有良好的非线性系统线性化的作用，随机激励下得到的频响函数形式接近线性系统的频响函数，极大的提高了频响函数的品质，减小频率、阻尼比等参数的识别误差，使测量结果更准确。同时，通过对比不同大小的激振力(均方根值)下测得的频响函数峰值偏移情况，可以分析被测试系统的非线性。
5.综上，现有空气舵模态参数获取方法获得的测试结果受非线性影响大，获得的结构频响函数存在失真现象，获得的频率和阻尼比误差较大，需要进行改进。


技术实现要素：

6.本发明提供一种随机激励下空气舵模态参数准确获取方法，目的是解决现有技术获得的测试结果受非线性影响大，获得的结构频响函数存在失真现象，获得的频率和阻尼比误差较大的问题。
7.本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
8.一种随机激励下空气舵模态参数准确获取方法，包括如下步骤：
9.第一步：测试系统搭建；
10.第二步：测试系统与激励系统调试；
11.第三步：频响函数获取；
12.第四步：分析频率、阻尼比和振型等模态参数；
13.至此，完成随机激励下空气舵模态参数准确获取。
14.作为进一步优化，随机激励下空气舵模态参数准确获取方法还包括：
15.第五步：不同量级激振力下频响函数获取，分析结构的非线性。
16.作为进一步优化，第五步不同量级激振力下频响函数获取，分析结构的非线性包括如下步骤：
17.通过调节控制电压输出，观察力反馈大小，选取不少于三组量级不同的激振力，分别进行频响函数获取，将三组频响函数进行对比，查看频响函数波峰对应频率位置的变化情况，对于非线性系统，随着激振力的增加，频率先下降后趋于稳定，对于线性系统，激振力增大，频率应保持不变。
18.作为进一步优化，第一步测试系统搭建包括如下步骤：
19.舵系统安装在舱段上或者飞行器上，在舵面上安装加速度传感器和力传感器，将激振器调整至合适的位置和高度，激振器顶杆与力传感器连接。
20.作为进一步优化，第一步测试系统搭建中，舵系统产品整体用弹性绳自由悬吊或直接放置在架车上。
21.作为进一步优化，第一步测试系统搭建中，激振器在舵面悬臂处施加激励，通过控制系统输出电压设置，使激振器输出不同量级的激振力，激振器激励位置安装力传感器，测试系统同时测量激振力和舵面加速度信号。
22.作为进一步优化，第二步测试系统与激励系统调试包括如下步骤：
23.通过控制系统设定输出电压值，激振器发出激励信号，观察加速度传感器输出信号，如果有传感器无输出信号或者输出信号错误，需要更换传感器或者线缆，直至所有通道输出正常；
24.调节功率放大器增益以及控制系统输出电压，观察力传感器反馈信号，使力反馈信号达到理想值。
25.作为进一步优化，第二步中，力反馈信号的理想值为：峰峰值60～70n，均方根值20n。
26.作为进一步优化，第三步频响函数获取包括如下步骤：
27.通过加速度传感器和力传感器获得的响应，经过谱分析得到激励的自功率谱密度g
ff
(ω)和激励与响应的互功率谱密度g
xf
(ω)，再计算出频响函数：
[0028][0029]
式中：h(ω)为频响函数；g
xf
(ω)为力与响应的互功率谱；g
ff
(ω)为力激励的自功率谱。
[0030]
作为进一步优化，第四步分析频率、阻尼比和振型等模态参数包括如下步骤：
[0031]
对于任意的粘性阻尼的多自由度系统，其动力学微分方程为：
[0032][0033]
进行拉普拉斯变换得
[0034]
x(s)＝h(s)f(s)
[0035]
式中：
[0036]
当时，系统的频响函数可表示为：
[0037][0038]
式中：ξ
i
为模态阻尼比；为固有频率；ψ
i
为振型；
[0039]
由第三步中得到的实测频响函数和上述频响函数的理论公式，确定结构的固有频率、阻尼比和振型，通过稳态图进行识别。
[0040]
作为进一步优化，第四步中采用的识别方法是：在某一频响函数幅频特性曲线，或多个频响函数求和后的幅频特性曲线上标注文字符号，如果每次增加计算模态数后，得到的极点和留数都基本不变，则在该频率处注上一个符号“s”，只有稳定地注有“s”的频率，才可以确定是真实模态频率，通过实测稳态图识别稳定含有“s”的频率，计算得到舵系统的模态参数，包括频率、阻尼比和振型。
[0041]
本发明所取得的有益技术效果是：
[0042]
与现有技术相比，非线性系统线性化效果佳，测试速度快，可以减小非线性对测试结果的影响，减小模态频率和阻尼比的测试误差，为结构模型修正以及控制系统设计提供更加准确的参数，获得的频响函数品质较好，识别的模态频率和阻尼比准确性高。
附图说明
[0043]
图1是本发明其中一种具体实施例的流程框图；
[0044]
图2是本发明其中一种具体实施例的频响函数稳态图；
[0045]
图3是本发明其中一种具体实施例在不同量级随机激励下的频响函数；
[0046]
图4是本发明其中一种具体实施例20n量级随机激励时域力信号；
[0047]
图5是本发明其中一种具体实施例40n量级随机激励时域力信号；
[0048]
图6是本发明其中一种具体实施例20n随机激励下的加速度时域信号；
[0049]
图7是本发明其中一种具体实施例40n随机激励下的加速度时域信号；
[0050]
图8是采用现有技术在正弦激励下的频响函数；
[0051]
图9是采用现有技术在正弦激励下的频响函数稳态图；
[0052]
图10是本发明其中一种具体实施例在随机激励下的频响函数；
[0053]
图11是本发明其中一种具体实施例在随机激励下的频响函数稳态图。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域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，都属于本发明要求保护的范围。
[0055]
如图1所示，一种随机激励下空气舵模态参数准确获取方法的具体实施例，按如下步骤进行：
[0056]
第一步：测试系统搭建
[0057]
舵系统安装在舱段上或者飞行器上，本具体实施例中产品整体用弹性绳自由悬
吊，根据实际情况也可以直接放置在架车上。
[0058]
首先在舵面上安装加速度传感器和力传感器，将激振器调整至合适的位置和高度，激振器顶杆与力传感器连接。本具体实施例中激振器在舵面悬臂处施加激励，通过控制系统输出电压设置，使激振器输出不同量级的激振力，激振器激励位置安装力传感器，测试系统同时测量激振力和舵面加速度信号。
[0059]
第二步：测试系统与激励系统调试
[0060]
通过控制系统设定输出电压值，激振器发出激励信号，观察加速度传感器输出信号，如果有传感器无输出信号或者输出信号错误，需要更换传感器或者线缆，直至所有通道输出正常。
[0061]
调节功率放大器增益以及控制系统输出电压，观察力传感器反馈信号，使力反馈信号达到理想值，本具体实施例中的理想值为：峰峰值60～70n，均方根值20n。
[0062]
第三步：频响函数获取
[0063]
通过加速度传感器和力传感器获得的响应，经过谱分析得到激励的自功率谱密度g
ff
(ω)和激励与响应的互功率谱密度g
xf
(ω)，再计算出频响函数：
[0064][0065]
式中：为频响函数；为力与响应的互功率谱；为力激励的自功率谱。
[0066]
第四步：分析频率、阻尼比和振型等模态参数
[0067]
对于任意的粘性阻尼的多自由度系统，其动力学微分方程为：
[0068][0069]
进行拉普拉斯变换得
[0070]
x(s)＝h(s)f(s)
[0071]
式中：
[0072]
当时，系统的频响函数可表示为：
[0073][0074]
式中：ξ
i
为模态阻尼比；为固有频率；ψ
i
为振型。
[0075]
由第三步中得到的实测频响函数和上述频响函数的理论公式，确定结构的固有频率、阻尼比和振型。
[0076]
通过稳态图进行识别，如图2所示，本具体实施例中采用的识别方法是：在某一频响函数幅频特性曲线，或多个频响函数求和(累加)后的幅频特性曲线上标注文字符号，如果每次增加计算模态数后，得到的极点和留数都(在规定容差内)基本不变，则在该频率处注上一个符号“s”；如只有模态频率不变，则注上“f”；如只有阻尼不变，则注上“d”；如只有
留数不变，则注上“v”。只有稳定地注有“s”的频率，才可以确定是真实模态频率。
[0077]
通过实测稳态图识别稳定含有“s”的频率，计算得到舵系统的模态参数，包括频率、阻尼比和振型。
[0078]
至此，完成随机激励下空气舵模态参数准确获取。
[0079]
本具体实施例中还包括对获取的空气舵模态参数进行进一步分析，按如下步骤进行：
[0080]
第五步：不同量级激振力下频响函数获取，分析结构的非线性
[0081]
通过调节控制电压输出，观察力反馈大小，选取不少于三组量级不同的激振力，如图3所示，本具体实施例中选取均方根值为20n、30n、40n的三组，分别进行频响函数获取，将三组频响函数进行对比，查看频响函数波峰对应频率位置的变化情况。对于非线性系统，随着激振力的增加，频率先下降后趋于稳定，对于线性系统，激振力增大，频率应保持不变。
[0082]
本具体实施例中，如果对应频率基本不变，则说明被测结构不存在非线性或者非线性较弱，如果频率发生较大变化，则说明结构存在非线性。
[0083]
传统正弦激励可以通过力控实现，可以精确控制每组激振力的大小；本具体实施例中随机激励通过电压控制，即使输出电压相同，如果功率放大器增益不同，激振力可能相差很多，本具体实施例中通过调节增益大小，保证随机激励激振力峰峰值和均方根值在确定的范围内，20n和40n量级随机激励时域力信号和加速度时域信号如图4～7所示。
[0084]
本具体实施例所取得的有益技术效果包括：
[0085]
如图8和图9所示，在非线性影响下，现有技术采用的正弦激励获得的结构频响函数存在失真现象，通过稳态图难以识别到波峰位置，获得的频率和阻尼比误差较大。
[0086]
如图10和图11所示，本具体实施例采用的随机激励方法可以消除非线性的影响，测得的频响函数近似于线性系统的频响函数，对称性好，识别的模态参数精度高。同时还可以通过对比不同量级的激振力下的频响函数，根据频响函数峰值移动情况判断系统的非线性。
[0087]
综上，本具体实施例与现有技术相比，非线性系统线性化效果佳，测试速度快，可以减小非线性对测试结果的影响，减小模态频率和阻尼比的测试误差，为结构模型修正以及控制系统设计提供更加准确的参数，获得的频响函数品质较好，识别的模态频率和阻尼比准确性高，解决了现有技术存在的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。