[发明专利]一种风洞强迫振动动稳定性导数试验数据处理方法

说明书

技术领域

本发明涉实验流体力学领域，具体的说是一种风洞强迫振动动稳定性导数试验数据处理方法。

背景技术

动稳定性导数(简称动导数)是飞行器气动力系数和气动力矩系数对飞行器无量纲旋转角速度或姿态角变化率的导数，是飞行器导引系统和控制系统设计以及动态品质分析的原始气动参数，主要用于描述飞行器的动态稳定性。强迫振动法是风洞试验获取飞行器动导数的主要方法之一。强迫振动法采用驱动机构带动模型在某一自由度作简谐振动，应变天平测量气动力(矩)随运动的动态响应来计算动导数。

强迫振动动导数试验可以分为俯仰、偏航和滚转三种类型的动导数试验。以俯仰动导数试验为例说明强迫振动动导数试验数据处理原理。模型作单自由度俯仰强迫振动运动时，其振动微分方程为：

上式中：I_zm为绕穿过质心的俯仰轴的转动惯量，θ为模型的角位移，通过角位移传感器动态采集输出，C为振动系统的机械阻尼，为气动俯仰阻尼力矩导数，k振动系统的弹性铰链常数，M_θ为气动俯仰恢复力矩导数，ω_y为振动的角速度，为外加强迫振动力矩，通过应变天平采集输出，其中和M_θ为动导数试验最终需要获取的变量。

方程(1)是一个常系数、线性、二阶非齐次微分方程。方程的解由两部分组成，一部分是方程所对应的齐次形式的通解，另一部分是非齐次方程的特解。齐次方程的通解随时间很快就衰减掉了，因此关心的是其特解，即：

式中：θ₀—最大俯仰角位移，rad；—外加力矩和振动角位移之间的相位角，rad。

代入方程(1)，可得：

由公式(3)和(4)可见，强迫振动动导数试验数据处理的关键是获取施加的外加力矩振幅M_y、外加力矩与振动角位移之间的相位角但对于高速风洞动导数试验，风洞中存在的各种形式的扰动(如气流速度或压强的脉动、噪声等)所产生的气动力矩可能与被测量的气动力矩数量级相同，并且应变天平反映的总力矩信号中还混杂有大的谐波和噪声干扰信号，导致风洞动态气动力数据信噪比低，典型状态下接近0dB。另一方面受载荷变化影响，模型振动频率不是单一恒定的。故，实际采集到的角位移和力矩信号为：

式中：

M₀—静力矩信号；

M_yθ₀sin(ωt)—基波信号；

—各次谐波信号；

M_c(t)、θ_c(t)—随机噪声信号。

θ₀′sin[(ω+△ω)t]—变频干扰信号

正是上面所述特点给动导数数字处理带来了较大困难。为了解决此问题，动导数团队对主流的三类方法进行了测试：

1)傅里叶分析法

通过直接对位移和力矩信号进行离散傅里叶变换获得其幅值和相位关系。数值仿真表明，该方法可在无噪声的情况下应用，但在位移和气动力(矩)数据分别加入1％幅值的白噪声时，傅里叶分析法相位辨识处理误差达到0.2°～1°，误差量值与有效信号量值(在典型状态下有效量值为1°)接近，而动导数试验中噪声幅值水平接近10％。

2)采用延时移相的相关法

该方法需要对位移信号移相90°，因模型名义运动频率已知，可直接对信号进行延时获得信号移相90°的数据。该方法的主要缺点是不具备抗频率漂移能力，因其使用的基本假定是模型运动和气动力(矩)响应都是单频信号，但实际动导数试验信号由于驱动电机随机失步影响，并不满足此前提，由此会造成移相误差。数值仿真也表明：模型运动频率偏移1％引起的偏差就与有效信号同量级。

3)采用差分法移相的相关法

该方法通过对信号进行差分并除以角频率的方法获得信号移相90°的数据，能克服频率偏移或漂移影响，但移相处理时会对数据信号幅值进行系数加权，且系数权值与信号自身的频率成正比，而模型强迫振动频率相对噪声频率较低，导致噪声信号被放大，降低了数据处理结果的信噪比。

发明内容

本发明的目的是在上述三种方法受均不能满足高速动导数试验数据处理需求下，通过数值仿真和理论分析，提出一种能克服噪声和振动频率漂移影响动导数数据处理方法，从存在噪声干扰和/或频率偏移的强迫振动动导数试验原始数据获取动导数。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：