飞机和旋翼机系统辨识 工程方法和飞行试验案例PDF格式文档图书下载

第1章 频域系统辨识的简介及其发展简史 1

1.1 飞机和旋翼机系统辨识的基本概念 1

1.1.1 频率响应模型 3

1.1.2 传递函数模型 3

1.1.3 状态空间模型 4

1.2 仿真和系统辨识的关系 6

1.3 旋翼机系统辨识的特殊挑战 8

1.4 飞行器系统辨识中的参数化模型及非参数模型的其他作用 8

1.5 频率响应辨识方法很适合于飞行器的开发研制 11

1.6 确定飞行力学模型时系统辨识方法的作用及其局限性 16

1.7 频域方法用于飞机和旋翼机系统辨识的发展简史 17

1.8 本书的组织结构 19

习题 20

第2章 系统辨识的频率响应法 22

2.1 频率响应辨识方法的技术路线 22

2.2 频率响应法用于飞行器系统辨识的主要特点 26

2.3 频率响应辨识方法用于XV-15倾转旋翼机 31

2.3.1 XV-15扫频数据：V＝170kn 32

2.3.2 仿真模型验证 33

2.3.3 辨识传递函数模型 34

2.3.4 操纵品质规范 35

2.3.5 巡航状态下的稳定和控制导数辨识 36

2.3.6 巡航状态辨识模型的时域验证 39

2.3.7 悬停状态下的稳定和控制导数辨识和验证 42

2.4 CIFER应用举例 46

习题 46

第3章 案例描述 49

3.1 倒立摆问题 49

3.2 XV-15倾转旋翼机 51

3.3 XV-15悬停时的飞行动态 52

3.4 闭环悬停飞行试验中的测量 53

3.5 XV-15悬停状态下的测试数据库 54

3.6 XV-15巡航时的动态特性 56

3.7 开环巡航飞行试验中的测量 57

3.8 XV-15巡航状态下的飞行试验数据库 58

习题 59

第4章 CIFER软件概述 61

4.1 CIFER软件的基本特征 61

4.2 CIFER中的数据流 63

4.3 CIFER软件的菜单 64

4.4 CIFER用户界面 66

4.5 CIFER实用程序例子 69

4.6 CIFER同其他工具的接口 71

习题 72

第5章 时间历程数据的采集 73

5.1 系统辨识中的数据需求概述（时域和频域） 73

5.1.1 适用的频率范围 73

5.1.2 动态耦合 74

5.2 最优输入设计 75

5.3 频率响应辨识方法中推荐的驾驶员输入 76

5.4 对试验仪器的要求 78

5.5 驾驶员扫频概述 80

5.6 扫频输入信号的详细设计 81

5.7 飞行试验阶段的考虑 83

5.8 飞机本体辨识的开环和闭环试验 84

5.9 驾驶员扫频中哪些重要哪些不重要 86

5.10 驾驶员扫频技术中关键点归纳 89

5.11 计算机生成扫频 90

5.11.1 离线仿真模型的系统辨识试验 92

5.11.2 确定结构响应 95

5.11.3 无人飞行器 97

5.11.4 自动扫频试验中的重要事项 99

5.12 利用其他类型的输入信号进行频率响应辨识 99

习题 103

第6章 数据协调性和数据重构 105

6.1 飞行试验数据测量误差的建模 105

6.1.1 利用动力学协调性方法消除飞行试验数据中的测量误差 107

6.1.2 基于SMACK的B0105飞行试验分析 109

6.1.3 应用SMACK进行进一步的数据协调性分析试验 112

6.2 数据协调性和状态重构的简易方法 113

6.2.1 角运动量的协调 114

6.2.2 仪器系统特性的校正 116

6.2.3 线运动参数的协调性 118

6.2.4 错误数据点的检测 121

6.2.5 控制装置标定 123

习题 124

第7章 单输入／单输出系统频率响应辨识理论 126

7.1 频率响应的定义 127

7.2 建立时域信号的傅里叶变换与频率响应H（f）的关系 127

7.3 解释频率响应的一个简单例子 129

7.4 一般性结论 131

7.5 傅里叶变换和谱函数的计算 132

7.5.1 谱函数 132

7.5.2 谱函数辨识中的偏差和随机误差 133

7.5.3 分窗法 134

7.5.4 快速傅里叶变换和线性调频Z变换 136

7.6 谱函数的说明 137

7.7 频率响应的计算 138

7.7.1 无输入测量噪声时输出噪声对H1（f）估计的影响 139

7.7.2 输入噪声对H1（f）估计的影响 141

7.7.3 频率响应计算的第二计算式 142

7.7.4 存在非线性因素时频率响应的说明：描述函数 143

7.8 相干函数 143

7.9 频率响应估计中的随机误差 145

7.10 窗口尺寸选择及其折中 147

7.10.1 标称窗口尺寸（Twin）的选择 147

7.10.2 最大窗口尺寸 148

7.10.3 最小窗口尺寸 149

7.10.4 结构响应辨识中的窗口尺寸要求 149

7.10.5 窗口选择上的权衡 152

7.11 在CIFER中采用FRESPID进行频率响应辨识 152

7.12 频率响应辨识准则的总结 154

7.13 举例：倒立摆 154

7.14 应用和例子 156

7.14.1 时间历程信号的谱分析 157

7.14.2 驾驶员截止频率的确定 158

7.14.3 操纵品质规范的符合性 160

7.14.4 用数值方法提取线性模型 163

7.14.5 飞行仿真验证 165

7.14.6 稳定裕度试验 166

7.14.7 控制系统模型验证 170

习题 176

第8章 反馈调节系统工作时的飞机本体动态辨识 180

8.1 闭环辨识中的限制条件 180

8.2 偏差的量值 181

8.3 偏差定义 183

8.4 闭环条件下辨识结果的数字分析 184

8.4.1 无噪声（n＝0）时闭环响应p/δlat和飞机本体p/δa响应的辨识 185

8.4.2 闭环条件下噪声对飞机本体响应辨识的影响 187

8.4.3 在参数辨识中确定偏差量值 191

8.5 飞行试验建议 191

8.6 不稳定倒立摆动态的辨识 192

8.7 结论 193

习题 194

第9章 多输入辨识技术 197

9.1 多输入技术 197

9.2 对多输入辨识技术的需求 198

9.2.1 轴间动态耦合（条件1） 198

9.2.2 控制输入关联（条件2） 198

9.2.3 一般性考虑 199

9.3 简单的双输入示例 199

9.3.1 使用单输入／单输出解 200

9.3.2 双输入／单输出解 201

9.3.3 双输入／多输出解 203

9.4 规整谱量 203

9.5 使用XV-15飞行数据的双输入辨识解示例 205

9.6 一般MIM0解 209

9.6.1 一般MISO解 210

9.6.2 联合MISO分析以获得MIMO解 211

9.7 强控制相关 212

9.8 在CIFER中使用MISOSA进行多输入辨识 213

9.9 悬停直升机的MISO解示例 215

9.10 使用多输入机动进行MIMO辨识 217

9.11 确定MIMO控制系统的开环响应 218

习题 220

第10章 复合分窗 222

10.1 背景 222

10.2 复合分窗法 223

10.3 窗口尺寸的选择 225

10.4 在CIFER中使用COMPOSITE计算复合窗口 225

10.5 倒立摆的复合窗口法处理结果 226

10.6 单输入和多输入分析中的COMPOSITE分窗 226

10.7 XV-15悬停状态p/δlat闭环SISO辨识的复合分窗结果 230

10.8 BO105直升机MIMO辨识的复合分窗结果 232

10.9 结构系统辨识的复合结果 233

10.10 复合分窗用于时间历程信号的谱分析 234

10.11 总结 235

习题 236

第11章 建立传递函数模型 238

11.1 传递函数建模的目的 238

11.2 传递函数模型的辨识方法 239

11.3 模型结构选择 241

11.3.1 模型的最终用途 242

11.3.2 输入／输出变量对的选择 242

11.3.3 拟合的频率范围（ω1～ωnω） 242

11.3.4 分子多项式和分母多项式的阶次（m和n） 243

11.3.5 包含等效时间延迟τeq 244

11.3.6 拟合过程中的固定或自由系数 244

11.4 在CIFER中使用NVAVFIT辨识SISO传递函数模型 244

11.5 倒立摆实例 245

11.6 操纵品质方面的应用 246

11.6.1 ADOCS验证机的LOES操纵品质评估 247

11.6.2 固定翼飞机的横航向动态模型辨识 251

11.7 飞行动力学特性研究 256

11.7.1 直升机旋翼—机身耦合的基本原理 257

11.7.2 OH-58D的辨识（高挥舞刚度示例） 263

11.8 用于控制系统设计的飞行动力学模型 265

11.9 气动弹性模型辨识 267

11.10 子系统部件建模 270

11.11 总结和展望 272

习题 272

第12章 状态空间模型辨识——基本概念 275

12.1 背景 275

12.2 使用频率响应方法进行MIMO状态空间模型辨识 277

12.2.1 状态空间模型结构 277

12.2.2 在完整结构中包含传递函数模型形式 279

12.2.3 辨识代价函数和求解方法 280

12.3 精度分析 282

12.3.1 Cramér-Rao不等式和Cramér-Rao边界的确定 283

12.3.2 Cramér-Rao边界的验证计算 286

12.3.3 Cramér-Rao边界和相关指标的说明 287

12.3.4 用理论精度指标确定系统模型结构 289

12.4 用于状态空间模型辨识的频率响应方法的主要特点 291

12.5 状态空间模型结构 293

12.5.1 规范型模型结构 294

12.5.2 物理模型结构 295

12.5.3 模型结构定义的其他方面 296

12.6 在CIFER中用DERIVID进行状态空间模型辨识 297

12.7 倒立摆实例 298

12.8 XV-15闭环状态空间模型的辨识 300

12.9 结构系统辨识 302

习题 306

第13章 状态空间辨识：物理模型结构 307

13.1 背景 308

13.2 开发合适物理模型结构的步骤 309

13.3 飞行器运动方程 310

13.3.1 力方程 310

13.3.2 力矩方程 311

13.3.3 欧拉角关系 312

13.4 模型的状态空间结构表达式 312

13.4.1 状态和控制变量 312

13.4.2 状态和控制矩阵（M,F,G） 313

13.4.3 测量矢量 313

13.4.4 测量矩阵（H0,H1） 315

13.4.5 时间延迟矩阵τ 316

13.4.6 自由、固定及受约束参数 316

13.4.7 一般辨识的状态空间结构 317

13.5 频率响应数据库和频率范围 317

13.5.1 频率响应数据库 317

13.5.2 频率范围表 318

13.5.3 基于频率响应表的模型结构简化 319

13.6 检查初始模型设置 322

13.7 模型辨识和结构简化 323

13.8 XV-15巡航状态3自由度横航向模型辨识 324

13.8.1 模型结构 324

13.8.2 初始辨识结果和模型结构化简 327

13.8.3 最终辨识结果 331

13.9 XV-15悬停时3自由度横航向模型的辨识 337

13.9.1 模型结构 337

13.9.2 初始辨识结果和模型结构简化 339

13.9.3 悬停状态下最终的横航向模型 341

13.10 利用系统辨识由非线性仿真准确确定稳定和控制导数 344

13.11 固定翼UAV的3自由度纵向模型辨识 348

13.12 轻型有人驾驶直升机6自由度MIMO模型的辨识 354

13.12.1 状态空间模型结构 355

13.12.2 动态入流的影响 355

13.12.3 发动机／调速器／转速动态的影响 356

13.12.4 速度导数的隔离 357

13.12.5 最终辨识结果 360

习题 369

第14章 辨识模型的时域验证 372

14.1 时域验证的目的 372

14.2 时域验证方法 373

14.3 常值偏差和基准偏移量的估计 375

14.4 相关性问题 377

14.5 用于时域模型验证的数据规整 378

14.6 在CIFER中用VERIFY对模型进行时域验证 378

14.7 XV-15闭环传递函数模型验证 379

14.8 巡航阶段飞机本体模型的验证（XV-15） 380

14.9 悬停时飞机本体模型的验证（XV-15） 381

习题 386

第15章 耦合旋翼／机身动态的高阶建模 388

15.1 扩展直升机模型辨识的背景和资料 388

15.2 混合模型推导 389

15.2.1 耦合的机身／旋翼挥舞动态 390

15.2.2 摆振动态 393

15.2.3 耦合的机身和锥角／入流动态 396

15.2.4 偏航和发动机动态 397

15.2.5 完整状态空间混合模型结构 398

15.2.6 前飞的混合模型结构 399

15.3 SH-2G直升机的混合模型辨识 399

15.3.1 SH-2G飞行试验 400

15.3.2 悬停飞行状态辨识 401

15.3.3 悬停状态辨识和仿真模型的比较 410

15.3.4 对60kn和100kn的辨识结果 414

15.3.5 时间响应验证 419

15.3.6 SH-2G辨识项目的总结 419

15.4 S-92直升机摆振动态的辨识 426

习题 427

附录 建议准则汇总 430

参考文献 433

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