Обложка Овчаренко В.Н., Поплавский Б.К., Ефремов А.В. Частотные методы идентификации в задачах динамики полета воздушных судов
Id: 285243
1399 руб.

Частотные методы идентификации в задачах динамики полета воздушных судов

URSS. 2022. 458 с. ISBN 978-5-9710-9627-6.
Белая офсетная бумага
  • Твердый переплет

Аннотация

В монографии рассматривается применение частотных методов идентификации в задачах динамики полета летательных аппаратов, при обработке данных, полученных в полете, а также численным или полунатурным моделированием на пилотажных стендах. Приводятся основные алгоритмы идентификации параметров линейных и нелинейных математических моделей в частотной области. Рассмотрены различные математические модели как воздушных судов (самолетов, вертолетов... (Подробнее)


Оглавление
Введение. Краткая характеристика методов частотной идентификации20
Глава 1. Уравнения движения самолетов и вертолетов41
1.1. Уравнения движения самолета43
1.1.1. Уравнения продольного движения Л А с учетом влияния бокового движения47
1.1.2. Уравнения бокового движения Л А с учетом влияния продольного движения47
1.1.3. Линеаризованные уравнения движения самолета48
1.1.4. Линеаризованные уравнения движения самолета в неспокойной атмосфере54
1.2. Уравнения движения вертолетов58
1.2.1. Уравнения движения соосного вертолета59
1.2.2. Уравнения движения одновинтового вертолета65
Глава 2. Модели аэродинамических характеристик самолетов и вертолетов и их параметризация72
2.1. Параметризация аэродинамических коэффициентов самолетов75
2.1.1. Параметризация аэродинамических коэффициентов в продольном движении76
2.1.2. Аэродинамические коэффициенты в боковом движении91
2.1.3. Нелинейные аэродинамические характеристики самолета95
2.1.4. Линеаризованные аэродинамические характеристики самолета98
2.2. Аэродинамические характеристики линеаризованной модели вертолета100
Глава 3. Уравнения движения и аэродинамические характеристики дирижабля104
3.1. Уравнения продольного движения дирижабля107
3.1.1. Балансировка дирижабля в установившемся горизонтальном полете109
3.1.2. Информационно-измерительная система дирижабля в продольном движении112
3.2. Линеаризованные уравнения продольного возмущенного движения дирижабля114
3.3. Уравнения бокового движения дирижабля116
3.3.1. Информационно-измерительная система дирижабля в боковом движении118
Глава 4. Совместимость измерений и восстановление полетных данных119
4.1. Измеряемые переменные в летных испытаниях120
4.2. Проверка совместимости измерений и восстановление полетных данных124
4.2.1. Кинематические уравнения125
4.2.2. Восстановление данных127
Глава 5. Идентифицируемость параметров и планирование гармонических тестовых сигналов133
5.1. Практическая локальная идентифицируемость параметров133
5.1.1. Постановка задачи136
5.1.2. Точность оценивания параметра137
5.1.3. Условия практической локальной идентифицируемости параметра138
5.1.4. Идентифицируемость параметра в эксперименте с конечным временем143
5.1.5. Пример практической идентифицируемости аэродинамических коэффициентов самолета146
5.2. Планирование гармонических тестовых сигналов в задаче идентификации динамических систем151
5.2.1. Постановка задачи планирования тестовых сигналов152
5.2.2. Допустимые входные и выходные сигналы153
5.2.3. Точность оценивания параметров на допустимых тестовых сигналах156
5.2.4. Решение задачи планирования гармонических тестовых сигналов158
5.2.5. Планирование тестового гармонического закона управления в летном эксперименте158
Глава 6. Теоретические основы идентификации динамических систем в частотной области163
6.1. Преобразование Фурье экспериментальных зависимостей165
6.2. Влияние дискретизации по времени на спектральный состав непрерывных сигналов169
6.3. Преобразование Фурье кусочно-постоянной и кусочно-линейной функций172
6.4. Оценка точности вычисления спектрального состава сигналов176
6.5. Определение оптимальных коэффициентов аi и bi182
6.6. Оценка частотных характеристик самолета в летных испытаниях188
6.7. Оценка частотных характеристик самолета в линейной области изменения аэродинамических характеристик191
6.8. Определение частотных характеристик по записям слабозатухающих переходных процессов197
6.9. Матрица частотных характеристик Л А и методы ее определения по полетным данным204
6.9.1. Определение частотных характеристик в случае одновременного действия нескольких входных сигналов205
6.9.2. Определение матрицы частотных характеристик при ненулевых начальных и конечных условиях207
6.10. Применение частотных характеристик при построении математических моделей движения летательных аппаратов214
6.11. Частотные характеристики алгоритмов автоматизированной обработки219
Глава 7. Идентификация параметров частотно-временным методом226
7.1. Постановка задачи идентификация параметров линейной системы227
7.2. Финитное преобразование Фурье и его свойства228
7.3. Оценивание параметров линейных систем239
7.4. Совместная идентификация параметров линейной системы и ненаблюдаемого входного сигнала246
7.5. Идентификация интенсивности турбулентности и параметров короткопериодического движения самолета в неспокойной атмосфере251
7.6. Оценивание параметров и запаздываний в измерениях состояния линейных систем259
7.7. Идентификация нелинейной динамической системы262
Глава 8. Структурно-параметрическая идентификация динамических и статических систем266
8.1. Анализ задачи структурной идентификации270
8.2. Структурная идентификация на классе полиномов272
8.2.1. Влияние случайного смещения и ограничения на число знаков после запятой275
8.2.2. Влияние случайного шума наблюдений на решение задачи структурной идентификации277
8.2.3. Структурная идентификация кусочно-полиномиальных функций281
8.3. Структурно-параметрическая идентификация линейной динамической системы с постоянными параметрами283
8.3.1. Постановка задачи структурно-параметрической идентификации284
8.3.2. Принцип оценки порядка динамической системы285
8.3.3. Параметрическая идентификация динамической системы289
8.3.4. Алгоритм идентификации порядка системы (8.1)292
Глава 9. Структурно-параметрическая идентификация нестационарных аэродинамических характеристик по полетным данным304
9.1. Математическая модель нестационарных аэродинамических характеристик самолета306
9.2. Структурно-параметрическая идентификация аэродинамических переходных функций на бесконечном интервале времени t ϵ [0,∞)317
9.3. Структурно-параметрическая идентификация аэродинамических переходных функций на конечном интервале времени t ϵ [0, Т]326
9.4. Приближенный анализ условий эквивалентности алгоритмов идентификации при Т = ∞ и Т< ∞331
Глава 10. Применение частотных методов идентификации при летных испытаниях336
10.1. Рекомендации по выбору вида математической модели движения ЛА337
10.2. Использование априорных сведений при выборе математической модели движения Л А351
10.3. Общие соображения об оценке адекватности354
10.4. Примеры определения коэффициентов передаточных функций летательных аппаратов364
10.4.1. Результаты определения коэффициентов передаточных функций продольного короткопе-риодического движения на примере модели самолета371
10.4.2. Качественная оценка адекватности параметров математической модели и характеристики исследуемого объекта371
10.4.3. Примеры определения коэффициентов уравнений движения летательных аппаратов по частотным характеристикам376
Глава 11. Идентификация аэродинамических характеристик дирижабля в продольном движении386
11.1. Идентификация аэродинамических производных дирижабля в продольном движении388
11.2. Идентификация коэффициентов линейной модели продольного движения дирижабля в приращениях397
Глава 12. Идентификация характеристик управляющих действий летчика403
12.1. Характеристики управляющих действий летчика в задачах компенсаторного слежения404
12.1.1. Одноконтурная компенсаторная система408
12.1.2. Многоконтурная и многоканальная компенсаторная система411
12.1.3. Дополнительные характеристики системы самолет-летчик415
12.2. Измерение характеристик управляющий действий летчика419
12.2.1. Универсальный метод измерения характеристик управляющих действий летчика419
12.3. Точность определения характеристик системы самолет-летчик434
12.3.1. Точность определения частотных характеристик435
12.3.2. Точность определения спектральной плотности ремнанты440
ПРИЛОЖЕНИЕ А444
ПРИЛОЖЕНИЕ Б445
ПРИЛОЖЕНИЕ В446
ПРИЛОЖЕНИЕ Г449
Литература452

Список иллюстраций
8.1. Блок-схема процесса идентификации аэродинамических характеристик23
8.2. Блок-схема двух этапов идентификации аэродинамических характеристик25
8.3. Идентификация аэродинамических характеристик Л А в натурном эксперименте31
1.1. Скорости и угловые параметры в продольном движении самолета в присутствии ветра55
1.2. Скорости и угловые параметры в боковом движении самолета в присутствии ветра57
1.3. Силы и моменты, действующие на вертолет с соос-ными винтами61
1.4. Силы и моменты, действующие на одновинтовой вертолет65
2.1. Аэродинамические коэффициенты су0(α, М),сх0(α, М)78
2.2. Аэродинамический коэффициент момента тангажа mz0(α, М)79
2.3. Влияние на аэродинамический коэффициент сх углов отклонения стабилизатора и руля высоты80
2.4. Влияние на аэродинамический коэффициент сy углов отклонения стабилизатора и руля высоты81
2.5. Влияние на аэродинамический коэффициент mz углов отклонения стабилизатора и руля высоты82
2.6. Влияние на аэродинамический коэффициент сх угла отклонения интерцептора83
2.7. Влияние на аэродинамический коэффициент сy угла отклонения интерцептора84
2.8. Влияние на аэродинамический коэффициент mz угла отклонения интерцептора85
2.9. Влияние угла скольжения β на аэродинамические коэффициенты86
2.10. Аэродинамические коэффициенты на взлетно-посадочных режимах полета92
2.11. Аэродинамические коэффициенты на взлетно-посадочных режимах полета [14]93
2.12. Характеристики аэродинамического профиля97
2.13. Коэффициенты уравнений линеаризованной модели вертолета в продольном движении101
2.14. Коэффициенты уравнений линеаризованной модели вертолета в боковом движении102
3.1. Связанная система координат в динамике дирижабля106
3.2. Силы, действующие на дирижабль в продольном движении108
4.1. Датчик угла атаки флюгерного типа123
4.2. Измеренные и восстановленные переменные (Vх,Vy , Vz , H)131
4.3. Восстановленный угол скольжения132
5.1. Оценка дисперсии145
5.2. Диаграмма локальной 1-идентифицируемости параметра Mzωz147
5.3. Диаграмма локальной 1- и n-идентифицируемости параметра Mzωz149
5.4. Частотные характеристики и вид входных сигналов161
6.1. Спектры дискретного и непрерывного сигналов172
6.2. Представление дискретной функции кусочно-постоянной функцией173
6.3. Кусочно-линейное представление дискретного сигнала175
6.4. Относительная среднеквадратическая ошибка косинус и синус преобразований Фурье179
6.5. Относительная среднеквадратическая ошибка косинус и синус преобразований Фурье181
6.6. Запись отклонения руля высоты191
6.7. Амплитудный спектр отклонения руля высоты192
6.8. Экспериментальные частотные характеристики тяжелого самолета197
6.9. Сравнение расчетных и экспериментальных амплитудных и фазовых частотных характеристик198
6.10. Вид входного сигнала u(t)199
6.11. Сведение к нулю слабо затухающего переходного процесса202
6.12. Сведение к нулю слабо затухающего переходного процесса по угловой скорости ωy204
6.13. Амплитудные частотные характеристики сглаживающего полиномиального фильтра221
6.14. Амплитудная частотная характеристика алгоритмов вычисления первой производной222
6.15. Амплитудные частотные характеристики сглаживающего фильтра |WS(o)(jω)| 223
6.16. Амплитудная частотная характеристика алгоритмов вычисления первой производной на скользящем базовом интервале224
6.17. Амплитудная частотная характеристика алгоритмов вычисления второй производной на скользящем базовом интервале225
7.1. Сигнал 3 - 2 - 1 - 1 (т = 1)233
7.2. Амплитудно-частотный спектр сигнала 3 — 2 — 1 — 1 т=1234
7.3. Пример кусочно-постоянной функции235
7.4. Пример кусочно-линейной функции237
7.5. Управление и переходные процессы в продольном движении244
7.6. Полетные и вычисленные переходные процессы для самолета МиГ-21247
7.7. Степень близости измеренных в полете и вычисленных переходных процессов248
7.8. Формы турбулентного угла атаки Δαт(t)256
7.9. Примеры переходных процессов движения самолета в неспокойной атмосфере256
7.10. Оценки турбулентного угла атаки258
8.1. а) модель Гаммерштейна и б) модель Винера268
8.2. функция z(x) и ее первые четыре разности274
8.3. Функции z(x), y(x) и d(x) = z(x) — y(x) (один знак после запятой)276
8.4. Функции z(x) и ее разности первых четырех порядков (один знак после запятой)277
8.5. Функции z(x) и ее разности первых четырех порядков (два знака после запятой)278
8.6. Функции z(x) и ее разности первых четырех порядков (три знака после запятой)279
8.7. Кусочно-полиноминальная функция y(x) и ее разности283
8.8. Входной и выходные сигналы систем (8.11) и (8.12)296
8.9. Диаграммы Воде отношений Wn+i/Wn для системы (8.11)297
8.10. Диаграммы Воде отношенийWn+i/Wn для системы (8.12)298
8.11. Переходные процессы в тестовом полете300
8.12. Диаграммы Воде отношений для передаточной функции по углу атаки301
8.13. Диаграммы Воде отношений для передаточной функции по углу отклонения управляемого стабилизатора302
9.1. Полетные данные314
9.2. Коэффициент подъемной силы на малых углах атаки318
9.3. Коэффициент подъемной силы в крейсерской конфигурации319
9.4. Коэффициент подъемной силы во взлетной конфигурации320
9.5. Коэффициент подъемной силы при заходе на посадку321
9.6. Коэффициент подъемной силы в посадочной конфигурации322
9.7. Пример полетных данных самолета Cessna 172SP333
9.8. Коэффициент подъемной силы и его оценки335
10.1. Частотные характеристики продольного движения самолета Ту-154365
10.2. Сравнение экспериментальных и расчетных переходных процессов продольного движения самолета Ту-154366
10.3. Сравнение экспериментальных и расчетных переходных процессов при импульсном входном сигнале (импульс руля «на себя»)372
10.4. Сравнение экспериментальных и расчетных переходных процессов при импульсном входном сигнале (импульс руля «от себя»)373
10.5. Сравнение амплитудных частотных характеристик самолета — аналога Ту1 11374
10.6. Записи параметров движения при импульсе рулем направления δН377
10.7. Амплитудно-фазовые частотные характеристики самолета Ан-12378
10.8. Отношение преобразования Фурье параметра x2 = ωxωz к преобразованию Фурье входного сигнала δН379
10.9. Пример зависимости дисперсии невязки D(v) от частоты δ379
10.10. Пример зависимости производной Myβ от угла атаки α381
10.11. Пример сопоставления левой и правой частей уравнения движения самолета по ωy383
11.1. План летного эксперимента388
11.2. Балансировочные углы атаки и рулей высоты391
11.3. Переходные процессы по скоростям Vx, Vy, угловой скорости ωz и углу тангажа υ393
11.4. Переходные процессы по скорости V, высоте H, углу атаки α и закон управления рулем высоты δВ394
11.5. Примеры частотных спектров для идентификации398
11.6 Переходные процессы по углу атаки Δα и угловой скорости тангажа Δωz400
11.7 Частотные харктеристики по углу атаки Δα и угловой скорости тангажа Δωz402
12.1. Структурная схема системы самолет-летчик405
12.2. Основные системы и процессы, определяющие действия летчика407
12.3. Линеаризованная система самолет-летчик409
12.4. Двухконтурная система самолет-летчик (параллельная схема)414
12.5. Двухканальная система самолет-летчик415
12.6. Двухконтурная система самолет-летчик (последовательная схема)416
12.7. Функция распределения424
12.8. Входной сигнал, его частотный и амплитудный состав425
12.9. Спектральная плотность случайного процесса и дискретный спектр полигармонического сигнала428
12.10. Информационный кадр результатов обработки характеристик системы самолет-летчик431
12.11. Информационный кадр результатов обработки характеристик системы самолет-летчик432
12.12. Разброс оценок АФЧХ замкнутой системы самолет-летчик439
12.13. Разброс оценки спектральной плотности ремнанты443
Г.1. Пилотажный стенд с цифровой системой визуализации и системой имитации акселерационных ощущений450
Г.2. Пилотажный стенд с цифровой коллиматорной системой визуализации451
Г.З. Пилотажный стенд с широкоугольной цифровой стереоскопической системой визуализации451

Список таблиц
2.1 Параметризация аэродинамических коэффициентов самолета в крейсерской конфигурации87
5.1. Критерии оптимальности эксперимента154
8.1. СКО n-ой разности z(x)280
8.2. Оценки передаточных функций303
9.1. Оценки коэффициентов полиномов316
9.2. Оценки коэффициентов поправок316
9.3. Оценки передаточных функций334
10.1. Оценки значений коэффициентов375
10.2. Оценки среднеквадратичных ошибок375
10.3. Оценки коэффициентов второго и третьего линеаризованных уравнений движения самолета Ан-12380
11.4. Передаточные функции401
12.1. Отличительные признаки системы самолет-летчик419

Об авторах
Овчаренко Валерий Николаевич
Специалист в области динамики полета и управления летательными аппаратами. Доктор технических наук, профессор кафедры динамики полета и управления летательными аппаратами Московского авиационного института. Лауреат премии им. Н. Е. Жуковского за 2017 г. Автор многих научных публикаций, учебника по динамике полета. Участник ряда научно-исследовательских работ, относящихся к обработке полетных данных летательных аппаратов различных типов и различного назначения. Основные научные интересы касаются вопросов динамики полета, управления и проблем идентификации динамических систем по экспериментальным данным.
Поплавский Борис Кириллович
Специалист в области летных исследований и испытаний динамики полета летательных аппаратов. Доктор технических наук, профессор. Заслуженный деятель науки Российской Федерации, лауреат премии Правительства Российской Федерациии. Начальник лаборатории АО «ЛИИ им. М. М. Громова». Заведующий кафедрой «Летные испытания пилотируемых авиационных и воздушно-космических летательных аппаратов» филиала «Стрела» Московского авиационного института. Автор учебника «Летные испытания». Основные труды по теории линейных преобразований измерительной информации, спектральному анализу результатов измерений, структурно-параметрической идентификации математических моделей движения летательных аппаратов.
Ефремов Александр Викторович
Специалист в области динамики полета и управления летательными аппаратами. Доктор технических наук, заведующий кафедрой динамики полета и управления летательными аппаратами, руководитель лаборатории «Пилотажные стенды и система „самолет — летчик“» Московского авиационного института. Заслуженный работник высшего образования РФ. Лауреат премии им. Н. Е. Жуковского за 2017 г. Автор 260 публикаций, включая два учебника и две монографии. Основные научные интересы касаются вопросов исследования динамики полета, полунатурного моделирования и системы «самолет — летчик».