1、系统建模与信号处理系统建模部分系统建模部分参考书目 黄俊钦，静、动态数学模型的实用建模黄俊钦，静、动态数学模型的实用建模方法，机械工业出版社，方法，机械工业出版社，1988 黄俊钦，测试系统动力学，国防工业出黄俊钦，测试系统动力学，国防工业出版社，版社，1996 徐科军，传感器动态特性的实用研究方徐科军，传感器动态特性的实用研究方法，中国科学技术大学出版社，法，中国科学技术大学出版社，1999 徐科军，陈荣保，张崇巍，自动检测中徐科军，陈荣保，张崇巍，自动检测中的共性技术，清华大学出版社，的共性技术，清华大学出版社，2000建模的意义 分析静态和动态特性,计算性能指标 设计控制环节和测量环节的
2、依据 系统的概念是相对的模型分类 静态模型静态模型 动态模型动态模型 线性模型线性模型 非线性模型非线性模型静态建模 解析建模方法解析建模方法 数值建模方法数值建模方法 计算机模拟方法计算机模拟方法 动态建模方法动态建模方法 机理建模方法机理建模方法 实验建模方法：系统辨识方法实验建模方法：系统辨识方法 沃尔什变换方法沃尔什变换方法 时间序列方法时间序列方法 神经元网络方法神经元网络方法 机理建模方法 根据传感器的工作原理和结构特点，将根据传感器的工作原理和结构特点，将其等效为一阶或二阶系统，列出其微分其等效为一阶或二阶系统，列出其微分方程或偏微分方程，然后用解析方法推方程或偏微分方程，然后用
3、解析方法推导出动态响应的表达式；或者用数值方导出动态响应的表达式；或者用数值方法求解，得到动态响应过程的数值。法求解，得到动态响应过程的数值。动态实验 脉冲响应法脉冲响应法 阶跃响应法阶跃响应法 频率响应法频率响应法 随机响应法随机响应法脉冲响应法 采用冲击锤对腕力传感器施加采用冲击锤对腕力传感器施加脉冲力，同时记录锤头压电传感器脉冲力，同时记录锤头压电传感器和腕力传感器输出信号。和腕力传感器输出信号。 所需设备少，方法简单；但是，所需设备少，方法简单；但是，冲击锤的落点和角度，力的大小均冲击锤的落点和角度，力的大小均较难控制，而且无法进行力矩标定较难控制，而且无法进行力矩标定。图图24 Fx
4、24 Fx输入输出信号输入输出信号 图图25 Fx25 Fx动态补偿结果动态补偿结果 图图26 Fy26 Fy输入输出信号输入输出信号 图图27 Fy27 Fy动态补偿结果动态补偿结果 图图28 Fz28 Fz输入输出信号输入输出信号 图图29 Fz29 Fz动态补偿结果动态补偿结果 阶跃响应法阶跃响应法动态标定实验动态标定实验 动态标定设备框图 腕力传感器动态标定实验 传感器动态实验标定装置腕力传感器动态标定实验 标定示意图标定示意图( (图中，图中，1 1、2 2为绳子为绳子) ) (a)a)做做MzMz标定示意图标定示意图 (c)(c)做做MxMx标定示意图标定示意图 (b)(b)做做F
5、yFy标定示意图标定示意图 标定过程 首先，调整一级放大器的零点。首先，调整一级放大器的零点。 第二步，测量静态输出电压。对腕力传感器第二步，测量静态输出电压。对腕力传感器进行加载，测量腕力传感器进行加载，测量腕力传感器8 8路静态输出电压和实路静态输出电压和实时数据采集与动态补偿系统的时数据采集与动态补偿系统的6 6路静态输出电压。路静态输出电压。 第三步，测量和记录腕力传感器的动态激励第三步，测量和记录腕力传感器的动态激励和响应信号。对腕力传感器的每一个方向都要进和响应信号。对腕力传感器的每一个方向都要进行三次以上的测量和记录。实验结果表明，腕力行三次以上的测量和记录。实验结果表明，腕力传
6、感器各个转换通道的阶跃响应，需要传感器各个转换通道的阶跃响应，需要20ms20ms至至100ms100ms的时间才能达到稳态的时间才能达到稳态(10(10误差误差) )，无法满足，无法满足应用要求，必须进行动态补偿。应用要求，必须进行动态补偿。实验数据实验数据单维力传感器测得单维力传感器测得的激励信号的激励信号 构造的输入信号构造的输入信号 1为构造的输入信号为构造的输入信号 2为输出信号为输出信号 图图30 F30 Fx x动态补偿结果动态补偿结果 图图31 F31 Fy y动态补偿结果动态补偿结果 图图32 F32 Fz z动态补偿结果动态补偿结果 图图33 M33 Mx x动态补偿结果动
7、态补偿结果 图图34 M34 My y动态补偿结果动态补偿结果 图图35 M35 Mz z动态补偿结果动态补偿结果 可见，经过动态补偿，腕力传感器各个通道达到可见，经过动态补偿，腕力传感器各个通道达到稳态的时间均小于稳态的时间均小于5ms5ms，动态性能指标得到很大提高。，动态性能指标得到很大提高。 风洞应变天平 在飞机、导弹、运载火箭等航空航天飞行器在飞机、导弹、运载火箭等航空航天飞行器和重大装备型号的风洞试验中，天平是测量飞行和重大装备型号的风洞试验中，天平是测量飞行器模型气动力的重要设备。它将作用在模型上的器模型气动力的重要设备。它将作用在模型上的空气动力和力矩，沿空气动力和力矩，沿 3
8、 3个相互垂直的坐标轴系进个相互垂直的坐标轴系进行分解，并精确测量。行分解，并精确测量。 按结构和测量原理，风洞天平分为机械式、应变按结构和测量原理，风洞天平分为机械式、应变式和压电式等形式。式和压电式等形式。 应变式天平适用于各类风洞。它利用应变测量原应变式天平适用于各类风洞。它利用应变测量原理，通过测量天平上各受力元件的变形求得模型所受的理，通过测量天平上各受力元件的变形求得模型所受的气动力和力矩。在超音速风洞、稀薄气体风洞和脉冲式气动力和力矩。在超音速风洞、稀薄气体风洞和脉冲式风洞中也可采用应变天平。风洞中也可采用应变天平。中国航空工业空气动力研究院中国航空工业空气动力研究院 n拥有雄厚
9、的技术实力，集高、低速空气动力风洞拥有雄厚的技术实力，集高、低速空气动力风洞实验、飞行器先进气动布局和气动力基础预先研实验、飞行器先进气动布局和气动力基础预先研究于一体。究于一体。 n拥有五座高、低速拥有五座高、低速 风洞可进行常规测风洞可进行常规测 力、测压试验、先力、测压试验、先 进的流场显示与测进的流场显示与测 量试验等。量试验等。 风洞天平静态校准设备风洞天平静态校准设备中小载荷应变天平校准装置中小载荷应变天平校准装置大载荷应变天平校准装置大载荷应变天平校准装置风洞天平动态实验动态实验动态实验 要研究风洞应变天平的动态特要研究风洞应变天平的动态特性，则必须对其进行动态标定实验以得出其性
10、，则必须对其进行动态标定实验以得出其动态响应输出数据。根据其动态响应数据分动态响应输出数据。根据其动态响应数据分析其动态特性，进而得出其动态性能指标。析其动态特性，进而得出其动态性能指标。实验方案一、负阶跃响应法；四、选用钢丝挂砝码对天平加载头施加负载，并通过 剪断钢丝产生负阶跃力；二、通过加载头对天平进行辅助加载；五、由数据采集仪记录天平动态响应数据。三、单元加载法实验步骤一、调整加载台及滑轮悬挂系统，安装天平，确定天 平方位，连接数据采集仪；二、用钢丝挂砝码（绕过定滑轮）连接至加载头定位点，并使其 稳定；三、装上光电装置（位置靠近剪断点并处于砝码一侧）；四、确保加载稳定及数据采集仪准备好后
11、，剪断钢丝（剪断点尽 量靠近加载头，并尽可能迅速），数据采集仪记录数据；经初步实验确定，动态采集仪的放大倍数设为100，输入滤波截至频率设为10KHz，记录长度为10s 五、每个方向选取多点载荷进行重复实验。动态标定实验装置数据采集仪砝码滑轮悬挂系统应变天平加载头（含定位件）加载台动态标定实验装置支撑台架，提供最佳加载位置1、模拟飞行器模型对 天平的负载效应2、提供准确的加载点标定对象分布于加载台四周，提供准确稳定的加载方位提供各种载荷，模拟空气动力提供多个模拟输入通道，记录实验中天平动态响应数据实验中，应变天平装载加载头内，加载头装在加载台上。调整好方位后通过钢丝挂砝码（必要时绕过定滑轮）连
12、接至加载头上定位点，从而实现对天平的加载。杆式应变天平各方向加载方式Fx方向单元加载Mx方向单元加载杆式应变天平各方向加载方式My方向单元加载Fy方向单元加载杆式应变天平各方向加载方式Fz方向单元加载Mz方向单元加载杆式天平实验结果 Fy通道升力0510-0.8-0.6-0.4-0.20时间(s)电压(V)Fy通道响应输出2.62.833.2-0.8-0.6-0.4-0.2时间(s)电压(V)Fy通道响应输出Fy通道动态响应参数负载(N)19.6039.2058.8078.4098.00超调量(%)73.1766.7770.0073.1969.08调节时间(ms)1242.012527.077
13、72.43456.57741.25注：右图为左图的局部放大图（以下同）杆式天平实验结果 Mz通道俯仰力矩0510-0.8-0.6-0.4-0.200.2时间(s)电压(V)Mz通道响应输出3.33.43.53.6-0.8-0.6-0.4-0.20时间(s)电压(V)Mz通道响应输出Mz通道动态响应参数负载(NM)0.6371.2741.911超调量(%)121.4485.6995.41调节时间(ms)2776.66207.10280.62杆式天平实验结果 Mx通道滚转力矩0510-0.500.51时间(s)电压(V)Mx通道响应输出3.4 3.453.5 3.55 3.6-0.500.51时间
14、(s)电压(V)Mx通道响应输出Mx通道动态响应参数负载(NM)-1.764-1.176-0.5880.5881.1761.764超调量(%)94.32104.69125.96107.32122.99111.59调节时间(ms)3858.834484.20397.90397.954206.803643.02杆式天平实验结果 Fx通道阻力05100.20.40.60.81时间(s)电压(V)Fx通道响应输出3.32 3.34 3.36 3.383.43.420.20.30.40.50.60.70.8时间(s)电压(V)Fx通道响应输出Fx通道动态响应参数负载(N)19.6029.4039.204
15、9.00超调量(%)81.5499.7294.0593.74调节时间(ms)325.00275.91233.63286.22杆式天平实验结果 Fz通道偏航力0510-0.100.10.20.30.4时间(s)电压(V)Fz通道响应输出4.44.54.6-0.100.10.20.3时间(s)电压(V)Fz通道响应输出Fz通道动态响应参数负载(N)9.8029.4049.0068.6098.00超调量(%)77.2365.2065.2165.3463.38调节时间(ms)1002.2198.57162.84162.38129.27注：负载为9.80N时调节时间相对较长是由于信号幅值很小而终值又存在
16、噪声毛刺所造成。杆式天平实验结果 My通道偏航力矩0510-1-0.500.5时间(s)电压(V)My通道响应输出3.43.63.8-1-0.50时间(s)电压(V)My通道响应输出My通道动态响应参数负载(NM)0.3920.7841.1761.568-1.960超调量(%)146.1285.85101.9196.3294.43调节时间(ms)4632.0580.10423.46444.23377.36注：负载为0.392 NM时调节时间相对较长是由于信号幅值很小而终值又存在噪声毛刺所造成。盒式应变天平各方向加载方式Fx方向单元加载Mx方向单元加载Fy方向单元加载My方向单元加载Fz方向单元
17、加载Mz方向单元加载盒式天平实验结果 盒式天平是通过8路模拟输出的组合来反映6个被测力或力矩分量的大小。其通道组合方式如下：Fx=7-8 Fy=2+3-1-4 Fz=5+6Mx=2+4-1-3 My=8+6-5+7 Mz=2+3+1+4 下面给出的是盒式天平通道组合后反映被测参量大小的动态实验结果。盒式天平实验结果 Fy通道升力（98N）1.522.53-5.5-5-4.5-4-3.5Time(s)Output Voltage(mV)1.71.751.8-5.5-5-4.5-4-3.5Time(s)Output Voltage(mV)调节时间1259.50ms，超调量66.39%。 盒式天平实
18、验结果 Mz通道俯仰力矩（14.308NM）1.81.922.1-4-202468Time(s)Output Voltage(mV)1.921.941.961.980510Time(s)Output Voltage(mV)调节时间84.20ms，超调量137.19%。 盒式天平实验结果 Mx通道滚转力矩（6.076NM）2.12.22.32.42.5-2024Time(s)Output Voltage(mV)2.232.242.252.26-2024Time(s)Output Voltage(mV)调节时间71.05ms，超调量74.10%。 盒式天平实验结果 Fx通道阻力（68.6N）1.8
19、22.22.42.62.8-4-3-2-10Time(s)Output Voltage(mV)2.022.042.062.082.12.12-4-3-2-10Time(s)Output Voltage(mV)调节时间846.32ms，超调量67.38%。 盒式天平实验结果 Fz通道偏航力（-98N）2.833.23.43.65678910Time(s)Output Voltage(mV)2.9533.053.15678910Time(s)Output Voltage(mV)调节时间937.80ms，超调量60.22%。 盒式天平实验结果 My通道偏航力矩（13.916NM）1.751.81.8
20、51.91.95-12-11-10-9-8-7Time(s)Output Voltage(mV)1.781.81.821.84-13-12-11-10-9-8-7Time(s)Output Voltage(mV)调节时间101.01ms，超调量191.30%。 实验结果讨论1.应变天平的动态响应曲线的上升时间都在其固有频率半周期内，且第一个峰值基本上都是最大峰值，符合阶跃响应自由振荡的一般特性。我们所采取的实验方案是有效的。2.杆式及盒式天平的动态阶跃响应输出超调量很大(100%左右)，调节时间均很长(百毫秒至几秒)。实验结果讨论3.从杆式天平实验数据功率谱可知，其Fy、Fz、Mz 三个方向响
21、应曲线频率分量较多。这主要是因为其加载时所用辅助定位器件较多导致。4.从盒式天平实验数据的功率谱发现，除My方向单元加载情况下，其它单元加载时的动态响应数据中5、6、7、8这四个通道的低频分量都较为明显，从而导致Fx和Fz的低频分量很明显。1 空气质量流量传感器 2 发动机3 氧传感器 4 三元催化器5 喷油器 6 电控单元热膜式空气质量流量传感器工作原理1 控制电路 2 通往进气口 3 热膜 4 金属网 传感器传感器静态标定实验传感器传感器动态标定实验HFM传感器实验现场动态实验现场废气氧废气氧(Exhaust Gas Oxygen,EGO) 传感传感器器三元催化转化器三元催化转化器废气氧传
22、感器废气氧传感器发动机电控单元发动机电控单元开关特性开关特性宽带型废气氧宽带型废气氧(UEGO)传感器传感器UEGO传感器输出特性传感器输出特性可以在很宽的范可以在很宽的范围内准确测量围内准确测量UEGO传感器必须传感器必须配有专门的控制器配有专门的控制器废气氧废气氧(Exhaust Gas Oxygen,EGO) 传感传感器器三元催化转化器三元催化转化器废气氧传感器废气氧传感器发动机电控单元发动机电控单元开关特性开关特性宽带型废气氧宽带型废气氧(UEGO)传感器传感器UEGO传感器输出特性传感器输出特性可以在很宽的范可以在很宽的范围内准确测量围内准确测量UEGO传感器必须传感器必须配有专门的控制器配有专门的控制器宽带型废气氧宽带型废气氧(UEGO)传感器传感器Bosch LSU4.2型型UEGO传感器传感器传感器实物图传感器实物图微调电阻泵电流虚拟地氧浓差电压加热器正极加热器负极UEGO传感器动态实验
