空气舵异常降频抖动分析方法与系统

技术领域

本发明属于空气舵故障诊断领域，具体涉及一种空气舵异常降频抖动分析方法。

背景技术

空气舵系统是导弹控制系统的重要执行机构，在交付前必须进行频率特性测试，即向伺服系统发送连续正弦扫描指令，测量舵系统响应，通过计算获取小系统的传递特性。但在发送正弦扫频指令信号时，伺服作动器的线位移反馈常出现异常降频抖动现象，对舵系统的闭环控制造成不可预测的风险，甚至导致导弹失控，同时低频的抖动往往会与弹体弹性频率耦合，大大增加了弹体结构的安全隐患。

在通过试验获取了异常降频抖动发生时的输入指令和作动器线位移反馈信号后，需要对数据进行分析，以帮助产品排除故障。目前采用的方法是，通过信号的频域分析技术直接求取响应信号对输入指令的传递函数，该方法是获取动特性的有效手段，能够直观反映频域中输出信号对指令信号的放大倍数与相位滞后，在未发生故障的情况下是动特性分析的主要手段，完全满足工程需求。

对于空气舵出现故障的情况，或者强非线性系统的倍频和分频现象，同一输入频率可能会出现不同频率成分，而传统传递函数方法获取的特性是频率的单值函数，同一频率下对应的只能是“幅值或相位”、“实部或虚部”，该方法默认同一时刻指令与反馈都只有单一的频率分量，但包含闭环控制环节的伺服小系统在故障发生时，出现了异常的降频抖动，即输出与输入并不能保持相同的频率，且同一时刻包含了多个频率的谐波分量。因此，目前采用的方法已经无法对抖动现象进行深入的分析。

发明内容

本发明提供了新型的空气舵异常降频抖动分析方法与系统，在空气舵出现异常降频抖动时，对同步指令输入和伺服作动器输出进行数据分析，同时描述抖动出现的时间段、频率以及各频率分量的能量分布，从时间-频率-幅值三个维度全面展示抖动发生时作动器响应表现出来的特性。

根据本发明的第一个方面，提供一种空气舵异常降频抖动分析方法，包括以下步骤：对空气舵施加指令信号；判定所述作动器存在低频异常抖动现象；定位异常降频抖动频段；定位异常降频抖动时段；组合显示发生异常降频抖动的时间-频率-幅值信息；定位优势频段；获取优势频段的振动幅值。

进一步地，所述判定所述作动器存在低频异常抖动现象，具体包括：采集作动器响应时域信号；确定所述时域信号中具有异常抖动时段，所述异常抖动时段的特征是作动器响应时域信号与所述作动器理想响应时域信号的偏差超出预设阈值，所述作动器理想响应时域信号是预设的。

进一步地，所述定位异常降频抖动频段，具体包括：获取所述作动器线位移反馈对所述指令信号的传递特性；在幅频曲线上定位异常降频抖动频段，所述异常降频抖动频段的特征是其幅值与理想幅频曲线中的对应幅值的偏差超出预设阈值，所述理想幅频曲线是预设的。

进一步地，所述定位异常降频抖动时段，具体包括：采集所述指令信号时间与频率的映射关系，在所述指令信号的时频曲线上，定位异常降频抖动的发生时间和截止时间。所述异常降频抖动的发生时间和截止时间为所述异常降频抖动频段的发生频率与截止频率所对应的时间。

进一步地，所述组合显示发生异常降频抖动的时间-频率-幅值信息，具体包括：将所述异常降频抖动发生的时段、频段与其对应的幅值通过三维可视化图形显示输出。

进一步地，所述定位优势频段，具体包括：采集所述异常降频抖动时间段的指令信号时域数据和作动器线位移反馈时域数据，完成短时傅里叶变换，将指令和作动器线位移反馈的短时傅里叶变换结果绘制为等高线图；根据异常降频抖动频段的发生频率与截止频率所对应的时间，在等高线图中每个时间剖面搜索幅值最大处对应的频率，统计获取的所有频率的最大值和最小值，以确定优势频率段。

进一步地，所述获取优势频段的振动幅值，具体包括：以所述优势频率段为滤波参数，对该时段作动器线位移反馈原始时域信号进行滤波，获取异常降频抖动发生的优势频率段的振动幅值。

根据本发明的另一个方面，提供一种空气舵异常降频抖动分析系统，所述系统包括：指令信号施加模块、抖动判定模块、抖动发生“时-频-幅”定位与显示模块和优势频率定位与处理模块。所述指令信号施加模块用于对空气舵施加指令信号；所述抖动判定模块用于判定所述作动器存在低频异常抖动现象；所述抖动发生“时-频-幅”定位与显示模块用于定位异常降频抖动发生的频段和时段，组合显示发生异常降频抖动的时间-频率-幅值信息；所述优势频率定位与处理模块用于定位优势频段，获取优势频段的振动幅值。

进一步地，所述抖动判定模块用于：采集作动器响应时域信号；确定所述时域信号中具有异常抖动时段，所述异常抖动时段的特征是作动器响应时域信号与所述作动器理想响应时域信号的偏差超出预设阈值，所述作动器理想响应时域信号是预设的。

进一步地，所述抖动发生“时-频-幅”定位与显示模块用于：获取所述作动器线位移反馈对所述指令信号的传递特性，在幅频曲线上定位异常降频抖动频段，所述异常降频抖动频段的特征是其幅值与理想幅频曲线中的对应幅值的偏差超出预设阈值，所述理想幅频曲线是预设的；采集所述指令信号时间与频率的映射关系，在所述指令信号的时频曲线上，定位异常降频抖动的发生时间和截止时间。所述异常降频抖动的发生时间和截止时间为所述异常降频抖动频段的发生频率与截止频率所对应的时间；将所述异常降频抖动发生的时段、频段与其对应的幅值通过三维可视化图形显示输出。

进一步地，所述优势频率定位与处理模块用于：采集所述异常降频抖动时间段的指令信号时域数据和作动器线位移反馈时域数据，完成短时傅里叶变换，将指令和作动器线位移反馈的短时傅里叶变换结果绘制为等高线图，根据异常降频抖动频段的发生频率与截止频率所对应的时间，在等高线图中每个时间剖面搜索幅值最大处对应的频率，统计获取的所有频率的最大值和最小值，以确定优势频率段；以所述优势频率段为滤波参数，对该时段作动器线位移反馈原始时域信号进行滤波，获取异常降频抖动发生的优势频率段的振动幅值。

本发明的有益效果如下：

1.本发明提供的空气舵异常降频抖动分析方法与系统，在传统传递函数的基础上确定了出现低频抖动频段的指令频率，定位了该频率出现的时间段，进一步得到该时段作动器反馈响应的频率分布，通过可视化方法直观显示抖动发生时的“时-频-幅”信息。

2.本发明提供的空气舵异常降频抖动分析方法与系统，利用三维数据描述方法获得的抖动发生时段的优势频率、抖动发生时作动器反馈频率分量及其能量分布，对原始时域信号进行精准的窄带滤波，获得该频率的精确幅值，对后续故障分析与产品改进提供了更为有效的指导。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定、在附图中：

图1是根据本发明实施例的空气舵异常降频抖动分析方法流程图；

图2是根据本发明实施例的空气舵异常降频抖动分析系统示意图；

图3是本发明优选实施例的作动器响应时域信号及局部放大图；

图4是本发明优选实施例的作动器线位移反馈信号的传递函数Bode图；

图5是本发明优选实施例的指令信号的时域曲线图；

图6是本发明优选实施例的作动器线位移反馈信号的“时-频-幅”三维瀑布图；

图7是本发明优选实施例的指令和作动器线位移反馈信号的短时傅里叶变换等高线图；

图8是本发明优选实施例的作动器线位移反馈原始时域信号与滤波后信号的对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种空气舵异常降频抖动分析方法，图1是根据本发明实施例的空气舵异常降频抖动分析方法的流程图，如图1所示，该流程包括以下步骤：

S102，对空气舵施加指令信号；

S104，判定所述作动器存在低频异常抖动现象；

S106，定位异常降频抖动频段；

S108，定位异常降频抖动时段；

S110，定位优势频段；

S112，获取优势频段的振动幅值；

S114，组合显示发生异常降频抖动的时间-频率-幅值信息。

所述空气舵异常降频抖动分析方法不仅定位了异常降频抖动发生时间和发生频段，并且组合呈现异常降频抖动发生的“时-频-幅”振动参数，定位了异常降频抖动的优势频段及其振动幅值，对后续故障分析与产品改进提供了更加全面、直观和有效的数据支持。

判定所述作动器存在低频异常抖动现象，可根据实际需要来确定，只要能够判定所述作动器响应信号不符合预设条件即可。本实施例中提供一种可选的实现方式，该实现方式为：采集作动器响应时域信号；确定所述时域信号中具有异常抖动时段，所述异常抖动时段的特征是作动器响应时域信号与所述作动器理想响应时域信号的偏差超出预设阈值，所述作动器理想响应时域信号是预设的。该实现方式使用作动器响应时域信号作为直接判断对象，该信号易于捕获，实现方法简便快捷。

定位异常降频抖动频段，可根据实际需要来确定，本实施例中提供一种可选的实现方式，该实现方式为：获取所述作动器线位移反馈对所述指令信号的传递特性；在幅频曲线上定位异常降频抖动频段，所述异常降频抖动频段的特征是其幅值与理想幅频曲线中的对应幅值的偏差超出预设阈值，所述理想幅频曲线是预设的。通过传递函数的幅频特性曲线可直观判断出异常降频抖动的发生频段。

定位异常降频抖动时段，可根据实际需要来确定，本实施例中提供一种可选的实现方式，该实现方式为：采集所述指令信号时间与频率的映射关系，在所述指令信号的时频曲线上，定位异常降频抖动的发生时间和截止时间。所述异常降频抖动的发生时间和截止时间为所述异常降频抖动频段的发生频率与截止频率所对应的时间。该实现方式利用已经获得的异常降频抖动的发生频段，通过简单的映射操作就能直接得到异常降频抖动发生的时段。

组合显示发生异常降频抖动的时间-频率-幅值信息，可根据实际需要来确定，本实施例中提供一种可选的实现方式，该实现方式为：将所述异常降频抖动发生的时段、频段与其对应的幅值通过三维可视化图形显示输出。如以抖动发生时段、频段以其对应的幅值建立XYZ直角坐标系，采用三维瀑布图的方式组合展示异常降频抖动的时间-频率-幅值信息。该显示方法克服传统方法的显示单一性，立体化地描述了异常降频抖动的特征。

定位优势频段，可根据实际需要来确定，本实施例中提供一种可选的实现方式，该实现方式为：采集所述异常降频抖动时间段的指令信号时域数据和作动器线位移反馈时域数据，完成短时傅里叶变换，将指令和作动器线位移反馈的短时傅里叶变换结果绘制为等高线图；根据异常降频抖动频段的发生频率与截止频率所对应的时间，在等高线图中每个时间剖面搜索幅值最大处对应的频率，统计获取的所有频率的最大值和最小值，以确定优势频率段。该实现方式无需人工干预就能自动获取异常降频抖动发生的优势频率段。

获取优势频段的振动幅值，可根据实际需要来确定，本实施例中提供一种可选的实现方式，该实现方式为：以所述优势频率段为滤波参数，对该时段作动器线位移反馈原始时域信号进行滤波，获取异常降频抖动发生的优势频率段的振动幅值。以优势频率段为滤波参数对原始时域信号滤波，可以得到异常降频抖动时域信号的真实幅值。

根据本发明的另一个方面，提供一种空气舵异常降频抖动分析系统，其结构示意图如图2所示，包括：指令信号施加模块12、抖动判定模块14、抖动发生“时-频-幅”定位与显示模块16和优势频率定位与处理模块18；所述指令信号施加模块12用于对空气舵施加指令信号；所述抖动判定模块14用于判定所述作动器存在低频异常抖动现象；所述抖动发生“时-频-幅”定位与显示模块16用于定位异常降频抖动发生的频段和时段，组合显示发生异常降频抖动的时间-频率-幅值信息；所述优势频率定位与处理模块18用于定位优势频段，获取优势频段的振动幅值。

通过上述步骤，不仅定位了异常降频抖动发生时间和发生频段，并且组合显示了异常降频抖动发生的“时-频-幅”信息，定位了异常降频抖动的优势频段及其振动幅值，对后续故障分析与产品改进提供了更为有效的指导。

抖动判定模块14，可根据实际需要来确定，只要能够判定所述作动器响应信号不符合预设条件即可。本实施例中提供一种可选的实现方式，该实现方式为：抖动判定模块14采集作动器响应时域信号；确定所述时域信号中具有异常抖动时段，所述异常抖动时段的特征是作动器响应时域信号与所述作动器理想响应时域信号的偏差超出预设阈值，所述作动器理想响应时域信号是预设的。该实现方式使用作动器响应时域信号作为直接判断对象，该信号易于捕获，实现方法简便快捷。

抖动发生“时-频-幅”定位与显示模块16，可根据实际需要来确定，本实施例中提供一种可选的实现方式，该实现方式为：获取所述作动器线位移反馈对所述指令信号的传递特性，在幅频曲线上定位异常降频抖动频段，所述异常降频抖动频段的特征是其幅值与理想幅频曲线中的对应幅值的偏差超出预设阈值，所述理想幅频曲线是预设的；采集所述指令信号时间与频率的映射关系，在所述指令信号的时频曲线上，定位异常降频抖动的发生时间和截止时间。所述异常降频抖动的发生时间和截止时间为所述异常降频抖动频段的发生频率与截止频率所对应的时间；将所述异常降频抖动发生的时段、频段与其对应的幅值通过三维可视化图形显示输出。如以抖动发生时段、频段以其对应的幅值建立XYZ直角坐标系，采用三维瀑布图的方式组合展示异常降频抖动的时间-频率-幅值信息。

优势频率定位与处理模块18，可根据实际需要来确定，本实施例中提供一种可选的实现方式，该实现方式为：采集所述异常降频抖动时间段的指令信号时域数据和作动器线位移反馈时域数据，完成短时傅里叶变换，将指令和作动器线位移反馈的短时傅里叶变换结果绘制为等高线图，根据异常降频抖动频段的发生频率与截止频率所对应的时间，在等高线图中每个时间剖面搜索幅值最大处对应的频率，统计获取的所有频率的最大值和最小值，以确定优势频率段；以所述优势频率段为滤波参数，对该时段作动器线位移反馈原始时域信号进行滤波，获取异常降频抖动发生的优势频率段的振动幅值。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及到的内容进行说明。

第一步：向空气舵伺服系统发送连续正弦扫描指令。

第二步：采集时域信号，判定作动器存在低频异常抖动现象。

对于正常的作动器响应信号，在高频指令位置应当处于持续衰减状态。异常的时域信号(图3上图)在衰减过程中突然放大，超过预设阈值，并保持等幅值抖动，后恢复低幅值衰减。局部放大后发现(图3下图)，该处信号频率单一，幅值稳定，与抖动前后相比差异明显。

第三步：用传统方法获取作动器线位移反馈对指令信号的传递特性，采用如下公式：

式中：H(ω)为频响函数，Y(ω)是作动器线位移反馈信号y(t)的傅里叶变换，是指令信号x(t)的傅里叶变换。

传递函数Bode图见图4所示，在幅频特性曲线图中，出现了明显的凹陷，在24～30Hz之间低于预设阈值，则该指令频段中出现了异常降频抖动。

第四步：对指令信号进行时频分析，获取时间与频率的映射关系。对于正弦扫频信号，瞬时频率的获取采用的是Hilbert变换法：

对于某个实函数y(t)，其Hilbert变换定义为

y(t)的Hilbert变换

就可以将信号y(t)的相位ψ(t)和瞬时频率f(t)表示如下

指令信号的时频曲线见图5，曲线为单调函数，频率与时间是一一对应的，取上一步中获取的出现异常降频抖动的频率范围，其对应的时间段是93.0～102.6s。

第五步：取发生异常降频抖动时间段附近的作动器线位移反馈原始时域数据，进行短时傅里叶变换，其原理如下：

短时傅里叶变换是“加窗”的傅里叶变换，给定一个时间宽度很短的窗函数g(t)，可以认为待分析信号x(t)在短时间内是平稳信号，其短时傅里叶变换定义为

式中g

此处频率范围取0～80Hz，频率分辨率取0.005Hz，计算原始时域信号的短时傅里叶变换，通过三维可视化方法瀑布图(waterfall)描述结果，见图6，作动器线位移反馈在该时间区间每一瞬时频率都有多种频率成分，特别是抖动发生时段频率分量集中在低频，其能量明显高于其他频段。

第六步：将指令和作动器线位移反馈的短时傅里叶变换结果绘制为等高线图，见图7，图中可以明确指令信号中在抖动发生时段没有其他频率的分量，作动器线位移反馈信号在该时段有宽频带频率分量，统计获得主要能量集中在8～10Hz，且随着时间单调连续变化，其对应的指令瞬时频率为24～30Hz，接近指令频率的三分之一。

第七步：设计窄带滤波器，取异常降频抖动发生的频率段为滤波器参数，对该时段作动器线位移反馈原始时域信号进行滤波，与原始信号的对比图见图8，滤波后数据更加平稳，可以直接读取精确的低频抖动幅值为1.45°。

通过本发明获取的空气舵低频异常抖动发生的时间段、指令频率区间、抖动信号的优势频率、抖动信号在优势频率的振动幅值等信息，可以为伺服产品方的问题排查与故障排除提供全面有效的数据支持。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。