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数字滤波器与数据微分

数据采集

基本规则:If it is not in the data, it cannot be modeled.

飞行试验大致可分为两类:

  1. 飞行测试的性能评估
  2. 飞行测试的系统识别

用于飞行认证的飞行试验属于第一类;用于气动数据库开发的飞行试验属于第二类;

验收试验指南(Acceptance Test Guide):定义了用于验证飞行模拟器气动数据库保真度的飞行机动。

常见的飞行试验包括:

  1. 短周期操作
  2. 长周期操作
  3. 上拉
  4. 水平转弯
  5. 推力变化
  6. bank-to-bank roll
  7. 荷兰滚机动
  8. 稳态前进,稳态侧滑

数字滤波器

在某些情况下,使用信号前可能需要抑制高频噪声,因为建议记录原始数据。高频噪声重量通常与感兴趣的信号无关。最好只针对这一特定目的对测量信号进行滤波。为此,基于输入值线性组合的数字滤波器被广泛使用。由于对称性,它们的优点是不会在过滤值中引入任何延迟。我们使用斯宾塞(Spencer)基于当前值和前后7个数据点[48的低通数字滤波器 50]。属于一种加权移动平均滤波器,即平均窗口在时间序列中逐点移动,平均数据点数量保持不变。加权平均产生更平滑的信号。

15点Spencer滤波器是:

y n = 1 / 320 [ ? 3 u n ? 7 ? 6 u n ? 6 ? 5 u n ? 5 3 u n ? 4 y_n=1/320[-3u_{n-7}-6u_{n-6}-5u_{n-5} 3u_{n-4} yn=1/320[?3un?7?6un?6?5un?5​+3un−4​

+ 21 u n − 3 + 46 u n − 2 + 67 u n − 1 + 74 u n + 67 u n + 1 +21u_{n-3}+46u_{n-2}+67u_{n-1}+74u_n+67u_{n+1} +21un−3​+46un−2​+67un−1​+74un​+67un+1​

+ 46 u n + 2 + 21 u n + 3 + 3 u n + 3 +46u_{n+2}+21u_{n+3}+3u_{n+3} +46un+2​+21un+3​+3un+3​_

− 5 u n + 5 − 6 u n + 6 − 3 u n + 7 ] _-5u_{n+5}-6u_{n+6}-3u_{n+7}] −​5un+5​−6un+6​−3un+7​]

其中 u u u是有噪声的时间序列, y y y是滤波信号, n n n是离散时间指标, u n − i u_{n-i} un−i​是过去的第i点, u n + 1 u_{n+1} un+1​是未来的第i点。离散滤波器的幅值响应。

如式(2.13)所给出的幅值响应可以计算为

H ( ω ) = C ( 0 ) + 2 ∑ j = 1 m C ( j ) cos ⁡ ( j ω ) H(\omega)=C(0)+2\sum_{j=1}^m C(j)\cos(j\omega) H(ω)=C(0)+2∑j=1m​C(j)cos(jω)

其中, m = ( N − 1 ) / 2 m=(N-1)/2 m=(N−1)/2为进行加权平均的数据点个数,即窗口大小,C为滤波系数,也称为权重。对于式(2.13)给出的斯宾塞15点移动平均滤波器,N为15,滤波器权重为 C [ − 3 − 6 − 53214667746746213 − 5 − 6 − 3 ] C[-3 -6 -5 3 21 46 67 74 67 46 21 3 -5 -6 -3] C[−3−6−53214667746746213−5−6−3],窗口中点为 C ( 0 ) = 74 C(0) =74 C(0)=74。15点Spencer滤波器的幅值响应图如图2.12所示,表明它在高频时的振荡行为可以忽略不计,并且低频和高频之间的分离很好地定义和尖锐。

使用函数/chapter02/filter_Sp_Hen_FreqResp.m

绘制幅值响应。另一个常见的21个数点斯宾塞滤波器是由

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-yczrf8kW-1657029595052)(C:\Users\jianshitong\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220705165405185.png)]

21点

KaTeX parse error: Expected 'EOF', got '&' at position 21: …=\frac{1}{350}[&̲-u_{n-10}-3 u_{…

Henderson滤波器:

C j = 315 [ ( m + 1 ) 2 − j 2 ] [ ( m + 2 ) 2 − j 2 ] [ ( m + 3 ) 2 − j 2 ] [ 3 ( m + 2 ) 2 − 11 j 2 − 16 ] 8 ( m + 2 ) [ ( m + 2 ) 2 − 1 ] [ 4 ( m + 2 ) 2 − 1 ] [ 4 ( m + 2 ) 2 − 9 ] [ 4 ( m + 2 ) 2 − 25 ] C_{j}=\frac{315\left[(m+1)^{2}-j^{2}\right]\left[(m+2)^{2}-j^{2}\right]\left[(m+3)^{2}-j^{2}\right]\left[3(m+2)^{2}-11 j^{2}-16\right]}{8(m+2)\left[(m+2)^{2}-1\right]\left[4(m+2)^{2}-1\right]\left[4(m+2)^{2}-9\right]\left[4(m+2)^{2}-25\right]} Cj​=8(m+2)[(m+2)2−1][4(m+2)2−1][4(m+2)2−9][4(m+2)2−25]315[(m+1)2−j2][(m+2)2−j2][(m+3)2−j2][3(m+2)2−11j2−16]​

其中, j = − m → m j= -m \to m j=−m→m,其中 m = ( N − 1 ) / 2 m=(N-1)/2 m=(N−1)/2 , N为窗口大小(滤波器长度),即数据点的个数。这里我们只考虑对称滤波器,即N必须是一个奇数。亨德森滤波器遵循局部三次多项式,可拟合噪声时间序列中的不同曲率,通过加权移动平均处理[53]进行平滑处理。前面的公式得到7-、9-和13点亨德森滤波器的权重分别为(20.0587、0.0587、0.2937、0.4126、0.2937、0.0587、20.0587)、(20.0407、20.0099、0.1185、0.2666、0.3311、0.2666、0.1185、20.0099、20.0407)和(20.0193、20.0279、0、0.0655、0.1474、0.2143、0.2401、0.2143、0.1474、0.0655、0、20.0279、20.0193)。它们使用函数/FVSysID2/chapter02/HendersonCoeff.m计算。不同滤波器长度的亨德森滤波器的幅值响应如图2.12所示。观察到13点亨德森滤波器具有类似于15点斯宾塞滤波器的特性,但在较高的频率下在零电平附近有小的振荡。的

数值微分

正如本节前面已经指出的,角加速度是通过测量角速度的数值微分得到的。在特定的情况下,可能还需要其他测量的时间导数。获得这种时间导数最简单的方法是使用单侧正差分或双侧中心差分公式。关于系统函数的近似,我们将在第3.5.3节更详细地讨论这些公式。这种简单的公式不太适合用于测量时程的数值微分,因为它们往往会放大噪声。也就是说,测量数据的微小误差会引起数值逼近导数的较大偏差。尽管有高质量的传感器,但测量噪声的存在是不可避免的。

一般来说,有两种方法对有噪声的数据进行微分:

1)首先使用合适的滤波器对原始数据进行滤波,如前文讨论过的15点Spencer或9点Henderson滤波器,然后使用响应特性接近理想的一个滤波器对平滑数据进行微分;

2)选择包含合适的低通数字滤波器的数值微分器来抑制有噪声的高频。

数字滤波器:

y ( k ) = 1 Δ t ∑ i = 1 N C i [ x ( k + i ) − x ( k − i ) ] y(k)=\frac{1}{\Delta t}\sum_{i=1}^N {C_i[x(k+i)-x(k-i)]} y(k)=Δt1​∑i=1N​Ci​[x(k+i)−x(k−i)]

当 N = 1 N=1 N=1时,显然这是一个标准的中心差分公式:

y ( k ) = 1 Δ t C 1 [ x ( k + 1 ) − x ( k − 1 ) ] y(k)=\frac{1}{\Delta t}C_1[x(k+1)-x(k-1)] y(k)=Δt1​C1​[x(k+1)−x(k−1)]

一般应用较多的是八阶和十二阶微分公式;

k k k是离散时间点, x x x是测量信号, y y y是测量信号的时间导数, Δ t \Delta t Δt是采样时间, N N N是在微分器中加入滤波器的阶数, C i C_i Ci​是相应的系数,由下式得到:

A C = b AC=b AC=b

其中, b b b是向量, A A A矩阵是 n × n n×n n×n的矩阵,

b T = [ 1 / 2   0   0   . . . ] ; a i j = ( − 1 ) i + 1 j 2 i − 1 b^T=[1/2 \ 0\ 0\ ...];a_{ij}=(-1)^{i+1}j^{2i-1} bT=[1/2 0 0 ...];aij​=(−1)i+1j2i−1

由式(2.19)和(2.20)可得一至四阶微分系数分别为(0.5)、(0.66666667,20.08333333)、(0.75,20.15,0.016666667)和(0.8,20.2,0.038095238,20.003571428)

这些系数和高阶平滑微分器的系数可以使用/FVSysID2/chapter02/numDiffCoeff.m程序生成。实用函数ndiff_Filter02、ndiff_Filter04、ndiff_Filter08和ndiff_Filter12用于区分,满足多个时间段,已根据第二、第四、第八和第十二阶公式开发。它们的幅值响应如图2.13所示,微分器的幅值响应由

H ( ω ) = i Δ t 2 ∑ j = 1 N C ( j ) sin ⁡ ( j ω ) H(\omega)=\frac{i}{\Delta t} 2 \sum_{j=1}^{N} C(j) \sin (j \omega) H(ω)=Δti​

标签: 1207g传感器保真1836n5to接近传感器

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