闭环系统辨识报告

闭环系统辨识

气动参数辨识在导弹研发中的作用

气动力参数辨识是飞行器系统辨识中发展最为成熟的一个领域。对于导弹而言，采用系统辨识技术从飞行试验数据获取导弹空气动力特性，已经成为导弹研制和评估程序的重要组成部分。导弹气动参数辨识的作用主要体现在以下几个方面：

(1)验证气动力数值计算和风洞试验结果。如前所述，数值计算和风洞试验各有其优点，也各有其局限性，必须通过飞行试验进行验证。如果飞行试验气动参数辨识结果与数值计算和风洞试验结果一致，则说明数值计算和风洞试验结果是正确的；如果不一致，就要找出产生不一致的原因，通过相关性分析，将地面试验结果换算到真实飞行状态下。

(2)为导弹系统仿真提供准确的气动参数。在导弹打靶仿真中，控制系统的执行元件、旋转台、控制系统、目标源等都可以采用实物，但导弹所受外作用力，特别是空气动力是飞行状态参数的函数，无法用实物实现，应代之以数学模型。该数学模型是否正确决定了系统仿真的置信度，因此，采用系统辨识技术，辨识出导弹的外作用力数学模型，特别是气动力数学模型，是导弹系统仿真技术的关键环节之一。

(3)为导弹飞行控制系统设计提供准确的气动参数。控制律设计取决于导弹的气动特性。如果控制律设计所依赖的气动数据误差过大，可能会导致控制失效；如果气动数据误差带很大，为了满足控制系统鲁棒性要求，或者控制精度降低，或者对指令的响应时间加长。利用飞行试验气动参数辨识结果，经过相关性分析给出的导弹气动特性，其可信度可望显著提高，用于飞行控制律设计，可以大大提高控制系统的性能。

(4)自适应控制。自适应控制系统能根据系统的状态和环境参数变化，自动调节控制系统的相应系数，以达到最佳控制状态。系统实时辨识是自适应控制系统的重要组成部分。对于导弹，机动性与导弹的静稳定裕度和动压关系很大，实时辨识导弹动力学系统与静稳定裕度和动压密切相关的参数，并据之实时改变控制系统

的增益系数，可提高导弹的可控性和机动性。

(5)飞行试验故障分析。对于导弹飞行试验故障分析，气动和动力学分析是其中的一项重要内容，而气动参数辨识是进行气动和动力学分析的有效工具。气动参数辨识在飞行试验故障分析中已经得到许多成功的应用。

(6)飞行试验落点预报。在导弹靶场飞行试验中，残骸搜索是一项重要的工作，残骸可以为飞行试验结果分析、事故分析、导弹定型等提供重要依据。残骸的快速、有效搜索，取决于落点的准确预报。在导弹飞行试验落点预报中，气动参数辨识是最关键的技术环节。

战术导弹闭环辨识的难点及解决途径

系统辨识的效果受到几个因素的制约：待辨识对象的动态特性；所选取的模

型结构与相应的参数化方式；采用的辨识方法和准则；系统辨识进行的实验条件。从某种意义上说，实验条件可分开环和闭环两种工况，如下图1和图2所示，针对这两种状态的辨识也分别称为开环系统辨识和闭环系统辨识。开环系统的输入与输出信号之间不相关，系统的输出仅仅反映系统输入和系统本身的特性，系统辨识可以对输入和输出信号分别测量和处理，数据处理比较简单明确；闭环状态输出信号不仅反映系统特性，还包括反馈装置的特性，辨识时要从输出的可观测量中将系统特性和反馈装置特性区别出来，这样一来问题就复杂化了。尽管闭环系统辨识比开环系统辨识复杂，但是有时某些工程应用中要求辨识试验必须在闭环条件下进行，比如，静不稳定飞机飞行试验时不可断开飞控系统，否则可能会造成灾难性的后果；再如，在经济、生物等领域中，许多系统往往还存在固有的、无法断开的或隐蔽的反馈；还有出于系统运行安全性、经济性的考虑，利用在线辨识进行控制的系统也需要闭环系统辨识，以免系统工况偏离正常值太远而发生危险或影响产品质量。因此，根据闭环条件下测得的试验数据对对象进行辨识往往不可避免。闭环系统辨识研究成为近年来系统辨识方法研究的重要发展方向，在今后工程中的应用也将愈来愈多。

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图1开环系统（前馈控制）

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图2闭环系统（反馈控

制）

对于战术导弹，大攻角机动是其重要的战术技术指标之一。在大攻角下，导弹的空

气动力特性十分复杂。绕细长导弹的流动结构，可分成四种主要的流动形态。当攻角从0°增加到90°时，出现无涡流动、对称涡流动、定常非对称涡流动、尾迹状流动区域。在较大攻角下，非对称前体涡产生较大的侧向力和偏航力矩。

当非对称涡与弹翼相互作用时，导弹的空气动力特性更为复杂。此外，战术导弹作大攻角机动时，非定常气动效应可能很显著。因此，基于安全性与稳定性要求，战术导弹的飞行试验通常是在闭环控制状态下进行的，根据闭环条件下测得的试验数据辨识导弹气动参数已成为获取导弹在典型状态下的非定常气动力特性的一条可行途径。

人们从实践中发现，许多成熟的经典辨识方法，如预报误差法、辅助变量法、相关分析法、频谱分析法等，在开环实验条件下均能获得满意的效果。然而，由于反馈的存在，使得闭环控制系统中的输入输出数据中有关系统动态特性的信息量减少，同时引起输入输出数据相关，由此造成闭环系统的可辨识性和辨识精度问题变得更为严重，直接将上述方法应用于闭环条件下对象的辨识时，将存在较大的估计偏差，甚至会导致对象的不可辨识性。对于战术导弹而言，由于控制系统抑制了相关运动模态，通常情况下，试验数据所含关于待辨识气动参数的信息量很少。此外，由于控制系统的作用，输入（舵偏角）与输出（攻角、侧滑角、角速率、加速度）之间

存在一定程度的相关性。这些因素都将增加闭环气动参数

辨识的难度。

针对战术导弹闭环控制下气动参数辨识中存在的困难，在最大似然辨识方法的

基础上，采用近年来较为流行的粒子群优化算法作为迭代计算方法，从而替代原有的梯度类算法（如Newton-Raphson算法）。

导弹气动参数的可辨识性和辨识准度固然取决于所采用的数学模型和辨识算法，但更重要地取决于飞行试验数据所含待估计参数的信息量和测量数据的精度。不同的控制输入激发出动力学系统的不同运动模态，试验数据所含动力学系统待估计参数的信息量也就不同，例如当仅对导弹施加俯仰舵偏信号时，则导弹在铅垂平面做俯仰运动，此时记录下的试验数据只能用于辨识与纵向俯仰运动有关的气动参数，因为导弹没有激发横向运动模态，也就无法辨识与横向运动有关的滚转气动参数。由此可见，控制输入决定了系统的输出特性，从而决定了系统参数的可辨识性和辨识准度。从这个意义上讲，输入信号的设计是系统辨识的基础。特别是对于战术导弹，控制系统抑制了导弹运动模态的充分激发，如果不进行控制输入设计，飞行试验数据包含的气动信息将十分有限，不利于气动参数辨识。此外，高性能的飞行试验通常包括大攻角飞行，有时还会使用失速模型。在这种情况下，由于急剧的高度损失，飞行试验时间受到严格限制，要求在飞行的单位时间内数据所包含的信息量必须达到最大化来有效利用昂贵的飞行试验时间。这些实际考虑都说明了输入设计在气动参数辨识中的重要性。

闭环系统参数辨识方法研究

系统辨识中的闭环问题作为一类特殊的辨识问题，近年来越来越受到人们的关注。Soderstrom 指出，由于输出信号的干扰噪声通过反馈环节与输入信号相关，直接采用频谱分析法，辨识结果将是对象传递函数与反馈传递函数倒数间的一个加权平均值；Ljung 的理论分析表明，如果采用预报误差法进行开环辨识时，只要对象模型集包含真实对象的动态特性，即使噪声模型不足以描述噪声的真实动态特性，仍可获得对象的一致无偏估计，而将此方法直接用于闭环辨识时，只要噪声模型不能精确描述真实噪声，即使对象模型集包含了真实对象动态特性，得到的将是对象参数的有偏估计；Gustavsson 则举出了反馈环节是比例调节器时，直接采用预报误差法将导致对象不可辨识性的实例。

对上述问题的解决，存在三种经典的解决方法：直接法、间接法、联合输入