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基于通用化等效模型的飞机系统辨识算法

周大鹏 李贺琦 王业光 王立新

周大鹏,李贺琦,王业光,等. 基于通用化等效模型的飞机系统辨识算法[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(5):1454-1462 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0507
引用本文: 周大鹏,李贺琦,王业光,等. 基于通用化等效模型的飞机系统辨识算法[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(5):1454-1462 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0507
ZHOU D P,LI H Q,WANG Y G,et al. Aircraft system identification algorithm based on generalized equivalent model[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(5):1454-1462 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0507
Citation: ZHOU D P,LI H Q,WANG Y G,et al. Aircraft system identification algorithm based on generalized equivalent model[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(5):1454-1462 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0507

基于通用化等效模型的飞机系统辨识算法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0507
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:liheqi995@163.com

  • 中图分类号: V212.12

Aircraft system identification algorithm based on generalized equivalent model

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  • 摘要:

    针对舰载机等复杂动力学系统的高阶时滞模型拟配难题,提出了一种基于通用化等效模型的系统频域辨识算法。建立系统辨识通用化等效模型,引入自适应学习率梯度下降法对模型进行基于样本的迭代学习训练,使模型的频域参数自动收敛,辨识得到复杂系统的高阶时滞模型。以舰载机横航向荷兰滚等效拟配模型进行验证,与传统算法对比,并分析了系统的频域与时域响应,结果表明:所提算法具有较好的辨识效果,解决了高阶时滞模型的直接拟配难题,并通用于广泛的高阶时滞模型拟配。

     

  • 图 1  迭代训练策略

    Figure 1.  Strategy of iterative training

    图 2  迭代训练的时域过程

    Figure 2.  Time domain process of iterative training

    图 3  等效高阶模型迭代训练的频域结果

    Figure 3.  Frequency domain results of equivalent high-order model’s iterative training

    图 4  训练模型与等效高阶模型对比

    Figure 4.  Comparison between training model and equivalent high-order model

    图 5  等效低阶模型迭代训练的频域结果

    Figure 5.  Frequency domain results of equivalent low-order model’s iterative training

    图 6  模型阶跃响应

    Figure 6.  Step response of models

    表  1  算例频域辨识模型参数

    Table  1.   Parameters of arithmetic frequency domain identification model

    模型$ T $$ Z $$ N $$ P $$ Q $
    等效高阶模型10121
    等效低阶模型01001
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    表  2  超参数

    Table  2.   Hyperparameters

    $ \eta $ $ \rho $ $ \varepsilon $ $ \lambda $
    0.001 0.999 0.1 0.0175
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    表  3  等效高阶模型的频域特性参数

    Table  3.   Frequency domain characteristic parameters of equivalent high-order model

    等效高阶模型 $ k $ $ b_1^{(1)} $ $ b_2^{(1)} $ $ a_0^{(1)} $ $ a_0^{(2)} $ $ a_1^{(1)} $ $ a_2^{(1)} $ $ \tau $ $ J $
    训练样本 3 0.2 0.1 0.5 0.5 0.6 0.3 0.01
    初始值 1 1 1 1 1 1 1 1 402.8
    $ 10 $次训练 1.1331 1.1353 1.1211 0.8680 0.8680 0.8601 0.8741 0.8561 271.3
    $ {10^2} $次训练 1.3978 1.4102 1.1029 0.7241 0.7241 0.5794 0.9231 0.4888 89.8
    $ {10^3} $次训练 2.0211 1.6973 0.7273 0.7071 0.7071 0.7864 1.0552 −0.0120 3.6
    $ 5 \times {10^3} $次训练 2.9523 1.2700 0.6509 1.0063 1.0063 0.6912 0.7027 −0.0298 1.1
    $ 8 \times {10^3} $次训练 3.0018 0.1999 0.1006 0.5026 0.5026 0.5955 0.2976 0.0098 6.0×10−4
    $ 9 \times {10^3} $次训练 3.0003 0.2005 0.1005 0.4998 0.4998 0.5992 0.2995 0.0099 1.1×10−3
    $ {10^4} $次训练 2.9995 0.1996 0.0955 0.5005 0.5005 0.6006 0.3007 0.0103 1.5×10−3
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    表  4  梯度下降法的等效低阶模型频域特性参数

    Table  4.   Frequency domain characteristic parameters of equivalent low-order model based on gradient descent method

    梯度下降法的等效低阶模型 $ k $ $ a_1^{(1)} $ $ a_2^{(1)} $ $ b_0^{(1)} $ $ \tau $ $ J $
    初始值 1 1 1 1 1 446.7
    $ 10 $次训练 1.1084 0.8665 0.8608 1.1304 0.8554 328.6
    $ {10^2} $次训练 0.8880 0.5720 0.5645 1.3620 0.4832 118.7
    $ {10^3} $次训练 0.6338 0.4694 0.5553 2.0367 0 13.6
    $ {10^4} $次训练 0.3146 0.8629 0.8538 7.2477 0 4.6
    $ 5 \times {10^4} $次训练 0.1667 1.0386 0.9570 15.8224 0 2.5
    $ {10^5} $次训练 0.1603 1.0447 0.9603 16.5260 0 2.4
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    表  5  最小二乘法的等效低阶模型频域特性参数

    Table  5.   Frequency domain characteristic parameters of equivalent low-order model based on least sqaure method

    最小二乘法的等效低阶模型 $ K $ $ {\omega _0} $ $ \xi $ $ T $ $ \tau $ $ J $
    初始值 1 1 0.5 1 1 446.7
    终值 0.0274 0.9996 0.5435 101.7832 0 1.7
    梯度下降法$ {10^5} $次训练等效值 0.1669 1.0205 0.5119 16.5260 0 2.4
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    表  6  模型阶跃响应稳态值

    Table  6.   Steady state value of model step response

    模型单位阶跃稳态值
    样本模型0
    等效高阶模型0
    等效低阶模型(梯度下降法)0.1603
    等效低阶模型(最小二乘法)0.0274
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    表  7  模型阶跃响应性能指标

    Table  7.   Performance index of model step response

    模型 峰值 峰值时间/s 调节时间/s
    样本模型 1.52 1.3 4.9
    等效高阶模型 1.53 1.3 4.9
    等效低阶模型(梯度下降法) 1.50 1.3 6.9
    等效低阶模型(最小二乘法) 1.48 1.2 7.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-20
  • 录用日期:  2022-08-14
  • 网络出版日期:  2022-10-09
  • 整期出版日期:  2024-05-29

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