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第1章 频域系统辨识的简介及其发展简史1

1.1 飞机和旋翼机系统辨识的基本概念1

1.1.1 频率响应模型3

1.1.2 传递函数模型3

1.1.3 状态空间模型4

1.2 仿真和系统辨识的关系6

1.3 旋翼机系统辨识的特殊挑战8

1.4 飞行器系统辨识中的参数化模型及非参数模型的其他作用8

1.5 频率响应辨识方法很适合于飞行器的开发研制11

1.6 确定飞行力学模型时系统辨识方法的作用及其局限性16

1.7 频域方法用于飞机和旋翼机系统辨识的发展简史17

1.8 本书的组织结构19

习题20

第2章 系统辨识的频率响应法22

2.1 频率响应辨识方法的技术路线22

2.2 频率响应法用于飞行器系统辨识的主要特点26

2.3 频率响应辨识方法用于XV-15倾转旋翼机31

2.3.1 XV-15扫频数据：V＝170kn32

2.3.2 仿真模型验证33

2.3.3 辨识传递函数模型34

2.3.4 操纵品质规范35

2.3.5 巡航状态下的稳定和控制导数辨识36

2.3.6 巡航状态辨识模型的时域验证39

2.3.7 悬停状态下的稳定和控制导数辨识和验证42

2.4 CIFER应用举例46

习题46

第3章 案例描述49

3.1 倒立摆问题49

3.2 XV-15倾转旋翼机51

3.3 XV-15悬停时的飞行动态52

3.4 闭环悬停飞行试验中的测量53

3.5 XV-15悬停状态下的测试数据库54

3.6 XV-15巡航时的动态特性56

3.7 开环巡航飞行试验中的测量57

3.8 XV-15巡航状态下的飞行试验数据库58

习题59

第4章 CIFER软件概述61

4.1 CIFER软件的基本特征61

4.2 CIFER中的数据流63

4.3 CIFER软件的菜单64

4.4 CIFER用户界面66

4.5 CIFER实用程序例子69

4.6 CIFER同其他工具的接口71

习题72

第5章 时间历程数据的采集73

5.1 系统辨识中的数据需求概述（时域和频域）73

5.1.1 适用的频率范围73

5.1.2 动态耦合74

5.2 最优输入设计75

5.3 频率响应辨识方法中推荐的驾驶员输入76

5.4 对试验仪器的要求78

5.5 驾驶员扫频概述80

5.6 扫频输入信号的详细设计81

5.7 飞行试验阶段的考虑83

5.8 飞机本体辨识的开环和闭环试验84

5.9 驾驶员扫频中哪些重要哪些不重要86

5.10 驾驶员扫频技术中关键点归纳89

5.11 计算机生成扫频90

5.11.1 离线仿真模型的系统辨识试验92

5.11.2 确定结构响应95

5.11.3 无人飞行器97

5.11.4 自动扫频试验中的重要事项99

5.12 利用其他类型的输入信号进行频率响应辨识99

习题103

第6章 数据协调性和数据重构105

6.1 飞行试验数据测量误差的建模105

6.1.1 利用动力学协调性方法消除飞行试验数据中的测量误差107

6.1.2 基于SMACK的B0105飞行试验分析109

6.1.3 应用SMACK进行进一步的数据协调性分析试验112

6.2 数据协调性和状态重构的简易方法113

6.2.1 角运动量的协调114

6.2.2 仪器系统特性的校正116

6.2.3 线运动参数的协调性118

6.2.4 错误数据点的检测121

6.2.5 控制装置标定123

习题124

第7章 单输入／单输出系统频率响应辨识理论126

7.1 频率响应的定义127

7.2 建立时域信号的傅里叶变换与频率响应H（f）的关系127

7.3 解释频率响应的一个简单例子129

7.4 一般性结论131

7.5 傅里叶变换和谱函数的计算132

7.5.1 谱函数132

7.5.2 谱函数辨识中的偏差和随机误差133

7.5.3 分窗法134

7.5.4 快速傅里叶变换和线性调频Z变换136

7.6 谱函数的说明137

7.7 频率响应的计算138

7.7.1 无输入测量噪声时输出噪声对H1（f）估计的影响139

7.7.2 输入噪声对H1（f）估计的影响141

7.7.3 频率响应计算的第二计算式142

7.7.4 存在非线性因素时频率响应的说明：描述函数143

7.8 相干函数143

7.9 频率响应估计中的随机误差145

7.10 窗口尺寸选择及其折中147

7.10.1 标称窗口尺寸（Twin）的选择147

7.10.2 最大窗口尺寸148

7.10.3 最小窗口尺寸149

7.10.4 结构响应辨识中的窗口尺寸要求149

7.10.5 窗口选择上的权衡152

7.11 在CIFER中采用FRESPID进行频率响应辨识152

7.12 频率响应辨识准则的总结154

7.13 举例：倒立摆154

7.14 应用和例子156

7.14.1 时间历程信号的谱分析157

7.14.2 驾驶员截止频率的确定158

7.14.3 操纵品质规范的符合性160

7.14.4 用数值方法提取线性模型163

7.14.5 飞行仿真验证165

7.14.6 稳定裕度试验166

7.14.7 控制系统模型验证170

习题176

第8章 反馈调节系统工作时的飞机本体动态辨识180

8.1 闭环辨识中的限制条件180

8.2 偏差的量值181

8.3 偏差定义183

8.4 闭环条件下辨识结果的数字分析184

8.4.1 无噪声（n＝0）时闭环响应p/δlat和飞机本体p/δa响应的辨识185

8.4.2 闭环条件下噪声对飞机本体响应辨识的影响187

8.4.3 在参数辨识中确定偏差量值191

8.5 飞行试验建议191

8.6 不稳定倒立摆动态的辨识192

8.7 结论193

习题194

第9章 多输入辨识技术197

9.1 多输入技术197

9.2 对多输入辨识技术的需求198

9.2.1 轴间动态耦合（条件1）198

9.2.2 控制输入关联（条件2）198

9.2.3 一般性考虑199

9.3 简单的双输入示例199

9.3.1 使用单输入／单输出解200

9.3.2 双输入／单输出解201

9.3.3 双输入／多输出解203

9.4 规整谱量203

9.5 使用XV-15飞行数据的双输入辨识解示例205

9.6 一般MIM0解209

9.6.1 一般MISO解210

9.6.2 联合MISO分析以获得MIMO解211

9.7 强控制相关212

9.8 在CIFER中使用MISOSA进行多输入辨识213

9.9 悬停直升机的MISO解示例215

9.10 使用多输入机动进行MIMO辨识217

9.11 确定MIMO控制系统的开环响应218

习题220

第10章 复合分窗222

10.1 背景222

10.2 复合分窗法223

10.3 窗口尺寸的选择225

10.4 在CIFER中使用COMPOSITE计算复合窗口225

10.5 倒立摆的复合窗口法处理结果226

10.6 单输入和多输入分析中的COMPOSITE分窗226

10.7 XV-15悬停状态p/δlat闭环SISO辨识的复合分窗结果230

10.8 BO105直升机MIMO辨识的复合分窗结果232

10.9 结构系统辨识的复合结果233

10.10 复合分窗用于时间历程信号的谱分析234

10.11 总结235

习题236

第11章 建立传递函数模型238

11.1 传递函数建模的目的238

11.2 传递函数模型的辨识方法239

11.3 模型结构选择241

11.3.1 模型的最终用途242

11.3.2 输入／输出变量对的选择242

11.3.3 拟合的频率范围（ω1～ωnω）242

11.3.4 分子多项式和分母多项式的阶次（m和n）243

11.3.5 包含等效时间延迟τeq244

11.3.6 拟合过程中的固定或自由系数244

11.4 在CIFER中使用NVAVFIT辨识SISO传递函数模型244

11.5 倒立摆实例245

11.6 操纵品质方面的应用246

11.6.1 ADOCS验证机的LOES操纵品质评估247

11.6.2 固定翼飞机的横航向动态模型辨识251

11.7 飞行动力学特性研究256

11.7.1 直升机旋翼—机身耦合的基本原理257

11.7.2 OH-58D的辨识（高挥舞刚度示例）263

11.8 用于控制系统设计的飞行动力学模型265

11.9 气动弹性模型辨识267

11.10 子系统部件建模270

11.11 总结和展望272

习题272

第12章 状态空间模型辨识——基本概念275

12.1 背景275

12.2 使用频率响应方法进行MIMO状态空间模型辨识277

12.2.1 状态空间模型结构277

12.2.2 在完整结构中包含传递函数模型形式279

12.2.3 辨识代价函数和求解方法280

12.3 精度分析282

12.3.1 Cramér-Rao不等式和Cramér-Rao边界的确定283

12.3.2 Cramér-Rao边界的验证计算286

12.3.3 Cramér-Rao边界和相关指标的说明287

12.3.4 用理论精度指标确定系统模型结构289

12.4 用于状态空间模型辨识的频率响应方法的主要特点291

12.5 状态空间模型结构293

12.5.1 规范型模型结构294

12.5.2 物理模型结构295

12.5.3 模型结构定义的其他方面296

12.6 在CIFER中用DERIVID进行状态空间模型辨识297

12.7 倒立摆实例298

12.8 XV-15闭环状态空间模型的辨识300

12.9 结构系统辨识302

习题306

第13章 状态空间辨识：物理模型结构307

13.1 背景308

13.2 开发合适物理模型结构的步骤309

13.3 飞行器运动方程310

13.3.1 力方程310

13.3.2 力矩方程311

13.3.3 欧拉角关系312

13.4 模型的状态空间结构表达式312

13.4.1 状态和控制变量312

13.4.2 状态和控制矩阵（M,F,G）313

13.4.3 测量矢量313

13.4.4 测量矩阵（H0,H1）315

13.4.5 时间延迟矩阵τ316

13.4.6 自由、固定及受约束参数316

13.4.7 一般辨识的状态空间结构317

13.5 频率响应数据库和频率范围317

13.5.1 频率响应数据库317

13.5.2 频率范围表318

13.5.3 基于频率响应表的模型结构简化319

13.6 检查初始模型设置322

13.7 模型辨识和结构简化323

13.8 XV-15巡航状态3自由度横航向模型辨识324

13.8.1 模型结构324

13.8.2 初始辨识结果和模型结构化简327

13.8.3 最终辨识结果331

13.9 XV-15悬停时3自由度横航向模型的辨识337

13.9.1 模型结构337

13.9.2 初始辨识结果和模型结构简化339

13.9.3 悬停状态下最终的横航向模型341

13.10 利用系统辨识由非线性仿真准确确定稳定和控制导数344

13.11 固定翼UAV的3自由度纵向模型辨识348

13.12 轻型有人驾驶直升机6自由度MIMO模型的辨识354

13.12.1 状态空间模型结构355

13.12.2 动态入流的影响355

13.12.3 发动机／调速器／转速动态的影响356

13.12.4 速度导数的隔离357

13.12.5 最终辨识结果360

习题369

第14章 辨识模型的时域验证372

14.1 时域验证的目的372

14.2 时域验证方法373

14.3 常值偏差和基准偏移量的估计375

14.4 相关性问题377

14.5 用于时域模型验证的数据规整378

14.6 在CIFER中用VERIFY对模型进行时域验证378

14.7 XV-15闭环传递函数模型验证379

14.8 巡航阶段飞机本体模型的验证（XV-15）380

14.9 悬停时飞机本体模型的验证（XV-15）381

习题386

第15章 耦合旋翼／机身动态的高阶建模388

15.1 扩展直升机模型辨识的背景和资料388

15.2 混合模型推导389

15.2.1 耦合的机身／旋翼挥舞动态390

15.2.2 摆振动态393

15.2.3 耦合的机身和锥角／入流动态396

15.2.4 偏航和发动机动态397

15.2.5 完整状态空间混合模型结构398

15.2.6 前飞的混合模型结构399

15.3 SH-2G直升机的混合模型辨识399

15.3.1 SH-2G飞行试验400

15.3.2 悬停飞行状态辨识401

15.3.3 悬停状态辨识和仿真模型的比较410

15.3.4 对60kn和100kn的辨识结果414

15.3.5 时间响应验证419

15.3.6 SH-2G辨识项目的总结419

15.4 S-92直升机摆振动态的辨识426

习题427

附录 建议准则汇总430

参考文献433