梁建海 馬子生

摘要 旋翼塔為直升機(jī)主槳葉試驗(yàn)提供試驗(yàn)平臺(tái)，液壓操縱系統(tǒng)和激振系統(tǒng)是旋翼塔試驗(yàn)臺(tái)最關(guān)鍵、最核心的系統(tǒng)之一。操縱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)槳葉總距及周期變距變化，達(dá)到槳葉在真實(shí)飛行狀態(tài)下的運(yùn)行角度，編制自動(dòng)飛行功能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)耐久性試驗(yàn)，省去人工改變飛行狀態(tài)的工作。激振系統(tǒng)為槳葉動(dòng)特性試驗(yàn)提供激振源，并與測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃頻功能完成動(dòng)特性試驗(yàn)。通過(guò)合理的硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)，其自動(dòng)化程序高，界面友好，運(yùn)行穩(wěn)定，為旋翼塔試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性提供了保證。

【關(guān)鍵詞】旋翼塔 操縱系統(tǒng) 激振系統(tǒng)

旋翼塔試驗(yàn)臺(tái)是指專用于旋轉(zhuǎn)旋翼試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)，可以完成功能性試驗(yàn)、氣動(dòng)性能試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)動(dòng)特性試驗(yàn)、初步耐久性試驗(yàn)等試驗(yàn)。其中液壓操縱系統(tǒng)為試驗(yàn)提供槳葉的角度控制，激振系統(tǒng)為動(dòng)特性試驗(yàn)提供激振幅頻響應(yīng)。液壓操縱激振系統(tǒng)的好壞，控制精度直接影響槳葉采集的數(shù)據(jù)有效性。

本文設(shè)計(jì)了基于Labview的直升機(jī)旋翼塔液壓操縱和激振系統(tǒng)控制系統(tǒng)，通過(guò)合理的軟件及硬件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)直升機(jī)槳葉的總距及周期變距控制，自動(dòng)飛行功能及激振功能。

1 旋翼塔操縱和激振系統(tǒng)工作原理

旋翼塔操縱系統(tǒng)可以完全真實(shí)的模擬出直升機(jī)槳葉的各種總距及周期變距的各種組合，并且實(shí)現(xiàn)液壓泵站的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)加入了安保功能。該系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)三個(gè)液壓缸連接在直升機(jī)自動(dòng)傾斜器試驗(yàn)件上，主槳葉與自動(dòng)傾斜器相連，知道主槳葉的翼型結(jié)構(gòu)特性，給定總距角，周期變距角，通過(guò)特定的算法轉(zhuǎn)換成三缸的運(yùn)動(dòng)位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉的姿態(tài)控制，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在該狀態(tài)下采集所需的數(shù)據(jù)。

旋翼塔液壓激振系統(tǒng)是在總距一定的情況下，其中的一個(gè)液壓缸做振幅激勵(lì)源，數(shù)據(jù)采集采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，最后通過(guò)數(shù)據(jù)處理得出槳葉共振圖曲線。

原理示意圖如圖1所示，圖1中三個(gè)操縱缸與自動(dòng)傾斜器試驗(yàn)件相連，該示意圖為操縱系統(tǒng)時(shí)三缸的連接示意圖，只能實(shí)現(xiàn)總距及周期變距角的功能，若需要實(shí)現(xiàn)激振功能，則需要根據(jù)試驗(yàn)需求將其中的一個(gè)操縱缸換成激振缸，普通的操縱缸激振頻率達(dá)不到動(dòng)特性試驗(yàn)所需的頻率。

該系統(tǒng)的操縱精度總距0.1度，激振頻率0.2Hz-50Hz，控制精度0.02Hz，頻率幅值1mm，控制精度0.05mm。

試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。2旋翼塔操縱和激振系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

旋翼塔操縱和激振系統(tǒng)是旋翼塔能夠?qū)崿F(xiàn)旋翼塔各項(xiàng)試驗(yàn)的關(guān)鍵。其核心的操縱控制功能是控制三缸的位移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證三缸的同步精度，激振的控制功能是控制總距變化的同時(shí)還能夠提供不同頻率，不同幅值的激振信號(hào)。該系統(tǒng)核心的控制功能為普通操縱、自動(dòng)運(yùn)行及自動(dòng)掃頻激振，來(lái)滿足試驗(yàn)需求。因此可以將該控制系統(tǒng)分為普通操縱系統(tǒng)、自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)、激振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及安保監(jiān)控系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要是通過(guò)上位機(jī)與控制器通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)三缸位移的控制及液壓泵站的控制。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

上位機(jī)選用研華工控機(jī)，控制器采用美國(guó)DELTA伺服控制器RMC系列加雙軸（H模塊）具有實(shí)時(shí)控制4個(gè)液壓缸的能力。在本系統(tǒng)中，只需要同時(shí)控制三個(gè)缸，另外一個(gè)通道做備用。伺服放大器選用VC2124，此模塊將土10V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為土lOmA至土lOOmA電流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)液壓伺服閥或類似的負(fù)載，在本系統(tǒng)中將輸出電流范圍調(diào)整至-40-40mA，本系統(tǒng)中對(duì)操縱缸的伺服閥1、伺服閥2、伺服閥3選用兩級(jí)伺服閥MOOG G761系列伺服閥，激振缸也采用該系列伺服閥。MOOG G761系列伺服閥，滿足快速響應(yīng)要求。位移傳感器采用Novotechnik LWH系列直線位移傳感器，該傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，尺寸與液壓缸安裝方便，重復(fù)精度高。液壓泵站控制采用PLC200，對(duì)泵站的啟動(dòng)、上高低壓、壓力大小進(jìn)行控制。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件編程采用的是LabVIEW編程軟件，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理分析功能和編程環(huán)境以及與DELTA控制器、PLC的友好融合特性，可以很好地減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。它繼承了傳統(tǒng)編程語(yǔ)言中結(jié)構(gòu)化和模塊化的優(yōu)點(diǎn)。各模塊可以單獨(dú)編程、單獨(dú)調(diào)試，最后集成整合。本測(cè)控軟件主要包括前面板設(shè)計(jì)、菜單功能設(shè)計(jì)、普通操縱模塊設(shè)計(jì)、自動(dòng)運(yùn)行模塊設(shè)計(jì)、自動(dòng)掃頻設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)。程序流程圖如圖3所示。圖中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不僅僅局限于圖中所示內(nèi)容。

2.2.1 普通操縱功能模塊設(shè)計(jì)

普通操縱功能前面板如圖4所示，此模塊設(shè)計(jì)的目的是為了實(shí)現(xiàn)性能試驗(yàn)，得出相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該模塊的輸入是總距、縱向周期變距、橫向周期變距，需要考核的值是反饋總距、反饋縱向周期變距及反饋橫向周期變距。通過(guò)反饋的數(shù)值來(lái)判斷我們的系統(tǒng)是否滿足條件。已知旋翼總距、橫向周期變距和縱向周期變距的情況下，采用疊加器矩陣的方法得出三個(gè)作動(dòng)筒的不同變化量。這種關(guān)系用矩陣的形式進(jìn)行表達(dá)，如公式（l）所示。

本操縱功能模塊，通過(guò)輸入得到三缸的變化幅值，轉(zhuǎn)換成三缸所到的位移值，通過(guò)Ethemet/IP協(xié)議將位移信號(hào)時(shí)發(fā)送給RMC控制器，再加上三缸的不同速度，如此復(fù)實(shí)現(xiàn)了三缸的同步運(yùn)動(dòng)。

2.2.2 自動(dòng)運(yùn)行模塊設(shè)計(jì)

在解決了普通操縱問(wèn)題的前提下，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行功能。自動(dòng)運(yùn)行的前面板如圖5所示，該功能模塊是為完成耐久性試驗(yàn)，完成已編制好的運(yùn)動(dòng)加載譜，運(yùn)行譜中有相應(yīng)的總距、周期變距值及當(dāng)前狀態(tài)下所需的進(jìn)行時(shí)間，并且實(shí)現(xiàn)幾次循環(huán)數(shù)。在這里的一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)該過(guò)程的控制流程。該過(guò)程的控制流程圖如圖6所示。

2.2.3 激振功能模塊設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)激振功能，首先需要將其中的一個(gè)操縱缸換成激振缸，這樣才能實(shí)現(xiàn)激振的功能和效果。激振系統(tǒng)的前面板如圖7所示，激振系統(tǒng)與普通操縱一樣也具有改變總距的功能，動(dòng)特性試驗(yàn)需要在不同的狀態(tài)下進(jìn)行激振。同時(shí)，激振系統(tǒng)需要與測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃頻，給定激振起始頻率、終止頻率、頻率步長(zhǎng)及激振幅值，系統(tǒng)從起始頻率到終止頻率自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。激振功能控制流程如如圖8所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

調(diào)試與試驗(yàn)過(guò)程中，需對(duì)槳葉的總距與周期變距進(jìn)行標(biāo)定檢查，檢查結(jié)果如表2所示。

調(diào)試與標(biāo)定結(jié)果說(shuō)明，普通操縱的控制精度復(fù)合±0.1度的要求。

在動(dòng)特性試驗(yàn)過(guò)程中，給定激振頻率與幅值，部分試驗(yàn)結(jié)果如表3所述。

4 展望與結(jié)論

本文介紹了旋翼塔液壓操縱系統(tǒng)和激振系統(tǒng)的工作原理，通過(guò)合理的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)操縱系統(tǒng)完成槳葉的各種姿態(tài)及耐久性試驗(yàn)，激振系統(tǒng)完成與數(shù)采系統(tǒng)的通訊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃頻功能，經(jīng)過(guò)無(wú)人機(jī)主槳葉的試驗(yàn)及某型有人機(jī)主槳葉的試驗(yàn)，證明該系統(tǒng)滿足控制精度及激振精度的要求。

對(duì)于類似的旋轉(zhuǎn)旋翼平臺(tái)都可以采用類似的系統(tǒng)，具有很好的通用性及使用性。

參考文獻(xiàn)

[1]W.約翰遜.直升機(jī)理論[M].北京：航空工業(yè)出版社，1991.

[2]約翰，賽登，西蒙.紐曼.直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2014.

[3]揚(yáng)一棟.直升機(jī)飛行控制[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2007.

[4]馬峰濤，吳雙金，馬子生.直升機(jī)自動(dòng)傾斜器軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[C]，測(cè)控技術(shù)，2016航空試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，北京：測(cè)控技術(shù)雜志社.2016： 46-48.

[5]楊樂(lè)平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第二版）[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[6]李開(kāi)成，金坤健.旋翼性能與動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]，航空科技學(xué)術(shù)，2014 （04）：41-46.