基于電傳飛控的直升機扭振試驗總距激勵技術

吳本強，劉正勝

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001;2.32382部隊，北京 100072)

0 引言

直升機傳動軸系是彈性體，具有豐富的扭轉振動。在一定的條件下，直升機傳動鏈扭振與燃油調控裝置、調控規律會形成具有不斷能量輸入的可自激振蕩系統，在燃油控制系統中串入陷波器是防止該耦合振蕩的有效措施[1]。首先需要根據扭振試驗頻率測量結果獲得的扭振低階固有頻率去修正凹陷濾波器的中心頻率；再通過扭振穩定性試驗驗證傳動鏈扭振與發動機燃油控制系統耦合的穩定性[2]。在扭振試驗及扭振穩定性試驗中，總距激勵作為能量的輸入，對試驗的開展至關重要[3]。采用機械操縱系統的直升機，一般采用往復拉動總距桿的方式進行總距激勵，這種方式不適用于采用電傳操縱且未安裝駕駛桿系的地面試驗機。

電傳操縱系統可定義為，駕駛員的操縱指令信號，只通過導線(或總線)傳給計算機，經其計算(按預定的規律)產生輸出指令，操縱旋翼和尾槳變距，以實現對直升機的操縱[4]。作為一種先進技術，電傳飛控是直升機升級換代的重要標志，是直升機主動控制技術的基礎，其原理圖見圖1[5-6]。某新型直升機即采用了電傳飛控系統。

本文介紹了一種基于電傳飛控的總距激勵技術，以周期激勵方式改變旋翼總距，產生扭振激勵載荷，激起旋翼/尾槳/動力/傳動系統低階模態振動。通過分析旋翼轉速、發動機轉速、旋翼軸扭矩和發動機動力軸扭矩等參數在激勵停止后的衰減信號，得出整個動力傳動鏈低階扭振固有頻率。

圖1 電傳飛控系統原理圖

為保證系統激振幅值穩定，提出并應用了幅值閉環控制策略，充分利用MATLAB/Simulink和AMESIM兩個軟件平臺的優勢進行聯合仿真，對系統的響應進行分析和對比，驗證了控制策略的有效性。應用CRIO作為系統架構，FPGA作為系統硬件平臺開發控制器，在Labview軟件開發平臺上，通過軟件算法實現液壓激振伺服控制策略，保證了激振頻率的精度。

1 總距激勵系統

某新型直升機地面試驗機首次采用將動力系統、傳動系統、旋翼系統、操縱舵機、液壓系統、燃油系統全尺寸地組裝到機身結構上的方案，較真實地模擬了各系統的實際裝機狀態。

地面試驗機不安裝駕駛桿系及飛控計算機，故需根據地面試驗機的裝機狀態和地面試驗操作要求對機上操縱系統進行改裝，搭建總距激勵系統。

總距激勵系統由舵機和臺架操縱控制系統組成。其中舵機含三臺主槳舵機和一臺尾槳舵機，均與機上狀態一致；臺架操縱控制系統主要包括上位機、CRIO機箱(機箱內含A/D、D/A及數字量輸出模塊)、舵機控制器等組件。上位機主要完成人機界面顯示、指令輸入和狀態反饋；CRIO機箱完成指令信號輸出和狀態反饋信號采集；舵機控制器按照輸入的指令信號，通過特定的控制通道輸出舵機驅動信號，完成激勵動作。系統原理結構圖見圖2。在AMESIM軟件中，對液壓系統建立模型進行仿真分析，整個液壓系統作為S函數供Simulink仿真調用。利用AMESIM的線性分析功能，可以初步考察單通道閉環狀態下的bode圖，引入常規PID控制環節，得到閉環下的幅頻特性曲線，見圖3。

圖2 總距激勵結構框圖

圖3 單通道閉環bode圖

可以看出，如果以-3 db作為系統頻寬評價準則，系統的激振頻寬為40 Hz，而且從5 Hz至50 Hz的激振頻率范圍內，幅值響應差異較大，必須進行必要的幅值補償控制。

2 單通道幅值閉環控制

激振運動指系統以某個槳距為中立位置，以特定的頻率往復運動。激振控制期望與指令信號相比，響應幅值不能降得過低(-3 db)，因此需要通過增加控制增益，使幅頻響應曲線整體上抬，提高系統頻寬。

2.1 幅值閉環控制思想

在RT控制器內通過軟件實現了幅值控制環節，即單通道的幅值閉環控制，增加實際指令輸出，保持幅值穩定。幅值控制的主要步驟如圖4所示，具體如下：

1)采樣及幅值分析

設定模擬量采集相關參數，包括采樣時間、采樣率，采集傳感器的模擬量反饋，并通過A/D模塊轉換成離散點序列x(nΔt)，Δt為采樣間隔時間(采樣率的倒數)，n為采樣點數(采樣率和采樣時間的乘積)；通過FFT或相關性分析方法進行頻譜分析，得到激振頻率f0下的實際激振幅值A1；

2)偏差比較及PID閉環控制

以預期的激振幅值A0作為指令信號，以實際激振幅值A1作為過程變量，進行偏差比較，并送至PID控制器進行閉環控制；

3)更新指令激振幅值

得到的實際激振指令幅值與其他激振參數(初始相位、激振頻率等)送至sin信號生成器，產生實際的激振指令。

圖4 幅值閉環控制步驟

2.2 位移采樣及幅值分析

根據采樣定理，采樣率達到信號最大頻率的兩倍以上就可以了。為保證后期的頻譜分析結果的準確性，期望在硬件FPGA模塊的FIFO有限存儲空間(FIFO長度設置為2048)下記錄不少于5個完整波形，因此本系統的采樣率根據激振頻率不同進行設定，其中10 Hz為2 kS/s(1秒2000個采樣點)，50 Hz為10 kS。為便于軟件實現，控制器采用相關性分析進行頻譜分析，得到激振的幅值和相位。

一般而言，對于一個線性系統，所測得的液壓缸位移響應除含有指定的激振頻率外，還包括一些倍頻成分，以及大量的噪聲干擾。因此，只要將標準激振信號和所測得的位移響應信號進行互相關計算分析，就可以得到由該頻率激振而引起的響應信號幅值和相位差，消除噪聲干擾的影響。

相關性公式如下：

由上式得到幅值A的計算公式：

式中：n—采樣點符號；N—單次分析的總采樣點；Δt—采樣間隔時間；x(nΔt)—位移采樣電壓值；z(nΔt)—頻率為激振頻率的標準正弦信號序列；v(nΔt)—頻率為激振頻率的標準余弦信號序列；A1—實際激振幅值。

2.3 幅值閉環控制

幅值閉環在結構上屬于PI控制，控制器參數包括KP、KI、幅值輸出斜率KT等。幅值輸出斜率的作用在于控制幅值輸出變化量，單位為伏/秒(V/s)。這是因為由于存在幅值控制和調整，當新幅值生效時，實際輸出的指令信號，一定會有類似階躍的跳變信號(見圖5中圓圈處)，系統將會盡最快速度(最大流量)響應該階躍信號，即實際激振過程“階躍沖擊”的運動效果。如果指令幅值和實際反饋幅值差異較大，前后兩次指令幅值將會產生較大的變化，該“臺階”高度也較大，槳距瞬時操縱速度將達到伺服閥流量的最大值。槳距操縱速度過高，會對試驗件、試驗臺及激振自身帶來風險。因此，設置幅值輸出斜率，希望即使指令幅值和實際反饋幅值差異較大，系統也不要一次調整到位，而是通過數次的調整逐步接近，將一個較高的臺階化解成數個小臺階，降低激振過程中的沖擊(如圖6中3處比較明顯的小臺階)，使指令曲線看起來更加光滑，逐步逼近指令幅值，直至滿足激振幅值要求。

圖5 單次調整波形 圖6 多次調整波形

根據離散化PID表達式及幅值斜波輸出的定義：

2.4 幅值閉環控制仿真

激振系統是由三套相互耦合的單通道激振系統組成的，單通道的激振特性從基本組成上就直接影響了整個系統的激振性能，因此首先對單通道激振系統進行仿真。在MATLAB/SIMINLINK環境中，根據幅值控制器設計算法，實現的幅值控制(AGC)程序框圖見圖7。圖7中AGC程序各輸入輸出物理含義見表1。

圖7 Simulink實現的幅值控制(AGC)程序

在單通道系統模型中，加入幅值閉環控制環節(圖8中的AGC模塊)，構成帶幅值控制的單通道激振仿真。系統模型如圖8所示。

設定激振參數如下：激振頻率10 Hz，幅值0.2 V (2.67 mm)，中立位置0 V(對應液壓缸中立位置)，幅值控制的PID參數分別為{2,4,0}，采樣時間0.001 s，分析波形數據長度0.5 s。

表1 AGC仿真程序圖標定義

圖8 帶幅值控制的單通道激振仿真程序

幅值控制下，實際反饋電壓輸出如圖9所示。

圖9 幅值控制作用下實際反饋電壓輸出

從反饋電壓中可以看出，逐步增加指令信號的激振幅值，實際反饋電壓幅值也在逐步增加。實際激振幅值隨著時間不斷均勻地增大，10 s后穩定在0.2 V，說明AGC的控制功能是有效并且穩定的。

實際激振過程中，激振頻率是以一定步長逐步增加的，因此第一個激振頻率點幅值穩定時間較長，根據仿真結果至少需要10 s的時間。但在進行下一個頻率點激振時，系統將直接在上一個頻率點設置的幅值參數基礎上進行幅值控制，一般3～5個幅值控制循環周期就可以實現幅值穩定。因此，整個激振過程是連續的，每個激振點由于穩定而停留的時間也較短。

3 電傳飛控系統設計

3.1 上位機軟件設計

上位機采用研華工控機，軟件采用LabVIEW平臺進行開發，主要包括激勵參數輸入、激勵反饋曲線顯示、激勵反饋數值顯示、舵機狀態反饋(如閥芯電流)等。進入上位機激勵程序后，系統首先進行初始化，采集當前位移傳感器電壓值，并以此作為控制指令輸出，避免由于程序的切換導致舵機失控。可在前面板上輸入激勵幅值、頻率和周期數等激勵參數，生成圖10所示的總距激勵信號;經矩陣轉換為三通道的位移信號，并經CRIO機箱的D/A模塊輸出給舵機控制器，在舵機控制器內部完成相應幅值和頻率的激勵運動。舵機本體上安裝的位移傳感器實時反饋舵機的實際輸出波形。操作人員在上位機上監測舵機的實際運動情況，通過對激勵信號的修正，使激勵響應在幅值、頻率和相位上滿足試驗需求，實現總距激勵的目標。

圖10 總距激勵示意圖(ω為激勵頻率)

開始激振后，系統根據當前激振信息，逐步建立幅值，判斷與指令幅值的誤差、同步誤差等是否滿足要求，若滿足激振要求，則系統通過以太網通訊以關鍵字的形式告知數采系統目前激振已經達到要求，可以采集數據；數采系統開始工作，完成采集數據后，也以關鍵字的形式告知激振系統，本次頻率采集已經完成，可以進入下一個頻率點；依次往復，直至完成終止頻率的激振和數據采集。整個激振流程如圖11所示。

3.2 基于CRIO機箱伺服控制系統架構

伺服控制系統主體硬件采用Compact RIO的系統構架。CRIO機箱主要具備三個功能：位移指令信號輸出，總距指令信號輸出和狀態信息反饋。其中，總距指令信號輸出是指替代飛控計算機向左、右發動機電調提供總槳距信號。試驗臺操縱系統將通過CRIO機箱，根據總距的電壓值，按照試驗前的標定結果，輸出總距聯動信號。該信號將采用雙余度備份方案，兩個D/A通道輸出同樣的電壓值，保證總槳距信號的可靠性。

圖11 激振流程

表2 CRIO機箱模塊清單

采用與CRIO硬件緊密綁定的Labview軟件開發平臺，通過軟件算法實現液壓激振伺服控制策略。Labview支持上位機屬性節點調用、共享變量、FIFO等方式獲取FPGA的數據。所謂FIFO，在數據結構上體現為先入先出(First input ，first output )的隊列結構。FPGA的FIFO采用直接內存讀取機制(DMA)，是FPGA和上位機之間傳遞大數據量的最快方式。由于振動分析數據量較大，實時性要求強，因此采用FIFO向上位機傳遞數據。程序依據循環時間，定時向FIFO隊列寫入數據。

根據第二節單通道幅值閉環控制中所述，在RT部分的程序實現如圖12所示。程序應用了Labview已有的PID控制等子VI，以及自定義的相關性算法vi，完成幅值閉環控制。

圖12 幅值PID控制程序

3.3 舵機控制器設計

舵機控制器將舵機“速度—位移”運動譜指令以電信號形式傳遞給4臺舵機，控制3臺主槳舵機和1臺尾槳舵機按照規定的運動譜進行運動，并能對運動位置進行精確控制。設計過程中引入模塊化設計理念，功能電路板嵌入在機箱內，將舵機的伺服控制回路分成若干相互獨立的結構和功能模塊。其外形圖如圖13所示。

圖13 舵機控制器外形示意圖

伺服驅動部分采用全模擬電路。RDDA伺服電路為四余度結構，實現舵機的伺服控制和伺服回路的通斷，主要功能如下：

1)電流放大；

2)將DDV電流信號轉變成電壓形式輸出以供測試；

3)作動筒位置和RDDV位置信號解調；

4)通道控制切除功能。

伺服驅動電路均選用成熟設計的電路板，有對16通道DDV的驅動能力，另外可發出激磁信號以驅動LVDT，并可對16路RDDV回路LVDT和4路RDDA回路LVDT進行解調。

試驗人員通過信號發生器或計算機DA提供-10 V～+10 V指令，可分別對四臺舵機發出位置控制指令，提供如直流、正弦波等信號，經過舵機控制器內驅動電路的伺服放大，驅動舵機按照規定的運動譜工作。-10 V～+10 V指令與RDDA回路(即作動筒位置反饋回路)綜合，從而實現控制作動筒位置的目的。RDDV回路增加了一級閥位置反饋，并增加一級閥速度反饋，以及閥電流均衡反饋，增強了控制系統的穩度和精度。最內環的電流反饋可以穩定控制電流，并起到限制最大電流的作用。

4 試驗實施

由于篇幅限制，僅就雙發額定轉速狀態下的扭振穩定性試驗進行介紹。

為保證安全，采用先調低發動機燃調控制系統增益，確認動力傳動鏈扭振穩定后，再加大一級燃調控制系統增益，直至達到正常增益狀態的方案。具體試驗步驟如下：

1)停車狀態下，按照圖10編制好自動運行程序，設置頻率f，總距激勵周期至少6個以上，激勵結束后程序應把總距保持在原總距位置；

2)依次起動左、右發動機至地面慢車、額定轉速，在額定轉速狀態穩定后，操縱總距至達到約10%升力狀態；

3)從旋翼總距開始改變后測量并監控旋翼轉速、發動機扭矩和轉速、旋翼轉速與扭矩、尾槳軸扭矩等參數，持續30 s；

4)對測量參數進行分析，對旋翼/動力/傳動系統扭振與發動機控制系統耦合是否穩定進行判斷，如果屬于穩定狀態則進入下一階段試驗，否則系統停車，并對不穩定原因進行進一步分析；

5)調用自動運行程序，啟動總距激勵；

6)重復步驟3)、4)；

7)如有必要，可以多次執行步驟5)，對旋翼/動力/傳動系統扭振與發動機控制系統耦合是否穩定進行判斷；

8)操縱總距和尾槳距至達到約80%升力狀態；

9)執行步驟3)、4)、5)、6)、7)；

10)操縱總距和尾槳距到低位，發動機正常停車。

表3 試驗參數表

5 試驗結果

試驗結果如圖14所示(a-j為表3中參數的時間歷程)。

圖14 試驗結果

從圖中可以看出，在總距激勵后，轉速及扭矩等信號立即開始出現較大幅值的振蕩；激勵結束后，振蕩開始衰減，未出現動力傳動鏈與發動機電調控制系統耦合不穩定現象。

6 結論

為順利完成某新型直升機地面試驗機傳動鏈扭振試驗，設計了基于電傳飛控的總距激勵系統，滿足操縱系統具備一定頻率范圍內的激振能力的要求。為保證系統激振幅值穩定，提出并應用了幅值閉環控制策略，并充分利用MATLAB/Simulink等軟件進行仿真,驗證了其控制策略的有效性。采用與CRIO硬件緊密綁定的Labview軟件開發平臺，通過軟件算法實現液壓激振伺服控制策略，保證了激振頻率的精度。

本文介紹了系統方案設計、控制策略分析研究以及上位機、CRIO機箱選型和舵機控制器相關的軟硬件設計，并介紹了其在該新型直升機傳動鏈扭振穩定性試驗中的應用。經試驗驗證，激勵幅值和頻率準確，滿足試驗需求。