基于電傳飛控的直升機(jī)扭振試驗總距激勵技術(shù)

吳本強(qiáng)，劉正勝

(1.中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001;2.32382部隊，北京 100072)

0 引言

直升機(jī)傳動軸系是彈性體，具有豐富的扭轉(zhuǎn)振動。在一定的條件下，直升機(jī)傳動鏈扭振與燃油調(diào)控裝置、調(diào)控規(guī)律會形成具有不斷能量輸入的可自激振蕩系統(tǒng)，在燃油控制系統(tǒng)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(jù)扭振試驗頻率測量結(jié)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(wěn)定性試驗驗證傳動鏈扭振與發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)耦合的穩(wěn)定性[2]。在扭振試驗及扭振穩(wěn)定性試驗中，總距激勵作為能量的輸入，對試驗的開展至關(guān)重要[3]。采用機(jī)械操縱系統(tǒng)的直升機(jī)，一般采用往復(fù)拉動總距桿的方式進(jìn)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(jī)。

電傳操縱系統(tǒng)可定義為，駕駛員的操縱指令信號，只通過導(dǎo)線(或總線)傳給計算機(jī)，經(jīng)其計算(按預(yù)定的規(guī)律)產(chǎn)生輸出指令，操縱旋翼和尾槳變距，以實(shí)現(xiàn)對直升機(jī)的操縱[4]。作為一種先進(jìn)技術(shù)，電傳飛控是直升機(jī)升級換代的重要標(biāo)志，是直升機(jī)主動控制技術(shù)的基礎(chǔ)，其原理圖見圖1[5-6]。某新型直升機(jī)即采用了電傳飛控系統(tǒng)。

本文介紹了一種基于電傳飛控的總距激勵技術(shù)，以周期激勵方式改變旋翼總距，產(chǎn)生扭振激勵載荷，激起旋翼/尾槳/動力/傳動系統(tǒng)低階模態(tài)振動。通過分析旋翼轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、旋翼軸扭矩和發(fā)動機(jī)動力軸扭矩等參數(shù)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(tǒng)原理圖

為保證系統(tǒng)激振幅值穩(wěn)定，提出并應(yīng)用了幅值閉環(huán)控制策略，充分利用MATLAB/Simulink和AMESIM兩個軟件平臺的優(yōu)勢進(jìn)行聯(lián)合仿真，對系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行分析和對比，驗證了控制策略的有效性。應(yīng)用CRIO作為系統(tǒng)架構(gòu)，F(xiàn)PGA作為系統(tǒng)硬件平臺開發(fā)控制器，在Labview軟件開發(fā)平臺上，通過軟件算法實(shí)現(xiàn)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(tǒng)

某新型直升機(jī)地面試驗機(jī)首次采用將動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、旋翼系統(tǒng)、操縱舵機(jī)、液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)全尺寸地組裝到機(jī)身結(jié)構(gòu)上的方案，較真實(shí)地模擬了各系統(tǒng)的實(shí)際裝機(jī)狀態(tài)。

地面試驗機(jī)不安裝駕駛桿系及飛控計算機(jī)，故需根據(jù)地面試驗機(jī)的裝機(jī)狀態(tài)和地面試驗操作要求對機(jī)上操縱系統(tǒng)進(jìn)行改裝，搭建總距激勵系統(tǒng)。

總距激勵系統(tǒng)由舵機(jī)和臺架操縱控制系統(tǒng)組成。其中舵機(jī)含三臺主槳舵機(jī)和一臺尾槳舵機(jī)，均與機(jī)上狀態(tài)一致；臺架操縱控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、CRIO機(jī)箱(機(jī)箱內(nèi)含A/D、D/A及數(shù)字量輸出模塊)、舵機(jī)控制器等組件。上位機(jī)主要完成人機(jī)界面顯示、指令輸入和狀態(tài)反饋；CRIO機(jī)箱完成指令信號輸出和狀態(tài)反饋信號采集；舵機(jī)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(jī)驅(qū)動信號，完成激勵動作。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖見圖2。在AMESIM軟件中，對液壓系統(tǒng)建立模型進(jìn)行仿真分析，整個液壓系統(tǒng)作為S函數(shù)供Simulink仿真調(diào)用。利用AMESIM的線性分析功能，可以初步考察單通道閉環(huán)狀態(tài)下的bode圖，引入常規(guī)PID控制環(huán)節(jié)，得到閉環(huán)下的幅頻特性曲線，見圖3。

圖2 總距激勵結(jié)構(gòu)框圖

圖3 單通道閉環(huán)bode圖

可以看出，如果以-3 db作為系統(tǒng)頻寬評價準(zhǔn)則，系統(tǒng)的激振頻寬為40 Hz，而且從5 Hz至50 Hz的激振頻率范圍內(nèi)，幅值響應(yīng)差異較大，必須進(jìn)行必要的幅值補(bǔ)償控制。

2 單通道幅值閉環(huán)控制

激振運(yùn)動指系統(tǒng)以某個槳距為中立位置，以特定的頻率往復(fù)運(yùn)動。激振控制期望與指令信號相比，響應(yīng)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(yīng)曲線整體上抬，提高系統(tǒng)頻寬。

2.1 幅值閉環(huán)控制思想

在RT控制器內(nèi)通過軟件實(shí)現(xiàn)了幅值控制環(huán)節(jié)，即單通道的幅值閉環(huán)控制，增加實(shí)際指令輸出，保持幅值穩(wěn)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(shè)定模擬量采集相關(guān)參數(shù)，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(zhuǎn)換成離散點(diǎn)序列x(nΔt)，Δt為采樣間隔時間(采樣率的倒數(shù))，n為采樣點(diǎn)數(shù)(采樣率和采樣時間的乘積)；通過FFT或相關(guān)性分析方法進(jìn)行頻譜分析，得到激振頻率f0下的實(shí)際激振幅值A(chǔ)1；

2)偏差比較及PID閉環(huán)控制

以預(yù)期的激振幅值A(chǔ)0作為指令信號，以實(shí)際激振幅值A(chǔ)1作為過程變量，進(jìn)行偏差比較，并送至PID控制器進(jìn)行閉環(huán)控制；

3)更新指令激振幅值

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

圖4 幅值閉環(huán)控制步驟

2.2 位移采樣及幅值分析

根據(jù)采樣定理，采樣率達(dá)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(jié)果的準(zhǔn)確性，期望在硬件FPGA模塊的FIFO有限存儲空間(FIFO長度設(shè)置為2048)下記錄不少于5個完整波形，因此本系統(tǒng)的采樣率根據(jù)激振頻率不同進(jìn)行設(shè)定，其中10 Hz為2 kS/s(1秒2000個采樣點(diǎn))，50 Hz為10 kS。為便于軟件實(shí)現(xiàn)，控制器采用相關(guān)性分析進(jìn)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(tǒng)，所測得的液壓缸位移響應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)激振信號和所測得的位移響應(yīng)信號進(jìn)行互相關(guān)計算分析，就可以得到由該頻率激振而引起的響應(yīng)信號幅值和相位差，消除噪聲干擾的影響。

相關(guān)性公式如下：

由上式得到幅值A(chǔ)的計算公式：

式中：n—采樣點(diǎn)符號；N—單次分析的總采樣點(diǎn)；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(biāo)準(zhǔn)正弦信號序列；v(nΔt)—頻率為激振頻率的標(biāo)準(zhǔn)余弦信號序列；A1—實(shí)際激振幅值。

2.3 幅值閉環(huán)控制

幅值閉環(huán)在結(jié)構(gòu)上屬于PI控制，控制器參數(shù)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(diào)整，當(dāng)新幅值生效時，實(shí)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(tǒng)將會盡最快速度(最大流量)響應(yīng)該階躍信號，即實(shí)際激振過程“階躍沖擊”的運(yùn)動效果。如果指令幅值和實(shí)際反饋幅值差異較大，前后兩次指令幅值將會產(chǎn)生較大的變化，該“臺階”高度也較大，槳距瞬時操縱速度將達(dá)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(fēng)險。因此，設(shè)置幅值輸出斜率，希望即使指令幅值和實(shí)際反饋幅值差異較大，系統(tǒng)也不要一次調(diào)整到位，而是通過數(shù)次的調(diào)整逐步接近，將一個較高的臺階化解成數(shù)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(diào)整波形 圖6 多次調(diào)整波形

根據(jù)離散化PID表達(dá)式及幅值斜波輸出的定義：

2.4 幅值閉環(huán)控制仿真

激振系統(tǒng)是由三套相互耦合的單通道激振系統(tǒng)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(tǒng)的激振性能，因此首先對單通道激振系統(tǒng)進(jìn)行仿真。在MATLAB/SIMINLINK環(huán)境中，根據(jù)幅值控制器設(shè)計算法，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)的幅值控制(AGC)程序

在單通道系統(tǒng)模型中，加入幅值閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(圖8中的AGC模塊)，構(gòu)成帶幅值控制的單通道激振仿真。系統(tǒng)模型如圖8所示。

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

表1 AGC仿真程序圖標(biāo)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(shí)際反饋電壓輸出如圖9所示。

圖9 幅值控制作用下實(shí)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(shí)際反饋電壓幅值也在逐步增加。實(shí)際激振幅值隨著時間不斷均勻地增大，10 s后穩(wěn)定在0.2 V，說明AGC的控制功能是有效并且穩(wěn)定的。

實(shí)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(diǎn)幅值穩(wěn)定時間較長，根據(jù)仿真結(jié)果至少需要10 s的時間。但在進(jìn)行下一個頻率點(diǎn)激振時，系統(tǒng)將直接在上一個頻率點(diǎn)設(shè)置的幅值參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行幅值控制，一般3～5個幅值控制循環(huán)周期就可以實(shí)現(xiàn)幅值穩(wěn)定。因此，整個激振過程是連續(xù)的，每個激振點(diǎn)由于穩(wěn)定而停留的時間也較短。

3 電傳飛控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)采用研華工控機(jī)，軟件采用LabVIEW平臺進(jìn)行開發(fā)，主要包括激勵參數(shù)輸入、激勵反饋曲線顯示、激勵反饋數(shù)值顯示、舵機(jī)狀態(tài)反饋(如閥芯電流)等。進(jìn)入上位機(jī)激勵程序后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，采集當(dāng)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(dǎo)致舵機(jī)失控?？稍谇懊姘迳陷斎爰罘?、頻率和周期數(shù)等激勵參數(shù)，生成圖10所示的總距激勵信號;經(jīng)矩陣轉(zhuǎn)換為三通道的位移信號，并經(jīng)CRIO機(jī)箱的D/A模塊輸出給舵機(jī)控制器，在舵機(jī)控制器內(nèi)部完成相應(yīng)幅值和頻率的激勵運(yùn)動。舵機(jī)本體上安裝的位移傳感器實(shí)時反饋舵機(jī)的實(shí)際輸出波形。操作人員在上位機(jī)上監(jiān)測舵機(jī)的實(shí)際運(yùn)動情況，通過對激勵信號的修正，使激勵響應(yīng)在幅值、頻率和相位上滿足試驗需求，實(shí)現(xiàn)總距激勵的目標(biāo)。

圖10 總距激勵示意圖(ω為激勵頻率)

開始激振后，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)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(tǒng)通過以太網(wǎng)通訊以關(guān)鍵字的形式告知數(shù)采系統(tǒng)目前激振已經(jīng)達(dá)到要求，可以采集數(shù)據(jù)；數(shù)采系統(tǒng)開始工作，完成采集數(shù)據(jù)后，也以關(guān)鍵字的形式告知激振系統(tǒng)，本次頻率采集已經(jīng)完成，可以進(jìn)入下一個頻率點(diǎn)；依次往復(fù)，直至完成終止頻率的激振和數(shù)據(jù)采集。整個激振流程如圖11所示。

3.2 基于CRIO機(jī)箱伺服控制系統(tǒng)架構(gòu)

伺服控制系統(tǒng)主體硬件采用Compact RIO的系統(tǒng)構(gòu)架。CRIO機(jī)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(tài)信息反饋。其中，總距指令信號輸出是指替代飛控計算機(jī)向左、右發(fā)動機(jī)電調(diào)提供總槳距信號。試驗臺操縱系統(tǒng)將通過CRIO機(jī)箱，根據(jù)總距的電壓值，按照試驗前的標(biāo)定結(jié)果，輸出總距聯(lián)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(jī)箱模塊清單

采用與CRIO硬件緊密綁定的Labview軟件開發(fā)平臺，通過軟件算法實(shí)現(xiàn)液壓激振伺服控制策略。Labview支持上位機(jī)屬性節(jié)點(diǎn)調(diào)用、共享變量、FIFO等方式獲取FPGA的數(shù)據(jù)。所謂FIFO，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為先入先出(First input ，first output )的隊列結(jié)構(gòu)。FPGA的FIFO采用直接內(nèi)存讀取機(jī)制(DMA)，是FPGA和上位機(jī)之間傳遞大數(shù)據(jù)量的最快方式。由于振動分析數(shù)據(jù)量較大，實(shí)時性要求強(qiáng)，因此采用FIFO向上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)。程序依據(jù)循環(huán)時間，定時向FIFO隊列寫入數(shù)據(jù)。

根據(jù)第二節(jié)單通道幅值閉環(huán)控制中所述，在RT部分的程序?qū)崿F(xiàn)如圖12所示。程序應(yīng)用了Labview已有的PID控制等子VI，以及自定義的相關(guān)性算法vi，完成幅值閉環(huán)控制。

圖12 幅值PID控制程序

3.3 舵機(jī)控制器設(shè)計

舵機(jī)控制器將舵機(jī)“速度—位移”運(yùn)動譜指令以電信號形式傳遞給4臺舵機(jī)，控制3臺主槳舵機(jī)和1臺尾槳舵機(jī)按照規(guī)定的運(yùn)動譜進(jìn)行運(yùn)動，并能對運(yùn)動位置進(jìn)行精確控制。設(shè)計過程中引入模塊化設(shè)計理念，功能電路板嵌入在機(jī)箱內(nèi)，將舵機(jī)的伺服控制回路分成若干相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)和功能模塊。其外形圖如圖13所示。

圖13 舵機(jī)控制器外形示意圖

伺服驅(qū)動部分采用全模擬電路。RDDA伺服電路為四余度結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)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(zhuǎn)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(diào)；

4)通道控制切除功能。

伺服驅(qū)動電路均選用成熟設(shè)計的電路板，有對16通道DDV的驅(qū)動能力，另外可發(fā)出激磁信號以驅(qū)動LVDT，并可對16路RDDV回路LVDT和4路RDDA回路LVDT進(jìn)行解調(diào)。

試驗人員通過信號發(fā)生器或計算機(jī)DA提供-10 V～+10 V指令，可分別對四臺舵機(jī)發(fā)出位置控制指令，提供如直流、正弦波等信號，經(jīng)過舵機(jī)控制器內(nèi)驅(qū)動電路的伺服放大，驅(qū)動舵機(jī)按照規(guī)定的運(yùn)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(shí)現(xiàn)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(qiáng)了控制系統(tǒng)的穩(wěn)度和精度。最內(nèi)環(huán)的電流反饋可以穩(wěn)定控制電流，并起到限制最大電流的作用。

4 試驗實(shí)施

由于篇幅限制，僅就雙發(fā)額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的扭振穩(wěn)定性試驗進(jìn)行介紹。

為保證安全，采用先調(diào)低發(fā)動機(jī)燃調(diào)控制系統(tǒng)增益，確認(rèn)動力傳動鏈扭振穩(wěn)定后，再加大一級燃調(diào)控制系統(tǒng)增益，直至達(dá)到正常增益狀態(tài)的方案。具體試驗步驟如下：

1)停車狀態(tài)下，按照圖10編制好自動運(yùn)行程序，設(shè)置頻率f，總距激勵周期至少6個以上，激勵結(jié)束后程序應(yīng)把總距保持在原總距位置；

2)依次起動左、右發(fā)動機(jī)至地面慢車、額定轉(zhuǎn)速，在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)穩(wěn)定后，操縱總距至達(dá)到約10%升力狀態(tài)；

3)從旋翼總距開始改變后測量并監(jiān)控旋翼轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速、旋翼轉(zhuǎn)速與扭矩、尾槳軸扭矩等參數(shù)，持續(xù)30 s；

4)對測量參數(shù)進(jìn)行分析，對旋翼/動力/傳動系統(tǒng)扭振與發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)耦合是否穩(wěn)定進(jìn)行判斷，如果屬于穩(wěn)定狀態(tài)則進(jìn)入下一階段試驗，否則系統(tǒng)停車，并對不穩(wěn)定原因進(jìn)行進(jìn)一步分析；

5)調(diào)用自動運(yùn)行程序，啟動總距激勵；

6)重復(fù)步驟3)、4)；

7)如有必要，可以多次執(zhí)行步驟5)，對旋翼/動力/傳動系統(tǒng)扭振與發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)耦合是否穩(wěn)定進(jìn)行判斷；

8)操縱總距和尾槳距至達(dá)到約80%升力狀態(tài)；

9)執(zhí)行步驟3)、4)、5)、6)、7)；

10)操縱總距和尾槳距到低位，發(fā)動機(jī)正常停車。

表3 試驗參數(shù)表

5 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如圖14所示(a-j為表3中參數(shù)的時間歷程)。

圖14 試驗結(jié)果

從圖中可以看出，在總距激勵后，轉(zhuǎn)速及扭矩等信號立即開始出現(xiàn)較大幅值的振蕩；激勵結(jié)束后，振蕩開始衰減，未出現(xiàn)動力傳動鏈與發(fā)動機(jī)電調(diào)控制系統(tǒng)耦合不穩(wěn)定現(xiàn)象。

6 結(jié)論

為順利完成某新型直升機(jī)地面試驗機(jī)傳動鏈扭振試驗，設(shè)計了基于電傳飛控的總距激勵系統(tǒng)，滿足操縱系統(tǒng)具備一定頻率范圍內(nèi)的激振能力的要求。為保證系統(tǒng)激振幅值穩(wěn)定，提出并應(yīng)用了幅值閉環(huán)控制策略，并充分利用MATLAB/Simulink等軟件進(jìn)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(fā)平臺，通過軟件算法實(shí)現(xiàn)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(tǒng)方案設(shè)計、控制策略分析研究以及上位機(jī)、CRIO機(jī)箱選型和舵機(jī)控制器相關(guān)的軟硬件設(shè)計，并介紹了其在該新型直升機(jī)傳動鏈扭振穩(wěn)定性試驗中的應(yīng)用。經(jīng)試驗驗證，激勵幅值和頻率準(zhǔn)確，滿足試驗需求。