梁建海 馬子生

摘要 旋翼塔為直升機主槳葉試驗提供試驗平臺，液壓操縱系統(tǒng)和激振系統(tǒng)是旋翼塔試驗臺最關(guān)鍵、最核心的系統(tǒng)之一。操縱系統(tǒng)實現(xiàn)槳葉總距及周期變距變化，達到槳葉在真實飛行狀態(tài)下的運行角度，編制自動飛行功能實現(xiàn)全自動耐久性試驗，省去人工改變飛行狀態(tài)的工作。激振系統(tǒng)為槳葉動特性試驗提供激振源，并與測試系統(tǒng)實現(xiàn)自動掃頻功能完成動特性試驗。通過合理的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)，其自動化程序高，界面友好，運行穩(wěn)定，為旋翼塔試驗數(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)

旋翼塔試驗臺是指專用于旋轉(zhuǎn)旋翼試驗的試驗臺，可以完成功能性試驗、氣動性能試驗、旋轉(zhuǎn)動特性試驗、初步耐久性試驗等試驗。其中液壓操縱系統(tǒng)為試驗提供槳葉的角度控制，激振系統(tǒng)為動特性試驗提供激振幅頻響應(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)計了基于Labview的直升機旋翼塔液壓操縱和激振系統(tǒng)控制系統(tǒng)，通過合理的軟件及硬件設(shè)計，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對直升機槳葉的總距及周期變距控制，自動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)可以完全真實的模擬出直升機槳葉的各種總距及周期變距的各種組合，并且實現(xiàn)液壓泵站的遠程控制，同時加入了安保功能。該系統(tǒng)的工作原理是通過三個液壓缸連接在直升機自動傾斜器試驗件上，主槳葉與自動傾斜器相連，知道主槳葉的翼型結(jié)構(gòu)特性，給定總距角，周期變距角，通過特定的算法轉(zhuǎn)換成三缸的運動位移，從而實現(xiàn)對槳葉的姿態(tài)控制，通過數(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，其中的一個液壓缸做振幅激勵源，數(shù)據(jù)采集采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，最后通過數(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中三個操縱缸與自動傾斜器試驗件相連，該示意圖為操縱系統(tǒng)時三缸的連接示意圖，只能實現(xiàn)總距及周期變距角的功能，若需要實現(xiàn)激振功能，則需要根據(jù)試驗需求將其中的一個操縱缸換成激振缸，普通的操縱缸激振頻率達不到動特性試驗所需的頻率。

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。

試驗機主要技術(shù)指標(biāo)見表1。2旋翼塔操縱和激振系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計

旋翼塔操縱和激振系統(tǒng)是旋翼塔能夠?qū)崿F(xiàn)旋翼塔各項試驗的關(guān)鍵。其核心的操縱控制功能是控制三缸的位移運動，同時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還能夠提供不同頻率，不同幅值的激振信號。該系統(tǒng)核心的控制功能為普通操縱、自動運行及自動掃頻激振，來滿足試驗需求。因此可以將該控制系統(tǒng)分為普通操縱系統(tǒng)、自動運行系統(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)主要是通過上位機與控制器通訊，實現(xiàn)對三缸位移的控制及液壓泵站的控制。

2.1 硬件設(shè)計

上位機選用研華工控機，控制器采用美國DELTA伺服控制器RMC系列加雙軸（H模塊）具有實時控制4個液壓缸的能力。在本系統(tǒng)中，只需要同時控制三個缸，另外一個通道做備用。伺服放大器選用VC2124，此模塊將土10V電壓信號轉(zhuǎn)換為土lOmA至土lOOmA電流信號來驅(qū)動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)中對操縱缸的伺服閥1、伺服閥2、伺服閥3選用兩級伺服閥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，對泵站的啟動、上高低壓、壓力大小進行控制。

2.2 軟件設(shè)計

軟件編程采用的是LabVIEW編程軟件，利用其強大的數(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，可以很好地減少開發(fā)時間。它繼承了傳統(tǒng)編程語言中結(jié)構(gòu)化和模塊化的優(yōu)點。各模塊可以單獨編程、單獨調(diào)試，最后集成整合。本測控軟件主要包括前面板設(shè)計、菜單功能設(shè)計、普通操縱模塊設(shè)計、自動運行模塊設(shè)計、自動掃頻設(shè)計和數(shù)據(jù)采集存儲模塊設(shè)計。程序流程圖如圖3所示。圖中數(shù)據(jù)存儲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

普通操縱功能前面板如圖4所示，此模塊設(shè)計的目的是為了實現(xiàn)性能試驗，得出相應(yīng)的試驗數(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。通過反饋的數(shù)值來判斷我們的系統(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作動筒的不同變化量。這種關(guān)系用矩陣的形式進行表達，如公式（l）所示。

本操縱功能模塊，通過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Ethemet/IP協(xié)議將位移信號時發(fā)送給RMC控制器，再加上三缸的不同速度，如此復(fù)實現(xiàn)了三缸的同步運動。

2.2.2 自動運行模塊設(shè)計

在解決了普通操縱問題的前提下，才能實現(xiàn)自動運行功能。自動運行的前面板如圖5所示，該功能模塊是為完成耐久性試驗，完成已編制好的運動加載譜，運行譜中有相應(yīng)的總距、周期變距值及當(dāng)前狀態(tài)下所需的進行時間，并且實現(xiàn)幾次循環(huán)數(shù)。在這里的一個設(shè)計難點是如何實現(xiàn)該過程的控制流程。該過程的控制流程圖如圖6所示。

2.2.3 激振功能模塊設(shè)計

要實現(xiàn)激振功能，首先需要將其中的一個操縱缸換成激振缸，這樣才能實現(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，動特性試驗需要在不同的狀態(tài)下進行激振。同時，激振系統(tǒng)需要與測試系統(tǒng)進行通訊，實現(xiàn)自動掃頻，給定激振起始頻率、終止頻率、頻率步長及激振幅值，系統(tǒng)從起始頻率到終止頻率自動運行，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集。激振功能控制流程如如圖8所示。

3 試驗結(jié)果

調(diào)試與試驗過程中，需對槳葉的總距與周期變距進行標(biāo)定檢查，檢查結(jié)果如表2所示。

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

在動特性試驗過程中，給定激振頻率與幅值，部分試驗結(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，通過合理的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，實現(xiàn)操縱系統(tǒng)完成槳葉的各種姿態(tài)及耐久性試驗，激振系統(tǒng)完成與數(shù)采系統(tǒng)的通訊實現(xiàn)自動掃頻功能，經(jīng)過無人機主槳葉的試驗及某型有人機主槳葉的試驗，證明該系統(tǒng)滿足控制精度及激振精度的要求。

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

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