陳家東，莫?jiǎng)俨?，魏婧玲，曹至明，?誠(chéng)，于宗寶

(蘭州飛行控制有限責(zé)任公司，蘭州 730070)

0 引言

直升機(jī)是利用旋轉(zhuǎn)機(jī)翼提供升力、推進(jìn)力和操縱的飛行器[1]。由于旋翼的作用，使得直升機(jī)具有良好的懸停和垂直起降功能。也正是因?yàn)橛辛诵?，不可避免得給直升機(jī)帶來了振動(dòng)及噪聲等負(fù)面問題，這些問題會(huì)造成人員不舒適，儀器儀表工作環(huán)境惡劣等問題[2-3]。

假定旋翼槳葉是理想對(duì)稱的，由N片槳葉構(gòu)成的旋翼系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)頻率是:

ω=mNΩ,m=1,2,3…

合成在槳轂力及力矩包含了NΩ的整數(shù)倍的諧波成分，這個(gè)激振力也就是直升機(jī)的主要振源[4]。

為了降低直升機(jī)的振動(dòng)水平，應(yīng)用的技術(shù)可以分為兩類：1)被動(dòng)控制；2)主動(dòng)控制。由于飛行狀態(tài)、旋翼頻率、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)等原因，被動(dòng)控制技術(shù)的效率不高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及伺服技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)控制技術(shù)逐漸發(fā)展起來，解決被動(dòng)控制中不能很好解決的問題。主動(dòng)控制的很多方法都可以顯著改善直升機(jī)的振動(dòng)水平，而最重要的優(yōu)勢(shì)是可以適應(yīng)不同的飛行速度狀態(tài)，不同的旋翼狀態(tài)和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)狀態(tài)。

這些振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)主要有高階諧波控制(HHC)、單片槳葉控制(IBC)、主動(dòng)后緣襟翼控制(AFC)、旋翼主動(dòng)扭轉(zhuǎn)控制(ATR)、主動(dòng)式動(dòng)力吸振器(ADA)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)主動(dòng)控制(ACSR)等[5]。

近幾年出現(xiàn)了一種直升機(jī)旋翼實(shí)時(shí)調(diào)整(in-flight tuning，IFT)系統(tǒng)，通過采取主動(dòng)式動(dòng)態(tài)調(diào)整智能變距拉桿(smart pitch rod，SPR)長(zhǎng)度恢復(fù)旋翼系統(tǒng)動(dòng)平衡狀態(tài)的手段，以達(dá)到減振的目的，取得了不錯(cuò)的減振效果。國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)智能變距拉桿的關(guān)鍵技術(shù)突破和產(chǎn)品研制，開展了直升機(jī)旋翼平衡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)整技術(shù)研究、集成及實(shí)現(xiàn)。其中，由德國(guó)ZF公司研制的智能變距拉桿，采用了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，其極限載荷達(dá)到了25 kN，控制精度0.01 mm。IFT系統(tǒng)成功應(yīng)用在CH-53G 超大型直升機(jī)上[6-11]，在提高飛行安全，降低全機(jī)振動(dòng)水平，延長(zhǎng)旋翼使用壽命以及降低維護(hù)成本等體現(xiàn)出了良好效果。根據(jù)預(yù)計(jì)，IFT系統(tǒng)的研究成果應(yīng)用于單架直升機(jī)每年能降低發(fā)動(dòng)機(jī)地面開車損耗18小時(shí)以上，節(jié)省燃油費(fèi)20萬元。另外，使用效率提升帶來的間接效益更是無法估計(jì)。

國(guó)內(nèi)直升機(jī)旋翼平衡測(cè)量與調(diào)整技術(shù)領(lǐng)域的研究主要集中在理論上[12]，目前還未開展任何關(guān)于IFT系統(tǒng)方面的技術(shù)研究，需要突破一些關(guān)鍵技術(shù)，其中就包括高精度、大負(fù)載、小體積的智能變距拉桿的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。本文基于10噸級(jí)直升機(jī)平臺(tái)的旋翼IFT系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了用于旋翼不平衡實(shí)時(shí)調(diào)整的全尺寸智能變距拉桿，通過地面加載平臺(tái)和旋翼塔試驗(yàn)驗(yàn)證了變距拉桿的伺服性能和調(diào)整旋翼不平衡的有效性。

1 全尺寸智能變距拉桿設(shè)計(jì)

1.1 IFT系統(tǒng)工作原理

直升機(jī)旋翼實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)，是一種獨(dú)立微調(diào)直升機(jī)槳葉迎角，通過空氣動(dòng)力使旋翼椎體達(dá)到平衡狀態(tài)的振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)，可以從根本上減弱直升機(jī)旋翼不平衡帶來的振動(dòng)影響。

基于旋翼智能變距拉桿(SPR)的直升機(jī)旋翼實(shí)時(shí)調(diào)整(IFT)控制技術(shù)其組成圖如圖1所示。

圖1 IFT系統(tǒng)組成

其中，智能變距拉桿是IFT系統(tǒng)的重要組成部分。除此之外，IFT系統(tǒng)還包含了旋翼平衡感知單元、集流環(huán)、控制單元、人機(jī)交互裝置，地面維護(hù)終端等部分。智能變距拉桿取代了傳統(tǒng)機(jī)械式變距拉桿，其調(diào)整旋翼平衡的原理是，IFT系統(tǒng)通過對(duì)基于光學(xué)跟蹤的旋翼錐體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在控制單元內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)控制律計(jì)算，最終通過智能變距拉桿調(diào)整槳葉槳距，通過空氣動(dòng)力作用使槳葉達(dá)到預(yù)期的平衡狀態(tài)。

1.2 智能變距拉桿的工作原理和技術(shù)指標(biāo)

智能變距拉桿取代了原旋翼系統(tǒng)的機(jī)械式拉桿，其特點(diǎn)是可以通過電控的方式精確調(diào)整拉桿長(zhǎng)度，而且調(diào)整過程是在直升機(jī)飛行階段自動(dòng)在線進(jìn)行的，可以彌補(bǔ)機(jī)械式拉桿必須在地面離線調(diào)整的不足，降低旋翼平衡調(diào)整的維護(hù)成本。

智能變距拉桿的控制系統(tǒng)是一種具有自主閉環(huán)控制功能的設(shè)備單元，可以提供位置測(cè)量和控制、健康監(jiān)控、通訊等功能。

本文介紹的全尺寸智能變距拉桿是一種用于某10噸級(jí)中大型直升機(jī)平臺(tái)IFT系統(tǒng)的高精度直線伺服裝置，采用機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，28 V直流電源驅(qū)動(dòng)，采用RS 485通訊，單工模式。全尺寸變距拉桿的直線伺服指令來自于IFT控制計(jì)算機(jī)，智能變距拉桿按照指令進(jìn)行直線位置伺服，并可將執(zhí)行結(jié)果和狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給IFT系統(tǒng)。

使用過程中，變距拉桿隨旋翼系統(tǒng)一同運(yùn)動(dòng)，處于高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境，所以施加在變距拉桿上的載荷一方面來自于由于自身質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)角速度、角加速度帶來的慣性力，另一方面來自于帶動(dòng)槳葉周期變距運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的軸向載荷。全尺寸變距拉桿的特點(diǎn)是載荷體積比大，控制精度高。直線伺服精度達(dá)到了0.01 mm以上，最大載荷達(dá)到了25 000 N，且主體結(jié)構(gòu)部分體積不大于Φ140╳444 mm。

智能變距拉桿的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 智能變距拉桿的結(jié)構(gòu)及原理

1.3.1 結(jié)構(gòu)及組成

全尺寸智能變距拉桿采用了反饋閉環(huán)控制，主要由控制器、電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、傳感器、通訊接口、殼體組件等組成，如圖2所示。

圖2 變距拉桿結(jié)構(gòu)示意

上下關(guān)節(jié)軸承連接槳葉和自動(dòng)傾斜器，具有一定的初始安裝角。通過電纜連接樣機(jī)插座和集流環(huán)，實(shí)現(xiàn)28 V DC供能和RS 485總線信號(hào)傳輸。手動(dòng)調(diào)整螺紋和鎖緊螺母配合實(shí)現(xiàn)地面維護(hù)狀態(tài)下變距拉桿的手動(dòng)行程調(diào)整。保護(hù)罩不承受軸向拉壓載荷，主要作用是保護(hù)內(nèi)部印制電路板及其他組件。變距拉桿的軸向拉壓力主要由結(jié)構(gòu)主體承載。

變距拉桿可實(shí)現(xiàn)自主位置閉環(huán)控制，內(nèi)部集成了電源處理功能、控制功能和總線收發(fā)功能。

1.3.2 主要功能及實(shí)現(xiàn)方法

變距拉桿作為自動(dòng)傾斜器動(dòng)環(huán)與槳葉的連接件，首先具備操縱傳遞功能，將自動(dòng)傾斜器的操縱位移傳遞到槳葉槳距上，達(dá)到槳葉周期變距的目的。智能變距拉桿通過兩端的關(guān)節(jié)軸承與自動(dòng)傾斜器動(dòng)環(huán)和槳葉固定。

手動(dòng)調(diào)整功能通過變距拉桿兩端軸和軸套的螺紋配合實(shí)現(xiàn)，通過旋轉(zhuǎn)變距拉桿本體實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度調(diào)整，最大螺紋長(zhǎng)度超過15 mm，在手動(dòng)調(diào)整結(jié)束后可通過兩端的雙耳止動(dòng)墊片鎖止。手動(dòng)調(diào)整模式需維護(hù)人員在地面調(diào)整智能變距拉桿長(zhǎng)度，其最大調(diào)整范圍為±7.5 mm。

智能變距拉桿在通電情況下，從RS 485總線接收來自IFT控制計(jì)算機(jī)的控制指令，驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)，帶動(dòng)輸出軸運(yùn)動(dòng)到指定的位置，并通過RS 485總線上報(bào)輸出軸位置及狀態(tài)監(jiān)控信息。此模式下最大調(diào)整范圍為1.32 mm，精度0.01 mm，最大速度0.13 mm/s。

每個(gè)智能變距拉桿通過2路RS 485總線與IFT控制計(jì)算機(jī)通訊。通訊信息包括來自IFT控制計(jì)算機(jī)的控制指令，智能變距拉桿反饋的位置信息和工作狀態(tài)等。為了防止變距拉桿上電后自動(dòng)執(zhí)行總線指令，在通訊協(xié)議中增加了“使能”位，在“使能”狀態(tài)有效時(shí)，變距拉桿的功率驅(qū)動(dòng)模塊才會(huì)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

變距拉桿還具有自監(jiān)控功能，自監(jiān)控功能分為兩種模式，一種為上電自檢，在智能變距拉桿通電后，CPU自動(dòng)進(jìn)行上電自檢測(cè)，并通過RS 485總線向IFT控制計(jì)算機(jī)上報(bào)上電自檢測(cè)結(jié)果。另一種為飛行中自檢測(cè)，主要通過對(duì)指令和位置反饋的結(jié)果進(jìn)行模型監(jiān)控，并通過RS 485總線向IFT控制計(jì)算機(jī)上報(bào)飛行中自檢測(cè)結(jié)果。

變距拉桿具有位置鎖定/解鎖功能。鎖定方法：通過安裝在電機(jī)軸一端的制動(dòng)器保證斷電情況下電機(jī)軸鎖止，鎖止力大于最大拉壓力下的電機(jī)軸所受轉(zhuǎn)矩，以確保變距拉桿不會(huì)因?yàn)樾懋a(chǎn)生的拉壓力而發(fā)生輸出軸位置漂移。解鎖方法：通電后，在識(shí)別到變距拉桿工作狀態(tài)正常的情況下，制動(dòng)器釋放，電機(jī)軸可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

安全性方面，變距拉桿的控制速度極慢(小于0.13 mm/s)，不會(huì)與槳葉周期變距控制頻率重合，不影響旋翼的正常操縱。變距拉桿的電控行程權(quán)限(1.32 mm)也很小，且同時(shí)使用軟件限幅和機(jī)械限位的方法嚴(yán)格控制其最大行程，所以即便在極端的情況下，也不會(huì)因變距拉桿控制功能失效而影響旋翼系統(tǒng)的安全。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變距拉桿以直流無刷電機(jī)為動(dòng)力源，經(jīng)行星齒輪、直齒減速齒輪減速后，通過行星滾柱絲杠副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為拉桿輸出軸的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械限位組件保證拉桿行程控制，制動(dòng)器保證拉桿的自鎖能力；通過拉桿兩端的桿端軸承實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)功能；通過拉桿輸出軸處的角度編碼器實(shí)現(xiàn)輸出軸位置的實(shí)時(shí)探測(cè)與產(chǎn)品的閉環(huán)控制。其工作原理簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖3 智能變距拉桿原理圖

圖4 智能變距拉桿原理框圖

變距拉桿使用行星滾柱絲杠副作為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置，行星滾柱絲杠副效率高、摩擦小、壽命長(zhǎng)[13-14]，改善了低速時(shí)摩擦力的非線性影響，有利于實(shí)現(xiàn)高精度伺服控制。行星滾柱絲杠的載荷傳遞元件是螺紋滾柱，這樣可以大幅增加絲杠受力的接觸面，從而承載能力比普通滾珠絲杠成倍提高，特別適合高精度、高承載力的場(chǎng)合，非常適合航空的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。變距拉桿采用了循環(huán)式的行星滾柱絲杠，與普通行星滾柱絲杠比，滾柱結(jié)構(gòu)是“溝槽”狀，并沿軸線排列，這種結(jié)構(gòu)可以提供更高的位置精度，而且嚙合點(diǎn)更多，承載力更強(qiáng)。

直尺傳動(dòng)采用漸開線直齒輪，該齒輪傳動(dòng)效率高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、靈活。齒輪材料選用了不銹鋼40Cr13，齒形表面采用硫氮共滲工藝，提高使用壽命、降低傳動(dòng)磨損和噪聲。

電機(jī)端傳動(dòng)采用了4級(jí)行星減速器，具有體積小，重量輕，傳動(dòng)速比大等優(yōu)勢(shì)，而且減速器與電機(jī)集成化的設(shè)計(jì)優(yōu)化了空間布局，有效減小了傳動(dòng)系統(tǒng)的重量。

1.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能變距拉桿的控制系統(tǒng)硬件包括了主控制器、驅(qū)動(dòng)控制器、通訊接口模塊、電源模塊、位置傳感器、電機(jī)速度傳感器等組成。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.5.1 控制電路

智能變距拉桿的控制電路以TMS320F28335作為主控芯片，該芯片為浮點(diǎn)DSP控制器，具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)量大、AD轉(zhuǎn)換更精準(zhǔn)、快速的優(yōu)點(diǎn)，可支持150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過多的時(shí)間和精力。具有3路SCI串行總線接口，可滿足與上位機(jī)的通訊及在線軟件升級(jí)的要求。

圖6 硬件電路結(jié)構(gòu)

RS232串口通訊模塊用于維護(hù)狀態(tài)下加載程序，RS 485通訊模塊負(fù)責(zé)與IFT控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。

變距拉桿的位置傳感器選用SSI數(shù)字接口的磁感應(yīng)高精度絕對(duì)式角度編碼器，通過絲桿-螺母之間的傳動(dòng)關(guān)系間接測(cè)量輸出軸的位置。這種磁感應(yīng)角度編碼器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，通過定子和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)變化感知角度變化量。定子部分集成了信號(hào)處理電路，按照時(shí)鐘頻率調(diào)制角度位置信號(hào)。SSI通訊是以RS-422總線硬件為基礎(chǔ)的特殊總線格式，其時(shí)序如圖7所示。T為時(shí)鐘周期，Trc為數(shù)據(jù)周期，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，D23為有效位，D22為零位默認(rèn)位，編碼器有兩種零位狀態(tài)，一種是出廠零位，其零位是固定的；另一種是人工零位，可以根據(jù)用戶使用需要設(shè)定特定位置為零位。D21～D0 為數(shù)據(jù)位，D0為L(zhǎng)SB。

圖7 SSI數(shù)據(jù)時(shí)序

針對(duì)SSI格式數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種基于GPIO接口的解調(diào)電路，具有簡(jiǎn)單、體積小、成本低的特點(diǎn)。其原理是利用DSP的GPIO接口模擬SSI所需的時(shí)鐘信號(hào)，并通過電平轉(zhuǎn)換芯片和MAX485芯片作為角度編碼器和DSP間的轉(zhuǎn)換電路。

驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)和霍爾控制換向，并通過霍爾信號(hào)解算電機(jī)的速度大小，完成速度和電流環(huán)的閉環(huán)控制。速度和電流環(huán)的PI控制參數(shù)可以通過工控機(jī)離線配置，以達(dá)到最佳的控制效果。除此以外，還可以配置電機(jī)起動(dòng)速度、變速和延遲、最大電流等參數(shù)，以保護(hù)電機(jī)、軟化起動(dòng)過程。

1.5.2 控制方法

變距拉桿的位置伺服控制采用經(jīng)典的PID控制方法[15-17]，并采用位置—速度—電流三環(huán)串級(jí)控制方案，解決低速高精度中速度波動(dòng)變大、平穩(wěn)性降低、控制精度變差、小信號(hào)軌跡難以跟蹤的問題[18-19]。

位置環(huán)為系統(tǒng)的外環(huán)，由于對(duì)位置伺服的快速性要求不高，但精度要求很高，采用了PID控制器，確保位置跟隨無靜差，且為了保證動(dòng)態(tài)過程無超調(diào)，P環(huán)節(jié)采用了分段控制參數(shù)。速度環(huán)使用PI控制器，并通過限制最大占空比對(duì)最大速度進(jìn)行限幅。電流環(huán)也采用PI控制器，同時(shí)限制最大持續(xù)電流保護(hù)電機(jī)不過載。

伺服系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程可以寫成：

(1)

其中:Tem是電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，J∑是系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩,Tf是摩擦轉(zhuǎn)矩。

直流伺服電機(jī)的電樞回路方程可以寫成：

(2)

其中:Ke=CeΦ是反電勢(shì)常數(shù)，U是外加電壓，Rα是電樞內(nèi)阻，Lα是電感，iα是電樞電流，ω是電機(jī)轉(zhuǎn)速。

由此可以得到控制系統(tǒng)的框圖如圖8所示。

1.6 軟件設(shè)計(jì)

1.6.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

變距拉桿軟件由BIT模塊、通訊模塊、控制模塊、系統(tǒng)管理模塊和模型監(jiān)控模塊組成。BIT模塊完成對(duì)變距拉桿的自檢測(cè)?？刂栖浖?shí)現(xiàn)對(duì)其他控制功能的實(shí)時(shí)計(jì)算和管理。軟件主要完成通訊、位置信號(hào)采集處理、閉環(huán)控制運(yùn)算和監(jiān)控、控制信號(hào)輸出、軟件維護(hù)加載等功能。

圖8 系統(tǒng)的控制框圖

圖9 軟件結(jié)構(gòu)

1.6.2 BIT模塊

BIT模塊分為上電BIT(PUBIT)和周期任務(wù)飛行中BIT(IFBIT)兩部分，PUBIT是變距拉桿電源接通后對(duì)自身資源的檢測(cè)，結(jié)果計(jì)入NVRAM中，PUBIT按預(yù)先安排的檢測(cè)順序自動(dòng)的執(zhí)行各檢測(cè)項(xiàng)目。IFBIT是系統(tǒng)在運(yùn)行周期內(nèi)完成的自檢測(cè)，即實(shí)時(shí)進(jìn)行的在線自監(jiān)控。

1.6.3 通訊模塊

IFT控制器與變距拉桿通過RS 485進(jìn)行通訊，單工模式，波特率115 200 bps。共有兩路RS 485總線，一路RS 485總線用于接收來自IFT控制計(jì)算機(jī)的控制和使能信號(hào)，另一條RS 485總線通訊用于向IFT控制計(jì)算機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)和狀態(tài)信息，這些信息包含了位置傳感器的位置信息、變距拉桿的故障狀態(tài)和控制板溫度，用于IFT系統(tǒng)的綜合健康診斷。

1.6.4 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊包括系統(tǒng)初始化、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、中斷處理、硬件管理4個(gè)功能模塊，完成變距拉桿軟件的初始化，為變距拉桿正常工作建立必要的環(huán)境。設(shè)備驅(qū)動(dòng)包括串行通訊驅(qū)動(dòng)程序、離散量驅(qū)動(dòng)程序、模擬量驅(qū)動(dòng)程序以及看門狗驅(qū)動(dòng)程序，完成系統(tǒng)外部設(shè)備和內(nèi)部資源的驅(qū)動(dòng)。硬件管理包括系統(tǒng)的硬件資源管理(片上資源管理、外界設(shè)備資源管理)和故障信號(hào)管理。

1.6.5 控制模塊

控制模塊完成來自上位機(jī)指令的解析預(yù)處理，并運(yùn)行1.5.2節(jié)中的控制律，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

1.6.6 模型監(jiān)控模塊

伺服回路是一個(gè)具有動(dòng)態(tài)特性的控制對(duì)象，以伺服回路動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型為參考，對(duì)比模型響應(yīng)與真實(shí)測(cè)量結(jié)果的差異就是模型監(jiān)控方法的核心思想。變距拉桿的模型監(jiān)控原理是將變距拉桿輸出的位置反饋信號(hào)和上位機(jī)控制指令經(jīng)過伺服回路模型后的輸出值進(jìn)行時(shí)域范圍的比較，判斷伺服回路是否正常。

2 地面加載測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)

為了能夠驗(yàn)證變距拉桿在負(fù)載力下的伺服指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，研制了用于變距拉桿加載試驗(yàn)的專用測(cè)試加載臺(tái)，專用測(cè)試加載臺(tái)具備拉壓力加載和直線測(cè)量等功能，其直線測(cè)量精度不低于0.005 mm，最大加載力超過了25 000 N。

根據(jù)智能變距拉桿的工作特點(diǎn)，加載臺(tái)的設(shè)計(jì)具備以下功能：

1)加載功能：靜態(tài)加載能力不小于±25 kN，并具備加載力隨時(shí)間變化可編程功能，方便項(xiàng)目后期擴(kuò)展使用；

2)直線測(cè)量功能：線位移測(cè)量精度為±0.005 mm；

3)人機(jī)交互界面：具備友好的人機(jī)交互界面，方便試驗(yàn)人員操作及監(jiān)控測(cè)試過程(能實(shí)時(shí)顯示位移測(cè)量結(jié)果、加載力、加載臺(tái)狀態(tài)等)；

4)具備RS 485總線通訊功能，模擬上位機(jī)通訊，具備后期對(duì)加載力隨時(shí)間變化編程功能，方便后期擴(kuò)展。

圖10 直線加載臺(tái)外形圖

加載測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)分為軟件部分、電氣部分和機(jī)械部分。軟件部分主要包括實(shí)時(shí)下位機(jī)軟件和非實(shí)時(shí)上位機(jī)軟件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理、控制算法的運(yùn)算和執(zhí)行以及控制量的變換和輸出；電氣部分主要包括控制柜、工控機(jī)、下位機(jī)、電源模塊、濾波模塊、隔離模塊、傳感器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)以及各組件之間的線纜，負(fù)責(zé)功率放大、能量轉(zhuǎn)換以及信號(hào)隔離和濾波。

圖11 直線加載測(cè)試臺(tái)原理框圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 地面加載試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證變距拉桿在負(fù)載情況下的伺服性能，在加載測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行了智能變距拉桿的性能測(cè)試試驗(yàn)。

加載狀態(tài)分為逆載和順載兩種情況，在每種加載狀態(tài)下測(cè)量變距拉桿的伺服精度和速度。通過加載測(cè)試平臺(tái)的模擬測(cè)試界面人工輸入加載指令，經(jīng)RS 485總線輸入到變距拉桿的接收端口。

圖12 變距拉桿加載試驗(yàn)

圖13是25 000 N加載力下的直線伺服精度測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果顯示，不論在順載還是逆載情況下變距拉桿的伺服精度都達(dá)到了±0.01 mm以內(nèi)。試驗(yàn)從±0.6 mm的行程位置開始加載，待加載力穩(wěn)定后以Δ=0.1 mm為梯度改變控制信號(hào)，加載測(cè)試平臺(tái)光柵測(cè)量值與控制指令之差就是直線伺服的誤差?？梢钥闯觯`差值的絕對(duì)值都小于0.01 mm。

圖13 25 000 N加載精度測(cè)量結(jié)果

3.2 槳葉不平衡控制試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證變距拉桿對(duì)旋翼平衡調(diào)整的效果，在某10噸級(jí)旋翼平臺(tái)上進(jìn)行了旋翼平衡實(shí)時(shí)調(diào)整的試驗(yàn)?；谧兙嗬瓧U和旋翼錐體、振動(dòng)頻域分量之間的線性關(guān)系，提出了一種帶有約束的旋翼錐體和動(dòng)平衡的主動(dòng)調(diào)整方法，以1/rev旋翼振動(dòng)為控制目標(biāo)，槳尖高度互差為約束條件，通過控制算法自動(dòng)小幅調(diào)整智能變距拉桿長(zhǎng)度來達(dá)到旋翼錐體調(diào)整和減振的目的[20]。其主要目標(biāo)是降低1/rev 振動(dòng)，并將旋翼錐體(每片槳葉槳尖高度互差)控制在允許范圍內(nèi)。

圖14是變距拉桿安裝在旋翼塔的示意圖，變距拉桿與自動(dòng)傾斜器和槳葉相連，控制槳葉槳距，可以通過IFT控制計(jì)算機(jī)微調(diào)變距拉桿的長(zhǎng)度。振動(dòng)傳感器安裝在旋翼平臺(tái)上，可以測(cè)量x，y，z3個(gè)方向上的振動(dòng)量值。試驗(yàn)選取了懸停、前飛兩種狀態(tài)，對(duì)比了控制變距拉桿前后旋翼平臺(tái)的振動(dòng)量值大小。

圖14 變距拉桿旋翼塔試驗(yàn)

圖15的試驗(yàn)結(jié)果顯示，無論在前飛還是懸停狀態(tài)，控制后的旋翼振動(dòng)值在x，y，z3個(gè)方向上均能減小80%以上的1/rev振動(dòng)幅值，且不同槳葉的槳尖高度互差也控制在約束范圍以內(nèi)。

圖15 控制前后的槳轂1/rev振動(dòng)幅值對(duì)比

4 結(jié)束語

根據(jù)IFT系統(tǒng)使用要求設(shè)計(jì)的旋翼智能變距拉桿，通過地面加載試驗(yàn)，驗(yàn)證了在最大25 000 N的負(fù)載力下的各項(xiàng)性能指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果顯示其伺服精度達(dá)到了0.01 mm。在某10噸級(jí)直升機(jī)旋翼平臺(tái)上進(jìn)行的旋翼平衡實(shí)時(shí)調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過特定的控制算法調(diào)整變距拉桿的長(zhǎng)度可以降低80%以上1/rev旋翼振動(dòng)。

旋翼智能變距拉桿首次在國(guó)內(nèi)試制成功，并在IFT系統(tǒng)上完成了旋翼平衡實(shí)時(shí)調(diào)整試驗(yàn)，驗(yàn)證了IFT系統(tǒng)的有效性和可行性，提升了技術(shù)成熟度，為解決直升機(jī)錐體不平衡問題提供了新的技術(shù)手段。變距拉桿的高精度、大推力伺服控制經(jīng)驗(yàn)可以推廣應(yīng)用到其他控制領(lǐng)域，為高載荷體積比、高精度控制場(chǎng)景提供了一種新的參考方案。