旋翼塔液壓操縱和激振系統研制

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，液壓操縱系統和激振系統是旋翼塔試驗臺最關鍵、最核心的系統之一。操縱系統實現槳葉總距及周期變距變化，達到槳葉在真實飛行狀態下的運行角度，編制自動飛行功能實現全自動耐久性試驗，省去人工改變飛行狀態的工作。激振系統為槳葉動特性試驗提供激振源，并與測試系統實現自動掃頻功能完成動特性試驗。通過合理的硬件設計和軟件開發，其自動化程序高，界面友好，運行穩定，為旋翼塔試驗數據的準確性和可靠性提供了保證。

【關鍵詞】旋翼塔 操縱系統 激振系統

旋翼塔試驗臺是指專用于旋轉旋翼試驗的試驗臺，可以完成功能性試驗、氣動性能試驗、旋轉動特性試驗、初步耐久性試驗等試驗。其中液壓操縱系統為試驗提供槳葉的角度控制，激振系統為動特性試驗提供激振幅頻響應。液壓操縱激振系統的好壞，控制精度直接影響槳葉采集的數據有效性。

本文設計了基于Labview的直升機旋翼塔液壓操縱和激振系統控制系統，通過合理的軟件及硬件設計，該系統實現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工作原理

旋翼塔操縱系統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，并且實現液壓泵站的遠程控制，同時加入了安保功能。該系統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構特性，給定總距角，周期變距角，通過特定的算法轉換成三缸的運動位移，從而實現對槳葉的姿態控制，通過數據采集系統在該狀態下采集所需的數據。

旋翼塔液壓激振系統是在總距一定的情況下，其中的一個液壓缸做振幅激勵源，數據采集采集相應的數據，最后通過數據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時三缸的連接示意圖，只能實現總距及周期變距角的功能，若需要實現激振功能，則需要根據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。

試驗機主要技術指標見表1。2旋翼塔操縱和激振系統控制系統設計

旋翼塔操縱和激振系統是旋翼塔能夠實現旋翼塔各項試驗的關鍵。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分為普通操縱系統、自動運行系統、激振系統、數據采集系統及安保監控系統。該控制系統組成示意圖如圖2所示。該系統主要是通過上位機與控制器通訊，實現對三缸位移的控制及液壓泵站的控制。

2.1 硬件設計

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電壓信號轉換為土lOmA至土lOOmA電流信號來驅動液壓伺服閥或類似的負載，在本系統中將輸出電流范圍調整至-40-40mA，本系統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，該傳感器動態響應快，尺寸與液壓缸安裝方便，重復精度高。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 軟件設計

軟件編程采用的是LabVIEW編程軟件，利用其強大的數據處理分析功能和編程環境以及與DELTA控制器、PLC的友好融合特性，可以很好地減少開發時間。它繼承了傳統編程語言中結構化和模塊化的優點。各模塊可以單獨編程、單獨調試，最后集成整合。本測控軟件主要包括前面板設計、菜單功能設計、普通操縱模塊設計、自動運行模塊設計、自動掃頻設計和數據采集存儲模塊設計。程序流程圖如圖3所示。圖中數據存儲不僅僅局限于圖中所示內容。

2.2.1 普通操縱功能模塊設計

普通操縱功能前面板如圖4所示，此模塊設計的目的是為了實現性能試驗，得出相應的試驗數據。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。通過反饋的數值來判斷我們的系統是否滿足條件。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，轉換成三缸所到的位移值，通過Ethemet/IP協議將位移信號時發送給RMC控制器，再加上三缸的不同速度，如此復實現了三缸的同步運動。

2.2.2 自動運行模塊設計

在解決了普通操縱問題的前提下，才能實現自動運行功能。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，運行譜中有相應的總距、周期變距值及當前狀態下所需的進行時間，并且實現幾次循環數。在這里的一個設計難點是如何實現該過程的控制流程。該過程的控制流程圖如圖6所示。

2.2.3 激振功能模塊設計

要實現激振功能，首先需要將其中的一個操縱缸換成激振缸，這樣才能實現激振的功能和效果。激振系統的前面板如圖7所示，激振系統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下進行激振。同時，激振系統需要與測試系統進行通訊，實現自動掃頻，給定激振起始頻率、終止頻率、頻率步長及激振幅值，系統從起始頻率到終止頻率自動運行，同時實現數據的自動采集。激振功能控制流程如如圖8所示。

3 試驗結果

調試與試驗過程中，需對槳葉的總距與周期變距進行標定檢查，檢查結果如表2所示。

調試與標定結果說明，普通操縱的控制精度復合±0.1度的要求。

在動特性試驗過程中，給定激振頻率與幅值，部分試驗結果如表3所述。

4 展望與結論

本文介紹了旋翼塔液壓操縱系統和激振系統的工作原理，通過合理的硬件設計和軟件設計，實現操縱系統完成槳葉的各種姿態及耐久性試驗，激振系統完成與數采系統的通訊實現自動掃頻功能，經過無人機主槳葉的試驗及某型有人機主槳葉的試驗，證明該系統滿足控制精度及激振精度的要求。

對于類似的旋轉旋翼平臺都可以采用類似的系統，具有很好的通用性及使用性。

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