基于MATLAB的旋轉旋翼動特性試驗數據后處理

高建秀

摘 要：本文介紹了旋轉旋翼動特性試驗數據后處理方法與軟件。基于旋翼旋轉狀態動特性的試驗原理與試驗數據處理方法，提出了數據處理軟件的設計思路。結合MATLAB的設計方法，對軟件進行了編寫與調試。結果證明，數據處理軟件能夠實現既定功能。

關鍵詞：旋轉動特性試驗；MATLAB GUI設計；試驗數據處理

Abstract：The data post-processing method and program of rotating rotor dynamic test contents on whirl tower are introduced.Based on the test principle and data processing method，the data processing program design is proposed.The procedure is compiled and debugged using MATLAB GUI design method.Results show that the data processing program can realize the required function.

Keywords：the rotating rotor dynamic test；MATLAB GUI design；The processing of experimental data

中圖分類號：V211.52 文獻標志碼：A

0 引言

直升機旋翼的動特性是指旋翼在不同轉速及不同整體運動模態下的揮舞、擺振、扭轉固有振頻和振型。動特性試驗目的在于測量旋翼在各種轉速和總距組合狀態下的模態頻率和振型。

旋轉動特性試驗采用液壓激振作動筒激振自動傾斜器不動環，作動筒激勵采取階梯式正弦周期激勵，槳葉應變和相關傳感器信號為穩態正弦響應。對采集得到的集合型和周期型槳葉應變信號和相關傳感器信號進行激勵周期數整周期平均，并對結果進行傅立葉一階諧波分析，得出幅頻響應曲線和相頻響應曲線。

在試驗數據后處理中，得出幅頻響應曲線和相頻響應曲線僅是第一步。從包括眾多槳葉應變、阻尼器位移和力、小拉桿載荷、旋翼軸扭矩和作動筒位移等信息的幅頻響應曲線和相頻響應曲線中得出揮舞、擺振和扭轉等固有頻率和振型，還需進行試驗數據后處理。

試驗得到的數據，往往在幾十兆以上，數據量非常大。由于數據后處理原理復雜，此項工作原來一直由人工進行。這就造成進行此項工作將耗費人員很大的精力與時間。在數據后處理中很大一部分的工作是對需用數據的選取與各個剖面的各種可能峰值點進行比對，此兩部分由人工進行時，需頻繁地進行界面間的切換與數值對比，工作煩瑣而重復。如果有軟件對需用數據進行自動化選取，將可能峰值點在一個界面中顯示，將極大地減少人工的工作量。

1 旋轉動特性試驗數據后處理原理

動特性試驗數據處理是將眾多的數據處理方法綜合在一起，進行比證和綜合分析，從而得到準確可靠權威的試驗結果的方法。數據的后處理，要在保證試驗采集數據不失真的前提下進行。

原試驗數據后處理步驟如下：在某一試驗狀態數據中，首先根據試驗幅頻響應和相頻響應數據進行同類別整理，采用Excel宏處理，畫出各個槳葉剖面和相關信號的幅頻響應和相頻響應曲線。然后記錄該狀態下的每個剖面所有可能的峰值點，合并相同頻率下的不同剖面的峰值點。再根據合并后的峰值點，查詢并記錄幅頻響應和相頻響應數據，畫出振型和相位關系，進行判斷此峰值點是否符合原理要求。根據臺體干擾頻率、氣動力諧波項，采用排除法、耦合效應法排除一部分頻率。所有的試驗狀態都需要重復相似的過程。最后根據不同轉速情況，得出固有頻率和轉速的趨勢，根據趨勢分析法確定準確可靠權威的試驗結果。

處理過程中，由于需反復比對同狀態下不同剖面的幅頻曲線和相頻曲線，并人工進行記錄，比對與合并過程中的數據。選取過程的工作中絕大部分工作由人工完成，耗時耗力。原試驗數據后處理流程圖如圖1所示。

為了提高工作效率、降低工作強度、減少人為出錯、增強數據管理，以MATLAB軟件為開發環境，利用圖形化編程接口（GUI）開發工具箱開發了旋轉旋翼動特性試驗數據處理軟件。要求該軟件能對采集數據中需觀測的量進行讀取，圖形化顯示，并選取峰值點。利用極坐標顯示該峰值頻率點的相位，觀測其是否符合共線性，從而輔助判斷該頻率點是否為所需的峰值點。此舉未對試驗數據造成修改，極大地保證了試驗數據的不失真；利用圖形化顯示，并在圖形上進行峰值點的選取與識別，直接而有效地提高工作效率，節省時間。

2 試驗數據處理軟件設計思路

動特性試驗后產生的數據主要有兩種文件形式：記錄試驗采集數據的txt文件，記錄配置表與頻率點的txt文件。前者由試驗采集而來，后者為按照需觀測的要求進行編寫（人工和軟件編寫均可）。配置表文件，記錄要觀測的剖面幅值與相位信息。頻率點文件，記錄要觀測的頻率點。

試驗數據后處理軟件要求能夠根據使用者的意愿，對觀測數據進行調整，便于實際操作。能夠實現對揮舞、擺振和扭轉的數據分別或是集中進行處理。能夠選擇對一個或是多個剖面下，指定頻率點的試驗采集的應變量進行觀測。能夠在圖形坐標界面下，通過鼠標或是按鍵的命令實現一個剖面下的數據選取，并讀取與顯示相應頻率點在其他剖面的坐標與坐標值，實現對各個界面的峰值點的選取與識別。圖2選取峰值點時，根據相位共線性等特性，來確定此峰值點是否是要尋找的頻率點。軟件中，需要人工進行的部分有編寫頻率點文件與圖形化選點。軟件設計流程圖如圖2所示。

試驗數據處理軟件的設計思路分為3步：

（1）讀取試驗文件，取得觀測數據。讀取配置表文件，試驗數據文件和頻率點文件。對讀取文件的硬盤位置進行存儲，讀取各個剖面幅值與相位值在試驗數據文件中的具體位置。將選取的頻率點和選取的變量（幅值名或相位名），在各個剖面下的試驗數據依次寫入新的文件內。對此文件進行存儲，便于軟件的檢測與后續數據核對。

（2）讀取測試數據。讀取上一步形成的文件內的幅值名與相位名下的數值，分別存入變量中。

（3）將各個剖面的幅值與相位進行圖形化顯示。其中，幅值利用直角坐標系顯示，相位利用極坐標顯示。利用鼠標或鍵盤來實現坐標上的峰值點的選取與界面的更新。

數據處理的思路要求明確，軟件編寫要有一定的可讀性和可更改性，方便后續的軟件改進與開發。軟件的輸入文件要與實際試驗的輸出文件格式相匹配，盡量地減少不必要的工作量；軟件的輸出文件，即數據處理后的文件的數據存儲應方便他人閱讀與理解為目的。

3 軟件運行

根據試驗數據軟件的設計思路，結合MATLAB GUI設計方法，編寫開發軟件，以某旋轉旋翼動特性試驗的擺振面試驗數據為例。軟件運行后，圖形界面顯示如圖3所示。

圖3中，左邊的6個直角坐標系顯示為幅值剖面的變量值，右下角的一個極坐標顯示為相位剖面的變量值。在圖形界面中，選取某個剖面上的某個頻率點，該坐標系中的該點變為紅色，同時顯示界面坐標（圖中“（3.55，0.0058）”）和備注坐標（圖中“x和y的坐標值：x=3.55 y=0.0058”）。其他直角坐標系中，相對應頻率點的幅值量自動變為紅色，顯示對應的界面坐標。極坐標圖中，顯示6個剖面中該頻率點的相位值。在圖形界面中，也可選擇多個頻率點進行觀測，軟件剖面如圖4所示。圖3與圖4中，備注坐標所在的坐標系，即為操作時選取點的坐標系。圖中可看出，界面坐標的顯示效果可根據客戶的要求進行更改（左側上下兩圖）。在操作時，在坐標系內，單擊鼠標左鍵即可實現對于坐標點的選取；雙擊鼠標左鍵可實現整個界面的清理，進行坐標的重新選取；單擊鼠標中鍵能夠實現對本次操作的放棄，恢復至上次操作時的界面。

結語

旋翼旋轉動特性試驗是一項技術難度高、風險大的綜合試驗。對其試驗數據的后處理，能夠簡化試驗處理過程，提高工作效率。在型號試驗中，已驗證本軟件能夠節省大量的時間與人力。形成的處理文件，可為試驗原始數據核實，也為后續處理提供依據與指導。本文中的軟件設計，能夠實現預計的功能，但仍有需改進的方面。如，對應點的振型顯示，幅頻曲線與相頻曲線的分界面顯示等。在日后的工作與學習中，以本軟件為基礎，征求使用意見，進行下一步的更新與優化，以便更好地應用于旋轉旋翼動特性試驗數據后處理。

參考文獻

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