CN107792391B - 基于fadec控制系统的直升机扭振激励试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空应用领域，涉及基于基于FADEC控制系统的直升机扭振激励试验方法。本发明选定了激励方式、设计了激励系统，给出了激励方法。为直升机扭振试验提供了有效的激励实施手段，使直升机扭振系统产生适当的结构动力学响应，为工程人员提供用于直升机扭振系统频率确定和扭振系统与FADEC控制系统耦合稳定性评估的试验分析数据，解决了我国直升机型号研制中扭振试验激励方式单一的问题。本发明首次提出了基于FADEC发动机控制系统的扭振试验激励系统，该激励系统与传统的通过桨距激励的方式完全不同。该发明将激励信号通过FADEC发动机控制系统加入到直升机系统中，以动力涡轮转速信号作为激励信号，激励直升机响应。

Description

基于FADEC控制系统的直升机扭振激励试验方法

技术领域

本发明属于航空应用领域，涉及基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统及激励方法。

背景技术

直升机的发展历程体现了我国航空工业发展的历程，其经历了从引进仿制、学习消化到最终独立自主研发，在积累一定能力的基础上，逐渐设计出具有独立知识产权的直升机。早期我国引进仿制主要采用测绘的手段直升机设计研制，在这个过程中，由于测绘技术的制约、工艺水平的限制生产出来的直升机，会产生一些原型机所没有的问题，比如扭振稳定性问题、直升机气动弹性问题。受我国直升机设计与试验能力限制，对于暴露的这些问题，往往采用较为被动的方式回避。我国某型直升机在试飞过程中出现异常振动问题，由于试飞现场没有专用的地面振动特性试验系统用于机上部件及机体振动特性试验，只被动采用加强飞行振动监控的方法预防潜在的振动风险，始终存在安全隐患，甚至由于存在过度振动而影响到设计定型周期。

扭振系统是指由直升机主减、主旋翼、尾传和尾桨所构成的机械系统。扭振系统问题包括两类一类是扭振系统固有特性问题，一类是扭振系统与发动机控制系统即发动机燃油调节系统耦合稳定性问题。扭振系统固有特性问题指在直升机飞行及地面开车时会受到自身交变扭矩的作用，当扭振系统的固有频率与旋翼的基频接近以至重合时，会引起直升机结构共振。扭振系统与发动机燃油调节系统耦合动稳定性问题指直升机扭振系统在外界的干扰下，会使发动机产生不可接受的扭转振动和燃油脉动，严重影响发动机的正常工作，使系统承受过大的交变扭矩，引起直升机的强烈振动，造成飞机结构的提前疲劳破坏。

国内目前在扭振试验中采用总距激励方式，通过观察动力涡轮扭矩等参数衰减评估扭振稳定性，这种方法是利用桨叶气动弹性效应通过桨叶扭转运动带动摆振运动，但参与扭振运动的振动自由度为旋翼、尾桨集合型摆振型，是一种间接激励方式，而且没有对尾桨进行激励，分析结果表明效果不佳。这就需要我们提出一种可靠的试验方法，解决目前直升机飞行试验中结构强度设计与试验手段或缺的问题。

本发明提出的基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统及激励方法，为直升机扭振系统试验提供了有效的激励方法，使工程人员获得了信噪比更好的分析数据，从而更加有效的分析出直升机扭振系统固有特性和扭振系统稳定性特性，对于我国研制新型直升机过程中解决遇到的如扭振等一些列结构动力学问题提供了有利的保障，确保了新研直升机飞行安全性。

发明内容

本发明目的是：设计出基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统及激励方法，解决直升机扭振试验激励问题，从而更加有效的分析出直升机扭振系统固有特性和扭振系统稳定性特性。

本发明的方案是：基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统及激励方法，包括

首先：以经典控制理论为基础，建立FADEC控制回路模型，如图1所示，从FADEC控制系统回路模型中选择可作为激励信号的通道信号，并与真实直升机FADEC控制回路对比，确定该通道信号能够叠加激励信号。同时确定以该激励信号为输入时，直升机响应信号即响应信号可实现抽取，即确定工程可实现，最终选择FADEC控制系统动力涡轮转速给定信号NpDem为激励信号。

其次：研究FADEC控制系统回路各模块软硬件工作原理，确定动力涡轮转速给定信号NpDem的信号特性，分析信号加入点的阻抗特性、叠加信号幅值范围和电磁兼容性等特性，得出所选激励信号的特性，确定激励系统软硬件技术要求，以此设计激励系统，实现激励信号的生成与输出。设计激励系统主要包含以下步骤：

a)硬件设计。该激励系统硬件系统主要包含人机交互界面、信号发生模块以及安全监控模块。该激励系统工作原理为：试验者通过人机交互界面设置激励系统类型，并控制激励信号的加入与断开，信号发生模块接收到人机交互界面的激励信号加入或断开指令后，向直升机加入或断开激励信号，同时安全监控模块实时监控输出激励信号和直升机的响应，当监控参数超过设定的安全限制后，激励信号自动切除。系统硬件结构如图4所示

b)软件设计。系统软件主要完成激励系统硬件初始化、上电/复位自检测(维护自检测)，激励信号控制参数表的生成，激励信号的产生及输出，实时监控以及飞机结构参数，在超过一定的门限值后自动切除激励信号的输出。另外在系统异常情况下进行故障告警及保安处理等工作。系统软件结构如图5所示。

再次，完成基于FADEC控制系统的直升机扭振激励试验，步骤如下：

第一步：基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统半物理仿真台激励检查试验和发动机台架激励检查试验。通过以下3个步骤完成该两项试验。

a)确定FADEC控制系统信号输入接口类型，将所设计的激励系统的输出接口进行匹配转接，完成激励信号加入的硬件转换即完成了激励系统和FADEC控制系统连接；

b)设计激励信号幅值，使该激励信号电压幅值与动力涡轮转速关系正确性，确保被激励的动力涡轮转速变量与设计值相同，将编写完成的激励信号加载到激励系统信号发生模块中；

c)通过人机交互界面选择激励信号，驱动信号发生模块，向FEDAC控制系统加入激励信号。

第二步：在直升机上实现基于FADEC控制系统的直升机扭振系统地面激励试验。

a)将激励信号发生系统加装到直升机上；

b)以直升机台架试验结果为基础，选取发动机状态和激励信号；

c)在试验中采用地面数据实时处理系统对试验进程进行实时监控，对直升机的状态、各系统工作情况、发控系统的主要参数和激励信号发生系统状态进行实时监控；

d)试验者在直升机上通过激励系统人机交互界面控制激励系统，向直升机FADEC控制系统叠加激励信号，激励直升机扭振系统。

本发明的优点是：基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统可重复使用，激励频率范围大，通过FADEC控制系统内部施加电信号激励，响应效果好。

附图说明：

图1FADEC控制系统模型；

图2FADEC控制系统原理图；

图3基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统原理示意图；

图4基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统硬件结构图；

图5基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统软件结构图；

图6试验激励信号时间历程及频谱曲线；

图7试验激励动力涡轮转速时间历程及频谱曲线。

具体实施方式：

技术原理

基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统及激励方法的技术原理：通过向直升机FADEC发动机控制系统加入动力涡轮转速扰动激励信号，激起旋翼/尾桨/传动系统组成的扭振系统以及与发动机控制耦合系统响应。其中FADEC控制系统即为发动机控制系统。

为了分析扭振系统固有特性和扭振系统和发动机控制系统之间的耦合稳定性特性，需要获取较高信噪比的试验数据。

通过给直升机FADEC控制系统加入动力涡轮转速激励信号，得到高质量的响应数据，再通过直升机扭振系统频率分析及稳定性评估技术评估直升机扭振系统的特性。通过分析FADEC控制系统工作原理，得出施加激励信号的硬件条件，设计激励系统，实现激励信号的生成与输出，为直升机扭振试验提供了一种可靠有效的激励方法。为了确保基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统可行有效，完成激励系统设计后，先后进行了直升机半物理仿真台激励检查试验和发动机台架激励检查试验，以保证试验安全。最后将该系统加装在直升机上，进行了直升机扭振地面试验，证明了该系统的可行与有效性。

本发明提供的基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统及激励方法，包括：

S101、以经典控制理论为基础，建立FADEC控制回路模型(如图1)，分析FADEC控制系统回路，选择工程可实现且有效的FADEC控制系统动力涡轮转速给定信号NpDem为激励信号。

为提高响应数据信噪比，保证数据处理可靠性，需向直升机扭振系统中加入激励信号，通过激励信号和响应信号分析得出扭振系统的特性参数。首先选择的激励信号应能激起系统的响应，其次所选择的激励信号工程可实现，最后应保证激励的安全性。建立了建立FADEC控制回路模型，如附图1所示，分析FADEC控制系统回路，采用向发动机动力涡轮转速给定信号NpDem叠加扰动信号，进而扰动旋翼转速，实现扭振系统的激励。附图2所示为FADEC发动机控制系统原理示意图。

S102、研究FADEC控制系统回路各模块软硬件工作原理，得出施加激励信号的软硬件条件，设计激励系统，实现激励信号的生成与输出

分析FADEC控制系统工作原理，发现动力涡轮转速给定信号NpDem为电信号，因此激励方式采用激励系统产生微幅电压信号扫频或脉冲信号叠加在FADEC控制系统回路中。所设计的激励系统应能够产生所需幅值范围的各种类型信号，如脉冲信号、扫频信号以及横幅正弦信号。拥有输入输出接口、拥有操作界面等

鉴于以上原因，设计的激励系统包括以下组成部分：人机交互界面、信号发生模块、安全监控模块三大部分，因此设计的基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统原理如附图3。

最终设计得到的基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统详细结构如图4所示。将设计的激励信号类型编程加载到该激励系统信号发生模块中，完成激励信号的生成。通过安全监控模块下的信号输出接口将激励信号输出到FADEC系统信号输入接口。安全监控模块能够实时监控输出信号的正确性，同时也能够实时监控直升机加速度传感器的响应。

激励系统借助直升机上28V直流电源作为电源，与人机交互界面相连接，人机交互界面再将电源提供给电子部件箱。试验中，试验者通过人机交互界面控制电子部件箱，从而选择加载到电子部件箱中的激励信号，电子部件箱将信号输出到FADEC系统信号输入接口中，对直升机扭振系统进行激励。机载测试系统实时记录激励系统的状态，同时记录加装在直升机上的加速度传感器信号。

如图5所示，该激励系统软件主要完成激励系统硬件初始化、上电/复位自检测，激励信号控制参数表的生成，激励信号的产生及通过D/A或RS422串行总线输出激励信号，实时监控飞机结构参数，在超过一定的门限值后自动切除激励信号的输出。另外在系统异常情况下进行故障告警及保安处理等工作。

S103、半物理仿真台激励检查试验和发动机台架激励检查试验；

设计了激励方式后，为保证该激励方式的可靠性与安全性，进行了两项检查试验：半物理仿真台激励检查试验和发动机台架激励检查试验。首先进行了半物理仿真台激励检查试验。直升机发动机半物理仿真台是通过硬件和软件方式实现模拟旋翼/尾桨/传动系统和发动机控制系统的输入和输出等各项响应特性。该试验主要检验激励信号发生系统与发动机控制系统兼容性以及信号品配性，保证试验安全。

将该激励系统信号发生模块与直升机半物理仿真台正确交联，检查设备运行正常后，开始进行试验。激励试验在不同动力涡轮转速和不同燃气涡轮转速组合条件下进行。

该试验的顺利完成，将确保下一步直升机台架激励试验的安全性。

直升机台架激励检查试验的试验原理与半物理仿真台检查试验相同，只在信号幅值和频率上有所改进。通过该试验最终检查确定该激励系统信号发生模块与发动机FADEC控制系统交联后是其否影响发动机控制系统安全、检查输入激励信号可行性和正确性、检查采集试验数据正确性、为机上试验方案设计提供依据。

S104、在直升机上实现基于FADEC控制系统的直升机扭振系统激励试验。

在进行地面激励试验前，将激励系统加装到直升机上。以直升机台架试验结果为基础，选取发动机状态和激励信号，进行地面试验。获得试验结果，得出扭振系统关键模态频率。

附图6和附图7为试验结果图。其中6图所示为试验激励信号时间历程及频谱曲线，上图为时间历程曲线，下图为频谱曲线。图7所示为试验激励动力涡轮转速时间历程及频谱曲线，上图为时间历程曲线，下图为频谱曲线。从动力涡轮转速频谱中可以看出，该激励系统有效的激起了该直升机的扭振响应。

Claims (1)

1.基于FADEC控制系统的直升机扭振激励试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先：以经典控制理论为基础，建立FADEC控制回路模型，从FADEC控制系统回路模型中选择可作为激励信号的通道信号，并与真实直升机FADEC控制回路对比，确定该通道信号能够叠加激励信号；同时确定以该激励信号为输入时，直升机响应信号可实现抽取，即确定工程可实现，最终选择FADEC控制系统动力涡轮转速给定信号NpDem为激励信号；

其次：研究FADEC控制系统回路各模块软硬件工作原理，确定动力涡轮转速给定信号NpDem的信号特性，分析信号加入点的阻抗特性、叠加信号幅值范围和电磁兼容性等特性，得出所选激励信号的特性，确定激励系统软硬件技术要求，以此设计激励系统，实现激励信号的生成与输出；设计激励系统主要包含以下步骤：

a)硬件设计；该激励系统硬件系统主要包含人机交互界面、信号发生模块以及安全监控模块；试验者通过人机交互界面设置激励系统类型，并控制激励信号的加入与断开，信号发生模块接收到人机交互界面的激励信号加入或断开指令后，向直升机加入或断开激励信号，同时安全监控模块实时监控输出激励信号和直升机的响应，当监控参数超过设定的安全限制后，激励信号自动切除；

b)软件设计；系统软件完成激励系统硬件初始化、上电/复位自检测，激励信号控制参数表的生成，激励信号的产生及输出，实时监控飞机结构参数，在超过一定的门限值后自动切除激励信号的输出,另外在系统异常情况下进行故障告警及保安处理工作；

最后，完成基于FADEC控制系统的直升机扭振激励试验，步骤如下：

第一步：基于FADEC控制系统的直升机扭振试验激励系统半物理仿真台激励检查试验和发动机台架激励检查试验

a)确定FADEC控制系统信号输入接口类型，将所设计的激励系统的输出接口进行匹配转接，完成激励信号加入的硬件转换即完成了激励系统和FADEC控制系统连接；

b)设计激励信号幅值，使该激励信号电压幅值与动力涡轮转速关系保持正确，确保被激励的动力涡轮转速变量与设计值相同，将编写完成的激励信号加载到激励系统信号发生模块中；

c)通过人机交互界面选择激励信号，驱动信号发生模块，向FEDAC控制系统加入激励信号；

第二步：在直升机上实现基于FADEC控制系统的直升机扭振系统地面激励试验

a)将激励信号发生系统加装到直升机上；

b)以直升机台架试验结果为基础，选取发动机状态和激励信号；

c)在试验中采用地面数据实时处理系统对试验进程进行实时监控，对直升机的状态、各系统工作情况、发控系统的主要参数和激励信号发生系统状态进行实时监控；

d)试验者在直升机上通过激励系统人机交互界面控制激励系统，向直升机FADEC控制系统叠加激励信号，激励直升机扭振系统。

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