吴本强，刘正胜
(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001;2.32382部队，北京 100072)
直升机传动轴系是弹性体，具有丰富的扭转振动。在一定的条件下，直升机传动链扭振与燃油调控装置、调控规律会形成具有不断能量输入的可自激振荡系统，在燃油控制系统中串入陷波器是防止该耦合振荡的有效措施[1]。首先需要根据扭振试验频率测量结果获得的扭振低阶固有频率去修正凹陷滤波器的中心频率；
再通过扭振稳定性试验验证传动链扭振与发动机燃油控制系统耦合的稳定性[2]。在扭振试验及扭振稳定性试验中，总距激励作为能量的输入，对试验的开展至关重要[3]。采用机械操纵系统的直升机，一般采用往复拉动总距杆的方式进行总距激励，这种方式不适用于采用电传操纵且未安装驾驶杆系的地面试验机。
电传操纵系统可定义为，驾驶员的操纵指令信号，只通过导线(或总线)传给计算机，经其计算(按预定的规律)产生输出指令，操纵旋翼和尾桨变距，以实现对直升机的操纵[4]。作为一种先进技术，电传飞控是直升机升级换代的重要标志，是直升机主动控制技术的基础，其原理图见图1[5-6]。某新型直升机即采用了电传飞控系统。
本文介绍了一种基于电传飞控的总距激励技术，以周期激励方式改变旋翼总距，产生扭振激励载荷，激起旋翼/尾桨/动力/传动系统低阶模态振动。通过分析旋翼转速、发动机转速、旋翼轴扭矩和发动机动力轴扭矩等参数在激励停止后的衰减信号，得出整个动力传动链低阶扭振固有频率。
图1 电传飞控系统原理图
为保证系统激振幅值稳定，提出并应用了幅值闭环控制策略，充分利用MATLAB/Simulink和AMESIM两个软件平台的优势进行联合仿真，对系统的响应进行分析和对比，验证了控制策略的有效性。应用CRIO作为系统架构，FPGA作为系统硬件平台开发控制器，在Labview软件开发平台上，通过软件算法实现液压激振伺服控制策略，保证了激振频率的精度。
某新型直升机地面试验机首次采用将动力系统、传动系统、旋翼系统、操纵舵机、液压系统、燃油系统全尺寸地组装到机身结构上的方案，较真实地模拟了各系统的实际装机状态。
地面试验机不安装驾驶杆系及飞控计算机，故需根据地面试验机的装机状态和地面试验操作要求对机上操纵系统进行改装，搭建总距激励系统。
总距激励系统由舵机和台架操纵控制系统组成。其中舵机含三台主桨舵机和一台尾桨舵机，均与机上状态一致；
台架操纵控制系统主要包括上位机、CRIO机箱(机箱内含A/D、D/A及数字量输出模块)、舵机控制器等组件。上位机主要完成人机界面显示、指令输入和状态反馈；
CRIO机箱完成指令信号输出和状态反馈信号采集；
舵机控制器按照输入的指令信号，通过特定的控制通道输出舵机驱动信号，完成激励动作。系统原理结构图见图2。在AMESIM软件中，对液压系统建立模型进行仿真分析，整个液压系统作为S函数供Simulink仿真调用。利用AMESIM的线性分析功能，可以初步考察单通道闭环状态下的bode图，引入常规PID控制环节，得到闭环下的幅频特性曲线，见图3。
图2 总距激励结构框图
图3 单通道闭环bode图
可以看出，如果以-3 db作为系统频宽评价准则，系统的激振频宽为40 Hz，而且从5 Hz至50 Hz的激振频率范围内，幅值响应差异较大，必须进行必要的幅值补偿控制。
激振运动指系统以某个桨距为中立位置，以特定的频率往复运动。激振控制期望与指令信号相比，响应幅值不能降得过低(-3 db)，因此需要通过增加控制增益，使幅频响应曲线整体上抬，提高系统频宽。
2.1 幅值闭环控制思想
在RT控制器内通过软件实现了幅值控制环节，即单通道的幅值闭环控制，增加实际指令输出，保持幅值稳定。幅值控制的主要步骤如图4所示，具体如下：
1)采样及幅值分析
设定模拟量采集相关参数，包括采样时间、采样率，采集传感器的模拟量反馈，并通过A/D模块转换成离散点序列x(nΔt)，Δt为采样间隔时间(采样率的倒数)，n为采样点数(采样率和采样时间的乘积)；
通过FFT或相关性分析方法进行频谱分析，得到激振频率f0下的实际激振幅值A1；
2)偏差比较及PID闭环控制
以预期的激振幅值A0作为指令信号，以实际激振幅值A1作为过程变量，进行偏差比较，并送至PID控制器进行闭环控制；
3)更新指令激振幅值
得到的实际激振指令幅值与其他激振参数(初始相位、激振频率等)送至sin信号生成器，产生实际的激振指令。
图4 幅值闭环控制步骤
2.2 位移采样及幅值分析
根据采样定理，采样率达到信号最大频率的两倍以上就可以了。为保证后期的频谱分析结果的准确性，期望在硬件FPGA模块的FIFO有限存储空间(FIFO长度设置为2048)下记录不少于5个完整波形，因此本系统的采样率根据激振频率不同进行设定，其中10 Hz为2 kS/s(1秒2000个采样点)，50 Hz为10 kS。为便于软件实现，控制器采用相关性分析进行频谱分析，得到激振的幅值和相位。
一般而言，对于一个线性系统，所测得的液压缸位移响应除含有指定的激振频率外，还包括一些倍频成分，以及大量的噪声干扰。因此，只要将标准激振信号和所测得的位移响应信号进行互相关计算分析，就可以得到由该频率激振而引起的响应信号幅值和相位差，消除噪声干扰的影响。
相关性公式如下：
由上式得到幅值A的计算公式：
式中：n—采样点符号；
N—单次分析的总采样点；
Δt—采样间隔时间；
x(nΔt)—位移采样电压值；
z(nΔt)—频率为激振频率的标准正弦信号序列；
v(nΔt)—频率为激振频率的标准余弦信号序列；
A1—实际激振幅值。
2.3 幅值闭环控制
幅值闭环在结构上属于PI控制，控制器参数包括KP、KI、幅值输出斜率KT等。幅值输出斜率的作用在于控制幅值输出变化量，单位为伏/秒(V/s)。这是因为由于存在幅值控制和调整，当新幅值生效时，实际输出的指令信号，一定会有类似阶跃的跳变信号(见图5中圆圈处)，系统将会尽最快速度(最大流量)响应该阶跃信号，即实际激振过程“阶跃冲击”的运动效果。如果指令幅值和实际反馈幅值差异较大，前后两次指令幅值将会产生较大的变化，该“台阶”高度也较大，桨距瞬时操纵速度将达到伺服阀流量的最大值。桨距操纵速度过高，会对试验件、试验台及激振自身带来风险。因此，设置幅值输出斜率，希望即使指令幅值和实际反馈幅值差异较大，系统也不要一次调整到位，而是通过数次的调整逐步接近，将一个较高的台阶化解成数个小台阶，降低激振过程中的冲击(如图6中3处比较明显的小台阶)，使指令曲线看起来更加光滑，逐步逼近指令幅值，直至满足激振幅值要求。
图5 单次调整波形 图6 多次调整波形
根据离散化PID表达式及幅值斜波输出的定义：
2.4 幅值闭环控制仿真
激振系统是由三套相互耦合的单通道激振系统组成的，单通道的激振特性从基本组成上就直接影响了整个系统的激振性能，因此首先对单通道激振系统进行仿真。在MATLAB/SIMINLINK环境中，根据幅值控制器设计算法，实现的幅值控制(AGC)程序框图见图7。图7中AGC程序各输入输出物理含义见表1。
图7 Simulink实现的幅值控制(AGC)程序
在单通道系统模型中，加入幅值闭环控制环节(图8中的AGC模块)，构成带幅值控制的单通道激振仿真。系统模型如图8所示。
设定激振参数如下：激振频率10 Hz，幅值0.2 V (2.67 mm)，中立位置0 V(对应液压缸中立位置)，幅值控制的PID参数分别为{2,4,0}，采样时间0.001 s，分析波形数据长度0.5 s。
表1 AGC仿真程序图标定义
图8 带幅值控制的单通道激振仿真程序
幅值控制下，实际反馈电压输出如图9所示。
图9 幅值控制作用下实际反馈电压输出
从反馈电压中可以看出，逐步增加指令信号的激振幅值，实际反馈电压幅值也在逐步增加。实际激振幅值随着时间不断均匀地增大，10 s后稳定在0.2 V，说明AGC的控制功能是有效并且稳定的。
实际激振过程中，激振频率是以一定步长逐步增加的，因此第一个激振频率点幅值稳定时间较长，根据仿真结果至少需要10 s的时间。但在进行下一个频率点激振时，系统将直接在上一个频率点设置的幅值参数基础上进行幅值控制，一般3～5个幅值控制循环周期就可以实现幅值稳定。因此，整个激振过程是连续的，每个激振点由于稳定而停留的时间也较短。
3.1 上位机软件设计
上位机采用研华工控机，软件采用LabVIEW平台进行开发，主要包括激励参数输入、激励反馈曲线显示、激励反馈数值显示、舵机状态反馈(如阀芯电流)等。进入上位机激励程序后，系统首先进行初始化，采集当前位移传感器电压值，并以此作为控制指令输出，避免由于程序的切换导致舵机失控。可在前面板上输入激励幅值、频率和周期数等激励参数，生成图10所示的总距激励信号;经矩阵转换为三通道的位移信号，并经CRIO机箱的D/A模块输出给舵机控制器，在舵机控制器内部完成相应幅值和频率的激励运动。舵机本体上安装的位移传感器实时反馈舵机的实际输出波形。操作人员在上位机上监测舵机的实际运动情况，通过对激励信号的修正，使激励响应在幅值、频率和相位上满足试验需求，实现总距激励的目标。
图10 总距激励示意图(ω为激励频率)
开始激振后，系统根据当前激振信息，逐步建立幅值，判断与指令幅值的误差、同步误差等是否满足要求，若满足激振要求，则系统通过以太网通讯以关键字的形式告知数采系统目前激振已经达到要求，可以采集数据；
数采系统开始工作，完成采集数据后，也以关键字的形式告知激振系统，本次频率采集已经完成，可以进入下一个频率点；
依次往复，直至完成终止频率的激振和数据采集。整个激振流程如图11所示。
3.2 基于CRIO机箱伺服控制系统架构
伺服控制系统主体硬件采用Compact RIO的系统构架。CRIO机箱主要具备三个功能：位移指令信号输出，总距指令信号输出和状态信息反馈。其中，总距指令信号输出是指替代飞控计算机向左、右发动机电调提供总桨距信号。试验台操纵系统将通过CRIO机箱，根据总距的电压值，按照试验前的标定结果，输出总距联动信号。该信号将采用双余度备份方案，两个D/A通道输出同样的电压值，保证总桨距信号的可靠性。
图11 激振流程
表2 CRIO机箱模块清单
采用与CRIO硬件紧密绑定的Labview软件开发平台，通过软件算法实现液压激振伺服控制策略。Labview支持上位机属性节点调用、共享变量、FIFO等方式获取FPGA的数据。所谓FIFO，在数据结构上体现为先入先出(First input ，first output )的队列结构。FPGA的FIFO采用直接内存读取机制(DMA)，是FPGA和上位机之间传递大数据量的最快方式。由于振动分析数据量较大，实时性要求强，因此采用FIFO向上位机传递数据。程序依据循环时间，定时向FIFO队列写入数据。
根据第二节单通道幅值闭环控制中所述，在RT部分的程序实现如图12所示。程序应用了Labview已有的PID控制等子VI，以及自定义的相关性算法vi，完成幅值闭环控制。
图12 幅值PID控制程序
3.3 舵机控制器设计
舵机控制器将舵机“速度—位移”运动谱指令以电信号形式传递给4台舵机，控制3台主桨舵机和1台尾桨舵机按照规定的运动谱进行运动，并能对运动位置进行精确控制。设计过程中引入模块化设计理念，功能电路板嵌入在机箱内，将舵机的伺服控制回路分成若干相互独立的结构和功能模块。其外形图如图13所示。
图13 舵机控制器外形示意图
伺服驱动部分采用全模拟电路。RDDA伺服电路为四余度结构，实现舵机的伺服控制和伺服回路的通断，主要功能如下：
1)电流放大；
2)将DDV电流信号转变成电压形式输出以供测试；
3)作动筒位置和RDDV位置信号解调；
4)通道控制切除功能。
伺服驱动电路均选用成熟设计的电路板，有对16通道DDV的驱动能力，另外可发出激磁信号以驱动LVDT，并可对16路RDDV回路LVDT和4路RDDA回路LVDT进行解调。
试验人员通过信号发生器或计算机DA提供-10 V～+10 V指令，可分别对四台舵机发出位置控制指令，提供如直流、正弦波等信号，经过舵机控制器内驱动电路的伺服放大，驱动舵机按照规定的运动谱工作。-10 V～+10 V指令与RDDA回路(即作动筒位置反馈回路)综合，从而实现控制作动筒位置的目的。RDDV回路增加了一级阀位置反馈，并增加一级阀速度反馈，以及阀电流均衡反馈，增强了控制系统的稳度和精度。最内环的电流反馈可以稳定控制电流，并起到限制最大电流的作用。
由于篇幅限制，仅就双发额定转速状态下的扭振稳定性试验进行介绍。
为保证安全，采用先调低发动机燃调控制系统增益，确认动力传动链扭振稳定后，再加大一级燃调控制系统增益，直至达到正常增益状态的方案。具体试验步骤如下：
1)停车状态下，按照图10编制好自动运行程序，设置频率f，总距激励周期至少6个以上，激励结束后程序应把总距保持在原总距位置；
2)依次起动左、右发动机至地面慢车、额定转速，在额定转速状态稳定后，操纵总距至达到约10%升力状态；
3)从旋翼总距开始改变后测量并监控旋翼转速、发动机扭矩和转速、旋翼转速与扭矩、尾桨轴扭矩等参数，持续30 s；
4)对测量参数进行分析，对旋翼/动力/传动系统扭振与发动机控制系统耦合是否稳定进行判断，如果属于稳定状态则进入下一阶段试验，否则系统停车，并对不稳定原因进行进一步分析；
5)调用自动运行程序，启动总距激励；
6)重复步骤3)、4)；
7)如有必要，可以多次执行步骤5)，对旋翼/动力/传动系统扭振与发动机控制系统耦合是否稳定进行判断；
8)操纵总距和尾桨距至达到约80%升力状态；
9)执行步骤3)、4)、5)、6)、7)；
10)操纵总距和尾桨距到低位，发动机正常停车。
表3 试验参数表
试验结果如图14所示(a-j为表3中参数的时间历程)。
图14 试验结果
从图中可以看出，在总距激励后，转速及扭矩等信号立即开始出现较大幅值的振荡；
激励结束后，振荡开始衰减，未出现动力传动链与发动机电调控制系统耦合不稳定现象。
为顺利完成某新型直升机地面试验机传动链扭振试验，设计了基于电传飞控的总距激励系统，满足操纵系统具备一定频率范围内的激振能力的要求。为保证系统激振幅值稳定，提出并应用了幅值闭环控制策略，并充分利用MATLAB/Simulink等软件进行仿真,验证了其控制策略的有效性。采用与CRIO硬件紧密绑定的Labview软件开发平台，通过软件算法实现液压激振伺服控制策略，保证了激振频率的精度。
本文介绍了系统方案设计、控制策略分析研究以及上位机、CRIO机箱选型和舵机控制器相关的软硬件设计，并介绍了其在该新型直升机传动链扭振稳定性试验中的应用。经试验验证，激励幅值和频率准确，满足试验需求。
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