直升機旋翼平衡實時調整地面維護處理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

趙英梅，孫燦飛,2*，彭德潤,2，程 攀

(1.航空工業(yè)上海航空測控技術研究所 智能控制產品部，上海 201601；2.航空工業(yè)上海航空測控技術研究所 故障診斷與健康管理技術航空科技重點實驗室，上海 201601)

直升機振動水平是直升機先進性的重要標志[1]，由于材料老化、機械磨損、槳葉表面光滑度變差、飛行環(huán)境變化和日常維護等原因造成的直升機旋翼質量和錐體不平衡是引起直升機振動的重要來源之一[2-3]。面對直升機旋翼的不平衡，現(xiàn)有的解決方式是定期在地面對其進行平衡測量與調整。但這種維護方式受到調整時間約束，并且地面調整方式可以調整的振動量有限，會影響直升機的舒適性和經濟性[4]，制約了直升機的發(fā)展。

針對這一問題，國內外開展了對直升機旋翼平衡實時調整技術的研究。國外如Arnold等采用調整變距拉桿降低振動的實時調整方法，對CH-53G直升機進行試驗驗證[5]，試驗結果說明在飛行中持續(xù)調整直升機旋翼平衡可以使其維持在較低的振動水平。國內旋翼動平衡調整主要是依據現(xiàn)有的技術，結合以往的經驗在地面定期手動進行動平衡調整，如吳國寶等[6-7]提出了一種基于階次跟蹤的直升機旋翼動平衡測量方法，并進行了仿真試驗臺和試驗機測試；張功虎等[8]等結合直升機的振動規(guī)律和特點，提出了直升機旋翼動平衡檢查調整方法，紀小苗等[9]結合廣義神經網絡、粒子群算法和遺傳算法，提出了一種基于不同調整目標的旋翼動平衡調整方法；趙小全等[10]提出了一種基于試重法的直升機旋翼動平衡調整方法。國內對于飛行中的平衡調整技術仍處于理論研究階段，如顧景軼[11]進行的獨立槳葉自適應控制的振動控制方法研究。旋翼平衡實時調整(In-Flight Tuning,IFT)技術可以有效提高直升機旋翼調整的效率，可以在飛行中降低直升機的振動水平，延長旋翼使用壽命，降低維護成本，具有巨大的經濟和軍事效益。因此，旋翼平衡實時調整技術的實現(xiàn)是我國直升機新技術向前邁進的重要一步。

IFT系統(tǒng)主要由振動傳感器、轉速傳感器以及微型光學錐體測量傳感器組成的旋翼系統(tǒng)狀態(tài)信息獲取單元、數(shù)據采集與處理單元(包括采集器、控制器)、智能變距拉桿、地面維護處理系統(tǒng)(含地面維護處理軟件)等配套設備組成。地面維護處理系統(tǒng)是IFT系統(tǒng)地面的控制和顯示中心，通過實時采集直升機旋翼系統(tǒng)的錐體、振動、轉速信息處理獲取系統(tǒng)振動水平和錐體狀態(tài)，采用實時調整方法控制智能變距拉桿工作，最終降低系統(tǒng)振動水平，并控制錐體在目標范圍內，實現(xiàn)飛行中實時調整直升機旋翼系統(tǒng)的平衡。

1 系統(tǒng)總體設計

地面維護處理系統(tǒng)可以在飛行中實現(xiàn)數(shù)據采集、分析、預測診斷和維護保障建議等功能，系統(tǒng)由狀態(tài)監(jiān)視、信息處理、健康評估、預測、決策保障支持和通信功能組成。

1.1 系統(tǒng)需求分析

根據旋翼平衡實時調整系統(tǒng)的需求分析，地面維護處理系統(tǒng)軟件需要具備系統(tǒng)工作流程的控制、數(shù)據采集、分析處理和顯示以及在線實時調整旋翼系統(tǒng)動平衡功能，包括：

① 系統(tǒng)業(yè)務工作流程控制。根據實際應用系統(tǒng)的功能需求設計符合邏輯的工作流程。

② 運行狀態(tài)監(jiān)測。實時監(jiān)測旋翼系統(tǒng)錐體狀態(tài)、振動狀態(tài)、變距拉桿狀態(tài)和拉桿控制狀態(tài)，并且需要監(jiān)測各類傳感器的原始信號數(shù)據。

③ 健康監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)設備的電壓、電流、溫度，設備運行異常時快速告警。

④ 在線調整旋翼系統(tǒng)動平衡。在飛行中通過調整智能變距拉桿的位置降低旋翼系統(tǒng)的振動。

⑤ 數(shù)據存儲和管理。保存全部原始信息、數(shù)據分析數(shù)據、健康監(jiān)測及告警等數(shù)據，設計數(shù)據結構實現(xiàn)飛行中數(shù)據快速處理、轉換、交互和保存功能。

⑥ 配置管理。參數(shù)和系統(tǒng)信息設置和管理。

1.2 總體架構設計

地面維護處理系統(tǒng)的軟件架構設計如圖1所示。其中，數(shù)據庫系統(tǒng)是地面維護軟件的數(shù)據和知識庫支撐。地面維護處理系統(tǒng)邏輯架構設計如圖2所示，主要分為用戶顯示層、應用服務層、應用數(shù)據層和基礎設施層。

圖1 地面維護處理系統(tǒng)軟件架構設計

圖2 地面維護處理系統(tǒng)邏輯架構設計

第1層為系統(tǒng)設備基礎，是旋翼系統(tǒng)中安裝的各類傳感器、智能變距拉桿，以及數(shù)據采集設備(采集器和控制器)和通信基礎設備。采集設備連接旋翼系統(tǒng)中的傳感器，獲取系統(tǒng)運行的振動數(shù)據和錐體數(shù)據，通過通信設備將數(shù)據傳輸至IFT地面維護軟件。

第2層為應用數(shù)據層，結合業(yè)務應用和系統(tǒng)數(shù)據特點設計數(shù)據庫結構，實現(xiàn)飛行中數(shù)據的快速應用、轉換和保存。

第3層為應用服務層，根據IFT系統(tǒng)的業(yè)務需求，通過網口與第一層設備連接，經數(shù)據融合和綜合分析，實現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務工作流程控制、實時狀態(tài)監(jiān)測、旋翼系統(tǒng)平衡調整和數(shù)據綜合分析的功能。

最上層為用戶顯示層，該層為IFT地面維護應用系統(tǒng)軟件客戶端用戶界面。

1.3 功能結構和流程設計

系統(tǒng)的功能結構和工作流程分別如圖3和圖4所示。

圖3 地面維護處理系統(tǒng)功能結構

圖4 地面維護處理系統(tǒng)工作流程

2 軟件設計與實現(xiàn)

在線實時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據穩(wěn)定可靠傳輸是該系統(tǒng)的關鍵，在該系統(tǒng)中采用以下設計解決該問題。

① 采集器和控制器設計2個獨立的數(shù)據傳輸接口，故障時啟用另一端口傳輸數(shù)據，保障數(shù)據傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性。

② 網絡傳輸數(shù)據時，考慮到實時監(jiān)測系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據量大，通過計算數(shù)據滿載時的數(shù)據量，最終采用用戶數(shù)據報協(xié)議(User Datagram Protocol,UDP)通信。除了物理設備中設計獨立的網口用作備用通信外，數(shù)據的發(fā)送端和接收端在設計中嚴格控制發(fā)送時序邏輯，根據需求對接收、處理和保存等過程設計相應的優(yōu)先等級，處理內存數(shù)據緩存區(qū)的數(shù)據,顯示輸出優(yōu)先級，完成數(shù)據穩(wěn)定接收、保存和后續(xù)的分析。功能模塊之間的數(shù)據接口如圖5所示。

圖5 功能模塊之間的數(shù)據接口

2.1 數(shù)據采集與監(jiān)測

數(shù)據采集與狀態(tài)監(jiān)測功能可以在飛行中持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的采集器、控制器數(shù)據，監(jiān)測的內容包括采集器采集傳感器的原始數(shù)據，控制器分析計算的旋翼系統(tǒng)的振動狀態(tài)、錐體狀態(tài)和智能變距拉桿狀態(tài)數(shù)據。其中，采集器設備連接傳感器，最大支持12個模擬通道和8個數(shù)字通道；地面維護處理系統(tǒng)根據實時調整方法的計算結果控制智能變距拉桿，結合實時返回的系統(tǒng)當前的振動狀態(tài)和錐體狀態(tài)，直觀顯示實時調整方法的結果。

運行狀態(tài)界面實現(xiàn)效果如圖6所示，圖6(a)為系統(tǒng)的控制頁面和實時數(shù)據顯示頁面，包括系統(tǒng)業(yè)務流程控制、智能變距拉桿控制、在線調整平衡控制功能，以及實時振動的幅值、相位數(shù)、轉速、錐體高度、錐體高度差和智能變距拉桿的位置數(shù)據；圖6(b)為控制器監(jiān)測數(shù)據，是計算后的振動、轉速、錐體數(shù)據和智能變距拉桿數(shù)據；圖6(c)為系統(tǒng)振動幅值/相位的變化趨勢圖，從圖中振動趨勢圖可以看出經過調整后系統(tǒng)的振動明顯降低。

圖7為采集狀態(tài)界面實現(xiàn)效果圖，圖7(a)和圖7(b)分別為振動通道和數(shù)字傳感器通道的原始數(shù)據，圖7(a)中采用3種顏色表示3個振動通道波形，圖7(c)為經過數(shù)據同步后，同一時刻的振動、轉速和數(shù)字傳感器通道的原始數(shù)據曲線關系。

圖7 采集狀態(tài)界面實現(xiàn)效果

2.2 在線調整旋翼系統(tǒng)動平衡

IFT系統(tǒng)在線調整旋翼系統(tǒng)平衡采用基于數(shù)據驅動的智能變距拉桿控制設計。

數(shù)據驅動的振動控制模型基于極坐標描述，通過將建模數(shù)據在復數(shù)域下運算和回歸，表征各模量在極坐標系下的分布，并將其轉換到實數(shù)域下矩陣保存?；跀?shù)據驅動的IFT調平方法結構包括以下內容。

① 數(shù)據預處理。數(shù)據預處理是控制器處理系統(tǒng)的振動數(shù)據、錐體數(shù)據，經預處理輸入至該方法。

② 系統(tǒng)建模。建模是通過控制每個智能變距拉桿在行程內平均間隔一定位移(拉桿行程-0.66～0.66 mm，間隔0.2 mm)獲取一組振動數(shù)據，最終32組狀態(tài)的數(shù)據形成系統(tǒng)的振動調節(jié)模型矩陣。

③ 計算。在不同試驗狀態(tài)下載入相應的模型計算出智能變距拉桿控制量，輸入控制量后觀測振動控制結果。

2.3 健康監(jiān)測

健康監(jiān)測功能包括監(jiān)測信息查看和告警超限提示功能。監(jiān)測信息包括智能變距拉桿、控制器和采集器的內部溫度、電流和電壓信息。通過實時監(jiān)測設備工作狀態(tài)的參數(shù)，進行超限計算。根據超限計算結果評估對系統(tǒng)設備運行影響程度，得出設備是正常運行、輕度異常不影響設備運行、設備工作出現(xiàn)異常結果，并進行相應的等級告警，保障系統(tǒng)設備的安全運行。圖8為健康檢測界面實現(xiàn)效果。

圖8 健康檢測界面實現(xiàn)效果

2.4 數(shù)據存儲與管理

數(shù)據存儲功能要求軟件保存系統(tǒng)運行中產生的原始數(shù)據和過程中的數(shù)據，數(shù)據管理功能要管理所有數(shù)據，便于用戶通過查詢和回放數(shù)據庫的數(shù)據來實現(xiàn)系統(tǒng)離線分析功能。對數(shù)據存儲方式和數(shù)據庫結構進行設計，達到數(shù)據在較高的完整度下占用較少的資源并減少數(shù)據冗余的目的。圖9為數(shù)據管理界面實現(xiàn)效果，圖中分別為數(shù)據保存、數(shù)據導出預覽和數(shù)據管理總列表的軟件界面圖。

圖9 數(shù)據管理界面實現(xiàn)效果

2.5 配置管理

配置管理功能是基于配置控制器、采集器軟件和傳感器的對應關系，對運行參數(shù)等進行參數(shù)配置和管理。

參數(shù)調用方式有2種：① 通過用戶界面輸入；② 通過讀取已有的配置文件獲取參數(shù)數(shù)據。軟件將輸入的參數(shù)寫入.XML類型的配置文件當中實現(xiàn)參數(shù)管理。圖10為控制器參數(shù)配置設置界面實現(xiàn)效果。

圖10 控制器參數(shù)配置設置界面實現(xiàn)效果

3 飛行中數(shù)據分析、轉換和交互技術

對飛行中的數(shù)據實時分析、轉換和交互是IFT系統(tǒng)的數(shù)據處理的核心之一。數(shù)據處理快速、準確、穩(wěn)定，IFT系統(tǒng)運行會更穩(wěn)定，實時調整平衡將會更加有效。地面維護處理系統(tǒng)承擔IFT系統(tǒng)大部分的數(shù)據處理工作，飛行中數(shù)據分析、轉換和交互應用體現(xiàn)在以下方面。

(1)多種獨立業(yè)務數(shù)據基于時間同步的方法。

IFT系統(tǒng)的采集器設計所有通道的數(shù)據是獨立進行傳輸、解析和保存的。計算旋翼系統(tǒng)的振動、錐體的信息時，需要以轉速傳感器通道的原始數(shù)據為基礎獲取同一時刻下的振動傳感器通道和數(shù)字傳感器通道的數(shù)據，因此這些獨立數(shù)據在時間維度上的同步尤為重要。針對這一問題，設計一種多種獨立業(yè)務數(shù)據基于時間同步的方法，實現(xiàn)快速篩選同一時刻振動、數(shù)字轉速和數(shù)字傳感器通道原始數(shù)據，計算出旋翼系統(tǒng)的振動、錐體、轉速的物理量。業(yè)務數(shù)據時間同步過程如圖11所示。

圖11 業(yè)務數(shù)據時間同步過程

(2)飛行中數(shù)據實時處理、交互方法的數(shù)據安全和線程安全過程設計。

數(shù)據處理和交互技術與系統(tǒng)軟件運行邏輯的時序是系統(tǒng)數(shù)據安全、進程安全和運行穩(wěn)定的重要部分之一，地面維護處理系統(tǒng)的核心數(shù)據主要有振動數(shù)據、錐體數(shù)據和智能變距拉桿位置數(shù)據，數(shù)據應用主要有3個方向：數(shù)據存儲、界面實時顯示和在線平衡調整計算。過程中的數(shù)據安全和線程安全設計如下。

① 保證數(shù)據的準確性，將讀寫功能分離，放入內存緩存，實現(xiàn)快速讀取。

② 多線程操作數(shù)據根據需求設置功能的優(yōu)先級，控制線程運行順序，確保各功能穩(wěn)定有效地運行。

4 功能測試與試驗驗證

4.1 系統(tǒng)搭建

本研究所述系統(tǒng)中用到的部分硬件設備如圖12所示。

圖12 部分硬件設備

本系統(tǒng)中的硬件設備連接關系如圖13所示。

圖13 設備連接關系示意圖

4.2 試驗驗證

旋翼塔試驗共計10個試驗狀態(tài)，分別是總距0°周期變距0°；總距6°狀態(tài)下，周期變距0°、1°和2°；總距7°狀態(tài)下，周期變距0°、1°和2°；總距8°狀態(tài)下，周期變距0°、1°和2°。

表1為各試驗狀態(tài)振動結果統(tǒng)計表。使用模型6-0表示試驗狀態(tài)為總距6°周期變距0°時控制系統(tǒng)建模形成的模型；表中X、Y、Z為安裝振動傳感器的3個方向，其中X、Y為水平方向，Z為垂直方向。通道初始振動狀態(tài)的參數(shù)是指在該狀態(tài)下所有拉桿處于0位置時的振動狀態(tài)，調整后數(shù)據是選取在經過調整后出現(xiàn)的相對穩(wěn)定的一組振動狀態(tài)的數(shù)據，下降百分比為

表1 各試驗狀態(tài)振動結果統(tǒng)計表

下降百分比=(v1-v2)/v1×100%

(1)

式中:v1為初始振動值;v2為調節(jié)后振動值。

對上述狀態(tài)試驗的結果進行初步統(tǒng)計，各個狀態(tài)下垂直方向Z初始的振動值較小，X、Y兩個水平方向的振動下降百分比多分布在50%～85%。

5 結束語

直升機旋翼平衡實時調整系統(tǒng)于2021年5月完成風洞縮比模型試驗；2021年11月完成旋翼塔試驗。試驗期間地面維護處理系統(tǒng)運行穩(wěn)定，旋翼塔試驗結果表明：① 與固定式拉桿相比，智能變距拉桿實時調整可以降低旋翼系統(tǒng)的振動；地面維護處理系統(tǒng)可以實現(xiàn)IFT系統(tǒng)工作流程控制，數(shù)據處理穩(wěn)定可靠，軟件運行穩(wěn)定。② 基于數(shù)據驅動的實時調整平衡算法可以有效地降低直升機旋翼系統(tǒng)的振動。