直升機飛行操縱系統頻率特性試驗與分析方法

張吉

摘 要：直升機飛行操縱系統頻率特性反映了正弦信號作用下系統響應的性能，是評價系統動態響應特性和噪聲抑制性能的指標之一。由于直升機飛行操縱系統組成復雜、不同操縱控制通道之間存在耦合，因此難以通過理論分析方法獲得系統精準的動態響應特性，而通過試驗法可以獲得系統真實準確的頻率特性參數?，F行試驗方法為掃頻響應分析法，通過分析該試驗方法下獲得的試驗數據能夠直觀、精確地反映直升機飛行操縱系統的頻率特性。

關鍵詞：飛行操縱系統；頻率特性；動態響應特性；掃頻響應分析

中圖分類號：V275.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0013-04

Abstract： The frequency characteristics of helicopter flight control system reflect the performance of system response under the action of sinusoidal signal， and it is one of the indexes to evaluate the dynamic response characteristics and noise suppression performance of helicopter flight control system. Due to the complex composition of helicopter flight control system and the coupling between different control channels， it is difficult to obtain the accurate dynamic response characteristics of helicopter flight control system by theoretical analysis method. Through the experimental method， the true and accurate frequency characteristic parameters of the system can be obtained. The current test method is the sweep response analysis method. Through the analysis of the test data obtained through this test method， the frequency characteristics of the helicopter flight control system can be reflected intuitively and accurately.

Keywords： flight control system； frequency characteristic； dynamic response characteristic； sweep response analysis

1 概述

在測試直升機飛行操縱系統頻率特性的試驗中，在各操縱通道的駕駛桿處施加一系列不同頻率的正弦信號，觀察并記錄響應輸出端的主槳/尾槳舵機或者主/尾槳葉的響應位移，通過對比計算響應位移和輸入信號之間的關系就能獲得直升機飛行操縱系統的頻率特性。

對于穩定的線性定常系統，輸入正弦激勵產生的輸出穩態分量仍然是與輸入同頻率的正弦函數，輸出與輸入的幅值比A（？棕）為幅頻特性，相位差？椎（？棕）為相頻特性，兩者均是輸入信號角頻率？棕的函數，其指數表達式為：

稱上述指數表達形式為系統的頻率特性。

通過試驗方法采集的輸入與輸出信號都是離散信號，難以計算出具體的指數表達式，因此通過快速傅里葉變換法（FFT）直接獲得幅頻及相頻曲線，進而通過曲線計算相應的特性數值。

2 頻率特性測量及數據處理分析方法

2.1 頻率特性測試方法簡介

直升機四個操縱通道為：俯仰（駕駛桿縱向）、橫滾（駕駛桿橫向）、總距（總距桿）以及航向（腳蹬），下面以航向通道頻率特性測試為例簡述試驗方法。試驗開始前在被測通道駕駛桿處加裝正弦信號發生器及位移傳感器，在響應輸出端加裝位移傳感器，具體安裝方式如圖1、圖2所示：

信號發生器產生正弦輸入信號為：

2.2 數據處理方法

通過數據采集系統采集的試驗數據是時域范圍內的離散量，想要獲得系統的頻率特性，需要將采集的時域離散信號變換為頻域離散信號，變換方法稱為離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transformation，DFT）。進行N個數據點的時域離散信號DFT計算時所做的復數乘法和復數加法次數都與N2成正比，因此試驗數據處理采用離散傅里葉變換（DFT）的快速算法，即快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，FFT）。

對于N點有限長時域離散信號x（n）的DFT變換式為：

2.3 掃頻響應測試分析方法應用實例

以某型號飛行操縱系統頻率特性試驗為例，上文中描述的FFT變換方法，在MATLAB中可以直接調用，因此運用MATLAB軟件編程進行試驗數據的批處理與分析。

試驗（俯仰通道）輸入信號與輸出信號如圖3、圖4所示。

進行FFT變換后信號組成頻率范圍在0～500Hz，只選取分析目標頻率范圍0～3.5Hz，變換后的信號按照式9～15進行計算得到對數頻率特性曲線如圖5所示。

現行的試驗分析以0.3Hz頻率點附近作為激勵響應初始頻率即基頻，通過計算3Hz處相對于初始頻率處系統的幅值比衰減，并結合輸入與輸出信號的幅值比、相位差以評價系統的頻率特性是否符合設計要求，上述俯仰通道的頻率特性計算數據如表1所示。

2.4 基于試驗數據的飛行操縱系統頻率特性評價方法

直升機飛行操縱系統的頻率特性反映了飛行員以不同頻率進行飛行操縱時，操縱系統對不同頻率操縱輸入的反映與執行程度。從操縱系統動態響應特性及噪聲抑制性能出發，希望直升機飛行操縱系統的幅相頻特性滿足以下要求：

（1）在目標頻率范圍內即飛行員可達到的操縱頻率范圍內，幅頻特性曲線應盡量平坦，以免操縱系統對飛行員的操縱響應有過大的失真或者超調。

（2）操縱系統通頻帶應該覆蓋飛行員的操縱頻率范圍，即需要保證對飛行員的操縱有必要的反應速度，且應該對超出飛行員的操縱頻率范圍的信號即噪聲擾動信號有一定的抑制作用。

（3）操縱系統的共振頻率點應落在飛行員操縱頻率范圍以外，且應在高頻處，以避免由飛行員的操縱誘發振蕩。

（4）在有效通頻帶內相位滯后應當盡量小一些，以保證操縱系統對輸入響應的靈敏度。

如圖5所示，系統幅頻特性曲線在分析目標頻率范圍0.3Hz～3Hz以內接近一水平線，幅值比以穩定的小斜率衰減，但高頻相對于基頻的衰減幅度不大（見表1中幅值比衰減數據），3Hz以后幅值比變化波動幅度增大，至3.4Hz附近達到最大值時，此時系統處于共振狀態，試驗現場可見槳葉擺動幅度急劇增大，機身隨之劇烈搖晃。圖5中相頻曲線為響應信號與激勵信號之間的相位差隨著信號頻率的變化圖線，相位滯后應在-180°～180°之間，對相位差數據做相應變換后相位滯后數據見表1，可知在分析目標低頻區0.3Hz～3Hz內相位滯后絕對值以穩定的斜率增大，即低頻區相位滯后較小，隨著輸入信號頻率增大，相位滯后逐步增大。

由數據分析可知該型機的操縱系統俯仰通道頻率特性滿足2.4節開頭提出的要求，設計合理。

3 結束語

本文所采用的掃頻響應試驗及處理分析方法能夠準確地反映直升機飛行操縱系統頻率特性，進而可以驗證操縱系統設計、制造、裝配的準確以及符合性，可用作評價直升機飛行操縱系統的系統動態響應特性和噪聲抑制性能的指標。

參考文獻：

[1]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2013，3.

[2]趙光宙.信號分析與處理[M].北京：機械工業出版社，2016，7.

[3]吳森堂，費玉華.飛行控制系統[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005，9.

[4]李紅，謝松法.復變函數與積分變換[M].北京：高等教育出版社，2013，11.

[5]邵建，董益亮.汽車操縱穩定性的頻率特性分析方法[C].北京：

2009中國汽車工程學會論文集，2009.