直升机旋翼平衡实时调整地面维护处理系统设计与实现_赵英梅.pdf

书书书计算机与控制系统测控技术2023 年第 42 卷第 1 期收稿日期:2022 02 28基金项目:民用飞机专项科研项目(MJ-2017-F-XX)引用格式:赵英梅，孙灿飞，彭德润，等 直升机旋翼平衡实时调整地面维护处理系统设计与实现 J 测控技术，2023，42(1):119 125ZHAO Y M，SUN C F，PENG D，et al Design and Implementation of In-Flight Tuning Ground Maintenance System for otorTrack and Balance Adjustment J Measurement Control Technology，2023，42(1):119 125直升机旋翼平衡实时调整地面维护处理系统设计与实现赵英梅1，孙灿飞1，2*，彭德润1，2，程攀1(1 航空工业上海航空测控技术研究所 智能控制产品部，上海201601;2 航空工业上海航空测控技术研究所 故障诊断与健康管理技术航空科技重点实验室，上海201601)摘要:为了开展直升机旋翼实时调整技术(In-Flight Tuning，IFT)研究和产品研制，开发了一套地面维护处理系统。它具有工作流程控制、数据采集与监测、在线实时调整、数据分析和健康监测功能。同时针对飞行系统数据传输稳定性、多种独立的业务数据同步问题，设计了一种基于时间的业务数据同步方法，并采用多线程技术优化数据处理。经旋翼塔试验验证，本系统软件运行稳定，实时调整方法能够有效降低旋翼系统振动。关键词:旋翼平衡实时调整;软件设计;旋翼塔试验;直升机中图分类号:V216文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)01 0119 07doi:10 19708/j ckjs 2022 05 264Design and Implementation of In-Flight Tuning Ground Maintenance SystemFor otor Track and Balance AdjustmentZHAO Ying-mei1，SUN Can-fei1，2*，PENG De-run1，2，CHENG Pan1(1 AVIC Shanghai Aero Measurement-Controlling esearch Institute，Shanghai 201601，China;2 Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Fault Diagnosis and Health Management，AVIC Shanghai AeroMeasurement-Controlling esearch Institute，Shanghai 201601，China)Abstract:In order to carry out the research and product development of in-flight tuning(IFT)for helicopter，aset of ground maintenance system is developed It features workflow control，data acquisition and monitoring，IFT，data analysis and health monitoring At the same time，to solve the problems of data transmission stabilityand variety of data synchronization in flight system，a time-based service data synchronization method is de-signed，the method uses multi-thread technology to improve the performance of the data processing and realizedata conversion and interaction The rotor tower test proves that the IFT ground maintenance system runs stablyand the real-time adjustment method can effectively reduce the rotor vibration level in helicopter flightKey words:IFT system;software design;rotor tower test;helicopter直升机振动水平是直升机先进性的重要标志1，由于材料老化、机械磨损、桨叶表面光滑度变差、飞行环境变化和日常维护等原因造成的直升机旋翼质量和锥体不平衡是引起直升机振动的重要来源之一2 3。面对直升机旋翼的不平衡，现有的解决方式是定期在地面对其进行平衡测量与调整。但这种维护方式受到911调整时间约束，并且地面调整方式可以调整的振动量有限，会影响直升机的舒适性和经济性4，制约了直升机的发展。针对这一问题，国内外开展了对直升机旋翼平衡实时调整技术的研究。国外如 Arnold 等采用调整变距拉杆降低振动的实时调整方法，对 CH-53G 直升机进行试验验证 5，试验结果说明在飞行中持续调整直升机旋翼平衡可以使其维持在较低的振动水平。国内旋翼动平衡调整主要是依据现有的技术，结合以往的经验在地面定期手动进行动平衡调整，如吴国宝等 6 7 提出了一种基于阶次跟踪的直升机旋翼动平衡测量方法，并进行了仿真试验台和试验机测试;张功虎等8 等结合直升机的振动规律和特点，提出了直升机旋翼动平衡检查调整方法，纪小苗等9 结合广义神经网络、粒子群算法和遗传算法，提出了一种基于不同调整目标的旋翼动平衡调整方法;赵小全等10 提出了一种基于试重法的直升机旋翼动平衡调整方法。国内对于飞行中的平衡调整技术仍处于理论研究阶段，如顾景轶11 进行的独立桨叶自适应控制的振动控制方法研究。旋翼平衡实时调整(In-Flight Tuning，IFT)技术可以有效提高直升机旋翼调整的效率，可以在飞行中降低直升机的振动水平，延长旋翼使用寿命，降低维护成本，具有巨大的经济和军事效益。因此，旋翼平衡实时调整技术的实现是我国直升机新技术向前迈进的重要一步。IFT 系统主要由振动传感器、转速传感器以及微型光学锥体测量传感器组成的旋翼系统状态信息获取单元、数据采集与处理单元(包括采集器、控制器)、智能变距拉杆、地面维护处理系统(含地面维护处理软件)等配套设备组成。地面维护处理系统是 IFT 系统地面的控制和显示中心，通过实时采集直升机旋翼系统的锥体、振动、转速信息处理获取系统振动水平和锥体状态，采用实时调整方法控制智能变距拉杆工作，最终降低系统振动水平，并控制锥体在目标范围内，实现飞行中实时调整直升机旋翼系统的平衡。1系统总体设计地面维护处理系统可以在飞行中实现数据采集、分析、预测诊断和维护保障建议等功能，系统由状态监视、信息处理、健康评估、预测、决策保障支持和通信功能组成。1 1系统需求分析根据旋翼平衡实时调整系统的需求分析，地面维护处理系统软件需要具备系统工作流程的控制、数据采集、分析处理和显示以及在线实时调整旋翼系统动平衡功能，包括:系统业务工作流程控制。根据实际应用系统的功能需求设计符合逻辑的工作流程。运行状态监测。实时监测旋翼系统锥体状态、振动状态、变距拉杆状态和拉杆控制状态，并且需要监测各类传感器的原始信号数据。健康监测。监测系统设备的电压、电流、温度，设备运行异常时快速告警。在线调整旋翼系统动平衡。在飞行中通过调整智能变距拉杆的位置降低旋翼系统的振动。数据存储和管理。保存全部原始信息、数据分析数据、健康监测及告警等数据，设计数据结构实现飞行中数据快速处理、转换、交互和保存功能。配置管理。参数和系统信息设置和管理。1 2总体架构设计地面维护处理系统的软件架构设计如图 1 所示。其中，数据库系统是地面维护软件的数据和知识库支撑。地面维护处理系统逻辑架构设计如图2 所示，主要图 1地面维护处理系统软件架构设计021测控技术 2023 年第 42 卷第 1 期分为用户显示层、应用服务层、应用数据层和基础设施层。图 2地面维护处理系统逻辑架构设计第 1 层为系统设备基础，是旋翼系统中安装的各类传感器、智能变距拉杆，以及数据采集设备(采集器和控制器)和通信基础设备。采集设备连接旋翼系统中的传感器，获取系统运行的振动数据和锥体数据，通过通信设备将数据传输至 IFT 地面维护软件。第 2 层为应用数据层，结合业务应用和系统数据特点设计数据库结构，实现飞行中数据的快速应用、转换和保存。第 3 层为应用服务层，根据 IFT 系统的业务需求，通过网口与第一层设备连接，经数据融合和综合分析，实现系统的业务工作流程控制、实时状态监测、旋翼系统平衡调整和数据综合分析的功能。最上层为用户显示层，该层为 IFT 地面维护应用系统软件客户端用户界面。1 3功能结构和流程设计系统的功能结构和工作流程分别如图 3 和图 4 所示。图 3地面维护处理系统功能结构图 4地面维护处理系统工作流程2软件设计与实现在线实时监测系统的数据稳定可靠传输是该系统的关键，在该系统中采用以下设计解决该问题。采集器和控制器设计 2 个独立的数据传输接口，故障时启用另一端口传输数据，保障数据传输的稳定性和完整性。网络传输数据时，考虑到实时监测系统传输的数据量大，通过计算数据满载时的数据量，最终采用用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP)通信。除了物理设备中设计独立的网口用作备用通信外，数据的发送端和接收端在设计中严格控制发送时序逻辑，根据需求对接收、处理和保存等过程设计相应的优先等级，处理内存数据缓存区的数据，显示输出优先级，完成数据稳定接收、保存和后续的分析。功能模块之间的数据接口如图 5 所示。图 5功能模块之间的数据接口121直升机旋翼平衡实时调整地面维护处理系统设计与实现2 1数据采集与监测数据采集与状态监测功能可以在飞行中持续监测系统的采集器、控制器数据，监测的内容包括采集器采集传感器的原始数据，控制器分析计算的旋翼系统的振动状态、锥体状态和智能变距拉杆状态数据。其中，采集器设备连接传感器，最大支持 12 个模拟通道和 8个数字通道;地面维护处理系统根据实时调整方法的计算结果控制智能变距拉杆，结合实时返回的系统当前的振动状态和锥体状态，直观显示实时调整方法的结果。运行状态界面实现效果如图 6 所示，图 6(a)为系统的控制页面和实时数据显示页面，包括系统业务流程控制、智能变距拉杆控制、在线调整平衡控制功能，以及实时振动的幅值、相位数、转速、锥体高度、锥体高度差和智能变距拉杆的位置数据;图 6(b)为控制器监测数据，是计算后的振动、转速、锥体数据和智能变距拉杆数据;图 6(c)为系统振动幅值/相位的变化趋势图，从图中振动趋势图可以看出经过调整后系统的振动明显降低。图 7 为采集状态界面实现效果图，图 7(a)和图 7(b)分别为振动通道和数字传感器通道的原始数据，图 7(a)中采用 3 种颜色表示 3 个振动通道波形，图 7(c)为经过数据同步后，同一时刻的振动、转速和数字传感器通道的原始数据曲线关系。图 6运行状态界面实现效果图 7采集状态界面实现效果2 2在线调整旋翼系统动平衡IFT 系统在线调整旋翼系统平衡采用基于数据驱动的智能变距拉杆控制设计。数据驱动的振动控制模型基于极坐标描述，通过将建模数据在复数域下运算和回归，表征各模量在极坐标系下的分布，并将其转换到实数域下矩阵保存。基于数据驱动的 IFT 调平方法结构包括以下内容。数据预处理。数据预处理是控制器处理系统的振动数据、锥体数据，经预处理输入至该方法。系统建模。建模是通