直升机旋翼多点协调加载计算机控制系统
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摘要
对于直升机来说，旋翼操纵控制是其关键技术之一，对旋翼进行地面加载试验，模拟旋翼在飞行过程中所受的气动载荷，对于研究和改进直升机飞行控制系统非常重要。论文结合实际的工程项目，以某型号直升机旋翼气动载荷模拟为研究内容，对加载计算机控制系统的组成、系统数学模型进行分析和研究。同时，论文探讨了协调加载控制系统的主要技术问题，如多余力、多通道相位协调和频率漂移的控制等，并给出了系统实现的细节。
论文在介绍直升机旋翼气动力模拟加载系统的基础上，分析了加载系统的结构，建立了整个加载系统的数学模型。加载系统最为关键、也是最难解决的问题就是如何减小多余力，这也是评价加载系统品质的一个重要的指标，因此，如何通过控制策略来减小多余力是本文主要考虑的问题。论文从控制系统的结构方面，利用结构不变性原理，针对位置扰动设计专门的前馈补偿控制器，减小位置扰动的影响。同时，结合反馈控制，获取良好的跟踪性能。利用Matlab软件对系统进行了数字仿真，从仿真结果看，该方法能有效的抑制加载系统的多余力。最后，从硬件和软件两个方面介绍了整个计算机控制系统的实现，论述了整个加载系统控制律的软件实现，加载系统中的信号处理，以及协调加载中的其它技术问题和解决方案，并对系统在实际调试过程中出现的问题以及解决方法做了介绍。
目前，论文的研究成果已经成功地应用在某型直升机旋翼载荷模拟加载试验系统中，实际加载试验表明，该加载控制系统能很好的完成加载试验控制，保证系统的控制性能指标。
To a helicopter, one of the key technologies is how to control the airscrew. So it is very important to simulate aerodynamic loads acting on the helicopter's airscrew when the helicopter is flying in the air. It affords datum, which are contributed to the use of new flight vehicle. A distributed computer control system which is used in an helicopter airscrew multi-channel harmony loading test project is introduced in this paper. The paper analyses the construct and the model of the system. The technical noduses of the harmony loading system, such as multi-channel signal synchroniza -tion, signal phase modulating and frequency excursion control are discussed. The key steps and actualization details are also provided.
First, a global review on the helicopter airscrew multi-channel harmony loading control system is introduced. Then on the basis of its working principle, a mathematical model of the system is constructed.
Redundant force, which is produced through position disturbance, is the most important problem facing aerodynamic loading system. So how to minish the redundant force by selecting proper control strategy is a main aspect discussed in this paper. By applying the structure invariant theory in the control strategy, the feedforward-feedback control theory is applied in the control system design to reduce the redundant force. Related simulations are illustrated in Matlab and the results were satisfactory.
Finally, the realization of the hole system is discussed, include the hardware and software. The digital signal processing and the technology of phase harmony are also provided. Problems appearing at work and tackling methods are both presented.
Recently, the research result has been applied to the helicopter airscrew harmony loading test. The results of harmony loading test show that it has high performance.
论文在介绍直升机旋翼气动力模拟加载系统的基础上，分析了加载系统的结构，建立了整个加载系统的数学模型。加载系统最为关键、也是最难解决的问题就是如何减小多余力，这也是评价加载系统品质的一个重要的指标，因此，如何通过控制策略来减小多余力是本文主要考虑的问题。论文从控制系统的结构方面，利用结构不变性原理，针对位置扰动设计专门的前馈补偿控制器，减小位置扰动的影响。同时，结合反馈控制，获取良好的跟踪性能。利用Matlab软件对系统进行了数字仿真，从仿真结果看，该方法能有效的抑制加载系统的多余力。最后，从硬件和软件两个方面介绍了整个计算机控制系统的实现，论述了整个加载系统控制律的软件实现，加载系统中的信号处理，以及协调加载中的其它技术问题和解决方案，并对系统在实际调试过程中出现的问题以及解决方法做了介绍。
目前，论文的研究成果已经成功地应用在某型直升机旋翼载荷模拟加载试验系统中，实际加载试验表明，该加载控制系统能很好的完成加载试验控制，保证系统的控制性能指标。
To a helicopter, one of the key technologies is how to control the airscrew. So it is very important to simulate aerodynamic loads acting on the helicopter's airscrew when the helicopter is flying in the air. It affords datum, which are contributed to the use of new flight vehicle. A distributed computer control system which is used in an helicopter airscrew multi-channel harmony loading test project is introduced in this paper. The paper analyses the construct and the model of the system. The technical noduses of the harmony loading system, such as multi-channel signal synchroniza -tion, signal phase modulating and frequency excursion control are discussed. The key steps and actualization details are also provided.
First, a global review on the helicopter airscrew multi-channel harmony loading control system is introduced. Then on the basis of its working principle, a mathematical model of the system is constructed.
Redundant force, which is produced through position disturbance, is the most important problem facing aerodynamic loading system. So how to minish the redundant force by selecting proper control strategy is a main aspect discussed in this paper. By applying the structure invariant theory in the control strategy, the feedforward-feedback control theory is applied in the control system design to reduce the redundant force. Related simulations are illustrated in Matlab and the results were satisfactory.
Finally, the realization of the hole system is discussed, include the hardware and software. The digital signal processing and the technology of phase harmony are also provided. Problems appearing at work and tackling methods are both presented.
Recently, the research result has been applied to the helicopter airscrew harmony loading test. The results of harmony loading test show that it has high performance.
引文
【1】 M. Farsi, K. Ratcliff and Manuel Barbosa. An overview of controller area network. Computing & Control Engineering Journal, 1999(6): 113-120
【2】 T.-L. Chern, Y.- C. Wu. Design of integral variable structure controller and application to electrohydraulic velocity servo systems. IEE Proceedings-D, 1991(5): 439-444
【3】 Prof. M. G. Rodd. Engineering real-time systems. IEE Computing & Control Engineering Journal, 1995 (10): 233-240
【4】 R. H. Newman. A strategy for monitoring and control systems at major treatment works, IEE Computing & Control Engineering Journal, 1995(8): 185-192
【5】 Udo Enste and Felix Uecker. Use of supervisory information in process control. Computing & Control Engineering Journal, 2000(10): 234-241
【6】 T. L. Hslen, Y. Y. Sun, M. C. Tsai and S. J. Huang. Robust servo control system design for two flexibly linked masses. Control Eng. Practice, 1997(7): 951-961
【7】 Andrew Alleyne, Rui Liu. A simplified approach to force control for electro-hydraulic systems. Control Engineering Practice 2000 (8) :1347-1356
【8】 Yoonsu Nam, Sung Kyung Hong. Force control system design for aerodynamic load simulator. Control Engineering Practice, 2002(10): 549-558.
【9】 Hiroshi Fujimoto, Yoichi Hori. High-performance servo systems based on multirate sampling control. Control Engineering Practice, 2002(10): 773-781
【10】 Robert Lewis. Design of distributed control systems in the next millennium. Computing & Control Engineering Journal, 1997(8): 148-152
【11】 周雪琴、安锦文．计算机控制系统．西北工业大学出版社，1994年
【12】 薛定宇．控制系统计算机辅助设计．清华大学出版社，1996年
【13】 王占林．液压伺服控制．北京航空学院出版社，1987年
【14】 王占林．近代液压控制．机械工业出版社，1997年
【15】 胡广书．数字信号处理．清华大学出版社，1997年
【16】 王顺晃．实时处理与控制． 中国科学技术出版社，1991年
【17】 胡寿松． 自动控制原理． 国防工业出版社，1996年
【18】 程卫国、冯峰等．MATLAB5．3应用指南．人民邮电出版社，1999年
【19】 陈桂明．应用MATLAB建模与仿真．科学出版社，2001年
【20】 施阳等． MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK ．西北工业大学出版社，1997年
【21】 谭浩强．C程序设计．清华大学出版社，1991年
【22】 黄勇． 电液伺服加载系统的研究与设计．西北工业大学硕士论文，2002
【23】 徐鹏国．直升机桨叶助力器加载系统的研究．西北工业大学硕士论文，2003
【24】 高翔，朱芸等． 电液伺服系统的建模与仿真研究．海军工程学院学报，1999(4)：87—92
【25】 葛思擎，袁朝辉等．消除电液伺服加载系统多余力的有效方法—速度补偿法．机床与液压，1997(3)：19-21
【26】 袁朝辉，吴娟等．直升机主桨助力器试验加载装置设计．液压与气动，2003(2)：3—5
【27】 江加和，喻统武等．电液伺服加载系统数字控制的研究．北京航空航天大学学报，2000(3)：318—320
【28】 陈维芹，梅卫胜．直升机旋翼模型气动与动力学特性试验的测试与采集处理方法研究．测控技术，2002(3)：51-53
【29】 裴忠才，王占林等． 电液负载仿真台加载系统的校正与综合．机床与液压，2000(3)：18-19
【30】 姜佩东，苏东海等．被动式加载系统多余力分析．沈阳工业大学学报，2000(3)：187—189
【31】 田巨，庞大海．飞机操纵系统负载模拟器的设计和校正方法．中国民航飞行学院学报，2001(1)：23—25
【32】 姜勇，王莉娜等．计算机控制系统高精度定时的实现．计算机应用，2000(9) ：79—80
【33】 刘旺开．微机控制多点协调加载系统软件设计．微计算机信息，1996(5) ：23—26
【34】 李运华． 负载模拟器的多余力矩的抑制方法研究． 机床与液压，1999(2) ：27—29
【35】 苏永清，黄献龙等． 国内电液负载仿真台研究与发展现状．机床与液压，1999(2)：17—19
【36】 郭光明等．数字PID的设计与调试．机电一体化，2001(4)：69—71
【37】 张玉珊等．过程计算机控制系统中的软件滤波对策．河南师范大学学报(自然科学版)，2001(3)：69-72
【38】 白秀体．微机控制液压伺服加载系统．测控技术，1994(3)：13-16
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