基于MATLAB的旋转旋翼动特性试验数据后处理

高建秀

摘 要：本文介绍了旋转旋翼动特性试验数据后处理方法与软件。基于旋翼旋转状态动特性的试验原理与试验数据处理方法，提出了数据处理软件的设计思路。结合MATLAB的设计方法，对软件进行了编写与调试。结果证明，数据处理软件能够实现既定功能。

关键词：旋转动特性试验；MATLAB GUI设计；试验数据处理

Abstract：The data post-processing method and program of rotating rotor dynamic test contents on whirl tower are introduced.Based on the test principle and data processing method，the data processing program design is proposed.The procedure is compiled and debugged using MATLAB GUI design method.Results show that the data processing program can realize the required function.

Keywords：the rotating rotor dynamic test；MATLAB GUI design；The processing of experimental data

中图分类号：V211.52 文献标志码：A

0 引言

直升机旋翼的动特性是指旋翼在不同转速及不同整体运动模态下的挥舞、摆振、扭转固有振频和振型。动特性试验目的在于测量旋翼在各种转速和总距组合状态下的模态频率和振型。

旋转动特性试验采用液压激振作动筒激振自动倾斜器不动环，作动筒激励采取阶梯式正弦周期激励，桨叶应变和相关传感器信号为稳态正弦响应。对采集得到的集合型和周期型桨叶应变信号和相关传感器信号进行激励周期数整周期平均，并对结果进行傅立叶一阶谐波分析，得出幅频响应曲线和相频响应曲线。

在试验数据后处理中，得出幅频响应曲线和相频响应曲线仅是第一步。从包括众多桨叶应变、阻尼器位移和力、小拉杆载荷、旋翼轴扭矩和作动筒位移等信息的幅频响应曲线和相频响应曲线中得出挥舞、摆振和扭转等固有频率和振型，还需进行试验数据后处理。

试验得到的数据，往往在几十兆以上，数据量非常大。由于数据后处理原理复杂，此项工作原来一直由人工进行。这就造成进行此项工作将耗费人员很大的精力与时间。在数据后处理中很大一部分的工作是对需用数据的选取与各个剖面的各种可能峰值点进行比对，此两部分由人工进行时，需频繁地进行界面间的切换与数值对比，工作烦琐而重复。如果有软件对需用数据进行自动化选取，将可能峰值点在一个界面中显示，将极大地减少人工的工作量。

1 旋转动特性试验数据后处理原理

动特性试验数据处理是将众多的数据处理方法综合在一起，进行比证和综合分析，从而得到准确可靠权威的试验结果的方法。数据的后处理，要在保证试验采集数据不失真的前提下进行。

原试验数据后处理步骤如下：在某一试验状态数据中，首先根据试验幅频响应和相频响应数据进行同类别整理，采用Excel宏处理，画出各个桨叶剖面和相关信号的幅频响应和相频响应曲线。然后记录该状态下的每个剖面所有可能的峰值点，合并相同频率下的不同剖面的峰值点。再根据合并后的峰值点，查询并记录幅频响应和相频响应数据，画出振型和相位关系，进行判断此峰值点是否符合原理要求。根据台体干扰频率、气动力谐波项，采用排除法、耦合效应法排除一部分频率。所有的试验状态都需要重复相似的过程。最后根据不同转速情况，得出固有频率和转速的趋势，根据趋势分析法确定准确可靠权威的试验结果。

处理过程中，由于需反复比对同状态下不同剖面的幅频曲线和相频曲线，并人工进行记录，比对与合并过程中的数据。选取过程的工作中绝大部分工作由人工完成，耗时耗力。原试验数据后处理流程图如图1所示。

为了提高工作效率、降低工作强度、减少人为出错、增强数据管理，以MATLAB软件为开发环境，利用图形化编程接口（GUI）开发工具箱开发了旋转旋翼动特性试验数据处理软件。要求该软件能对采集数据中需观测的量进行读取，图形化显示，并选取峰值点。利用极坐标显示该峰值频率点的相位，观测其是否符合共线性，从而辅助判斷该频率点是否为所需的峰值点。此举未对试验数据造成修改，极大地保证了试验数据的不失真；利用图形化显示，并在图形上进行峰值点的选取与识别，直接而有效地提高工作效率，节省时间。

2 试验数据处理软件设计思路

动特性试验后产生的数据主要有两种文件形式：记录试验采集数据的txt文件，记录配置表与频率点的txt文件。前者由试验采集而来，后者为按照需观测的要求进行编写（人工和软件编写均可）。配置表文件，记录要观测的剖面幅值与相位信息。频率点文件，记录要观测的频率点。

试验数据后处理软件要求能够根据使用者的意愿，对观测数据进行调整，便于实际操作。能够实现对挥舞、摆振和扭转的数据分别或是集中进行处理。能够选择对一个或是多个剖面下，指定频率点的试验采集的应变量进行观测。能够在图形坐标界面下，通过鼠标或是按键的命令实现一个剖面下的数据选取，并读取与显示相应频率点在其他剖面的坐标与坐标值，实现对各个界面的峰值点的选取与识别。图2选取峰值点时，根据相位共线性等特性，来确定此峰值点是否是要寻找的频率点。软件中，需要人工进行的部分有编写频率点文件与图形化选点。软件设计流程图如图2所示。

试验数据处理软件的设计思路分为3步：

（1）读取试验文件，取得观测数据。读取配置表文件，试验数据文件和频率点文件。对读取文件的硬盘位置进行存储，读取各个剖面幅值与相位值在试验数据文件中的具体位置。将选取的频率点和选取的变量（幅值名或相位名），在各个剖面下的试验数据依次写入新的文件内。对此文件进行存储，便于软件的检测与后续数据核对。

（2）读取测试数据。读取上一步形成的文件内的幅值名与相位名下的数值，分别存入变量中。

（3）将各个剖面的幅值与相位进行图形化显示。其中，幅值利用直角坐标系显示，相位利用极坐标显示。利用鼠标或键盘来实现坐标上的峰值点的选取与界面的更新。

数据处理的思路要求明确，软件编写要有一定的可读性和可更改性，方便后续的软件改进与开发。软件的输入文件要与实际试验的输出文件格式相匹配，尽量地减少不必要的工作量；软件的输出文件，即数据处理后的文件的数据存储应方便他人阅读与理解为目的。

3 软件运行

根据试验数据软件的设计思路，结合MATLAB GUI设计方法，编写开发软件，以某旋转旋翼动特性试验的摆振面试验数据为例。软件运行后，图形界面显示如图3所示。

图3中，左边的6个直角坐标系显示为幅值剖面的变量值，右下角的一个极坐标显示为相位剖面的变量值。在图形界面中，选取某个剖面上的某个频率点，该坐标系中的该点变为红色，同时显示界面坐标（图中“（3.55，0.0058）”）和备注坐标（图中“x和y的坐标值：x=3.55 y=0.0058”）。其他直角坐标系中，相对应频率点的幅值量自动变为红色，显示对应的界面坐标。极坐标图中，显示6个剖面中该频率点的相位值。在图形界面中，也可选择多个频率点进行观测，软件剖面如图4所示。图3与图4中，备注坐标所在的坐标系，即为操作时选取点的坐标系。图中可看出，界面坐标的显示效果可根据客户的要求进行更改（左侧上下两图）。在操作时，在坐标系内，单击鼠标左键即可实现对于坐标点的选取；双击鼠标左键可实现整个界面的清理，进行坐标的重新选取；单击鼠标中键能够实现对本次操作的放弃，恢复至上次操作时的界面。

结语

旋翼旋转动特性试验是一项技术难度高、风险大的综合试验。对其试验数据的后处理，能够简化试验处理过程，提高工作效率。在型号试验中，已验证本软件能够节省大量的时间与人力。形成的处理文件，可为试验原始数据核实，也为后续处理提供依据与指导。本文中的软件设计，能够实现预计的功能，但仍有需改进的方面。如，对应点的振型显示，幅频曲线与相频曲线的分界面显示等。在日后的工作与学习中，以本软件为基础，征求使用意见，进行下一步的更新与优化，以便更好地应用于旋转旋翼动特性试验数据后处理。

参考文献

[1]尹春望，李开成，张弹琴.直升机旋转旋翼动力学综合试验技术发展现状[C]//.第28届直升机年会，2012.

[2]尹春望.直升机动部件综合系统动力特性试验关键技术[C]//.21届直升机年会，2005.

[3]刘焕进，王辉，李鹏，等.MATLAB N个实用技巧[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

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