直升机飞行操纵系统频率特性试验与分析方法

张吉

摘 要：直升机飞行操纵系统频率特性反映了正弦信号作用下系统响应的性能，是评价系统动态响应特性和噪声抑制性能的指标之一。由于直升机飞行操纵系统组成复杂、不同操纵控制通道之间存在耦合，因此难以通过理论分析方法获得系统精准的动态响应特性，而通过试验法可以获得系统真实准确的频率特性参数。现行试验方法为扫频响应分析法，通过分析该试验方法下获得的试验数据能够直观、精确地反映直升机飞行操纵系统的频率特性。

关键词：飞行操纵系统；频率特性；动态响应特性；扫频响应分析

中圖分类号：V275.1 文献标志码：A 文章编号：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

在测试直升机飞行操纵系统频率特性的试验中，在各操纵通道的驾驶杆处施加一系列不同频率的正弦信号，观察并记录响应输出端的主桨/尾桨舵机或者主/尾桨叶的响应位移，通过对比计算响应位移和输入信号之间的关系就能获得直升机飞行操纵系统的频率特性。

对于稳定的线性定常系统，输入正弦激励产生的输出稳态分量仍然是与输入同频率的正弦函数，输出与输入的幅值比A（？棕）为幅频特性，相位差？椎（？棕）为相频特性，两者均是输入信号角频率？棕的函数，其指数表达式为：

称上述指数表达形式为系统的频率特性。

通过试验方法采集的输入与输出信号都是离散信号，难以计算出具体的指数表达式，因此通过快速傅里叶变换法（FFT）直接获得幅频及相频曲线，进而通过曲线计算相应的特性数值。

2 频率特性测量及数据处理分析方法

2.1 频率特性测试方法简介

直升机四个操纵通道为：俯仰（驾驶杆纵向）、横滚（驾驶杆横向）、总距（总距杆）以及航向（脚蹬），下面以航向通道频率特性测试为例简述试验方法。试验开始前在被测通道驾驶杆处加装正弦信号发生器及位移传感器，在响应输出端加装位移传感器，具体安装方式如图1、图2所示：

信号发生器产生正弦输入信号为：

2.2 数据处理方法

通过数据采集系统采集的试验数据是时域范围内的离散量，想要获得系统的频率特性，需要将采集的时域离散信号变换为频域离散信号，变换方法称为离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transformation，DFT）。进行N个数据点的时域离散信号DFT计算时所做的复数乘法和复数加法次数都与N2成正比，因此试验数据处理采用离散傅里叶变换（DFT）的快速算法，即快速傅里叶变换（Fast Fourier Transformation，FFT）。

对于N点有限长时域离散信号x（n）的DFT变换式为：

2.3 扫频响应测试分析方法应用实例

以某型号飞行操纵系统频率特性试验为例，上文中描述的FFT变换方法，在MATLAB中可以直接调用，因此运用MATLAB软件编程进行试验数据的批处理与分析。

试验（俯仰通道）输入信号与输出信号如图3、图4所示。

进行FFT变换后信号组成频率范围在0～500Hz，只选取分析目标频率范围0～3.5Hz，变换后的信号按照式9～15进行计算得到对数频率特性曲线如图5所示。

现行的试验分析以0.3Hz频率点附近作为激励响应初始频率即基频，通过计算3Hz处相对于初始频率处系统的幅值比衰减，并结合输入与输出信号的幅值比、相位差以评价系统的频率特性是否符合设计要求，上述俯仰通道的频率特性计算数据如表1所示。

2.4 基于试验数据的飞行操纵系统频率特性评价方法

直升机飞行操纵系统的频率特性反映了飞行员以不同频率进行飞行操纵时，操纵系统对不同频率操纵输入的反映与执行程度。从操纵系统动态响应特性及噪声抑制性能出发，希望直升机飞行操纵系统的幅相频特性满足以下要求：

（1）在目标频率范围内即飞行员可达到的操纵频率范围内，幅频特性曲线应尽量平坦，以免操纵系统对飞行员的操纵响应有过大的失真或者超调。

（2）操纵系统通频带应该覆盖飞行员的操纵频率范围，即需要保证对飞行员的操纵有必要的反应速度，且应该对超出飞行员的操纵频率范围的信号即噪声扰动信号有一定的抑制作用。

（3）操纵系统的共振频率点应落在飞行员操纵频率范围以外，且应在高频处，以避免由飞行员的操纵诱发振荡。

（4）在有效通频带内相位滞后应当尽量小一些，以保证操纵系统对输入响应的灵敏度。

如图5所示，系统幅频特性曲线在分析目标频率范围0.3Hz～3Hz以内接近一水平线，幅值比以稳定的小斜率衰减，但高频相对于基频的衰减幅度不大（见表1中幅值比衰减数据），3Hz以后幅值比变化波动幅度增大，至3.4Hz附近达到最大值时，此时系统处于共振状态，试验现场可见桨叶摆动幅度急剧增大，机身随之剧烈摇晃。图5中相频曲线为响应信号与激励信号之间的相位差随着信号频率的变化图线，相位滞后应在-180°～180°之间，对相位差数据做相应变换后相位滞后数据见表1，可知在分析目标低频区0.3Hz～3Hz内相位滞后绝对值以稳定的斜率增大，即低频区相位滞后较小，随着输入信号频率增大，相位滞后逐步增大。

由数据分析可知该型机的操纵系统俯仰通道频率特性满足2.4节开头提出的要求，设计合理。

3 结束语

本文所采用的扫频响应试验及处理分析方法能够准确地反映直升机飞行操纵系统频率特性，进而可以验证操纵系统设计、制造、装配的准确以及符合性，可用作评价直升机飞行操纵系统的系统动态响应特性和噪声抑制性能的指标。

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