阅读说明：本技术 一种飞机操纵系统地面动态特性测试方法 (Method for testing ground dynamic characteristics of airplane control system ) 是由 侯世芳 徐坚 孙曦 张峰 杨博文 张振环 莫斌 刘旋 于 2020-05-09 设计创作，主要内容包括：本发明属于航空实验发展领域,公开了一种飞机操纵系统地面动态特性测试方法,操纵系统动态特性试验是评判飞机操纵系统特性的重要试验,试验方法的正确与否,决定着试验数据的可信度。本发明从工程应用的角度出发,给出具体可实施的试验条件、试验方法要求、试验原理及试验数据处理,对研究飞机操纵系统的稳定性及动态特性具有非常重要的意义。使工程设计人员能够直观的了解系统的动态特性,及时掌握系统的动态信息,是飞机研制及改进改型不可或缺的分析及验证手段。还可用于进行其他系统的动态特性研究,尤其是扫频控制及频域数据分析方法可用于进行其他相关系统的频率响应试验及进行相关的幅频、相频数据分析,来研究系统的动态特性。(The invention belongs to the field of aviation experimental development and discloses a method for testing the ground dynamic characteristics of an aircraft control system. From the perspective of engineering application, the invention provides specific practicable test conditions, test method requirements, test principles and test data processing, and has very important significance for researching the stability and dynamic characteristics of the aircraft control system. Engineering designers can visually know the dynamic characteristics of the system and timely master the dynamic information of the system, and the method is an indispensable analysis and verification means for aircraft development, improvement and modification. The method can be used for carrying out frequency response tests of other related systems and carrying out related amplitude-frequency and phase-frequency data analysis to research the dynamic characteristics of the system.)

一种飞机操纵系统地面动态特性测试方法

技术领域

本发明属于航空试验研究与发展领域，具体的说是关于一种飞机操纵系统地面动态特性测试方法、试验原理，频域数据处理方法。

背景技术

GJB185-86《有人驾驶飞机(固定翼)飞行品质》中第8.3条中提出了动态特性允许操纵面滞后的要求，并给出了对于驾驶员激励的阶跃操纵力输入，飞机的响应要求；不足之处是没有给出具体可实施的试验条件要求、试验方法、试验原理及试验数据处理。

《自动控制原理》中也只是介绍了瞬态响应的性能指标，以及频率特性常用的图形表示方法，如伯德图表示法等。不足之处是没有给出具体可实施的试验条件、试验方法要求、试验原理及试验数据处理，距离实际工程应用还有距离。

发明内容

操纵系统动态特性试验是评判飞机操纵系统特性的一项重要试验，因此试验方法的正确与否，直接决定着试验数据的可信度。本发明克服了现有技术中的不足，经过多次摸索，从工程应用的角度出发，提供了一种飞机操纵系统地面动态特性测试方法的试验条件要求、试验方法、试验原理、试验流程及频响数据的处理方法。

技术方案

一种飞机操纵系统地面动态特性测试方法

1)试验条件要求

试验需满足以下几个条件及要求：

e)试验必须是在与飞机1:1的真实铁鸟试验台上进行。

f)传感器测试系统正常工作，机械操纵系统正常工作，控制增稳系统正常工作，液压系统正常工作。升降舵、方向舵、副翼舵面均安装高精度角度传感器，所有传感器信号经调理后频响分析系统。

g)高精度的伺服加载系统(信号发生器)，由液压源提供能源，对系统施加激励信号。

h)频响分析系统，能够实时的对系统进行幅频及相频分析。

2)试验原理

频率响应试验时由动态分析系统给机械位移信号发生器提供外部指令信号，驱动信号发生器工作，并由机械信号发生器操纵驾驶杆、驾驶盘或脚蹬运动，在操纵系统运动过程中，由动态分析系统分别记录各测量点传感器的输出信号，并由此分析出舵面分别相对于驾驶杆、驾驶盘或脚蹬位移和驾驶杆、驾驶盘或脚蹬力的幅值衰减和相位滞后。试验原理图见图1。

3)扫频控制及频域数据分析

试验时激励信号采用正弦信号，控制系统的传递函数是复数，可分解为实部和虚部两部分，分别得到传递函数的幅频特性和相频特性。

试验时采用对数频率作为横坐标，幅频采用幅值作为线性纵坐标，相频是相角作为线性纵坐标，绘制系统的幅频和相频特性曲线，即为系统的对数频率特性曲线，也为伯德图。

d)扫频控制

扫频激励信号分为模拟激励和数字激励，主要是由扫频设备自身特性决定。模拟激励的频率是连续的，而数字激励是离散的、不连续的，计算方法为最高频率比最低频率得数取对数后再乘一个倍频程内的点数，得到频率点数。

e)幅频分析

根据每个频率点的激励时间，对各个测量的量(物理量或电压量)进行连续的数据采集，作各个测量量的均方根，按要求做对应的比值，取20lg，得到该频率点的幅频值。

f)相频分析

对于给定的激励频率，所对应的周期时间T是常数，对周期信号穿越均值有个时间，两个进行相关分析的信号必须是同步数据采集。计算时取激励频率周期的一半作为基准，等于相位180°。各测量信号穿越均值线的时间可以用临近正负点的线性插值得到，该点变化速率大容易捕捉，然后计算位移相对力信号的小于180°方向的时间t，超前取正滞后取负，取多个周期的相位时间进行平均能减小统计的误差，计算方法如下：

T为激励信号的周期时间，t为试验时间点，n为周期总数，i为周期个数，θ(ω)为相位角。

在步骤3中控制系统的传递函数里，分母是实部不会为零，因此传递函数的相频函数是不会突变的，由于相频分析受周期函数180°的限制，计算结果如果是从-170°跳变到165°时，这时应该是-195°，下几个点如果又跳到-170°，这表明系统有超前微分的环节，如果相频在180°附近跳跃突变时要与幅频特性结合在一起便可以确定其相频角度是滞后还是超前。

4)试验数据的读取

试验数据可通过实时频响分析软件进行读取。

步骤3中控制系统传递函数为：

y(s)为输出量的拉普拉斯变换，x(s)为输入量的拉普拉斯变换，G(s)为系统传递函数，s为复变量，ω为角频率，ω＝2πf，f为频率，j为虚数单位，a(ω)为实频特性，b(ω)为虚频特性。

步骤3中传递函数的幅频为：

G(ω)为幅频特性，a(ω)为实频特性，b(ω)为虚频特性。

步骤3中传递函数的相频为：

其中ω＝2πf，θ(ω)为相频特性。

在步骤3)里b步骤当中，若频响分析设备只能做电压的计算，不作设置时是取1V电压对应0dB作为基准，对应物理量的比值只计算该电压均方根的幅值值再相减，这样得到的幅频纵坐标分贝值要用传感器的标定系数进行转换。

如下：

设k₁为力的标定系数，k₂为位移的标定系数，F为力，w为位移，V₁为力幅值，V₂为位移幅值，则

V₁＝k₁F

V₂＝k₂w

测量得到幅频k(ω)的dB值，则有

由式(4)可得到

在步骤3)里b中，在整个测试试验中有时可能由于地干扰的问题，使得每次开始频率对应的分贝值有影响，从每次测量的试验曲线上可以看出。可以采用静态标定的办法确定初始频率对应分贝值，其余频率的值可通过衰减的分贝值进行计算得到。由于系统存在非线性，因此静态标定的状态要与试验所使用的激励状态一致，比如：试验用±20kgf，标定时需标定±20kgf，包括正负力形成的间隙和位移在内。

在步骤3里c)还可以利用联合时域分析方法进行信号的时频分析，观察信号频率的变化过程。为了使相频曲线便于分析，可对扫频数据进行相位修正处理。

在步骤3里a)中需要进行频率细分，工程上以一个十倍频程应设50个频率点，可取2到3个倍频程。因此，根据试验的扫频范围可计算出试验所用频率点数。

本发明发明还可以用于进行其他系统的动态特性研究，尤其是扫频控制及频域数据分析方法可用于进行其他相关系统的频率响应试验及进行相关的幅频、相频数据分析，来研究系统的动态特性。

技术效果

使工程设计人员能够直观的了解系统的动态特性，及时掌握系统的动态信息，是飞机研制及改进改型不可或缺的分析及验证手段。因此，此项试验所产生的经济效率是不可估量的。

附图说明

图1是操纵系统动态试验原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种飞机操纵系统地面动态特性测试方法

1)试验条件要求

试验需满足以下几个条件及要求：

a)试验必须是在与飞机1:1的真实铁鸟试验台上进行。

b)传感器测试系统正常工作，机械操纵系统正常工作，控制增稳系统正常工作，液压系统正常工作。升降舵、方向舵、副翼舵面均安装高精度角度传感器，所有传感器信号经调理后频响分析系统。

c)高精度的伺服加载系统(信号发生器)，由液压源提供能源，对系统施加激励信号。

d)频响分析系统，能够实时的对系统进行幅频及相频分析。

2)试验原理

频率响应试验时由动态分析系统给机械位移信号发生器提供外部指令信号，驱动信号发生器工作，并由机械信号发生器操纵驾驶杆、驾驶盘或脚蹬运动，在操纵系统运动过程中，由动态分析系统分别记录各测量点传感器的输出信号，并由此分析出舵面分别相对于驾驶杆、驾驶盘或脚蹬位移和驾驶杆、驾驶盘或脚蹬力的幅值衰减和相位滞后。试验原理图见图1。

3)扫频控制及频域数据分析

试验时激励信号采用正弦信号，控制系统的传递函数是复数，可分解为实部和虚部两部分，分别得到传递函数的幅频特性和相频特性。

试验时采用对数频率作为横坐标，幅频采用幅值作为线性纵坐标，相频是相角作为线性纵坐标，绘制系统的幅频和相频特性曲线，即为系统的对数频率特性曲线，也为伯德图。

g)扫频控制

扫频激励信号分为模拟激励和数字激励，主要是由扫频设备自身特性决定。模拟激励的频率是连续的，而数字激励是离散的、不连续的，计算方法为最高频率比最低频率得数取对数后再乘一个倍频程内的点数，得到频率点数。

h)幅频分析

根据每个频率点的激励时间，对各个测量的量(物理量或电压量)进行连续的数据采集，作各个测量量的均方根，按要求做对应的比值，取20lg，得到该频率点的幅频值。

i)相频分析

对于给定的激励频率，所对应的周期时间T是常数，对周期信号穿越均值有个时间，两个进行相关分析的信号必须是同步数据采集。计算时取激励频率周期的一半作为基准，等于相位180°。各测量信号穿越均值线的时间可以用临近正负点的线性插值得到，该点变化速率大容易捕捉，然后计算位移相对力信号的小于180°方向的时间t，超前取正滞后取负，取多个周期的相位时间进行平均能减小统计的误差，计算方法如下：

T为激励信号的周期时间，t为试验时间点，n为周期总数，i为周期个数，θ(ω)为相位角。

在步骤3中控制系统的传递函数里，分母是实部不会为零，因此传递函数的相频函数是不会突变的，由于相频分析受周期函数180°的限制，计算结果如果是从-170°跳变到165°时，这时应该是-195°，下几个点如果又跳到-170°，这表明系统有超前微分的环节，如果相频在180°附近跳跃突变时要与幅频特性结合在一起便可以确定其相频角度是滞后还是超前。

4)试验数据的读取

试验数据可通过实时频响分析软件进行读取。

步骤3中控制系统传递函数为：

y(s)为输出量的拉普拉斯变换，x(s)为输入量的拉普拉斯变换，G(s)为系统传递函数，s为复变量，ω为角频率，ω＝2πf，f为频率，j为虚数单位，a(ω)为实频特性，b(ω)为虚频特性。

步骤3中传递函数的幅频为：

G(ω)为幅频特性，a(ω)为实频特性，b(ω)为虚频特性。

步骤3中传递函数的相频为：

其中ω＝2πf，θ(ω)为相频特性。

在步骤3)里b步骤当中，若频响分析设备只能做电压的计算，不作设置时是取1V电压对应0dB作为基准，对应物理量的比值只计算该电压均方根的幅值值再相减，这样得到的幅频纵坐标分贝值要用传感器的标定系数进行转换。

如下：

设k₁为力的标定系数，k₂为位移的标定系数，F为力，w为位移，V₁为力幅值，V₂为位移幅值，则

V₁＝k₁F

V₂＝k₂w

测量得到幅频k(ω)的dB值，则有

由式(4)可得到

在步骤3)里b中，在整个测试试验中有时可能由于地干扰的问题，使得每次开始频率对应的分贝值有影响，从每次测量的试验曲线上可以看出。可以采用静态标定的办法确定初始频率对应分贝值，其余频率的值可通过衰减的分贝值进行计算得到。由于系统存在非线性，因此静态标定的状态要与试验所使用的激励状态一致，比如：试验用±20kgf，标定时需标定±20kgf，包括正负力形成的间隙和位移在内。

在步骤3里c)还可以利用联合时域分析方法进行信号的时频分析，观察信号频率的变化过程。为了使相频曲线便于分析，可对扫频数据进行相位修正处理。

在步骤3里a)中需要进行频率细分，工程上以一个十倍频程应设50个频率点，可取2到3个倍频程。因此，根据试验的扫频范围可计算出试验所用频率点数。

1、试验前准备

试验前，结合试验原理图，检查各参试系统，包括升降舵、副翼、方向舵舵面传感器的安装，机械系统检查，增稳系统工作状态；根据试验状态点，在试验器上设置增稳系统构型，使增稳系统根据构型选择控制率；频响分析系统检查；信号交联线路检查。

2、试验状态选定

如：用信号发生器在着力点处从中立位施加正弦位移信号，A＝A₀ sin(ωt)，A₀＝20mm，ω＝2πf，f＝0.1～1Hz，其中A为幅值，f为频率。分析输出对输入的幅频特性、相频特性。