本发明属于直升机模型旋翼试验技术领域，具体涉及一种旋翼试验台动平衡调整相位识别方法。
背景技术
模型试验台动平衡调整是进行模型旋翼试验前必须进行的工作，只有将试验台的动平衡调整到理想状态，才能进行后续科目的试验。
目前国内外都是采用采集固定时间长度振动信号进行频谱分析得到动平衡调整所需相位的方式进行模型试验台动平衡调整，该方法需要比较长的数据采集时间，同时受采样时间长度的限制计算出来的基准频率的精度误差较大，造成对选择的基准频率对应相位与实际相位值偏差较大，从而使得试验台动平衡调整效率较低。
技术实现要素：
本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提出了一种旋翼试验台动平衡调整相位识别方法，通过对采集得到的旋翼模型试验台振动信号进行整周期截取，然后对截取得到的多个周期的数据进行阶次分析，可快速得到高精度的基准频率对应的相位，该方法不仅可快速得到需要进行调整的动平衡相位，同时可以自适应各种不同转速的旋翼模型试验动平衡调整需要。
本发明的技术方案：一种旋翼试验台动平衡调整相位识别方法，适用于整周期阶次分析的旋翼模型试验，包括以下步骤：
步骤一、根据旋翼桨叶片数n、试验转速speed、可分辨的最小相位角p0以及百分比误差转速rt，按以下公式计算采样频率fn：
fn＝max{(int(speed×n×6/(p0×1000))+1)×1000，(int(1250/(rt×30000))+1)×1000}
其中，int为向下取整数，max为从括号中的两个数中取最大的数；
步骤二、对旋翼台的升转速状态下的转速信号和振动信号进行同步采集；
将旋翼台的转速信号和振动信号同时接入具有同步采集功能的数据采集系统中，所述数据采集系统中设置有采样频率fn；
将试验台运转到试验任务书规定的试验转速speed，然后进行总距递增操纵到待进行动平衡调整的总距；
待试验状态稳定后，基于数据采集系统设置的采样频率fn获取转速数据数组[spa1,spa2,…,spax]和振动数据数[vi1,vi2,…,vix]；
其中，x为采样点个数；
步骤三、对转速数据数组中存在的转速峰值进行位置搜索；
a)、将采集得到的转速数据数组中的数值取绝对值；
b)、设置一个转速峰值阈值psp，利用该阈值psp对转速数据数组[spa1,spa2,…,spax]进行峰值搜索；
c)、当搜索完转速数据后，可得到一组峰值位置数组[la1,la2,…,lay]；
其中y为峰值位置个数或者转速和振动信号的圈数；
步骤四、利用步骤三获得的峰值位置进行整周期振动信号截取；
d)、利用峰值位置数组[la1,la2,…,lay]计算得到y-1个峰值起点数组[la1,la2,…,la(y-1)]和对应数据长度数[la2-la1,la3-la2,…,lay-la(y-1)]；
e)、利用计算得到的峰值起点数组和数据长度数组，将振动数据数组[vi1,vi2,…,vix]截取成y-1个整圈振动数据数组[vi11,vi12,…vi0(la2-la1)]、[vi21,vi22,…vi2(la2-la1)]、…[vi(y-1)1,vi(y-2)2,…vi(y-2)(lay-la(y-1))]，并分别计算y-1个整圈振动数据数组对应的基准频率fb：
fb(y-1)＝fn/(lay-la(y-1))
步骤五、对截取的整周期振动信号阶次分析；
利用计算得到基准频率fb0、fb1、…fb(y-1)分别对其对应的y-1个整圈振动数据数组进行fft频谱分析，从而得到y-1圈的阶次幅值数及阶次相位数据；
步骤六、对旋翼模型试验台动平衡调整相位进行识别判断；
选取第一阶的y-1个幅值组成幅值数组和y-1个相位组成相位数组；
按大小进行排序得到一组排序后的排序幅值数组[an0,an1,…an9]以及该排序位置对应的排序相位数组[pn0,pn1,…pn(n-1)]；
从排序幅值数组中取中间n-4个值进行平均得到平均幅值at＝(an2+an3+an4+an5+…+a(n-3)+a(n-2))/(n-4)，
取相位数组[pn0,pn1,…pn(n-1)]中间n-4个值进行平均得到平均相位pt＝(pn2+pn3+pn4+pn5+…+p(n-3)+p(n-2))/(n-4)；
若平均幅值at大于设定的振动值，则需要进行动平衡调整，而需要增加配重片的相位位置为pt+180。
优选地，所述步骤三中，首先将转速数据数组[spa1,spa2,…,spax]从当前搜索位置取出奇数t(t≥3)个点，
若这t个点都比阈值psp大，而且前(t-1)/2个点逐渐增大，同时后(t-1)/2个点逐渐减小，则这段转速数据中的第(t-1)/2+1个点的位置既为一个峰值点；
其次记录下该峰值点在转速数据数组[spa1,spa2,…,spax]中的位置，同时将当前搜索位置往后跳过s(s≥t)个数据点，重复第1步；否则将搜索位置从当前位置往后移动1个位置，重复上述步骤。
优选地，所述步骤二中，待试验状态稳定后，基于数据采集系统设置的采样频率fn获取至少10圈的转速数据数组[spa1,spa2,…,spax]和振动数据数[vi1,vi2,…,vix]。
本发明技术方案的有益效果：本发明通过对采集得到的旋翼模型试验台振动信号进行整周期(即整圈)截取，然后对截取得到的多个周期的数据进行阶次分析，可快速得到高精度的基准频率对应的相位，即动平衡调整相位。该方法不仅可快速得到需要进行调整的动平衡相位，同时可以自适应各种不同转速的旋翼模型试验动平衡调整需要。
附图说明
图1为本发明旋翼试验台动平衡调整相位识别方法的一优选实施例的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1所示，本发明一种旋翼试验台动平衡调整相位识别方法，适用于整周期阶次分析的旋翼模型试验，包括以下步骤：
1)采样频率计算
根据旋翼桨叶片数n(单位：片)、试验转速speed(单位：转/分钟)、可分辨的最小相位角p0(单位：度)以及百分比误差转速rt(单位：百分比％)，按以下公式计算采样频率fn(单位：采样点数/秒)：
fn＝max{(int(speed×n×6/(p0×1000))+1)×1000，(int(1250/(rt×30000))+1)×1000}(1)
其中，int()为向下取整数，max{}为从括号中的两个数中取最大的数。
2)转速和振动同步采集
将转速信号和振动信号同时接入具有同步采集功能的数据采集系统中，通电预热30分钟。将试验台运转到试验任务书规定的试验转速speed，然后进行总距递增操纵到待进行动平衡调整的总距。等待10秒钟待试验状态稳定后，按(1)中计算的结果设置采样频率，然后采集至少n圈(n≥10)的转速数据数组[spa1,spa2,…,spax]和振动数据数组[vi1,vi2,…,vix]，x为采样点的个数。
3)转速峰值位置搜索
将采集到的n圈的转速数据的数值取绝对值得到新的绝对值转速数据数组[spb1,spb2,…,spbx]；
设置一个转速峰值阈值psp，利用该阈值psp对转速数据数组[spa1,spa2,…,spax]进行峰值搜索，搜索步骤如下：
第1步，将转速数据数组[spa1,spa2,…,spax]从当前搜索位置(起始搜索为第一个数据点spa1)取出奇数t(t≥3)个点，如果这t个点都比阈值psp大，而且前(t-1)/2个点逐渐增大，同时后(t-1)/2个点逐渐减小，则这段转速数据中的第(t-1)/2+1个点的位置既为一个峰值点；
第2步，如果找到峰值点，则记录下该峰值点在转速数据数组[spa1,spa2,…,spax]中的位置，同时将当前搜索位置往后跳过s(s≥t)个数据点，重复第1步；否则将搜索位置从当前位置往后移动1个位置，重复第1步；
第3步，当搜索完转速数据后，如果找到的峰值位置个数大于n个时，则需要将转速峰值阀值的数值增大(新的转速峰值阀值＝原转速峰值阀值×110％)，然后将当前搜索位置设置为第一个数据点spa1，重复步骤1到步骤3；如果找到的峰值位置个数小于n个时，则需要将转速峰值阀值的数值减小(新的转速峰值阀值＝原转速峰值阀值×90％)，然后将当前搜索位置设置为第一个数据点spa1，重复步骤1到步骤3；如果找到的峰值位置个数等于n个时，则结束本次搜索，及峰值位置数组[la0,la1,…,la10]。
4)整周期振动信号截取
利用峰值位置数组[la0,la1,…,la10]计算得到10个峰值起点数组[la0,la2,…,la9]和对应数据长度数组[la1-la0,la2-la1,…,la10-la9]；
利用计算得到的峰值起点数组和数据长度数组，将振动数据数组[vi1,vi2,…,vix]截取成n-1个整圈振动数据数组[vi01,vi02,…vi0(la1-la0)]、[vi11,vi12,…vi1(la2-la1)]、…[vi91,vi(n-1)2,…vi(n-1)(la10-la9)]。同时分别计算得到n-1个整圈振动数据数组对应的基准频率fb0、fb1、…fb(n-1),其计算公式如下：
fb0＝fn/(la1-la0),fb2＝fn/(la2-la1)，…fb(n-1)＝fn/(lan-la(n-1))
5)整周期振动信号阶次分析
利用计算得到基准频率fb0、fb1、…fb(n-1)分别对其对应的n-1个整圈振动数据数组进行fft频谱分析。由于数据已经在之前截取成整圈的数据，这里的频谱分析就是阶次分析，从而得到n-1圈的阶次幅值数组[am01,am02,…am0((la1-la0)/2)]、[am11,am12,…am1((la2-la1)/2)]、…[am(n-1)1,am(n-1)2,…am(n-1)((lan-la(n-1))/2)]和阶次相位数据[ph01,ph02,…ph0((la1-la0)/2)]、[ph11,ph12,…ph1((la2-la1)/2)]、…[ph(n-1)1,ph(n-1)2,…ph(n-1)((lan-la(n-1))/2)]。
6)动平衡调整相位识别
从得到的n-1圈阶次幅值数组和阶次相位数据中分别提取出第1阶的10个幅值组成幅值数组[am02,am12,…am(n-1)2]和n-1个相位组成相位数组[ph02,ph12,…ph(n-1)2]。对幅值数组[am02,am12,…am(n-1)2]按大小进行排序得到一组排序后的排序幅值数组[an0,an1,…an9]以及该排序位置对应的排序相位数组[pn0,pn1,…pn(n-1)]，然后从排序幅值数组中取中间n-4个值进行平均得到平均幅值at＝(an2+an3+an4+an5+…+a(n-3)+a(n-2))/(n-4)，同时取相位数组[pn0,pn1,…pn(n-1)]
中间n-4个值进行平均得到平均相位pt＝(pn2+pn3+pn4+pn5+…+p(n-3)+p(n-2))/(n-4)。如果平均幅值at大于设定的振动值，则需要进行动平衡调整，而需要增加配重片的相位位置为pt+180。
具体示例如下：
采样频率计算：
旋翼桨叶片数n＝4、试验转速speed＝960、可分辨的最小相位角p0＝5以及百分比误差转速rt＝0.2％，按上述公式(1)计算采样频率fn：
fn＝max{5000，21000}＝21000
转速和振动同步采集：
将转速信号和振动信号同时接入具有同步采集功能的数据采集系统中，通电预热30分钟。将试验台运转到试验任务书规定的试验转速speed＝960，然后进行总距递增操纵到待进行动平衡调整的总距7°。等待10秒钟待试验状态稳定后，按计算的采样频率设置采样频率，然后采集11圈的转速数据数组[spa1,spa2,…,spax]和振动数据数组[vi1,vi2,…,vix]，x为采样点的个数。
转速峰值位置搜索：
将采集到的11圈的转速数据的数值取绝对值得到新的绝对值转速数据数组[spb1,spb2,…,spbx]；设置一个转速峰值阈值psp＝1.5，利用该阈值psp对转速数据数组[spa1,spa2,…,spax]进行峰值搜索，搜索得到的峰值位置数组[37,1348,2661,3971,5284,6594,7907,9218,10529]。
整周期振动信号截取：
利用峰值位置数组[37,1348,2661,3971,5284,6594,7907,9218,10529]计算得到10个峰值起点数组[37,1348,2661,3971,5284,6594,7907,9218]和对应数据长度数组[1311,1313,1310,1313,1310,1313,1311,1311]；
利用计算得到的峰值起点数组和数据长度数组，将振动数据数组[vi1,vi2,…,vix]截取成10个整圈振动数据数组(即10圈)[vi01,vi02,…vi0(la1-la0)]、[vi11,vi12,…vi1(la2-la1)]、…[vi91,vi92,…vi9(la10-la9)]。同时分别计算得到10个整圈振动数据数组对应的基准频率(单位：赫兹)：[16.0134、15.9932、16.0285、15.9832、16.0293、15.9917、16.0156、16.0212]。
整周期振动信号阶次分析：
利用计算得到基准频率分别对其对应的10个整圈振动数据数组进行fft频谱分析。由于数据已经在之前截取成整圈的数据，这里的频谱分析就是阶次分析。从而得到10圈的阶次幅值数组[am01,am02,…am0((la1-la0)/2)]、[am11,am12,…am1((la2-la1)/2)]、…[am91,am92,…am9((la11-la10)/2)]和阶次相位数据[ph01,ph02,…ph0((la1-la0)/2)]、[ph11,ph12,…ph1((la2-la1)/2)]、…[ph91,ph92,…ph9((la11-la10)/2)]。
动平衡调整相位识别
从得到的10圈阶次幅值数组和阶次相位数据中分别提取出第1阶的10个幅值组成幅值数组
[0.2502,0.2399,0.2450,0.2531,0.2489,0.2479,0.2392,0.2522,0.2512,0.2488]和10个相位组成相位数组
[1.888,2.8449,3.035,2.5879,2.5755,3,4231,3,9742,4.0746,2.9350,3.4603]。
对幅值数组按从小到大进行排序得到一组排序后的排序幅值数组
[0.2392,0.2399,0.2450,002479,0.2488,0.2489,0.2502,0.2512,0.2522,0.2531]以及该排序位置对应的新相位数组
[3.9742,2.8449,3.0350,3.4231,3.4603,2.5755,1.8888,2.9350,4.0746,2.5876]，然后从排序幅值数组中取中间6个值进行平均得到平均幅值
at＝(0.2450+002479+0.2488+0.2489+0.2502+0.2512)/6＝0.2487，同时取新相位数组中间6个值进行平均得到平均相位
pt＝(3.0350+3.4231+3.4603+2.5755+1.8888+2.9350)/6＝2.8863。由于平均幅值at大于设定的振动值0.1，则需要进行动平衡调整，而需要增加配重片的相位位置为pt+180＝182.8863。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。