考虑锥体约束的旋翼振动闭环控制及试验

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32096

固体力学与飞行器总体设计

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考虑锥体约束的旋翼振动闭环控制及试验

王传达¹^,², 金坤健³, 喻国瑞³, 黄国科³, 王刚⁴, 彭海军¹^,²()

^1.大连理工大学力学与航空航天学院，大连 116024
^2.大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室，大连 116024
^3.中国直升机设计研究所，景德镇 333001
^4.大连理工大学化工海洋与生命学院，盘锦 124221

收稿日期:2025-04-09 修回日期:2025-05-28 接受日期:2025-07-01 出版日期:2025-07-21 发布日期:2025-07-15
通讯作者: 彭海军 E-mail:hjpeng@dlut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(U2241263);国家自然科学基金(12402042);中国博士后科学基金(2024M750310)

Closed-loop control and experimental study of rotor vibration considering track constraints

Chuanda WANG¹^,², Kunjian JIN³, Guorui YU³, Guoke HUANG³, Gang WANG⁴, Haijun PENG¹^,²()

^1.School of Mechanics and Aerospace Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China
^2.State Key Laboratory of Structural Analysis，Optimization and CAE Software for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China
^3.China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China
^4.School of Chemical Engineering，Ocean and Life Sciences，Dalian University of Technology，Panjin 124221，China

Received:2025-04-09 Revised:2025-05-28 Accepted:2025-07-01 Online:2025-07-21 Published:2025-07-15
Contact: Haijun PENG E-mail:hjpeng@dlut.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(U2241263);China Postdoctoral Science Foundation(2024M750310)

摘要/Abstract

摘要：

针对桨叶不相似导致的旋翼1/rev低频振动过大、旋翼锥体偏离等问题，发展了一种考虑旋翼锥体约束的旋翼振动闭环控制算法。首先，建立了基于柔性桨叶的旋翼气弹耦合模型，设定参数模拟工程中桨叶的不相似性，从而产生锥体偏离现象和振动不平衡特性；其次，以旋翼振动谐波分量为控制目标，单片桨叶的总距变化量为控制输入，锥体偏离值作为约束条件，构造一组约束优化问题，进而求解得到最优控制量；然后，通过数值仿真，对比了无锥体约束的控制算法，仿真结果表明在加入锥体约束后，不仅仍然能够大幅降低低频振动幅值，而且能够将锥体偏差值约束到设定范围内，证明了约束控制算法的有效性；最后，通过试验验证，建立旋翼系统试验平台，将控制算法改编为Simulink模型，结合相应的硬件设备，搭建软硬件架构，执行不同飞行状态下的控制算法，试验结果表明均可以将振动降低60%以上，锥体偏差值也限制在设定值附近，最高降低73%。

关键词: 旋翼气弹建模, 闭环振动控制, 旋翼锥体与动平衡调整, 实时化仿真, 旋翼塔实验

Abstract:

To address issues such as excessive 1/rev low-frequency vibration of the rotor and track split caused by blade dissimilarity， a closed-loop vibration control algorithm for rotors based on blade track constraints was developed. Firstly， a rotor aeroelastic coupling model with flexible blades was established， with parameters set to simulate the dissimilarity of blades in engineering applications， thereby generating track split phenomena and vibration imbalance characteristics. Secondly， taking the harmonic components of rotor vibration as the control objective， the collective pitch variation of individual blades as the control input， and the track difference as the constraint condition， a set of constrained optimization problems was constructed to solve for the optimal control inputs. Then， through numerical simulations， the control algorithm without track constraints was compared， and the results demonstrate that introducing track constraints not only significantly reduced the amplitude of low-frequency vibrations but also confined the track difference within a specified range， verifying the effectiveness of the constrained control algorithm. Finally， further experimental validation was conducted by establishing a rotor system test platform， adapting the control algorithm into a Simulink model， and integrating corresponding hardware devices to build a software-hardware architecture. Execution of the control algorithm under different flight conditions shows that vibrations were reduced by over 60% in all cases， with track differences constrained near the set value and achieving a maximum reduction of 73%.

Key words: rotor aeroelastic modeling, closed-loop vibration control, rotor track and balance adjustment, real-time simulation, rotor tower experiment

中图分类号:

V211.52

王传达, 金坤健, 喻国瑞, 黄国科, 王刚, 彭海军. 考虑锥体约束的旋翼振动闭环控制及试验[J]. 航空学报, 2026, 47(2): 232096.

Chuanda WANG, Kunjian JIN, Guorui YU, Guoke HUANG, Gang WANG, Haijun PENG. Closed-loop control and experimental study of rotor vibration considering track constraints[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(2): 232096.

图/表 17

表1

桨叶不相似物理量和偏差范围［34］

物理量	近似偏差范围/%
挥舞刚度 $E I y$	-5~5
摆振刚度 $E I z$	-5~5
扭转刚度 GJ	-5~5
质量 $m$	-1.2~1.2
气动升力参数 $c 0$	-8~8
气动阻力参数 $d 0$	-8~8
气动俯仰力矩参数 $m 0$	-8~8

表1

图 1

图 2

图 3

图 4

表2

BO105旋翼和飞行参数［36］

参数	数值
桨叶片数	4
旋翼半径/m	4.91
桨叶弦长/m	0.27
旋翼转速/（r·min^-1）	425
前进比	0.144
升力系数	$C T / σ = 0.071$
预扭转/（°）	8
$θ 0, θ 1 s, θ 1 c$ /（°）	7.8， -2.1， -1.5

表2

表3

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

表4

图 11

图 12

图 13

参考文献 37

[1]	邓景辉. 高速直升机关键技术与发展［J］. 航空学报， 2024， 45（9）： 529085.
	DENG J H. Key technologies and development for high-speed helicopters［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（9）： 529085 （in Chinese）.
[2]	李文智，曹瑶琴，何志平. 基于材料及结构的直升机噪声抑制技术研究进展［J］. 航空材料学报， 2022， 42（2）： 1-10.
	LI W Z， CAO Y Q， HE Z P. Research progress of helicopter noise suppression technology based on materials/structures［J］. Journal of Aeronautical Materials， 2022， 42（2）： 1-10 （in Chinese）.
[3]	杨一栋，袁卫东. 直升机高次谐波主动抑振技术［J］. 航空学报， 1996， 17（5）： 566-571.
	YANG Y D， YUAN W D. Helicopter vibration reduction technique with harmonic active control［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 1996， 17（5）： 566-571 （in Chinese）.
[4]	UDDIN M M， SARKER P， THEODORE C R， et al. Active vibration control of a helicopter rotor blade by using a linear quadratic regulator［C］∥Proceedings of ASME 2018 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. New York： ASME， 2018.
[5]	JOHNSON W. Rotorcraft aeromechanics［M］. Cambridge： Cambridge University Press， 2013： 717-722.
[6]	丁文锋，万年，赵彪，等. 航空航天先进制造理论与技术研究现状及趋势［J］. 航空学报， 2025， 46（6）： 531309.
	DING W F， WAN N， ZHAO B， et al. Research status and tendency of advanced manufacturing theory and technology in aerospace［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2025， 46（6）： 531309 （in Chinese）.
[7]	ROGET B， CHOPRA I. Individual blade control methodology for a rotor with dissimilar blades［J］. Journal of the American Helicopter Society， 2003， 48（3）： 176-185.
[8]	MILLER N A， KUNZ D L. A comparison of main rotor smoothing adjustments using linear and neural network algorithms［J］. Journal of Sound and Vibration， 2008， 311（3-5）： 991-1003.
[9]	MCCLOUD III J L， KRETZ M. Multicyclic jet-flap control for alleviation of helicopter blade stresses and fuselage vibration： 74N34512［R］. Moffett Field： NASA Ames Research Center， 1974.
[10]	BECHHOEFER E， POWER D. IMD HUMS rotor track and balance techniques［C］∥2003 IEEE Aerospace Conference Proceedings （Cat. No.03TH8652）. Piscataway： IEEE Press， 2003.
[11]	JOHNSON W. Self-tuning regulators for multicyclic control of helicopter vibration： 82N20188 ［R］. Washington， D.C.： NASA， 1982.
[12]	TAITEL H J， DANAI K， GAUTHIER D. Helicopter track and balance with artificial neural nets［J］. Journal of Dynamic Systems， Measurement， and Control， 1995， 117（2）： 226-231.
[13]	WROBLEWSKI D， GRABILL P， BERRY J， et al. Neural network system for helicopter rotor smoothing［C］∥2000 IEEE Aerospace Conference. Proceedings （Cat. No.00TH8484）. Piscataway： IEEE Press， 2000.
[14]	WANG S D， DANAI K， WILSON M. Adaptive method of helicopter track and balance［J］. Journal of Dynamic Systems， Measurement， and Control， 2005， 127（2）： 275-282.
[15]	WANG S D， DANAI K， WILSON M. A probability-based approach to helicopter rotor tuning［J］. Journal of the American Helicopter Society， 2005， 50（1）： 56-64.
[16]	GANGULI R. Health monitoring of a helicopter rotor in forward flight using fuzzy logic［J］. AIAA Journal， 2002， 40（12）： 2373-2381.
[17]	KRISHNAMURTHI J. Quasi-static rotor morphing applications in flight mechanics and active track-and-balance［D］. New York： Rensselaer Polytechnic Institute， 2018： 21-30.
[18]	RODRIGUEZ-EGUIA I， ERRASTI I， FERNANDEZ-GAMIZ U， et al. A parametric study of trailing edge flap implementation on three different airfoils through an artificial neuronal network［J］. Symmetry， 2020， 12（5）： 828.
[19]	YOU Y H， JUNG S N. Optimal active twist control scenario for performance and vibration perspective of a helicopter rotor［C］∥41st European Rotorcraft Forum （ERF）. 2014.
[20]	KRISHNAMURTHI J， GANDHI F. Active pitch links and trailing-edge tabs for rotor track and balance［C］∥AHS Specialists’ Conference on Aeromechanics Design for Transformative Vertical Flight. 2018.
[21]	ARNOLD U T P， FÜRST D. Closed loop IBC results from CH-53G flight tests［J］. Aerospace Science and Technology， 2005， 9（5）： 421-435.
[22]	GMBH Z L， ARNOLD U， FUERST D， et al. Flight testing of an in-flight tuning system on a CH-53G helicopter［C］∥Proceedings of the Vertical Flight Society 70th Annual Forum. 2014.
[23]	BECHHOEFER E， FANG A， VAN NESS D. Improved rotor track and balance performance using an expert system［C］∥2011 IEEE Conference on Prognostics and Health Management. Piscataway： IEEE Press， 2011.
[24]	邓景辉，方永红. 直升机旋翼锥体与平衡调整方法研究［J］. 直升机技术， 2004（1）： 9-13.
	DENG J H， FANG Y H. A research on tracking and balance tuning for helicopter rotor［J］. Helicopter Technique， 2004（1）： 9-13 （in Chinese）.
[25]	刘红梅，吕琛，欧阳平超，等. 粒子群优化在直升机旋翼动平衡调整中的应用［J］. 北京航空航天大学学报， 2011， 37（3）： 283-288.
	LIU H M， LÜ C， OUYANG P C， et al. Helicopter rotor tuning based on neural network and particle swarm optimization［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2011， 37（3）： 283-288 （in Chinese）.
[26]	黄林然，孙灿飞，赵英梅，等. 基于智能变距拉杆的旋翼平衡实时调整方法［J］. 南京航空航天大学学报， 2023， 55（2）： 186-192.
	HUANG L R， SUN C F， ZHAO Y M， et al. Real time adjustment method of rotor balance based on smart pitch rod［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2023， 55（2）： 186-192 （in Chinese）.
[27]	庞哲凯. 一种直升机旋翼动平衡配重自适应控制方法［J］. 中国科技信息， 2023（4）： 52-55.
	PANG Z K. Adaptive control method of helicopter rotor dynamic balance counterweight［J］. China Science and Technology Information， 2023（4）： 52-55 （in Chinese）.
[28]	冯启发，赵鹏举，文建峰. 基于试重法解决直升机旋翼动平衡调整问题［J］. 现代制造技术与装备， 2023， 59（11）： 169-172.
	FENG Q F， ZHAO P J， WEN J F. The dynamic balance adjustment problem of helicopter rotor is solved based on the test weight method［J］. Modern Manufacturing Technology and Equipment， 2023， 59（11）： 169-172 （in Chinese）.
[29]	高亚东，张曾锠，余建航. 用机体振动诊断旋翼失衡故障方法研究［J］. 振动工程学报， 2002， 15（4）： 395-398.
	GAO Y D， ZHANG Z C， YU J H. Novel helicopter rotor imbalance fault diagnosis using only information from fuselage vibration［J］. Journal of Vibration Engineering， 2002， 15（4）： 395-398 （in Chinese）.
[30]	王传达，彭海军，黄国科，等. 直升机旋翼锥体与动平衡主动调节技术［J］. 动力学与控制学报， 2023， 21（2）： 12-23.
	WANG C D， PENG H J， HUANG G K， et al. Active adjustment technology of helicopter rotor track and dynamic balance［J］. Journal of Dynamics and Control， 2023， 21（2）： 12-23 （in Chinese）.
[31]	WANG C D， HUANG G K， LI F， et al. A novel constrained optimal tuning method with application to helicopter rotor track and balance［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2023， 184： 109715.
[32]	LEISHMAN J G， BEDDOES T S. A semi-empirical model for dynamic stall［J］. Journal of the American Helicopter Society， 1989， 34（3）： 3-17.
[33]	HE C J. Development and application of a generalized dynamic wake theory for lifting rotors［D］. Atlanta： Georgia Institute of Technology， 1989： 17-60.
[34]	ROGET B. Individual blade control for vibration reduction of a helicopter with dissimilar blades ［D］. College Park： University of Maryland， 2004.
[35]	CHENG T. Structural dynamics modeling of helicopter blades for computational aeroelasticity［D］. Massachusetts： Massachusetts Institute of Technology， 2002： 43-76.
[36]	STALEY J A. Validation of rotorcraft flight simulation program through correlation with flight data for soft-in-plane hingeless rotors： USAAMRDL-TR-75-50［R］. Fort Eustis： US Army Air Mobility Research and Development Laboratory， 1976.
[37]	YEO H， JOHNSON W. Prediction of rotor structural loads with comprehensive analysis［J］. Journal of the American Helicopter Society， 2008， 53（2）： 193-209.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

模态阶次	本文结果	CAMRAD Ⅱ^［37］	相对误差/%
摆振一阶	0.727	0.743	2.15
挥舞一阶	1.134	1.107	2.44
挥舞二阶	2.783	2.687	3.57
扭转一阶	3.875	4.039	4.06
摆振二阶	4.377	4.349	0.64
挥舞三阶	4.870	4.986	2.33

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Closed-loop control and experimental study of rotor vibration considering track constraints

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[1]	朱王清, 曹宸恺, 赵国庆, 朱清华, 胡浩宇. 剪刀尾桨气动干扰与非常规布局参数影响[J]. 航空学报, 2025, 46(S1): 732181-732181.
[2]	崔壮壮, 任斌武, 周旭, 陈喆, 赵国庆. 真实操纵下直升机降落轨迹参数沙盲抑制优化[J]. 航空学报, 2025, 46(S1): 732186-732186.
[3]	张夏阳, 罗彬, 陈希, 杨涛. 倾转四旋翼机高效低噪旋翼外形优化设计[J]. 航空学报, 2025, 46(S1): 732183-732183.
[4]	刘志成, 廖锋, 曹宸恺, 朱王清, 赵国庆, 招启军, 胡浩宇. 涵道尾桨外形及布局参数气动特性影响研究[J]. 航空学报, 2025, 46(S1): 732224-732224.
[5]	梁勇, 张卫国, 车兵辉, 袁红刚, 魏春华, 杨柠檬. 直升机全机气动噪声特性风洞试验[J]. 航空学报, 2025, 46(24): 132072-132072.
[6]	曾聪曾揚洋井思梦赵国庆招启军. 地效状态旋翼-机翼气动干扰特性及尾迹演化研究[J]. 航空学报, 0, (): 1-0.
[7]	张威赵洪徐明. 基于多重置信度优化的尾座式无人机共轴双旋翼气动设计[J]. 航空学报, 0, (): 1-0.
[8]	吴林波, 孟澍, 张威, 谭剑锋. 直升机近地飞行扬沙抑制的旋翼布局参数[J]. 航空学报, 2026, 47(1): 632003-632003.
[9]	刘洋, 史勇杰, 徐国华. 低空复杂风场下旋翼气动干扰特性风洞试验[J]. 航空学报, 2026, 47(1): 632054-632054.
[10]	王梓旭, 李攀, 沈俊彪, 朱振华, 陈仁良. 加/减速状态下倾转旋翼飞行器动态过渡走廊[J]. 航空学报, 2025, 46(11): 531377-531377.
[11]	谭剑锋, 闫羽泽, 张卫国, 刘亚奎, 邵天双. 沙盲环境直升机桨叶磨损分析方法[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 431012-431012.
[12]	杨一凡, 王潇. 基于改进混合涡粒子法的倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰研究[J]. 航空学报, 2025, 46(7): 131040-131040.
[13]	张夏阳, 高陈诚, 招启军, 梁家辉. 前飞状态可变弯度翼型/旋翼气动特性[J]. 航空学报, 2024, 45(24): 630609-630609.
[14]	祁浩天, 王亮权, 张卫国, 刘超凡, 濮天梅. 旋翼间距对共轴刚性旋翼气动噪声的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 130153-130153.
[15]	王华龙, 张夏阳, 赵国庆, 招启军, 马砾. 基于CFD/CSD耦合的TEF旋翼气弹特性高精度模拟[J]. 航空学报, 2024, 45(18): 229904-229904.