《先進(jìn)飛行控系統(tǒng)》第七課

1、先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)第七節(jié)課第七節(jié)課(20121107)復(fù)習(xí) 第三章測(cè)量與傳感器飛機(jī)姿態(tài)角的測(cè)量 垂直陀螺儀測(cè)俯仰角和滾轉(zhuǎn)角；航向陀螺儀測(cè)航向角。飛機(jī)氣流角的測(cè)量-迎角（側(cè)滑角）傳感器 有風(fēng)標(biāo)式、壓差式和探頭式。飛機(jī)高度的測(cè)量 電磁波反射、垂直速度積分和大氣壓測(cè)高度大氣動(dòng)、靜壓測(cè)量 由空速管引入靜、總壓到壓力敏感傳感器來進(jìn)行測(cè)量。 復(fù)習(xí) 第三章測(cè)量與傳感器飛機(jī)速度的測(cè)量 同樣用空速管引入靜、總壓算得動(dòng)壓來測(cè)量。飛機(jī)馬赫數(shù)的測(cè)量 同樣根據(jù)靜壓、總壓來測(cè)得。飛機(jī)加速度的測(cè)量 簡(jiǎn)單式、浮子擺式和撓性擺式飛機(jī)位置的測(cè)量 無線電測(cè)距、雷達(dá)測(cè)距 第四章舵機(jī)與舵回路 4.1 舵機(jī)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）結(jié)構(gòu)

2、及工作原理 4.2 舵機(jī)的特性分析 4.3 舵回路 舵回路（伺服系統(tǒng)）是飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，它按照指令模型裝置或敏感元件輸出的電信號(hào)操縱舵面，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)或航跡運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)穩(wěn)定與控制。 舵回路是由若干個(gè)部件組成的隨動(dòng)系統(tǒng)，其舵機(jī)是執(zhí)行元件，它的負(fù)載（舵面上的鉸鏈力矩）是隨飛行狀態(tài)變化的該負(fù)載對(duì)舵機(jī)和舵回路有較大的影響。4.1 舵機(jī)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）結(jié)構(gòu)及工作原理舵機(jī)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）結(jié)構(gòu)及工作原理4.1 舵機(jī)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）結(jié)構(gòu)及工作原理 舵機(jī)作用： 舵機(jī)是舵回路中的執(zhí)行元件，輸出力矩（或力）和角速度（或線速度），驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)。 舵機(jī)類型： 飛行控制系統(tǒng)中的舵機(jī)有三大類： 4.1.1 電動(dòng)舵

3、機(jī); 4.1.2 液壓舵機(jī); 4.1.3 電液復(fù)合舵機(jī)。4.1.1 電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 組成： 電動(dòng)舵機(jī)以電力為能源,一般包括:電動(dòng)機(jī)（直流或交流的）;測(cè)速裝置;位置傳感器;齒輪傳動(dòng)裝置;安全保護(hù)裝置。電動(dòng)舵機(jī)根據(jù)其控制方式分為:直接式和間接式直接式:改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓或激磁電壓直接控制舵機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向;間接式:在電動(dòng)機(jī)恒速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過離合器的吸合,間接控制舵機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。圖4-1 為用磁粉離合器間接控制電動(dòng)舵機(jī)傳動(dòng)的示意圖4.1.1 電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理4.1.1 電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理4.1.1 電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 工作

4、原理： 電動(dòng)機(jī)恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，電磁離合器主動(dòng)部分的殼體與齒輪 固連并隨電動(dòng)機(jī)輸出軸一起恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，殼體內(nèi)有控制繞組和磁粉，從動(dòng)部分的杯形轉(zhuǎn)子與磁粉離合器的輸出齒輪 固連。 當(dāng)電流流過控制繞組時(shí)，磁粉被磁化產(chǎn)生磁力，在主動(dòng)與從動(dòng)之間產(chǎn)生正比于控制電流的摩擦力矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子和齒輪 一起轉(zhuǎn)動(dòng)。4Z5Z5Z4.1.1 電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 工作原理： 在磁粉離合器前有兩極減速： 在磁粉離合器后還有三極減速： 有兩個(gè)磁粉離合器可以提供大小相等、方向相反的旋轉(zhuǎn)。 金屬摩擦離合器5帶動(dòng)鼓輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出正比于控制電流的力矩。 線性旋轉(zhuǎn)變壓器和測(cè)速發(fā)電機(jī)經(jīng)過齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)裝置隨鼓輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，各自輸出正比于鼓輪轉(zhuǎn)角和角速度的電

5、信號(hào)。 65/ZZ21/ZZ43/ZZ87/ZZ109/ZZ4.1.1 電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 工作原理： 電磁離合器3是鼓輪與輸出齒輪的連接裝置，用來控制是人工操縱還是自動(dòng)控制。 自動(dòng)控制時(shí)，離合器的激磁繞組通電，電磁離合器吸合，輸出齒輪 與鼓輪相連，鼓輪隨輸出齒輪 一起轉(zhuǎn)動(dòng)； 人工操縱時(shí)，電磁離合器不通電，輸出齒輪 不與鼓輪連接，由駕駛員直接操縱舵面。 10Z10Z10Z4.1.1 電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 工作原理： 金屬摩擦離合器5利用金屬片之間的摩擦傳遞力矩，是一種安全保護(hù)裝置。當(dāng)電磁離合器工作時(shí)，齒輪 經(jīng)金屬摩擦離合器帶動(dòng)鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)負(fù)載力矩超過某值時(shí)，金屬片打滑，從而限制舵機(jī)的最大

6、輸出力矩。緊急情況下，駕駛員還可以強(qiáng)行操縱，確保飛行安全。 10Z優(yōu)點(diǎn)： 能源是電力，通常與飛控系統(tǒng)用同一電源，傳輸、控制等方便。 加工制造、裝配維修方便。缺點(diǎn)： 在輸出相同功率時(shí)，體積和重量較大（與液壓舵機(jī)相比）有減速齒輪。 快速性差些。輸出功率不大，而且重量大，慣性大，快速性差。4.1.1 電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 組成： 液壓舵機(jī)以高壓液體（油）為能源，按其作用分為液壓舵機(jī)（直接推動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)）和電液副舵機(jī)（主要通過液壓主舵機(jī)，即：液壓助力器才能帶動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)）。目前純液壓舵機(jī)使用不多，主要用電液副舵機(jī)。 主要由電液伺服閥（力矩馬達(dá)和液壓放大器），作動(dòng)筒和位移傳感器組成。

7、 圖4-3為一種典型的電液副舵機(jī)機(jī)構(gòu)原理示意圖4.1.2 液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理4.1.2 液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 工作原理： 高壓油流入進(jìn)油口，經(jīng)油濾14分四路流出。其中兩路經(jīng)左右固定節(jié)流孔13、閥心10的兩旁和左右噴嘴7、在溢流腔8中匯合，然后經(jīng)回油節(jié)流孔12從回油口流出。另外兩路油液分別流到閥套11上被閥心工作凸肩遮住的窗口處。閥心偏離中間位置后，其中一路高壓油液經(jīng)閥心工作凸肩打開的窗口流入作動(dòng)筒一腔，做動(dòng)筒另一腔的油液經(jīng)被打開的另一窗口直接流入回油孔。4.1.2 液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 工作原理： 力矩馬達(dá)將電氣量轉(zhuǎn)換成

8、機(jī)械角位移，是一種信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。當(dāng)力矩馬達(dá)控制繞組中的直流電流差（ ）等于零時(shí)，導(dǎo)磁體1與銜鐵4之間的四個(gè)氣隙中流過的磁通量相等而銜鐵兩端流過上氣隙與下氣隙的磁通方向相反，銜鐵兩端的電磁力平衡，銜鐵及與之固連的擋板6處于中間位置擋板與左右兩個(gè)噴嘴間的距離相等，兩路油液作用在閥心兩端面上的壓力大小相等、方向相反，閥心處于中間位置閥心的工作凸肩作遮住閥套上的窗口，阻止高壓油流入，活塞桿16處于中間位置，舵面不偏轉(zhuǎn)。4.1.2 液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理21ii 工作原理： 當(dāng)控制電流（ ）不等于零時(shí)，產(chǎn)生控制磁通，改變四個(gè)氣隙之間的磁通量。在銜鐵兩端的上氣隙中流過的磁通量增加，下

9、氣隙中流過的減少；銜鐵的另一端與此相反于是銜鐵兩端的電磁力不平衡，產(chǎn)生電磁力矩，使銜鐵帶動(dòng)擋板轉(zhuǎn)動(dòng)。擋板與另一噴嘴的距離增大，噴嘴腔內(nèi)的油壓降低；擋板與另一側(cè)噴嘴的距離減小，噴嘴腔內(nèi)油壓升高。在壓力差的作用下，閥心向低壓腔方向移動(dòng)。4.1.2 液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理21ii 工作原理： 當(dāng)作用在銜鐵上的電磁力矩與彈簧管5因銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)變形而產(chǎn)生的力矩、閥心移動(dòng)通過小球帶動(dòng)反饋桿9產(chǎn)生的力矩以及高壓油流過閥心產(chǎn)生的液壓力矩相平衡時(shí)，銜鐵停止轉(zhuǎn)動(dòng)保持在某一偏轉(zhuǎn)角上。閥心兩端的壓力差與反饋桿對(duì)閥心的反作用力也隨之平衡，閥心停止移動(dòng)，移動(dòng)距離正比于控制繞組電流之差，移動(dòng)方向則取決于該

10、電流差的極性。4.1.2 液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 工作原理： 閥心移動(dòng)打開閥套上被工作凸肩遮住的窗口，高壓油經(jīng)窗口流入作動(dòng)筒一腔，該腔的壓力升高，在作動(dòng)筒兩腔壓力差的作用下，活塞17和活塞桿16以一定速度向低壓腔方向移動(dòng)。作動(dòng)筒另一腔的油液被壓出，經(jīng)閥套上的窗口流入回油孔。 線性位移傳感器20把活塞桿的位移轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。隨著活塞桿的移動(dòng)，線性位移傳感器輸出正比于活塞桿的交流電壓，其相位取決于活塞桿移動(dòng)的方向。4.1.2 液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 優(yōu)點(diǎn)： 體積小、重量輕、功率增益大，輸出功率與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值大，所以快速性好，控制功率小，靈敏度高。 缺點(diǎn)

11、： 加工、裝配較困難，生產(chǎn)成本較高，要另加能源油源。 4.1.2 液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 組成：4.1.3 電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理4.1.3 電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 組成： 電液復(fù)合舵機(jī)由電液副舵機(jī)、主舵機(jī)（即液壓助力器）、電磁轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)和復(fù)合搖臂等組成。 為保證舵機(jī)的可靠性，用兩套獨(dú)立的液壓源（系統(tǒng)和系統(tǒng)）供油。 電磁轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)用于人工駕駛和自動(dòng)控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。4.1.3 電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 工作原理： 電磁轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)不通電時(shí)，噴嘴U與擋板（電磁轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的銜鐵）之

12、間的間隙最大，噴嘴內(nèi)腔V壓力降低，滑閥在彈簧作用下處于最右端，其凸肩堵住經(jīng)油路T到電液副舵機(jī)的油路；高壓油液（系統(tǒng)）經(jīng)油路L流到鎖緊機(jī)構(gòu)的環(huán)形槽J。由于高壓供油被切斷且小作動(dòng)筒活塞桿被鎖緊機(jī)構(gòu)鎖住，電液副舵機(jī)不工作，液壓復(fù)合舵機(jī)處于人工駕駛工作狀態(tài)。4.1.3 電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 工作原理： 當(dāng)人工駕駛時(shí)，駕駛員操縱駕駛桿H使搖臂上B點(diǎn)繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑閥一起運(yùn)動(dòng)，高壓油經(jīng)環(huán)形槽C與被打開的窗口 （或 ），流入大作動(dòng)筒的一腔 （或 ）另一腔 （或 ）的油液則經(jīng)窗口 （或 ）與系統(tǒng)的回油路 （或 ）相通，經(jīng)主滑閥的空心孔流回油箱。在大作動(dòng)筒兩腔壓差的作用下，舵機(jī)

13、殼體移動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)連桿操縱舵面偏轉(zhuǎn)。4.1.3 電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理2D1D2D2E1E2E1E1D1Q2Q 工作原理： 駕駛桿移動(dòng)到某一位置后，由于固連與舵機(jī)殼體的支點(diǎn)A和撥油桿H與殼體一起移動(dòng)，而主滑閥不隨殼體運(yùn)動(dòng)，其窗口重新關(guān)閉，舵機(jī)殼體也停止運(yùn)動(dòng)。人工駕駛時(shí)，舵機(jī)殼體始終跟隨駕駛桿的移動(dòng)按比例移動(dòng)。4.1.3 電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 工作原理： 電磁轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)通電時(shí)，轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的銜鐵向左移動(dòng)，堵住噴嘴U，噴嘴內(nèi)腔V的油壓升高，推動(dòng)滑閥左移。于是系統(tǒng)的進(jìn)油口到油路T的電液副舵機(jī)的通路與到油路G、L及環(huán)形槽J的通路均被打開。鎖緊機(jī)構(gòu)在

14、高壓油液的作用下向上移動(dòng)，小作動(dòng)筒的活塞在控制信號(hào)作用下運(yùn)動(dòng)。小作動(dòng)筒活塞桿上的A點(diǎn)通過搖臂移動(dòng)主滑閥，使舵機(jī)的殼體相應(yīng)的按比例運(yùn)動(dòng)，如同人工駕駛一樣。4.1.3 電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 工作原理： 如果駕駛員參與自動(dòng)控制使得操縱，則電液復(fù)合舵機(jī)處于復(fù)合工作狀態(tài)。駕駛桿的操縱運(yùn)動(dòng)和小作動(dòng)筒活塞的運(yùn)動(dòng)通過搖臂在主滑閥處復(fù)合，共同操縱舵機(jī)運(yùn)動(dòng)。 作動(dòng)筒的副滑閥一般情況下是不動(dòng)的，猶如一個(gè)固定的閥套。但當(dāng)主滑閥一旦卡死，或出現(xiàn)其他緊急情況時(shí)，副滑閥將接替主滑閥的工作，使駕駛員能應(yīng)急操縱。4.1.3 電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理電液復(fù)合舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理鉸鏈力矩 與舵面幾何

15、形狀、類型，飛行的 或 及舵偏角 有關(guān)，其中以舵偏角為主。鉸鏈力矩表達(dá)式為 ： 其中： 表示單位舵偏角產(chǎn)生的鉸鏈力矩； 為鉸鏈力矩導(dǎo)數(shù)； 為舵面參考面積； 為舵平均幾何弦長(zhǎng)； 為舵偏角。 顯然，鉸鏈力矩的大小、符號(hào)隨飛行狀態(tài)而變 jM,MjjjhjjMcQSCMjMhjCcSjjMjMjMOR 當(dāng)轉(zhuǎn)軸位于壓力中心后反操縱 鉸鏈力矩的大小和方向隨飛機(jī)狀態(tài)而變化，對(duì)舵機(jī)的工作有很大的影響。jM0jM0jMjMQM數(shù)且隨（1）電動(dòng)舵機(jī)的動(dòng)特性 舵機(jī)工作是非對(duì)稱的。原因有兩個(gè)：飛機(jī)穩(wěn)定飛行時(shí)，舵面就不在中間位置，而是有一個(gè)舵偏度，這就使一開始 有初始值作用到舵機(jī)上。舵機(jī)工作過程中，負(fù)載力矩不對(duì)稱。例如

16、舵機(jī)使舵面偏角加大時(shí)（出舵時(shí)）鉸鏈力矩起阻止加大的作用；而在收舵時(shí)，又起加速舵面回收的作用。0jM（2）電動(dòng)舵機(jī)原理圖（3）電動(dòng)舵機(jī)微分方程RIdtIdLUIAM電動(dòng)舵機(jī)微分方程 設(shè)鼓輪到舵面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為i；電磁離合器、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、舵面及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子折算到鼓輪的（包括鼓輪）的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J；鼓輪角速度和轉(zhuǎn)角分別為 和 ；舵偏角為 ，忽略摩擦力矩，其微分方程表示為：iMBdtdJMjjjMMikk相反將上面公式取拉氏變換可以得到電動(dòng)舵機(jī)的方框圖:dtdJBiMjk一般很小，可略去。0jM0B) 1(K)()()(2STSSUSSWMMkM2K)(SSWMMJRAMKRLTMMT

17、0jM0B1) 1()()()(222SMJiSTRMAiSUSSWjMjkM1)(222SMJiRMAiSWjjM當(dāng)略去當(dāng)略去時(shí)，時(shí)，MTMKMTMTjM化簡(jiǎn)方塊圖為： )/)()()()(22iMBsJsRLsAsUssWjkm URbQSmAiAjk)/(20jM0jM0jMQ ,QjM（均衡反饋）。k0k RABSJSRASUSSWKM/k/)()()(2UKk12/kAiRMjk種反饋是位置反饋，又稱硬反饋。jMkkUUkkkkfkSWf)(1)()()(STKsUssk22/)k(/)(iMSRABJSRASWjM2/4)k(iJMRABj)/k(/)(RABJSSRASWMURA

18、BRA/k/kk 引入速度反饋 ，當(dāng) 較大時(shí)，舵回路特性與飛行狀態(tài)無關(guān)，同時(shí)減弱了鉸鏈力矩 對(duì)舵機(jī)的影響； 引入速度反饋 后，使舵機(jī)鼓輪輸出轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與 成比例，稱為速度反饋軟反饋 鉸鏈力矩 對(duì)舵回路特性影響不大jMUjMkkkSkSWff)(iSKsUss)()()(1)(eeSTSTkSWf) 11()1 () 1()()()(eeeekTKKSTiSkTKKSTKKsUssMAMAAM)11(eSkiTikeT1ekTKKMA呈現(xiàn)積分環(huán)節(jié)為軟反饋時(shí)：處于低頻區(qū)工作，當(dāng)輸入電壓頻率呈現(xiàn)比例環(huán)節(jié)為硬反饋時(shí)：處于高頻區(qū)工作，當(dāng)輸入電壓頻率eeT1T1k倍； 舵回路要有較寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較大的阻尼，并且相位滯后要??；（4）舵回路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析 因?yàn)槎婊芈奉愋突敬_定，其設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于閉環(huán)回路中反饋量的配置。 如圖所示的舵回路，同時(shí)有位置反饋和速度反饋。首先研究位置反饋系數(shù)的影響，即確定速度反饋系數(shù)的值，研究位置反饋系數(shù)變化時(shí)，舵回路的性能。分析 舵回路參數(shù)參見P182，且已知速度反饋系數(shù)為其開環(huán)傳遞函數(shù)為：相應(yīng)的開環(huán)極點(diǎn)為：radsVk/10886. 52)35.14167.16)(35.14167.16(10444. 3)(5jsjssksW01s01s35.14167.163 , 2js位置反饋舵回路根軌跡：分析 由圖可見，根軌