控制系統(tǒng)元件之

控制系統(tǒng)元件之第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：加速度傳感器是用來測量飛機運動的加速度并輸出加速度信號的裝置。飛機運動包括飛機重心的線運動和繞機體三軸的角運動。因此加速度傳感器分為線加速度傳感器和角加速度傳感器兩種。在飛機上，測量角加速度的任務(wù)一般是通過速率陀螺儀測到飛機的角速度之后，通過微分求出。第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：線加速度傳感器是用來測量飛機重心運動的線加速度。一般情況下，沿三個飛機機體坐標(biāo)軸的軸向分別安裝有三個線加速度傳感器，分別用于測量法向加速度（z軸）、縱向加速度（x軸）和側(cè)向加速度（y軸），這三種傳感器的組成、工作原理和傳遞函數(shù)完全一樣，只是測量范圍不同。分類：簡單式線加速度傳感器；浮子擺式加速度傳感器；擾性擺式力矩反饋加速度傳感器。第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：簡單式線加速度傳感器：組成：彈簧及質(zhì)量塊m、電位計、阻尼器等；第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：簡單式線加速度傳感器：工作原理：條件：安裝在飛機的重心處。當(dāng)飛機在慣性空間飛行時，當(dāng)飛機出現(xiàn)某個軸向或方向的加速或減速時，在加速度矢量方向必定出現(xiàn)對應(yīng)的力F，該力也會施加到質(zhì)量塊上，使其也會產(chǎn)生對應(yīng)的加速或減速，并在某個方向上產(chǎn)生對應(yīng)的位移（沿軸向時只有一個傳感器的質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，否則為兩個以上），該位移就會帶動電位計移動，從而輸出對應(yīng)電信號。注意：該電位計的電刷在電刷上的相對位移（輸出位移）等于質(zhì)量塊位移減去飛機的位移。第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：簡單式線加速度傳感器：傳遞函數(shù)及模型：設(shè)彈簧質(zhì)量塊為m，質(zhì)量塊的位移為z，飛機位移為xi，則電位計電刷位移（輸出位移）為：x=z-xi。并忽略電刷與電位計之間的摩擦力，則有（以質(zhì)量塊為對象觀察）：第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：簡單式線加速度傳感器：傳遞函數(shù)及模型：當(dāng)穩(wěn)態(tài)時則有：第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：簡單式線加速度傳感器：分析及結(jié)論：加速度傳感器的輸出電壓與飛機的線加速度成正比關(guān)系，且相位差為180度；單位加速度所產(chǎn)生的相對位移量為固有頻率平方的倒數(shù)，這說明彈簧剛度（彈性系數(shù)）越小，傳感器的分辨率就越高，靈敏度也越高；簡單式線加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、價格低，但實際應(yīng)用時由于摩擦力、抗振動能力差等原因，非線性嚴(yán)重，靈敏度低，精度不高（0.5%～1%）.第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：浮子擺式加速度傳感器：組成：浮子擺組件、力矩器、信號傳感器、放大器、殼體等；第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：浮子擺式加速度傳感器：工作原理：為了解決簡單式線加速度傳感器存在的各個問題，用力矩系統(tǒng)取代彈簧，用浮子阻尼器取代簡單阻尼器，則成為浮子擺式加速度傳感器。如圖所示，浮子擺組件由單擺及軸（相對于質(zhì)量塊）、浮筒、信號傳感器轉(zhuǎn)子和力矩器的轉(zhuǎn)子等構(gòu)成。其原理與簡單式線加速度傳感器相同，當(dāng)飛機存在瞬時加速度時，單擺將繞軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度取決于加速度力矩的大小。該轉(zhuǎn)動角度也是信號傳感器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度，這時信號傳感器將產(chǎn)生電流信號輸出，該電流信號將通過放大器（電流輸出型）反饋給力矩器，使力矩器產(chǎn)生與加速度力矩相等的力矩，轉(zhuǎn)子將進入平衡狀態(tài)。當(dāng)加速度改變時，平衡狀態(tài)將再次改變。第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：浮子擺式加速度傳感器：傳遞函數(shù)及模型：設(shè)飛機瞬時加速度為a，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角為β，信號傳感器的輸出電流為U，系數(shù)為Ku；信號放大器的輸出為I且放大系數(shù)為Ki，力矩器的方程為Mk=KmI。我們可得以下關(guān)系：第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：浮子擺式加速度傳感器：分析結(jié)論：由其結(jié)構(gòu)及傳遞函數(shù)分析，可得到如下結(jié)論：增加了反饋系統(tǒng)后，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和精度將得到極大提高；采用浮子結(jié)構(gòu)后，傳感器的抗振動能力得到提升；其傳遞函數(shù)表明：其為一比例環(huán)節(jié)，只要保證反饋系統(tǒng)元部件的線性度，傳感器的線性度將很好。第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：擾性擺式力矩反饋加速度傳感器：組成：擾性支撐、擺組件、角位移傳感器、力矩器和反饋電子組件等。第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：線加速度傳感器：擾性擺式力矩反饋加速度傳感器：工作原理：對浮子擺式加速度傳感器的工作原理有了了解后，我們不難理解擾性擺式力矩反饋加速度傳感器的工作原理；但需要區(qū)分：浮筒組件被擾性組件取代，但抗震效果一樣很好；兩個轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)被線圈結(jié)構(gòu)代替，動態(tài)響應(yīng)能力更好！擾性擺式力矩反饋加速度傳感器是目前導(dǎo)航級加速度計。第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：陀螺儀：前面介紹過，飛機的飛行姿態(tài)主要包含3個姿態(tài)角+側(cè)滑角。側(cè)滑角可由（迎角）側(cè)滑角傳感器進行測量，它是通過大氣參數(shù)的測量后轉(zhuǎn)換計算得到。而3個姿態(tài)角則通常由陀螺儀進行測量，這是實現(xiàn)自動控制飛行（自動駕駛儀）的基礎(chǔ)。同時陀螺儀還可對角加速度進行測量。在有人駕駛飛機上，陀螺儀除了給飛機自動駕駛儀提供飛行姿態(tài)信號外，還為轉(zhuǎn)彎指示儀、轉(zhuǎn)彎側(cè)滑指示儀、傾角儀、姿態(tài)指示儀等儀表提供信號。實際上，在現(xiàn)代飛控系統(tǒng)中，這些儀表的輸入都是來自飛控計算機。第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：陀螺儀：由于由很多物理現(xiàn)象都與慣性空間的旋轉(zhuǎn)存在關(guān)系，因此，借助于不同的物理現(xiàn)象（原理），研制出許多不同類型的陀螺儀。分類：分類方式分類依據(jù)陀螺儀按工作機理分類以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀流體轉(zhuǎn)子陀螺儀振動陀螺儀以非經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)激光陀螺儀光導(dǎo)纖維陀螺儀壓電晶體陀螺儀粒子陀螺儀分類方式分類依據(jù)陀螺儀按應(yīng)用年代分類第一代剛體轉(zhuǎn)子陀螺第二代液浮陀螺氣浮陀螺擾性陀螺第三代激光陀螺儀光導(dǎo)纖維陀螺儀壓電晶體陀螺儀第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：就陀螺儀基本原理的分析而言，曾經(jīng)廣泛使用的剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀仍是學(xué)習(xí)陀螺儀基本理論的基礎(chǔ)，因此首先對這類陀螺儀進行介紹。高速旋轉(zhuǎn)的物體即為陀螺，用支架把高速旋轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子支撐起來，并可對運動物體的角位移和角速度進行測量，即構(gòu)成了陀螺儀。這是最基本的陀螺儀類型，稱為剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀。剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀主要包含單自由度陀螺儀和二自由度陀螺儀兩種類型，下面我們將對它們進行分別介紹。二自由度陀螺儀；單自由度陀螺儀。第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：I.基本結(jié)構(gòu)與組成：內(nèi)環(huán)+外環(huán)＝萬向支架；O點稱為萬向支點。轉(zhuǎn)子具有繞其自轉(zhuǎn)軸、內(nèi)轉(zhuǎn)軸和外轉(zhuǎn)軸這三個軸的三個轉(zhuǎn)動自由度。軸承1軸承2自轉(zhuǎn)軸內(nèi)環(huán)軸外環(huán)軸第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：II.特性：介紹進動性、陀螺力矩、定軸性三個特性。進動性：陀螺儀的轉(zhuǎn)動方向與外力矩的作用方向相垂直的特性稱陀螺的進動性。轉(zhuǎn)動角速度稱為進動角速度，進動所繞的軸稱為進動軸。實際過程及規(guī)律為：如右圖所示，向內(nèi)環(huán)軸施加力F，則該力所產(chǎn)生的力矩方向沿著內(nèi)環(huán)軸正向，角動量方向為沿自轉(zhuǎn)軸正向，則角動量矢量則以最短的路徑向外力矩矢量靠攏！第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：以上過程可用右手定則來確定。第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：進動角速度的大小取決于角動量大小和外力矩的大小。該理論的更高應(yīng)用（反向應(yīng)用）：力矩陀螺。當(dāng)安裝在衛(wèi)星上的力矩陀螺進行加速或減速時，將產(chǎn)生一加速度方向相反的外力，從而引起衛(wèi)星繞陀螺自轉(zhuǎn)軸的反向運動；當(dāng)衛(wèi)星上的二自由度陀螺定速旋轉(zhuǎn)，但自轉(zhuǎn)軸方向改變時，將產(chǎn)生一外力矩，外力矩也向角動量方向靠攏，從而改變衛(wèi)星姿態(tài)。若陀螺轉(zhuǎn)速越高，則產(chǎn)生的外力矩越大，角速度也越大。第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：陀螺力矩：根據(jù)牛頓第三定律，有作用力（力矩），必然有反作用力（力矩），兩者大小相等，方向相反。因此，陀螺儀在進動時，也會產(chǎn)生力矩，稱為“陀螺力矩”。陀螺力矩實際上是哥式慣性力所形成的慣性力矩。第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：定軸性：

第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一慣性量的測量：陀螺儀：陀螺基