《飛行控制系統(tǒng)》第四章舵機與舵回路課件

第四章舵機與舵回路舵機（執(zhí)行機構(gòu)）舵面負載及對舵機的影響舵回路的基本類型與特點舵機特性對舵回路的影響舵機與飛機操縱系統(tǒng)的聯(lián)接方式第四章舵機與舵回路舵機（執(zhí)行機構(gòu)）1引言舵回路（伺服系統(tǒng)）是飛行自動控制系統(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操縱舵面，實現(xiàn)飛機角運動或航跡運動的自動穩(wěn)定與控制。組成：放大器、舵機、反饋元件（作用是改善舵回路特性）組成隨動系統(tǒng)。舵回路負載：舵面的慣量，和作用在舵面上的氣動力矩（鉸鏈力矩）。

引言舵回路（伺服系統(tǒng)）是飛行自動控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分24.1舵機的工作原理舵機作用：舵機是舵回路中的執(zhí)行元件，輸出力矩（或力）和角速度（或線速度），驅(qū)動舵面偏轉(zhuǎn)。舵機類型：飛行控制系統(tǒng)中的舵機有三大類：電動舵機、液壓舵機、電液復(fù)合舵機4.1舵機的工作原理舵機作用：3電動舵機組成：一般電動舵機包括①電動機（直流或交流的），②測速裝置，③位置傳感器，④齒輪傳動裝置，⑤保安裝置。優(yōu)點：①能源是電力，通常與飛控系統(tǒng)用同一能源，傳輸、控制等方便。

②加工制造、裝配維修方便?？刂品绞剑褐苯邮剑g接式。

電動舵機組成：一般電動舵機包括①電動機（直流或交流的），②測4液壓舵機

分為液壓舵機和電液副舵機。組成：由電液伺服閥（力矩馬達和液壓放大器），作動筒和位移傳感器組成。優(yōu)點：體積小、重量輕、功率增益大，輸出功率與轉(zhuǎn)動慣量的比值大，所以快速性好，控制功率小，靈敏度高。缺點：加工、裝配較困難，生產(chǎn)成本較高，要另加能源——油源。液壓舵機 分為液壓舵機和電液副舵機。5電液復(fù)合舵機組成：電液復(fù)合舵機是電液副舵機和液壓主舵機組裝而成的。兼有兩種舵機的功能。一般具有人工駕駛、自動控制、復(fù)合工作和應(yīng)急操縱等四種工作狀態(tài)。電液復(fù)合舵機組成：電液復(fù)合舵機是電液副舵機和液壓主舵機組裝而6余度舵機主要用于電傳操縱系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。用幾套相同的舵機組合在一起共同操縱舵面，構(gòu)成余度舵機。余度舵機主要用于電傳操縱系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。7《飛行控制系統(tǒng)》第四章舵機與舵回路課件8對舵機的特殊技術(shù)要求有足夠的機械輸出功率。滿足舵回路動態(tài)性能要求的基本條件。舵機中應(yīng)有保證安全可靠的具體措施。對舵機的特殊技術(shù)要求有足夠的機械輸出功率。9§2、舵機的特性分析一、舵面的負載（鉸鏈力矩）特性

舵機推動舵面運動時，除了要克服運動部分的慣性力矩和摩擦力矩外，還要克服舵面鉸鏈力矩。鉸鏈力矩是由空氣動力作用在舵面上而造成的對舵面鉸鏈軸的力矩。§2、舵機的特性分析一、舵面的負載（鉸鏈力矩）特性10鉸鏈力矩特性鉸鏈力矩與舵面幾何形狀、類型，飛行的 或及舵偏角有關(guān)，其中以舵偏角為主。鉸鏈力矩表達式為：

顯然，鉸鏈力矩的大小、符號隨飛行狀態(tài)而變鉸鏈力矩特性鉸鏈力矩與舵面幾何形狀、類型，飛行的11

的大小、符號隨飛行狀態(tài)變化情況

的大小：動壓Q越大，鉸鏈力矩也越大。的符號：取決于舵面轉(zhuǎn)軸相對于舵面氣動力（）壓力中心位置。

鉸鏈力矩的大小和方向隨飛機狀態(tài)而變化，對舵機的工作有很大的影響。的大小、符號隨飛行狀態(tài)變化情況的大?。簞訅?2鉸鏈力矩方向轉(zhuǎn)軸位于壓力中心前，

轉(zhuǎn)軸位于壓力中心后，出現(xiàn)反操縱現(xiàn)象鉸鏈力矩方向轉(zhuǎn)軸位于壓力中心前，13二、舵機的動特性1、舵機工作是非對稱的。原因有兩個：飛機穩(wěn)定飛行時，舵面就不在中間位置，而是有一個舵偏度，這就使一開始有初始值作用到舵機上。舵機工作過程中，負載力矩不對稱。例如舵機使舵面偏角加大時（出舵時）鉸鏈力矩起阻止加大的作用；而在收舵時，又起加速舵面回收的作用。二、舵機的動特性1、舵機工作是非對稱的。原因有兩個：14磁粉離合器間接控制電動舵機原理方塊圖磁粉離合器間接控制電動舵機原理方塊圖152、舵機的動態(tài)特性：模型：電動機的力矩特性2、舵機的動態(tài)特性：模型：16式中：慣性力矩阻尼力矩折算到鼓輪上的鉸鏈力矩舵面角鼓輪角“△”表示增量“－”表示舵面轉(zhuǎn)的方向與鼓輪轉(zhuǎn)的方向相反式中：17電動舵機方框圖電動舵機方框圖18電動舵機傳遞函數(shù)1）舵面負載為零時，得空載時電動舵機輸入電壓對鼓輪輸出轉(zhuǎn)角的傳函：舵機的靜態(tài)增益舵機電氣時間常數(shù)一般很小，可略去。電動舵機傳遞函數(shù)1）舵面負載為零19電動舵機傳遞函數(shù)2）舵面負載不為零時

當(dāng)略去時，電動舵機傳遞函數(shù)2）舵面負載不為零時當(dāng)略去時，20電動舵機特性分析空載時：舵機動特性可描述為兩個積分環(huán)節(jié)與一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)有載時：舵機動特性可描述為一個二階無阻尼振蕩環(huán)節(jié)與一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)無論空載還是有載情況下，靜態(tài)增益及時間常數(shù)均隨飛行狀態(tài)改變。由于值很小，在舵機動特性近似分析中可略去不計。由于舵機傳函中均含，∴鉸鏈力矩對舵機動特性是有影響。電動舵機特性分析空載時：舵機動特性可描述為兩個積分環(huán)節(jié)與一個21化簡方塊圖為：

化簡方塊圖為：22B不為零時的電動機負載傳遞函數(shù)B不為零時的電動機負載傳遞函數(shù)23三、鉸鏈力矩對舵機動特性的影響

對舵機形成反饋構(gòu)成小回路，時是正反饋，舵機傳函中將包含不穩(wěn)定的二階環(huán)節(jié)，舵機工作不穩(wěn)定。時，是負反饋，舵機工作穩(wěn)定。舵機特性隨飛行狀態(tài)變化，其穩(wěn)態(tài)輸出角也隨飛行值改變，一般使舵機工作為非對稱性的工作。

三、鉸鏈力矩對舵機動特性的影響對舵機形24§3舵回路舵回路的構(gòu)成：由舵機與反饋通道構(gòu)成的閉合回路。舵回路構(gòu)成原因鉸鏈力矩的存在，相當(dāng)于在舵機內(nèi)部引入一個反饋。要想消除它對舵機工作的影響，可人為地引入另一個反饋構(gòu)成了舵回路來抵消鉸鏈力矩的影響?！?舵回路舵回路的構(gòu)成：251、硬反饋（位置反饋）式舵回路1)引入位置反饋——舵機鼓輪輸出轉(zhuǎn)角的反饋

1、硬反饋（位置反饋）式舵回路1)引入位置反饋——舵機鼓26位置反饋電動舵機方塊圖1)引入位置反饋—舵機鼓輪輸出轉(zhuǎn)角f的反饋,若且穩(wěn)態(tài)值為：位置反饋電動舵機方塊圖1)引入位置反饋—舵機鼓輪輸出轉(zhuǎn)角27位置反饋分析結(jié)論

引入位置反饋f，對任何飛行狀態(tài)，其舵回路傳函均為一個二階振蕩環(huán)節(jié)，且各系數(shù)僅與舵機自身的參數(shù)和反饋量f有關(guān)，與飛行狀態(tài)無關(guān)，減弱影響。穩(wěn)態(tài)時，舵機鼓輪轉(zhuǎn)角與輸入電壓成正比，與反饋f成反比，即與成線性關(guān)系，這種反饋f是位置反饋，又稱硬反饋。位置反饋分析結(jié)論引入位置反饋f，對任何飛行狀態(tài)，其舵回路28引入舵機輸出角速度反饋r——軟反饋傳函為：當(dāng)時，傳函近似為：穩(wěn)態(tài)值為：

引入舵機輸出角速度反饋r——軟反饋傳函為：29角速度反饋電動舵機方塊圖

角速度反饋電動舵機方塊圖30速度反饋分析結(jié)論：引入速度反饋r，當(dāng)r較大時，舵回路特性與飛行狀態(tài)無關(guān)，同時減弱了鉸鏈力矩對舵機的影響；引入速度反饋r后，使舵機鼓輪輸出轉(zhuǎn)動角速度與成比例，稱為速度反饋—軟反饋鉸鏈力矩對舵回路特性影響不大

速度反饋分析結(jié)論：引入速度反饋r，當(dāng)r較大時，舵回路特性與31二、舵回路類型與特點舵回路簡化方塊圖二、舵回路類型與特點舵回路簡化方塊圖32

舵回路分為三類：舵回路分為三類：331.硬反饋（位置反饋）式舵回路分析反饋部分為:舵回路傳函：特點：①引入的反饋為位置反饋，又叫硬反饋。②舵面輸出的轉(zhuǎn)角與輸入信號成比例，構(gòu)成比例式飛控系統(tǒng)。③舵回路傳函為一個慣性環(huán)節(jié)。

1.硬反饋（位置反饋）式舵回路分析反饋部分為:342、軟反饋（速度反饋）式舵回路反饋部分為：舵回路傳函：特點：①引入的反饋是速度反饋（又叫軟反饋）②舵回路傳函為一個積分環(huán)節(jié)。③舵面輸出轉(zhuǎn)動角速度與輸入信號成正比構(gòu)成積分式控制律的飛控系統(tǒng)。2、軟反饋（速度反饋）式舵回路反饋部分為：353、彈性反饋（均衡式）舵回路反饋部分為：(均衡環(huán)節(jié))舵回路傳函：（近似值為當(dāng)很大，且時，略去時間常數(shù)很小的慣性環(huán)節(jié)所得）3、彈性反饋（均衡式）舵回路反饋部分為：36特點：舵回路是位置反饋環(huán)節(jié)與均衡反饋環(huán)節(jié)相串聯(lián)。傳函為（比例＋積分環(huán)節(jié)）高頻時體現(xiàn)硬反饋，低頻時體現(xiàn)積分作用。舵面輸出特點：舵回路是位置反饋環(huán)節(jié)與均衡反饋環(huán)節(jié)相串聯(lián)。37舵回路的發(fā)展及其數(shù)字化當(dāng)今系統(tǒng)舵回路特點：（1）采用余度技術(shù)；（2）采用輔助作動器方案；（3）模擬式電液伺服作動系統(tǒng)仍占主導(dǎo)地位舵回路的發(fā)展及其數(shù)字化當(dāng)今系統(tǒng)舵回路特點：38三、舵回路中反饋量的配置速度反饋：一般可提高穩(wěn)定性，改善動態(tài)響應(yīng)。位置反饋：可提高通頻帶，快速性，影響靜態(tài)穩(wěn)定性。（太大，系統(tǒng)不穩(wěn)）混合反饋：一般速度反饋不能大，液壓舵回路中，一般不用速度反饋。對于各種反饋量的確定──可用根軌跡分析、動態(tài)響應(yīng)分析，通頻帶，快速性及靜態(tài)特性幾個方面對比來定。三、舵回路中反饋量的配置速度反饋：一般可提高穩(wěn)定性，改善動態(tài)39四、舵回路舉例系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)要求：舵機要有足夠的功率輸出；各種飛行狀態(tài)舵機都能穩(wěn)定工作；舵回路的靜、動態(tài)性能應(yīng)滿足系統(tǒng)提出的輸入/輸出關(guān)系；舵回路要有較寬的頻帶，一般大于飛機的3~5倍；舵回路要有較寬的動態(tài)相應(yīng)和較大的阻尼，并且相位滯后要小；四、舵回路舉例系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)要求：40四、舵回路舉例系統(tǒng)的設(shè)計四、舵回路舉例系統(tǒng)的設(shè)計41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：分析舵回路參數(shù)參見P182，且已知速度反饋系數(shù)為42舵回路根軌跡：舵回路根軌跡：43§4、舵機特性對舵回路的影響一、舵機輸出功率對舵回路的影響

輸出功率有限影響線性工作范圍，快速性及帶寬?！?、舵機特性對舵回路的影響一、舵機輸出功率對舵回路的影響44二、舵機傳動機構(gòu)中的非線性（間隙）對舵回路的影響增大舵回路延遲時間，增大靜差，降低舵回路的穩(wěn)定性有可能引起極限環(huán)振蕩（在舵回路輸出零值附近）此現(xiàn)象以間隙出現(xiàn)在反饋通道中為最嚴重非線性（間隙）影響靜差、穩(wěn)定性、引起極限環(huán)振蕩二、舵機傳動機構(gòu)中的非線性（間隙）對舵回路的影響增大舵回路延45§5舵機與飛機操縱系統(tǒng)的聯(lián)接方式一、飛機上的操縱系統(tǒng)主操縱系統(tǒng)──操縱飛機三舵面（、、）（通過傳動機構(gòu)）輔操縱系統(tǒng)──操縱調(diào)整片、水平安定面、起落架、襟翼、減速板等§5舵機與飛機操縱系統(tǒng)的聯(lián)接方式一、飛機上的操縱系統(tǒng)46《飛行控制系統(tǒng)》第四章舵機與舵回路課件47助力器：

當(dāng)飛行速度提高時，鉸鏈力矩加大，人力難以操縱，為此用液壓助力器可逆助力器：常用在高亞音速飛機上，飛行員可真實感受桿力。（有力反傳）（桿力可借助于助力器傳動比變化）不可逆助力器：平尾軸置于亞、超音速時焦點之間，防力反傳（因為由亞音速變超音速時，有反操縱現(xiàn)象，）。加彈簧人工感受力裝置助力器：當(dāng)飛行速度提高時，鉸鏈力矩加大，人力48《飛行控制系統(tǒng)》第四章舵機與舵回路課件49二、舵機與操縱系統(tǒng)連接方式

舵機與人工操縱系統(tǒng)有兩種連接方式：并聯(lián)式、串聯(lián)式并聯(lián)式連接方式：用于自動駕駛儀中的舵機與人工系統(tǒng)的連接。AP工作時：飛行員不動駕駛桿，指令由操縱臺上旋鈕給出。人操縱時：斷開AP。應(yīng)急時：不斷開AP，人可強力操縱（離合器打滑）二、舵機與操