传感器与执行机构.ppt

飞控系统中的传感器与执行机构,一.飞控系统中的传感器,飞机运动变量角度,角速度,角加速度,速度,加速度,高度,迎角,侧滑角飞控系统中传感器的目的测量飞机的运动,反馈给飞控系统内回路:角速度,迎角,加速度姿态稳定回路:角度巡航与自动飞行:高度,速度传感器的类型:惯性器件,1.陀螺仪,测量飞机的姿态角:俯仰、滚转、偏航角测量飞机的三轴角速率,单自由度陀螺仪oz轴为高速旋转的转子固定在内环上内环固定在基座上，绕ox轴转动,双自由度陀螺仪,oz轴为高速旋转的转子，固定在内环上内环固定在外环上，绕ox轴转动外环固定在基座上，绕oy轴转动也叫三自由度陀螺内环是一个万向支架，将转子与基座隔开,2.双自由度陀螺工作原理,转子高速运转，2150024000转分2.1定轴性：1）惯性空间静止不动的坐标系，太阳坐标系不随地球转动，近似看作地坐标系2）陀螺现象高速旋转的物体，其轴线（动量矩）保持空间的方向不变，该空间为惯性空间3)陀螺的定轴和漂移都是相对于惯性空间,自由陀螺仪飞机从东到西，陀螺的转子轴方向不变，转子轴由万向支架与飞机隔开，不随飞机姿态改变定位陀螺仪陀螺转子H轴线被控制或修正跟踪地垂线,用来测量飞机的角度、角速度运动,2.2陀螺的进动性,外环垂直于地面，内环ox,oz轴平行于地面在ox轴上吊一个重物G，产生力矩：Mx=G*r，沿ox方向1）转子不转时，H=0,产生沿ox轴的角加速度，普通惯性物体在空间的运动2）当转子高速旋转时，H大，在Mx的作用下产生外框绕oy轴转动y进动，由H到x，符合右手定则,Mx,MG,2.2陀螺的进动性(续)力矩平衡方程：当H=0时为普通惯性方程进动方向：由Hx方向，右手定则进动角速度：y=Mx/H2.3陀螺力矩转子动量矩H很大时，进动产生y，转子轴不顺Mx方向转动，产生了陀螺力矩：MxGMx=Hy惯性力矩陀螺力矩与外力矩Mx方向相反，大小相等，起到平衡外力矩的作用,2.4双自由度陀螺的运动方程,OXYZ基座坐标系OXYZ固连于外环坐标系，外环绕OY轴转，产生角和OXYZ固连于内环坐标系，内环绕OX轴转，产生角和,欧拉角角动量HOZ方向,随内框偏转,Ix,Z,Z,X,X,Z,Y,Y,在OXY平面求双自由度陀螺的运动方程,0Y轴力矩My外力矩，在My作用下产生0X轴力矩Mx外力矩，在Mx作用下产生同时产生惯性力矩：角加速度陀螺力矩：由摩擦阻尼力矩：两轴力矩方程：四阶，耦合，线性方程输出，,H向外,双自由度陀螺平衡方程,动态方程经积分、通过电测量装置（电位计、码盘等）输出与，成比例的电信号My,Mx修正力矩，保证H的水平和垂直动态过程简化的动态过程，仅考虑了静态关系考虑动态过程章动，好的陀螺仪应当减少章动,2.5双自由度陀螺测量飞机姿态角,地平仪（垂直陀螺）OXoYoZo地轴系OXbYbZb机体轴系可以绕俯仰和滚转框转动，陀螺转子H方向与OZo同方向，控制修正力矩，使H垂直于地垂线1）飞机产生俯仰角，体轴绕OY转，H，产生框架滚转，输出与成正比的角度信号2）飞机产生滚转角，体轴oz转，H，产生框架俯仰偏转，输出与成正比的角度信号,H,双自由度陀螺仪,液体开关一个液体单摆，始终向下给出基准，保持H的方向稳定在地垂线上两轴力矩马达与液体开关合作，产生修正力矩，防止H改变方向,3.单自由度陀螺,3.1基本原理OZ转子轴，H的方向OX内环轴，与弹簧和阻尼器连接，产生弹簧力矩；与电位计连接，输出与转角成比例的电信号,当基座有绕OY轴转动的y，陀螺进动产生沿OX的转动角，单自由度陀螺输出与y成比例的信号,3.2单自由度陀螺的动态方程,OXYZ基座坐标系OXYcZc内环坐标系基座绕OY转y，陀螺沿OX进动，内环同时OX轴上有弹簧力矩K，阻尼力矩摩擦力矩MTx，惯性力矩陀螺力矩分量和力矩平衡方程,3.2单自由度陀螺的动态方程（续）,设沿ox方向力矩平衡方程：,惯性力矩摩擦阻尼力矩弹簧力矩陀螺力矩,内环转角与y成正比,通过电位计输出与r成正比的电压信号：,3.3在飞机上的安装位置,俯仰速率：H方向oz2，内环ox2，由Hox2可测量q偏航速率：H方向oz1，内环ox1，由Hox1可测量r滚转速率：H方向oz3，内环ox3，由Hox3可测量p,捷联式直角两轴光电探测平台虚拟样机,三个速率陀螺分别安装在不同的方向上测量导弹弹体三轴速率扰动，完成反馈控制,4.陀螺仪的发展,种类很多，大小不等机械式，压电式，石英式，。液浮陀螺内环浮在液体中，减少摩擦挠性陀螺挠性接头，无摩擦的弹性支撑激光陀螺小型化光纤陀螺微型化陀螺稳定平台：不随飞机姿态改变，导航系统指标：精度，漂移,最新型角速率陀螺,MEMS技术小型化高精度高价格,5.加速度传感器,测量飞机重心的线加速度质量块受到力的作用产生加速度，位移x=z-xi通过弹簧平衡,阻尼器kg通过电位计输出安装在飞机质心位置，可测量飞机的法向、侧向加速度稳态输出信号：u=KaxK=-Kvm/k,Kv-电位计传递系数，k弹簧系数可近似代替迎角、侧滑角传感器测量迎角,6.迎角（侧滑角）传感器,风标式1）安在机头处，气流使叶片偏移，带动指针移动，电位计输出：u=k2）安在xoz平面内，测量侧滑角3）精度较低，噪声大,压差管式，零压差式：精度高于风标式,7.高度传感器,静压高度表：真空膜盒感受大气静压p，p膜盒膨胀（L），膜盒位移对应于气压高度差，电位计输出u=kH,高度差传感器：更复杂，u=kH,二.执行机构,舵机1）电动舵机：全电飞机，无人机2）液压舵机：力矩大，大型飞机3）电液复合舵机：控制电路液压助力器4）余度舵机：电磁余度，机械无余度电动舵机为例力矩电机，电磁回路，机械回路负载：铰链力矩，是M数，迎角、舵面偏转角的函数助力器（作动器）：液压式，增加力力矩，可近似为1,2.1电动舵机原理方块图,力矩电机+控制回路角速