第四章 舵机与舵回路-new

自动飞行控制系统,中国民航大学张旗2010年9月制,第四章舵机与舵回路,4.1舵机的工作原理电动舵机；电动液压舵机4.2舵机的特性分析4.3舵回路,第四章舵机与舵回路-概述,舵回路(伺服系统)是飞行自动控制系统中一个不可缺少的组成部分；按照指令模型装置敏感元件输出,的电信号去操纵舵面，实现飞机,角运动或轨迹运动的自动稳定和控制。舵回路是由若干部件组成的随动系统，其中舵机是执行元件。,4.1舵机与的工作原理,4.1.1电动舵机以电力为能源，通常由电动机(直流或交流)、测速装置、位置传感器、齿轮传动装置、和安全保护装置等组成。电动舵机的控制方式：直接式和间接式。直接式：改变电动机的电枢电压或激磁电压，直接控制舵机输出轴的转速与转向。间接式：是在电动机恒速转动时，通过离合器的吸合，间接控制舵机输出轴的转速和转向。,4.1.1电动舵机（续）,例：间接控制电动舵机,Z16,Z15,Z14,Z13,Z12,Z10,Z9,Z11,Z8,Z5,Z7,Z6,Z5,Z4,Z3,Z2,Z1,电磁离合器,衔铁与斜盘,电磁离合器,鼓轮,金属磨擦离合器,4.1.1电动舵机（续）,M,80%,40%,60%,100%,B,020%40%60%80%100%,/n,磁粉离合器的机械特性曲线,4.1.2液压舵机,能源液压舵机以高压液体作为能源。种类可分为液压舵机(直接推动舵面偏转)与电液副舵机(它要通过液压主舵机，即液压助力器才能带动舵面偏转)。左为电液副舵机。,液压舵机,电液副舵机的组成：电液伺服阀(包括力矩马达和液压放大器)：作动筒；和位移传感器。,电液副舵机各组成部件的作用,力矩马达：将电气量转换成机械角位移，是一种信号转换装置。液压放大器：将机械位移转换为控制阀液压的流向及流量。位移传感器：将活塞杆的位移转变成电信号反馈到FCC。,余度舵机,余度舵机：在电传操纵系统中使用;就是用几套相同的舵机组合在一起共同操纵舵面。余度电液副舵机有三套相同的电液副舵机（包括液压伺服阀合作动器），三套作动筒的活塞杆同时连接在一根杆上并一起运动。余度副舵机组成（各有3套）：监控器和逻辑转换控制开关：监控和检测各自通道的指令输入、电液伺服阀的位移、作动筒两腔的压力差和作动筒活塞的位移等信号。伺服阀位置传感器压差传感器副舵机位置传感器信号整形器旁通活门：受监控器控制，工作时可连通作动筒的两腔。,4.2舵机的特性分析,舵面的负载特性电动舵机的动特性液压舵机的动特性铰链力矩对舵机动特性的影响,4.2.1舵面的负载特性,舵机在运动过程中所承受的负载:铰链力矩-是舵机最主要的负载,是作用在舵面上的气动力相对于舵面铰链轴的力矩Mj。铰链力矩的大小取决于舵面的类型与几何形状、马赫数、迎角或侧滑角以及舵面的偏转，以舵面偏转所产生的铰链力矩为主。,铰链力矩Mj近似写为:,式中系数,表示单位舵偏角产生的铰链力矩.,作用于舵机的铰链力矩的特点:在舵面类型与几何形状一定的情况下，相同舵偏角产生的铰链力矩,随飞行状态而改变,动压Q越大,铰链力矩也越大;铰链力矩的方向(或者说系数的符号)也随飞行状态改变.,V,V,4.2.2舵机的动特性1.电动舵机的动特性,电动机的机械特性(包括磁粉离合器的机械特性在内)可由一族非线性曲线来表征.工程实践中往往采用线性化处理,即:研究其在某一平衡状态附近的增量运动,其斜率B等于:,U,B等于电压等于常数时，输出力矩M对角速度的偏导数；机械特性曲线与纵坐标的夹角。,M,电动舵机中电动机的机械特性曲线,电动舵机的动特性,电动机的力矩特性（包括磁粉离合器的力矩特性）近似为线性力矩特性，其斜率A等于：,M,I,0,式中：力矩特性曲线与横坐标I的夹角；A角速度等于常数时，输入力矩M对输入电流I的偏导数,电动舵机中电动机的线性化力矩特性,（用磁粉离合器控制的间接式）电动舵机的动特性,假设：鼓轮到舵面传动机构的速比为i；磁粉离合器、齿轮传动机构、舵面及它的传动机构和电动机转子折算到到鼓轮（包括鼓轮）的总转动惯量为J；磁粉离合器传递到鼓轮上的力矩为M；磁粉离合器控制绕组的输入电压为U，电流为I，电感量为L，电阻为R；鼓轮角速度和转角分别为和k；舵偏角为。忽略摩擦力矩的影响。,磁粉离合器,减速机构,舵面传动机构,I,M,注意：力矩传递比与速度传递比是互成反比例,磁粉离合器机械特性曲线的斜率B0，得出空载时（Mj=0）电动舵机的传递函数：,式中：TM=L/R为电动舵机的电气时间常数；KM=A/JR为电动舵机的静态增益，一般来说，时间常数TM值较小，近似分析中可忽略，因而电动舵机的传递函数可近似写为：,当舵机有载时（即Mj0），结构图变为（b），舵机的传递函数：,若忽略时间常数TM值，则可近似为：,下图是根据前述运动方程列出的电动舵机机构图：,A,R,u,+,-,I,+,-,-,B,k,M,（a）变换前,（b）变换后,u,+,-,k,由前式推导可见：空载时用磁粉离合器控制的电动舵机动特性：可用两个积分环节与一个惯性环节的串联来描述。舵机在铰链力矩作用下的动特性：可用一个二阶无阻尼的震荡环节与一个惯性环节的串联来描述。由于舵机的电气时间常数TM值较小，近似分析中往往可忽略。,4.2.2舵机的动特性2.液压舵机的动特性,A,B,回油,回油,P0,x,y,下图为简单滑阀活塞式液压舵机的原理图，其工作原理：,当滑阀的阀芯偏离中间位置x值后，进油压力为P0的高压油通过阀芯工作凸间打开的窗口，流入作动筒的一腔，造成作动筒左右两腔的压力不平衡，在两腔压力作用下活塞移动y值。活塞杆推动摇臂使舵面偏转。作动筒另一腔的油液被推出，经滑阀打开的另一窗口流回油箱。,P1容器,小室,密度为,压力为P1的流体从容器节流孔(或喷嘴)流入小室,忽略流体在容器中的流速,并假设流体截面处的:压力为P2;流速为V2;截面面积为A2;按照柏努里方程可写成:,于是,由上式可得截面处的流速为:,流体经截面处的流量Q2=A2V2,且A2=CdA0(A0为节流孔的面积,Cd为流量系数,它随节流前通道的几何形状而定),因此,可得处的流量为:,液压舵机的动特性（续）,A,B,回油,回油,P0,x,y,假设下图中回油压力为零;作动筒A腔的压力为PA;B腔的压力为PB,并忽略滑阀内部的漏油.则当阀芯左移x(设x为正)后,通过滑,阀流入作动筒A腔的流量QA和从B腔流到滑阀的流量QB分别为:,式中为油液密度;Cd为流量系数(一般在0.6-1范围内);A0为被阀芯打开的窗口面积,其正比于,阀芯位移量x,即:A0=bx(b为比例系数).因为滑阀输出的流量必须等于输入的流量,即QA=QB.若令:PA-PB=P,则滑阀的输出流量为:,上式描述的滑阀输出流量Q与负载P之间的关系又称滑阀的负载特性,如下图(a)所示,也是一族非线性曲线,可同分析电动舵机一样,采用线性化的处理方法来研究液压舵机的动特性,如图(b)所示.,Q,Q,P,P,X1,X1,X2,X3,X2,X4,X3,X4,(a)实际的,(b)线性化的,滑阀相对于平衡状态(P和x均为常数)做增量运动时,输出流量的增量Q为:Q=K1x-C1P,式中Q,x,P为相对于平衡状态的各增量值;,实际上,滑阀输出的流量除补充活塞移动推出的那部分流量外,还必须补偿:从作动筒高压腔经活塞的柱面与作动筒壁之间的缝隙流入作动筒低压腔的漏油量QL;由于油液压缩性引起的油液密度变化和高压油流过非刚体的油管与作动筒壳体引起的体积变化有关的那部分流量QV.故滑阀的输出流量增量又可表示为:,式中:F-活塞的有效面积;C2-为液流系数;ke-为油管管道的弹性系数;E-为油液的体积弹性模数V0-为作动筒两腔体积的平均值.,又:,考虑到上面的分析,滑阀的输出流量增量整理后可得:,假设：舵面、舵面传动机构折算到活塞并包括活塞自身的总质量为m；活塞运动的阻尼系数为f；摇臂长度为L；忽略摩擦力的影响。则活塞在两腔压力差P作用下的运动方程为：,Mj-铰链力矩的增量值。,液压舵机结构图,K1,F,f,F,(C1+C2),x,+,+,+,-,-,-,-,P,当液压舵机空载(即Mj=0)时,得空载时液压舵机的传递函数:,其中:,TM,M和kM分别为液压舵机的时间常数、阻尼比和静态增益.,目前飞行控制系统中采用的液压舵机，其时间常数TM值约为10-3秒的数量级，它远比飞机短周期运动的固有周期小得多。故一般TM值可忽略，液压舵机的近似传递函数为：,将前结构图进行变换，得:,x,+,-,根据前图的结构图，得出有载时液压舵机的传递函数为：,当忽略时间常数TM值后,上式可近似写为:,由上可见:液压舵机的空载动特性可用:一个积分环节和一个二节振荡环节串联;有载特性可用:一个惯性环节和一个二节振荡环节的串联.,电动舵机与液压舵机动特性总结,空载时用磁粉离合器控制的电动舵机动特性：两个积分环节与一个惯性环节的串联。有载时的动特性：一个二阶无阻尼的震荡环节与一个惯性环节的串联。,液压舵机的空载动特性可用:一个积分环节和一个二节振荡环节串联;有载特性可用:一个惯性环节和一个二节振荡环节的串联.,由于舵机的电气时间常数TM值较小，近似分析中往往可忽略。,铰链力矩对舵机动特性的影响,由前分析可知：铰链力矩对舵机的作用，相当在舵机内部引入一个包围电动舵机和液压舵机的附加反馈。显然，会改变舵机原来的特性。由于液压舵机与电动舵机相比，液压舵机内部有一个很强的速度反馈，不仅使液压舵机有较好的阻尼性能，而且使液压舵机受铰链力矩的影响比电动舵机小得多。（动、静特性均受到影响）,4.3舵回路,舵面的铰链力矩对舵机的工作影响很大,为了削弱铰链力矩对舵机的影响,飞行自动控制系统中都采用舵回路,而不是直接控制舵机来操纵舵面的偏转。舵回路的构成舵回路的基本类型舵回路的分析,1、舵回路的构成,舵回路是由若干部件组成的随动系统，其中舵机是执行元件。舵机的主要负载(舵面上的铰链力矩)随飞行状态改变，对舵机的工作及舵回路的构成有很大影响。舵回路的基本作用：保证输出与输入成一定的比例关系；减小铰链力矩对舵机工作性能的影响。,1、舵回路的构成铰链力矩对舵机的作用，相当于在舵机内部引入反馈，因而可利用自动控制原理中的补偿方法，人为地在舵机内部引入另一反馈来抵消它的影响。,u,+,-,+,-,-,B,k,M,上图忽略磁粉离合器控制绕组的电感量L,引入舵机鼓轮输出转角的反馈K来包围舵机。,若k0，且满足,化简结构图并导出电动舵机的传递函数:,则上式可近似为：,由上式可得：根据终值定理：,可求得在输入常值电压u作用下，鼓轮转角稳态值：,结论：,引入反馈k后，舵机的传递函数在各种飞行状态下都是一个稳定的二阶振荡环节（忽略电感L时），并且传递函数中各系数的值均与飞行状态无关，仅决定于舵机自身的结构和反馈k的大小；在稳态时鼓轮输出转角k正比于输入电压，与反馈量k成反比，而与飞行状态无关。,U,+,-,+,-,-,B,k,M,如果引入舵机输出的角速度反馈来包围舵机，则舵机的传递函数为：,假设在各种飞行条件,下，反馈系数r均大于零，且满足,的条件，则上式将包含来年各个实极点，其中一个实极点非常接近于零值，,所以前图的传递函数可变为：,根据终值定理：,得在输入电压u作用下的鼓轮稳态角速度：,引入反馈与引入反馈相似，在相当大时同样可以削弱铰链力矩对舵机的影响，使之与飞行状态无关。不同的是引入反馈后，在常值电压作用下，输入正比于输出稳态角速度。,综上所述：只要人为地引入一个很强的反馈，就可大大消弱铰链力矩对舵机工作性能的影响，并能按比例控制舵机的输出角速度或转角。而基本上与飞行状态无关。舵机输出位置量（角度或线位移）的反馈位置反馈实现方法：电位计、同位器、线性旋转变压器或线位移传感器。舵机输出速度（角速度或线速度）的反馈速度反馈实现方法：测速发电机等。,2.舵回路的基本类型,为改善舵机工作性能，在舵回路中常引用反馈，引入的反馈种类有：位置反馈(又称硬反馈)具有比例特性速度反馈(又称软反馈)具有积分特性均衡馈(又称弹性反馈)具有比例及积分特性与此相应舵回路有硬反馈式、软反馈式和弹性反馈式三种基本类型。,舵回路简化方块图,下图为舵回路的简化结构图，舵机动特性用近似传递函数(即一个积分环节)表示，并忽略铰链力矩的影响。,硬反馈式舵回路特点,反馈环节为比例环节Wf（S）=Kf（Kf为反馈系数），得到硬反馈式舵回路。传递函数为：（S）=（-K）/（TS+1）可见，硬反馈式舵回路近似为个惯性环节，其中系数K与T值均与反馈系数Kf成反比。因此，这种舵回路的特性与反馈系数的值密切相关，而且位置反馈舵回路的稳态输出舵偏角正比于输入电压。飞行自动控制系统的指令可按比例控制舵偏角的大小。,软反馈式舵回路特点,反馈环节为微分环节，为速度反馈系数)，构成软反馈式舵回路。传递函数为：可见，软反馈式舵回路的传递函数为一个积分环节，速度反馈舵回路输出舵偏角正比于输入电压的积分，也就是说，输出舵面偏转角速度正比于输入电压，并近似地与速度反馈系数成反比。因此，飞行自动控制系统的指令可以按比例控制舵偏角速度。,弹性反馈式(均衡式)舵回路特点,反馈环节为位置反馈中串联一个均衡环节，即:,kf为位置反馈系数;Te为均衡环节时间常数.舵回路近似传递函数为：,上式中Te值一般,比较大,所以:KMKAKfTe1,当忽略时间常数很小的惯性环节时,传递函数近似为:,综上分析可见:若弹性反馈式舵回路工作在低频段(即输入电压角频率小于1Te)，则舵回路的传递函数式近似为一个积分环节；若工作在高频段(即输入电压的角频率大于1Te)，则近似为一个比例环节。也就是说，弹性反馈式舵回路的低频特性接近于软反馈式舵回路的特性，高频特性则接近于硬反馈式舵回路的特性。它的输出既正比于输入，又正比于输入的积分，是一种兼有硬反馈式特性与软反馈式特