《控制系统元件之》PPT课件

2020/5/20,2,惯性量的测量：线加速度传感器：加速度传感器是用来测量飞机运动的加速度并输出加速度信号的装置。飞机运动包括飞机重心的线运动和绕机体三轴的角运动。因此加速度传感器分为线加速度传感器和角加速度传感器两种。在飞机上，测量角加速度的任务一般是通过速率陀螺仪测到飞机的角速度之后，通过微分求出。,2020/5/20,3,惯性量的测量：线加速度传感器：线加速度传感器是用来测量飞机重心运动的线加速度。一般情况下，沿三个飞机机体坐标轴的轴向分别安装有三个线加速度传感器，分别用于测量法向加速度（z轴）、纵向加速度（x轴）和侧向加速度（y轴），这三种传感器的组成、工作原理和传递函数完全一样，只是测量范围不同。分类：简单式线加速度传感器；浮子摆式加速度传感器；扰性摆式力矩反馈加速度传感器。,2020/5/20,4,惯性量的测量：线加速度传感器：简单式线加速度传感器：组成：弹簧及质量块m、电位计、阻尼器等；,2020/5/20,5,惯性量的测量：线加速度传感器：简单式线加速度传感器：工作原理：条件：安装在飞机的重心处。当飞机在惯性空间飞行时，当飞机出现某个轴向或方向的加速或减速时，在加速度矢量方向必定出现对应的力F，该力也会施加到质量块上，使其也会产生对应的加速或减速，并在某个方向上产生对应的位移（沿轴向时只有一个传感器的质量块产生位移，否则为两个以上），该位移就会带动电位计移动，从而输出对应电信号。注意：该电位计的电刷在电刷上的相对位移（输出位移）等于质量块位移减去飞机的位移。,2020/5/20,6,惯性量的测量：线加速度传感器：简单式线加速度传感器：传递函数及模型：设弹簧质量块为m，质量块的位移为z，飞机位移为xi，则电位计电刷位移（输出位移）为：x=z-xi。并忽略电刷与电位计之间的摩擦力，则有（以质量块为对象观察）：,2020/5/20,7,惯性量的测量：线加速度传感器：简单式线加速度传感器：传递函数及模型：当稳态时则有：,2020/5/20,8,惯性量的测量：线加速度传感器：简单式线加速度传感器：分析及结论：加速度传感器的输出电压与飞机的线加速度成正比关系，且相位差为180度；单位加速度所产生的相对位移量为固有频率平方的倒数，这说明弹簧刚度（弹性系数）越小，传感器的分辨率就越高，灵敏度也越高；简单式线加速度传感器结构简单、价格低，但实际应用时由于摩擦力、抗振动能力差等原因，非线性严重，灵敏度低，精度不高（0.5%1%）.,2020/5/20,9,惯性量的测量：线加速度传感器：浮子摆式加速度传感器：组成：浮子摆组件、力矩器、信号传感器、放大器、壳体等；,2020/5/20,10,惯性量的测量：线加速度传感器：浮子摆式加速度传感器：工作原理：为了解决简单式线加速度传感器存在的各个问题，用力矩系统取代弹簧，用浮子阻尼器取代简单阻尼器，则成为浮子摆式加速度传感器。如图所示，浮子摆组件由单摆及轴（相对于质量块）、浮筒、信号传感器转子和力矩器的转子等构成。其原理与简单式线加速度传感器相同，当飞机存在瞬时加速度时，单摆将绕轴产生转动，转动角度取决于加速度力矩的大小。该转动角度也是信号传感器转子的转动角度，这时信号传感器将产生电流信号输出，该电流信号将通过放大器（电流输出型）反馈给力矩器，使力矩器产生与加速度力矩相等的力矩，转子将进入平衡状态。当加速度改变时，平衡状态将再次改变。,2020/5/20,11,惯性量的测量：线加速度传感器：浮子摆式加速度传感器：传递函数及模型：设飞机瞬时加速度为a，转轴转角为，信号传感器的输出电流为U，系数为Ku；信号放大器的输出为I且放大系数为Ki，力矩器的方程为Mk=KmI。我们可得以下关系：,2020/5/20,12,惯性量的测量：线加速度传感器：浮子摆式加速度传感器：分析结论：由其结构及传递函数分析，可得到如下结论：增加了反馈系统后，系统工作的稳定性和精度将得到极大提高；采用浮子结构后，传感器的抗振动能力得到提升；其传递函数表明：其为一比例环节，只要保证反馈系统元部件的线性度，传感器的线性度将很好。,2020/5/20,13,惯性量的测量：线加速度传感器：扰性摆式力矩反馈加速度传感器：组成：扰性支撑、摆组件、角位移传感器、力矩器和反馈电子组件等。,2020/5/20,14,惯性量的测量：线加速度传感器：扰性摆式力矩反馈加速度传感器：工作原理：对浮子摆式加速度传感器的工作原理有了了解后，我们不难理解扰性摆式力矩反馈加速度传感器的工作原理；但需要区分：浮筒组件被扰性组件取代，但抗震效果一样很好；两个转子结构被线圈结构代替，动态响应能力更好！扰性摆式力矩反馈加速度传感器是目前导航级加速度计。,2020/5/20,15,惯性量的测量：陀螺仪：前面介绍过，飞机的飞行姿态主要包含3个姿态角+侧滑角。侧滑角可由（迎角）侧滑角传感器进行测量，它是通过大气参数的测量后转换计算得到。而3个姿态角则通常由陀螺仪进行测量，这是实现自动控制飞行（自动驾驶仪）的基础。同时陀螺仪还可对角加速度进行测量。在有人驾驶飞机上，陀螺仪除了给飞机自动驾驶仪提供飞行姿态信号外，还为转弯指示仪、转弯侧滑指示仪、倾角仪、姿态指示仪等仪表提供信号。实际上，在现代飞控系统中，这些仪表的输入都是来自飞控计算机。,2020/5/20,16,惯性量的测量：陀螺仪：由于由很多物理现象都与惯性空间的旋转存在关系，因此，借助于不同的物理现象（原理），研制出许多不同类型的陀螺仪。分类：,2020/5/20,17,惯性量的测量：陀螺仪：陀螺基本构成及原理：就陀螺仪基本原理的分析而言，曾经广泛使用的刚体转子陀螺仪仍是学习陀螺仪基本理论的基础，因此首先对这类陀螺仪进行介绍。高速旋转的物体即为陀螺，用支架把高速旋转的陀螺转子支撑起来，并可对运动物体的角位移和角速度进行测量，即构成了陀螺仪。这是最基本的陀螺仪类型，称为刚体转子陀螺仪。刚体转子陀螺仪主要包含单自由度陀螺仪和二自由度陀螺仪两种类型，下面我们将对它们进行分别介绍。二自由度陀螺仪；单自由度陀螺仪。,2020/5/20,18,惯性量的测量：陀螺仪：陀螺基本构成及原理：二自由度陀螺仪：I.基本结构与组成：内环+外环万向支架；O点称为万向支点。转子具有绕其自转轴、内转轴和外转轴这三个轴的三个转动自由度。,轴承1,轴承2,自转轴,内环轴,外环轴,2020/5/20,19,惯性量的测量：陀螺仪：陀螺基本构成及原理：二自由度陀螺仪：II.特性：介绍进动性、陀螺力矩、定轴性三个特性。进动性：陀螺仪的转动方向与外力矩的作用方向相垂直的特性称陀螺的进动性。转动角速度称为进动角速度，进动所绕的轴称为进动轴。实际过程及规律为：如右图所示，向内环轴施加力F，则该力所产生的力矩方向沿着内环轴正向，角动量方向为沿自转轴正向，则角动量矢量则以最短的路径向外力矩矢量靠拢！,2020/5/20,20,惯性量的测量：陀螺仪：陀螺基本构成及原理：二自由度陀螺仪：以上过程可用右手定则来确定。,2020/5/20,21,惯性量的测量：陀螺仪：陀螺基本构成及原理：二自由度陀螺仪：进动角速度的大小取决于角动量大小和外力矩的大小。该理论的更高应用（反向应用）：力矩陀螺。当安装在卫星上的力矩陀螺进行加速或减速时，将产生一加速度方向相反的外力，从而引起卫星绕陀螺自转轴的反向运动；当卫星上的二自由度陀螺定速旋转，但自转轴方向改变时，将产生一外力矩，外力矩也向角动量方向靠拢，从而改变卫星姿态。若陀螺转速越高，则产生的外力矩越大，角速度也越大。,2020/5/20,22,惯性量的测量：陀螺仪：陀螺基本构成及原理：二自由度陀螺仪：陀螺力矩：根据牛顿第三定律，有作用力（力矩），必然有反作用力（力矩），两者大小相等，方向相反。因此，陀螺仪在进动时，也会产生力矩，称为“陀螺力矩”。陀螺力矩实际上是哥式惯性力所形成的惯性力矩。,2020/5/20,23,惯性量的测量：陀螺仪：陀螺基本构成及原理：二自由度陀螺仪：定轴性：