第五章舵系统设计(1)讲述

舵系统;控制导弹舵面或副翼偏转的伺服系统，舵系统是自动驾驶仪的一个重要环节，特点是；惯性大、功率强和非线性因素比较明显的一个复杂环节．它对自动驾驶仪的性能，有重大影响．四舵系统的工作原理不同舵系统的具体结构和控制方法各异，但工作原理大致相同．现以液压舵系统为例，说明工作原理．图4—1是液压舵系统原理方框图。4.1舵系统原理图4—1液压舵系统原理方框图。系统；由综合大器、液压舵机及反馈电路组成。综合放大器的作用；是对输入信号和反馈信号进行比较，产生误差信号并进行电压放大和功率放大，给电液伺服阀的力矩马达绕组输送差动电流

液压舵机组成；由电液伺服阀、作动筒以及反馈电位计组成(见图4—2)．电液伺服阀中带永久磁铁的极化式力矩马达与双喷嘴档板构成前置放大级，二级采用力反馈式液压滑阀放大器．图4—2液压舵机工作原理图1一控制线圈；2一导磁体，3一弹簧管：4一磁钢；5一衔铁；6一档板；7一喷咀，8一反馈杆：9一滑阀10一固定节流孔；11一阀体，12--~油阻尼孔；13一油滤；14一作动简，15一活塞杆(连杆)；16一反馈电位计；17一回油；18一进油．作动筒采用双向作用的直线位移式作动筒．液体流量是与作动筒活塞线速度成正比．活塞的直线往复运动通过操纵机构变成舵面的旋转运动．反馈电位计装在作动筒内，电刷由舵机的活塞杆(以下称连杆)带动，与活塞线位移成正比的反馈电位计输出信号在综合放大器中与输入信号进行综合

当＝0时，综合放大器输出的差动电流力矩马达的衔铁不偏转，档板处于中立位置，两喷嘴腔中压力相等，即：阀芯两端作用的压力相等．阀芯处于零位(即滑阀开度为零)．因此输出流量Q＝o，作动筒中，活塞两端压差为零，即于是活塞不动，假定差动电流在力矩马达控制线圈中产生的磁通的方向如图4—2所示，在气隙a，d中，与永久磁铁磁通方向相反，因而互相削弱的；在气隙c，b中与同向，因而相互加强．合力矩使衔铁绕回转中心(弹簧管的中心)逆时针转一个角度，使右喷嘴与档板的间隙减小，左喷嘴与档板的间隙则增加，于是，滑阀左移，高压油进入作动筒左腔，活塞上压差为，推动活塞右移，使舵面转．滑阀左移的同时，推动反馈杆顺时针旋转，衔铁以顺时针方向力矩与信号力矩平衡，此时滑阀左边的开口量与信号成正比，而进入作动筒的流量又与滑阀开口量成正比．；在活塞右移的同时，由反馈电位汁输出一个与连杆位移成正比的反馈信号，当时，在力反馈的作用下，衔铁回到中立位置，从而使滑阀回到中立位置，于是活塞就不再移动．舵面偏转一个与相对应的正角度．同理，当相对应的负角度．4.3舵系统设计的一般要求（1）一般要求1)应满足控制系统提出的最大舵偏角。和空载最大舵偏角速度的要求．2)应能输出足够大的操纵力和操纵力矩，以适应外界负载的变化，并且在最大气动铰链力矩状态下，应具有一定的舵偏角速对舵面反操纵作用，应具有有效的制动能力(或称刹车能应具有足够的带宽，以满足弹上飞行控制系统的需要．体积小、质量轻、比功率大、成本低、可靠性高及使用维护(2)设计中应考虑的问题除上述一般要求外，随着驾驶仪的不同，以及导弹的战术技术指标不同，舵系统设计中应考虑问题的侧重面也就不同．在具体设计中应有针对性．设计中常常会遇到下述需要解决的问题．

1)采用哪些类型的舵系统最为有利?这取决于对舵系统的具体要求；弹上提供的能源类型，执行机构在弹上布局的空间大小；可供选择的执行元件系列；国内生产水平和工艺水准；产品的继承性．2)采用哪种反馈形式?反馈从何处引出?对中、远程防空导弹，通常采用液压或气压舵系统，而且均采用位置反馈．对近程防空导弹，多采用电动舵系统或燃气舵系统．反馈方式常采用舵偏速度反馈，或气动铰链力矩反馈，或者舵面做成特殊形状，不用反馈，开路工作．反馈从何处引出比较合理，也值得注意．从图4—3可以看出，对中、远程防空导弹，由于操纵机构(包括舵面)惯量大、刚度低，属于阻尼很小(0．05)，固有频率较低(40Hz)的二阶环节．同时还含有明显的非线性(如间隙特性)．如果直接采用舵偏角反馈(即图4—3中2，3接通)，则操纵机构这个环节包入舵系统内，这样要设计一个性能良好，快速性高的舵系统就十分困难．相反如果采用舵机连杆位移X为位置反馈(即图4—3中1，3接通)，操纵机构不包入舵系统，则能很方便地设计出性能良好的快速舵系统．图4，3舵系统反馈方式4.4舵机动力学模型舵机是构成舵系统的核心部件，正确地建立舵机数学模型十分重要．同时要根据实际应用场合，对已建立的数学模型进行合理的简化，以便抓住问题的本质，提高设计效率．此外，用实验手段获取舵机的动力学模型，在工程应用上也十分重要．本节重点阐述这两方面内容．4．4．1负载状态下舵机传递函数作为执行元件的舵机，在导弹飞行过程中总是在负载状态下工作．作用在舵机上的负载通常有四种：惯性负载、弹性负载、粘性负载，摩擦负载液压和气压舵机而言，是指包含带活塞的连杆和带舵面的操纵机构；对电动舵机而言，应包括电动机的转子和带舵面的减速机构．在负载状态下，必须把舵机的传动部分看成一个整体环节研究．根据需要可以折算到舵轴上分析计算，也可以折算到连杆上(或电动机转轴上)分析计算．现以液压舵机为例，直接给出不同类型负载状态下的舵机传递函数，而略去中间推导过程．(1)全负载状态的液压舵机传递函数全负载；系指惯性负载、粘性负载和弹性负载同时存在．并假设液压油不可压缩，泄漏损耗很小，可忽略不计．全负载状态下液压舵机框图如图4—4所示．根据图4—4，简化可得全负载状态的舵机传递函数如下在工程上，由于图4—4负载状态下舵机框图并且实际存在的纯延迟，通常用一个振荡环节和迟环节来描述全负载状态下液压舵机的动性．即的表达式中所含的流量压力系数，和空载流量系数尺Ks，在工程上可以从电液伺服阀实测的负载流量曲线(即Q～p曲线)上求得．图4—5是某型伺服阀实测的负载流量曲线，取I＝12mA对应的那条曲线，在0～(即0—13．0MPa)的工作区内用直线(见图4—5中的虚线)代替，代表油源压力．一流量压力系数公式如下，空载流量系数Ks公式如下图4—5负载流量曲线4.5、液压舵系统设计实例1、设计一个由液压系统驱动的舵系统其指标要求如下1）最大舵偏角其中土30°为最大指令所占用.2)最大舵偏角速度3)舵机连杆最大行程4)折算到舵机活塞上的最大负载Fmax≥4903.3N5)最大舵指令(对应±30°)±6V.6)舵系统等效传递函数为对舵系统开环要求:幅稳定裕量≥6的dB,相稳定裕量≥45°对舵系统闭环相移要求;在7)舵系统过渡过程的上升时间超调量;8)带舵面的操纵机构传递函数为9）弹上液压油源工作压力为；液压舵系统计算方框图2、舵系统计算系统采用连杆位移反馈，在舵系统反馈通道内设置一个惯性环节，由于力反馈型电液伺服阀频带比较宽，在舵系统驱动惯性负载的工作条件下，当油压出现脉动时会使舵系统激发起不规则的振荡，这种振荡是有害的，在舵系统反馈通道内设置一个惯性环节，可以有效地消除这种有害的振荡。（1）、舵系统反馈系数的确定当高压油从左腔进入作动筒，则活塞在压差作用下，向右移动，反之向左作动筒内流量Q与活塞运动速度成正比作用在活塞上的力与作用在活塞两边的压差成正比2）活塞和连杆的直径计算活塞上的压差建立的主动力，除克服负载的等效阻力外，还需克服摩擦力，所以计算为保证活塞最大速度，需要的最大流量c、电液伺服阀的选择依据；确保足够流量和功率；空载流量增益线性度好；压力灵敏度高；通频带宽图5-5采用他激直流电动机的执行机构原理图UA-电枢电机；UB-激磁电压；ω-电机转速；1-减速器；2-陀面。12UAUB电动舵机根据自流电机力矩特性，电机产生的转矩与流过电枢绕组的电流和磁通的乘积成比例。即电机转动后，经过减速装置带动舵面偏转，假定减速机构的减速比。若将电机的转矩以及活动部分的惯量全都折算到舵面的转轴上，则得到舵面的运动方程则可得电动舵机的传递函数为知识点；1，舵系统设计方法2，舵系统设计参数如何选择计算3、舵系统的分类4、舵系统静态参数计算5、舵系统动态参数计算6、舵机