第10节课舵机与舵回路分析.ppt

1、飞行控制系统,第十节课(20160425) (feikong),第四章舵机与舵回路,4.1 舵机（执行机构）结构及工作原理 4.2 舵机的特性分析 4.3 舵回路,舵回路（伺服系统）是飞行自动控制系统中不可缺少的组成部分，它按照指令模型装置或敏感元件输出的电信号操纵舵面，实现飞机角运动或航迹运动的自动稳定与控制。 舵回路是由若干个部件组成的随动系统，其舵机是执行元件，它的负载（舵面上的铰链力矩）是随飞行状态变化的该负载对舵机和舵回路有较大的影响。,4.1 舵机（执行机构）结构及工作原理,4.1 舵机（执行机构）结构及工作原理,舵机作用： 舵机是舵回路中的执行元件，输出力矩（或力）和角速度（或线

2、速度），驱动舵面偏转。 舵机类型： 飞行控制系统中的舵机有三大类： 4.1.1 电动舵机; 4.1.2 液压舵机; 4.1.3 电液复合舵机。,4.1.1 电动舵机结构及工作原理,组成： 电动舵机以电力为能源,一般包括: 电动机（直流或交流的）; 测速装置; 位置传感器; 齿轮传动装置; 安全保护装置。,电动舵机根据其控制方式分为: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和转向; 间接式: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。 图4-1 为用磁粉离合器间接控制电动舵机传动的示意图,4.1.1 电动舵机结构及工作原理,4.1.

3、1 电动舵机结构及工作原理,4.1.1 电动舵机结构及工作原理,工作原理： 电动机恒速转动，电磁离合器主动部分的壳体与齿轮 固连并随电动机输出轴一起恒速转动，壳体内有控制绕组和磁粉，从动部分的杯形转子与磁粉离合器的输出齿轮 固连。 当电流流过控制绕组时，磁粉被磁化产生磁力，在主动与从动之间产生正比于控制电流的摩擦力矩，带动转子和齿轮 一起转动。,4.1.1 电动舵机结构及工作原理,工作原理： 在磁粉离合器前有两极减速： 在磁粉离合器后还有三极减速： 有两个磁粉离合器可以提供大小相等、方向相反的旋转。 金属摩擦离合器5带动鼓轮2转动，输出正比于控制电流的力矩。 线性旋转变压器和测速发电机经过齿轮

4、转动装置随鼓轮一起转动，各自输出正比于鼓轮转角和角速度的电信号。,4.1.1 电动舵机结构及工作原理,工作原理： 电磁离合器3是鼓轮与输出齿轮的连接装置，用来控制是人工操纵还是自动控制。 自动控制时，离合器的激磁绕组通电，电磁离合器吸合，输出齿轮 与鼓轮相连，鼓轮随输出齿轮 一起转动； 人工操纵时，电磁离合器不通电，输出齿轮 不与鼓轮连接，由驾驶员直接操纵舵面。,4.1.1 电动舵机结构及工作原理,工作原理： 金属摩擦离合器5利用金属片之间的摩擦传递力矩，是一种安全保护装置。当电磁离合器工作时，齿轮 经金属摩擦离合器带动鼓轮转动，当负载力矩超过某值时，金属片打滑，从而限制舵机的最大输出力矩。紧

5、急情况下，驾驶员还可以强行操纵，确保飞行安全。,优点： 能源是电力，通常与飞控系统用同一电源，传输、控制等方便。 加工制造、装配维修方便。 缺点： 在输出相同功率时，体积和重量较大（与液压舵机相比）有减速齿轮。 快速性差些。输出功率不大，而且重量大，惯性大，快速性差。,4.1.1 电动舵机结构及工作原理,组成： 液压舵机以高压液体（油）为能源，按其作用分为液压舵机（直接推动舵面偏转）和电液副舵机（主要通过液压主舵机，即：液压助力器才能带动舵面偏转）。目前纯液压舵机使用不多，主要用电液副舵机。 主要由电液伺服阀（力矩马达和液压放大器），作动筒和位移传感器组成。 图4-3为一种典型的电液副舵机机构

6、原理示意图,4.1.2 液压舵机结构及工作原理,4.1.2 液压舵机结构及工作原理,工作原理： 高压油流入进油口，经油滤14分四路流出。其中两路经左右固定节流孔13、阀心10的两旁和左右喷嘴7、在溢流腔8中汇合，然后经回油节流孔12从回油口流出。另外两路油液分别流到阀套11上被阀心工作凸肩遮住的窗口处。阀心偏离中间位置后，其中一路高压油液经阀心工作凸肩打开的窗口流入作动筒一腔，做动筒另一腔的油液经被打开的另一窗口直接流入回油孔。,4.1.2 液压舵机结构及工作原理,工作原理： 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。当力矩马达控制绕组中的直流电流差（ ）等于零时，导磁体1与衔铁4

7、之间的四个气隙中流过的磁通量相等，而衔铁两端流过上气隙与下气隙的磁通方向相反，衔铁两端的电磁力平衡，衔铁及与之固连的挡板6处于中间位置。挡板与左右两个喷嘴间的距离相等，两路油液作用在阀心两端面上的压力大小相等、方向相反，阀心处于中间位置。阀心的工作凸肩作遮住阀套上的窗口，阻止高压油流入，活塞杆16处于中间位置，舵面不偏转。,4.1.2 液压舵机结构及工作原理,工作原理： 当控制电流（ ）不等于零时，产生控制磁通，改变四个气隙之间的磁通量。在衔铁两端的上气隙中流过的磁通量增加，下气隙中流过的减少；衔铁的另一端与此相反。于是衔铁两端的电磁力不平衡，产生电磁力矩，使衔铁带动挡板转动。挡板与另一喷嘴的

8、距离增大，喷嘴腔内的油压降低；挡板与另一侧喷嘴的距离减小，喷嘴腔内油压升高。在压力差的作用下，阀心向低压腔方向移动。,4.1.2 液压舵机结构及工作原理,工作原理： 当作用在衔铁上的电磁力矩与弹簧管5因衔铁转动变形而产生的力矩、阀心移动通过小球带动反馈杆9产生的力矩以及高压油流过阀心产生的液压力矩相平衡时，衔铁停止转动保持在某一偏转角上。阀心两端的压力差与反馈杆对阀心的反作用力也随之平衡，阀心停止移动，移动距离正比于控制绕组电流之差，移动方向则取决于该电流差的极性。,4.1.2 液压舵机结构及工作原理,工作原理： 阀心移动打开阀套上被工作凸肩遮住的窗口，高压油经窗口流入作动筒一腔，该腔的压力升

9、高，在作动筒两腔压力差的作用下，活塞17和活塞杆16以一定速度向低压腔方向移动。作动筒另一腔的油液被压出，经阀套上的窗口流入回油孔。 线性位移传感器20把活塞杆的位移转变成电信号。随着活塞杆的移动，线性位移传感器输出正比于活塞杆的交流电压，其相位取决于活塞杆移动的方向。,4.1.2 液压舵机结构及工作原理,优点： 体积小、重量轻、功率增益大，输出功率与转动惯量的比值大，所以快速性好，控制功率小，灵敏度高。 缺点 ： 加工、装配较困难，生产成本较高，要另加能源油源。,4.1.2 液压舵机结构及工作原理,组成： 电液复合舵机是电液副舵机和液压主舵机组装而成的。兼有两种舵机的功能。 一般具有人工驾驶

10、、自动控制、复合工作和应急操纵等四种工作状态。,4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理,组成： 电液复合舵机由电液副舵机、主舵机（即液压助力器）、电磁转化机构、锁紧机构和复合摇臂等组成。 为保证舵机的可靠性，用两套独立的液压源（系统和系统）供油。 电磁转换机构和锁紧机构用于人工驾驶和自动控制的状态转换。,4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理,工作原理： 电磁转换机构不通电时，喷嘴U与挡板（电磁转换机构的衔铁）之间的间隙最大，喷嘴内腔V压力降低，滑阀在弹簧作用下处于最右端，其凸肩堵住经油路T到电液副舵机的油路；高压油液（系统）经油路L流到锁紧机构的环形槽J。由于高压供油被切断且小作动筒活塞杆被

11、锁紧机构锁住，电液副舵机不工作，液压复合舵机处于人工驾驶工作状态。,4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理,工作原理： 当人工驾驶时，驾驶员操纵驾驶杆H使摇臂上B点绕A点转动，带动滑阀一起运动，高压油经环形槽C与被打开的窗口 （或 ），流入大作动筒的一腔 （或 ）另一腔 （或 ）的油液则经窗口 （或 ）与系统的回油路 （或 ）相通，经主滑阀的空心孔流回油箱。在大作动筒两腔压差的作用下，舵机壳体移动，经传动连杆操纵舵面偏转。,4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理,工作原理： 驾驶杆移动到某一位置后，由于固连与舵机壳体的支点A和拨油杆H与壳体一起移动，而主滑阀不随壳体运动，其窗口重新关闭，舵机壳

12、体也停止运动。人工驾驶时，舵机壳体始终跟随驾驶杆的移动按比例移动。,4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理,工作原理： 电磁转换机构通电时，转换机构的衔铁向左移动，堵住喷嘴U，喷嘴内腔V的油压升高，推动滑阀左移。于是系统的进油口到油路T的电液副舵机的通路与到油路G、L及环形槽J的通路均被打开。锁紧机构在高压油液的作用下向上移动，小作动筒的活塞在控制信号作用下运动。小作动筒活塞杆上的A点通过摇臂移动主滑阀，使舵机的壳体相应的按比例运动，如同人工驾驶一样。,4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理,工作原理： 如果驾驶员参与自动控制使得操纵，则电液复合舵机处于复合工作状态。驾驶杆的操纵运动和小作动筒

13、活塞的运动通过摇臂在主滑阀处复合，共同操纵舵机运动。 作动筒的副滑阀一般情况下是不动的，犹如一个固定的阀套。但当主滑阀一旦卡死，或出现其他紧急情况时，副滑阀将接替主滑阀的工作，使驾驶员能应急操纵。,4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理,4.2 舵机的特性分析,4.2.1 舵面的负载（铰链力矩）特性 舵机推动舵面运动时，除了要克服运动部分的惯性力矩和摩擦力矩外，还要克服舵面铰链力矩。铰链力矩是由空气动力作用在舵面上而造成的对舵面铰链轴的力矩。,4.2.1 舵面的负载（铰链力矩）特性,铰链力矩 与舵面几何形状、类型，飞行的 或 及舵偏角 有关，其中以舵偏角为主。铰链力矩表达式为 ： 其中： 表示

14、单位舵偏角产生的铰链力矩； 为铰链力矩导数； 为舵面参考面积； 为舵平均几何弦长； 为舵偏角。 显然，铰链力矩的大小、符号随飞行状态而变,的大小、符号随飞行状态变化情况,的大小：动压Q越大，铰链力矩也越大。 的符号：取决于舵面转轴 相对于舵面气动力（ ）压力中心位置。,的大小、符号随飞行状态变化情况,转轴位于压力中心前， 超声速时可达吨.米级 为了减小铰链力矩，把舵面转轴的位置设置在压力中心变化范围的中间。这样在同样的舵面偏转角下，压力中心随马赫数Ma的增加由前向后移动； 当转轴位于压力中心后 反操纵 铰链力矩的大小和方向随飞机状态而变化，对舵机的工作有很大的影响。,4.2.2 舵机的动特性,

15、（1）电动舵机的动特性 电动舵机中电动机的机械特性（力矩与转速）如图所示： 为一族非线性曲线。横坐标为电动机角速度,4.2.2 舵机的动特性,（1）电动舵机的动特性 电动舵机中磁粉离合器的机械特性如图所示： 为一族非线性曲线。横坐标为磁粉离合器的角速度,4.2.2 舵机的动特性,（1）电动舵机的动特性 舵机工作是非对称的。原因有两个： 飞机稳定飞行时，舵面就不在中间位置，而是有一个舵偏度，这就使一开始 有初始值作用到舵机上。 舵机工作过程中，负载力矩不对称。例如舵机使舵面偏角加大时（出舵时）铰链力矩起阻止加大的作用；而在收舵时，又起加速舵面回收的作用。,4.2.2 舵机的动特性,这使得电动舵机

16、动特性很难描述与分析。工程实践中往往采用线性化的方法研究某一平衡状态附近的增量运动。把非线性机械特性曲线近似为斜率为B的线性机械特性曲线。B的物理含义是输入电压为常数时，输出力矩M对角速度的偏导数。 电动机和磁粉离合器的力矩特性情况相同，故不累述。,（2）电动舵机原理图,磁粉离合器间接控制电动舵机原理方块图,（3）电动舵机微分方程,图中：电磁离合器控制绕组的输入电压为U、电流为I、电感为L、电阻为R；其电系统微分方程为： 电磁离合器输出力矩为M，其微分方程为：,电动舵机微分方程,设鼓轮到舵面传动机构的传动比为i；电磁离合器、齿轮转动装置、舵面及其传动机构和电动机转子折算到鼓轮的（包括鼓轮）的总

17、转动惯量为J；鼓轮角速度和转角分别为 和 ；舵偏角为 ，忽略摩擦力矩，其微分方程表示为：,式中： 惯性力矩 阻尼力矩 折算到鼓轮上的铰链力矩 舵面角 鼓轮角 “”表示增量 “”表示舵面转的方向与鼓轮转的方向相反 将上面公式取拉氏变换可以得到电动舵机的方框图:,（4）电动舵机方框图,（5）电动舵机传递函数,1）舵面负载为零 时， 得空载时电动舵机输入电压对鼓轮输出转角的传函： 舵机的静态增益 舵机电气时间常数 一般很小，可略去。,（5）电动舵机传递函数,2）舵面负载不为零时,当略去,时，,（6）电动舵机特性分析,空载时：舵机动特性可描述为两个积分环节与一个惯性环节相串联 有载时：舵机动特性可描述

18、为一个二阶无阻尼振荡环节与一个惯性环节相串联 无论空载还是有载情况下，静态增益 及时间常数 均随飞行状态改变。 由于 值很小，在舵机动特性近似分析中可略去不计。 由于舵机传函中均含 ，铰链力矩对舵机动特性是有影响的。,化简方块图为：,B不为零时的电动机负载传递函数,（7）铰链力矩对舵机动特性的影响,对舵机形成反馈构成小回路， 时是正反馈，舵机传函中将包含不稳定的二阶环节，舵机工作不稳定。 时，是负反馈，舵机工作稳定。 舵机特性随飞行状态变化，其稳态输出角也随飞行 值改变，一般 使舵机工作为非对称性的工作。,4.3 舵回路,4.3.1 舵回路的构成： 由舵机与反馈通道构成的闭合回路。 舵回路构成

19、原因 铰链力矩的存在，相当于在舵机内部引入一个反馈。要想消除它对舵机工作的影响，可人为地引入另一个反馈构成了舵回路来抵消铰链力矩的影响。 舵回路的基本类型 常用的舵回路有三种基本类型：硬反馈（位置反馈）、软反馈（速度反馈）和弹性反馈（均衡反馈）。,（1）位置（硬）反馈转角 的反馈,（1）位置（硬）反馈转角 的反馈,若 且 稳态值为：,位置反馈分析结论,引入位置反馈 ，对任何飞行状态，其舵回路传函均为一个二阶振荡环节，且各系数仅与舵机自身的参数和反馈量 有关，与飞行状态无关，减弱 影响。 稳态时，舵机鼓轮转角 与输入电压 成正比，与反馈 成反比，即 与 成线性关系，这种反馈 是位置反馈，又称硬反

20、馈。,硬反馈（位置反馈）式舵回路分析,反馈部分为: 舵回路传函： 特点： 引入的反馈为位置反馈，又叫硬反馈。 舵面输出的转角与输入信号成比例，构成比例式飞控系统。 舵回路传函为一个惯性环节。 详见P178 179,（2）引入舵机输出角速度反馈 软反馈,（2）引入舵机输出角速度反馈 软反馈,传函为： 当 时， 传函近似为： 稳态值为：,速度反馈分析结论：,引入速度反馈 ，当 较大时，舵回路特性与飞行状态无关，同时减弱了铰链力矩 对舵机的影响； 引入速度反馈 后，使稳态时舵机鼓轮输出转动角速度与 成比例，称为速度反馈软反馈 铰链力矩 对舵回路特性影响不大,软反馈（速度反馈）式舵回路分析,反馈部分为

21、： 舵回路传函： 特点： 引入的反馈是速度反馈（又叫软反馈） 舵回路传函为一个积分环节。详见P178 舵面输出转动角速度与输入信号成正比构成积分式控制律的飞控系统。,（3）弹性反馈（均衡式）舵回路,反馈部分为： (均衡环节) 舵回路传函： （近似值为当 很大，且 时，略去时间常数很小的惯性环节所得）,弹性反馈（均衡式）舵回路特点：,舵回路是位置反馈环节与均衡反馈环节相串联。 传函为（比例积分环节） 高频时体现硬反馈，低频时体现积分作用。 舵面输出,三种舵回路适用场合,速度反馈：一般可提高稳定性，改善动态响应。 位置反馈：可提高通频带，快速性，影响静态稳定性。（ 太大，系统不稳） 混合反馈：一般

22、速度反馈不能大，液压舵回路中，一般不用速度反馈。 三种舵回路为飞行控制系统提供了三种不同的控制律形式 对于各种反馈量的确定可用根轨迹分析、动态响应分析，通频带，快速性及静态特性几个方面对比来定。,4.3.2 舵回路系统的设计,技术要求： 舵回路设计要求包括静、动态特性、接口要求以及可靠性、可维护性和适用环境的要求等。一般具有如下要求： 舵机要有足够的功率输出； 各种飞行状态舵机都能稳定工作； 舵回路的静、动态性能应满足系统提出的输入/输出关系； 舵回路要有较宽的频带，一般大于飞机的35倍； 舵回路要有较宽的动态响应和较大的阻尼，并且相位滞后要小；,（4）舵回路系统的设计,分析,因为舵回路类型基

23、本确定，其设计关键在于闭环回路中反馈量的配置。 如图所示的舵回路，同时有位置反馈和速度反馈。首先研究位置反馈系数的影响，即确定速度反馈系数的值，研究位置反馈系数变化时，舵回路的性能。,分析,舵回路参数参见P182，且已知速度反馈系数为 其开环传递函数为： 相应的开环极点为：,位置反馈舵回路根轨迹：,分析,由图可见，根轨迹与虚轴的交点为 ，相应的 。当 很小时，实数主导极点的模值很小，所以通频带很窄，过渡过程很慢。随着 的增大，实数主导极点的模值增大（复根的模变化很小），通频带加宽，过渡过程加快。但是，当 时，系统变为不稳定。 由此可见，当速度反馈一定时，舵回路的位置反馈将影响舵回路的通频带、快速性和静态性能。 在一定范围内变化时，舵回路的通频带和快速性随 值的加大而增加；稳态值随 值的加大而减小。,分析,接下来研究速度反馈系数的影响： 已知位置反馈系数 ，根据结构图可得舵回路的闭环多项式，并求出以 为参量的等效开环传递函数如下： 相应的开环极点为： 开环零点为：,速度反馈舵回路根轨迹：,分析,由图可见，根轨迹与虚轴的交点为 ，相应的 。当 时，舵回路极点仅在右半s平面内移动，舵回路不稳定。当 时，随着 的增大，实数主导极点的模值越来越小，通频带变窄，快速性降低。