《飞行控制系统》第四章舵机与舵回路课件

第四章舵机与舵回路第四章舵机与舵回路n n舵机（舵机（执行机构）行机构）n n舵面舵面负载及及对舵机的影响舵机的影响n n舵回路的基本舵回路的基本类型与特点型与特点n n舵机特性舵机特性对舵回路的影响舵回路的影响n n舵机与舵机与飞机操机操纵系系统的的联接方式接方式第四章舵机与舵回路舵机（执行机构）1引言引言n n舵回路（伺服系舵回路（伺服系统）是）是飞行自行自动控制系控制系统中不可缺少的中不可缺少的组成部分，它按照指令模型成部分，它按照指令模型装置或敏感元件装置或敏感元件输出的出的电信号操信号操纵舵面，舵面，实现飞机角运机角运动或航迹运或航迹运动的自的自动稳定与定与控制。控制。n n组成：成：放大器、舵机、反放大器、舵机、反馈元件（作用是元件（作用是改善舵回路特性）改善舵回路特性）组成随成随动系系统。n n舵回路舵回路负载：舵面的舵面的惯量，和作用在舵面量，和作用在舵面上的气上的气动力矩（力矩（铰链力矩）。力矩）。引言舵回路（伺服系统）是飞行自动控制系统中不可缺少的组成部分24.1 舵机的工作原理舵机的工作原理n n舵机作用：舵机作用：舵机是舵回路中的舵机是舵回路中的执行元件，行元件，输出力矩出力矩（或力）和角速度（或（或力）和角速度（或线速度），速度），驱动舵舵面偏面偏转。n n舵机舵机类型：型：飞行控制系行控制系统中的舵机有三大中的舵机有三大类：电动舵机、液舵机、液压舵机、舵机、电液复合舵机液复合舵机4.1 舵机的工作原理舵机作用：3电动舵机组成：一般成：一般电动舵机包括舵机包括电动机（直流或机（直流或交流的），交流的），测速装置，速装置，位置位置传感器，感器，齿轮传动装置，装置，保安装置。保安装置。优点：点：能源是能源是电力，通常与力，通常与飞控系控系统用同一能用同一能源，源，传输、控制等方便。、控制等方便。加工制造、装配加工制造、装配维修方便。修方便。控制方式：直接式，控制方式：直接式，间接式。接式。电动舵机组成：一般电动舵机包括电动机（直流或交流的），测4液压舵机分分分分为为液液液液压压舵机和舵机和舵机和舵机和电电液副舵机。液副舵机。液副舵机。液副舵机。组组成：成：成：成：由由由由电电液伺服液伺服液伺服液伺服阀阀（力矩（力矩（力矩（力矩马马达和液达和液达和液达和液压压放大器），作放大器），作放大器），作放大器），作动动筒和位移筒和位移筒和位移筒和位移传传感器感器感器感器组组成。成。成。成。优优点：点：点：点：体体体体积积小、重量小、重量小、重量小、重量轻轻、功率增益大，、功率增益大，、功率增益大，、功率增益大，输输出功率与出功率与出功率与出功率与转动转动惯惯量的比量的比量的比量的比值值大，所以快速性好，控制功率小，灵大，所以快速性好，控制功率小，灵大，所以快速性好，控制功率小，灵大，所以快速性好，控制功率小，灵敏度高。敏度高。敏度高。敏度高。缺点缺点缺点缺点 ：加工、装配加工、装配加工、装配加工、装配较较困困困困难难，生，生，生，生产产成本成本成本成本较较高，要另加能源高，要另加能源高，要另加能源高，要另加能源油源。油源。油源。油源。液压舵机分为液压舵机和电液副舵机。5电液复合舵机液复合舵机n n组组成：成：电电液复合舵机是液复合舵机是电电液副舵机和液液副舵机和液压压主舵机主舵机组组装而成的。兼有两种舵机的功能。装而成的。兼有两种舵机的功能。n n一般具有人工一般具有人工驾驶驾驶、自、自动动控制、复合工作和控制、复合工作和应应急急操操纵纵等四种工作状等四种工作状态态。电液复合舵机组成：电液复合舵机是电液副舵机和液压主舵机组装而6余度舵机余度舵机n n主要用于电传操纵系统，提高系统可靠性。n n用几套相同的舵机组合在一起共同操纵舵面，构成余度舵机。余度舵机主要用于电传操纵系统，提高系统可靠性。7飞行控制系统第四章舵机与舵回路课件8对舵机的特殊技舵机的特殊技术要求要求n n有足够的机械输出功率。满满足舵回路足舵回路动态动态性能要求的基本条件。性能要求的基本条件。n n舵机中应有保证安全可靠的具体措施。对舵机的特殊技术要求有足够的机械输出功率。92、舵机的特性分析、舵机的特性分析一、舵面的一、舵面的负载（铰链力矩）特性力矩）特性 舵机推舵机推动舵面运舵面运动时，除了要克服运，除了要克服运动部部分的分的惯性力矩和摩擦力矩外，性力矩和摩擦力矩外，还要克服舵面要克服舵面铰链力矩。力矩。铰链力矩是由空气力矩是由空气动力作用在舵力作用在舵面上而造成的面上而造成的对舵面舵面铰链轴的力矩。的力矩。2、舵机的特性分析一、舵面的负载（铰链力矩）特性 10铰链力矩特性力矩特性铰链铰链力矩力矩力矩力矩 与舵面几何形状、与舵面几何形状、与舵面几何形状、与舵面几何形状、类类型，型，型，型，飞飞行的行的行的行的 或或或或 及舵偏角及舵偏角及舵偏角及舵偏角 有关，其中以舵偏角有关，其中以舵偏角有关，其中以舵偏角有关，其中以舵偏角为为主。主。主。主。铰链铰链力矩表达式力矩表达式力矩表达式力矩表达式为为 ：显显然，然，然，然，铰链铰链力矩的大小、符号随力矩的大小、符号随力矩的大小、符号随力矩的大小、符号随飞飞行状行状行状行状态态而而而而变变 铰链力矩特性铰链力矩 与舵面几何形状、类型，飞行的11 的大小、符号随的大小、符号随飞行状行状态变化情况化情况n n 的大小：的大小：动压Q越大，越大，铰链力矩也越大。力矩也越大。n n 的符号：取决于舵面的符号：取决于舵面转轴 相相对于舵面于舵面气气动力（力（）压力中心位置。力中心位置。铰链力矩的大小和方向随力矩的大小和方向随飞机状机状态而而变化，化，对舵机的工作有很大的影响。舵机的工作有很大的影响。的大小、符号随飞行状态变化情况 的大小：动压12铰链力矩方向力矩方向转轴位于压力中心前，转轴位于压力中心前，转轴位于压力中心后，转轴位于压力中心后，出现反操纵现出现反操纵现象象铰链力矩方向转轴位于压力中心前，13二、舵机的二、舵机的动特性特性1、舵机工作是非舵机工作是非对称的。原因有两个：称的。原因有两个：n n飞机机稳定定飞行行时，舵面就不在中，舵面就不在中间位置，位置，而是有一个舵偏度，而是有一个舵偏度，这就使一开始就使一开始 有初始有初始值作用到舵机上。作用到舵机上。n n舵机工作舵机工作过程中，程中，负载力矩不力矩不对称。例如称。例如舵机使舵面偏角加大舵机使舵面偏角加大时（出舵（出舵时）铰链力力矩起阻止加大的作用；而在收舵矩起阻止加大的作用；而在收舵时，又起，又起加速舵面回收的作用。加速舵面回收的作用。二、舵机的动特性1、舵机工作是非对称的。原因有两个：14磁粉离合器磁粉离合器间接控制接控制电动舵机原理方舵机原理方块图磁粉离合器间接控制电动舵机原理方块图152、舵机的、舵机的动态特性：特性：n n模型：模型：电动电动机的力矩特性机的力矩特性机的力矩特性机的力矩特性2、舵机的动态特性：模型：16式中：式中：惯性力矩性力矩 阻尼力矩阻尼力矩 折算到鼓折算到鼓轮上的上的铰链力矩力矩 舵面角舵面角 鼓鼓轮角角 “”表示增量表示增量 “”表示舵面表示舵面转的方向与鼓的方向与鼓轮转的方向相的方向相反反式中：17电动舵机方框舵机方框图电动舵机方框图18电动舵机舵机传递函数函数1）舵面）舵面负载为零零 时，得空得空载时电动舵机舵机输入入电压对鼓鼓轮输出出转角角的的传函：函：舵机的静舵机的静态增益增益 舵机舵机电气气时间常数常数 一般很小，可略去。一般很小，可略去。电动舵机传递函数1）舵面负载为零 19电动舵机舵机传递函数函数2 2）舵面）舵面）舵面）舵面负载负载不不不不为为零零零零时时当略去当略去时，电动舵机传递函数2）舵面负载不为零时当略去时，20电动舵机特性分析舵机特性分析n n空空载时：舵机：舵机动特性可描述特性可描述为两个两个积分分环节与一个与一个惯性性环节相串相串联n n有有载时：舵机：舵机动特性可描述特性可描述为一个二一个二阶无无阻尼振阻尼振荡环节与一个与一个惯性性环节相串相串联n n无无论空空载还是有是有载情况下，静情况下，静态增益增益 及及时间常数常数 均随均随飞行状行状态改改变。n n由于由于 值很小，在舵机很小，在舵机动特性近似分析中特性近似分析中可略去不可略去不计。n n由于舵机由于舵机传函中均含函中均含 ，铰链力矩力矩对舵舵机机动特性是有影响。特性是有影响。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21化简方块图为：化简方块图为：22B不不为零零时的的电动机机负载传递函数函数B不为零时的电动机负载传递函数23三、三、铰链力矩力矩对舵机舵机动特性的影响特性的影响n n 对舵机形成反舵机形成反馈构成小回路，构成小回路，时是正反是正反馈，舵机，舵机传函中将包含不函中将包含不稳定的定的二二阶环节，舵机工作不，舵机工作不稳定。定。时，是是负反反馈，舵机工作，舵机工作稳定。定。n n舵机特性随舵机特性随飞行状行状态变化，其化，其稳态输出角出角也随也随飞行行 值改改变，一般，一般n n 使舵机工作使舵机工作为非非对称性的工作。称性的工作。三、铰链力矩对舵机动特性的影响 对舵机形243 舵回路舵回路n n舵回路的构成：舵回路的构成：由舵机与反由舵机与反馈通道构成的通道构成的闭合回路。合回路。n n舵回路构成原因舵回路构成原因 铰链力矩的存在，相当于在舵机内部引入力矩的存在，相当于在舵机内部引入一个反一个反馈。要想消除它。要想消除它对舵机工作的影响，舵机工作的影响，可人可人为地引入另一个反地引入另一个反馈构成了舵回路来构成了舵回路来抵消抵消铰链力矩的影响。力矩的影响。3 舵回路舵回路的构成：251、硬反、硬反馈（位置反（位置反馈）式舵回路）式舵回路1)1)引入位置反引入位置反引入位置反引入位置反馈馈舵机鼓舵机鼓舵机鼓舵机鼓轮输轮输出出出出转转角角角角 的反的反的反的反馈馈 1、硬反馈（位置反馈）式舵回路1)引入位置反馈舵机鼓26位置反位置反馈电动舵机方舵机方块图1)1)引入位置反引入位置反引入位置反引入位置反馈馈舵机鼓舵机鼓舵机鼓舵机鼓轮输轮输出出出出转转角角角角 f f 的反的反的反的反馈馈,若若若若 且且且且n n稳态值为稳态值为：位置反馈电动舵机方块图1)引入位置反馈舵机鼓轮输出转角27位置反位置反馈分析分析结论 n n 引入位置反引入位置反馈f，对任何任何飞行状行状态，其舵回，其舵回路路传函均函均为一个二一个二阶振振荡环节，且各系数，且各系数仅与舵机自身的参数和反与舵机自身的参数和反馈量量f 有关，与有关，与飞行状行状态无关，减弱无关，减弱 影响。影响。n n稳态时，舵机鼓，舵机鼓轮转角角 与与输入入电压 成正比，与反成正比，与反馈f 成反比，即成反比，即 与与 成成线性关系，性关系，这种反种反馈f 是位置反是位置反馈，又称硬反，又称硬反馈。位置反馈分析结论 引入位置反馈f，对任何飞行状态，其舵回路28引入舵机引入舵机输出角速度反出角速度反馈r 软反反馈n n传函函为：当当 时，传函近似函近似为：稳态值为：引入舵机输出角速度反馈r 软反馈传函为：29角速度反角速度反馈电动舵机方舵机方块图 角速度反馈电动舵机方块图 30速度反速度反馈分析分析结论：n n引入速度反引入速度反馈r，当，当r 较大大时，舵回路特性，舵回路特性与与飞行状行状态无关，同无关，同时减弱了减弱了铰链力矩力矩 对舵机的影响；舵机的影响；n n 引入速度反引入速度反馈r后，使舵机鼓后，使舵机鼓轮输出出转动角角速度与速度与 成比例，称成比例，称为速度反速度反馈软反反馈n n铰链力矩力矩 对舵回路特性影响不大舵回路特性影响不大 速度反馈分析结论：引入速度反馈r，当r 较大时，舵回路特性与31二、舵回路二、舵回路类型与特点型与特点舵回路简化方块图二、舵回路类型与特点舵回路简化方块图32 舵回路分舵回路分为三三类：舵回路分为三类：331.硬反硬反馈（位置反（位置反馈）式舵回路分析）式舵回路分析n n反反馈部分部分为:n n舵回路舵回路传函：函：n n特点：特点：引入的反引入的反馈为位置反位置反馈，又叫硬反，又叫硬反馈。舵面舵面输出的出的转角与角与输入信号成比例，构入信号成比例，构成比例式成比例式飞控系控系统。舵回路舵回路传函函为一个一个惯性性环节。1.硬反馈（位置反馈）式舵回路分析反馈部分为:342、软反反馈（速度反（速度反馈）式舵回路）式舵回路n n反反馈部分部分为：n n舵回路舵回路传函：函：n n特点：特点：引入的反引入的反馈是速度反是速度反馈（又叫（又叫软反反馈）舵回路舵回路传函函为一个一个积分分环节。舵面舵面输出出转动角速度与角速度与输入信号成正比入信号成正比构成构成积分式控制律的分式控制律的飞控系控系统。2、软反馈（速度反馈）式舵回路反馈部分为：353、弹性反性反馈（均衡式）舵回路（均衡式）舵回路n n反反馈部分部分为：(均衡均衡环节)n n舵回路舵回路传函：函：（近似（近似值为当当 很大，且很大，且 时，略去略去时间常数很小的常数很小的惯性性环节所得）所得）3、弹性反馈（均衡式）舵回路反馈部分为：36特点：特点：n n舵回路是位置反舵回路是位置反馈环节与均衡反与均衡反馈环节相相串串联。n n传函函为（比例（比例积分分环节）高高频时体体现硬硬反反馈，低，低频时体体现积分作用。分作用。n n舵面舵面输出出特点：舵回路是位置反馈环节与均衡反馈环节相串联。37舵回路的舵回路的发展及其数字化展及其数字化n n当今系统舵回路特点：（1）采用余度技术；（2）采用辅助作动器方案；（3）模拟式电液伺服作动系统仍占主导地位舵回路的发展及其数字化当今系统舵回路特点：38三、舵回路中反三、舵回路中反馈量的配置量的配置n n速度反速度反馈：一般可提高：一般可提高稳定性，改善定性，改善动态 响响应。n n位置反位置反馈：可提高通：可提高通频带，快速性，影响，快速性，影响静静态稳定性。（定性。（太大，系太大，系统不不稳）n n混合反混合反馈：一般速度反：一般速度反馈不能大，液不能大，液压舵舵回路中，一般不用速度反回路中，一般不用速度反馈。对于各种反于各种反馈量的确定量的确定可用根可用根轨迹分迹分析、析、动态响响应分析，通分析，通频带，快速性及静，快速性及静态特性几个方面特性几个方面对比来定。比来定。三、舵回路中反馈量的配置速度反馈：一般可提高稳定性，改善动态39四、舵回路四、舵回路举例系例系统的的设计技术要求：n n舵机要有足够的功率输出；n n各种飞行状态舵机都能稳定工作；n n舵回路的静、动态性能应满足系统提出的输入/输出关系；n n舵回路要有较宽的频带，一般大于飞机的35倍；n n舵回路要有较宽的动态相应和较大的阻尼，并且相位滞后要小；四、舵回路举例系统的设计技术要求：40四、舵回路举例系统的设计四、舵回路举例系统的设计41分析n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：分析舵回路参数参见P182，且已知速度反馈系数为42舵回路根轨迹：舵回路根轨迹：434、舵机特性、舵机特性对舵回路的影响舵回路的影响一、舵机一、舵机输出功率出功率对舵回路的影响舵回路的影响 输输出功率有限影响出功率有限影响线线性工作范性工作范围围，快速性及，快速性及带带宽宽。4、舵机特性对舵回路的影响一、舵机输出功率对舵回路的影响44二、舵机二、舵机二、舵机二、舵机传动传动机构中的非机构中的非机构中的非机构中的非线线性（性（性（性（间间隙）隙）隙）隙）对对舵回路的舵回路的舵回路的舵回路的影响影响影响影响n n增大舵回路延增大舵回路延迟时间，增大静差，降低舵，增大静差，降低舵回路的回路的稳定性定性n n有可能引起极限有可能引起极限环振振荡（在舵回路（在舵回路输出零出零值附近）附近）n n此此现象以象以间隙出隙出现在反在反馈通道中通道中为最最严重重n n非非线性（性（间隙）影响静差、隙）影响静差、稳定性、引起定性、引起极限极限环振振荡二、舵机传动机构中的非线性（间隙）对舵回路的影响增大舵回路延455 舵机与舵机与飞机操机操纵系系统的的联接方式接方式一、飞机上的操机上的操纵系系统n n主操主操纵系系统操操纵飞机三舵面（机三舵面（、）（通）（通过传动机构）机构）n n辅操操纵系系统操操纵调整片、水平安定面、整片、水平安定面、起落架、襟翼、减速板等起落架、襟翼、减速板等5 舵机与飞机操纵系统的联接方式一、飞机上的操纵系统46飞行控制系统第四章舵机与舵回路课件47助力器：助力器：当当飞行速度提高行速度提高时，铰链力矩加大，人力力矩加大，人力难以操以操纵，为此用液此用液压助力器助力器n n可逆助力器：常用在高可逆助力器：常用在高亚音速音速飞机上，机上，飞行行员可真可真实感受杆力。（有力反感受杆力。（有力反传）（杆力可借助于助力器（杆力可借助于助力器传动比比变化）化）n n不可逆助力器：平尾不可逆助力器：平尾轴置于置于亚、超音速、超音速时焦点之焦点之间，防力反，防力反传（因（因为由由亚音速音速变超超音速音速时，有反操，有反操纵现象，）。加象，）。加弹簧人工簧人工感受力装置感受力装置助力器：当飞行速度提高时，铰链力矩加大，人力48飞行控制系统第四章舵机与舵回路课件49二、舵机与操二、舵机与操纵系系统连接方式接方式 舵机与人工操舵机与人工操纵系系统有两种有两种连接方式：接方式：并并联式、串式、串联式式n n并并联式式连接方式：用于自接方式：用于自动驾驶仪中的舵中的舵机与人工系机与人工系统的的连接。接。AP工作工作时：飞行行员不不动驾驶杆，指令由操杆，指令由操纵 台上旋台上旋钮给出。出。人操人操纵时：断开：断开AP。应急急时：不断开不断开AP，人可，人可强力操力操纵（离合（离合 器打滑）器打滑）二、舵机与操纵系统连接方式 舵机与人工操纵系统有两50舵机与人工操舵机与人工操纵系系统并并联舵机与人工操纵系统并联51n n串串联连接方式：用于阻尼，增接方式：用于阻尼，增稳系系统中，中，舵机只舵机只带动舵面不推舵面不推动驾驶杆，杆，驾驶杆也杆也可直接拉可直接拉动舵面，舵机串在舵面，舵机串在驾驶杆和助力杆和助力器的器的传动杆之杆之间。n n串串联连接有一个操接有一个操纵权限分配限分配问题；一般；一般自自动操操纵权限限为（）全）全权限。加入限。加入自自动配平系配平系统（调整片机构），有利于串整片机构），有利于串联连接方式中舵机接方式中舵机权限的提高。限的提高。串联连接方式：用于阻尼，增稳系统中，舵机只带动舵面不推动驾驶52舵机与人工操舵机与人工操纵系系统串串联舵机与人工操纵系统串联53ENDEND54飞行控制系统第四章舵机与舵回路课件55