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1、第四章第四章 舵机与舵回路舵机与舵回路第四章第四章舵机与舵回路舵机与舵回路n n舵机（执行机构）舵机（执行机构）n n舵面负载及对舵机的影响舵面负载及对舵机的影响n n舵回路的基本类型与特点舵回路的基本类型与特点n n舵机特性对舵回路的影响舵机特性对舵回路的影响n n舵机与飞机操纵系统的联接方式舵机与飞机操纵系统的联接方式引言引言n n舵回路（伺服系统）是飞行自动控制系统舵回路（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，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实现飞机角
2、运动或航迹运动的自动稳定与控制。控制。n n组成：组成：放大器、舵机、反馈元件（作用是放大器、舵机、反馈元件（作用是改善舵回路特性）组成随动系统。改善舵回路特性）组成随动系统。n n舵回路负载：舵回路负载：舵面的惯量，和作用在舵面舵面的惯量，和作用在舵面上的气动力矩（铰链力矩）。上的气动力矩（铰链力矩）。4.1 舵机的工作原理舵机的工作原理n n舵机作用：舵机作用：舵机是舵回路中的执行元件，输出力矩舵机是舵回路中的执行元件，输出力矩（或力）和角速度（或线速度），驱动舵（或力）和角速度（或线速度），驱动舵面偏转。面偏转。n n舵机类型：舵机类型：飞行控制系统中的舵机有三大类：飞行控制系统中的舵机
3、有三大类：电动舵机、液压舵机、电液复合舵机电动舵机、液压舵机、电液复合舵机电动舵机组成：一般电动舵机包括组成：一般电动舵机包括电动机（直流或电动机（直流或交流的），交流的），测速装置，测速装置，位置传感器，位置传感器，齿轮传动装置，齿轮传动装置，保安装置。保安装置。优点：优点：能源是电力，通常与飞控系统用同一能能源是电力，通常与飞控系统用同一能源，传输、控制等方便。源，传输、控制等方便。加工制造、装配维修方便。加工制造、装配维修方便。控制方式：直接式，间接式。控制方式：直接式，间接式。液压舵机分为液压舵机和电液副舵机。分为液压舵机和电液副舵机。分为液压舵机和电液副舵机。分为液压舵机和电液副舵机
4、。组成：组成：组成：组成：由电液伺服阀（力矩马达和液压放大器），作动由电液伺服阀（力矩马达和液压放大器），作动由电液伺服阀（力矩马达和液压放大器），作动由电液伺服阀（力矩马达和液压放大器），作动筒和位移传感器组成。筒和位移传感器组成。筒和位移传感器组成。筒和位移传感器组成。优点：优点：优点：优点：体积小、重量轻、功率增益大，输出功率与转动体积小、重量轻、功率增益大，输出功率与转动体积小、重量轻、功率增益大，输出功率与转动体积小、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，灵惯量的比值大，所以快速性好，控制功率小，灵惯量的比值大，所以快速性好，控制功率小，灵惯量的比
5、值大，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、装配较困难，生产成本较高，要另加能源加工、装配较困难，生产成本较高，要另加能源加工、装配较困难，生产成本较高，要另加能源加工、装配较困难，生产成本较高，要另加能源油源。油源。油源。油源。电液复合舵机电液复合舵机n n组成：电液复合舵机是电液副舵机和液压主舵机组成：电液复合舵机是电液副舵机和液压主舵机组装而成的。兼有两种舵机的功能。组装而成的。兼有两种舵机的功能。n n一般具有人工驾驶、自动控制、复合工作和应急一般具有人工驾驶、自动控制、复合工作和应急操纵等四种工作状态。操纵等四种工作状态。余度舵机余度舵
6、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。对舵机的特殊技术要求对舵机的特殊技术要求n n有足够的机械输出功率。满足舵回路动态性能要求的基本条件。满足舵回路动态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。22、舵机的特性分析、舵机的特性分析一、舵面的负载（铰链力矩）特性一、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铰链力矩。铰链力矩是由空气动力作用
7、在舵面上而造成的对舵面铰链轴的力矩。面上而造成的对舵面铰链轴的力矩。铰链力矩特性铰链力矩特性铰链力矩铰链力矩铰链力矩铰链力矩 与舵面几何形状、类型，飞行的与舵面几何形状、类型，飞行的与舵面几何形状、类型，飞行的与舵面几何形状、类型，飞行的 或或或或 及舵偏角及舵偏角及舵偏角及舵偏角 有关，其中以舵偏角为主。有关，其中以舵偏角为主。有关，其中以舵偏角为主。有关，其中以舵偏角为主。铰链力矩表达式为铰链力矩表达式为铰链力矩表达式为铰链力矩表达式为 ：显然，铰链力矩的大小、符号随飞行状态而变显然，铰链力矩的大小、符号随飞行状态而变显然，铰链力矩的大小、符号随飞行状态而变显然，铰链力矩的大小、符号随飞行
8、状态而变 的大小、符号随飞行状态变化情况的大小、符号随飞行状态变化情况n n 的大小：动压的大小：动压Q越大，铰链力矩也越大。越大，铰链力矩也越大。n n 的符号：取决于舵面转轴的符号：取决于舵面转轴 相对于舵面相对于舵面气动力（气动力（）压力中心位置。）压力中心位置。铰链力矩的大小和方向随飞机状态而变化，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。对舵机的工作有很大的影响。铰链力矩方向铰链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二、舵机的动特性二、舵机的动特性1、舵机工作是非对称的。原因有两个：舵
9、机工作是非对称的。原因有两个：n n飞机稳定飞行时，舵面就不在中间位置，飞机稳定飞行时，舵面就不在中间位置，而是有一个舵偏度，这就使一开始而是有一个舵偏度，这就使一开始 有初始值作用到舵机上。有初始值作用到舵机上。n n舵机工作过程中，负载力矩不对称。例如舵机工作过程中，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。加速舵面回收的作用。磁粉离合器间接控制电动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2、舵机的动态特性：、舵机的动态特性：n n模型：模
10、型：电动机的力矩特性电动机的力矩特性电动机的力矩特性电动机的力矩特性式中：式中：惯性力矩惯性力矩 阻尼力矩阻尼力矩 折算到鼓轮上的铰链力矩折算到鼓轮上的铰链力矩 舵面角舵面角 鼓轮角鼓轮角 “”表示增量表示增量 “”表示舵面转的方向与鼓轮转的方向相表示舵面转的方向与鼓轮转的方向相反反电动舵机方框图电动舵机方框图电动舵机传递函数电动舵机传递函数1）舵面负载为零）舵面负载为零 时，时，得空载时电动舵机输入电压对鼓轮输出转角得空载时电动舵机输入电压对鼓轮输出转角的传函：的传函：舵机的静态增益舵机的静态增益 舵机电气时间常数舵机电气时间常数 一般很小，可略去。一般很小，可略去。电动舵机传递函数电动舵机
11、传递函数2 2）舵面负载不为零时）舵面负载不为零时）舵面负载不为零时）舵面负载不为零时当略去当略去时时，电动舵机特性分析电动舵机特性分析n n空载时：舵机动特性可描述为两个积分环空载时：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节与一个惯性环节相串联n n有载时：舵机动特性可描述为一个二阶无有载时：舵机动特性可描述为一个二阶无阻尼振荡环节与一个惯性环节相串联阻尼振荡环节与一个惯性环节相串联n n无论空载还是有载情况下，静态增益无论空载还是有载情况下，静态增益 及及时间常数时间常数 均随飞行状态改变。均随飞行状态改变。n n由于由于 值很小，在舵机动特性近似分析中值很小，在舵机动特性近似
12、分析中可略去不计。可略去不计。n n由于舵机传函中均含由于舵机传函中均含 ，铰链力矩对铰链力矩对舵机动特性是有影响。舵机动特性是有影响。化简方块图为：B不为零时的电动机负载传递函数不为零时的电动机负载传递函数三、铰链力矩对舵机动特性的影响三、铰链力矩对舵机动特性的影响n n 对舵机形成反馈构成小回路，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。二阶环节，舵机工作不稳定。时，时，是负反馈，舵机工作稳定。是负反馈，舵机工作稳定。n n舵机特性随飞行状态变化，其稳态输出角舵机特性随飞行状态变化，其稳态输出角也随飞行也随飞
13、行 值改变，一般值改变，一般n n 使舵机工作为非对称性的工作。使舵机工作为非对称性的工作。3 舵回路舵回路n n舵回路的构成：舵回路的构成：由舵机与反馈通道构成的闭合回路。由舵机与反馈通道构成的闭合回路。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，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。抵消铰链力矩的影响。1、硬反馈（位置反馈）式舵回路、硬反馈（位置反馈）式舵回路1)1)引入位置反馈引入位置反馈引入位置
14、反馈引入位置反馈舵机鼓轮输出转角舵机鼓轮输出转角舵机鼓轮输出转角舵机鼓轮输出转角 的反馈的反馈的反馈的反馈 位置反馈电动舵机方块图位置反馈电动舵机方块图1)1)引入位置反馈引入位置反馈引入位置反馈引入位置反馈舵机鼓轮输出转角舵机鼓轮输出转角舵机鼓轮输出转角舵机鼓轮输出转角 f f 的反馈的反馈的反馈的反馈,若若若若 且且且且n n稳态值为：稳态值为：稳态值为：稳态值为：位置反馈分析结论位置反馈分析结论 n n 引入位置反馈引入位置反馈f，对任何飞行状态，其舵回，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仅与舵机自身的
15、参数和反馈量f 有关，与飞有关，与飞行状态无关，减弱行状态无关，减弱 影响。影响。n n稳态时，舵机鼓轮转角稳态时，舵机鼓轮转角 与输入电压与输入电压 成正比，与反馈成正比，与反馈f 成反比，即成反比，即 与与 成线成线性关系，这种反馈性关系，这种反馈f 是位置反馈，又称硬反是位置反馈，又称硬反馈。馈。引入舵机输出角速度反馈引入舵机输出角速度反馈r r 软反馈软反馈n n传函为：传函为：当当 时，时，传函近似为：传函近似为：稳态值为：稳态值为：角速度反馈电动舵机方块图角速度反馈电动舵机方块图 速度反馈分析结论：速度反馈分析结论：n n引入速度反馈引入速度反馈r，当，当r 较大时，舵回路特性较大
16、时，舵回路特性与飞行状态无关，同时减弱了铰链力矩与飞行状态无关，同时减弱了铰链力矩 对舵机的影响；对舵机的影响；n n 引入速度反馈引入速度反馈r后，使舵机鼓轮输出转动角后，使舵机鼓轮输出转动角速度与速度与 成比例，称为速度反馈成比例，称为速度反馈软反馈软反馈n n铰链力矩铰链力矩 对舵回路特性影响不大对舵回路特性影响不大 二、舵回路类型与特点二、舵回路类型与特点舵回路简化方块图 舵回路分为三类：舵回路分为三类：1.硬反馈（位置反馈）式舵回路分析硬反馈（位置反馈）式舵回路分析n n反馈部分为反馈部分为:n n舵回路传函：舵回路传函：n n特点：特点：引入的反馈为位置反馈，又叫硬反馈。引入的反馈
17、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，构成舵面输出的转角与输入信号成比例，构成比例式飞控系统。比例式飞控系统。舵回路传函为一个惯性环节。舵回路传函为一个惯性环节。2 2、软反馈（速度反馈）式舵回路、软反馈（速度反馈）式舵回路n n反馈部分为：反馈部分为：n n舵回路传函：舵回路传函：n n特点：特点：引入的反馈是速度反馈（又叫软反馈）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。舵回路传函为一个积分环节。舵面输出转动角速度与输入信号成正比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。构成积分式控制律的飞控系统。3 3、弹性反馈（均衡式）舵回路、弹
18、性反馈（均衡式）舵回路n n反馈部分为：反馈部分为：(均衡环节均衡环节)n n舵回路传函：舵回路传函：（近似值为当（近似值为当 很大，且很大，且 时，时，略去时间常数很小的惯性环节所得）略去时间常数很小的惯性环节所得）特点：特点：n n舵回路是位置反馈环节与均衡反馈环节相舵回路是位置反馈环节与均衡反馈环节相串联。串联。n n传函为（比例积分环节）传函为（比例积分环节）高频时体现硬高频时体现硬反馈，低频时体现积分作用。反馈，低频时体现积分作用。n n舵面输出舵面输出舵回路的发展及其数字化舵回路的发展及其数字化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
19、伺服作动系统仍占主导地位三、舵回路中反馈量的配置三、舵回路中反馈量的配置n n速度反馈：一般可提高稳定性，改善动态速度反馈：一般可提高稳定性，改善动态 响应。响应。n n位置反馈：可提高通频带，快速性，影响位置反馈：可提高通频带，快速性，影响静态稳定性。（静态稳定性。（太大，系统不稳）太大，系统不稳）n n混合反馈：一般速度反馈不能大，液压舵混合反馈：一般速度反馈不能大，液压舵回路中，一般不用速度反馈。回路中，一般不用速度反馈。对于各种反馈量的确定对于各种反馈量的确定可用根轨迹分可用根轨迹分析、动态响应分析，通频带，快速性及静态析、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。特性几
20、个方面对比来定。四、舵回路举例系统的设计四、舵回路举例系统的设计技术要求：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：舵回路根轨迹：4、舵机特性对舵回路的影响、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一、舵机输出功率对舵回路的影响 输出功率有限影响线性工作范围，快速性及带输出功率有限影响线性工作范围，快
21、速性及带宽。宽。二、舵机传动机构中的非线性（间隙）对舵回路的二、舵机传动机构中的非线性（间隙）对舵回路的二、舵机传动机构中的非线性（间隙）对舵回路的二、舵机传动机构中的非线性（间隙）对舵回路的影响影响影响影响n n增大舵回路延迟时间，增大静差，降低舵增大舵回路延迟时间，增大静差，降低舵回路的稳定性回路的稳定性n n有可能引起极限环振荡（在舵回路输出零有可能引起极限环振荡（在舵回路输出零值附近）值附近）n n此现象以间隙出现在反馈通道中为最严重此现象以间隙出现在反馈通道中为最严重n n非线性（间隙）影响静差、稳定性、引起非线性（间隙）影响静差、稳定性、引起极限环振荡极限环振荡5 舵机与飞机操纵系
22、统的联接方式舵机与飞机操纵系统的联接方式一、飞机上的操纵系统飞机上的操纵系统n n主操纵系统主操纵系统操纵飞机三舵面（操纵飞机三舵面（、）（通过传动机构）（通过传动机构）n n辅操纵系统辅操纵系统操纵调整片、水平安定面、操纵调整片、水平安定面、起落架、襟翼、减速板等起落架、襟翼、减速板等助力器：助力器：当飞行速度提高时，铰链力矩加大，人力当飞行速度提高时，铰链力矩加大，人力难以操纵，为此用液压助力器难以操纵，为此用液压助力器n n可逆助力器：常用在高亚音速飞机上，飞可逆助力器：常用在高亚音速飞机上，飞行员可真实感受杆力。（有力反传）行员可真实感受杆力。（有力反传）（杆力可借助于助力器传动比变化
23、）（杆力可借助于助力器传动比变化）n n不可逆助力器：平尾轴置于亚、超音速时不可逆助力器：平尾轴置于亚、超音速时焦点之间，防力反传（因为由亚音速变超焦点之间，防力反传（因为由亚音速变超音速时，有反操纵现象，）。加弹簧人工音速时，有反操纵现象，）。加弹簧人工感受力装置感受力装置二、舵机与操纵系统连接方式二、舵机与操纵系统连接方式 舵机与人工操纵系统有两种连接方式：舵机与人工操纵系统有两种连接方式：并联式、串联式并联式、串联式n n并联式连接方式：用于自动驾驶仪中的舵并联式连接方式：用于自动驾驶仪中的舵机与人工系统的连接。机与人工系统的连接。AP工作时：飞行员不动驾驶杆，指令由操纵工作时：飞行员不
24、动驾驶杆，指令由操纵 台上旋钮给出。台上旋钮给出。人操纵时：断开人操纵时：断开AP。应急时：应急时：不断开不断开AP，人可强力操纵（离合，人可强力操纵（离合 器打滑）器打滑）舵机与人工操纵系统并联舵机与人工操纵系统并联n n串联连接方式：用于阻尼，增稳系统中，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杆，驾驶杆也舵机只带动舵面不推动驾驶杆，驾驶杆也可直接拉动舵面，舵机串在驾驶杆和助力可直接拉动舵面，舵机串在驾驶杆和助力器的传动杆之间。器的传动杆之间。n n串联连接有一个操纵权限分配问题；一般串联连接有一个操纵权限分配问题；一般自动操纵权限为（自动操纵权限为（）全权限。加入）全权限。加入自动配平系统（调整片机构），有利于串自动配平系统（调整片机构），有利于串联连接方式中舵机权限的提高。联连接方式中舵机权限的提高。舵机与人工操纵系统串联舵机与人工操纵系统串联