舵机与舵回路3-4讲解.ppt

舵机与舵回路 本部分讲授 内容 n舵机的工作原理与设计实例 n舵机的特性分析 n舵回路的基本类型与特点 n舵机与飞机操纵系统的联接方式 本节讲授内 容 n舵面的负载 n电动舵机特性分析 n液压舵机特性分析 n铰链力矩对舵机特性的影响 引言 n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部件组成的随 动系统，其中舵机是—执行元件 n组成：放大器、舵机、反馈元件（作用是改善舵回 路特性） n舵回路负载：舵面的惯量，和作用在舵面上的气动 力矩（铰链力矩） n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（或线速度），驱动舵面偏转 n舵机类型： 飞行控制系统中的舵机有三大类： 电动舵机、液压舵机、气动舵机 引言 电动舵机 组成：一般电动舵机包括①电动机（直流或交流 的），②测速装置，③位置传感器，④齿轮传 动装置和⑤保安装置 优点： ①能源是电力，通常与飞控系统用同一能源， 传输、控制等方便 ②加工制造、装配维修方 便 缺点： ①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。

②快速性差些输出功率不大，而且重量大， 惯性大，∴快速性差 液压舵机 目前纯液压舵机使用不多，主要用电液舵机 组成： 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 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 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 舵机在运动过程中所承受的负载: 铰链力矩-是舵机最主要的负载,是作用在舵 面上的气动力相对于舵面铰链轴的力矩Mj 铰链力矩的大小取决于舵面的类型与几何形 状、马赫数、迎角或侧滑角以及舵面的偏 转，以舵面偏转所产生的铰链力矩为主 一、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 ： 显然，铰链力矩的大小、符号随飞行状态而变 一、舵面的负载（铰链力矩）特性 的大小、符号随飞行状态变化情 况 n 的大小：动压Q越大，铰链力矩也越大 。

n 的符号：取决于舵面转轴 相对于舵 面气动力（ ）压力中心位置 转轴位于压力中心前， 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 铰链力矩Mj近似写为: 式中系数 表示单位舵偏角产生的铰链力矩. 作用于舵机的铰链力矩的特点: • 在舵面类型与几何形状一定的情况下，相同舵偏角 产生的铰链力矩,随飞行状态而改变, 动压Q越大,铰链 力矩也越大; • 铰链力矩的方向(或者说系数 的符号)也随飞 行状态改变. V V 二、舵机的工作特性 1、舵机工作是非对称的原因有两个： n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 n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 例：间接控制电动舵机 Z16 Z15 Z14 Z13 Z12 Z10 Z9 Z11Z8 Z5 Z7Z6 Z5 Z4 Z3Z2 Z1 磁粉 离合器 衔铁与斜盘 电磁离合器 鼓轮 金属磨擦离合器 二、舵机的工作特性 n电动机的机械特性(包 括磁粉离合器的机械 特性在内)可由一族非 线性曲线来表征.工程 实践中往往采用线性 化处理,即:研究其在 某一平衡状态附近的 增量运动,其斜率B等 于: U B—等于电压等于常数时，输出力矩M对角速度的偏导数； —机械特性曲线与纵坐标的夹角。

M  电动舵机中电动机的机械特性曲线 二、舵机的工作特性 1.电动舵机的动特性 n电动机的力矩特性（ 包括磁粉离合器的力 矩特性）近似为线性 力矩特性，其斜率A 等于： M I 0  式中：—力矩特性曲线与 横坐标I的夹角； A—角速度等于常数时， 输入力矩M对输入电流I的偏 导数 电动舵机中电动机的线性化力矩特性 二、舵机的工作特性 （用磁粉离合器控制的间接式）电动舵机的 动特性 假设： n鼓轮到舵面传动机构的速比为i； n磁粉离合器、齿轮传动机构、舵面 及它的传动机构和电动机转子折算 到到鼓轮（包括鼓轮）的总转动惯 量为J； n磁粉离合器传递到鼓轮上的力矩为M ； n磁粉离合器控制绕组的输入电压为U ，电流为I，电感量为L，电阻为R； n鼓轮角速度和转角分别为和k； n舵偏角为 n忽略摩擦力矩的影响 磁粉 离合器 减速 机构 舵面 传动机构  I M 注意：力矩传递比与速度传递比是互成 反比例 二、舵机的工作特性 下图是根据前述运动方程列出的电动舵机机构图 ： A R u + - I + - - B kM （a）变换前 （b）变换后 u + - k 二、舵机的工作特性 磁粉离合器机械特性曲线的斜率B0，得出空载时 （Mj=0）电动舵机的传递函数： 式中：TM=L/R为电动舵机的电气时间常数； KM=A/JR为电动舵机的静态增益，一般来说，时间常 数TM值较小，近似分析中可忽略，因而电动舵机的传递函 数可近似写为： 当舵机有载时（ 即Mj0），结构图变为（b），舵机的传 递函数： 若忽略时间常数TM值，则可近似为： 由前式推导可见： • 空载时用磁粉离合器控制的电动舵机动特性： 可用两个积分环节与一个惯性环节的串联来描述。

• 舵机在铰链力矩作用下的动特性： 可用一个二阶无阻尼的震荡环节与一个惯性环节的串联 来描述 • 由于舵机的电气时间常数TM值较小，近似分析往往可忽略 •无论空载还是有载情况下，静态增益K 及时间常数T 均随飞行状态改变 •由于舵机传函中均含 Mj ，∴铰链力矩对舵机动特性 是有影响 2.液压舵机的动特性 二、舵机的工作特性 2.液压舵机的动特性 AB 回油回油P0 x y 下图为简单滑阀活塞式液压舵机的原理图，其工作原理： 当滑阀的阀芯偏离中间位 置x值后，进油压力为P0 的高压油通过阀芯工作凸 间打开的窗口，流入作动 筒的一腔，造成作动筒左 右两腔的压力不平衡，在 两腔压力作用下活塞移动 y值活塞杆推动摇臂使 舵面偏转作动筒另一腔 的油液被推出，经滑阀打 开的另一窗口流回油箱 二、舵机的工作特性  P1 容器 小室 密度为,压力为P1的流体从容器节 流孔(或喷嘴)流入小室,忽略流体 在容器中的流速,并假设流体截面 处的: 压力为P2; 流速为V2; 截面面积为A2; 按照柏努里方程可写成: 于是,由上式可得截面处的流速为: 流体经截面处的流量Q2=A2V2,且A2=CdA0(A0为节流孔的面积,Cd 为流量系数,它随节流前通道的几何形状而定),因此,可得处 的流量为: 液压舵机的动特性（续） AB 回油回油P0 x y 假设下图中回油压力为零;作动筒A腔的压力为PA;B腔的压力为PB, 并忽略滑阀内部的漏油.则当阀芯左移x(设x为正)后,通过滑 阀流入作动筒A腔的流量 QA和从B腔流到滑阀的流 量QB分别为: 式中为油液密度;Cd为 流量系数(一般在0.6-1 范围内);A0为被阀芯打 开的窗口面积,其正比于 阀芯位移量x,即:A0=bx(b为比例系数).因为滑阀输出的流量必 须等于输入的流量,即QA=QB.若令:PA-PB=P,则滑阀的输出流量 为: 上式描述的滑阀输出流量Q与负载P之间的关系又 称滑阀的负载特性,如下图(a)所示,也是一族非 线性曲线,可同分析电动舵机一样,采用线性化的 处理方法来研究液压舵机的动特性,如图(b)所示 . Q Q PP X1X1 X2 X3 X2 X4 X3 X4 (a)实际的(b)线性化的 滑阀相对于平衡状态(P和x均为常数)做增量运动时,输出流量的 增量Q为:Q=K1x-C1P,式中Q, x, P为相对于平衡状态的 各增量值; 实际上,滑阀输出的流量除补充活塞移动推出的那部分 流量外,还必须补偿: • 从作动筒高压腔经活塞的柱面与作动筒壁之间的缝隙 流入作动筒低压腔的漏油量QL; • 由于油液压缩性引起的油液密度变化和高压油流过非 刚体的油管与作动筒壳体引起的体积变化有关的那部分 流量QV. • 故滑阀的输出流量增量又可表示为: 式中:F-活塞的有效面积; C2-为液流系数; ke-为油管管道的弹性系数; E-为油液的体积弹性模数 V0-为作动筒两腔体积的平均值. 又: 考虑到上面的分析,滑阀的输出流量增量整理后可得: 假设： • 舵面、舵面传动机构折算到活塞并包括活塞自身的总质 量为m； • 活塞运动的阻尼系数为f； 摇臂长度为L； 忽略摩擦力 的影响。

则活塞在两腔压力差P作用下的运动方程为： Mj-铰链力矩的增量值 液压舵机结构图 K1F  f F (C1+C2) x +++ --- - P 当液压舵机空载(即Mj=0)时,得空载时液压舵机的传递函数: 其中 : TM,ξM和kM分别为液压舵机的时 间常数、阻尼比和静态增益. 目前飞行控制系统中采用的液压舵机，其时间常 数TM值约为10-3秒的数量级，它远比飞机短周期运 动的固有周期小得多故一般TM值可忽略，液压 舵机的近似传递函数为： 将前结构图进行变换，得 : x + -  根据前图的结构图，得出有载时液压舵机的传递函数为： 当忽略时间常数TM值后,上式可近似写为: 由上可见:液压舵机的空载动特性可用: 一个积分环节和一个二节振荡环节串联; 有载特性可用: 一个惯性环节和一个二节振荡环节的串联. 电动舵机与液压舵机动特性 总结 n空载时用磁粉离合器控 制的电动舵机动特性： 两个积分环节与一个惯 性环节的串联 n 有载时的动特性： 一个二阶无阻尼的震荡 环节与一个惯性环节的 串联 n液压舵机的空载动特性 可用: 一个积分环节和一个 二节振荡环节串联; n有载特性可用: 一个惯性环节和一个二 节振荡环节的串联. 由于舵机的电气时间常数TM值较小，近似分析中往往可忽略 。

铰链力矩对舵机动特性的影 响 n由前分析可知：铰链力矩对舵机的作用，相当 在舵机内部引入一个包围电动舵机和液压舵机 的附加反馈显然，会改变舵机原来的特性 n由于液压舵机与电动舵机相比，液压舵机内部 有一个很强的速度反馈，不仅使液压舵机有较 好的阻尼性能，而且使液压舵机受铰链力矩的 影响比电动舵机小得多动、静特性均受到 影响） 铰链力矩对舵机动特性的影 响 n 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 n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 n 使舵机工作为非对称性的工作 3 舵回路的基本类型与特点 n舵回路的构成： 由舵机与反馈通道构成的闭合回路 n舵回路构成原因 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舵回路来抵消铰链力矩 的影响 （用磁粉离合器控制的间接式）电动舵机的 动特性 假设： n鼓轮到舵面传动机构的速比为i； n磁粉离合器、齿轮传动机构、舵面 及它的传动机构和电动机转子折算 到到鼓轮（包括鼓轮）的总转动惯 量为J； n磁粉离合器传递到鼓轮上的力矩为M ； n磁粉离合器控制绕组的输入电压为U ，电流为I，电感量为L，电阻为R； n鼓轮角速度和转角分别为和k； n舵偏角为。