飞行控制课件：第2章舵回路.ppt

1、概述： 舵回路是飞行自动控制系统必要组成部分。舵回路是飞行自动控制系统必要组成部分。概念：概念：舵回路是按照指令模型或敏感元件输出的舵回路是按照指令模型或敏感元件输出的 电信号去操纵舵面的执行机构。电信号去操纵舵面的执行机构。组成：舵机、组成：舵机、 伺服放大器、伺服放大器、 反馈装置反馈装置 、信号综、信号综 合装置。合装置。舵机舵机: 舵回路的执行元件，输出力矩（或力）驱动舵回路的执行元件，输出力矩（或力）驱动 舵面偏转。舵面偏转。第2章舵机和舵回路 电动舵机、液压舵机、电动液压舵机三种。电动舵机、液压舵机、电动液压舵机三种。电动舵机电动舵机 能源：电力为能源能源：电力为能源 组成：电动机

2、（直流或交流）、减速机构、反馈组成：电动机（直流或交流）、减速机构、反馈 （测速、位置）、齿轮传动装置和安全保护（测速、位置）、齿轮传动装置和安全保护 装置等。装置等。2.1 2.1 舵机舵机 1.1.舵机的基本类型舵机的基本类型 2.1.1 2.1.1 舵机介绍舵机介绍 液压舵机液压舵机（直接推动舵面偏转）（直接推动舵面偏转） 液压舵机：直接推动操纵面的舵机。液压舵机：直接推动操纵面的舵机。 电液副舵机：电液副舵机：通过液压助力器带动舵面偏通过液压助力器带动舵面偏 转的舵机。转的舵机。电动液压复合舵机（电动液压复合舵机（电液复合舵机）电液复合舵机） 电液副舵机和液压主舵机的组合，兼有两种舵机

3、电液副舵机和液压主舵机的组合，兼有两种舵机 的功能。的功能。余度舵机余度舵机 几套相同的舵机组合在一起共同操纵舵面的舵机。几套相同的舵机组合在一起共同操纵舵面的舵机。 目的：提高可靠性目的：提高可靠性 一般用于电传操纵系统中一般用于电传操纵系统中 用来推动气流中的舵面，受到空气动力的反作用用来推动气流中的舵面，受到空气动力的反作用 力，反作用力的大小与飞机的飞行状态有关；力，反作用力的大小与飞机的飞行状态有关； 同时满足自动控制和人工控制的需要（目前采用同时满足自动控制和人工控制的需要（目前采用 两种情况）两种情况） 强力操纵：适用于低速飞行，应急情况下，用强力操纵：适用于低速飞行，应急情况下

4、，用人工强行推动舵面；人工强行推动舵面； 设计多功能的复合舵机。（高速飞机的特点）设计多功能的复合舵机。（高速飞机的特点）2.2.驾驶仪舵机的特点驾驶仪舵机的特点 从控制系统角度对舵机的要求从控制系统角度对舵机的要求: 应有足够的功率输出；应有足够的功率输出； 应具有一定的输出行程应具有一定的输出行程(或转角或转角)； 偏转角速度应连续可调，速度的调节范围要宽；偏转角速度应连续可调，速度的调节范围要宽； 动态响应要快，惯性小，且运行平稳，死区动态响应要快，惯性小，且运行平稳，死区( (不灵不灵敏区敏区) )及滞环要小；及滞环要小； 应有安全保护装置以及制动能力；应有安全保护装置以及制动能力；

5、体积重量小，安装维护方便。体积重量小，安装维护方便。3. 对舵机要求（主要）对舵机要求（主要） 现代高速飞机偏转操纵面时所需力及力矩较大，现代高速飞机偏转操纵面时所需力及力矩较大， 驾驶员直接操纵较为困难；驾驶员直接操纵较为困难； 在驾驶杆与舵面之间装有液压助力器，平衡作用在驾驶杆与舵面之间装有液压助力器，平衡作用 在舵面上的铰链力矩，且不会直接传到驾驶杆上。在舵面上的铰链力矩，且不会直接传到驾驶杆上。 单腔液压助力器单腔液压助力器分油活门分油活门(又称控制阀又称控制阀)和作动筒两大部分组成。和作动筒两大部分组成。作动筒外壳与机体相连，活塞杆一端与舵面相连，作动筒外壳与机体相连，活塞杆一端与舵

6、面相连，另一端与分油活门外壳相连。另一端与分油活门外壳相连。驾驶杆与分油活门的阀芯相接。驾驶杆与分油活门的阀芯相接。 2.1.2 2.1.2 液压助力器液压助力器 工作过程工作过程： - 一定杆位移对应一定的作动筒活塞的位移；一定杆位移对应一定的作动筒活塞的位移； - 反馈作用；反馈作用；能源：高压液体为能源能源：高压液体为能源特点：特点： 功率增益大；功率增益大； 快速性好；快速性好； 结构紧凑，体积小，重量轻（无减速器）结构紧凑，体积小，重量轻（无减速器） 灵敏度高，可获得满意的操纵品质；灵敏度高，可获得满意的操纵品质； 可实现多余度控制技术。可实现多余度控制技术。 缺点：加工、装配精度要

7、求高，生产成本高。缺点：加工、装配精度要求高，生产成本高。2.1.3 2.1.3 舵机原理舵机原理 液压舵机液压舵机 1. 组成组成 电液伺服阀电液伺服阀 力矩马达力矩马达信号转换装置信号转换装置 液压放大器液压放大器: 前置放大器，功率放大器前置放大器，功率放大器 喷咀挡板喷咀挡板 液压前置放大器液压前置放大器 （将力矩马达输出的角位移转换成喷咀（将力矩马达输出的角位移转换成喷咀 左右两前腔压力差）左右两前腔压力差） 滑阀液压放大器滑阀液压放大器液压功率放大器液压功率放大器 （将喷嘴挡板输出的压力差转换为阀芯（将喷嘴挡板输出的压力差转换为阀芯 的位移）的位移） 作动筒作动筒输出装置输出装置

8、位移传感器位移传感器 电液副舵机电液副舵机 2. 2. 结构与工作原理结构与工作原理 工作原理：工作原理： 输入信号为输入信号为0 0时：即时：即 , , 力矩马达衔铁两端电磁力平衡力矩马达衔铁两端电磁力平衡 挡板不偏转挡板不偏转 与左右两喷嘴间距离相等与左右两喷嘴间距离相等 阀心两端面上的压力阀心两端面上的压力相等、方向相反相等、方向相反 阀心处于中间位置阀心处于中间位置 作动筒活作动筒活塞位移塞位移=0 舵面不偏转。舵面不偏转。 输入信号不为输入信号不为0 0时：时： , , 左：左： ，左，左 右右 阀芯右移阀芯右移，左高压油接通供油，作动筒右移；，左高压油接通供油，作动筒右移； 力反馈

9、杆右移力反馈杆右移，弹簧力矩，弹簧力矩电磁力矩电磁力矩液动液动 力矩平衡力矩平衡 挡板位移正比于输入信号。挡板位移正比于输入信号。 21ii 021iii21ii 021iii21SS1F2F 复合舵机是由电液副舵机和助力器复合舵机是由电液副舵机和助力器(液压主舵机液压主舵机) 组合一体构成的。组合一体构成的。 有并联式与串联式两种组合方式。有并联式与串联式两种组合方式。 并联复合舵机并联复合舵机 并联复合舵机典型原理结构如图并联复合舵机典型原理结构如图2.9所示。所示。 三种工作状态三种工作状态: 助力工作状态助力工作状态：用于人工驾驶工作状态，即：用于人工驾驶工作状态，即 摇杆摇杆A点不动

10、，摇臂杆可以绕点不动，摇臂杆可以绕A点转动。点转动。 当移动驾驶杆时，使当移动驾驶杆时，使0点移动，带动点移动，带动B点移动，点移动， 操纵分油活门，作动筒活塞拖动舵面转动。操纵分油活门，作动筒活塞拖动舵面转动。 电液复合舵机电液复合舵机 自动控制工作状态：自动控制工作状态： 在驾驶杆不动情况下，自动控制系统产生控制指在驾驶杆不动情况下，自动控制系统产生控制指令，加于电液副舵机，使令，加于电液副舵机，使B B点移动，通过助力器使点移动，通过助力器使舵面偏转。舵面偏转。 复合工作状态：复合工作状态： 自动控制系统通过舵机操纵舵面，驾驶员亦可通自动控制系统通过舵机操纵舵面，驾驶员亦可通 过驾驶杆操

11、纵舵面。此时过驾驶杆操纵舵面。此时B点运动是两者叠加。点运动是两者叠加。 操纵权限：操纵权限：两种不同操纵方式，各自造成的可操两种不同操纵方式，各自造成的可操纵舵面的行程，称为操纵权限。纵舵面的行程，称为操纵权限。 复合工作时，舵机的操纵权限较小，仅为全权限复合工作时，舵机的操纵权限较小，仅为全权限的的(5-10)%(5-10)%左右。左右。 串联复合舵机串联复合舵机三种工作状态：三种工作状态： 助力工作状态助力工作状态 舵机活塞不动，舵机相当于拉杆的一部分，驾舵机活塞不动，舵机相当于拉杆的一部分，驾 驶杆移动时，通过舵机整体运动带动分油活门驶杆移动时，通过舵机整体运动带动分油活门 中的阀芯，

12、从而控制舵面偏转。中的阀芯，从而控制舵面偏转。 自动控制工作状态自动控制工作状态 驾驶杆不动，舵机外壳移动，并拉动分油活门驾驶杆不动，舵机外壳移动，并拉动分油活门中的阀芯，从而控制舵面偏转。中的阀芯，从而控制舵面偏转。 复合工作状态复合工作状态 分油活门的位移由驾驶杆位移和控制信号决定，分油活门的位移由驾驶杆位移和控制信号决定，并在舵机上实现综合。并在舵机上实现综合。复合工作仅用于增稳、控制增稳或阻尼器系统。复合工作仅用于增稳、控制增稳或阻尼器系统。电传操纵系统取消了人工机械操纵系统，复合工电传操纵系统取消了人工机械操纵系统，复合工作状态已不存在。作状态已不存在。飞机有人工操纵和自动驾驶工作状

13、态时，则也不飞机有人工操纵和自动驾驶工作状态时，则也不存在复合工作状态。存在复合工作状态。液压舵机的优缺点液压舵机的优缺点 优点优点: 在同样的功率下，液压舵机体积小，重量轻。在同样的功率下，液压舵机体积小，重量轻。 力矩与惯量比值大，运动平稳，快速性好。力矩与惯量比值大，运动平稳，快速性好。 功率增益大，控制功率小，灵敏度高，可承受的功率增益大，控制功率小，灵敏度高，可承受的载荷大。载荷大。 缺点：缺点： 加工精度要求高，复杂，维修困难，成本高。加工精度要求高，复杂，维修困难，成本高。 多余度技术多余度技术提高可靠性的主要措施提高可靠性的主要措施1.1.多余度概念多余度概念: :多余度就是有

14、备份多余度就是有备份 余度舵机余度舵机: 用几套相同的舵机组合在一起共同操纵用几套相同的舵机组合在一起共同操纵 舵面，构成所谓余度舵机。舵面，构成所谓余度舵机。 2. 三余度电液副舵机三余度电液副舵机 三套相同的电液副舵机三套相同的电液副舵机 ( (包括液压伺服阀和作动器包括液压伺服阀和作动器) ) 结构和原理结构和原理: :（1）三套作动筒的活塞杆同时连接在一根杆上）三套作动筒的活塞杆同时连接在一根杆上 并一起运动并一起运动 ; 余度舵机余度舵机 （2)在正常情况下，余度副舵机中，只有一套在正常情况下，余度副舵机中，只有一套(伺伺 服阀服阀) 处于处于“主动主动”状态，其余两套处于静止状态。

15、状态，其余两套处于静止状态。（3)3)三套电液副舵机在输入信号作用下，协调的操纵三套电液副舵机在输入信号作用下，协调的操纵 一个舵面偏转，如同一个整体的舵机。一个舵面偏转，如同一个整体的舵机。（4 4）监控器检测、判断各自的工作情况，当一套有监控器检测、判断各自的工作情况，当一套有 问题时发出逻辑控制信号，通过一定的转换措问题时发出逻辑控制信号，通过一定的转换措 施，进行另外一套（或两套）舵机的转换，即可施，进行另外一套（或两套）舵机的转换，即可 将原将原“备份备份”状态的舵机变为状态的舵机变为“主动主动”状态，而将状态，而将“主主 动动”状态的舵机变为状态的舵机变为“备份备份”状态。状态。*

16、 在三套舵机中即使有两套出现故障，余度舵机也能在三套舵机中即使有两套出现故障，余度舵机也能照常操纵舵面偏转照常操纵舵面偏转大大提高系统的可靠性，保大大提高系统的可靠性，保证飞机安全飞行。证飞机安全飞行。 三余度电液副舵机原理方块图三余度电液副舵机原理方块图 1飞机操纵系统：驾驶员用来操纵飞机上各操纵飞机操纵系统：驾驶员用来操纵飞机上各操纵 面，实现机动飞行的系统。面，实现机动飞行的系统。（1）主操纵系统）主操纵系统：操纵升降舵、副翼和方向舵；操纵升降舵、副翼和方向舵； 可逆型助力操纵系统：可逆型助力操纵系统：驾驶员通过回力杆，真实驾驶员通过回力杆，真实地感受舵面上气动力矩的变化，改变助力器地感

17、受舵面上气动力矩的变化，改变助力器 的传动比的传动比,使杆力变小。通常用于高亚音速飞机。使杆力变小。通常用于高亚音速飞机。不可逆助力系统不可逆助力系统：无回力杆，驾驶员与舵面之间：无回力杆，驾驶员与舵面之间 无直接联系，不存在杆力反向问题；无直接联系，不存在杆力反向问题；（2）辅助操纵系统：用来操纵调整片、水平安定面）辅助操纵系统：用来操纵调整片、水平安定面 及起落架、襟翼和减速板等。及起落架、襟翼和减速板等。2.1.4 2.1.4 舵机与操纵系统的连接方式舵机与操纵系统的连接方式 2 2舵机与主操纵系统的连接舵机与主操纵系统的连接（1）舵机与操纵系统并联：）舵机与操纵系统并联： 自动驾驶仪舵

18、机与人工操纵系统对舵面的操自动驾驶仪舵机与人工操纵系统对舵面的操 纵关系是并联的。纵关系是并联的。特点：特点： 人工驾驶和自动控制可人工驾驶和自动控制可通过同一机械传动装置操纵通过同一机械传动装置操纵舵面舵面。舵机操纵对人系统有影响。舵机操纵对人系统有影响。 驾驶仪舵机对舵面操纵时，驾驶杆处于随动状态，驾驶仪舵机对舵面操纵时，驾驶杆处于随动状态，所以所以人工驾驶和驾驶仪不能同时进行人工驾驶和驾驶仪不能同时进行；要直接操纵；要直接操纵舵面，必须断开自动驾驶仪；人可通过驾驶仪操纵舵面，必须断开自动驾驶仪；人可通过驾驶仪操纵台上旋钮发出信号，通过舵机操纵飞机。台上旋钮发出信号，通过舵机操纵飞机。 舵

19、机要有离合器和舵面相连，以便在人操纵时，舵机要有离合器和舵面相连，以便在人操纵时，将舵机断开。将舵机断开。 要有安全保护装置，一旦在离合器断不开的情况下，要有安全保护装置，一旦在离合器断不开的情况下，驾驶员可以较大的力量克服舵机中摩擦离合器的摩驾驶员可以较大的力量克服舵机中摩擦离合器的摩擦力，使离合器打滑，擦力，使离合器打滑， 强行操纵舵面。强行操纵舵面。（2 2）舵机与人工操纵系统串联）舵机与人工操纵系统串联 舵机与人工操纵系统对舵面的操纵关系是串联的。舵机与人工操纵系统对舵面的操纵关系是串联的。 舵机和人能够同时操纵飞机。舵机和人能够同时操纵飞机。 串联连接方式常用于阻尼和增稳系统中。串联

20、连接方式常用于阻尼和增稳系统中。 特点特点： 舵机串联在驾驶杆和液压助力器的传动杆之间，舵舵机串联在驾驶杆和液压助力器的传动杆之间，舵机成了人工操纵系统的一个环节。机成了人工操纵系统的一个环节。 在自动控制时，对助力器施以推力，从而推动舵面，在自动控制时，对助力器施以推力，从而推动舵面，而对驾驶杆无作用力；而对驾驶杆无作用力； 在人工驾驶时，舵面自动回到中立位置而锁死不动，在人工驾驶时，舵面自动回到中立位置而锁死不动，不影响人工驾驶。不影响人工驾驶。 “力反传力反传”现象，会干扰人工操纵。现象，会干扰人工操纵。 当舵机推动助力器阀芯带动舵面动作时，助力器当舵机推动助力器阀芯带动舵面动作时，助力

21、器分油阀具有的摩擦力对驾驶杆有作用力，干扰了分油阀具有的摩擦力对驾驶杆有作用力，干扰了飞行员的操纵感觉，这一现象称为飞行员的操纵感觉，这一现象称为“力反传力反传”。 解决的办法：解决的办法：采用采用“人感装置人感装置” 人工操纵时舵机回中但不锁死，结果舵机处在随人工操纵时舵机回中但不锁死，结果舵机处在随遇状态，致使飞行员不能有效地操纵飞机。遇状态，致使飞行员不能有效地操纵飞机。 舵机的舵机的“硬性硬性”故障。即舵机出现机械故障，故障。即舵机出现机械故障，不不 能自动回中，特别是舵机输出杆有很大的位能自动回中，特别是舵机输出杆有很大的位移偏离时，卡死不能回中，此时舵面有很大的移偏离时，卡死不能回

22、中，此时舵面有很大的角度，而驾驶杆正处在中立位置，结果使得角度，而驾驶杆正处在中立位置，结果使得“杆杆”、“舵舵”不协调，致使飞行员无法操纵不协调，致使飞行员无法操纵飞机。飞机。 最严重的缺点最严重的缺点解决的办法：解决的办法： 采用余度技术提高自动控制系统的可靠性；采用余度技术提高自动控制系统的可靠性； 减小舵机操纵权限，一般仅为全权限的减小舵机操纵权限，一般仅为全权限的1/31/10。将舵机或复合舵机用舵机偏转角或偏转角速度将舵机或复合舵机用舵机偏转角或偏转角速度反馈信号包围起来，形成一个舵回路。反馈信号包围起来，形成一个舵回路。 改善舵机跟踪控制指令的特性和精度，减少改善舵机跟踪控制指令

23、的特性和精度，减少 铰链力矩的影响。铰链力矩的影响。 2.2 舵回路目的目的 从控制系统角度对舵回路的要求：从控制系统角度对舵回路的要求： 应稳定工作；应稳定工作； 舵回路的静态性能满足系统所提出的舵回路的静态性能满足系统所提出的 输入与输出关系的要求；输入与输出关系的要求； 舵回路应有较宽的通频带；舵回路应有较宽的通频带； 舵回路应有良好的动态响应特性。舵回路应有良好的动态响应特性。对舵回路的要求（主要）对舵回路的要求（主要） 1. 1. 引入输出转角速度反馈的反馈引入输出转角速度反馈的反馈 （1 1）结构图）结构图k舵回路的构成与基本类型舵回路的构成与基本类型 结论：结论： 在舵机内部引入

24、反馈构成的闭合回路，当反馈量相在舵机内部引入反馈构成的闭合回路，当反馈量相当大时，可以削弱铰链力矩对舵机的影响，而与飞当大时，可以削弱铰链力矩对舵机的影响，而与飞行状态无关。行状态无关。 稳态时的输出角速度正比于输入电压。稳态时的输出角速度正比于输入电压。 可以控制舵机输出轴的偏转角速度。可以控制舵机输出轴的偏转角速度。* 飞行自动控制系统指令可按比例控制舵偏角速度。飞行自动控制系统指令可按比例控制舵偏角速度。类型：软反馈式舵回路类型：软反馈式舵回路 2 2. . 引入输出转角的反馈引入输出转角的反馈 （位置反馈）（位置反馈） （1 1）结构图）结构图 k结论：结论： 舵机型能仅决定于舵机自身结构参数和反馈量舵机型能仅决定于舵机自身结构参数和反馈量 大小，与飞行状态无关。大小，与飞行状态无关。 稳态时输出转角稳态时输出转角 ，正比于输入电压，反比于，正比于输入电压，反比于反馈量反馈量 ；可以削弱铰链力矩对舵机的影响，可以削弱铰链力矩对舵机的影响，而与飞行状态无关。而与飞行状态无关。* 飞行自动控制系统指令可按比例控制舵偏角度。飞行自动控制系统指令可按比例控制舵偏角度。kkk类型：硬反馈式舵回路类型：硬反馈式舵回路 （位置反馈舵回路）（位置反馈舵回路）