1、自动飞行控制系统中国民航大学张旗2015年9月制第四章第四章 舵机与舵回路舵机与舵回路4.1 4.1 舵机的工作原理舵机的工作原理v电动舵机；v电动液压舵机 4.2 4.2 舵机的特性分析舵机的特性分析 4.3 4.3 舵回路舵回路第四章第四章 舵机与舵回路舵机与舵回路- -概述舵回路(伺服系统) 是飞行自动控制系统中一个不可缺少的组成部分； 按照 指令模型装置 敏感元件输出的电信号去操纵舵面，实现飞机角运动或轨迹运动的自动稳定和控制。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。4.1 4.1 舵机与的工作原理舵机与的工作原理4.1.14.1.1电动舵机电动舵机 以电力为能源，通常由
2、电动机(直流或交流)、测速装置、位置传感器、齿轮传动装置、和安全保护装置等组成。电动舵机的控制方式：直接式和间接式。v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与转向。v间接式：是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。4.1.14.1.1电动舵机（续）电动舵机（续）例：间接控制电动舵机 Z16Z15Z14Z13Z12Z10Z9Z11Z8Z5Z7Z6Z5Z4Z3Z2Z1电磁离合器衔铁与斜盘电磁离合器鼓轮金属磨擦离合器4.1.14.1.1电动舵机（续）电动舵机（续）M80%40%60%100%B0 20% 40% 60% 80% 100%/n磁
3、粉离合器的机械特性曲线电动舵机v磁粉离合器是间接式电动舵机的关键部件，由主动、从动和固定三部分组。主动部分的壳体内有控制绕组和磁粉，壳体与齿轮Z4的端面固连并随电动机输出轴一起恒速旋转。从动部分的杯形转子与磁粉离合器输出齿轮Z5一起转动。当电流流过磁粉离合器控制绕组时，主动部分壳体内的磁粉（铁钴合金粉）被磁化，按磁力线方向排成链状，链的一端与主动部分相连，另一端与从动部分相连。在磁力的作用，磁粉与主、从动部分之间产生正比于控制电流的摩擦力矩，带动杯形转子和齿轮，一起转动。v线性旋转变压器和测速发电机分别经过齿轮转动装置随鼓轮一起转动，各自输出相位取决于鼓轮转向、大小正比于鼓轮转角和角速度的电信
4、号。v电磁离合器是鼓轮与输出齿轮Z10的连接装置。自动控制时，电磁离合器的激磁绕组通电，电磁离合器吸合，输出齿轮Z10与鼓轮连接，鼓轮随输出齿轮Z10一起转动。人工驾驶时，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。v金属摩擦离合器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Z10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。紧急状态下，驾驶员还可强行操纵，确保飞机的飞行安全。4.1.2 4.1.2 液压舵机液压舵机 能源 液压舵机以高压液体作为能源。种类可分为液压舵机(直接推动舵面偏转)与电液副舵机
5、(它要通过液压主舵机，即液压助力器才能带动舵面偏转)。左为电液副舵机。 液压舵机液压舵机电液副舵机的组成：v电液伺服阀(包括力矩马达和液压放大器)：v作动筒；和v位移传感器。1、导磁体2、永久磁铁3、控制线圈4、衔铁5、弹簧管6、挡板7、喷嘴8、溢流腔9、反馈杆10、阀芯11、阀套12、回油节流孔13、固定节流孔14、油滤15、作动筒壳体20、位移传感器 19、线圈 18、铁芯 17、活塞 16、活塞杆液压舵机v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（i1-i2)等于零时，导磁体1与衔铁4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
6、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处于中间位置。挡板与左右两个喷嘴间的距离相等，二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。阀心的工作凸肩遮住阀套上的窗口，阻止高压油流人，活塞杆处于中间位置，舵面不偏转。v当控制电流(i1-i2)不等于零时，产生控制磁通，改变四个气隙之间的磁通量。在衔铁一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。挡板与一侧喷嘴的距离增大，喷嘴腔内油压降低；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
7、移动。当作用在衔铁上的电磁力矩与弹簧管因衔铁转动变形所产生的力矩、阀心移动通过小球带动反馈杆产产生的力矩以及高压油流过阀心产生的液动力矩相平衡时，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。阀心移动打开阀套上被工作凸肩遮住的窗口，高压油经窗口流人作动筒的一腔，该腔的压力升高。在作动筒两腔压差的作用下，活塞和活塞杆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。v线性位移传感器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
8、塞杆位移的交流电压，其相位取决于活塞杆移动的方向。电液副舵机各组成部件的作用v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。 v液压放大器： 将机械位移转换为控制阀液压的流向及流量。v位移传感器： 将活塞杆的位移转变成电信号反馈到FCC。电液复合舵机电液复合舵机是电液副舵机和液压主舵机组装而成的一个整体，兼有这两种舵机的功能。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。液压复合舵机由电液副舵机、主舵机（即液压助力器）、电磁转换机构、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（系统工和系统）供油。电液复合舵机电磁转换机构和锁紧机构用于人工驾驶和
9、自动控制的状态转换。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I）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。 电液复合舵机驾驶杆移动到某一位置后，由于固连于舵机壳体的支点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。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，带动主滑阀一起运动
10、，高压油经环形槽C与被打开的窗口D1（或D2），流人大动作筒的一腔E2（或E1），另一腔E1（或E2）的油液则经窗口D2或D1与系统l的回油路Q2（或Q1）相通，经主滑阀的空心孔流回油箱。在大动作筒两腔压差作用下，舵机壳体移动，经传动连杆操纵舵面偏转。电液复合舵机电磁转换机构通电时，转换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I的进油口到油路T和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，小作动筒的活塞处于自由状态。驶杆不动时，液压复合舵机转入自动控制状态，控制电液副舵机小作动筒的活塞在控制信号作用下运动。小
11、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列运动，如同人工驾驶一样。电液复合舵机v如果驾驶员参与自动控制时的操纵，则液压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活塞的运动通过摇臂在主滑阀处复合,共同操纵舵机运动。v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。但是，一旦主滑阀卡死，或出现其他一些情况时，副滑阀便接替主滑阀的工作，使就爱十元能进行应急操纵。电动和液压舵机的比较 电动舵机加工制造和维修较为方便，可以和飞行控制系统采用同一能源，信号的传输与控制也较容易，并且线路的敷设较管路方便。但是，电动舵机必须具有减速机构，因而尺寸和重量大。在同样功率的条
12、件下，液压舵机的重量只是电动舵机的1/ 81/10，如果加上液压源及附件，其重量也只有电动舵机的1/31/5。除此之外，电动舵机的力矩与转动惯量的比值较小，快速性也差。在实用中，电动舵机的功率一般只有几十瓦，通频带也仅几赫兹（舵偏角的幅值为最大舵偏角的1/41/5时），因此，电动舵机仅应用在亚音速轰炸机，大中型客机和小型靶机上。 液压舵机液压舵机的功率增益大；力矩与转动惯量的比值大；运转平稳、快速性好；结构紧凑，体积小，重量轻；控制功率小，灵敏度高；承受负载大。但是，加工精度要求高，所以成本高，受环境的影响大，又需要一套液压源和敷设管路，维修麻烦。在实用中，液压舵机的功率远比电动舵机大得多，且
13、通频带可达十几赫兹以上（舵偏角的幅值为最大舵偏角的1/41/5时），因此，一般用于高速飞机和重型飞机，尤其是现代超音速飞机。余度舵机v在电传操纵系统中，驾驶员只通过电气通道驱动舵面，操纵飞机的运动。由于系统没有机械通道，其可靠性要求较高，否则一旦出现故障将会导致飞机毁损。目前提高可靠性的主要措施是采用多余度技术。v余度舵机：在电传操纵系统中使用;就是用几套相同的舵机组合在一起共同操纵舵面。v余度电液副舵机有三套相同的电液副舵机（包括液压伺服阀和作动器），三套作动筒的活塞杆同时连接在一根杆上并一起运动。余度副舵机组成（各有3套）：监控器和逻辑转换控制开关：监控和检测各自通道的指令输入、电液伺服阀
14、的位移、作动筒两腔的压力差和作动筒活塞的位移等信号。伺服阀位置传感器压差传感器副舵机位置传感器信号整形器旁通活门：受监控器控制，工作时可连通作动筒的两腔。余度舵机余度舵机v在正常情况下，余度副舵机中，只有通道A（图中最右边）的伺服阀处于“主动”状态，其余两伺服阀则处于静止状态。此时控制开关K1和K2闭合，压差传感器的输出信号经信号整形器SP和控制开关反馈到放大器，B，C通道各自构成压差回路。B，C通道伺服阀输出的压差正比于通道的指令信号。由于引入压差深度负反馈，构成的压差回路闭路增益值极低。在输入指令信号作用下，B，C通道伺服阀输出的压差近于零值。正常情况下两通道处于备份状态。v处于“主动”状
15、态的A通道，由于伺服阀没有压差反馈，力增益值较高。在输入信号作用下，A通道的伺服阀输出压差，推动活塞移动，并承受几乎全部的舵机负载。旁通活门打开后，作动筒两腔的油路直接沟通，作用于备用通道B和C，活塞两端的压差近于零，它们的活塞杆与A通道作动筒的活塞杆一起移动，实际上几乎不承受舵机的负载力。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。在A通道的副舵机回通路中有位置负反馈，当稳态时活塞杆的位移信号比例于输入信号。此外，各通道的监控器依据电液伺服阀阀心位移、输出的压差和活塞位移等信号，不断地监控和检测各自的工作情况。余度舵机v当A通道电液副舵机一旦出现故障，监控器及
16、时检测和判断，并发出逻辑控制信号打开本通道的旁通活门，同时断开控制开关K1（假定B通道无故障），切断B通道的压差反馈和旁通活门的通路，使B通道的力增益值提高到正常值。通道由原备份状态转为主动状态，接替A通道的工作，承受舵机的全部负载力。v若B通道也出现故障，检测后则断开控制开关K2，C通道的舵机转入主动状态，接替A,B两通道的工作。v因此，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。v可见，三余度电液副舵机大大提高了系统的可靠性，可保证飞机安全飞行。4.2 舵机的特性分析舵面的负载特性电动舵机的动特性液压舵机的动特性铰链力矩对舵机动特性的影响4.2.1 舵面的负载特性舵机在运
17、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。大小：He=-Rehe正负：迫使舵面正向偏转的铰链力矩He为正。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.jMzjzzMOR0zzjzzMO1R2R0zzjzzMjjjhjjM
18、cQSCMjMVV1 aM1 aM4.2.2 舵机的动特性1.电动舵机的动特性v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:UBMtgconstuB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电动舵机的动特性v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：AIMtgconstMI0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，输出力矩M对输入电流I的偏导数电动舵机中电动机的线性
19、化力矩特性（用磁粉离合器控制的间接式）电动舵机的动特性假设：v鼓轮到舵面传动机构的速比为i；v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；v磁粉离合器传递到鼓轮上的力矩为M；v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；v鼓轮角速度和转角分别为和k；v舵偏角为。v忽略摩擦力矩的影响。磁粉离合器减速机构舵面传动机构IM注意：力矩传递比与速度传递比是互成反比例iMMikk1iMMiMBdtdJMIAMIRdIIdLukjjj 磁粉离合器机械特性曲线的斜率B0，得出空载时（Mj=0）电动舵机的传递函数：式中：TM=L/R为电
20、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：) 1()()()(2sTsKsussWMMkM2)()()(sKsussWMkM 下图是根据前述运动方程列出的电动舵机结构图：ALs1RJs1s1i1i1jmu+-I+-BkM（a）变换前（b）变换后) 1(sTskMMs1i1u+-) 1(2sTAiRmMjk当舵机有载时（ 即Mj0），结构图变为（b），舵机的传递函数：1)/() 1(/)()()(222smJisTRmAisussWjMjkM若忽略时间常数TM值，则可近似为：1)/(/)()()(
21、222smJiRmAisussWjjkMALs1RJs1s1i1i1jmu+-I+-BkM（a）变换前（b）变换后) 1(sTskMMs1i1u+-) 1(2sTAiRmMjk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，近似分析中往往可忽略。4.2.2 舵机的动特性2.液压舵机的动特性AB回油回油P0 xy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
22、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。P1容器 小室首先分析流体经节流孔的工作情况。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:22221VPP于是,由上式可得截面处的流速为:)(2212PPV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
23、为: )(22102PPACQd液压舵机的动特性（续）AB回油回油P0 xy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.则当阀芯右移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:BdBAdAPACQPPACQ2)(2000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:)(0PPbxCQd)(0PPbxCQd上式描述的滑阀输出流量
24、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.QQPPX1X1X2X3X2X4X3X41234xxxx1234xxxx(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=K1x-C1P,式中Q, x, P为相对于平衡状态的各增量值;constPxQK1constxPQC1滑阀的输出流量: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
25、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:VLQQdtydFQ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.dtPdEVkQPCQeVL)(2102又:考虑到上面的分析,滑阀的输出流量增量整理后可得:dtPdEVkPCCdtydFxKe)(21)(0211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
26、程为：yLmMLMdtydfdtydmPFjji3 .5722Mj-铰链力矩的增量值。液压舵机结构图K1SEVke)(20FmS1S1L3 .57fF(C1+C2)jML1x+-Py y当液压舵机空载(即Mj=0)时,得空载时液压舵机的传递函数:) 12()()()(22sSTsksxsysWMMM其中:TM,M和kM分别为液压舵机的时间常数、阻尼比和静态增益.)(4)()(2(2)()(2120021212022121CCfFTEVkfCCmCCfFEVkmTCCfFFKkMMeMM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
27、。故一般TM值可忽略，液压舵机的近似传递函数为：sksxsysWM)()()(将前结构图进行变换，得有载时液压舵机的结构图:x+-1222sTsTkMMMMS1L3 .57y yFLkCCsEVkMej212102)(2)(3 .57根据前图的结构图，得出有载时液压舵机的传递函数为：2121021232)(3 .57)(23 .5712)()()(FLKCCMksEVkFLKMksTsTkSxsysWjMejMMMMM当忽略时间常数TM值后,上式可近似写为:2121021)(3 .57)(23 .571)()()(FLKCCMksEVkFLKMkkSxsysWjMejMM由上可见:液压舵机的空
28、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v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。v 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。v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;v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v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。v由
29、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。以电动舵机为例（假设电动舵机的机械特性斜率B不为0）：其传递函数为： 在铰链力矩作用放下，舵机传递函数中出现系数Mj 。显然，飞行状态变化时，舵机的动特性也会随之变化。如果系数Mj的符号发生变化，出现Mj 0（即出现铰链力矩反操纵），那么舵机传递函数中将包含一个不稳定的二阶振荡环节，因此，舵机工作就不稳定了。舵机的稳态输出值： 舵机的静态转角k正比于输入电压u,并与动压q成反比。因此，铰链力矩不仅影响舵机的动特性，而且对静特性也会产生很大的很大的影响，并随
30、飞行状态而变化。)()()()(22iMBsJsRLsAsussWjkMuRbqSmAiAjk)(24.3 舵回路 舵面的铰链力矩对舵机的工作影响很大,为了削弱铰链力矩对舵机的影响,飞行自动控制系统中都采用舵回路,而不是直接控制舵机来操纵舵面的偏转。舵回路的构成舵回路的基本类型舵回路的分析1、舵回路的构成 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。舵机的主要负载(舵面上的铰链力矩)随飞行状态改变，对舵机的工作及舵回路的构成有很大影响。 舵回路的基本作用：v保证输出与输入成一定的比例关系；v减小铰链力矩对舵机工作性能的影响。 1、舵回路的构成 铰链力矩对舵机的作用，相当于在舵机内部引
31、入反馈，因而可利用自动控制原理中的补偿方法，人为地在舵机内部引入另一反馈来抵消它的影响。Js1s1i1i1jMu+-+-BkMRA上图忽略磁粉离合器控制绕组的电感量L,引入舵机鼓轮输出转角的反馈K来包围舵机。K若k0，且满足化简结构图并导出电动舵机的传递函数:则上式可近似为：由上式可得：根据终值定理：)()(lim)()(00sussWstMssktkkussu1)(可求得在输入常值电压u作用下，鼓轮转角稳态值：)()()()()(22AiRMkRABsJsRAsussWjk2/ AiRMkj)()()()(2RAkBsJsRAsussWkkuk结论：v引入反馈k后，舵机的传递函数在各种飞行状
32、态下都是一个稳定的二阶振荡环节（忽略电感L时），并且传递函数中各系数的值均与飞行状态无关，仅决定于舵机自身的结构和反馈k的大小；v在稳态时鼓轮输出转角k正比于输入电压，与反馈量k成反比，而与飞行状态无关。Js1s1i1i1jMU+-+-BkMRA如果引入舵机输出的角速度反馈 来包围舵机，则舵机的传递函数为：假设在各种飞行条件下，反馈系数 均大于零，且满足的条件，则上式将包含两个实极点，其中一个实极点非常接近于零值，SKK22)()()()(iMsRAKBJsRAsUssWjk22/4)/(iJMRAKBjK所以前图的传递函数可变为：根据终值定理：)()(lim)()(200susWssstss
33、sktkkussu1)(得：在输入电压u作用下的鼓轮稳态角速度：引入反馈 与引入反馈 相似，在 相当大时同样可以削弱铰链力矩对舵机的影响，使之与飞行状态无关。不同的是引入反馈 后，在常值电压作用下，输入正比于输出稳态角速度。)()()()(RAKBJSSRAsUssWkURAKBRAKKKK只要人为地引入一个很强的反馈，就可大大消弱铰链力矩对舵机工作性能的影响，并能按比例控制舵机的输出角速度或转角。而基本上与飞行状态无关。舵机输出位置量（角度或线位移）的反馈位置反馈实现方法：电位计、同位器、线性旋转变压器或线位移传感器。舵机输出速度（角速度或线速度）的反馈速度反馈实现方法：测速发电机等。重要结
34、论2.舵回路舵回路的基本的基本类型类型 为改善舵机工作性能，在舵回路中常引用反馈，引入的反馈种类有：位置反馈(又称硬反馈)舵回路输出与输入具有比例特性速度反馈(又称软反馈)舵回路输出与输入具有积分特性均衡馈(又称弹性反馈)舵回路输出与输入具有比例及积分特性 与此相应舵回路有硬反馈式、软反馈式和弹性反馈式三种基本类型。舵回路简化方块图 下图为舵回路的简化结构图，舵机动特性用近似传递函数(即一个积分环节)表示，并忽略铰链力矩的影响。硬反馈式舵回路特点 反馈环节为比例环节 为反馈系数），得到硬反馈式舵回路。 传递函数为： 可见，硬反馈式舵回路近似为个惯性环节，其中系数K与T值均与反馈系数 成反比。因
35、此，这种舵回路的特性与反馈系数的值密切相关，而且位置反馈舵回路的稳态输出舵偏角正比于输入电压。飞行自动控制系统的指令可按比例控制舵偏角的大小。fffkksW()(ikkf/1fkkkTMA/11)()()(sTksUssfk软反馈式舵回路特点 反馈环节为微分环节， 为速度反馈系数)，构成软反馈式舵回路。 传递函数为： 可见，软反馈式舵回路的传递函数为一个积分环节，速度反馈舵回路输出舵偏角正比于输入电压的积分，也就是说，输出舵面偏转角速度正比于输入电压，并近似地与速度反馈系数 成反比。因此，飞行自动控制系统的指令可以按比例控制舵偏角速度。fffksksW()(iskskkkikksussfAMA
36、M11/)()()()1/(fAMAMkkkkkkfk弹性反馈式(均衡式)舵回路特点fk1feMAkTkkeT 反馈环节：为位置反馈中串联一个均衡环节，其传递函数为： 式中 为位置反馈系数； 为均衡环节的时间常数。弹性反馈舵回路的传递函数为：上式中Te值一般比较大,所以: ,当忽略时间常数（近似等于 ）很小的惯性环节时,传递函数近似为:1)(sTsTksWeeff) 11(1) 1()()()(feMAefeMAeAMkTkksTiskTkksTkksuss)11(11)()()(sTikikssTkiTsusseffefefMAkkk1综上分析可见:若弹性反馈式舵回路工作在低频段(即输入电压
37、角频率小于1Te)，则舵回路的传递函数式近似为一个积分环节；若工作在高频段(即输入电压的角频率大于1Te)，则近似为一个比例环节。也就是说，弹性反馈式舵回路的低频特性接近于软反馈式舵回路的特性，高频特性则接近于硬反馈式舵回路的特性。它的输出既正比于输入，又正比于输入的积分，是一种兼有硬反馈式特性与软反馈式特性的舵回路。舵回路的基本类型（总结）v引入不同形式的反馈可以构成特性不同的舵回路，他们的性能很大程度上取决于反馈的性质和大小。三种不同的舵回路也为飞行控制系统提供了三种不同的控制规律。v在飞行控制系统中，用得最多的是位置伺服舵回路。v随着飞行控制技术的迅速发展，特别是电传飞行控制系统的出现，
38、对舵回路的组成、工作的可靠性都提出了更高的要求，采用余度技术则是保证可靠性、满足先进飞行控制系统要求的必然途径。舵回路的发展及其数字化 舵回路是飞行控制系统的重要子系统，其发展与飞行控制技术息息相关，并随着多种专业技术的发展而前进。当今舵回路系统的特点：v（1）采用余度技术-保障系统安全可靠性、提高电传操纵系统完成任务可靠性；v（2）采用辅助作动器方案（多采用嵌套式布局的指令伺服系统、组合式作动器）-结构简单、降低质量和成本；v（3）模拟式电液伺服作动系统仍占主导地位-输出功率大、输出阻抗高。v未来的舵回路系统的控制器必将由模拟式向智能化、集成化和数字化方向发展。4.3.2 舵回路系统的设计v
39、舵回路系统设计要求：舵机要有足够的功率输出；各种飞行状态下，舵机都能稳定地工作；舵回路静、动态性能应满足系统提出的输入/输出关系的要求；舵回路要有较宽的频带，一般讲，舵回路通频带b要大于飞机的35倍；舵回路要有良好的动态响应和较大的阻尼并且相位滞后要小。v舵回路设计手段:采用计算机辅助设计v舵回路设计方法:工程上多采用经典控制理论进行分析和设计v舵回路设计关键闭环回路中反馈量的配置u +-+RA-Js1s1i1kf问题问题1 1：上图为有载时电动舵机的结构图（图中稀疏的含义与前讲案中相同）。试问当f=0时，图中其余两个反馈对舵机的工作由什么影响？如果f0，试问这个反馈对舵机的工作有什么影响？i
40、MjB+-答：答：K1AK5K3K4K6u+-I+M12sTKM-Js1si1141ik21i31i问题问题2 2：假设时间常数TM=0，试计算 公斤米/弧度时的总位置反馈系数值（即包括铰链力矩在内）。并问铰链力矩反馈的值与旋转变压器反馈的值在总位置反馈值中各占多少比例，以及为什么要采取这样的比例关系？注：其它参数假设：K1=800;K2=0.91310-3安/伏;A=5.8公斤米/安;TM=0.03秒; J=0.875 10-5公斤米秒2;K5=0.5毫伏分/转;K6=0.366伏/度;K3=0.0147;K4=0.1062;i1=46.86;i2=0.0599;i3=1.442;i4=4.
41、13,其中系数 的最大值为-257.03公斤米/弧度.jM41i iMj03.257jM答：答：AkskMfkkMkuAkskMfkkuAkskMskfku1sTkeffk问题问题3 3：三种形式的舵回路如上图所示，试判别图（a),（b）和（c）各属于哪种形式的舵回路（a）（b）（c）答：答： 以下图用磁粉离合器控制的电动舵回路为例,分析铰链力矩对舵回路的影响:放大器磁粉离合器减速器1舵面传动装置4减速器2测速发电机旋转变压器减速器3u+-I+kK1AK5K3K4K6u+-I+M12sTKM-Js1si1141ik21i31i以上图电动舵回路为例，分析铰链力矩对舵回路的影响：K1=800;K2
42、=0.91310-3安/伏;A=5.8公斤米/安;TM=0.03秒; J=0.875 10-5公斤米秒2;K5=0.5毫伏分/转;K6=0.366伏/度;K3=0.0147;K4=0.1062;i1=46.86;i2=0.0599;i3=1.442;i4=4.13,其中系数 的最大值为-257.03公斤米/弧度.问题：问题：假设时间常数TM=0，试计算 公斤米/弧度时的总位置反馈系数值（即包括铰链力矩在内）。并问铰链力矩反馈的值与旋转变压器反馈的值在总位置反馈值中各占多少比例，以及为什么要采取这样的比例关系？jM41i iMj03.257jM在铰链力矩 =0的情况下升降舵回路的传递函数为:11039. 3)107() 10377. 0(644. 0)()()(423ssssusszkzjzM在铰链力矩 =-257.03公斤.米/弧度时,升降舵回路的传递函数为:zjzM(弧度/伏)11049. 2)1055. 6() 1036. 0(537. 0)()()(423ssssusszk(弧度/伏)升降舵转角按上述两式作出的舵回路对数幅频特性曲线可以看出:空载和有载两种情况的对数幅频特性曲线是非常近似的.因此可以认为,舵回路的动特性与铰链力矩无关,即与飞行状态无关,而主要取决于它自身的参数.
