舵機(jī)與舵回路

舵機(jī)與舵回路舵機(jī)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）舵面負(fù)載及對舵機(jī)的影響舵回路的基本類型與特點(diǎn)舵機(jī)特性對舵回路的影響舵機(jī)與飛機(jī)操縱系統(tǒng)的聯(lián)接方式引言舵回路（伺服系統(tǒng)）是飛行自動控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，它按照指令模型裝置或敏感元件輸出的電信號操縱舵面，實現(xiàn)飛機(jī)角運(yùn)動或航跡運(yùn)動的自動穩(wěn)定與控制。組成：放大器、舵機(jī)、反饋元件（作用是改善舵回路特性）舵回路負(fù)載：舵面的慣量，和作用在舵面上的氣動力矩（鉸鏈力矩）。

§1、舵機(jī)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）舵機(jī)作用：舵機(jī)是舵回路中的執(zhí)行元件，輸出力矩（或力）和角速度（或線速度），驅(qū)動舵面偏轉(zhuǎn)。舵機(jī)類型：飛行控制系統(tǒng)中的舵機(jī)有三大類：電動舵機(jī)、液壓舵機(jī)、電液復(fù)合舵機(jī)電動舵機(jī)組成：一般電動舵機(jī)包括①電動機(jī)（直流或交流的），②測速裝置，③位置傳感器，④齒輪傳動裝置和⑤保安裝置。優(yōu)點(diǎn)：①能源是電力，通常與飛控系統(tǒng)用同一能源，傳輸、控制等方便。②加工制造、裝配維修方便。

液壓舵機(jī)

分為液壓舵機(jī)和電液副舵機(jī)。組成：由電液伺服閥（力矩馬達(dá)和液壓放大器），作動筒和位移傳感器組成。優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、功率增益大，輸出功率與轉(zhuǎn)動慣量的比值大，所以快速性好，控制功率小，靈敏度高。缺點(diǎn)：加工、裝配較困難，生產(chǎn)成本較高，要另加能源——油源。電液復(fù)合舵機(jī)組成：電液復(fù)合舵機(jī)是電液副舵機(jī)和液壓主舵機(jī)組裝而成的。兼有兩種舵機(jī)的功能。一般具有人工駕駛、自動控制、復(fù)合工作和應(yīng)急操縱等四種工作狀態(tài)。對舵機(jī)的特殊技術(shù)要求

有足夠的機(jī)械輸出功率。滿足舵回路動態(tài)性能要求的基本條件。舵機(jī)中應(yīng)有保證安全可靠的具體措施?！?、舵機(jī)的特性分析一、舵面的負(fù)載（鉸鏈力矩）特性

舵機(jī)推動舵面運(yùn)動時，除了要克服運(yùn)動部分的慣性力矩和摩擦力矩外，還要克服舵面鉸鏈力矩。鉸鏈力矩是由空氣動力作用在舵面上而造成的對舵面鉸鏈軸的力矩。鉸鏈力矩特性鉸鏈力矩與舵面幾何形狀、類型，飛行的 或及舵偏角有關(guān)，其中以舵偏角為主。鉸鏈力矩表達(dá)式為：

顯然，鉸鏈力矩的大小、符號隨飛行狀態(tài)而變

的大小、符號隨飛行狀態(tài)變化情況

的大小：動壓Q越大，鉸鏈力矩也越大。的符號：取決于舵面轉(zhuǎn)軸相對于舵面氣動力（）壓力中心位置。轉(zhuǎn)軸位于壓力中心前，轉(zhuǎn)軸位于壓力中心后，反操縱鉸鏈力矩的大小和方向隨飛機(jī)狀態(tài)而變化，對舵機(jī)的工作有很大的影響。二、舵機(jī)的工作特性1、舵機(jī)工作是非對稱的。原因有兩個：飛機(jī)穩(wěn)定飛行時，舵面就不在中間位置，而是有一個舵偏度，這就使一開始有初始值作用到舵機(jī)上。舵機(jī)工作過程中，負(fù)載力矩不對稱。例如舵機(jī)使舵面偏角加大時（出舵時）鉸鏈力矩起阻止加大的作用；而在收舵時，又起加速舵面回收的作用。磁粉離合器間接控制電動舵機(jī)原理方塊圖2、舵機(jī)的動態(tài)特性：模型：電動機(jī)的力矩特性式中：慣性力矩阻尼力矩折算到鼓輪上的鉸鏈力矩舵面角鼓輪角“△”表示增量“－”表示舵面轉(zhuǎn)的方向與鼓輪轉(zhuǎn)的方向相反電動舵機(jī)方框圖電動舵機(jī)傳遞函數(shù)1）舵面負(fù)載為零時，得空載時電動舵機(jī)輸入電壓對鼓輪輸出轉(zhuǎn)角的傳函：舵機(jī)的靜態(tài)增益舵機(jī)電氣時間常數(shù)一般很小，可略去。電動舵機(jī)傳遞函數(shù)2）舵面負(fù)載不為零時

當(dāng)略去時，電動舵機(jī)特性分析空載時：舵機(jī)動特性可描述為兩個積分環(huán)節(jié)與一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)有載時：舵機(jī)動特性可描述為一個二階無阻尼振蕩環(huán)節(jié)與一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)無論空載還是有載情況下，靜態(tài)增益及時間常數(shù)均隨飛行狀態(tài)改變。由于值很小，在舵機(jī)動特性近似分析中可略去不計。由于舵機(jī)傳函中均含，∴鉸鏈力矩對舵機(jī)動特性是有影響。化簡方塊圖為：

B不為零時的電動機(jī)負(fù)載傳遞函數(shù)三、鉸鏈力矩對舵機(jī)動特性的影響

對舵機(jī)形成反饋構(gòu)成小回路，時是正反饋，舵機(jī)傳函中將包含不穩(wěn)定的二階環(huán)節(jié)，舵機(jī)工作不穩(wěn)定。時，是負(fù)反饋，舵機(jī)工作穩(wěn)定。舵機(jī)特性隨飛行狀態(tài)變化，其穩(wěn)態(tài)輸出角也隨飛行值改變，一般使舵機(jī)工作為非對稱性的工作。

§3舵回路舵回路的構(gòu)成：由舵機(jī)與反饋通道構(gòu)成的閉合回路。舵回路構(gòu)成原因鉸鏈力矩的存在，相當(dāng)于在舵機(jī)內(nèi)部引入一個反饋。要想消除它對舵機(jī)工作的影響，可人為地引入另一個反饋構(gòu)成了舵回路來抵消鉸鏈力矩的影響。1、硬反饋（位置反饋）式舵回路1)引入位置反饋——舵機(jī)鼓輪輸出轉(zhuǎn)角的反饋

位置反饋電動舵機(jī)方塊圖1)引入位置反饋—舵機(jī)鼓輪輸出轉(zhuǎn)角f的反饋,若且穩(wěn)態(tài)值為：位置反饋分析結(jié)論

引入位置反饋f，對任何飛行狀態(tài)，其舵回路傳函均為一個二階振蕩環(huán)節(jié)，且各系數(shù)僅與舵機(jī)自身的參數(shù)和反饋量f有關(guān)，與飛行狀態(tài)無關(guān)，減弱影響。穩(wěn)態(tài)時，舵機(jī)鼓輪轉(zhuǎn)角與輸入電壓成正比，與反饋f成反比，即與成線性關(guān)系，這種反饋f是位置反饋，又稱硬反饋。引入舵機(jī)輸出角速度反饋r——軟反饋傳函為：當(dāng)時，傳函近似為：穩(wěn)態(tài)值為：

角速度反饋電動舵機(jī)方塊圖

速度反饋分析結(jié)論：引入速度反饋r，當(dāng)r較大時，舵回路特性與飛行狀態(tài)無關(guān)，同時減弱了鉸鏈力矩對舵機(jī)的影響；引入速度反饋r后，使舵機(jī)鼓輪輸出轉(zhuǎn)動角速度與成比例，稱為速度反饋—軟反饋鉸鏈力矩對舵回路特性影響不大

二、舵回路類型與特點(diǎn)舵回路簡化方塊圖

舵回路分為三類：1.硬反饋（位置反饋）式舵回路分析反饋部分為:舵回路傳函：特點(diǎn)：①引入的反饋為位置反饋，又叫硬反饋。②舵面輸出的轉(zhuǎn)角與輸入信號成比例，構(gòu)成比例式飛控系統(tǒng)。③舵回路傳函為一個慣性環(huán)節(jié)。

2、軟反饋（速度反饋）式舵回路反饋部分為：舵回路傳函：特點(diǎn)：①引入的反饋是速度反饋（又叫軟反饋）②舵回路傳函為一個積分環(huán)節(jié)。③舵面輸出轉(zhuǎn)動角速度與輸入信號成正比構(gòu)成積分式控制律的飛控系統(tǒng)。3、彈性反饋（均衡式）舵回路反饋部分為：(均衡環(huán)節(jié))舵回路傳函：（近似值為當(dāng)很大，且時，略去時間常數(shù)很小的慣性環(huán)節(jié)所得）特點(diǎn)：舵回路是位置反饋環(huán)節(jié)與均衡反饋環(huán)節(jié)相串聯(lián)。傳函為（比例＋積分環(huán)節(jié)）高頻時體現(xiàn)硬反饋，低頻時體現(xiàn)積分作用。舵面輸出三、舵回路中反饋量的配置速度反饋：一般可提高穩(wěn)定性，改善動態(tài)響應(yīng)。位置反饋：可提高通頻帶，快速性，影響靜態(tài)穩(wěn)定性。（太大，系統(tǒng)不穩(wěn)）混合反饋：一般速度反饋不能大，液壓舵回路中，一般不用速度反饋。對于各種反饋量的確定──可用根軌跡分析、動態(tài)響應(yīng)分析，通頻帶，快速性及靜態(tài)特性幾個方面對比來定。四、舵回路舉例系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)要求：舵機(jī)要有足夠的功率輸出；各種飛行狀態(tài)舵機(jī)都能穩(wěn)定工作；舵回路的靜、動態(tài)性能應(yīng)滿足系統(tǒng)提出的輸入/輸出關(guān)系；舵回路要有較寬的頻帶，一般大于飛機(jī)的3~5倍；舵回路要有較寬的動態(tài)相應(yīng)和較大的阻尼，并且相位滯后要??；四、舵回路舉例系統(tǒng)的設(shè)計分析舵回路參數(shù)參見P182，且已知速度反饋系數(shù)為其開環(huán)傳遞函數(shù)為：舵回路根軌跡：§4、舵機(jī)特性對舵回路的影響一、舵機(jī)輸出功率對舵回路的影響

輸出功率有限影響線性工作范圍，快速性及帶寬。二、舵機(jī)傳動機(jī)構(gòu)中的非線性（間隙）對舵回路的影響增大舵回路延遲時間，增大靜差，降低舵回路的穩(wěn)定性有可能引起極限環(huán)振蕩（在舵回路輸出零值附近）此現(xiàn)象以間隙出現(xiàn)在反饋通道中為最嚴(yán)重非線性（間隙）影響靜差、穩(wěn)定性、引起極限環(huán)振蕩§5舵機(jī)與飛機(jī)操縱系統(tǒng)的聯(lián)接方式一、飛機(jī)上的操縱系統(tǒng)主操縱系統(tǒng)──操縱飛機(jī)三舵面（、、）（通過傳動機(jī)構(gòu)）輔操縱系統(tǒng)──操縱調(diào)整片、水平安定面、起落架、襟翼、減速板等助力器：

當(dāng)飛行速度提高時，鉸鏈力矩加大，人力難以操縱，為此用液壓助力器可逆助力器：常用在高亞音速飛機(jī)上，飛行員可真實感受桿力。（有力反傳）（桿力可借助于助力器傳動比變化）不可逆助力器：平尾軸置于亞、超音速時焦點(diǎn)之間，防力反傳（因為由亞音速變超音速時，有反操縱現(xiàn)象，）。加彈簧人工感受力裝置二、舵機(jī)與操縱系統(tǒng)連接方式

舵機(jī)與人工操縱系統(tǒng)有兩種連接方式：并聯(lián)式、串聯(lián)式并聯(lián)式連接方式：用于自動駕駛儀中的舵機(jī)與人工系統(tǒng)的連接。AP工作時：飛行員不動駕駛桿，指令由操縱臺上旋