飛控系統(tǒng)中的傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一 飛控系統(tǒng)中的傳感器 飛機(jī)運(yùn)動(dòng)變量角度 角速度 角加速度 速度 加速度 高度 迎角 側(cè)滑角飛控系統(tǒng)中傳感器的目的測(cè)量飛機(jī)的運(yùn)動(dòng) 反饋給飛控系統(tǒng)內(nèi)回路 角速度 迎角 加速度姿態(tài)穩(wěn)定回路 角度巡航與自動(dòng)飛行 高度 速度傳感器的類型 慣性器件 1 陀螺儀 測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)角 俯仰 滾轉(zhuǎn) 偏航角測(cè)量飛機(jī)的三軸角速率 單自由度陀螺儀oz軸為高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子固定在內(nèi)環(huán)上內(nèi)環(huán)固定在基座上 繞ox軸轉(zhuǎn)動(dòng) 雙自由度陀螺儀 oz軸為高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子 固定在內(nèi)環(huán)上內(nèi)環(huán)固定在外環(huán)上 繞ox軸轉(zhuǎn)動(dòng)外環(huán)固定在基座上 繞oy軸轉(zhuǎn)動(dòng)也叫三自由度陀螺內(nèi)環(huán)是一個(gè)萬(wàn)向支架 將轉(zhuǎn)子與基座隔開 2 雙自由度陀螺工作原理 轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn) 21500 24000轉(zhuǎn) 分2 1定軸性 1 慣性空間靜止不動(dòng)的坐標(biāo)系 太陽(yáng)坐標(biāo)系不隨地球轉(zhuǎn)動(dòng) 近似看作地坐標(biāo)系2 陀螺現(xiàn)象高速旋轉(zhuǎn)的物體 其軸線 動(dòng)量矩 保持空間的方向不變 該空間為慣性空間3 陀螺的定軸和漂移都是相對(duì)于慣性空間 自由陀螺儀飛機(jī)從東到西 陀螺的轉(zhuǎn)子軸方向不變 轉(zhuǎn)子軸由萬(wàn)向支架與飛機(jī)隔開 不隨飛機(jī)姿態(tài)改變定位陀螺儀陀螺轉(zhuǎn)子H軸線被控制或修正跟蹤地垂線 用來(lái)測(cè)量飛機(jī)的角度 角速度運(yùn)動(dòng) 2 2陀螺的進(jìn)動(dòng)性 外環(huán)垂直于地面 內(nèi)環(huán)ox oz軸平行于地面在ox軸上吊一個(gè)重物G 產(chǎn)生力矩 Mx G r 沿ox方向1 轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí) H 0 產(chǎn)生沿ox軸的角加速度 普通慣性物體在空間的運(yùn)動(dòng)2 當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí) H大 在Mx的作用下產(chǎn)生外框繞oy軸轉(zhuǎn)動(dòng) y 進(jìn)動(dòng) 由H到 x 符合右手定則 Mx MG 2 2陀螺的進(jìn)動(dòng)性 續(xù) 力矩平衡方程 當(dāng)H 0時(shí)為普通慣性方程進(jìn)動(dòng)方向 由H x方向 右手定則進(jìn)動(dòng)角速度 y Mx H2 3陀螺力矩轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩H很大時(shí) 進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生 y 轉(zhuǎn)子軸不順Mx方向轉(zhuǎn)動(dòng) 產(chǎn)生了陀螺力矩 MxG Mx H y 慣性力矩陀螺力矩與外力矩Mx方向相反 大小相等 起到平衡外力矩的作用 2 4雙自由度陀螺的運(yùn)動(dòng)方程 OXYZ 基座坐標(biāo)系OX Y Z 固連于外環(huán)坐標(biāo)系 外環(huán)繞OY軸轉(zhuǎn) 產(chǎn)生 角和OX Y Z 固連于內(nèi)環(huán)坐標(biāo)系 內(nèi)環(huán)繞OX 軸轉(zhuǎn) 產(chǎn)生 角和 歐拉角角動(dòng)量H OZ方向 隨內(nèi)框偏轉(zhuǎn) Ix Z Z X X Z Y Y 在OX Y平面求雙自由度陀螺的運(yùn)動(dòng)方程 0Y軸力矩My 外力矩 在My作用下產(chǎn)生0X 軸力矩Mx 外力矩 在Mx 作用下產(chǎn)生同時(shí)產(chǎn)生慣性力矩 角加速度陀螺力矩 由摩擦阻尼力矩 兩軸力矩方程 四階 耦合 線性方程輸出 H向外 雙自由度陀螺平衡方程 動(dòng)態(tài)方程經(jīng)積分 通過(guò)電測(cè)量裝置 電位計(jì) 碼盤等 輸出與 成比例的電信號(hào)My Mx 修正力矩 保證H的水平和垂直動(dòng)態(tài)過(guò)程簡(jiǎn)化的動(dòng)態(tài)過(guò)程 僅考慮了靜態(tài)關(guān)系考慮動(dòng)態(tài)過(guò)程 章動(dòng) 好的陀螺儀應(yīng)當(dāng)減少章動(dòng) 2 5雙自由度陀螺測(cè)量飛機(jī)姿態(tài)角 地平儀 垂直陀螺 OXoYoZo 地軸系OXbYbZb 機(jī)體軸系可以繞俯仰和滾轉(zhuǎn)框轉(zhuǎn)動(dòng) 陀螺轉(zhuǎn)子H方向與OZo同方向 控制修正力矩 使H垂直于地垂線1 飛機(jī)產(chǎn)生俯仰角 體軸繞OY轉(zhuǎn) H 產(chǎn)生框架滾轉(zhuǎn) 輸出與 成正比的角度信號(hào)2 飛機(jī)產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)角 體軸oz轉(zhuǎn) H 產(chǎn)生框架俯仰偏轉(zhuǎn) 輸出與 成正比的角度信號(hào) H 雙自由度陀螺儀 液體開關(guān)一個(gè)液體單擺 始終向下給出基準(zhǔn) 保持H的方向穩(wěn)定在地垂線上兩軸力矩馬達(dá)與液體開關(guān)合作 產(chǎn)生修正力矩 防止H改變方向 3 單自由度陀螺 3 1基本原理OZ 轉(zhuǎn)子軸 H的方向OX 內(nèi)環(huán)軸 與彈簧和阻尼器連接 產(chǎn)生彈簧力矩 與電位計(jì)連接 輸出與轉(zhuǎn)角 成比例的電信號(hào) 當(dāng)基座有繞OY軸轉(zhuǎn)動(dòng)的 y 陀螺進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生沿OX的轉(zhuǎn)動(dòng)角 單自由度陀螺輸出與 y成比例的信號(hào) 3 2單自由度陀螺的動(dòng)態(tài)方程 OXYZ 基座坐標(biāo)系OXYcZc 內(nèi)環(huán)坐標(biāo)系基座繞OY轉(zhuǎn) y 陀螺沿OX進(jìn)動(dòng) 內(nèi)環(huán)同時(shí)OX軸上有彈簧力矩K 阻尼力矩摩擦力矩MTx 慣性力矩陀螺力矩分量和力矩平衡方程 3 2單自由度陀螺的動(dòng)態(tài)方程 續(xù) 設(shè)沿ox方向力矩平衡方程 慣性力矩摩擦阻尼力矩彈簧力矩陀螺力矩 內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角 與 y成正比 通過(guò)電位計(jì)輸出與r成正比的電壓信號(hào) 3 3在飛機(jī)上的安裝位置 俯仰速率 H方向oz2 內(nèi)環(huán)ox2 由H ox2可測(cè)量q偏航速率 H方向oz1 內(nèi)環(huán)ox1 由H ox1可測(cè)量r滾轉(zhuǎn)速率 H方向oz3 內(nèi)環(huán)ox3 由H ox3可測(cè)量p 捷聯(lián)式直角兩軸光電探測(cè)平臺(tái)虛擬樣機(jī) 三個(gè)速率陀螺分別安裝在不同的方向上測(cè)量導(dǎo)彈彈體三軸速率擾動(dòng) 完成反饋控制 4 陀螺儀的發(fā)展 種類很多 大小不等機(jī)械式 壓電式 石英式 液浮陀螺 內(nèi)環(huán)浮在液體中 減少摩擦撓性陀螺 撓性接頭 無(wú)摩擦的彈性支撐激光陀螺 小型化光纖陀螺 微型化陀螺穩(wěn)定平臺(tái) 不隨飛機(jī)姿態(tài)改變 導(dǎo)航系統(tǒng)指標(biāo) 精度 漂移 最新型角速率陀螺 MEMS技術(shù)小型化高精度高價(jià)格 5 加速度傳感器 測(cè)量飛機(jī)重心的線加速度質(zhì)量塊受到力的作用產(chǎn)生加速度 位移x z xi通過(guò)彈簧平衡 阻尼器kg通過(guò)電位計(jì)輸出安裝在飛機(jī)質(zhì)心位置 可測(cè)量飛機(jī)的法向 側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào) u K axK Kvm k Kv 電位計(jì)傳遞系數(shù) k 彈簧系數(shù)可近似代替迎角 側(cè)滑角傳感器測(cè)量迎角 6 迎角 側(cè)滑角 傳感器 風(fēng)標(biāo)式1 安在機(jī)頭處 氣流使葉片偏移 帶動(dòng)指針移動(dòng) 電位計(jì)輸出 u k 2 安在xoz平面內(nèi) 測(cè)量側(cè)滑角3 精度較低 噪聲大 壓差管式 零壓差式 精度高于風(fēng)標(biāo)式 7 高度傳感器 靜壓高度表 真空膜盒感受大氣靜壓p p 膜盒膨脹 L 膜盒位移對(duì)應(yīng)于氣壓高度差 電位計(jì)輸出u k H 高度差傳感器 更復(fù)雜 u k H 二 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 舵機(jī)1 電動(dòng)舵機(jī) 全電飛機(jī) 無(wú)人機(jī)2 液壓舵機(jī) 力矩大 大型飛機(jī)3 電液復(fù)合舵機(jī) 控制電路 液壓助力器4 余度舵機(jī) 電磁余度 機(jī)械無(wú)余度電動(dòng)舵機(jī)為例力矩電機(jī) 電磁回路 機(jī)械回路負(fù)載 鉸鏈力矩 是M數(shù) 迎角 舵面偏轉(zhuǎn)角的函數(shù)助力器 作動(dòng)器 液壓式 增加力 力矩 可近似為1 2 1電動(dòng)舵機(jī)原理方塊圖 力矩電機(jī) 控制回路角速度反饋k 可以是測(cè)速機(jī) 調(diào)節(jié)速度回路角度 位置 反饋k 電位計(jì) 碼盤 調(diào)節(jié)位置 某導(dǎo)彈舵回路方框圖 舵機(jī) 負(fù)載 控制的回路 飛控系統(tǒng)中的舵機(jī)環(huán)節(jié) 實(shí)際系統(tǒng)與原理系統(tǒng)有很大不同 對(duì)于飛控系統(tǒng)而言 可以近似為一階或二階環(huán)節(jié) 縱向短周期電傳飛行控制律 本節(jié)結(jié)束