第四章__舵机与舵回路

有可能引起极限环振荡（在舵回路输出零 值附近） 此现象以间隙出现在反馈通道中为最严重
非线性（间隙）影响静差、稳定性、引起 极限环振荡

§5 舵机与飞机操纵系统的联接方式
一、飞机上的操纵系统

主操纵系统──操纵飞机三舵面
（ e 、 a 、 ）（通过传动机构）
r

辅操纵系统──操纵调整片、水平安定面、
舵回路根轨迹：
§4、舵机特性对舵回路的影响
一、舵机输出功率对舵回路的影响
输出功率有限影响线性工作范围，快速性及带 宽。
线性工作范围：功率 ，范围 通频带：功率 ，通频带 动态响应：功率 ，快速性
二、舵机传动机构中的非线性（间隙）对舵回路的 影响

增大舵回路延迟时间，增大静差，降低舵 回路的稳定性


反馈部分为： W (S ) k f 舵回路传函：
f
Te S Te S 1
Байду номын сангаас
(均衡环节)
( s ) ( s ) U ( s )
K M K A (Te S 1) (1 K A K M Te k f ) Te S iS ( 1) 1 K A K M Te k f
起落架、襟翼、减速板等
助力器：
当飞行速度提高时，铰链力矩加大，人力 难以操纵，为此用液压助力器 可逆助力器：常用在高亚音速飞机上，飞 行员可真实感受杆力。（有力反传） （杆力可借助于助力器传动比变化） 不可逆助力器：平尾轴置于亚、超音速时 焦点之间，防力反传（因为由亚音速变超 音速时，有反操纵现象，）。加弹簧人工 感受力装置
传函近似为： WM ( S ) 稳态值为：
k
角速度反馈电动舵机方块图

j
M
1 i
u
-
A R
M
1

-
Js
1 s
k
1 i

B
r
速度反馈分析结论：

引入速度反馈r，当r 较大时，舵回路特性 与飞行状态无关，同时减弱了铰链力矩 M j 对舵机的影响； 引入速度反馈r后，使舵机鼓轮输出转动角 速度与 U 成比例，称为速度反馈—软反馈
U
K1
K2 TM s 1
I
+
-
A
M
1 Js

+
1 i1 s
ke
1 i4
e
Kf
K f
分析

舵回路参数参见P182，且已知速度反馈系数为
kf 5 .886 10 2 V s / rad
其开环传递函数为：
W ( s )
3.444 10 5 kf s ( s 16.67 j141.35 )( s 16.67 j141.35 )
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。
二、舵机的工作特性
1、舵机工作是非对称的。原因有两个：

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 M j 0 有初始值作用到舵机上。 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。
四、舵回路举例系统的设计
技术要求： 舵机要有足够的功率输出； 各种飞行状态舵机都能稳定工作；

舵回路的静、动态性能应满足系统提出的 输入/输出关系； 舵回路要有较宽的频带，一般大于飞机的 3~5倍；


舵回路要有较宽的动态相应和较大的阻尼， 并且相位滞后要小；
四、舵回路举例系统的设计
M j i

§3 舵回路

舵回路的构成： 由舵机与反馈通道构成的闭合回路。 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了舵回路来 抵消铰链力矩的影响。

1、硬反馈（位置反馈）式舵回路
1) 引入位置反馈——舵机鼓轮输出转角
f
的反馈
U

稳态值为：
位置反馈分析结论

引入位置反馈f，对任何飞行状态，其舵回 路传函均为一个二阶振荡环节，且各系数 仅与舵机自身的参数和反馈量f 有关，与飞 行状态无关，减弱 M j 影响。 稳态时，舵机鼓轮转角 k 与输入电压 U 成正比，与反馈f 成反比，即 k 与U 成线 性关系，这种反馈f 是位置反馈，又称硬反 馈。
第四章

舵机与舵回路
舵机（执行机构） 舵面负载及对舵机的影响 舵回路的基本类型与特点


舵机特性对舵回路的影响
舵机与飞机操纵系统的联接方式
引言


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。 组成：放大器、舵机、反馈元件（作用是 改善舵回路特性）
电液副舵机 液压助力器
电液复合舵机
舵面
人工操纵

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。
对舵机的特殊技术要求

有足够的机械输出功率。
满足舵回路动态性能要求的基本条件。

舵机中应有保证安全可靠的具体措施。
§2、舵机的特性分析
一、舵面的负载（铰链力矩）特性
舵机推动舵面运动时，除了要克服运动部
化简方块图为：
kM s(Tm s 1)
u

1 s
k
1 i

RM j Aj
2
(Tm s 1)
B不为零时的电动机负载传递函数
Wm ( s ) k ( s ) U ( s ) A ( Ls R)( Js 2 Bs M / i 2 ) j
k ( Ai 2 /( m QS bA R)) U j

1 1 ( ) ik f iTe k f S
（近似值为当 Te 很大，且
K A K M Te k f 1 时，
略去时间常数很小的惯性环节所得）
特点：



舵回路是位置反馈环节与均衡反馈环节相 串联。 传函为（比例＋积分环节） 高频时体现硬 反馈，低频时体现积分作用。 舵面输出
1 当输入电压频率＞ 时：处于高频区工作，呈现比例环节为硬反馈 Te 1 当输入电压频率＜ 时：处于低频区工作，呈现积分环节为软反馈 Te
Ai 2 MR j Ji 2 2 S 1 M j
B0
当略去 TM 时，
WM ( S )
电动舵机特性分析


空载时：舵机动特性可描述为两个积分环 节与一个惯性环节相串联 有载时：舵机动特性可描述为一个二阶无 阻尼振荡环节与一个惯性环节相串联 无论空载还是有载情况下，静态增益 K M 及 时间常数 TM 均随飞行状态改变。 由于TM值很小，在舵机动特性近似分析中 可略去不计。 由于舵机传函中均含 M j ，∴铰链力矩对 舵机动特性是有影响。
k i
式中：
dw J 惯性力矩 dt
B w阻尼力矩
M j i
折算到鼓轮上的铰链力矩
舵面角 k 鼓轮角 “△”表示增量
“－”表示舵面转的方向与鼓轮转的方向 相反
电动舵机方框图
电动舵机传递函数
1）舵面负载为零 M j 0 时， B 0 得空载时电动舵机输入电压对鼓轮输出转角 的传函：
M

j
1 i
u
-
A R
M
1

-
Js
1 s
k
1 i

B
f
位置反馈电动舵机方块图
1) 引入位置反馈—舵机鼓轮输出转角 f 若 f 0 且 f M R / Ai 2 j
f
的反馈,
WM ( S )
K ( S ) U ( S )
K

1 f
A/ R JS 2 BS fA / R


反馈部分为： W (S ) k S f 舵回路传函：
f
( s )

( s ) U ( s )

K iS
特点： ① 引入的反馈是速度反馈（又叫软反馈） ② 舵回路传函为一个积分环节。 ③ 舵面输出转动角速度与输入信号成正比 构成积分式控制律的飞控系统。
3、弹性反馈（均衡式）舵回路

引入舵机输出角速度反馈r ——软反馈

传函为： WM ( S ) 当
(B Ar R
A/ R Ar 2 JS ( B )S M / i 2 j R
) 4M J / i 2 j
时，
A/ R S[ JS ( B Ar / R)]
A/ R B Ar / R U
k ( S ) KM WM ( S ) 2 U ( S ) S (TM S 1)
KM A JR
KM WM ( S ) 2 S
舵机的静态增益
舵机电气时间常数 一般很小，可略去。
L TM R
TM
电动舵机传递函数
2）舵面负载不为零时 M j 0
k ( S ) WM ( S ) U ( S ) Ai 2 MR j Ji 2 2 (TM S 1) S 1 M j

反馈部分为: W f (S ) k 舵回路传函： ( s) K ( s)
f
U ( s )
T S 1

特点： ①引入的反馈为位置反馈，又叫硬反馈。 ②舵面输出的转角与输入信号成比例，构 成比例式飞控系统。 ③舵回路传函为一个惯性环节。
2、软反馈（速度反馈）式舵回路
三、铰链力矩对舵机动特性的影响

M j 0 对舵机形成反馈构成小回路， 0 Mj
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。M j 0 时， 是负反馈，舵机工作稳定。

舵机特性随飞行状态变化，其稳态输出角 也随飞行 Q 值改变，一般 Q ,
M 使舵机工作为非对称性的工作。 j


M j

的大小、符号随飞行状态变化情况
M j 的大小：动压Q越大，铰链力矩也越大。
M 的符号：取决于舵面转轴 O j
相对于舵面
气动力（R ）压力中心位置。 M 0 转轴位于压力中心前， j
且随M数 Q M j
M 0 反操纵 转轴位于压力中心后， j
液压舵机
分为液压舵机和电液副舵机。 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。
电液复合舵机

组成：电液复合舵机是电液副舵机和液压主舵机 组装而成的。兼有两种舵机的功能。


铰链力矩 M 对舵回路特性影响不大 j
二、舵回路类型与特点
U 放大器 KA 反馈装置 W f s 舵机 KM s
k
传动装置 1 i
舵面
舵回路简化方块图
舵回路分为三类：
位置反馈硬反馈 速度反馈软反馈 均衡反馈弹性反馈
1.硬反馈（位置反馈）式舵回路分析

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）。
§1、舵机（执行机构）
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。 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、电液复合舵机

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。
三、舵回路中反馈量的配置

速度反馈：一般可提高稳定性，改善动态 响应。

位置反馈：可提高通频带，快速性，影响 k 静态稳定性。（ 太大，系统不稳）
f

混合反馈：一般速度反馈不能大，液压舵 回路中，一般不用速度反馈。 对于各种反馈量的确定──可用根轨迹分
析、动态响应分析，通频带，快速性及静态 特性几个方面对比来定。

磁粉离合器间接控制电动舵机原理方块图
U
线圈
I
磁粉 离合器
M
减速机构

舵面 传动装置
e
M j ee

2、舵机的动态特性：
模型：
dI U L I R dt
电动机的力矩特性
M j dw M J B w dt i
M A I
M j M j
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。
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 ：
M j m j QS bA M j
显然，铰链力矩的大小、符号随飞行状态而变