液压舵机系统

摘要本文主要研究一个由液压系统驱动的舵系统，描述了舵系统的基本结构和工作原理；对气动舵系统各组成部分进行了分析，建立了全参数舵系统工程仿真模型，并对整个舵系统数学模型进行了仿真研究。

通过研究该模型可以方便的分析各个参数对舵系统性能的影响，有利于改善系统的静、动态性能，对气动舵系统的研究有重要意义。

并设计控制器，使得系统的输出快速准确地跟踪制导指令信号，应用Matlab编程语言进行仿真。

关键词：Matlab;Simulink;液压;仿真;建模;气动舵系统第一章绪论1.1课题的来源和意义本学期，上过《导弹制导与控制系统原理》之后，为了更加的了解这门课，选了关于舵系统的一部分内容进行设计。

通过本课程的设计，能了解运用目标探测与识别，惯性导航，飞行器制导与控制等相关专业课程中的基本理论和实践知识，正确地解决探测制导与控制系统中的舵系统设计等问题。

1.2舵机和舵系统的分类1.2.1舵机的分类根据不同的分类标准，可对舵机进行不同的分类。

按照所采用能源不同，舵机可分为以下三类：电动式舵机、气压式舵机、液压式舵机。

不管那种类型的舵机，都必须包含能源和作动装置，能源或为电池或为高压气源（液压）。

对于电动式舵机，其作动装置由电动机和齿轮传动装置组成；对于气压或液压式舵机，其作动装置由电磁铁、气动放大器和气缸或液压放大器、液动缸等组成。

1、电动式舵机电动式舵机又可分为电磁式和电动式两种。

电磁式舵机实际上就是一个电磁机构，其特点是外形尺寸小，结构简单，快速性好，但这种舵机的功率小，一般用于小型导弹上。

电动式舵机以交流和直流电动机作为动力源，所以它可以输出较大功率，它具有结构简单、制造方便的优点，但是快速性差。

2、气压式舵机按气源的种类不同，气压式舵机分为冷气式和燃气式两种。

冷气式舵机采用高压冷气瓶中储藏的高压空气或氦气作为气源，来操纵舵面的运动。

通常空气压力为15.20MPa，氦气可达49.65MPa。

燃气式舵机采用固体燃料燃烧后所产生的气体作为气源，来操纵舵面的运动。

气压式舵机一般用于发行时间短的导弹。

3、液压式舵机液压式舵机以液压油储存在油瓶中，并充有高压气体，给油加压。

液压式舵机有体积小、质量轻、功率大、快速性能好的优点，其缺点是液体的性能受外场环境条件的影响较大，加工精度要求高，成本大。

目前，液压式舵机常用于中远程导弹。

1.2.2舵系统的分类防空导弹舵系统的种类很多，通常有如下的分类法：1、按执行机构的能源舵系统可分为：液压舵系统、气压舵系统、燃气舵系统、电动舵系统。

其中燃气舵系统也可归类为气压舵系统，即气压舵系统包括冷气和燃气两种。

液压舵系统的优点是，体积小，比功率（单位质量的功率）大，频带宽，快速性好，负载刚度高。

缺点是，作为执行机构的液压舵机（特别是伺服阀）加工复杂，成本昂贵，对污染敏感，系统维护费用高。

液压舵系统多用于中、远程防空导弹上。

气压舵系统具有结构简单、造价低廉、消耗弹上能源少，对污染不甚敏感的优点。

缺点是负载刚度低，频带窄，快速性差。

目前采用提高气源压力，改进关键件的结构设计和改进密封方法，以及改进制造工艺等，可使快速性和负载刚度都有明显的提高。

气压舵系统多用于中程防空导弹上，也是用于远程的。

燃气舵系统具有质量轻，快速性好，体积小和成本低的优点。

但燃气舵机的电磁机构在高温和燃气的污染下，工作寿命短。

因此，这种舵系统只适合于近程小型防空导弹应用。

电动舵系统的执行元件通常为直流伺服电动机。

电动舵系统的突出优点是能源单一，结构简单，工艺性好，可靠性高，使用维护方便，成本低廉。

特别近十年来电动机的性能有了突飞猛进的发展，在快速性、负载刚度、温升等方面都比以前有明显的改善，因而在战术导弹中又受到广泛的注意。

电动舵系统多用于近程小型防空导弹。

2、按反馈形式舵系统可分为位置反馈舵系统，速度反馈舵系统，气动铰链力矩反馈舵系统，开路工作状态舵系统等。

3、按差动形式舵系统可分为机械差动舵系统和电差动舵系统等。

1.3 舵系统设计的要求1.3.1舵系统设计一般要求1、应满足控制系统提出的最大舵偏角和空载最大舵偏角速度的要求2、应能输出足够大的操纵力和操纵力矩，以适应外界负载的变化，并且在最大气动铰链力矩状态下，应具有一定的舵偏角速度队舵面的反操纵作用，应具有有效的制动能力，或称刹车能应具有足够的带宽，以满足弹上飞行控制系统的需要：体积小、质量轻、比功率大、成本低、可靠性高及便于维护。

1.3.2设计中应该考虑的问题除以上一般要求外，随着驾驶仪的不同，以及导弹的战术技术指标的不同，舵系统设计中应该考虑问题的侧重面也就不同。

在具体设计中应有针对性。

设计中常常遇到下述问题需要解决。

1、采用哪些类型的舵系统最为有利？这取决于对舵系统的具体要求；弹上提供的能源类型，执行机构在弹上布局的空间大小；可供选择的执行元件系列；国内生产水平和工艺水准；产品的继承性。

2、采用哪种反馈形式？反馈从何处引入？对中、远程防空导弹，通常采用液压或气压舵系统，而且均采用位置反馈。

对近程防空导弹，多采用电动舵系统或燃气舵系统，反馈方式常采用舵偏速度反馈，或气动铰链力矩反馈，或者舵面做成特殊形状，不用反馈，开路工作。

反馈从何处引出比较合理，也值得注意，从图2-1可以看出，对中、远程防空导弹，由于操纵机构（包括舵面）惯量大、刚度低，属于阻尼很小（05.0≈ch ζ），固有频率较低（Hz f ch 40≈）的二阶环节，同时还有明显的非线性（如间隙特性）。

如果直接采用舵偏角反馈（即图2-1中2,3接通），则操纵机构这个环节包入舵系统内，这样要设计一个性能良好、快速性高的舵系统就十分困难。

相反如果采用舵机连杆位移X 的位置反馈（即图2-1中1,3接通），操纵机构不包括在舵系统内，则能很方便地设计出性能优良的快速舵系统。

综合放大器舵机操纵机构图2-1舵系统反馈系统3、如何克服系统中出现的有害的自振？又如何人为地设计有益的自振，实现振荡线性化？中远程导弹上，通常采用具有位置反馈的舵系统。

为了减少能源的消耗，机构的磨损，以及为了操作、维护方便，一般都不希望舵系统产生自振，因此在设计阶段就要注意此问题。

对于气压舵系统来说，采用增加舵机气动射流放大器喷嘴的阻尼作用，是克服气压舵系统自振的有效措施之一。

在低空和超低空防空导弹上，通常采用继电式电动舵系统，是为了实现按脉冲调宽原理工作，人为地把舵系统设计成具有稳定自振，进行振荡线性化。

在这类舵系统中，如何选择自振频率和振幅是关键问题。

因此，对自振这种物理现象，不应一概持否定态度，要看在什么场合，具体分析它的利弊。

第二章 舵系统的工作原理控制导弹舵面或副翼偏转的伺服系统，通称舵系统。

舵系统是自动驾驶的一个重要环节，属于惯性大、功率强和非线性因素比较明显的一个复杂环节。

它对自动驾驶的性能，有重大影响。

对于液压舵系统的工作原理，如图（4-1）。

图4-1 液压舵系统原理方框图系统由综合放大器、液压舵机及反馈电路组成。

综合放大器的作用是对输入信号i μ和反馈信号fk μ进行比较，产生误差信号μ∆，并进行电压放大和功率放大，给电液伺服阀的力矩马达绕组输送差动电流I ∆。

液压舵机由电液伺服阀、作动筒以及反馈电位计组成（见图4—2）。

电液伺服阀中带永久磁铁的极化式力矩马达与双喷嘴挡板构成前置放大级，二级采用力反馈式液压滑阀放大器。

图4-2 液压舵机工作原理1-控制线圈； 2-导磁体， 3-弹簧管： 4-磁钢； 5-衔铁； 6-挡板； 7-喷嘴， 8-反馈杆： 9-滑阀； 10-固定节流孔； 11-阀体， 12-油阻尼孔； 13-油滤； 14-作动筒， 15-活塞杆（连杆）； 16-反馈电位计； 17-回油； 18-进油。

作动筒采用双向作用的直线位移式作动筒。

液体流量是与作动筒活塞线速度成正比。

活塞的直线往复运动通过操纵机构变成舵面的旋转运动。

反馈电位计装在作动筒内，电刷由舵机的活塞杆（以下称连杆）带动，与活塞线位移成正比的反馈电位计输出信号fk u 在综合放大器中与输入信号i u 进行综合。

当0=i u 时，综合放大器输出的差动电流021=-=∆i i I ，力矩马达的衔铁不偏转，挡板处于中立位置，两喷嘴腔中压力相等，即p p p p 21=： 阀芯两端作用的压力相等。

阀芯处于零位（即滑阀开度为零）。

因此输出流量0=Q ，作动筒中，活塞两端压差为零，即021==p p ，于是活塞不动，0=fk u 。

当0>i u 时，021>-=∆i i I ，假定差动电流I ∆在力矩马达控制线圈中产生的磁通久的方向如图4—2所示，在气隙a ，d 中，c φ与永久磁铁磁通p φ方向相反，因而互相消弱的；在气隙c ，b 中c φ与p φ同向，因而相互加强。

合力矩使衔铁绕回转中心（弹簧管的中心）逆时针转一个角度，使右喷嘴与挡板的间隙减小，左喷嘴与挡板的间隙增加，于是p p p p 12≥，滑阀左移，高压油进入作动筒左腔，活塞上压差为021≥-=∆p p p ，推动活塞右移，使舵面偏转。

滑阀左移的同时，推动反馈杆顺时针旋转，衔铁以顺时针方向力矩与信号力矩平衡，此时滑阀左边的开口量与信号成正比，而进入作动筒的流量又与滑阀开口量成正比;在活塞右移的同时，由反馈电位计输出一个与连杆位移成正比的反馈信号fk u ，当0=-=∆fk i u u u 时，0=∆I ，在力反馈的作用下，衔铁回到中立位置，从而使滑阀回到中立位置，于是活塞就不再移动。

舵面偏转一个与0>i u 相对应的正角度。

同理，当均0<i u 时，过程相反，舵面偏转一个与0<i u 相对应的负角度 。

第三章 系统数学模型3.1舵系统数学模型由于不同舵系统的具体结构和控制方法各异，但工作原理大致相同，现在介绍液压舵系统为例，说明工作原理，该系统由综合放大器，液压舵机及反馈电路组成。

各系统的传递函数设计如下：综合放大器——Kz舵机——电位反馈器——操纵系统——开环传递函数——闭环传递函数——3.2舵系统数学模型参数选择根据液压舵机结构工作原理和全负载状态下的舵机框图，可得到全负载（惯性负载，黏性负载，弹性负载，摩擦负载共同作用）状态下的液压舵机传递函数。

显然，全负载舵机的动态特性通常可以用比例环节，纯迟后缓解和二阶振荡环节。

惯性负载状态的舵机传递函数为(3-1) 1+-s T e K dj s dj τ1+s T K fk fk 1222++S T S T K ch Ch ch ch ξ)1)(1(++-s T S T S e K K K fk dj s dj fk Z τ12)1(22+++TS S T S T K fk ξ)1)(1(++s T S T S K dj s dj式中，同理，式(4-1)可化为：(3-2)可见，在惯性负载下，舵机的动态特性可用比例，积分，惯性和纯迟后四个环节来描述。