传感器与执行机构

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内环转角与y成正比
通过电位计输出与r成正比的电压信号:
U K


H K
K


y
K 1
y
3.3 在飞机上的安装位置
•俯仰速率:H方向oz2,内环ox2,由H ox2可测量q •偏航速率:H方向oz1,内环ox1,由H ox1可测量r •滚转速率: H方向oz3,内环ox3,由H ox3可测量p
2.4双自由度陀螺的运动方程
• OXYZ-基座坐标系
Y Y
• OXYZ -固连于 外环坐标系,外环 绕OY轴转,产生角 和 ,
•OXYZ -固连于 内环坐标系,内环 绕OX轴转,产生 角和 , •, -欧拉角 •角动量H-OZ方向, 随内框偏转
飞控系统中的舵机环节

实际系统与原理系统有很大不同,对于飞控系统 而言,可以近似为一阶或二阶环节
a s a
2 n 2 s 2 2n n
纵向短周期电传飞行控制律
控制律
a s a
角速率陀螺
d

飞机动力学

迎角传感器
本节结束
6.迎角(侧滑角)传感器
• 风标式
1)安在机头处, 气流使叶片偏 移,带动指针 移动,电位计 输出:u=k
2)安在xoz平 面内,测量侧 滑角 3)精度较低, 噪声大 • 压差管式,零压差式:精度高于风标式
7.高度传感器
• 静压高度表: 真空膜盒感受大气静压p,p膜盒膨胀(L),膜盒 位移对应于气压高度差,电位计输出u=kH,
•当基座有绕OY轴转动的y,陀螺进动产生沿OX的转 动角,单自由度陀螺输出与y成比例的信号
3.2 单自由度陀螺的动态方程
OXYZ-基座坐标系
Y
H y cos
Yc
OXYcZc-内环坐标系
•基座绕OY转y,陀螺沿OX 进动,内环 ,
,
y
Hy sin
2.双自由度陀螺工作原理 转子高速运转,21500-24000转/分 2.1定轴性: 1)惯性空间 静止不动的坐标系,太阳坐标系不随地球转 动,近似看作地坐标系 2)陀螺现象 高速旋转的物体,其轴线(动量矩)保持空 间的方向不变,该空间为惯性空间 3) 陀螺的定轴和漂移都是相对于惯性空间
•自由陀螺仪 飞机从东到西,陀螺的转子轴方向不变,转子轴由万 向支架与飞机隔开,不随飞机姿态改变 •定位陀螺仪 陀螺转子H轴线被控制或修正跟踪地垂线,用来测量 飞机的角度、角速度运动

2.1电动舵机原理方块图
负载
Mjd u
_ _ _ 1/Ls R
电磁部分
1/i 1/s
I
A
_
1/Js B
机械特性

dk
-1/i
减速比
d
K
控制部分
Kd
力矩电机+控制回路 角速度反馈k,可以是测速机,调节速度回路 角度(位置)反馈k,电位计、码盘,调节位置
某导弹舵回路方框图
舵机+负载+控制的回路
双自由度陀螺仪
•液体开关
一个液体单摆,始 终向下给出基准,保 持H的方向稳定在地 垂线上 •两轴力矩马达
与液体开关合作, 产生修正力矩,防止 H改变方向

_ 液体开关 力矩马达 _ MT 陀螺

积分
3.单自由度陀螺
3.1基本原理 •OZ-转子轴, H的方向 •OX-内环轴,与 弹簧和阻尼器连接, 产生弹簧力矩; 与电位计连接,输 出与转角成比例 的电信号
飞控系统中的传感器与执行机构
2007年5月
一. 飞控系统中的传感器
飞机运动变量 角度,角速度,角加速度, 速度,加速度,高度, 迎角,侧滑角 飞控系统中传感器的目的 测量飞机的运动,反馈给飞控系统 内回路:角速度,迎角,加速度 姿态稳定回路:角度 巡航与自动飞行:高度,速度 传感器的类型:惯性器件
高度差传感器:更复杂,u=kH
二.执行机构
舵机 1)电动舵机:全电飞机,无人机 2)液压舵机:力矩大,大型飞机 3)电液复合舵机:控制电路+液压助力器 4)余度舵机:电磁余度,机械无余度 电动舵机为例 力矩电机,电磁回路,机械回路 负载:铰链力矩,是M数,迎角、舵面偏 转角的函数 助力器(作动器): 液压式,增加力/力矩,可近似为1

1.陀螺仪

测量飞机的姿态角:俯仰、滚转、偏航角 测量飞机的三轴角速率
单自由度陀螺仪
•oz轴为高速旋转的转子
固定在内环上
•内环固定在基座上,绕
ox轴转动
双自由度陀螺仪
•oz轴为高速旋转 的转子,固定在 内环上 •内环固定在外环 上,绕ox轴转动 •外环固定在基座 上,绕oy轴转动 •也叫三自由度陀 螺 •内环是一个万向 支架,将转子与 基座隔开
3.2单自由度陀螺的动态方程(续)
设 co s 1, sin 0, 0, M 沿ox方向力矩平衡方程:
x Tx
0
J x kg k H y
惯性力矩 摩擦阻尼力矩 弹簧力矩 陀螺力矩
0时 , H y k
Jx
J xx
H
z
o
•同时OX轴上有弹簧力矩K, Z K摩擦力矩 阻尼力矩 Jx MTx,惯性力矩
g
Zc
Kg
K
x
X
•陀螺力矩分量H
•力矩平衡方程
y
co s

H z sin
J x k g k H y cos H z sin J x x M T x
Z Z
Ix
X, X
Z
在OXY平面求双自由度陀螺的运动方程
•0Y轴力矩
My-外力矩,在My作用下产生 ,
y
,
H
•0X轴力矩 M T Mx-外力矩,在Mx作用下产 I x , H 生 , •同时产生惯性力矩: I , I 角加速度 •陀螺力矩:H , H 由 H , H
Mx
2.2 陀螺的进动性(续)



力矩平衡方程: J x x H y M x 当H=0时为普通惯性方程 进动方向:由Hx 方向,右手定则 进动角速度: y =Mx/H
2.3 陀螺力矩
转子动量矩H很大时,进动产生y ,转子轴不顺Mx 方向转动,产生了陀螺力矩: MxG=Mx=Hy ~惯性力矩 陀螺力矩与外力矩Mx方向相反,大小相等,起到平 衡外力矩的作用

最新型角速率陀螺
• MEMS技术
• 小型化
• 高精度 • 高价格
5.加速度传感器




测量飞机重心的线加速度 质量块受到力的作用产生 加速度,位移x=z-xi 通过弹簧平衡,阻尼器kg 通过电位计输出 安装在飞机质心位置,可 测量飞机的法向、侧向加 速度 稳态输出信号:u=Kax K=-Kvm/k, Kv-电位计传递系数, k-弹簧系数 可近似代替迎角、侧滑角 传感器测量迎角
捷联式直角两轴光电探测平台虚拟样机
三个速率陀螺分别安装在不同的方向上 测量导弹弹体三轴速率扰动,完成反馈控制
4.陀螺仪的发展 种类很多,大小不等 机械式,压电式,石英式,。。。 液浮陀螺-内环浮在液体中,减少摩擦 挠性陀螺-挠性接头,无摩擦的弹性支撑 激光陀螺-小型化 光纤陀螺-微型化 陀螺稳定平台: 不随飞机姿态改变,导航系统 指标:精度,漂移
x y
My Mx
o
,
I y
M T
x
H向外
•摩擦阻尼力矩:M , M T T •两轴力矩方程: 四阶,耦合, M x I x H M T I x H 线性方程 输出, M y I y H M T I y H
双自由度陀螺平衡方程


动态方程 经积分、通过电测量装置(电位计、码盘 等)输出与,成比例的电信号 My,Mx-修正力矩,保证H的水平和垂直 动态过程 简化的动态过程,仅考虑了静态关系 考虑动态过程-章动,好的陀螺仪应当减 少章动
2.5双自由度陀螺测量飞机姿态角
地平仪(垂直陀螺)
•OXoYoZo-地轴系 •OXbYbZb-机体轴系 •可以绕俯仰和滚转 框转动, H •陀螺转子H方向与 OZo同方向,控制修正力矩,使H垂直于地垂线 1)飞机产生俯仰角,体轴绕OY转,H,产生框架 滚转,输出与成正比的角度信号 2)飞机产生滚转角,体轴oz转 ,H,产生框架俯 仰偏转,输出与成正比的角度信号
2.2 陀螺的进动性
•外环垂直于地面,内环 ox,oz轴平行于地面
•在ox轴上吊一个重物G,产 生力矩:Mx=G*r,沿ox 方向 1)转子不转时,H=0, J
x
MGБайду номын сангаас
x M
x
产生沿ox轴的角加速度,普 通惯性物体在空间的运动 2)当转子高速旋转时,H大, 在Mx的作用下产生外框绕oy 轴转动y~进动, • 由H到x,符合右手定则
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