传感器与执行机构

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
和
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
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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