傳感器與執(zhí)行機構.ppt

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飛控系統(tǒng)中的傳感器與執(zhí)行機構 一 飛控系統(tǒng)中的傳感器 飛機運動變量角度 角速度 角加速度 速度 加速度 高度 迎角 側滑角飛控系統(tǒng)中傳感器的目的測量飛機的運動 反饋給飛控系統(tǒng)內回路 角速度 迎角 加速度姿態(tài)穩(wěn)定回路 角度巡航與自動飛行 高度 速度傳感器的類型 慣性器件 1 陀螺儀 測量飛機的姿態(tài)角 俯仰 滾轉 偏航角測量飛機的三軸角速率 單自由度陀螺儀oz軸為高速旋轉的轉子固定在內環(huán)上內環(huán)固定在基座上 繞ox軸轉動 雙自由度陀螺儀 oz軸為高速旋轉的轉子 固定在內環(huán)上內環(huán)固定在外環(huán)上 繞ox軸轉動外環(huán)固定在基座上 繞oy軸轉動也叫三自由度陀螺內環(huán)是一個萬向支架 將轉子與基座隔開 2 雙自由度陀螺工作原理 轉子高速運轉 21500 24000轉 分2 1定軸性 1 慣性空間靜止不動的坐標系 太陽坐標系不隨地球轉動 近似看作地坐標系2 陀螺現象高速旋轉的物體 其軸線 動量矩 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于慣性空間 自由陀螺儀飛機從東到西 陀螺的轉子軸方向不變 轉子軸由萬向支架與飛機隔開 不隨飛機姿態(tài)改變定位陀螺儀陀螺轉子H軸線被控制或修正跟蹤地垂線 用來測量飛機的角度 角速度運動 2 2陀螺的進動性 外環(huán)垂直于地面 內環(huán)ox oz軸平行于地面在ox軸上吊一個重物G 產生力矩 Mx G r 沿ox方向1 轉子不轉時 H 0 產生沿ox軸的角加速度 普通慣性物體在空間的運動2 當轉子高速旋轉時 H大 在Mx的作用下產生外框繞oy軸轉動 y 進動 由H到 x 符合右手定則 Mx MG 2 2陀螺的進動性 續(xù) 力矩平衡方程 當H 0時為普通慣性方程進動方向 由H x方向 右手定則進動角速度 y Mx H2 3陀螺力矩轉子動量矩H很大時 進動產生 y 轉子軸不順Mx方向轉動 產生了陀螺力矩 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雙自由度陀螺的運動方程 OXYZ 基座坐標系OX Y Z 固連于外環(huán)坐標系 外環(huán)繞OY軸轉 產生 角和OX Y Z 固連于內環(huán)坐標系 內環(huán)繞OX 軸轉 產生 角和 歐拉角角動量H OZ方向 隨內框偏轉 Ix Z Z X X Z Y Y 在OX Y平面求雙自由度陀螺的運動方程 0Y軸力矩My 外力矩 在My作用下產生0X 軸力矩Mx 外力矩 在Mx 作用下產生同時產生慣性力矩 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 動態(tài)方程經積分 通過電測量裝置 電位計 碼盤等 輸出與 成比例的電信號My Mx 修正力矩 保證H的水平和垂直動態(tài)過程簡化的動態(tài)過程 僅考慮了靜態(tài)關系考慮動態(tài)過程 章動 好的陀螺儀應當減少章動 2 5雙自由度陀螺測量飛機姿態(tài)角 地平儀 垂直陀螺 OXoYoZo 地軸系OXbYbZb 機體軸系可以繞俯仰和滾轉框轉動 陀螺轉子H方向與OZo同方向 控制修正力矩 使H垂直于地垂線1 飛機產生俯仰角 體軸繞OY轉 H 產生框架滾轉 輸出與 成正比的角度信號2 飛機產生滾轉角 體軸oz轉 H 產生框架俯仰偏轉 輸出與 成正比的角度信號 H 雙自由度陀螺儀 液體開關一個液體單擺 始終向下給出基準 保持H的方向穩(wěn)定在地垂線上兩軸力矩馬達與液體開關合作 產生修正力矩 防止H改變方向 3 單自由度陀螺 3 1基本原理OZ 轉子軸 H的方向OX 內環(huán)軸 與彈簧和阻尼器連接 產生彈簧力矩 與電位計連接 輸出與轉角 成比例的電信號 當基座有繞OY軸轉動的 y 陀螺進動產生沿OX的轉動角 單自由度陀螺輸出與 y成比例的信號 3 2單自由度陀螺的動態(tài)方程 OXYZ 基座坐標系OXYcZc 內環(huán)坐標系基座繞OY轉 y 陀螺沿OX進動 內環(huán)同時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單自由度陀螺的動態(tài)方程 續(xù) 設沿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 內環(huán)轉角 與 y成正比 通過電位計輸出與r成正比的電壓信號 3 3在飛機上的安裝位置 俯仰速率 H方向oz2 內環(huán)ox2 由H ox2可測量q偏航速率 H方向oz1 內環(huán)ox1 由H ox1可測量r滾轉速率 H方向oz3 內環(huán)ox3 由H ox3可測量p 捷聯式直角兩軸光電探測平臺虛擬樣機 三個速率陀螺分別安裝在不同的方向上測量導彈彈體三軸速率擾動 完成反饋控制 4 陀螺儀的發(fā)展 種類很多 大小不等機械式 壓電式 石英式 液浮陀螺 內環(huán)浮在液體中 減少摩擦撓性陀螺 撓性接頭 無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 不隨飛機姿態(tài)改變 導航系統(tǒng)指標 精度 漂移 最新型角速率陀螺 MEMS技術小型化高精度高價格 5 加速度傳感器 測量飛機重心的線加速度質量塊受到力的作用產生加速度 位移x z xi通過彈簧平衡 阻尼器kg通過電位計輸出安裝在飛機質心位置 可測量飛機的法向 側向加速度穩(wěn)態(tài)輸出信號 u K axK Kvm k Kv 電位計傳遞系數 k 彈簧系數可近似代替迎角 側滑角傳感器測量迎角 6 迎角 側滑角 傳感器 風標式1 安在機頭處 氣流使葉片偏移 帶動指針移動 電位計輸出 u k 2 安在xoz平面內 測量側滑角3 精度較低 噪聲大 壓差管式 零壓差式 精度高于風標式 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 膜盒位移對應于氣壓高度差 電位計輸出u k H 高度差傳感器 更復雜 u k H 二 執(zhí)行機構 舵機1 電動舵機 全電飛機 無人機2 液壓舵機 力矩大 大型飛機3 電液復合舵機 控制電路 液壓助力器4 余度舵機 電磁余度 機械無余度電動舵機為例力矩電機 電磁回路 機械回路負載 鉸鏈力矩 是M數 迎角 舵面偏轉角的函數助力器 作動器 液壓式 增加力 力矩 可近似為1 2 1電動舵機原理方塊圖 力矩電機 控制回路角速度反饋k 可以是測速機 調節(jié)速度回路角度 位置 反饋k 電位計 碼盤 調節(jié)位置 某導彈舵回路方框圖 舵機 負載 控制的回路 飛控系統(tǒng)中的舵機環(huán)節(jié) 實際系統(tǒng)與原理系統(tǒng)有很大不同 對于飛控系統(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)結束