第五章舵系統(tǒng)設計(1)

1、 舵系統(tǒng)舵系統(tǒng); 控制導彈舵面或副翼偏轉的伺服系統(tǒng)，控制導彈舵面或副翼偏轉的伺服系統(tǒng)， 舵系統(tǒng)是自動駕駛儀的一個重要環(huán)節(jié)，舵系統(tǒng)是自動駕駛儀的一個重要環(huán)節(jié)，特點是；特點是； 慣性大、功率強和非線性因素比較明顯的一慣性大、功率強和非線性因素比較明顯的一個復雜環(huán)節(jié)它對自動駕駛儀的性能，有重大影個復雜環(huán)節(jié)它對自動駕駛儀的性能，有重大影響響四四 舵系統(tǒng)的工作原理舵系統(tǒng)的工作原理不同舵系統(tǒng)的具體結構和控制方法各異，不同舵系統(tǒng)的具體結構和控制方法各異，但工作原理大致相同現以液壓舵系統(tǒng)為例，但工作原理大致相同現以液壓舵系統(tǒng)為例，說明工作原理圖說明工作原理圖41是液壓舵系統(tǒng)原理方框圖。是液壓舵系統(tǒng)原理方框圖。

2、4.1舵系統(tǒng)原理舵系統(tǒng)原理圖圖41 41 液壓舵系統(tǒng)原理方框圖。液壓舵系統(tǒng)原理方框圖。系統(tǒng)系統(tǒng)；由綜合大器、液壓舵機及反饋電路組成。由綜合大器、液壓舵機及反饋電路組成。綜合放大器的作用綜合放大器的作用；是對輸入信號是對輸入信號 和反饋信號和反饋信號 進行比較，產生誤差信號進行比較，產生誤差信號 并進行電并進行電壓放大和功率放大，給電液伺服閥的力矩馬達壓放大和功率放大，給電液伺服閥的力矩馬達繞組輸送差動電流繞組輸送差動電流 液壓舵機液壓舵機組成；組成；由電液伺服閥、作動筒以及由電液伺服閥、作動筒以及反饋電位計組成反饋電位計組成( (見圖見圖42)42)電液伺服閥中帶永久電液伺服閥中帶永久磁鐵的極

3、化式力矩馬達與雙噴嘴檔板構成前置放大磁鐵的極化式力矩馬達與雙噴嘴檔板構成前置放大級，二級采用力反饋式液壓滑閥放大器級，二級采用力反饋式液壓滑閥放大器圖圖42 42 液壓舵機工作原理圖液壓舵機工作原理圖 1 1一控制線圈；一控制線圈； 2 2一導磁體，一導磁體， 3 3一彈簧管：一彈簧管： 4 4一磁鋼；一磁鋼；5 5一銜鐵；一銜鐵； 6 6一檔板；一檔板； 7 7一噴咀，一噴咀， 8 8一反饋桿：一反饋桿： 9 9一滑閥一滑閥1010一固定節(jié)流孔；一固定節(jié)流孔； 1111一一閥體，閥體， 12-12-油阻尼孔；油阻尼孔；1313一油濾；一油濾； 1414一作一作動簡，動簡， 1515一活塞桿一

4、活塞桿( (連桿連桿) )；1616一反饋電位計；一反饋電位計； 1717一回油；一回油； 1818一進油一進油作動筒采用雙向作用的直線位移式作動筒液體作動筒采用雙向作用的直線位移式作動筒液體流量是與作動筒活塞線速度成正比活塞的直線流量是與作動筒活塞線速度成正比活塞的直線往復運動通過操縱機構變成舵面的旋轉運動反往復運動通過操縱機構變成舵面的旋轉運動反饋電位計裝在作動筒內，電刷由舵機的活塞桿饋電位計裝在作動筒內，電刷由舵機的活塞桿( (以以下稱連桿下稱連桿) )帶動，與活塞線位移成正比的反饋電位帶動，與活塞線位移成正比的反饋電位計輸出信號計輸出信號 在綜合放大器中與輸入信號在綜合放大器中與輸入信

5、號 進行綜合進行綜合 當當0 0時，綜合放大器輸出的差動電流時，綜合放大器輸出的差動電流力矩馬達的銜鐵不偏轉，檔板處于中立位置，兩噴力矩馬達的銜鐵不偏轉，檔板處于中立位置，兩噴嘴腔中壓力相等，即嘴腔中壓力相等，即 ： 閥芯兩端作用的壓力相等閥芯處于零位閥芯兩端作用的壓力相等閥芯處于零位( (即即滑閥開度為零滑閥開度為零) )因此輸出流量因此輸出流量Q Qo o，作動筒中，作動筒中，活塞兩端壓差為零，即活塞兩端壓差為零，即 于是活塞不動，于是活塞不動，021iiI021 pp0fku假定差動電流假定差動電流 在力矩馬達控制線圈中產生的磁通在力矩馬達控制線圈中產生的磁通 的方向如圖的方向如圖424

6、2所示，在氣隙所示，在氣隙a a，d d中，中， 與永久與永久磁鐵磁通磁鐵磁通 方向相反，因而互相削弱的；方向相反，因而互相削弱的；在氣隙在氣隙c，b 中中與與 同向，因而相互加強合同向，因而相互加強合力矩使銜鐵繞回轉中心力矩使銜鐵繞回轉中心( (彈簧管的中心彈簧管的中心) )逆時針轉一逆時針轉一個角度，使右噴嘴與檔板的間隙減小，左噴嘴與檔個角度，使右噴嘴與檔板的間隙減小，左噴嘴與檔板的間隙則增加，于是板的間隙則增加，于是，滑閥左移，高壓油進入作動筒左腔，活塞上壓差，滑閥左移，高壓油進入作動筒左腔，活塞上壓差為為 ，推動活塞右移，使舵面轉滑，推動活塞右移，使舵面轉滑閥左移的同時，閥左移的同時，

7、0021iiIui時，cc推動反饋桿順時針旋轉，銜鐵以順時針方向力矩與信推動反饋桿順時針旋轉，銜鐵以順時針方向力矩與信號力矩平衡，此時滑閥左邊的開口量與信號成正比，號力矩平衡，此時滑閥左邊的開口量與信號成正比，而進入作動筒的流量又與滑閥開口量成正比；在活而進入作動筒的流量又與滑閥開口量成正比；在活塞右移的同時，由反饋電位汁輸出一個與連桿位移成塞右移的同時，由反饋電位汁輸出一個與連桿位移成正比的反饋信號正比的反饋信號，當，當 時，時， 在力反饋的作用下，銜鐵回到中立位置，從在力反饋的作用下，銜鐵回到中立位置，從而使滑閥回到中立位置，于是活塞就不再移動舵面而使滑閥回到中立位置，于是活塞就不再移動舵

8、面偏轉一個與偏轉一個與 相對應的正角度相對應的正角度 同理，當同理，當相對應的負角度相對應的負角度0I0iu0iu0iu4.3 4.3 舵系統(tǒng)設計的一般要求舵系統(tǒng)設計的一般要求 （1 1）一般要求）一般要求 1) 1) 應滿足控制系統(tǒng)提出的最大舵偏角應滿足控制系統(tǒng)提出的最大舵偏角 。和空載最大舵偏角速度和空載最大舵偏角速度 的要求的要求 2) 2) 應能輸出足夠大的操縱力和操縱力矩，以應能輸出足夠大的操縱力和操縱力矩，以適應外界負載的變化，并且在最大氣動鉸鏈力矩狀適應外界負載的變化，并且在最大氣動鉸鏈力矩狀態(tài)下，應具有一定的舵偏角速對舵面反操縱作用，態(tài)下，應具有一定的舵偏角速對舵面反操縱作用，

9、應具有有效的制動能力應具有有效的制動能力( (或稱剎車能應具有足夠的或稱剎車能應具有足夠的帶寬，以滿足彈上飛行控制系統(tǒng)的需要體積小、帶寬，以滿足彈上飛行控制系統(tǒng)的需要體積小、質量輕、比功率大、成本低、可靠性高及使用維護質量輕、比功率大、成本低、可靠性高及使用維護maxmax (2) (2) 設計中應考慮的問題設計中應考慮的問題 除上述一般要求外，隨著駕駛儀的不同，以及除上述一般要求外，隨著駕駛儀的不同，以及導彈的戰(zhàn)術技術指標不同，舵系統(tǒng)設計中應考慮問導彈的戰(zhàn)術技術指標不同，舵系統(tǒng)設計中應考慮問題的側重面也就不同在具體設計中應有針對題的側重面也就不同在具體設計中應有針對性設計中常常會遇到下述需要

10、解決的問題性設計中常常會遇到下述需要解決的問題 1) 1) 采用哪些類型的舵系統(tǒng)最為有利采用哪些類型的舵系統(tǒng)最為有利? ?這取決于對舵這取決于對舵系統(tǒng)的具體要求；彈上提供的能源類型，執(zhí)行機構系統(tǒng)的具體要求；彈上提供的能源類型，執(zhí)行機構在彈上布局的空間大?。豢晒┻x擇的執(zhí)行元件系列；在彈上布局的空間大??；可供選擇的執(zhí)行元件系列；國內生產水平和工藝水準；產品的繼承性國內生產水平和工藝水準；產品的繼承性2) 2) 采用哪種反饋形式采用哪種反饋形式? ?反饋從何處引出反饋從何處引出? ? 對中、遠程防空導彈，通常采用液壓或氣壓舵對中、遠程防空導彈，通常采用液壓或氣壓舵系統(tǒng)，而且均采用位置反饋系統(tǒng)，而且均

11、采用位置反饋 對近程防空導彈，多采用電動舵系統(tǒng)或燃氣舵對近程防空導彈，多采用電動舵系統(tǒng)或燃氣舵系統(tǒng)反饋方式常采用舵偏速度反饋，或氣動鉸鏈系統(tǒng)反饋方式常采用舵偏速度反饋，或氣動鉸鏈力矩反饋，或者舵面做成特殊形狀，不用反饋，開力矩反饋，或者舵面做成特殊形狀，不用反饋，開路工作路工作 反饋從何處引出比較合理，也值得注意從圖反饋從何處引出比較合理，也值得注意從圖4343可以看出，對中、遠程防空導彈，由于操縱機可以看出，對中、遠程防空導彈，由于操縱機構構( (包括舵面包括舵面) )慣量大、剛度低，屬于阻尼很小慣量大、剛度低，屬于阻尼很小( ( 0 005)05)，固有頻率較低，固有頻率較低( ( 40H

12、z)40Hz)的二階環(huán)的二階環(huán)節(jié)同時還含有明顯的非線性節(jié)同時還含有明顯的非線性( (如間隙特性如間隙特性) )chchf如果直接采用舵偏角反饋如果直接采用舵偏角反饋( (即圖即圖4343中中2 2，3 3接通接通) )，則操縱機構這個環(huán)節(jié)包入舵系統(tǒng)內，則操縱機構這個環(huán)節(jié)包入舵系統(tǒng)內，這樣要設計一這樣要設計一個性能良好，快速性高的舵系統(tǒng)就十分困難個性能良好，快速性高的舵系統(tǒng)就十分困難相反相反如果采用舵機連桿位移如果采用舵機連桿位移X X為位置反饋為位置反饋( (即圖即圖4343中中1 1，3 3接通接通) )，操縱機構不包入舵系統(tǒng)，則能很方便地設操縱機構不包入舵系統(tǒng)，則能很方便地設計出性能良好的

13、快速舵系統(tǒng)計出性能良好的快速舵系統(tǒng)圖圖4 4，3 3 舵系統(tǒng)反饋方式舵系統(tǒng)反饋方式4.4 4.4 舵機動力學模型舵機動力學模型 舵機是構成舵系統(tǒng)的核心部件，正確地建立舵舵機是構成舵系統(tǒng)的核心部件，正確地建立舵機數學模型十分重要同時要根據實際應用場合，機數學模型十分重要同時要根據實際應用場合，對已建立的數學模型進行合理的簡化，以便抓住問對已建立的數學模型進行合理的簡化，以便抓住問題的本質，提高設計效率此外，用實驗手段獲題的本質，提高設計效率此外，用實驗手段獲 取取舵機的動力學模型，在工程應用上也十分重要本舵機的動力學模型，在工程應用上也十分重要本節(jié)重點闡述這兩方面內容節(jié)重點闡述這兩方面內容4 4

14、4 41 1 負載狀態(tài)下舵機傳遞函數負載狀態(tài)下舵機傳遞函數 作為執(zhí)行元件的舵機，在導彈飛行過程中總是作為執(zhí)行元件的舵機，在導彈飛行過程中總是在負載狀態(tài)下工作作用在舵機上的負載通常有四在負載狀態(tài)下工作作用在舵機上的負載通常有四種：慣性負載、彈性負載、粘性種：慣性負載、彈性負載、粘性負載，摩擦負載負載，摩擦負載 液壓和氣壓舵機而言，是指包含帶活塞的連桿液壓和氣壓舵機而言，是指包含帶活塞的連桿和帶舵面的操縱機構；和帶舵面的操縱機構； 對電動舵機而言，應包括電動機的轉子和帶舵對電動舵機而言，應包括電動機的轉子和帶舵面的減速機構在負載狀態(tài)下，必須把舵機的傳動面的減速機構在負載狀態(tài)下，必須把舵機的傳動部分

15、看成一個整體環(huán)節(jié)研究部分看成一個整體環(huán)節(jié)研究根據需要可以折算到根據需要可以折算到舵軸上分析計算，也可以折算到連桿上舵軸上分析計算，也可以折算到連桿上( (或電動機或電動機轉軸上轉軸上) )分析計算分析計算 現以液壓舵機為例，直接給出不同類型負載狀現以液壓舵機為例，直接給出不同類型負載狀態(tài)下的舵機傳遞函數，而略去中間推導過程態(tài)下的舵機傳遞函數，而略去中間推導過程(1) (1) 全負載狀態(tài)的液壓舵機傳遞函數全負載狀態(tài)的液壓舵機傳遞函數全負載全負載；系指慣性負載、粘性負載和彈性負載同時存在并系指慣性負載、粘性負載和彈性負載同時存在并假設液壓油不可壓縮，泄漏損耗很小，可忽略不假設液壓油不可壓縮，泄漏損

16、耗很小，可忽略不計全負載狀態(tài)下液壓舵機框圖如圖計全負載狀態(tài)下液壓舵機框圖如圖4444所示所示根據圖根據圖4444，簡化，簡化 可得全負載狀態(tài)的舵機傳遞函數如下可得全負載狀態(tài)的舵機傳遞函數如下 0njM在工程上，由于在工程上，由于djsTT圖圖44 44 負載狀態(tài)負載狀態(tài)下下舵舵機機框圖框圖( )( )( )djsWsi s2222( )(1)(21)/()/(2/djdjsdjdjdjdjschpjdjjdjchpjpchjkWsT ST ST SkAkk k MTJMAk k Mk kJM并且實際存在的純延遲并且實際存在的純延遲 ，通常用一個振蕩環(huán)節(jié)，通常用一個振蕩環(huán)節(jié)和遲環(huán)節(jié)來描述全負載狀

17、態(tài)下液壓舵機的動性即和遲環(huán)節(jié)來描述全負載狀態(tài)下液壓舵機的動性即22( )(21)sdjdjdjdjdjk eWsT ST S 的表達式中所含的流量壓力系數的表達式中所含的流量壓力系數，和空載流量系數尺，和空載流量系數尺K Ks s，在工程上可以從電液伺服，在工程上可以從電液伺服閥實測的負載流量曲線閥實測的負載流量曲線( (即即Q Qp p曲線曲線) )上求得圖上求得圖4545是某型伺服閥實測的負載流量曲線，取是某型伺服閥實測的負載流量曲線，取I I12mA12mA對應的那條曲線，在對應的那條曲線，在0 0djkdj23sp( (即即0130130MPa)0MPa)的工作區(qū)內用直線的工作區(qū)內用直

18、線( (見圖見圖4545中的虛中的虛線線) )代替，代替，sTpKsp代表油源壓力一流量壓力系數代表油源壓力一流量壓力系數pk公式如下，公式如下，12120.112pImAmAQQkpp 空載流量系數空載流量系數K Ks s公式如下公式如下000.2975sppQQkjj 圖圖45 45 負載流量曲線負載流量曲線4.54.5、 液壓舵系統(tǒng)設計液壓舵系統(tǒng)設計實例實例 1 1、設計一個由液壓系統(tǒng)驅動的舵系統(tǒng)其指標要設計一個由液壓系統(tǒng)驅動的舵系統(tǒng)其指標要求如下求如下1 1）最大舵偏角）最大舵偏角 其中土其中土3030為最大指為最大指令所占用令所占用. .max32 2)2)最大舵偏角速度最大舵偏角速

19、度400 / s3)3)舵機連桿最大行程舵機連桿最大行程4)4)折算到舵機活塞上的最大負載折算到舵機活塞上的最大負載F Fmaxmax4903.3N4903.3N5)5)最大舵指令最大舵指令( (對應對應3030) )6V.6V.6)6)舵系統(tǒng)等效傳遞函數為舵系統(tǒng)等效傳遞函數為0.5 0.8dxt對舵系統(tǒng)開環(huán)要求對舵系統(tǒng)開環(huán)要求: :幅穩(wěn)定裕量幅穩(wěn)定裕量66的的dB,dB,相穩(wěn)定裕相穩(wěn)定裕量量4545對舵系統(tǒng)閉環(huán)相移要求對舵系統(tǒng)閉環(huán)相移要求; ;在在307)7)舵系統(tǒng)過渡過程的上升時間舵系統(tǒng)過渡過程的上升時間0.02rts25%超調量超調量; ;22(1)( )21dxtdxtdxtdxtdx

20、tdxtkT SWsT ST S8)8)帶舵面的操縱機構傳遞函數為帶舵面的操縱機構傳遞函數為maxmax/1.28chkX0.05ch1/(2)chchTf40()chfHz22( )( )( )21chchchchchksWsX sT ST S9）彈上液壓油源工作壓力為；MPa594.20652.17液壓舵系統(tǒng)計算方框圖液壓舵系統(tǒng)計算方框圖2、舵系統(tǒng)計算系統(tǒng)采用連桿位移反饋，在舵系統(tǒng)反饋通道內設置一個慣性環(huán)節(jié)，由于力反饋型電液伺服閥頻帶比較寬，在舵系統(tǒng)驅動慣性負載的工作條件下，當油壓出現脈動時會使舵系統(tǒng)激發(fā)起不規(guī)則的振蕩，這種振蕩是有害的，在舵系統(tǒng)反饋通道內設置一個慣性環(huán)節(jié)，可以有效地消除這

21、種有害的振蕩。)/(256. 0/1)/(906. 3628. 1/30)()(,28. 1306VmmVKKVmmuXKKDXTFKiDXTch舵系統(tǒng)反饋傳遞系數為傳遞系數為舵系統(tǒng)閉環(huán)操縱機構傳遞系數舵偏角，對應已知最大指令為（1）、舵系統(tǒng)反饋系數的確定）、舵系統(tǒng)反饋系數的確定舵系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數；根據計算方框圖，得舵舵系統(tǒng)開環(huán)頻率響應；舵系統(tǒng)動特性計算;)0( ,) 1)(1() 1)(1()()2(000FKyDzFKyDFKyDsFKyDzKKKKsTsTsKsTsTseKKKsW785.8445,65)(5386. 3452/12/14545-SF00FKyDzFkyD

22、yDyDKKKKdBKmsTmsfTHzf條件下確定的相位穩(wěn)定裕量幅穩(wěn)定裕量對數頻率特性，在滿足是根據舵系統(tǒng)開環(huán)期望求，響應（幅，相裕量）要為滿足舵系統(tǒng)開環(huán)頻率于是有的伺服閥相移處對應頻率先取系列參數，閥根據力反饋型電液伺服588. 0)(2/1)(01061. 0/ )(3.9061s( ,12) 1(11) 1(1)()(0032202030KTTsKTTTKKsTsTsTKsKsKTTsKTTsTKsusXWFKyDDXTFKyDDXTFKDXTDXTDXTDXTFKDXTFKyDFKyDFKFKiDXT項）略去舵系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數56.16)256. 020/(2875.84/20200

23、,FKzyDzyDzKKKKVmAKKKmA液壓舵機速度傳遞系數器傳遞系數為可分配如下；綜合放大，則流為通常伺服閥最大工作電msTmsTKKKKKKKKKFKyDFKyDzFKFKyDz55386. 3331.2/256. 02875.8400反饋通道慣性時間常數液壓舵機時間常數正向通道傳遞系數反饋電位計傳遞系數舵系統(tǒng)開環(huán)傳遞系數msmsTKsTseKsWsmmXNFmmlmmXmAIMPaPyDyDyDsyDyDls525386. 35 .16) 1()(/330;3 .49032402520594.20652.17a)3(maxmaxmax舵機傳遞函數為舵機最大空載速度最大負載力；舵機中心

24、矩；舵機連桿最大行程；最大工作電流；能源工作壓力；、基本技術要求。三、反饋電位計的選擇；二、液壓伺服閥的選擇；一、作動筒設計，計算主要內容；舵機設計sPDd反饋電位計活塞當高壓油從左腔進入作動筒，則活塞在壓差21PPP作用下，向右移動，反之向左作動筒內流量Q與活塞運動速度成正比dtdXAQ 4/)(22dDA作用在活塞上的力與作用在活塞兩邊的壓差成正比)(21ppAF2）活塞和連桿的直徑計算活塞上的壓差建立的主動力，除克服負載的等效阻力外，還需克服摩擦力，所以)(4022PPdDFscmDFPdDcmdPFDcmdFFPPLssLLs4 . 2)(4)(327. 243 . 13 .49035

25、94.20652.1795. 02220則時應有為保證足夠功率，設計進行計算，先取很小回油壓力液壓油工作壓力作動筒機械效率計算為保證活塞最大速度，需要的最大流量min)/1 (34. 6maxmaxXAQc、電液伺服閥的選擇依據；確保足夠流量和功率；空載流量增益線性度好；壓力靈敏度高；通頻帶寬2.2KRRR1%0.05%d45Hz45-%51/min6.4120,123.1921max選擇導電塑料電位計性度依據；平滑性好；非線反饋電位計選擇相移處）通頻帶寬度（非線性度）（額定流量最大工作電流選擇額定工作油壓mAIMPaPsFKuF5k11R2R330330k10720V15V15圖圖5-5 采用他激直流電動機的執(zhí)行機構原理