控制系統(tǒng)元件之

1、控制系統(tǒng)元件之 第1頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器： 加速度傳感器是用來測(cè)量飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的加速度并輸出加速度信號(hào)的裝置。 飛機(jī)運(yùn)動(dòng)包括飛機(jī)重心的線運(yùn)動(dòng)和繞機(jī)體三軸的角運(yùn)動(dòng)。因此加速度傳感器分為線加速度傳感器和角加速度傳感器兩種。 在飛機(jī)上，測(cè)量角加速度的任務(wù)一般是通過速率陀螺儀測(cè)到飛機(jī)的角速度之后，通過微分求出。第2頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器： 線加速度傳感器是用來測(cè)量飛機(jī)重心運(yùn)動(dòng)的線加速度。 一般情況下，沿三個(gè)飛機(jī)機(jī)體坐標(biāo)軸的軸向分別安裝有三個(gè)線加速度傳感器，分別用于測(cè)量法向加速度

2、（z軸）、縱向加速度（x軸）和側(cè)向加速度（y軸），這三種傳感器的組成、工作原理和傳遞函數(shù)完全一樣，只是測(cè)量范圍不同。分類：簡(jiǎn)單式線加速度傳感器；浮子擺式加速度傳感器；擾性擺式力矩反饋加速度傳感器。第3頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器：簡(jiǎn)單式線加速度傳感器：組成：彈簧及質(zhì)量塊m、電位計(jì)、阻尼器等；第4頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器：簡(jiǎn)單式線加速度傳感器：工作原理：條件：安裝在飛機(jī)的重心處。 當(dāng)飛機(jī)在慣性空間飛行時(shí)，當(dāng)飛機(jī)出現(xiàn)某個(gè)軸向或方向的加速或減速時(shí)，在加速度矢量方向必定出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的力F

3、，該力也會(huì)施加到質(zhì)量塊上，使其也會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的加速或減速，并在某個(gè)方向上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的位移（沿軸向時(shí)只有一個(gè)傳感器的質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，否則為兩個(gè)以上），該位移就會(huì)帶動(dòng)電位計(jì)移動(dòng)，從而輸出對(duì)應(yīng)電信號(hào)。 注意：該電位計(jì)的電刷在電刷上的相對(duì)位移（輸出位移）等于質(zhì)量塊位移減去飛機(jī)的位移。第5頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器：簡(jiǎn)單式線加速度傳感器：傳遞函數(shù)及模型： 設(shè)彈簧質(zhì)量塊為m，質(zhì)量塊的位移為z，飛機(jī)位移為xi，則電位計(jì)電刷位移（輸出位移）為：x=z-xi。并忽略電刷與電位計(jì)之間的摩擦力，則有（以質(zhì)量塊為對(duì)象觀察）：第6頁，共27頁，2022年，5月20

4、日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器：簡(jiǎn)單式線加速度傳感器：傳遞函數(shù)及模型： 當(dāng)穩(wěn)態(tài)時(shí)則有：第7頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器：簡(jiǎn)單式線加速度傳感器：分析及結(jié)論：加速度傳感器的輸出電壓與飛機(jī)的線加速度成正比關(guān)系，且相位差為180度；單位加速度所產(chǎn)生的相對(duì)位移量為固有頻率平方的倒數(shù)，這說明彈簧剛度（彈性系數(shù)）越小，傳感器的分辨率就越高，靈敏度也越高；簡(jiǎn)單式線加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于摩擦力、抗振動(dòng)能力差等原因，非線性嚴(yán)重，靈敏度低，精度不高（0.5%1%）. 第8頁，共27頁，2022年，5月20日，15

5、點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器：浮子擺式加速度傳感器：組成：浮子擺組件、力矩器、信號(hào)傳感器、放大器、殼體等；第9頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器：浮子擺式加速度傳感器：工作原理：為了解決簡(jiǎn)單式線加速度傳感器存在的各個(gè)問題，用力矩系統(tǒng)取代彈簧，用浮子阻尼器取代簡(jiǎn)單阻尼器，則成為浮子擺式加速度傳感器。 如圖所示，浮子擺組件由單擺及軸（相對(duì)于質(zhì)量塊）、浮筒、信號(hào)傳感器轉(zhuǎn)子和力矩器的轉(zhuǎn)子等構(gòu)成。其原理與簡(jiǎn)單式線加速度傳感器相同，當(dāng)飛機(jī)存在瞬時(shí)加速度時(shí)，單擺將繞軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度取決于加速度力矩的大小。該轉(zhuǎn)動(dòng)角度也是信號(hào)傳感器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)

6、動(dòng)角度，這時(shí)信號(hào)傳感器將產(chǎn)生電流信號(hào)輸出，該電流信號(hào)將通過放大器（電流輸出型）反饋給力矩器，使力矩器產(chǎn)生與加速度力矩相等的力矩，轉(zhuǎn)子將進(jìn)入平衡狀態(tài)。 當(dāng)加速度改變時(shí)，平衡狀態(tài)將再次改變。第10頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器：浮子擺式加速度傳感器：傳遞函數(shù)及模型： 設(shè)飛機(jī)瞬時(shí)加速度為a，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角為，信號(hào)傳感器的輸出電流為U，系數(shù)為Ku；信號(hào)放大器的輸出為I且放大系數(shù)為Ki，力矩器的方程為Mk=KmI。我們可得以下關(guān)系：第11頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器：浮子擺式加速度傳感器：分析結(jié)論

7、： 由其結(jié)構(gòu)及傳遞函數(shù)分析，可得到如下結(jié)論：增加了反饋系統(tǒng)后，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和精度將得到極大提高；采用浮子結(jié)構(gòu)后，傳感器的抗振動(dòng)能力得到提升；其傳遞函數(shù)表明：其為一比例環(huán)節(jié)，只要保證反饋系統(tǒng)元部件的線性度，傳感器的線性度將很好。第12頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器：擾性擺式力矩反饋加速度傳感器：組成：擾性支撐、擺組件、角位移傳感器、力矩器和反饋電子組件等。第13頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：線加速度傳感器：擾性擺式力矩反饋加速度傳感器：工作原理：對(duì)浮子擺式加速度傳感器的工作原理有了了解后，我們不

8、難理解擾性擺式力矩反饋加速度傳感器的工作原理； 但需要區(qū)分：浮筒組件被擾性組件取代，但抗震效果一樣很好；兩個(gè)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)被線圈結(jié)構(gòu)代替，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力更好！擾性擺式力矩反饋加速度傳感器是目前導(dǎo)航級(jí)加速度計(jì)。第14頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：陀螺儀： 前面介紹過，飛機(jī)的飛行姿態(tài)主要包含3個(gè)姿態(tài)角+側(cè)滑角。側(cè)滑角可由（迎角）側(cè)滑角傳感器進(jìn)行測(cè)量，它是通過大氣參數(shù)的測(cè)量后轉(zhuǎn)換計(jì)算得到。而3個(gè)姿態(tài)角則通常由陀螺儀進(jìn)行測(cè)量，這是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制飛行（自動(dòng)駕駛儀）的基礎(chǔ)。同時(shí)陀螺儀還可對(duì)角加速度進(jìn)行測(cè)量。 在有人駕駛飛機(jī)上，陀螺儀除了給飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀提供飛行姿態(tài)信號(hào)外，還

9、為轉(zhuǎn)彎指示儀、轉(zhuǎn)彎側(cè)滑指示儀、傾角儀、姿態(tài)指示儀等儀表提供信號(hào)。實(shí)際上，在現(xiàn)代飛控系統(tǒng)中，這些儀表的輸入都是來自飛控計(jì)算機(jī)。第15頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：陀螺儀： 由于由很多物理現(xiàn)象都與慣性空間的旋轉(zhuǎn)存在關(guān)系，因此，借助于不同的物理現(xiàn)象（原理），研制出許多不同類型的陀螺儀。分類：分類方式分類依據(jù)陀螺儀按工作機(jī)理分類以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀流體轉(zhuǎn)子陀螺儀振動(dòng)陀螺儀以非經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)激光陀螺儀光導(dǎo)纖維陀螺儀壓電晶體陀螺儀粒子陀螺儀分類方式分類依據(jù)陀螺儀按應(yīng)用年代分類第一代剛體轉(zhuǎn)子陀螺第二代液浮陀螺氣浮陀螺擾性陀螺第三代激光陀螺儀光導(dǎo)纖維陀螺儀壓

10、電晶體陀螺儀第16頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理： 就陀螺儀基本原理的分析而言，曾經(jīng)廣泛使用的剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀仍是學(xué)習(xí)陀螺儀基本理論的基礎(chǔ)，因此首先對(duì)這類陀螺儀進(jìn)行介紹。 高速旋轉(zhuǎn)的物體即為陀螺，用支架把高速旋轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子支撐起來，并可對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的角位移和角速度進(jìn)行測(cè)量，即構(gòu)成了陀螺儀。這是最基本的陀螺儀類型，稱為剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀。 剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀主要包含單自由度陀螺儀和二自由度陀螺儀兩種類型，下面我們將對(duì)它們進(jìn)行分別介紹。二自由度陀螺儀；單自由度陀螺儀。第17頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量

11、：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：I.基本結(jié)構(gòu)與組成：內(nèi)環(huán)+外環(huán)萬向支架；O點(diǎn)稱為萬向支點(diǎn)。轉(zhuǎn)子具有繞其自轉(zhuǎn)軸、內(nèi)轉(zhuǎn)軸和外轉(zhuǎn)軸這三個(gè)軸的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。軸承1軸承2自轉(zhuǎn)軸內(nèi)環(huán)軸外環(huán)軸第18頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：II.特性：介紹進(jìn)動(dòng)性、陀螺力矩、定軸性三個(gè)特性。進(jìn)動(dòng)性：陀螺儀的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與外力矩的作用方向相垂直的特性稱陀螺的進(jìn)動(dòng)性。轉(zhuǎn)動(dòng)角速度稱為進(jìn)動(dòng)角速度，進(jìn)動(dòng)所繞的軸稱為進(jìn)動(dòng)軸。實(shí)際過程及規(guī)律為：如右圖所示，向內(nèi)環(huán)軸施加力F，則該力所產(chǎn)生的力矩方向沿著內(nèi)環(huán)軸正向，角動(dòng)量方向?yàn)檠刈赞D(zhuǎn)軸正向，則

12、角動(dòng)量矢量則以最短的路徑向外力矩矢量靠攏！第19頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：以上過程可用右手定則來確定。第20頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：進(jìn)動(dòng)角速度的大小取決于角動(dòng)量大小和外力矩的大小。該理論的更高應(yīng)用（反向應(yīng)用）：力矩陀螺。 當(dāng)安裝在衛(wèi)星上的力矩陀螺進(jìn)行加速或減速時(shí)，將產(chǎn)生一加速度方向相反的外力，從而引起衛(wèi)星繞陀螺自轉(zhuǎn)軸的反向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)衛(wèi)星上的二自由度陀螺定速旋轉(zhuǎn)，但自轉(zhuǎn)軸方向改變時(shí)，將產(chǎn)生一外力矩，外力矩也向角動(dòng)量方向

13、靠攏，從而改變衛(wèi)星姿態(tài)。若陀螺轉(zhuǎn)速越高，則產(chǎn)生的外力矩越大，角速度也越大。第21頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：陀螺力矩： 根據(jù)牛頓第三定律，有作用力（力矩），必然有反作用力（力矩），兩者大小相等，方向相反。因此，陀螺儀在進(jìn)動(dòng)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生力矩，稱為“陀螺力矩”。陀螺力矩實(shí)際上是哥式慣性力所形成的慣性力矩。第22頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：定軸性： 第23頁，共27頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)10分，星期三慣性量的測(cè)量：陀螺儀：陀螺基本構(gòu)成及原理：二自由度陀螺儀：第24頁，共27頁