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1、2007年5月飞控系统中的传感器与执行机构飞控系统中的传感器与执行机构一一. . 飞控系统中的传感器飞控系统中的传感器n n飞机运动变量飞机运动变量角度角度, ,角速度角速度, ,角加速度角加速度, ,速度速度, ,加速度加速度, ,高度高度, ,迎角迎角, ,侧滑角侧滑角n n飞控系统中传感器的目的飞控系统中传感器的目的测量飞机的运动测量飞机的运动, ,反馈给飞控系统反馈给飞控系统 内回路内回路: :角速度角速度, ,迎角迎角, ,加速度加速度 姿态稳定回路姿态稳定回路: :角度角度 巡航与自动飞行巡航与自动飞行: :高度高度, ,速度速度n n传感器的类型传感器的类型: :惯性器件惯性器件
2、1.1.陀螺仪陀螺仪n n测量飞机的姿态角测量飞机的姿态角: :俯仰、滚转、偏航角俯仰、滚转、偏航角n n测量飞机的三轴角速率测量飞机的三轴角速率单自由度陀螺仪单自由度陀螺仪 ozoz轴为高速旋转的转子轴为高速旋转的转子固定在内环上固定在内环上 内环固定在基座上，绕内环固定在基座上，绕 oxox轴转动轴转动双自由度陀螺仪双自由度陀螺仪 ozoz轴为高速旋转轴为高速旋转 的转子，固定在的转子，固定在 内环上内环上 内环固定在外环内环固定在外环 上，绕上，绕oxox轴转动轴转动 外环固定在基座外环固定在基座 上，绕上，绕oyoy轴转动轴转动 也叫也叫三自由度三自由度陀陀 螺螺 内环是一个内环是一个
3、万向万向 支架支架，将转子与，将转子与 基座隔开基座隔开2.2.双自由度陀螺工作原理双自由度陀螺工作原理转子高速运转，2150024000转分 2.1定轴性： 1 1）惯性空间）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 2）陀螺现象）陀螺现象高速旋转的物体，其轴线高速旋转的物体，其轴线（动量矩）（动量矩）保持空保持空 间的方向不变间的方向不变，该空间为惯性空间，该空间为惯性空间 3)3) 陀螺的定轴和漂移都是相对于惯性空间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
4、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2.2 2.2 陀螺的进动性陀螺的进动性 外环垂直于地面，内环外环垂直于地面，内环ox,ozox,oz 轴平行于地面轴平行于地面 在在oxox轴上吊一个重物轴上吊一个重物G G，产生，产生 力矩：力矩：MxMx=G*r=G*r，沿，沿ox ox 方向方向1 1）转子不转时，）转子不转时，H=0,H=0,产生沿产生沿oxox轴的角加速度，轴的角加速度，普普 通惯性物体在空间的运动通惯性物体在空间的运动2 2）当转子高速旋转时，）当转子高速旋转时，H H大大 ，在，在MxMx的作用下产生外框绕的作用下产生外框绕 oyoy轴转动轴转
5、动 y y 进动，进动， 由由H H到到 x x，符合右手定则，符合右手定则MxMG2.2 2.2 陀螺的进动性陀螺的进动性( (续续) )n力矩平衡方程：n当H=0时为普通惯性方程n进动方向：由Hx 方向，右手定则n进动角速度： y =Mx/H2.3 2.3 陀螺力矩陀螺力矩转子动量矩转子动量矩H H很大时，进动产生很大时，进动产生y ，转子轴不顺Mx方 向转动，产生了陀螺力矩：MxGMx=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2.42.4双自由度陀螺的运动方程双自由度陀螺的运动方程 OXYZOXYZ基座坐标系基座坐标系 OXOX Y Y Z Z 固连于
6、固连于 外环外环坐标系，外环坐标系，外环 绕绕OYOY轴转，产生轴转，产生 角角 和和 OXOX Y Y Z Z 固连于固连于 内环内环坐标系，内环坐标系，内环 绕绕OXOX 轴转，产生轴转，产生 角和角和 , , 欧拉角欧拉角 角动量角动量H HOZOZ方向方向, , 随内框偏转随内框偏转IxZZX, XZYY在在OXOX Y Y平面求双自由度陀螺的运动方程平面求双自由度陀螺的运动方程 0Y0Y轴力矩轴力矩MyMy外力矩，在外力矩，在MyMy作用下产生作用下产生 0X0X 轴力矩轴力矩MxMx 外力矩，在外力矩，在MxMx 作用下产作用下产 生生 同时产生惯性力矩：同时产生惯性力矩：角加速度
7、角加速度 陀螺力矩：陀螺力矩： 由由 摩擦阻尼力矩：摩擦阻尼力矩： 两轴力矩方程：两轴力矩方程： 四阶，耦合，四阶，耦合， 线性方程线性方程 输出输出 ， H向外双自由度陀螺平衡方程双自由度陀螺平衡方程n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nMy,Mx修正力矩，保证H的水平和垂直n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 2.52.5双自由度陀螺测量飞机姿态角双自由度陀螺测量飞机姿态角地平仪（垂直陀螺）地平仪（垂直陀螺） OXOXo oY Yo oZ Zo o地轴系地轴系 OXOXb bY Yb bZ Zb b机体轴
8、系机体轴系 可以绕俯仰和滚转可以绕俯仰和滚转框转动，框转动， 陀螺转子陀螺转子H H方向与方向与OZOZo o同方向，控制修正力矩，使同方向，控制修正力矩，使H H垂直于地垂线垂直于地垂线 1 1）飞机产生俯仰角飞机产生俯仰角 ，体轴绕体轴绕OYOY转转 ，H H，产生框架，产生框架 滚转滚转，输出与，输出与 成正比的角度信号成正比的角度信号 2 2）飞机产生滚转角飞机产生滚转角 ，体轴体轴ozoz转转 ，H H，产生框架，产生框架俯俯 仰偏转仰偏转，输出与，输出与 成正比的角度信号成正比的角度信号H双自由度陀螺仪双自由度陀螺仪 液体开关液体开关一个液体单摆，始一个液体单摆，始 终向下给出基准
9、，保终向下给出基准，保 持持H H的方向稳定在地的方向稳定在地 垂线上垂线上 两轴力矩马达两轴力矩马达与液体开关合作，与液体开关合作， 产生修正力矩，防止产生修正力矩，防止 H H改变方向改变方向3.3.单自由度陀螺单自由度陀螺3.13.1基本原理基本原理 OZOZ转子轴，转子轴，H H的方向的方向 OXOX内环轴，与弹内环轴，与弹簧和阻尼器连接，簧和阻尼器连接，产生弹簧力矩；产生弹簧力矩； 与电位计连接，输与电位计连接，输出与转角出与转角 成比例成比例的的电信号电信号 当基座有绕当基座有绕OYOY轴转动的轴转动的 y y，陀螺进动产生沿，陀螺进动产生沿OXOX的转的转 动角动角 ，单自由度陀
10、螺输出与，单自由度陀螺输出与 y y成比例的信号成比例的信号3.2 3.2 单自由度陀螺的动态方程单自由度陀螺的动态方程OXYZOXYZ基座坐标系基座坐标系OXYcZcOXYcZc内环坐标系内环坐标系 基座绕基座绕OYOY转转 y y，陀螺沿，陀螺沿OXOX 进动，内环进动，内环 同时同时OXOX轴上有弹簧力矩轴上有弹簧力矩K K ，阻尼力矩，阻尼力矩 摩擦力摩擦力 矩矩M MTxTx，惯性力矩，惯性力矩 陀螺力矩分量陀螺力矩分量 和和 力矩平衡方程力矩平衡方程3.23.2单自由度陀螺的动态方程（续）单自由度陀螺的动态方程（续）设设 沿沿oxox方向力矩平衡方程：方向力矩平衡方程：惯性力矩惯性
11、力矩 摩擦阻尼力矩摩擦阻尼力矩 弹簧力矩弹簧力矩 陀螺力矩陀螺力矩 内环转角内环转角 与与 y y成正比成正比通过电位计输出与通过电位计输出与r r成正比的电压信号：成正比的电压信号：3.3 3.3 在飞机上的安装位置在飞机上的安装位置 俯仰速率：俯仰速率：H H方向方向ozoz2 2，内环，内环oxox2 2，由，由H H ox2ox2可测量可测量q q 偏航速率：偏航速率：H H方向方向ozoz1 1，内环，内环oxox1 1，由，由H H oxox1 1可测量可测量r r 滚转速率：滚转速率： H H方向方向ozoz3 3，内环，内环oxox3 3，由，由H H oxox3 3可测量可测
12、量p p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，完成反馈控制测量导弹弹体三轴速率扰动，完成反馈控制4.4.陀螺仪的发展陀螺仪的发展n n种类很多，大小不等种类很多，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n n陀螺稳定平台：陀螺稳定平台：不随飞机姿态改变，导航系统n n指标：指标：精度，漂移最新型角速率陀螺最新型角速率陀螺 MEMSMEMS技术技术 小型化小型化 高精度高精度 高价格高价格5.5.加速度传感器加速度传感器
13、n n测量飞机重心的线加速度测量飞机重心的线加速度n n质量块受到力的作用产生质量块受到力的作用产生 加速度，位移加速度，位移x=z-xx=z-xi in n通过弹簧平衡通过弹簧平衡, ,阻尼器阻尼器k kg gn n通过电位计输出通过电位计输出n n安装在飞机质心位置，可安装在飞机质心位置，可 测量飞机的法向、侧向加测量飞机的法向、侧向加 速度速度n n稳态输出信号：稳态输出信号：u=u=K K a ax xK=- K=-K Kv vm/km/k, , K Kv v- -电位计传递系数，电位计传递系数，k k弹簧系数弹簧系数n n可近似代替迎角、侧滑角可近似代替迎角、侧滑角 传感器测量迎角传
14、感器测量迎角6.6.迎角（侧滑角）传感器迎角（侧滑角）传感器 风标式风标式1 1）安在机头处）安在机头处 ，气流使叶片，气流使叶片 偏移，带动指偏移，带动指 针移动，电位针移动，电位 计输出：计输出：u=ku=k2 2）安在）安在xozxoz平平 面内，测量侧面内，测量侧 滑角滑角3 3）精度较低，）精度较低， 噪声大噪声大 压差管式，零压差管式，零压差式压差式：精度高于风标式精度高于风标式7.7.高度传感器高度传感器 静压高度表静压高度表：真空膜盒感受大气静压真空膜盒感受大气静压p p，p p膜盒膨胀（膜盒膨胀（L L ），膜盒），膜盒 位移对应于气压高度差，电位计输出位移对应于气压高度差，
15、电位计输出u=u=k k H H, , 高度差传感器：高度差传感器：更复杂，更复杂，u=u=k kH H二二. .执行机构执行机构n n舵机舵机 1 1）电动舵机：全电飞机，无人机）电动舵机：全电飞机，无人机 2 2）液压舵机：力矩大，大型飞机）液压舵机：力矩大，大型飞机 3 3）电液复合舵机：控制电路液压助力器）电液复合舵机：控制电路液压助力器 4 4）余度舵机：电磁余度，机械无余度）余度舵机：电磁余度，机械无余度n n电动舵机为例电动舵机为例力矩电机，电磁回路，机械回路力矩电机，电磁回路，机械回路负载：铰链力矩，是负载：铰链力矩，是M M数，迎角、舵面偏数，迎角、舵面偏 转角的函数转角的函数n n助力器（作动器）助力器（作动器）：液压式，增加力力矩，可近似为液压式，增加力力矩，可近似为1 12.12.1电动舵机原理方块图电动舵机原理方块图力矩电机力矩电机+ +控制回路控制回路 角速度反馈角速度反馈k k , ,可以是测速机，调节速度回路可以是测
