先进飞行控制系统先进飞行控制系统第七节课第七节课(20121107) 复习复习 第三章测量与传感器第三章测量与传感器Ø飞机姿态角的测量飞机姿态角的测量 垂直陀螺仪测俯仰角和滚转角；航向陀螺垂直陀螺仪测俯仰角和滚转角；航向陀螺仪测航向角仪测航向角Ø飞机气流角的测量飞机气流角的测量-迎角（侧滑角）传感器迎角（侧滑角）传感器 有风标式、压差式和探头式有风标式、压差式和探头式Ø飞机高度的测量飞机高度的测量Ø 电磁波反射、垂直速度积分和大气压测高电磁波反射、垂直速度积分和大气压测高度度Ø大气动、静压测量大气动、静压测量Ø 由空速管引入静、总压到压力敏感传感器由空速管引入静、总压到压力敏感传感器来进行测量来进行测量 复习复习 第三章测量与传感器第三章测量与传感器Ø飞机速度的测量飞机速度的测量Ø 同样用空速管引入静、总压算得动压来测量同样用空速管引入静、总压算得动压来测量Ø飞机马赫数的测量飞机马赫数的测量Ø 同样根据静压、总压来测得同样根据静压、总压来测得Ø飞机加速度的测量飞机加速度的测量Ø 简单式、浮子摆式和挠性摆式简单式、浮子摆式和挠性摆式Ø飞机飞机位置的测量位置的测量Ø 无线电测距、雷达测距无线电测距、雷达测距 第四章 舵机与舵回路第四章 舵机与舵回路§4.1 舵机（执行机构）结构及工作原理舵机（执行机构）结构及工作原理§4.2 舵机的特性分析舵机的特性分析§4.3 舵回路舵回路 §舵回路（伺服系统）是飞行自动控制系统舵回路（伺服系统）是飞行自动控制系统中不可缺少的组成部分，它按照指令模型中不可缺少的组成部分，它按照指令模型装置或敏感元件输出的电信号操纵舵面，装置或敏感元件输出的电信号操纵舵面，实现飞机角运动或航迹运动的自动稳定与实现飞机角运动或航迹运动的自动稳定与控制。
控制§舵回路是由若干个部件组成的随动系统，舵回路是由若干个部件组成的随动系统，其舵机是执行元件，它的负载（舵面上的其舵机是执行元件，它的负载（舵面上的铰链力矩）是随飞行状态变化的该负载对铰链力矩）是随飞行状态变化的该负载对舵机和舵回路有较大的影响舵机和舵回路有较大的影响4.1 舵机（执行机构）结构及工作原理舵机（执行机构）结构及工作原理 4.1 舵机（执行机构）结构及工作原理舵机（执行机构）结构及工作原理 §舵机作用：舵机作用： 舵机是舵回路中的执行元件，输出力矩（或舵机是舵回路中的执行元件，输出力矩（或力）和角速度（或线速度），驱动舵面偏转力）和角速度（或线速度），驱动舵面偏转§舵机类型：舵机类型： 飞行控制系统中的舵机有三大类：飞行控制系统中的舵机有三大类： 4.1.1 电动舵机电动舵机; 4.1.2 液压舵机液压舵机; 4.1.3 电液复合舵机电液复合舵机 4.1.1 电动舵机结构及工作原理电动舵机结构及工作原理§组成：组成： 电动舵机以电力为能源电动舵机以电力为能源,一般包括一般包括:①①电动机（直流或交流的）电动机（直流或交流的）;②②测速装置测速装置;③③位置传感器位置传感器;④④齿轮传动装置齿轮传动装置;⑤⑤安全保护装置。
安全保护装置 电动舵机根据其控制方式分为电动舵机根据其控制方式分为:直接式和间直接式和间接式接式直接式直接式:改变电动机的电枢电压或激磁电压改变电动机的电枢电压或激磁电压直接控制舵机输出轴的转速和转向直接控制舵机输出轴的转速和转向;间接式间接式:在电动机恒速转动时在电动机恒速转动时,通过离合器的通过离合器的吸合吸合,间接控制舵机输出轴的转速和转向间接控制舵机输出轴的转速和转向图图4-1 为用磁粉离合器间接控制电动舵机传为用磁粉离合器间接控制电动舵机传动的示意图动的示意图4.1.1 电动舵机结构及工作原理电动舵机结构及工作原理 4.1.1 电动舵机结构及工作原理电动舵机结构及工作原理 4.1.1 电动舵机结构及工作原理电动舵机结构及工作原理§工作原理：工作原理： 电动机恒速转动，电磁离合器主动部分的壳体与齿轮电动机恒速转动，电磁离合器主动部分的壳体与齿轮 固固连并随电动机输出轴一起恒速转动，壳体内有控制绕组和连并随电动机输出轴一起恒速转动，壳体内有控制绕组和磁粉，从动部分的杯形转子与磁粉离合器的输出齿轮磁粉，从动部分的杯形转子与磁粉离合器的输出齿轮 固固连。
连 当电流流过控制绕组时，磁粉被磁化产生磁力，在主动与当电流流过控制绕组时，磁粉被磁化产生磁力，在主动与从动之间产生正比于控制电流的摩擦力矩，带动转子和齿从动之间产生正比于控制电流的摩擦力矩，带动转子和齿轮轮 一起转动一起转动 4.1.1 电动舵机结构及工作原理电动舵机结构及工作原理§工作原理：工作原理： 在磁粉离合器前有两极减速：在磁粉离合器前有两极减速： 在磁粉离合器后还有三极减速：在磁粉离合器后还有三极减速： 有两个磁粉离合器可以提供大小相等、方向相反的旋转有两个磁粉离合器可以提供大小相等、方向相反的旋转 金属摩擦离合器金属摩擦离合器5带动鼓轮带动鼓轮2转动，输出正比于控制电流的转动，输出正比于控制电流的力矩 线性旋转变压器和测速发电机经过齿轮转动装置随鼓轮一线性旋转变压器和测速发电机经过齿轮转动装置随鼓轮一起转动，各自输出正比于鼓轮转角和角速度的电信号起转动，各自输出正比于鼓轮转角和角速度的电信号 4.1.1 电动舵机结构及工作原理电动舵机结构及工作原理§工作原理：工作原理： 电磁离合器电磁离合器3是鼓轮与输出齿轮的连接装置，用来控制是是鼓轮与输出齿轮的连接装置，用来控制是人工操纵还是自动控制。
人工操纵还是自动控制 自动控制时，离合器的激磁绕组通电，电磁离合器吸合，自动控制时，离合器的激磁绕组通电，电磁离合器吸合，输出齿轮输出齿轮 与鼓轮相连，鼓轮随输出齿轮与鼓轮相连，鼓轮随输出齿轮 一起转动；一起转动； 人工操纵时，电磁离合器不通电，输出齿轮人工操纵时，电磁离合器不通电，输出齿轮 不与鼓轮连不与鼓轮连接，由驾驶员直接操纵舵面接，由驾驶员直接操纵舵面 4.1.1 电动舵机结构及工作原理电动舵机结构及工作原理§工作原理：工作原理： 金属摩擦离合器金属摩擦离合器5利用金属片之间的摩擦传递力矩，是一利用金属片之间的摩擦传递力矩，是一种安全保护装置当电磁离合器工作时，齿轮种安全保护装置当电磁离合器工作时，齿轮 经金属摩经金属摩擦离合器带动鼓轮转动，当负载力矩超过某值时，金属片擦离合器带动鼓轮转动，当负载力矩超过某值时，金属片打滑，从而限制舵机的最大输出力矩紧急情况下，驾驶打滑，从而限制舵机的最大输出力矩紧急情况下，驾驶员还可以强行操纵，确保飞行安全员还可以强行操纵，确保飞行安全 优点：优点： ①①能源是电力，通常与飞控系统用同一电源，能源是电力，通常与飞控系统用同一电源，传输、控制等方便。
传输、控制等方便 ②②加工制造、装配维修加工制造、装配维修方便缺点：缺点： ①①在输出相同功率时，体积和重量较大（与在输出相同功率时，体积和重量较大（与液压舵机相比）液压舵机相比）∵∵有减速齿轮有减速齿轮 ②②快速性差些输出功率不大，而且重量大，快速性差些输出功率不大，而且重量大，惯性大，惯性大，∴∴快速性差快速性差4.1.1 电动舵机结构及工作原理电动舵机结构及工作原理 §组成：组成： 液压舵机以高压液体（油）为能源，按其液压舵机以高压液体（油）为能源，按其作用分为液压舵机（直接推动舵面偏转）作用分为液压舵机（直接推动舵面偏转）和电液副舵机（主要通过液压主舵机，即：和电液副舵机（主要通过液压主舵机，即：液压助力器才能带动舵面偏转）液压助力器才能带动舵面偏转）目前纯目前纯液压舵机使用不多，主要用电液副舵机液压舵机使用不多，主要用电液副舵机 主要由电液伺服阀（力矩马达和液压放大主要由电液伺服阀（力矩马达和液压放大器），作动筒和位移传感器组成器），作动筒和位移传感器组成 图图4-3为一种典型的电液副舵机机构原理示为一种典型的电液副舵机机构原理示意图意图4.1.2 液压舵机结构及工作原理液压舵机结构及工作原理 4.1.2 液压舵机结构及工作原理液压舵机结构及工作原理 §工作原理：工作原理： 高压油流入进油口，经油滤高压油流入进油口，经油滤14分四路流出。
分四路流出其中两路经左右固定节流孔其中两路经左右固定节流孔13、阀心、阀心10的的两旁和左右喷嘴两旁和左右喷嘴7、在溢流腔、在溢流腔8中汇合，然中汇合，然后经回油节流孔后经回油节流孔12从回油口流出另外两从回油口流出另外两路油液分别流到阀套路油液分别流到阀套11上被阀心工作凸肩上被阀心工作凸肩遮住的窗口处阀心偏离中间位置后，其遮住的窗口处阀心偏离中间位置后，其中一路高压油液经阀心工作凸肩打开的窗中一路高压油液经阀心工作凸肩打开的窗口流入作动筒一腔，做动筒另一腔的油液口流入作动筒一腔，做动筒另一腔的油液经被打开的另一窗口直接流入回油孔经被打开的另一窗口直接流入回油孔4.1.2 液压舵机结构及工作原理液压舵机结构及工作原理 §工作原理：工作原理： 力矩马达将电气量转换成机械角位移，是力矩马达将电气量转换成机械角位移，是一种信号转换装置当力矩马达控制绕组一种信号转换装置当力矩马达控制绕组中的直流电流差（中的直流电流差（ ）等于零时，导磁）等于零时，导磁体体1与衔铁与衔铁4之间的四个气隙中流过的磁通之间的四个气隙中流过的磁通量相等而衔铁两端流过上气隙与下气隙的量相等而衔铁两端流过上气隙与下气隙的磁通方向相反，衔铁两端的电磁力平衡，磁通方向相反，衔铁两端的电磁力平衡，衔铁及与之固连的挡板衔铁及与之固连的挡板6处于中间位置挡板处于中间位置挡板与左右两个喷嘴间的距离相等，两路油液与左右两个喷嘴间的距离相等，两路油液作用在阀心两端面上的压力大小相等、方作用在阀心两端面上的压力大小相等、方向相反，阀心处于中间位置阀心的工作凸向相反，阀心处于中间位置阀心的工作凸肩作遮住阀套上的窗口，阻止高压油流入，肩作遮住阀套上的窗口，阻止高压油流入，活塞杆活塞杆16处于中间位置，舵面不偏转。
处于中间位置，舵面不偏转4.1.2 液压舵机结构及工作原理液压舵机结构及工作原理 §工作原理：工作原理： 当控制电流（当控制电流（ ）不等于零时，产生）不等于零时，产生控制磁通，改变四个气隙之间的磁通量控制磁通，改变四个气隙之间的磁通量在衔铁两端的上气隙中流过的磁通量增加，在衔铁两端的上气隙中流过的磁通量增加，下气隙中流过的减少；衔铁的另一端与此下气隙中流过的减少；衔铁的另一端与此相反于是衔铁两端的电磁力不平衡，产生相反于是衔铁两端的电磁力不平衡，产生电磁力矩，使衔铁带动挡板转动挡板与电磁力矩，使衔铁带动挡板转动挡板与另一喷嘴的距离增大，喷嘴腔内的油压降另一喷嘴的距离增大，喷嘴腔内的油压降低；挡板与另一侧喷嘴的距离减小，喷嘴低；挡板与另一侧喷嘴的距离减小，喷嘴腔内油压升高在压力差的作用下，阀心腔内油压升高在压力差的作用下，阀心向低压腔方向移动向低压腔方向移动4.1.2 液压舵机结构及工作原理液压舵机结构及工作原理 §工作原理：工作原理： 当作用在衔铁上的电磁力矩与弹簧管当作用在衔铁上的电磁力矩与弹簧管5因衔因衔铁转动变形而产生的力矩、阀心移动通过铁转动变形而产生的力矩、阀心移动通过小球带动反馈杆小球带动反馈杆9产生的力矩以及高压油流产生的力矩以及高压油流过阀心产生的液压力矩相平衡时，衔铁停过阀心产生的液压力矩相平衡时，衔铁停止转动保持在某一偏转角上。
阀心两端的止转动保持在某一偏转角上阀心两端的压力差与反馈杆对阀心的反作用力也随之压力差与反馈杆对阀心的反作用力也随之平衡，阀心停止移动，移动距离正比于控平衡，阀心停止移动，移动距离正比于控制绕组电流之差，移动方向则取决于该电制绕组电流之差，移动方向则取决于该电流差的极性流差的极性4.1.2 液压舵机结构及工作原理液压舵机结构及工作原理 §工作原理：工作原理： 阀心移动打开阀套上被工作凸肩遮住的窗阀心移动打开阀套上被工作凸肩遮住的窗口，高压油经窗口流入作动筒一腔，该腔口，高压油经窗口流入作动筒一腔，该腔的压力升高，在作动筒两腔压力差的作用的压力升高，在作动筒两腔压力差的作用下，活塞下，活塞17和活塞杆和活塞杆16以一定速度向低压以一定速度向低压腔方向移动作动筒另一腔的油液被压出，腔方向移动作动筒另一腔的油液被压出，经阀套上的窗口流入回油孔经阀套上的窗口流入回油孔 线性位移传感器线性位移传感器20把活塞杆的位移转变成把活塞杆的位移转变成电信号随着活塞杆的移动，线性位移传电信号随着活塞杆的移动，线性位移传感器输出正比于活塞杆的交流电压，其相感器输出正比于活塞杆的交流电压，其相位取决于活塞杆移动的方向。
位取决于活塞杆移动的方向4.1.2 液压舵机结构及工作原理液压舵机结构及工作原理 §优点：优点： 体积小、重量轻、功率增益大，输出功率体积小、重量轻、功率增益大，输出功率与转动惯量的比值大，所以快速性好，控与转动惯量的比值大，所以快速性好，控制功率小，灵敏度高制功率小，灵敏度高§缺点缺点 ：： 加工、装配较困难，生产成本较高，要另加工、装配较困难，生产成本较高，要另加能源加能源―油源 4.1.2 液压舵机结构及工作原理液压舵机结构及工作原理 §组成：组成：§电液复合舵机是电液副舵机和液压主舵机电液复合舵机是电液副舵机和液压主舵机组装而成的兼有两种舵机的功能组装而成的兼有两种舵机的功能§一般具有人工驾驶、自动控制、复合工作一般具有人工驾驶、自动控制、复合工作和应急操纵等四种工作状态和应急操纵等四种工作状态 4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理电液复合舵机结构及工作原理 4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理电液复合舵机结构及工作原理 §组成：组成：§电液复合舵机由电液复合舵机由电液副舵机、电液副舵机、主舵机主舵机（即（即液压助力器）液压助力器）、电磁转化机构、、电磁转化机构、锁紧机构锁紧机构和复合摇臂等组成和复合摇臂等组成。
§ 为保证舵机的可靠性，用两套独立的液压为保证舵机的可靠性，用两套独立的液压源（系统源（系统ⅠⅠ和系统和系统ⅡⅡ）供油§电磁转换机构和锁紧机构电磁转换机构和锁紧机构用于人工驾驶和用于人工驾驶和自动控制的状态转换自动控制的状态转换4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理电液复合舵机结构及工作原理 §工作原理：工作原理： §电磁转换机构不通电时，喷嘴电磁转换机构不通电时，喷嘴U与挡板（电与挡板（电磁转换机构的衔铁）之间的间隙最大，喷磁转换机构的衔铁）之间的间隙最大，喷嘴内腔嘴内腔V压力降低，滑阀在弹簧作用下处于压力降低，滑阀在弹簧作用下处于最右端，其凸肩堵住经油路最右端，其凸肩堵住经油路T到电液副舵机到电液副舵机的油路；高压油液（系统的油路；高压油液（系统ⅠⅠ））经油路经油路L L流到流到锁紧机构的环形槽锁紧机构的环形槽J J由于高压供油被切断由于高压供油被切断且小作动筒活塞杆被锁紧机构锁住，电液且小作动筒活塞杆被锁紧机构锁住，电液副舵机不工作，液压复合舵机处于人工驾副舵机不工作，液压复合舵机处于人工驾驶工作状态驶工作状态4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理电液复合舵机结构及工作原理 §工作原理：工作原理： §当人工驾驶时，驾驶员操纵驾驶杆当人工驾驶时，驾驶员操纵驾驶杆H使摇臂使摇臂上上B点绕点绕A点转动，带动滑阀一起运动，高点转动，带动滑阀一起运动，高压油经环形槽压油经环形槽C与被打开的窗口与被打开的窗口 （或（或 ），），流入大作动筒的一腔流入大作动筒的一腔 （或（或 ）另一腔）另一腔 （或（或 ）的油液则经窗口）的油液则经窗口 （或（或 ）与系）与系统统ⅠⅠ的回油路的回油路 （或（或 ）相通，经主滑）相通，经主滑阀的空心孔流回油箱。
在大作动筒两腔压阀的空心孔流回油箱在大作动筒两腔压差的作用下，舵机壳体移动，经传动连杆差的作用下，舵机壳体移动，经传动连杆操纵舵面偏转操纵舵面偏转4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理电液复合舵机结构及工作原理 §工作原理：工作原理： §驾驶杆移动到某一位置后，由于固连与舵驾驶杆移动到某一位置后，由于固连与舵机壳体的支点机壳体的支点A和拨油杆和拨油杆H与壳体一起移动，与壳体一起移动，而主滑阀不随壳体运动，其窗口重新关闭，而主滑阀不随壳体运动，其窗口重新关闭，舵机壳体也停止运动人工驾驶时，舵机舵机壳体也停止运动人工驾驶时，舵机壳体始终跟随驾驶杆的移动按比例移动壳体始终跟随驾驶杆的移动按比例移动4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理电液复合舵机结构及工作原理 §工作原理：工作原理： §电磁转换机构通电时，转换机构的衔铁向电磁转换机构通电时，转换机构的衔铁向左移动，堵住喷嘴左移动，堵住喷嘴U，喷嘴内腔，喷嘴内腔V的油压升的油压升高，推动滑阀左移于是系统高，推动滑阀左移于是系统ⅠⅠ的进油口的进油口到油路到油路T T的电液副舵机的通路与到油路的电液副舵机的通路与到油路G G、、L L及环形槽及环形槽J J的通路均被打开。
锁紧机构在高的通路均被打开锁紧机构在高压油液的作用下向上移动，小作动筒的活压油液的作用下向上移动，小作动筒的活塞在控制信号作用下运动小作动筒活塞塞在控制信号作用下运动小作动筒活塞杆上的杆上的A A点通过摇臂移动主滑阀，使舵机的点通过摇臂移动主滑阀，使舵机的壳体相应的按比例运动，如同人工驾驶一壳体相应的按比例运动，如同人工驾驶一样4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理电液复合舵机结构及工作原理 §工作原理：工作原理： §如果驾驶员参与自动控制使得操纵，则电如果驾驶员参与自动控制使得操纵，则电液复合舵机处于复合工作状态驾驶杆的液复合舵机处于复合工作状态驾驶杆的操纵运动和小作动筒活塞的运动通过摇臂操纵运动和小作动筒活塞的运动通过摇臂在主滑阀处复合，共同操纵舵机运动在主滑阀处复合，共同操纵舵机运动§作动筒的副滑阀一般情况下是不动的，犹作动筒的副滑阀一般情况下是不动的，犹如一个固定的阀套但当主滑阀一旦卡死，如一个固定的阀套但当主滑阀一旦卡死，或出现其他紧急情况时，副滑阀将接替主或出现其他紧急情况时，副滑阀将接替主滑阀的工作，使驾驶员能应急操纵滑阀的工作，使驾驶员能应急操纵4.1.3 电液复合舵机结构及工作原理电液复合舵机结构及工作原理 4.2 4.2 舵机的特性分析舵机的特性分析4.2.1 舵面的负载（铰链力矩）特性舵面的负载（铰链力矩）特性 舵机推动舵面运动时，除了要克服运动部舵机推动舵面运动时，除了要克服运动部分的惯性力矩和摩擦力矩外，还要克服舵面分的惯性力矩和摩擦力矩外，还要克服舵面铰链力矩。
铰链力矩是由空气动力作用在舵铰链力矩铰链力矩是由空气动力作用在舵面上而造成的对舵面铰链轴的力矩面上而造成的对舵面铰链轴的力矩 4.2.1 舵面的负载（铰链力矩）特性舵面的负载（铰链力矩）特性 铰链力矩铰链力矩 与舵面几何形状、类型，飞行的与舵面几何形状、类型，飞行的 或或 及舵偏角及舵偏角 有关，其中以舵偏角为主铰链力矩表达有关，其中以舵偏角为主铰链力矩表达式为式为 ：： 其中：其中： 表示单位舵偏角产生的铰链力矩；表示单位舵偏角产生的铰链力矩； 为铰链力为铰链力矩导数；矩导数； 为舵面参考面积；为舵面参考面积； 为舵平均几何弦长；为舵平均几何弦长； 为为舵偏角 显然，显然，铰链力矩的大小、符号随飞行状态而变铰链力矩的大小、符号随飞行状态而变 的大小、符号随飞行状态变化情况的大小、符号随飞行状态变化情况§ 的大小：动压的大小：动压Q越大，铰链力矩也越大越大，铰链力矩也越大§ 的符号：取决于舵面转轴的符号：取决于舵面转轴 相对于舵面相对于舵面气动力（气动力（ ）压力中心位置。
压力中心位置 的大小、符号随飞行状态变化情况的大小、符号随飞行状态变化情况§转轴位于压力中心前，转轴位于压力中心前， § 超声速时可达超声速时可达吨吨.米级米级§为了减小铰链力矩，把舵面转轴的位置设为了减小铰链力矩，把舵面转轴的位置设置在压力中心变化范围的中间这样在同置在压力中心变化范围的中间这样在同样的舵面偏转角下，压力中心随马赫数样的舵面偏转角下，压力中心随马赫数Ma的增加由前向后移动；的增加由前向后移动；§当转轴位于压力中心后当转轴位于压力中心后 反操纵反操纵§铰链力矩的大小和方向随飞机状态而变化，铰链力矩的大小和方向随飞机状态而变化，对舵机的工作有很大的影响对舵机的工作有很大的影响 4.2.2 舵机的动特性舵机的动特性（（1）电动舵机的动特性）电动舵机的动特性§电动舵机中电动机的机械特性如图所示：电动舵机中电动机的机械特性如图所示：§为一族非线性曲线横坐标为电动机角速度为一族非线性曲线横坐标为电动机角速度 4.2.2 舵机的动特性舵机的动特性（（1）电动舵机的动特性）电动舵机的动特性§电动舵机中磁粉离合器的机械特性如图所示：电动舵机中磁粉离合器的机械特性如图所示：§为一族非线性曲线。
横坐标为磁粉离合器的为一族非线性曲线横坐标为磁粉离合器的角速度角速度 4.2.2 舵机的动特性舵机的动特性（（1）电动舵机的动特性）电动舵机的动特性 舵机工作是舵机工作是非对称非对称的原因有两个：的原因有两个：§飞机稳定飞行时，舵面就不在中间位置，而飞机稳定飞行时，舵面就不在中间位置，而是有一个舵偏度，这就使一开始是有一个舵偏度，这就使一开始 有有初始值作用到舵机上初始值作用到舵机上§舵机工作过程中，负载力矩不对称例如舵舵机工作过程中，负载力矩不对称例如舵机使舵面偏角加大时（出舵时）铰链力矩起机使舵面偏角加大时（出舵时）铰链力矩起阻止加大的作用；而在收舵时，又起加速舵阻止加大的作用；而在收舵时，又起加速舵面回收的作用面回收的作用 （（2）电动舵机原理图）电动舵机原理图磁粉离合器间接控制电动舵机原理方块图磁粉离合器间接控制电动舵机原理方块图磁粉离合器间接控制电动舵机原理方块图磁粉离合器间接控制电动舵机原理方块图 （（3）电动舵机微分方程）电动舵机微分方程§图中：电磁离合器控制绕组的输入电压为图中：电磁离合器控制绕组的输入电压为U、、电流为电流为I、电感为、电感为L、电阻为、电阻为R；其电系统微；其电系统微分方程为：分方程为：§电磁离合器输出力矩为电磁离合器输出力矩为M，其微分方程为：，其微分方程为： 电动舵机微分方程电动舵机微分方程§设鼓轮到舵面传动机构的传动比为设鼓轮到舵面传动机构的传动比为i；电磁离；电磁离合器、齿轮转动装置、舵面及其传动机构和合器、齿轮转动装置、舵面及其传动机构和电动机转子折算到鼓轮的（包括鼓轮）的总电动机转子折算到鼓轮的（包括鼓轮）的总转动惯量为转动惯量为J；鼓轮角速度和转角分别为；鼓轮角速度和转角分别为 和和§ ；舵偏角为；舵偏角为 ，忽略摩擦力矩，其微分，忽略摩擦力矩，其微分方程表示为：方程表示为： 式中：式中： 惯性力矩惯性力矩 阻尼力矩阻尼力矩 折算到鼓轮上的铰链力矩折算到鼓轮上的铰链力矩 舵面角舵面角 鼓轮角鼓轮角 “△△”表示增表示增量量 “－－”表示舵面转的方向与鼓轮转的方向相表示舵面转的方向与鼓轮转的方向相反反 将上面公式取拉氏变换可以得到电动舵机将上面公式取拉氏变换可以得到电动舵机的方框图的方框图: （（4）电动舵机方框图）电动舵机方框图 （（5）电动舵机传递函数）电动舵机传递函数1）舵面负载为零）舵面负载为零 时，时， 得空载时电动舵机输入电压对鼓轮输出转角的得空载时电动舵机输入电压对鼓轮输出转角的传函：传函： 舵机的静态增益 舵机的静态增益 舵机电气时间常数舵机电气时间常数 一般很小，可略去。
一般很小，可略去 （（5）电动舵机传递函数）电动舵机传递函数2 2）舵面负载不为零时）舵面负载不为零时）舵面负载不为零时）舵面负载不为零时 当略去当略去时，， （（6）电动舵机特性分析）电动舵机特性分析§空载时：舵机动特性可描述为两个积分环节空载时：舵机动特性可描述为两个积分环节与一个惯性环节相串联与一个惯性环节相串联§有载时：舵机动特性可描述为一个二阶无阻有载时：舵机动特性可描述为一个二阶无阻尼振荡环节与一个惯性环节相串联尼振荡环节与一个惯性环节相串联§无论空载还是有载情况下，静态增益无论空载还是有载情况下，静态增益 及及时间常数时间常数 均随飞行状态改变均随飞行状态改变§由于由于 值很小，在舵机动特性近似分析中值很小，在舵机动特性近似分析中可略去不计可略去不计§由于舵机传函中均含由于舵机传函中均含 ，，∴∴铰链力矩对舵铰链力矩对舵机动特性是有影响的机动特性是有影响的 化简方块图为：化简方块图为： B不为零时的电动机负载传递函数不为零时的电动机负载传递函数 （（7）铰链力矩对舵机动特性的影响）铰链力矩对舵机动特性的影响§ 对舵机形成反馈构成小回路，对舵机形成反馈构成小回路， 时是正反馈，舵机传函中将包含不稳定的时是正反馈，舵机传函中将包含不稳定的二阶环节，舵机工作不稳定。
二阶环节，舵机工作不稳定 时，时，是负反馈，舵机工作稳定是负反馈，舵机工作稳定§舵机特性随飞行状态变化，其稳态输出角舵机特性随飞行状态变化，其稳态输出角也随飞行也随飞行 值改变，一般值改变，一般§ 使舵机工作为非对称性的工作使舵机工作为非对称性的工作 4.3 舵回路舵回路§4.3.1 舵回路的构成：舵回路的构成： 由舵机与反馈通道构成的闭合回路由舵机与反馈通道构成的闭合回路 §舵回路构成原因舵回路构成原因 铰链力矩的存在，相当于在舵机内部引入一铰链力矩的存在，相当于在舵机内部引入一个反馈要想消除它对舵机工作的影响，可个反馈要想消除它对舵机工作的影响，可人为地引入另一个反馈构成了舵回路来抵消人为地引入另一个反馈构成了舵回路来抵消铰链力矩的影响铰链力矩的影响§舵回路的基本类型舵回路的基本类型 常用的舵回路有三种基本类型：硬反馈（位常用的舵回路有三种基本类型：硬反馈（位置反馈）、软反馈（速度反馈）和弹性反馈置反馈）、软反馈（速度反馈）和弹性反馈（均衡反馈）均衡反馈） （（1）位置（硬）反馈）位置（硬）反馈——转角转角 的反馈的反馈 （（1）位置（硬）反馈）位置（硬）反馈——转角转角 的反馈的反馈若若若若 且且且且§ §稳态值为：稳态值为：稳态值为：稳态值为： 位置反馈分析结论位置反馈分析结论 § 引入位置反馈引入位置反馈 ，对任何飞行状态，其舵，对任何飞行状态，其舵回路传函均为一个二阶振荡环节，且各系数回路传函均为一个二阶振荡环节，且各系数仅与舵机自身的参数和反馈量仅与舵机自身的参数和反馈量 有关，与飞行有关，与飞行状态无关，减弱状态无关，减弱 影响。
影响§稳态时，舵机鼓轮转角稳态时，舵机鼓轮转角 与输入电压与输入电压 成正比，与反馈成正比，与反馈 § 成反比，即成反比，即 与与 成线性关系，这成线性关系，这种反馈种反馈 是位置反馈，又称硬反馈是位置反馈，又称硬反馈 硬反馈（位置反馈）式舵回路分析硬反馈（位置反馈）式舵回路分析§反馈部分为反馈部分为:§舵回路传函：舵回路传函：§特点：特点： ①①引入的反馈为引入的反馈为位置反馈位置反馈，又叫，又叫硬反馈硬反馈 ②②舵面输出的转角与输入信号成比例，构成舵面输出的转角与输入信号成比例，构成比例式飞控系统比例式飞控系统 ③③舵回路传函为一个惯性环节舵回路传函为一个惯性环节 （（2 2））引入舵机输出角速度反馈引入舵机输出角速度反馈 —软反馈软反馈 （（2 2））引入舵机输出角速度反馈引入舵机输出角速度反馈 —软反馈软反馈§传函为：传函为： 当当 时，时， 传函近似为：传函近似为： 稳态值为：稳态值为： 速度反馈分析结论：速度反馈分析结论：§引入速度反馈引入速度反馈 ，当，当 较大时，舵回路较大时，舵回路特性与飞行状态无关，同时减弱了铰链力特性与飞行状态无关，同时减弱了铰链力矩矩 对舵机的影响；对舵机的影响；§ 引入速度反馈引入速度反馈 后，使舵机鼓轮输出转动后，使舵机鼓轮输出转动角速度与角速度与 成比例，称为成比例，称为速度反馈速度反馈—软反馈软反馈§铰链力矩铰链力矩 对舵回路特性影响不大对舵回路特性影响不大 软反馈（速度反馈）式舵回路软反馈（速度反馈）式舵回路分析分析§反馈部分为：反馈部分为：§舵回路传函：舵回路传函：§特点：特点： ①① 引入的反馈是速度反馈（又叫软反馈）引入的反馈是速度反馈（又叫软反馈） ②② 舵回路传函为一个积分环节。
舵回路传函为一个积分环节 ③③ 舵面输出转动角速度与输入信号成正比舵面输出转动角速度与输入信号成正比构成积分式控制律的飞控系统构成积分式控制律的飞控系统 （（3 3））弹性反馈（均衡式）舵回路弹性反馈（均衡式）舵回路§反馈部分为：反馈部分为： (均衡环节均衡环节)§舵回路传函：舵回路传函：（近似值为当（近似值为当 很大，且很大，且 时，略去时间常数很小的惯性环节所得）时，略去时间常数很小的惯性环节所得） 弹性反馈（均衡式）舵回路弹性反馈（均衡式）舵回路特点：特点：§舵回路是位置反馈环节与均衡反馈环节相串舵回路是位置反馈环节与均衡反馈环节相串联§传函为（比例＋积分环节）传函为（比例＋积分环节） 高频时体现硬反高频时体现硬反馈，低频时体现积分作用馈，低频时体现积分作用§舵面输出舵面输出 三种舵回路适用场合三种舵回路适用场合§速度反馈：一般可提高稳定性，改善动态速度反馈：一般可提高稳定性，改善动态响应§位置反馈：可提高通频带，快速性，影响位置反馈：可提高通频带，快速性，影响静态稳定性。
静态稳定性 太大，系统不稳）太大，系统不稳）§混合反馈：一般速度反馈不能大，液压舵混合反馈：一般速度反馈不能大，液压舵回路中，一般不用速度反馈回路中，一般不用速度反馈§三种舵回路为飞行控制系统提供了三种不三种舵回路为飞行控制系统提供了三种不同的控制律形式同的控制律形式 对于各种反馈量的确定对于各种反馈量的确定──可用根轨迹分析、可用根轨迹分析、动态响应分析，通频带，快速性及静态特动态响应分析，通频带，快速性及静态特性几个方面对比来定性几个方面对比来定 4.3.2 舵回路系统的设计舵回路系统的设计技术要求：技术要求： 舵回路设计要求包括静、动态特性、接口要舵回路设计要求包括静、动态特性、接口要求以及可靠性、可维护性和适用环境的要求求以及可靠性、可维护性和适用环境的要求等一般具有如下要求：等一般具有如下要求：§舵机要有足够的功率输出；舵机要有足够的功率输出；§各种飞行状态舵机都能稳定工作；各种飞行状态舵机都能稳定工作；§舵回路的静、动态性能应满足系统提出的输舵回路的静、动态性能应满足系统提出的输入入/输出关系；输出关系；§舵回路要有较宽的频带，一般大于飞机的舵回路要有较宽的频带，一般大于飞机的3~5倍；倍；§舵回路要有较宽的动态响应和较大的阻尼，舵回路要有较宽的动态响应和较大的阻尼，并且相位滞后要小；并且相位滞后要小； （（4）舵回路系统的设计）舵回路系统的设计 分析分析§因为舵回路类型基本确定，其设计关键在于闭环回路中反因为舵回路类型基本确定，其设计关键在于闭环回路中反馈量的配置。
馈量的配置§如图所示的舵回路，同时有位置反馈和速度反馈首先研如图所示的舵回路，同时有位置反馈和速度反馈首先研究位置反馈系数的影响，即确定速度反馈系数的值，研究究位置反馈系数的影响，即确定速度反馈系数的值，研究位置反馈系数变化时，舵回路的性能位置反馈系数变化时，舵回路的性能 分析分析§舵回路参数参见舵回路参数参见P182，且已知速度反馈系数为，且已知速度反馈系数为其开环传递函数为：其开环传递函数为：相应的开环极点为：相应的开环极点为： 位置反馈舵回路根轨迹：位置反馈舵回路根轨迹： 分析分析§由图可见，根轨迹与虚轴的交点为由图可见，根轨迹与虚轴的交点为 ，相应，相应的的 当 很小时，实数主导极点的模值很很小时，实数主导极点的模值很小，所以通频带很窄，过渡过程很慢随着小，所以通频带很窄，过渡过程很慢随着 的增大，实的增大，实数主导极点的模值增大（复根的模变化很小），通频带加数主导极点的模值增大（复根的模变化很小），通频带加宽，过渡过程加快但是，当宽，过渡过程加快但是，当 时，系统变为不稳定。
时，系统变为不稳定§由此可见，当速度反馈一定时，舵回路的位置反馈将影响由此可见，当速度反馈一定时，舵回路的位置反馈将影响舵回路的通频带、快速性和静态性能舵回路的通频带、快速性和静态性能 在一定范围内变在一定范围内变化时，舵回路的通频带和快速性随化时，舵回路的通频带和快速性随 值的加大而增加；稳值的加大而增加；稳态值随态值随 值的加大而减小值的加大而减小 分析分析§接下来研究速度反馈系数的影响：接下来研究速度反馈系数的影响：§已知位置反馈系数已知位置反馈系数 ，根据结构图可得舵回，根据结构图可得舵回路的闭环多项式，并求出以路的闭环多项式，并求出以 为参量的等效开环传递函数为参量的等效开环传递函数如下：如下：§相应的开环极点为：相应的开环极点为： 速度反馈舵回路根轨迹：速度反馈舵回路根轨迹： 分析分析§由图可见，根轨迹与虚轴的交点为由图可见，根轨迹与虚轴的交点为 ，相应，相应的的 。
当当 时，舵回路极点仅在右时，舵回路极点仅在右半半s平面内移动，舵回路不稳定当平面内移动，舵回路不稳定当 时，随着时，随着 的的增大，实数主导极点的模值越来越小，通频带变窄，快速增大，实数主导极点的模值越来越小，通频带变窄，快速性降低§由此可见，当位置反馈一定时，如果速度反馈量过小（由此可见，当位置反馈一定时，如果速度反馈量过小（ ）则舵回路是不稳定的但如果速度反馈量过大，则会使）则舵回路是不稳定的但如果速度反馈量过大，则会使舵回路的通频带变窄，快速性下降舵回路的通频带变窄，快速性下降 4.3.3 舵机特性对舵回路的影响舵机特性对舵回路的影响（（1）舵机输出功率对舵回路的影响）舵机输出功率对舵回路的影响 4.3.3 舵机特性对舵回路的影响舵机特性对舵回路的影响（（1）舵机输出功率对舵回路的影响）舵机输出功率对舵回路的影响 输出功率有限影响线性工作范围，快速性输出功率有限影响线性工作范围，快速性及带宽 （（（（2 2）舵机传动机构中的非线性（间隙）对舵回路的影响）舵机传动机构中的非线性（间隙）对舵回路的影响）舵机传动机构中的非线性（间隙）对舵回路的影响）舵机传动机构中的非线性（间隙）对舵回路的影响§增大舵回路延迟时间，增大静差，降低舵回增大舵回路延迟时间，增大静差，降低舵回路的稳定性路的稳定性§有可能引起极限环振荡（在舵回路输出零值有可能引起极限环振荡（在舵回路输出零值附近）附近）§此现象以间隙出现在反馈通道中为最严重此现象以间隙出现在反馈通道中为最严重§非线性（间隙）影响静差、稳定性、引起极非线性（间隙）影响静差、稳定性、引起极限环振荡限环振荡 4.3.4 舵机与飞机操纵系统的联接方式舵机与飞机操纵系统的联接方式（（1）飞机操纵系统）飞机操纵系统§主操纵系统主操纵系统──操纵飞机三舵面（操纵飞机三舵面（ 、、 、、 ）（通过传动机构））（通过传动机构）§辅操纵系统辅操纵系统──操纵调整片、水平安定面、操纵调整片、水平安定面、起落架、襟翼、减速板等起落架、襟翼、减速板等 助力器：助力器： 当飞行速度提高时，铰链力矩加大，人力当飞行速度提高时，铰链力矩加大，人力难以操纵，为此用液压助力器难以操纵，为此用液压助力器§可逆助力器：常用在高亚音速飞机上，飞行可逆助力器：常用在高亚音速飞机上，飞行员可真实感受杆力。
有力反传）员可真实感受杆力有力反传） （杆力可借助于助力器传动比变化）（杆力可借助于助力器传动比变化）§不可逆助力器：平尾轴置于亚、超音速时焦不可逆助力器：平尾轴置于亚、超音速时焦点之间，防力反传（因为由亚音速变超音速点之间，防力反传（因为由亚音速变超音速时，有反操纵现象，）加弹簧人工感受力时，有反操纵现象，）加弹簧人工感受力装置装置 （（2）舵机与操纵系统连接方式）舵机与操纵系统连接方式 舵机与人工操纵系统有两种连接方式：舵机与人工操纵系统有两种连接方式：并联式、串联式并联式、串联式§并联式连接方式：用于自动驾驶仪中的舵机并联式连接方式：用于自动驾驶仪中的舵机与人工系统的连接与人工系统的连接AP工作时：飞行员不动驾驶杆，指令由操纵台工作时：飞行员不动驾驶杆，指令由操纵台上旋钮给出上旋钮给出 人操纵时：断开人操纵时：断开AP 应急时：应急时： 不断开不断开AP，人可强力操纵（离合，人可强力操纵（离合器打滑）器打滑） §串联连接方式：用于阻尼，增稳系统中，串联连接方式：用于阻尼，增稳系统中，舵机只带动舵面不推动驾驶杆，驾驶杆也舵机只带动舵面不推动驾驶杆，驾驶杆也可直接拉动舵面，舵机串在驾驶杆和助力可直接拉动舵面，舵机串在驾驶杆和助力器的传动杆之间。
器的传动杆之间§串联连接有一个操纵权限分配问题；一般串联连接有一个操纵权限分配问题；一般自动操纵权限为（自动操纵权限为（ ）全权限加）全权限加入自动配平系统（调整片机构），有利于入自动配平系统（调整片机构），有利于串联连接方式中舵机权限的提高串联连接方式中舵机权限的提高2）舵机与操纵系统连接方式）舵机与操纵系统连接方式 。