第五章舵系统设计(1)

1、 舵系统舵系统; 控制导弹舵面或副翼偏转的伺服系统，控制导弹舵面或副翼偏转的伺服系统， 舵系统是自动驾驶仪的一个重要环节，舵系统是自动驾驶仪的一个重要环节，特点是；特点是； 惯性大、功率强和非线性因素比较明显的一惯性大、功率强和非线性因素比较明显的一个复杂环节它对自动驾驶仪的性能，有重大影个复杂环节它对自动驾驶仪的性能，有重大影响响四四 舵系统的工作原理舵系统的工作原理不同舵系统的具体结构和控制方法各异，不同舵系统的具体结构和控制方法各异，但工作原理大致相同现以液压舵系统为例，但工作原理大致相同现以液压舵系统为例，说明工作原理图说明工作原理图41是液压舵系统原理方框图。是液压舵系统原理方框图。

2、4.1舵系统原理舵系统原理图图41 41 液压舵系统原理方框图。液压舵系统原理方框图。系统系统；由综合大器、液压舵机及反馈电路组成。由综合大器、液压舵机及反馈电路组成。综合放大器的作用综合放大器的作用；是对输入信号是对输入信号 和反馈信号和反馈信号 进行比较，产生误差信号进行比较，产生误差信号 并进行电并进行电压放大和功率放大，给电液伺服阀的力矩马达压放大和功率放大，给电液伺服阀的力矩马达绕组输送差动电流绕组输送差动电流 液压舵机液压舵机组成；组成；由电液伺服阀、作动筒以及由电液伺服阀、作动筒以及反馈电位计组成反馈电位计组成( (见图见图42)42)电液伺服阀中带永久电液伺服阀中带永久磁铁的极

3、化式力矩马达与双喷嘴档板构成前置放大磁铁的极化式力矩马达与双喷嘴档板构成前置放大级，二级采用力反馈式液压滑阀放大器级，二级采用力反馈式液压滑阀放大器图图42 42 液压舵机工作原理图液压舵机工作原理图 1 1一控制线圈；一控制线圈； 2 2一导磁体，一导磁体， 3 3一弹簧管：一弹簧管： 4 4一磁钢；一磁钢；5 5一衔铁；一衔铁； 6 6一档板；一档板； 7 7一喷咀，一喷咀， 8 8一反馈杆：一反馈杆： 9 9一滑阀一滑阀1010一固定节流孔；一固定节流孔； 1111一一阀体，阀体， 12-12-油阻尼孔；油阻尼孔；1313一油滤；一油滤； 1414一作一作动简，动简， 1515一活塞杆一

4、活塞杆( (连杆连杆) )；1616一反馈电位计；一反馈电位计； 1717一回油；一回油； 1818一进油一进油作动筒采用双向作用的直线位移式作动筒液体作动筒采用双向作用的直线位移式作动筒液体流量是与作动筒活塞线速度成正比活塞的直线流量是与作动筒活塞线速度成正比活塞的直线往复运动通过操纵机构变成舵面的旋转运动反往复运动通过操纵机构变成舵面的旋转运动反馈电位计装在作动筒内，电刷由舵机的活塞杆馈电位计装在作动筒内，电刷由舵机的活塞杆( (以以下称连杆下称连杆) )带动，与活塞线位移成正比的反馈电位带动，与活塞线位移成正比的反馈电位计输出信号计输出信号 在综合放大器中与输入信号在综合放大器中与输入信

5、号 进行综合进行综合 当当0 0时，综合放大器输出的差动电流时，综合放大器输出的差动电流力矩马达的衔铁不偏转，档板处于中立位置，两喷力矩马达的衔铁不偏转，档板处于中立位置，两喷嘴腔中压力相等，即嘴腔中压力相等，即 ： 阀芯两端作用的压力相等阀芯处于零位阀芯两端作用的压力相等阀芯处于零位( (即即滑阀开度为零滑阀开度为零) )因此输出流量因此输出流量Q Qo o，作动筒中，作动筒中，活塞两端压差为零，即活塞两端压差为零，即 于是活塞不动，于是活塞不动，021iiI021 pp0fku假定差动电流假定差动电流 在力矩马达控制线圈中产生的磁通在力矩马达控制线圈中产生的磁通 的方向如图的方向如图424

6、2所示，在气隙所示，在气隙a a，d d中，中， 与永久与永久磁铁磁通磁铁磁通 方向相反，因而互相削弱的；方向相反，因而互相削弱的；在气隙在气隙c，b 中中与与 同向，因而相互加强合同向，因而相互加强合力矩使衔铁绕回转中心力矩使衔铁绕回转中心( (弹簧管的中心弹簧管的中心) )逆时针转一逆时针转一个角度，使右喷嘴与档板的间隙减小，左喷嘴与档个角度，使右喷嘴与档板的间隙减小，左喷嘴与档板的间隙则增加，于是板的间隙则增加，于是，滑阀左移，高压油进入作动筒左腔，活塞上压差，滑阀左移，高压油进入作动筒左腔，活塞上压差为为 ，推动活塞右移，使舵面转滑，推动活塞右移，使舵面转滑阀左移的同时，阀左移的同时，

7、0021iiIui时，cc推动反馈杆顺时针旋转，衔铁以顺时针方向力矩与信推动反馈杆顺时针旋转，衔铁以顺时针方向力矩与信号力矩平衡，此时滑阀左边的开口量与信号成正比，号力矩平衡，此时滑阀左边的开口量与信号成正比，而进入作动筒的流量又与滑阀开口量成正比；在活而进入作动筒的流量又与滑阀开口量成正比；在活塞右移的同时，由反馈电位汁输出一个与连杆位移成塞右移的同时，由反馈电位汁输出一个与连杆位移成正比的反馈信号正比的反馈信号，当，当 时，时， 在力反馈的作用下，衔铁回到中立位置，从在力反馈的作用下，衔铁回到中立位置，从而使滑阀回到中立位置，于是活塞就不再移动舵面而使滑阀回到中立位置，于是活塞就不再移动舵

8、面偏转一个与偏转一个与 相对应的正角度相对应的正角度 同理，当同理，当相对应的负角度相对应的负角度0I0iu0iu0iu4.3 4.3 舵系统设计的一般要求舵系统设计的一般要求 （1 1）一般要求）一般要求 1) 1) 应满足控制系统提出的最大舵偏角应满足控制系统提出的最大舵偏角 。和空载最大舵偏角速度和空载最大舵偏角速度 的要求的要求 2) 2) 应能输出足够大的操纵力和操纵力矩，以应能输出足够大的操纵力和操纵力矩，以适应外界负载的变化，并且在最大气动铰链力矩状适应外界负载的变化，并且在最大气动铰链力矩状态下，应具有一定的舵偏角速对舵面反操纵作用，态下，应具有一定的舵偏角速对舵面反操纵作用，

9、应具有有效的制动能力应具有有效的制动能力( (或称刹车能应具有足够的或称刹车能应具有足够的带宽，以满足弹上飞行控制系统的需要体积小、带宽，以满足弹上飞行控制系统的需要体积小、质量轻、比功率大、成本低、可靠性高及使用维护质量轻、比功率大、成本低、可靠性高及使用维护maxmax (2) (2) 设计中应考虑的问题设计中应考虑的问题 除上述一般要求外，随着驾驶仪的不同，以及除上述一般要求外，随着驾驶仪的不同，以及导弹的战术技术指标不同，舵系统设计中应考虑问导弹的战术技术指标不同，舵系统设计中应考虑问题的侧重面也就不同在具体设计中应有针对题的侧重面也就不同在具体设计中应有针对性设计中常常会遇到下述需要

10、解决的问题性设计中常常会遇到下述需要解决的问题 1) 1) 采用哪些类型的舵系统最为有利采用哪些类型的舵系统最为有利? ?这取决于对舵这取决于对舵系统的具体要求；弹上提供的能源类型，执行机构系统的具体要求；弹上提供的能源类型，执行机构在弹上布局的空间大小；可供选择的执行元件系列；在弹上布局的空间大小；可供选择的执行元件系列；国内生产水平和工艺水准；产品的继承性国内生产水平和工艺水准；产品的继承性2) 2) 采用哪种反馈形式采用哪种反馈形式? ?反馈从何处引出反馈从何处引出? ? 对中、远程防空导弹，通常采用液压或气压舵对中、远程防空导弹，通常采用液压或气压舵系统，而且均采用位置反馈系统，而且均

11、采用位置反馈 对近程防空导弹，多采用电动舵系统或燃气舵对近程防空导弹，多采用电动舵系统或燃气舵系统反馈方式常采用舵偏速度反馈，或气动铰链系统反馈方式常采用舵偏速度反馈，或气动铰链力矩反馈，或者舵面做成特殊形状，不用反馈，开力矩反馈，或者舵面做成特殊形状，不用反馈，开路工作路工作 反馈从何处引出比较合理，也值得注意从图反馈从何处引出比较合理，也值得注意从图4343可以看出，对中、远程防空导弹，由于操纵机可以看出，对中、远程防空导弹，由于操纵机构构( (包括舵面包括舵面) )惯量大、刚度低，属于阻尼很小惯量大、刚度低，属于阻尼很小( ( 0 005)05)，固有频率较低，固有频率较低( ( 40H

12、z)40Hz)的二阶环的二阶环节同时还含有明显的非线性节同时还含有明显的非线性( (如间隙特性如间隙特性) )chchf如果直接采用舵偏角反馈如果直接采用舵偏角反馈( (即图即图4343中中2 2，3 3接通接通) )，则操纵机构这个环节包入舵系统内，则操纵机构这个环节包入舵系统内，这样要设计一这样要设计一个性能良好，快速性高的舵系统就十分困难个性能良好，快速性高的舵系统就十分困难相反相反如果采用舵机连杆位移如果采用舵机连杆位移X X为位置反馈为位置反馈( (即图即图4343中中1 1，3 3接通接通) )，操纵机构不包入舵系统，则能很方便地设操纵机构不包入舵系统，则能很方便地设计出性能良好的

13、快速舵系统计出性能良好的快速舵系统图图4 4，3 3 舵系统反馈方式舵系统反馈方式4.4 4.4 舵机动力学模型舵机动力学模型 舵机是构成舵系统的核心部件，正确地建立舵舵机是构成舵系统的核心部件，正确地建立舵机数学模型十分重要同时要根据实际应用场合，机数学模型十分重要同时要根据实际应用场合，对已建立的数学模型进行合理的简化，以便抓住问对已建立的数学模型进行合理的简化，以便抓住问题的本质，提高设计效率此外，用实验手段获题的本质，提高设计效率此外，用实验手段获 取取舵机的动力学模型，在工程应用上也十分重要本舵机的动力学模型，在工程应用上也十分重要本节重点阐述这两方面内容节重点阐述这两方面内容4 4

14、4 41 1 负载状态下舵机传递函数负载状态下舵机传递函数 作为执行元件的舵机，在导弹飞行过程中总是作为执行元件的舵机，在导弹飞行过程中总是在负载状态下工作作用在舵机上的负载通常有四在负载状态下工作作用在舵机上的负载通常有四种：惯性负载、弹性负载、粘性种：惯性负载、弹性负载、粘性负载，摩擦负载负载，摩擦负载 液压和气压舵机而言，是指包含带活塞的连杆液压和气压舵机而言，是指包含带活塞的连杆和带舵面的操纵机构；和带舵面的操纵机构； 对电动舵机而言，应包括电动机的转子和带舵对电动舵机而言，应包括电动机的转子和带舵面的减速机构在负载状态下，必须把舵机的传动面的减速机构在负载状态下，必须把舵机的传动部分

15、看成一个整体环节研究部分看成一个整体环节研究根据需要可以折算到根据需要可以折算到舵轴上分析计算，也可以折算到连杆上舵轴上分析计算，也可以折算到连杆上( (或电动机或电动机转轴上转轴上) )分析计算分析计算 现以液压舵机为例，直接给出不同类型负载状现以液压舵机为例，直接给出不同类型负载状态下的舵机传递函数，而略去中间推导过程态下的舵机传递函数，而略去中间推导过程(1) (1) 全负载状态的液压舵机传递函数全负载状态的液压舵机传递函数全负载全负载；系指惯性负载、粘性负载和弹性负载同时存在并系指惯性负载、粘性负载和弹性负载同时存在并假设液压油不可压缩，泄漏损耗很小，可忽略不假设液压油不可压缩，泄漏损

16、耗很小，可忽略不计全负载状态下液压舵机框图如图计全负载状态下液压舵机框图如图4444所示所示根据图根据图4444，简化，简化 可得全负载状态的舵机传递函数如下可得全负载状态的舵机传递函数如下 0njM在工程上，由于在工程上，由于djsTT图图44 44 负载状态负载状态下下舵舵机机框图框图( )( )( )djsWsi s2222( )(1)(21)/()/(2/djdjsdjdjdjdjschpjdjjdjchpjpchjkWsT ST ST SkAkk k MTJMAk k Mk kJM并且实际存在的纯延迟并且实际存在的纯延迟 ，通常用一个振荡环节，通常用一个振荡环节和迟环节来描述全负载状

17、态下液压舵机的动性即和迟环节来描述全负载状态下液压舵机的动性即22( )(21)sdjdjdjdjdjk eWsT ST S 的表达式中所含的流量压力系数的表达式中所含的流量压力系数，和空载流量系数尺，和空载流量系数尺K Ks s，在工程上可以从电液伺服，在工程上可以从电液伺服阀实测的负载流量曲线阀实测的负载流量曲线( (即即Q Qp p曲线曲线) )上求得图上求得图4545是某型伺服阀实测的负载流量曲线，取是某型伺服阀实测的负载流量曲线，取I I12mA12mA对应的那条曲线，在对应的那条曲线，在0 0djkdj23sp( (即即0130130MPa)0MPa)的工作区内用直线的工作区内用直

18、线( (见图见图4545中的虚中的虚线线) )代替，代替，sTpKsp代表油源压力一流量压力系数代表油源压力一流量压力系数pk公式如下，公式如下，12120.112pImAmAQQkpp 空载流量系数空载流量系数K Ks s公式如下公式如下000.2975sppQQkjj 图图45 45 负载流量曲线负载流量曲线4.54.5、 液压舵系统设计液压舵系统设计实例实例 1 1、设计一个由液压系统驱动的舵系统其指标要设计一个由液压系统驱动的舵系统其指标要求如下求如下1 1）最大舵偏角）最大舵偏角 其中土其中土3030为最大指为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)舵机连杆最大行程舵机连杆最大行程4)4)折算到舵机活塞上的最大负载折算到舵机活塞上的最大负载F Fmaxmax4903.3N4903.3N5)5)最大舵指令最大舵指令( (对应对应3030) )6V.6V.6)6)舵系统等效传递函数为舵系统等效传递函数为0.5 0.8dxt对舵系统开环要求对舵系统开环要求: :幅稳定裕量幅稳定裕量66的的dB,dB,相稳定裕相稳定裕量量4545对舵系统闭环相移要求对舵系统闭环相移要求; ;在在307)7)舵系统过渡过程的上升时间舵系统过渡过程的上升时间0.02rts25%超调量超调量; ;22(1)( )21dxtdxtdxtdxtdx

20、tdxtkT SWsT ST S8)8)带舵面的操纵机构传递函数为带舵面的操纵机构传递函数为maxmax/1.28chkX0.05ch1/(2)chchTf40()chfHz22( )( )( )21chchchchchksWsX sT ST S9）弹上液压油源工作压力为；MPa594.20652.17液压舵系统计算方框图液压舵系统计算方框图2、舵系统计算系统采用连杆位移反馈，在舵系统反馈通道内设置一个惯性环节，由于力反馈型电液伺服阀频带比较宽，在舵系统驱动惯性负载的工作条件下，当油压出现脉动时会使舵系统激发起不规则的振荡，这种振荡是有害的，在舵系统反馈通道内设置一个惯性环节，可以有效地消除这

21、种有害的振荡。)/(256. 0/1)/(906. 3628. 1/30)()(,28. 1306VmmVKKVmmuXKKDXTFKiDXTch舵系统反馈传递系数为传递系数为舵系统闭环操纵机构传递系数舵偏角，对应已知最大指令为（1）、舵系统反馈系数的确定）、舵系统反馈系数的确定舵系统开环传递函数系统开环传递函数；根据计算方框图，得舵舵系统开环频率响应；舵系统动特性计算;)0( ,) 1)(1() 1)(1()()2(000FKyDzFKyDFKyDsFKyDzKKKKsTsTsKsTsTseKKKsW785.8445,65)(5386. 3452/12/14545-SF00FKyDzFkyD

22、yDyDKKKKdBKmsTmsfTHzf条件下确定的相位稳定裕量幅稳定裕量对数频率特性，在满足是根据舵系统开环期望求，响应（幅，相裕量）要为满足舵系统开环频率于是有的伺服阀相移处对应频率先取系列参数，阀根据力反馈型电液伺服588. 0)(2/1)(01061. 0/ )(3.9061s( ,12) 1(11) 1(1)()(0032202030KTTsKTTTKKsTsTsTKsKsKTTsKTTsTKsusXWFKyDDXTFKyDDXTFKDXTDXTDXTDXTFKDXTFKyDFKyDFKFKiDXT项）略去舵系统闭环传递函数56.16)256. 020/(2875.84/20200

23、,FKzyDzyDzKKKKVmAKKKmA液压舵机速度传递系数器传递系数为可分配如下；综合放大，则流为通常伺服阀最大工作电msTmsTKKKKKKKKKFKyDFKyDzFKFKyDz55386. 3331.2/256. 02875.8400反馈通道惯性时间常数液压舵机时间常数正向通道传递系数反馈电位计传递系数舵系统开环传递系数msmsTKsTseKsWsmmXNFmmlmmXmAIMPaPyDyDyDsyDyDls525386. 35 .16) 1()(/330;3 .49032402520594.20652.17a)3(maxmaxmax舵机传递函数为舵机最大空载速度最大负载力；舵机中心

24、矩；舵机连杆最大行程；最大工作电流；能源工作压力；、基本技术要求。三、反馈电位计的选择；二、液压伺服阀的选择；一、作动筒设计，计算主要内容；舵机设计sPDd反馈电位计活塞当高压油从左腔进入作动筒，则活塞在压差21PPP作用下，向右移动，反之向左作动筒内流量Q与活塞运动速度成正比dtdXAQ 4/)(22dDA作用在活塞上的力与作用在活塞两边的压差成正比)(21ppAF2）活塞和连杆的直径计算活塞上的压差建立的主动力，除克服负载的等效阻力外，还需克服摩擦力，所以)(4022PPdDFscmDFPdDcmdPFDcmdFFPPLssLLs4 . 2)(4)(327. 243 . 13 .49035

25、94.20652.1795. 02220则时应有为保证足够功率，设计进行计算，先取很小回油压力液压油工作压力作动筒机械效率计算为保证活塞最大速度，需要的最大流量min)/1 (34. 6maxmaxXAQc、电液伺服阀的选择依据；确保足够流量和功率；空载流量增益线性度好；压力灵敏度高；通频带宽2.2KRRR1%0.05%d45Hz45-%51/min6.4120,123.1921max选择导电塑料电位计性度依据；平滑性好；非线反馈电位计选择相移处）通频带宽度（非线性度）（额定流量最大工作电流选择额定工作油压mAIMPaPsFKuF5k11R2R330330k10720V15V15图图5-5 采用他激直流电动机的执行机构原理