第五章 執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用

1、第五章 執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用 講授人：奚伯齊 E-mail： 5.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述 5.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成與分類(lèi) 一般情況下，作用在飛行器上的力包括發(fā)動(dòng)機(jī)推力、空氣動(dòng)力和重力。飛行器 的控制力是推力和空氣動(dòng)力的合力。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制力的實(shí)現(xiàn)裝置，由操縱機(jī)構(gòu)和 伺服系統(tǒng)組成。 （1）操縱機(jī)構(gòu) 空氣舵控制裝置控制舵面偏轉(zhuǎn)改變作用在飛行器上的空氣動(dòng)力 推力矢量控制裝置改變發(fā)動(dòng)機(jī)推力的大小和方向 直接力控制裝置直接產(chǎn)生一個(gè)新的控制力作用在飛行器上 （2）伺服系統(tǒng) 電動(dòng)伺服系統(tǒng)交流或直流電動(dòng)機(jī) 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)冷氣氣動(dòng)或固體、液體推進(jìn)劑燃?xì)鈿鈩?dòng) 液壓伺服系統(tǒng)液體壓力驅(qū)動(dòng)，比相同尺寸電動(dòng)機(jī)功率大 電磁閥或繼電器

2、用于控制閥門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉 執(zhí)行器即執(zhí)行裝置是按照控制指令信號(hào)，將電力、液壓和氣壓等能源的能量轉(zhuǎn)換成 飛行器質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能的裝置。 5.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述 空氣舵控制裝置是一種通過(guò)空氣和舵面的相互作用而產(chǎn)生所需控制力 或控制力矩的施力裝置，它根據(jù)控制指令操縱飛行器上的舵面偏轉(zhuǎn)與控制 指令相對(duì)應(yīng)的舵偏角。 放大器舵機(jī) 反饋元件 操縱機(jī)構(gòu) 舵偏角 舵面 舵回路 控制指令 + - 圖5-1 單通道空氣舵裝置原理框圖 單通道空氣舵裝置由舵回路、操縱機(jī)構(gòu)和舵面組成。 5.2.1 舵回路 l舵回路是飛行控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，它按照控制指令信 號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)操縱舵面偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生相應(yīng)的空氣動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)飛行器的角

3、 運(yùn)動(dòng)或航跡運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定與控制。 l組成：由放大器、舵機(jī)、反饋元件（作用是改善舵回路特性）組成。 l舵回路負(fù)載：舵面的慣量和作用在舵面上的氣動(dòng)力矩（鉸鏈力矩）。 l鉸鏈力矩：當(dāng)舵面偏轉(zhuǎn)時(shí)，流過(guò)舵面的氣流產(chǎn)生與舵偏角對(duì)應(yīng)的空 氣動(dòng)力，并對(duì)舵機(jī)軸形成氣動(dòng)力矩。 （1）舵回路的組成及要求 5.2.1 舵回路 （2）舵回路的指標(biāo)體系 舵回路的選型和設(shè)計(jì)因素很多，慣量、體積等由結(jié)構(gòu)確定，工作電 壓、電流由電氣系統(tǒng)確定，而負(fù)載力矩、頻帶、功率、最大舵偏角和余 度是由飛行器總體指標(biāo)確定的。 l 負(fù)載力矩 V 圖5-2 舵面不同偏轉(zhuǎn)角位置時(shí)的鉸鏈力矩 () ee jjjejjjjje MCChq s bMM 5

4、.2.1 舵回路 l 頻帶 l 功率 控制舵回路進(jìn)行1幅值的正弦偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，幅值-3dB處的頻率值 稱(chēng)為舵回路系統(tǒng)的頻帶。 舵回路頻帶是由飛行器的固有頻率 n 確定的，對(duì)于靜穩(wěn)定的飛行 器一般可取510倍的n。 舵回路的負(fù)載力矩和最大角速度之間是互相關(guān)聯(lián)的，其乘積就是舵 回路系統(tǒng)的功率。 max 2AAf maxmax 1 4 j PM 5.2.1 舵回路 （3）舵機(jī) l舵機(jī)是飛行控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，也是舵回路中的核心部件。 l舵機(jī)的功能是按照控制指令輸出力矩或力，驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)與控制指令 對(duì)應(yīng)的舵偏角。 l舵機(jī)類(lèi)型：按照所用能源形式分為電動(dòng)舵機(jī)、液壓舵機(jī)、電液復(fù)合舵 機(jī)和氣動(dòng)舵機(jī)。 5.2.

5、1 舵回路 （3）舵機(jī) l 電動(dòng)舵機(jī) 組成： 電動(dòng)機(jī)（直流或交流的）；測(cè)速裝置；位置傳感器；齒輪傳動(dòng) 裝置；安全保護(hù)裝置。 控制方式： 直接式和間接式。 特點(diǎn)： 能源是電力，與飛控系統(tǒng)用同一能源，設(shè)計(jì)、控制方便； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、裝配維修方便； 快速性較差。 ( ) ( )(1) M M Ks U ss T s 傳遞函數(shù)： 5.2.1 舵回路 （3）舵機(jī) l 液壓舵機(jī) 組成： 由電液信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置（即電液伺服閥，由力矩馬達(dá)和液壓放大器組成）、 作動(dòng)筒和位移信號(hào)反饋裝置組成。 優(yōu)點(diǎn)： 體積小、重量輕、功率增益大、快速性好、靈敏度高、輸出功率與轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量的比值大，可大范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速（調(diào)速范圍可達(dá)

6、200：1） 缺點(diǎn)： 能源是高壓液體，性能易受環(huán)境條件影響； 工藝要求高，制造裝配較困難，生產(chǎn)成本較高。 max ( ) ( ) s X ss 傳遞函數(shù)： 圖5-3 典型液壓舵機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖 5.2.1 舵回路 （3）舵機(jī) l 液壓舵機(jī) 液壓系統(tǒng)： 驅(qū)動(dòng)裝置 泵站 控制閥 馬達(dá) 負(fù)載 5.2.1 舵回路 （3）舵機(jī) l 氣壓舵機(jī) 氣壓式舵機(jī)分為冷氣式和燃?xì)馐蕉鏅C(jī)兩類(lèi)。 圖5-4 冷氣式舵機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖 ( ) ( )1 Ks U sT s 傳遞函數(shù)： 圖5-5 燃?xì)馐蕉鏅C(jī)原理結(jié)構(gòu)圖 （a）比例式燃?xì)舛鏅C(jī) ； （b）脈寬調(diào)制式燃?xì)舛鏅C(jī) 5.2.1 舵回路 （3）舵機(jī) l 氣壓舵機(jī) 優(yōu)點(diǎn)： （1）動(dòng)作

7、迅速、響應(yīng)快，可實(shí)現(xiàn)高速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)； （2）空氣有可壓縮性，易于實(shí)現(xiàn)力控制和過(guò)載保護(hù)； （3）氣源為空氣或氦氣，無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)和環(huán)境污染； （4）氣壓舵機(jī)壓力等級(jí)低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)，價(jià)格低。 缺點(diǎn)： （1）位置控制和速度控制的精度較低，驅(qū)動(dòng)剛性差； （2）工作壓力較低，因而氣動(dòng)舵機(jī)輸出力或扭矩較小； （3）氣動(dòng)系統(tǒng)有較大的排氣噪聲，需要消聲處理； 5.2.1 舵回路 （3）舵機(jī) l 氣壓舵機(jī) 5.2.2 空氣舵控制裝置傳遞函數(shù)及性能分析 Kp KM s (TM s+1) Koc -1 i U+ - 圖5-6 采用比例控制方式的電動(dòng)舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方框圖 l 舵回路傳遞函數(shù) l 舵回路穩(wěn)態(tài)精度 l

8、 舵回路穩(wěn)定性 l 舵回路快速性 5.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述 推力矢量控制（Thrust Vector Control, TVC）是一種通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)主推力 相對(duì)飛行器質(zhì)心的偏移，產(chǎn)生改變質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方向所需力矩的控制技術(shù)。 圖5-7 推力矢量控制原理圖 M M Tx x L T Tz Tx T Ty y 典型應(yīng)用包括：彈道式導(dǎo)彈、短程空空導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈、地空導(dǎo)彈、潛 射導(dǎo)彈等。 性能指標(biāo)體系：噴流偏轉(zhuǎn)角度、側(cè)向力系數(shù)、軸向推力損失、驅(qū)動(dòng)力等。 5.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述 直接力控制一般是在無(wú)人飛行器橫向剖面內(nèi)按照一定規(guī)則布置噴流裝置，產(chǎn) 生改變質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的直接控制力。 用途：（1）提高系統(tǒng)響應(yīng)速度； （2）

9、短時(shí)增大可用過(guò)載。 典型應(yīng)用：美國(guó)“愛(ài)國(guó)者”防空導(dǎo)彈 PAC-3、歐洲反導(dǎo)導(dǎo)彈Aster15/ Aster30、 俄羅斯防空導(dǎo)彈9M96E/ 9M96E2、大氣層外飛行器（如衛(wèi)星、飛船、彈道導(dǎo)彈、 攔截器等）。 操縱方式：（1）力操縱方式； （2）力矩操縱方式。 v PP 圖5-8 直接力控制裝置操縱方式示意圖 5.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述 直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)換向器將直流轉(zhuǎn)換成電樞繞組中的交流，從而使電樞產(chǎn)生一個(gè) 恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。 換向器換向器 電刷電刷 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 圖5-9 直流電機(jī)工作原理示意圖 優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速方便（可無(wú)級(jí)調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低速性能好（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 大、電流

10、?。?，運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制。 缺點(diǎn)：換向器需經(jīng)常維護(hù)，電刷極易磨損，噪音比交流電機(jī)大。 直流電機(jī)是一種將直流電能轉(zhuǎn)換成負(fù)載機(jī)械能的裝置。 根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，直流電機(jī)可分成直流高速、直流低 速和直流減速電機(jī)等。 直流電機(jī)的控制方式：電壓控制或電流控制。 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 直流電機(jī)速度計(jì)算公式： = (Ua - IaRa) / Ce 其中: Ua 電樞端電壓 Ia 電樞電流 Ra 電樞電路總電阻 Ce 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù) 單極勵(lì)磁磁通量 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 轉(zhuǎn)速可以通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電阻、調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和調(diào)節(jié)電樞電壓三種方式。 PWM控制是利用脈寬調(diào)制器對(duì)大功

11、率晶體管開(kāi)關(guān)放大器的開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn) 行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電機(jī) 的電樞兩端，通過(guò)對(duì)矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均 電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM） 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 在周期一定的前提下，正脈沖越寬，平均直流電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速 越快。 26 電池電壓為10V，如果閉合開(kāi)關(guān)50ms，在這50ms內(nèi)電燈的電壓為10V，接 著斷開(kāi)開(kāi)關(guān)50ms，在這50ms內(nèi)電燈的電壓為0V。顯然，在這100ms之內(nèi)， 電燈的平均電壓為5V。 如果使開(kāi)關(guān)閉合與斷開(kāi)的時(shí)間分配成60%和40%，在

12、ta時(shí)間段內(nèi)，開(kāi)關(guān)閉合的 時(shí)間為ta60%，而斷開(kāi)的時(shí)間為ta40%，所以平均電壓為6V。 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 平均電壓 27 PWM信號(hào)是數(shù)字 信號(hào)，在某一時(shí) 刻，直流電平要 么為高電平，要 么為低電平。 PWM信號(hào)控制電 源以一系列脈沖 的形式向負(fù)載供 電。在帶寬足夠 的情況下，任何 模擬信號(hào)平均電 壓都可由PWM信 號(hào)產(chǎn)生。 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 28 如何應(yīng)用PWM信號(hào)控制 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速？如果 PWM信號(hào)發(fā)生器輸出的 脈沖信號(hào)峰值為12V、 且占空比為50%，則得 到PWM信號(hào)的平均電壓 為6V，這與電池所提供 的電壓相同。所以在 PWM信號(hào)

13、平均電壓為 6V時(shí)，直流電機(jī)無(wú)論使 用電池供電還是PWM信 號(hào)發(fā)生器，其轉(zhuǎn)速是相 同的。 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） PWM信號(hào)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速 l方法一：利用軟件延時(shí)。高電平延時(shí)時(shí)間到，端口輸出電平 取反；低電平延時(shí)時(shí)間到，端口輸出電平再取反，如此循環(huán) l方法二：利用定時(shí)器控制電平反轉(zhuǎn) l方法三：利用單片機(jī)自帶的PWM控制器 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 占空比占空比10%10% 占空比占空比90%90% 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制（H橋電路） 30 轉(zhuǎn)向控制：電機(jī)的兩個(gè)管腳（+、-） 和電源之間由4個(gè)開(kāi)關(guān)A、B、C、D控 制著。圖（a）中，開(kāi)關(guān)A和D閉合， 開(kāi)關(guān)B和C斷

14、開(kāi)，這樣電流從直流電機(jī) 的+極流向-極，于是電機(jī)正轉(zhuǎn)。圖 （b）中，開(kāi)關(guān)A和D斷開(kāi)，而開(kāi)關(guān)B和 C閉合，則電流的方向與剛才正好相 反，從電機(jī)的-極流向+極，于是電機(jī) 反轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)速控制：可在圖（a）中，利用開(kāi)關(guān) A、D的閉合與斷開(kāi)時(shí)間控制PWM信 號(hào)的正脈沖寬度，就可以控制正轉(zhuǎn)的 轉(zhuǎn)速。在圖（b）中，利用開(kāi)關(guān)B、C 通斷時(shí)間，產(chǎn)生PWM信號(hào)來(lái)控制反轉(zhuǎn) 的轉(zhuǎn)速。 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制 31 控制轉(zhuǎn)向的4個(gè)開(kāi)關(guān)在實(shí)際 電路中由場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)。如 圖（a）所示，場(chǎng)效應(yīng)管Q1 與Q4共G極，被置高電平， 同時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2與Q3共G 極，被置0，于是Q1、Q4 導(dǎo)通而

15、Q2、Q3截止，于是 電流從直流電機(jī)的+極流向 -極，電機(jī)正轉(zhuǎn)。在圖（b） 中，場(chǎng)效應(yīng)管Q1與Q4截止 而Q2與Q3導(dǎo)通，于是電流 從電機(jī)的-極流向+極，電 機(jī)反轉(zhuǎn)。 場(chǎng)效應(yīng)管的D極和S極之間并聯(lián)一個(gè)二極管，當(dāng)直流電機(jī)的電感產(chǎn)生 高壓而形成電流時(shí)，可以通過(guò)二極管放電而不會(huì)進(jìn)入場(chǎng)效應(yīng)管，從而 保護(hù)了場(chǎng)效應(yīng)管。 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 直流電機(jī)的通斷控制 32 需要根據(jù)電機(jī)的功率設(shè)計(jì)三極管 開(kāi)關(guān)電路。三極管TIP110最大可 驅(qū)動(dòng)額定電壓60V、額定電流2A 的直流電機(jī)，并且在大電流工作 狀態(tài)中三極管需要添加散熱器。 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 單片機(jī)控制直流電機(jī)

16、33 單片機(jī)的I/O口輸出的 電平信號(hào)無(wú)法直接驅(qū) 動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的G極導(dǎo) 通，可以在G極前添 加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，三 極管Q5和Q7驅(qū)動(dòng)場(chǎng) 效應(yīng)管Q2與Q3的共G 極，而三極管Q6和 Q8驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管Q1 與Q4的共G極。只要 把單片機(jī)的I/O口分別 接到三極管Q7和Q8， 就可以用程序控制直 流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 直流電機(jī)的全面控制 34 B0=B1=B2=B3=0時(shí)，4個(gè)場(chǎng) 效應(yīng)管全部截止時(shí)，直流電機(jī)兩 端就好像懸空一樣，可以自由地 轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)為空轉(zhuǎn)狀態(tài)。電機(jī)會(huì) 因?yàn)閼T性自由轉(zhuǎn)動(dòng)，不久由于摩 擦等阻力的存在會(huì)，電機(jī)漸漸停 止下來(lái)。 如果B1=B3=1且B0

17、=B2=0， 場(chǎng)效應(yīng)管Q3和Q4導(dǎo)通。這樣， 電機(jī)兩端好像短路一樣，如果電 機(jī)因?yàn)閼T性還在轉(zhuǎn)動(dòng)，則在兩端 所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)在電機(jī)線(xiàn)圈中產(chǎn) 生電流，該電流在磁場(chǎng)（電機(jī)中 有磁體）作用下產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng) 方向相反的力，從而阻止電機(jī)繼 續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，起到了剎車(chē)的作用。 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 直流電機(jī)的全面控制 35 在實(shí)際應(yīng)用中，可用直流電機(jī) 控制芯片L298，電源端+Vs 的供電與電機(jī)的額定電壓相同， 最大不超過(guò)46V。L298已經(jīng) 集成了場(chǎng)效應(yīng)管和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng) 電路，只要操作其控制端就可 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的控制。在使能 端EN B（11管腳）置1后，電 機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車(chē)、空轉(zhuǎn) 運(yùn)行狀態(tài)通

18、過(guò)控制端IN3（10 管腳）和IN4（12管腳）實(shí)現(xiàn)， 如果用單片機(jī)控制時(shí)，只要只 要把L298的以上控制端與單 片機(jī)的I/O口連接，由程序選 擇運(yùn)行狀態(tài)即可。 5.5.1 直流電機(jī)（DC Motor） 舵機(jī)是位置伺服驅(qū)動(dòng)裝置，適用于需要角度連續(xù)變化且能夠保持穩(wěn)定的 控制系統(tǒng)(如機(jī)器人關(guān)節(jié)、航?？諝舛嫫?。 5.5.2 伺服電機(jī)（舵機(jī)Servo） 地線(xiàn)地線(xiàn)GNDGND 電源線(xiàn)電源線(xiàn)VccVcc 控制信號(hào)線(xiàn)控制信號(hào)線(xiàn) 輸出轉(zhuǎn)軸輸出轉(zhuǎn)軸 l直流電機(jī) l控制電路 l減速齒輪組 l舵盤(pán) l位置反饋電位器 工作原理： 控制電路板接受來(lái)自信號(hào)線(xiàn)的控制信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶 動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤(pán)。舵機(jī)的輸出軸和位置 反饋電位計(jì)是相連的，舵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)， 電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制 電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo) 停止。 指標(biāo)： 重量、尺寸、工作速度、扭矩、工作電壓、工作電流 特點(diǎn)： 體積緊湊，便于安裝；輸出力矩大，穩(wěn)定性好；控制簡(jiǎn)單，便 于和數(shù)字系統(tǒng)接口。 5.5.2 伺服電機(jī)（舵機(jī)Servo） l舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角范圍 0180 l舵機(jī)控制電路的信號(hào)周期為20ms l控制信號(hào)