DE2255760B2 - Regler, insbesondere zur fluglagesteuerung eines mit gasturbinentriebwerken ausgeruesteten flugzeugs - Google Patents

Description

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oder dem Verhältnis zwischen einer linearen Kombination der Änderungsgeschwindigkeiten des Fehlersignals und des Ausgangssignals einerseits und dem Fehlersignal andererseits

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oder dem Verhältnis zwischen der Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignms und dem Fehler- signal

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2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von einer Betriebsart auf die andere durch eine Schaltvorrichtung (4, 18) bewirkt wird.

3. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (4, 18) wenigstens einen Arbeitskreis für jede Betriebsart auswählt.

4. Regler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Arbeitskreis unstabil oder in Randbereichen unstabil ist.

5. Regler nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Arbeitskreise vorhanden sind.

6. Regler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (4, 18) nur einen Arbeitskreis jeweils in Betrieb nimmt.

7. Regler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (4, 18) gleichzeitig eine oder beide Arbeitskreise einschalte»-

8. Regler nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Arbeitskreis bei Einschaltung ein Eingangssignal erhält und ein schnelles Ansprechen gemäß dem Eingangssignal zeigt, und daß der zweite Arbeitskreis bei Einschaltung und Aufnahme des Eingangssignals als rapide Umkehr des Ansprechens des ersten Arbeitskreises bewirkt, so daß wenigstens ein Teil der während des schnellen Ansprechens erzeugten Energie vernichtet wird.

9. Regler nach den Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der Arbeitskreise gegenüber dem Eingangssignal ein nichtlineares Ansprechen zeigen.

10. Regler nach den Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der Arbeitskreise ein lineares Ansprechen bewirken.

Die Erfindung betrifft einen Regler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Bauart

Es gibt Regler, bei denen in Abhängigkeit von der Regelabweichung auf einen zweiten Kanal umgeschaltet wird. Derartige Regler sind beispielsweise aus der DT-OS 17 73 003. der DT-AS 12 27 548 und der US-PS 36 01 588 bekannt Bei dem Regler nach der DT-AS 12 27 548 vergrößert sich die Ansprechgeschwindigkeit bei großen Fehlern abrupt, und es wird abrupt auf den zweiten Kanal bzw. die zweite Betriebsart umgeschaltet, um eine schnelle Korrekturwirkung für große Fehler zu erreichen, und es wird dann auf eine Normalsteuerung zurückgeschaltet, wenn der Fehler kleiner ist.

Die US-PS 36 01 588 betrifft einen Regler, bei dem der. günstigste Augenblick zum Umschalten auf den zweiten Kanal vorgeschrieben wird Dabei werden zwei Parameter in der Steuerung eingestellt, und die Konstanten werden abwechselnd gemäß dem Umstand eingestellt, ob ein gewisser Betrag klein oder groß ist. Die beiden Steuerkanäle arbeiten auf beiden Einstellungen langsam, und sie werden durch Schalter gewählt und liefern Signale, die im Sinne einer Verringerung des Fehlers wirken.

Es gibt außerdem Regler, bei denen in Abhängigkeit von der Dämpfung des Regelvorganges die Verstärkung kontinuierlich geändert wird. Ein solcher Regler ist durch die US-PS 34 12 299 bekannt.

Es sind ferner Regler bekannt, bei denen die Verstärkung in Abhängigkeit von einer linearen Kombination aus Fehler und Fehleränderungsgeschwindigkeit kontinuierlich geändert wird. Ein solcher Regler ist aus der US-PS 3542 048 bekannt Bei diesem Regler wird ein kontinuierliches Steuersignal erzeugt, aber die Steuerung des Systems erfolgt in der Weise, daß die Annäherungskurve sich für verschiedene Größen des Eingangsfehlers beträchtlich ändert. Der Regler ist insbesondere geeignet, um eine Fehlerverringerung bei großen auftretenden Eingangsfehlern zu erreichen, wobei kleinere Fehler weniger berücksichtigt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auftretende Fehler so schnell wie möglich zu verringern, wenn große Abweichungen von dem Sollwert erfolgt sind, wobei die Rückstellung schneller einsetzt als bei bekannten adabtiven Systemen, welches mehrere Perioden benötigt, bevor eine gute Annäherung erreicht ist. Insbesondere soll der erfindungsgemäße Regler bei plötzlichen Lageabweichungen eines Flugzeugs die Aufgabe befriedigend lösen, durch Einstellung der entsprechenden Steuerklappen oder Steuerschubstrahlen die Lageabweichung möglichst schnell zu beseitigen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die Erfindung schafft demgemäß einen Regler, welcher proportional auf alle zu erwartenden Größen des Eingangs anspricht, und es wird eine nützliche Proportionalität wieder hergestellt, die durch alle linear arbeitenden Systeme erhalten wird, und die durch die meisten nichtlinearen Systeme verlorengegangen war. Der erfindungsgemäße Regler hat den Vorteil, daß ein

zufriedenstellendes Ansprechen bei großen Fehlern gewährleistet ist. aber auch bei kleinen Fehlern ein zufriedenstellendes Arbeiten gewährleistet ist Bei dem bekannten Stand der Technik erfolgt zwar ein Umschalten auf einen zweiten Ka^aI beim Vorhandensein eines genügend großen Fehlers, der möglicherweise auch durch eine andere Variable beeinflußt werden kann, aber nicht wie im Falle der Erfindung durch das Verhältnis zweier Parameter. Während im bekannten Fall der £roße Fehler zwar schnell reduziert wird, besteht der Nachteil darin, daß bei kleinen Fehlern nur eine unbefriedigende Steuerung erfolgt. Da bei dem erfindungsgemißen Regler die Größe einer Störung nicht mehr ein Faktor ist, ist das Ansprechen insgesamt leichter zu berechnen, und zwar innerhalb des gesamten möglichen Bereiches an Eingangssignalen, und das Ansprechen des Systems ist wie bei einem linearen System genügend, und es besteht kein;¹ Gefahr eines unzulänglichen Ansprechens bei einer Kombination von Bedingungen,die nicht in Betracht gezogen sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen

Fig. I bis 3 Blockschallbilder, die das Prinzip des erfindungsgemäßen Reglers veranschaulichen. Die verschiedenen Figuren stellen unterschiedliche Zeichnungsdarstellungen des gleichen Reglers dar und sind mathematisch äquivalent Die F i g. 2 und 3 zeigen nur die Triebwerkssteuening, während die Schaltung in allen drei Figuren gleich ist,

Fig.4 eine Schaltung des Reglers gemäß der Erfindung in der Anwendung auf eine Anlage der Bauart mit Doppelintegrator,

Fig.5 eine schematische Vorderansicht eines Flugzeugs, das mit einem Regler gemäß der Erfindung ausgerüstet ist

Fig.6 eine abgewandelte Ausführungsform der Schaltung nach F i g. 4.

In den Fig. 1, 2 und 3 ist ein Regelsystem mit geschlossener Schleife veranschaulicht. In F i g. 1 stellt der Block 16 die Übertragungsfunktion des Ausgangsantriebes plus zu steuerndem Triebwerk dar. Wenn fn( + ) = +1, dann werden die Fig. 1 und 2 identisch. F i g. 3 repräsentiert das Verfahren, das zur Berechnung der Ausführung des Systems benutzt wird.

Die Figur zeigt ein Regelsystem mit geschlossener Schleife bekannter Bauart, bei welchem der Ausgang des Systems mit dem Eingang verglichen wird und bei dem der Fehler verstärkt und dazu benutzt wird, den Ausgang im Sinne einer Verminderung des Fehlers zu modifizieren.

Der Eingang des Steuersystems wird einem Fehlerdetektor 10 über die Leitung 12 zugeführt, und der Fehlerdetektor wird auch durch ein Ausgangssignal über die Leitung 14 von der zu steuernden Anlage 16 gespeist

Der Fehlerdetektor ist mit einem Schalter 18 verbunden, und parallel hierzu liegt ein Funktionsgenerator 20. Der Schalter hat zwei Stellungen und hat die Aufgabe, den Fehler nach einem von zwei Steuerstufen 22 odor 24 zu übermitteln, je nach seiner Stellung. Die beiden Steuerstufen sind an die Anlage 16 angeschlossen, die einen Endausgang erzeugen, der dem Eingang folgen soll und nach dem Fehlerdetektor 10 über die Leitung J4 rückgekoppelt ist, um den Fehler zu bestimmen.

Der Funktionsgenerator 20 berechnet aus den Fehlersignal zwei oder mehrere Funktionen fn (I), fn(2 usw, die lineare Kombinationen des Fehlersignöls unc seiner Ableitungen darstellen, und diese Funktionei werden über Leitungen 23, 25 einer logischer Schaltstufe 26 zugeführt, die die Lage des Schalters Ii bestimmt

Die logische Schaltstufe 26 besteht aus einer Gruppe von Schaltungselementen, die das Vorzeichen dei

ίο Funktionen /h(l), fn(2) usw. feststellen und da: Vorzeichen des Ausgangs der logischen Stufe gemäl der Kombination der Vorzeichen der Eingänge dei logischen Schaltstufe (26) festlegen und die Stellunger des Schalters 18 gemäß diesem Ausgang steuern.

ii Die Gleichungen fn(1) — 0,/h(2) = Ousw.definierer Bedingungen, bei denen eine Schaltung stattfinde'.

F i g. 4 zeigt ein Steuersystem gemäß der Erfindung ir seiner Anwendung auf eine Anlage der Doppelintegra torbauform.

Das System besteht aus acht Grundkomponenten wi< folgt:

1. Ein Fehlerdetektor, der den Eingang mit den Ausgang vergleicht, der bei allen existierender Regelschleifen definitionsgemäß zurüekgeführ

ι s wird.

2. Ein Funktionsgenerator, der zwei oder mehren Funktionen des Fehlers und des Ausgangs und ihrei Ableitungen berechnet und die Ergebnisse in Forn digitaler Impulse liefert, und zwar an eine

ίο 3. logische Schaltsteuerstufe oder an eine Anordnung von Kornparatoren und Torschallungen, die dk Funktionen vergleichen und einen Schalter A gemäß dem Ergebnis dieses Vergleiches steuern.

4. Der Schalter, der im geschlossenen Zustand eir Signal durchtreten läßt, das den erforderlicher Dämpfungsausdruck repräsentiert, wird erzeugi durch:

5. einen Integrator, der die Änderungsrate de; Ausgangs der Anlage 8 berechnet Statt desser

₄c könnte die Änderungsrate an einer geeigneter Stelle in der Anlage 8 gemessen werden.

6. Ein Summierungsverstärker, der den Dämpfungs ausdruck mit dem Fehler in den erforderlicher Proportionen kombiniert, wenn der Schaltet eingeschaltet ist und nur ein Signal hindurchtreter läßt, das den Fehler repräsentiert, wenn dei Schalter abgeschaltet ist.

7. Ein Konverter, der das Steuersignal in eine geeignete Form umwandelt um die Anlage 8 zt steuern, z. B. die Brennstoffströmung, die Ge schwindigkeit der Kolbentriebe oder ihre Lage, die Motorspannung oder die Strömung eines chemi sehen Mittels steuert.

8. Die Anlage, deren Ansprechen auf das Steuersigna im wesentlichen durch die Übertragungsfunktions

gleichung ausgedrückt werden kann, die einerr Doppelintegral oder einer ähnlichen Funktior entspricht, die schwierig stabil zu halten ist
Der Fehlerdetektor besteht aus einem Summierungs verstärker und wird mit einem Eingang über die Leitung und einem Ausgangssignal von der Leitung 31 gespeist. Das Ausgangssignal wird von der Anlage Ϊ abgenommen und wird über einen Verstärker 32 und eine Verstärkungsänderungsstufe 33 geleitet, bevor es fts dem Summierungsverstärker 1 zugeführt wird. Der Ausgang des Fehlerdetektor 1 wird dem Summierungsverstärker 6 und über die Leitung 34 dem Funktionsgenerator 2 zugeführt

Der Funktionsgenerator besteht aus einem Summierungsintegrator 35 und zwei Summierungsverstärkern 36 und 37. Der Ausgang des Fehlerdetektors wird über die Leitung 34 und eine Verstärkungsänderungsstufe 38 dem Summierungsintegrator 35 zugeführt und über eine Verstärkungsänderungsstufe 39 einem Summierungsverstärker 36. Der Ausgang des Summierungsintegrators 35 wird durch eine Verstärkungsänderungsstufe 40 einem Summierungsverstärker 36 zugeführt Diese Anordnung ist an sich bekannt, und sie arbeitet in der Weise, daß der Ausgang des Verstärkers 36 eine angenäherte Differentiation des Eingangs der Leitung 34 liefert, d. h. des Fehlers, der vom Summierungsverstärker 1 festgestellt wird.

Der Ausgang des Summierungsverstärkers 36 wird einem Summierungsverstärker 37 zusammen mit zwei weiteren Signalen zugeführt, von denen das eine vom Ausgang des Summierungsverstärkers 6 über eine Verstärkungsänderungsstufe 42 zugeführt wird, der den Eingang der Anlage repräsentiert und daher die zweite Ableitung des Ausgangs 28 der Anlage darstellt. Das andere Signal wird vom Ausgang eines Verstärkers 43 über eine Verstärkungsänderungsstufe 41 zugeführt, die durch den Integrator 5 über eine Leitung 53 und eine Verstärkungsänderungsstufe 52 gespeist wird und die erste Ableitung des Ausgangs der Anlage darstellt.

Der Ausgang des Summierungsverstärkers 37 stellt daher eine lineare Kombination dieser drei Eingänge dar, die die Schaltfunktion /2 bilden.

Der Ausgang des Summierungsverstärkers 37 und ein weiteres Signal vom Verstärker 43 wird der logischen Schaltstufe 3 zugeführt. Dieses letztere Signal stellt die erste Ableitung des Ausgangs der Anlage dar und bildet die Schaltfunktion f\. Die logische Schaltsteuerung 3 besteht aus zwei Komparatoren 44 und 45 und zwei UND-Stufen 46und47 und einer ODER-Stufe 48.

Der Ausgang des Summierungsverstärkers 37 wird dem Komparator 45 zugeführt, der feststellt, ob der Ausgang positiv oder negativ ist Wenn der Ausgang positiv ist, wird der UND-Stufe 46 ein Signal mit festem Weit zugeführt, und wenn der Wert negativ ist, wird ein gleiches Signal dem UND-Gatter 47 zugeführt. In gleicher Weise wird ein Signal dem UND-Gatter 46 zugeführt, wenn der Ausgang /1 des Verstärkers 43 positiv ist, und wenn dieser Ausgang negativ ist, dann wird dieses Signal der UND-Stufe 47 zugeführt Wenn zwei Signale der UND-Stufe 36 zugeführt werden, ergibt sich ein Ausgang nach der ODER-Stufe 48, und wenn der UND-Stufe 47 zwei Signale zugeführt werden, dann ergibt sich ebenfalls ein Ausgang für die ODER-Stufe 48. Wenn jedoch nur ein Signal jeder UND-Stufe geliefert wird, dann erhält man keinen Ausgang.

Wenn der ODER-Stufe 48 kein Ausgang geliefert wird, dann erzeugt sie einen Ausgang, um den Digital-Analog-Schalter 4 zu unterbrechen. Wenn kein Ausgang vorhanden ist dann ist der Schalter angeschaltet. Normalerweise liefert eine ODER-Stufe auch einen Ausgang, wenn zwei Eingänge empfangen werden, jedoch sollte dies bei der beschriebenen Anlage nicht auftreten. Falls irgendeine Gefahr besteht daß zwei Eingänge auftreten, wäre es möglich, eine Warnanlage (nicht dargestellt) vorzusehen, die anzeigt daß die logische Schaltsteuerung 3 fehlerhaft arbeitet.

Der Ausgang des Summierungsverstärkers 6 wird dem Summierungsverstärker 37 zugeführt, wie dies vorstehend erwähnt wurde, und außerdem einer ViTMärkungsändcningsstufc 51. Der Ausgang dieser Stufe 51 wird dem Antrieb und dem Summierungsintegrator 5 zugeführt Der Ausgang des Summierungsintegrators 5 wird über eine Verstärkungsänderungsstufe 52 einem Verstärker 43 zugeführt, dessen Ausgang einem Digital-Analog-Schalter 4 zugeführt wird. Der Ausgang des Verstärkers 43 wird außerdem dem Summierungsverstärker 37 zugeführt, der einen Teil des Funktionsgenerators 2 bildet, wie weiter oben erwähnt. Der Ausgang des Schalters 4 wird einem Summierungsver stärker 6 zugeführt. Auf diese Weise hat die Schaltung zwei Arbeitskreise: Der erste Kreis ist dann wirksam, wenn der Schalter 4 abgeschaltet ist und das Signal vom Summierungsverstärker 1 nach der Verstärkungsänderungsstufe 50, dem Summierungsverstärker 6, der Verstärkungsänderungsstufe 51 nach dem Antrieb 7 gelangt. Dies ist die Arbeitsweise für schnelles Ansprechen oder schnelle Beschleunigung. Der zweite Arbeitskreis ist dann wirksam, wenn der Schalter 4 angeschaltet ist Hierdurch wird die den Summierungs integrator 5, die Verstärkungsänderungsstufe 52 und den Verstärker 43 umfassende Schaltung mit dem Summierungsverstärker 6 verbunden, wodurch eine Dämpfung eingeführt wird, die durch den Summierungsintegrator 5 erzeugt wird. Diese Arbeitsweise bringt eine Verzögerungskraft in das der Anlage zugeführte Signal.

Das Steuersystem wird auf diese Weise zwischen zwei Arbeitskreisen umgeschaltet in Abhängigkeit von dem Fehler zwischen Eingang und Ausgang und den Ableitungen des Fehlers zwischen Eingang und Ausgang und den Ableitungen des Eingangs und dem Ausgang.

Einige der Komponenten können mechanisch oder hydraulisch dargestellt werden, jedoch erscheint es zweckmäßig, den Funktionsgenerator 2 und die logische Schaltsteuerung 3 elektronisch auszubilden.

Vorstehend wurde ein Steuersystem mit nur zwei Arbeitskreisen beschrieben. Es kann jedoch vorteilhaft im Hinblick auf die Erlangung einer genaueren Steuerung für andere Typen von Eingängen sein, in den Systemen drei oder vier Schaltfunktionen mit einer entsprechend vergrößerten Zahl von Komparatoren und Stufen in der logischen Schaltsteuerung 3 zu benutzen. Eine Schaltung mit vier Schaltfunktionen ist in Fig.6 dargestellt Ansonsten ist die Arbeitsweise die gleiche wie bei der Schaltung nach F i g. 4.

F i g. 5 zeigt eine schematische Vorderansicht eines Senkrechtstarters, der um die Längsachse durch Luftdüsen über Rohre gespeist wird, die die vom Triebwerk des Kompressors abgezapfte Luft nach Stelldüsen an den äußersten Enden des Flugzeugs leiten. Dies ist eine Doppelintegratoranlage, die durch ein Steuersystem gemäß der Erfindung gesteuert wird. Soweit möglich, wurden die gleichen Bezugszeichen wie

bei F i g. 4 benutzt

Das Flugzeug oder die »Anlage« 8 ist mit hinsichtlich ihres Querschnitts veränderbaren Düsen 57, 57/4 ausgestattet, die durch Antriebe 7, TA in Gegenrichtung betätigt werden, derart, daß der gesamte abgezapfte

(« Luftstrom durch die Düsen im wesentlichen konstant bleibt. Die Arbeitsrate der Antriebe 7, TA kann als so schnell angenommen werden, daß nur eine vernachlässigbare Verzögerung bei der Erzeugung der gewünschten Winkelbeschleunigung zustande kommt

<<s Es soll angenommen werden, daß sich das Flugzeug 8 nach einer Störung, z. B. einer Windböe, in einem Winkel θ gegenüber der Horizontalen angestellt befindet und es erwünscht ist, diesen Winkel auf Null /u

verringern. Der Winkel θ wird durch eine kreiselstabilisierte Plattform 60 bestimmt, deren Lage fest im Raum ist, und der Winkel θ bildet dann den Ausgang 28, der über die Leitung 29 einem Selbststeuergerät 6t zugeführt wird, welches die Komponenten 1,2,3,4 und 6 der Steuereinrichtung nach F i g. 4 enthält.

Falls erforderlich, kann ein Abnehmer 62 vorgesehen werden, der die Winkelgeschwindigkeit θ des Flugzeugs relativ zur Plattform 60 mißt und ein Signal über die Leitung 53 liefert. Statt dessen kann die Winkelgeschwindigkeit dadurch berechnet werden, daß ein Integrator5 in dem Selbststeuergeräte! eingebaut wird.

Das Selbststeuergerät 61 berechnet das erforderliche Korrektursignal gemäß den oben beschriebenen Verfahren und sendet dieses nach den Antrieben 7, TA über die Leitung 63, 63Λ, so daß die Antriebe zugleich im Gegensinn betätigt werden und die Querschnittsflächen der Düsen 57, 57Λ um gleiche, aber entgegengesetzte Beträge geändert werden, um die erforderliche Winkelbeschleunigung θ des Flugzeugs zu erhalten. Die Winkelstellung des Flugzeugs ist das zweite Integral der Winkelbeschleunigung, und unter der Voraussetzung, daß die aerodynamischen Kräfte im Schwebezustand vernachlässigbar sind, erzeugt eine gegebene Flächenänderung der Düse 57, 57 A eine gegebene Winkelbeschleunigung Θ. Um dies zu erreichen, werden die Düsen mit Anzapfluft vom Triebwerk über Anzapfleitungen 64, 64,4 und Kanäle 65, 65Λ mit im wesentlichen konstantem Druck gespeist.

Das Flugzeug kann durch einen ähnlichen Mechanismus in die Querachse und die Hochachse gesteuert werden.

Für ein Senkrechtstartflugzeug, das durch Änderung des Schubes der Hubtriebwerke .gesteuert wird, die in Außenbordgondeln angeordnet sind, wird das Ansprechen des Systems noch komplizierter als bei einem Doppelintegral, weil das Triebwerksansprechen langsamer vonstatten geht als bei variablen Düsen, jedoch kann die gleiche Steuerung benutzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

709 53J

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Regler, bei dem eine schnelle Erniedrigung des Fehlers in einer ersten Betriebsart bewirkt und der Fehler nach einer Umschaltung auf eine zweite Betriebsart in einem gedämpften Ansprechen auf Null vermindert wird, wobei die Umschaltung in Abhängigkeit vom Fehlersignal erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von der ersten Betriebsart auf die zweite Betriebsart bewirkt wird, in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Verhältnis zwischen dem Fehlersignal und der Änderungsgeschwindigkeit des Fehlsrsignals