DE2462530C2

DE2462530C2 - Regler mit mehreren Betriebsarten

Info

Publication number: DE2462530C2
Application number: DE2462530A
Authority: DE
Inventors: Matthew Hemel Hempstead Hertfordshire Duggan
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1973-03-06
Filing date: 1974-03-06
Publication date: 1983-01-13
Also published as: DE2410751B2; JPS5024682A; JPS5638964B2; GB1416401A; DE2410751C3; DE2410751A1; FR2220825B1; US3925640A; DE2462530A1; FR2220825A1

Description

de I At J
rungsgeschwindigkeit des Ausgangs-Signals der

Anlage urd dem Fehlersigna] ( j oder dem

Verhältnis zwischen einer linearen Kombination der Änderungsgeschwindigkeit des Fehlersignals und des Ausgangssignals der Anlage einerseits und dem

Fehlersignal andererseits I

wobei die zweite Betriebsart wenigstens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Dämpfungscharakteristiken aufweist, nach Patent 24 10 751. dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Ausgangssignal (u) des Reglers, d. h. das Eingangssignal der Anlage, vo.i einen. Generator (17, 18, 19 20) erzeugt wird und entweder die ungedämpfte Betriebsart oder einen der Abs nnitte der gedämpften Betriebsart umfaßt, die die linearen Funktionen des Fehlers und der Fehleränderungsgeschwindigkeit darstellen (u = e. u = ae + bk; υ=ε + 1χ). daß aus dem Fehlersignal (ε) zwei Signale abgeleitet werden, wobei das eine Signal (ε + ) proportional zu der positiven Komponente des Fehlersignals (ε) ist und das andere Signal (ε -) proportional zur negativen Komponente des Fehlersignals (ε) ist, und daß aus dem Fehlergeschwindigkeitssignal (έ) zwei Signale abgeleitet werden, von denen das eine (έ + ) proportional der positiven Komponente der Änderungsgeschwindigkeit (r) des Fehlersignals ist. und das andere (f-) proportional der negativen Komponente der Änderungsgeschwindigkeit (έ) des Fehlersignals ist.

2. Regler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlersignale (f + und ε-) und das positive Änderungsgeschwindigkeitssignal (έ + ) in tiner ersten Summierungsstufe (17) summiert werden, und daß die Fehlersignale (ε + und ε -) und Jas negative Änderungr.geschwindigkeitssignal (έ - ) in einer zweiten Summierungsstufe addiert werden, und daß eine dritte Summierungsstufe (20) vorgesehen ist. welche die Ausgänge der ersten und zweiten Summierungsstufe (17 bzw. 18) summiert.

3. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gegenkopplung zwischen dem Ausgang der ersten Sui/imierungsstufe (17) und dem Eingang der zweiten Summierungsstufe (18) und eine weitere Gegenkopplung zwischen dem Ausgang der zweiten Summierungsstufe (18) und dem Eingang der ersten Summierungsstufe (17) vorgesehen sind.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Regler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein solcher Regler ist im Hauptpatent 24 10 751 beschrieben. Bei diesem Regler werden auftretende Fehler so schnell wie möglich verringert, wenn große Abweichungen vom Sollwert vorliegen, wobei die Rückstellung schneller einsetzt als bei bekannten adaptiven System« . welche mehrere Perioden benötigen, bevor eine gute Annäherung erreicht ist. Insbesondere wird bei diesem Regler beispielsweise in Verbindung mit einer Flugzeuglagesteuerung bei plötzlichen Lageabweichungen durch Einstellung der entsprechenden Steuerklappen oder Steuerschubstrahlen die Lageabweichung schnell beseitigt. Die Umschaltung von der einen Betriebsart auf die andere erfolgt dabei durch eine Schaltvorrichtung, die wenigstens einen Arbeitskreis für jede Betriebsart auswählt. Die hierfür benutzten Schalter konnten zu einem Schwingen des Systems oder zu einem Sprungverhalten führen, d. h. es konnte eine mehrfache Umsdu'tnng zwischen den beiden Betriebsarten erfolgen, was sich auf die Ansprechgeschwindigkeit nachteilig auswirken konnte. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Regler gemäß Hauptpatent dadurch /u verbessern, daß er dadurch einen besseren Übergang von einer Betriebsart zur anderen gewährleistet, daß er ohne Schalter arbeitet.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Dadurch wird erreicht, daß eine Schaltung als solche nicht erforderlich ist. weil das System so ausgebildet ist. daß nur positive Komponenten dun h die Logikschaltung gelangen. Die Betiiebsart ändert sich nur. wenn eine dieser Komponenten durch 0 hindurchgeht, und es besteht keine Möglichkeit einer ungewollten Rückschaltung oder eines Schwingungsverhaltens. so daß das System betriebssicherer arbeitet.

Durch die Erfindung wird auch eine höhere Genauigkeit als bei bekannten Systemen erhalten, und

zwar insbesondere beim Ansprechen auf langsam ansteigende Signale, und die Gesamtauslegung des

Reglers ist weniger komplex als bei bekannten Reglern. Natürlich ist das Fehlen der Schalter auch im Hinblick

darauf vorteilhaft, daß diese Schaltvorrichtungen die am wenigstens betriebssicheren elektronischen Bauteile darstellen.

Es ist zwar durch die DE-OS 16 73 554 bereits ein Regler bekannt, dessen Ausgangssignal aus dem Fehlcrsignal und dem Fehlcrgcschwindigkcitssignal

bestimmt wird, wobei üas Fehlersign&! nach positiven und r^gütiven Anteilen aufgespalten wird. Hierbei sind ieuoch keine Vorkehrungen getroffen, daß nur die positiven Komponenten durch die Logikschaltung gelangen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unte^ransprüchen 2 bis 5.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein^ elektrische Analogdarstellung eines Reglers gemäß der Erfindung zum Einstellen einer Doppelhitegralanlage;

Fig.2 eine elektrische Analogschaltung einer abgewandelten Ausführungsforrn der Erfindung;

Fig.3 eine schematische Vorderansicht eines Flugzeuges, bei welchem der erfindungsgemäße Regler Anwendung findet.

Bei den folgenden Ausführungsbeispielen werden Eingangssignale des Reglers in unabhängige positive und negative Komponenten aufgespalten, und jede Komponente wird in ein positives Signal umgewandelt

In der Schaltung gemäß Fig. 1 ersehenen an verschiedenen Punkten des Steuergerätes negative Spannungen, weil durch einen elektrischen Verstärker Vorzeichen umgewandelt werden.

Die Differenz zwischen einem Eingangssignal χ und dem Ausgang y einer Anlage PL wird über einen das Vorzeichen ändernden Verstärker und einem Summierungsverstärker 2 erlangt, wodurch ein Fehlersignal ε geliefert wird. Das Fehlersignal ε wird über ein Differenzierglied 3. bestehend aus Widerstand 26, Kondensator 27. Widerstand 28 und Verstärker 29 mit hohem Verstärkung/grad geleitet, und dann einem Filter 4 zugeführt, der aus Widerständen 30, 31, 3Z Kondensatoren 33 und 35, einem Verstärker 34 mit hohem Verstärkungsgrad und einem Verstärker 36 besteht, um ein negatives Fehlergeschwindigkeitssignal -έ zu erhalten.

Das Filter 4 verhindert eine Rauscherzeugung und begrenzt den 'Vert von έ für sehr schnelle Änderungen des Fehlersignals ε.

Das Fehlersignal e und das Fehlergeschwindigkeitssignal -έ werden einem Steuergerät PC zugeführt. Das Fehlersignal £ wird über einen das Vorzeichen ändernden Verstärker 5 einer Verstärker'Diodenkombination 6 zugeführt, die den positiven Teil des Fehlersignals ι + als Ausgang liefert. Das Fehlersignal f wird außerdem direkt einer Verstärker/Diodenkombinaiion 7 zugeführt, die den negativen Teil des Fehlersignals als positiven Ausgang liefert (f - ).

Das negative Fehlergeschwindigkeitssignal -f von dem Filter 4 -vird einer Vers'.ärker/Diodenkombination 9 zugeführt, um den positiven Wert des Fehlergeschwindigkcitssignals f + /u liefern, und über einen das Vor/eichen ändernuen Verstärker 8 wird das Signal einer Verstärker/Diodenkombination 10 zugeführt, um den negativen Teil les Fehlergeschwindigkeitssignals als positiven Ausgang f - /u liefern.

Die Verstärker'Diodcnkombinationen f>, 7. 9 und 10 liefern m wesentlichen perfekte Diodencharaktensti ken aulJer für die Vorzeichcnärideruhg, die dem Verstärker zugeordnet ist.

Die Signale e + und t — werden über eine Sufe 11, die den Verstärkungsgrad ändert, und eine Stufe 15. die das Vorzeichen ändert, sowie eine Stufe 14. die den Verstärkungsgrad ändert, der ersten Summierungs-Vcrstärker/Diodenkombina;i'*T 17 zugeführt, und das Signal ε - wird direkt der ersten Summierungs •Verstärker/Diodenkombination 17 zugeführt Die drei Signale wirken zusammen und erzeugen den negativen Wert des Ausgangssignals des Reglers in Form eines negativen Ausgangs U-.

In gleicher Weise werden die Signale ε — und έ + über die Verstärkungsänderungsstufe 12 und den Vorzeichenwandler 16 sowie dem Verstärkungswandler 13 einer zweiten Summierungs-Verstärker/Diodenkombination 18 zugeführt während das Signal ε + direkt nach der zweiten Summierungs-Verstärker/Diodenkombination 18 gelangt

Die drei Signale wirken zusammen und erzeugen den positiven Teil des Ausgangssignals in Gestalt eines negativen Ausgangs u+.

Die Summierungsverstärker/Diodenkombination 17 und 18 führen Summierungs- und Verstärkungsfunktionen durch, und zwar zusätzlich zu einer im wesentlichen perfekten Diodencharakteristik und Vorzeichenänderung.

Der Ausgang der ersten Summierungs-Verstärker/ Diodenkombination 17 wird über ei«jn Vorzeichenwandler 19 einem Summierungsverstärkei 20 zusammen mit dem Ausgang von einer zweiten Summierungsverstärker/Diodenkombination 18 zugeführt Der Ausgang des Summierungsverstärkers 20 bildet ein Ausganguignal u welches gleich der Differenz zwischen positivem und negativem Teil u+ und υ- ist Das Signal u des Summierungsverstärkers 20 wird der Anlage PL zugeführt, weiche als Doppelintegralanlage ausgebildet ist und zwei Verstärkungswandler 21 und 23 und zwei Integratoren 22 und 24 aufweist Der Ausgang des Integrators 24 stellt das Ausgangssignal γ der Anlage dar, welches dem Summierungs-Verstärker 2 zugeführt wird, um mit dem Eingangssignal * des Systems verglichen zu werden, und das Fehlersignal zu liefern, wodurch sich ein System mit geschlossener Schleife ergibt

Das Steuersignal u, das durch das Steuergerät erzeugt wird, besteht aus einer von drei verschiedenen linearen Funktionen von ε (Fehlersignal) und έ (Fehlergeschwindigke'tssignal) gemäß der Bedingung der Anlage.
Die Gleichung für i/ist:

wobei

aus

folgt eindeutig daß u+ = 0 und wenn

wenn

If-) + Ib₂C-) <(a₂t+),
dann folgt wiederum daß u- - 0

Je nach den Werten des Fehlersignals f und des Fehlergeschwindigkeitssignals έ ergeben sich lineare Funktionen der beiden Signale, nämlich

α ε + b έ = 0.

Für ein vollständig symmetrisches Steuergerät (dies ist der übliche Fall) werden die Konstanten in den Gleichungen (1) und (2) gleich:

a_t = a₂ = a

Daher sind drei Paare von Betriebsarten !-3 definiert, in denen die Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt werden können. So ist es beispielsweise klar, daß in der Betriebsart I

ε < 0, und c>0, wird.

Außerdem liefern die Werte von rund c, wenn sie in die Funktion α ε + Ac eingesetzt werden, einen Wert dieser Funktion, der negativ ist, z. B. α ε + b έ < 0.

Aus uci Gleichung (i) cigiiii sich Ac< ac-

und daher m+ = 0.
Aus der Gleichung (2) ergibt sich

μ- = (c-)+ 0 -0 = cdeshalb u = -(<·-) = c.

vermeidet das gleich/eilige Auftreten von den beiden Ausgängen u+ und u-. Hierdurch ergibt sich eine Verbesserung des Steuersystems und eine Vereinfachung der Einstellung, die zur Anpassung des Systems an verschiedene Anlagen erforderlich ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Gleichung für u wie folgt:

Dabei ist.

aber wenn

+ (A|f + )1 - [(fl|f-) + (ti I)

dann wild

M+ = 0.

Ebenso wird

und wenn

Der Ausdruck in jeder der anderen Betriebsarten 30 kann in gleicher Weise berechnet werden. Es werden dann wird drei alternative Steuersignale geliefert, die wie folgt erhalten werden: u- = 0.

Betriebsart I)

U=E ergibt ein ungedämpftes Schwingungssystem

ergibt ein kritisch gedämpftes

Betriebsart 2)
£/=(1 +
System

Betriebsart 3)

u=E+ be liefert ein übergedämpftes System.

Bei einer praktischen Anwendung sind die Verstärkerkonstanten al, öl, a 2 und bl in dem Steuergerät so eingestellt, daß die erwünschte Ansprechcharakteristik des gesamten Systems erhalten wird.

Die Konstanten a 1, b 1. a2, bl tragen beispielsweise eine Beziehung z. B. das Zehnfache zur Einstellung der Verstärkungswandler 12, 13, 11 und 14 und diese Verstärkung wird in einer Verstärker/Diodenkombination 17,18 erlangt

Die absoluten Größen von a und b bestimmen die Anteile der Dämpfung in den gedämpften Betriebsarten (je größer sie sind, desto größer ist die Dämpfung), die ihierseits den Anteil der über-Dämpfung steuern, daß das System in einem Stufenansprechen aufweist

F i g. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, und die Schaltung ist die gleiche wie jene nach F i g. 1, mit dem Unterschied, daß der Ausgang der ersten Summierungs- Verstärker/Diodenkombination 17 dem Eingang der zweiten Summierungs-Verstärker/ Diodenkombination 18 zugeführt wird, und der Ausgang der zweiten Summierungs-Verstärker/Diodenkombination 18 dem Eingang der ersten Verstärker/Diodenkombination 17 zugeführt wird. Diese Rückkoppelung ist als gegenseitige Rückkopplungssperrung bekannt und

Wie bei dem vorigen Ausführungsbeispiel können die Konstanten al, öl, al und bl der Zehnfachen Einstellung der Verstärkungswandler 12, 13, 11 und 14 gemäß Fig. 2 bestehen, wobei die ersten und zweiten Summierungs- Verstärker/Diodenkombinationen 17 und 18 die Signale mit einem Faktor 10 verstärken, die durch diese Verstärkungswandler hindurchlaufen.

Die drei Funktionen, die das Steuersignal u angibt, erzeugen die drei unterschiedlichen Betriebsarten, wenn die Steuereinrichtung und die Anlage eine geschlossene Regelschleife bilden.

Betriebsart 1)

U=S. ergibt ein ungedämpftes Schwingungssystem

Betriebsart 2)

u= as +be ergibt ein kritisch gedämpftes Sy:. :m

Betriebsart 3)

u=B +be ergibt ein überdämpftes System.

Bei der praktischen Anwendung werden die Verstärkungskonstanten a 1, b I, a 2 und b 2 in dem Steuergerät so eingestellt, daß die erwünschte Ansprech-Charakteristik des Gesamtsystems erhalten wird.

Das Verhältnis (\+a)/b entscheidet die Neigung der Betriebsartenänderungslinie in der Phasenebene, und im allgemeinen kann gesagt werden, je steiler diese Linie ist, desto schneller spricht das System an.

Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel bestimmt die absolute Größe von a und ödie Größe der Dämpfung in den gedämpften Moden (je größer die Beträge sind desto größer wird die Dämpfung) und diese Dämpfung steuert ihrerseits das Maß der Oberdämpfung des Systems, die das System bei einem Stufenansprechen

F i g. 3 zeigt ein Steuergerät, welches in Verbindung mit einem Luftstrahlsystem benutzt wird, um die Lagesteuerung eines Vertikal-Start-Flugzeugs zu übernehmen.

Die Luftstrahlen 41 werden mit Luft von einem Kompressor 42 über Kanäle 43 gespeist. Die Gesamtluft < ifömung ist konstant, aber das Verhältnis der Strömung zwischen den beiden Strahldüsen 41 kann durch Klappenventile 44 geändert werden, die durch einen Antrieb 45 über ein Gestänge 46 bewegt werden, tin Fühler 47 stellt Abweichungen der Lage des Flugzeugs gegenüber einer horizontalen Bezugslage dar. und erzeugt ein Fehlersignal proportional der Abweichung Θ.

Dieses Fehlersignal wird einer Steuereinrichtung 48 zugeführt, die es differenziert und das sich hieraus ergebende Fehlergeschwindigkeitssignal mit dem Fehiersignä! ucfiüi/i, Uni ein SiciicrSigildi ο nniicis einet Schaltung gemäß F i g. I zu erzeugen, die in der Einrichtung 48 enthalten ist.

Dieses Steuersignal wird dem Antrieb 45 zugeführt, der das Gestänge 46 proportional zur Größe des Steuersignals stellt. Diese Bewegung ändert die Stellungen der Klappenventile 44. was eine Änderung der relativen Luftströmung zwischen den beiden Strahlen zur Folge hat, so daß ein Drehmoment erzeugt wird, welches auf das Flugzeug in der Weise einwirkt, daß die Abweichung θ vermindert wird.

Vorstehend wurde ein Steuersystem beschrieben, we.thes elektronische Schaltungselemente umfaßte. Es ist jedoch klar, daß das Steuersystem auch mechanische Elemente oder Fluidics benutzen kann, um eine entsprechende Summierung von Signalen vorzunehmen.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können als »stückweise lineare« Steuersysteme bezeichnet werden. Ein solches Steuersystem benutzt eine Zahl von zusammenwirkenden positiven Signalen, um die stückweise lineare Steuerung zu erhalten. Diese positiven Signale werden von dem Fehlersignal bzw. dem Fehlergeschwindigkeitssignal des Systems abgeleitet, in dem Dioden oder Äquivalente hiervon benutzt werden. Das Zusammenwirken der positiven Signale bewirkt entweder ein teilweises Auslöschen oder eine Verstärkung des Signals, das als Sleuereingangssignal für die Anlage benutzt wird. Diese Abschwächung oder Verstärkung findet gemäß dem Zustand des kompletten Systems statt und ist derart, daß das Ansprechen des Systems gegenüber Störungen des Eingangs stabilisiert wird.

Die stückweise lineare Steuereinrichtung benutzt zwei verschiedene Betriebsarten. Jede dieser beiden Betriebsarten entspricht einer linearen Steuerung. Eine Betriebsart hat ein schnelles Ansprechen, welches möglicherweise unstabil ist, und eine weitere muß schnellen Änderungen widerstehen, um ein gewisses Maß von Dämpfung bezüglich Ausschlägen des Systems zu liefern. Die Betriebsarten werden gemäß dem Status des Systems benutzt, um ein schnelles Gesamtansprechen und eine erhöhte Stabilität zu erzeugen. Das Steuergerät für eine Doppelintegralanlage benutzt drei Betriebsarten, nämlich eine ungedämpfte schnelle und zwei gedämpfte, und die Änderung von einer Betriebsso art nach der anderen geschieht, wenn gewisse, positive Signale den Null-Punkt erreichen. Die Dioden verhindern das Auftreten negativer Signale und somit eine Änderung der Betriebsart. Das System weist keine Schalter auf.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regler, bei dem eine schnelle ungedämpfte Erniedrigung des Fehlers in einer ersten Betriebsart s 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 und 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 Fehlersignals

\ -

ι oder dem Verhältnis zwischen der Ande-

4. Regler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das der positiven Komponente des Fehlersignals (ε) proportionale Signale (ε + ) in ein Signal mit negativem Wert umgewandelt wird, bevor es der zweiten Summierungsstufe (18) zugeführt wird, und daß das der negativen Komponente des Fehlersignals (ε) proportionale Signa! (ε-) in ein negatives Signal umgewandelt wird, bevor es der ersten Summierungssiufe (17) zugeführt wird.

5. Regler nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der ersten Summierungsswfe (17) im Vorzeichen geändert wird, bevor er der dritten Summierungsstufe (20) zugeführt wird.