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Die
Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen beweglichen Körper und
insbesondere eine Steuereinrichtung, welche zur Steuerung eines
beweglichen Körpers
um seine Gierachsen, wie z. B. eines Modelllhelikopters, eines Modelllflugzeuges
oder dergleichen, geeignet ist.
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Um
einen Modellhelikopter zu handhaben, ist das Gyroskopsystem oder
das Heckstabilisierungssystem eine Hilfseinrichtung, die zur Stabilisierung
des Helikopters um die Gierachse dient. Ohne Gyroskopsystem giert
der Helikopter in einer Horizontalen, da keine automatische Stabilisierungsfunktion
seiner Bewegung um die Gierachse vorhanden ist.
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Bei
der Steuerung eines Modellhelikopters um seine Gierachse wird die
Bewegung des Helikopters um die Gierachse unter Steuerbefehlen von
einem Transmitter an der Steuereinheit so gedreht, daß die Nase
des Helikopters in seine Zielrichtung gedreht wird. Das Gyroskopsystem
stoppt die Drehbewegung des Helikopters um die Gierachse, wenn keine
Steuerbefehle von der Steuerungsseite kommen, und dreht den Helikopter
jedoch schnell um seine Gierachse in Antwort auf Steuerbefehle von
der Steuerungsseite. Bei einem Gyroskopsystem für die Heckstabilisation bei
einem Helikopter wird die Drehgeschwindigkeit des Helikopters um
seine Gierachse dadurch erfaßt,
daß eine
Abweichung zwischen einem Signal von einem Winkelgeschwindigkeits-Sensor,
der an dem Modellhelikopter vorgesehen ist, und einem Referenzsignal
berechnet wird, welches einen Sollwert für die Winkelgeschwindigkeit
darstellt. Das resultierende Signal wird zu der Stelleinheit der
Gierachsensteuerung an dem Helikopter gesendet und unterliegt einer
Rückkopplungsregelung
zum Nullsetzen der Winkelgeschwindigkeit des Helikopters um die
Gierachse.
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Bisher
wird ein Proportionalsteuerungssystem als Rückkopplungsregelsystem eingesetzt,
welches eine vereinfachte Ausführung
darstellt. Bei dem Proportionalsteuersystem ist das Ausgangssignal der
Steuerung proportional zu einer Abweichung des Meßwertes
von einem Sollwert.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines herkömmlichen
Gyroskopsystems mit einem Proportionalsteuersystem für Helikopter.
Die Bezugszeichen 21, 23 und 11 sind
Additionspunkte. Das Bezugszeichen 22 stellt eine Proportionalsteuerung
dar. Das Bezugszeichen 9 stellt eine Stelleinheit dar.
Das Bezugszeichen 10 stellt eine Gierachsen-Antriebseinheit
dar. Das Bezugszeichen 12 stellt einen Rumpf dar. Das Bezugszeichen 13 stellt
einen Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor
dar.
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Als
Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor 13 wird beispielsweise
ein Geschwindigkeitsgyroskop oder ein Gyroskop des piezoelektrischen
Vibrationstyps, d. h. ein Winkelgeschwindigkeits-Sensor vom piezoelektrischen
Vibrationstyp, verwendet. Das durch den Sensor 13 gemessenen Winkelgeschwindigkeitssignal
und wird von einem Winkelgeschwindigkeits-Null-Referenzwert an dem Additionspunkt 21 subtrahiert.
Die Proportionalsteuerung 22 empfängt die resultierende Differenz.
Das Ausgangssignal der Proportionalsteuerung 22 wird an
dem Additionspunkt 23 mit dem Gierachsensteuersignal addiert,
und das Ergebnis wird an die Stelleinheit 9 gesendet. Die
Gierachsen-Antriebseinheit 10 verändert den Anstellwinkel des
Heckrotors entsprechend dem Ausgangssignal der Stelleinheit 9, wodurch
der Antrieb des Helikopters um die Gierachse verändert wird.
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An
dem virtuellen Additionspunkt 11 wird das Ausgangssignal
von der Gierachsenantriebseinheit 10 mit einem Störfaktor
addiert, der beispielsweise durch die Gegenkraft des Hauptrotors
oder durch Windeinwirkung verursacht wird. Das resultierende Summensignal
der Kräfte
oder Momente wirkt auf den Rumpf 12. Der Sensor 13 erfaßt die Winkelgeschwindigkeit
des Rumpfes 12 um die Gierachse. Das erfaßte Ausgangssignal
wird an den Additionspunkt 21 gegeben. Somit liegt eine
Steuerschleife (in 2 nicht gezeigt) vor, mit der
Gierachsensteuersignale bereitgestellt werden, wenn der Benutzer
eines drahtlosen ge steuerten beziehungsweise funkgesteuerten Helikopters
den Knüppel
einer drahtlosen Steuereinrichtung bedient, um Fernsteuersignale
zu dem Helikopter zu übertragen,
während
die Winkelbewegungen des Helikopters um seiner Gierachse beobachtet
werden.
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Um
das Gierachsensteuerverfahren in dem Gyroskopsystem durchzuführen, das
das Proportionalsteuersystem verwendet, dient das Ausgangssignal
des Sensors 13 als Winkelgeschwindigkeits-Korrektursignal.
Die Steuerungseinheit liefert ein Gierachsensteuersignal mit einer
zu der des Winkelgeschwindigkeits-Korrektursignals entgegengesetzten Polarität an dem
Ausgang der Proportionalsteuerung 22. Die Rotationsbewegung
des Helikopters um die Gierachse erfolgt entsprechend der resultierenden Differenz
dieser beiden Signale. Der Sensor 13 handhabt einen Störfaktor
als Gierachsensteuersignal. Die Drehbewegung tritt proportional
zu einer Winkelgeschwindigkeitsabweichung auf, die als Eingangssignal
der Proportionalsteuerung 22 dient. Als Ergebnis davon
zeigt das herkömmliche
System den Nachteil, daß es
schwierig ist, den Helikopter exakt zu manövrieren, weil Abweichungen
oder ein Offset bei der Drehung um die Gierachse auftreten, die
durch Störfaktoren,
beispielsweise Seitenwind, veranlaßt sind.
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Seit
kurzem ist das PID-Steuersystem (Proportional-Integral-Differenzial-Steuersystem) bei
Gyroskopsystemen für
Helikopter kommerziell eingeführt
worden, wodurch der erwähnte
Offset aufgehoben werden kann, das den Nachteil des erwähnten Proportionalsystems
darstellt. Zusätzlich
zu dem proportionalen Steuerverfahren zur Handhabung des Ausgangssignals
einer Stelleinheit, wobei der Stellwert proportional zu der Abweichung
oder dem Fehler ist, führt
das PID-Steuersystem ein Integrationsverfahren zur Integration vorhandener
Abweichungen oder Fehler durch und gibt anschließend ein Ergebnissignal aus,
und es führt
ferner ein Differenziationsverfahren durch, um Ausgangssignale proportional
zu Änderungen
in den Abweichungen oder Fehlern auszugeben. Das Differenziationsverfahren
wird nicht für
sich alleine verwendet, sondern wird dazu benutzt, daß Proportionalverfahren
und das Integrationsverfahren zu verbessern.
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3 ist
ein Blockdiagramm, welches ein Gierachsensteuersystem unter Verwendung
des PID-Steuersystems zeigt. In 3 beziffern ähnliche Bezugszeichen
entsprechende Bestandteile wie in 2. Das Bezugszeichen 31 stellt
einen Additionspunkt dar, wobei das Bezugszeichen 32 eine PID-Steuerung
andeutet.
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Das
Ausgangssignal des Sensors 13 wird mit dem Winkelgeschwindigkeits-Null-Referenzwert
und dem Gierachsensteuersignal an dem Additionspunkt 31 addiert.
Die PID-Steuerung empfängt
das aufaddierte Signal und sendet anschließend das Ergebnis die Stelleinheit 9.
Die Gierachsenantriebseinheit 10 empfängt die Ausgabe von der Stelleinheit 9 und stellt
anschließend
die Antriebskraft bezüglich
der Gierachse ein, um den Anstellwinkel des Heckrotors zu verändern. An
dem virtuellen Additionspunkt 11 wird das Ausgangssignal
von der Gierachsenantriebseinheit 10 mit einem Störfaktor
addiert. Anschließend
sendet die Gierachsenantriebseinheit 10 das Ergebnis zu
dem Rumpf 12. Der Sensor 13 erfaßt die Winkelgeschwindigkeit
des Flugkörpers
um die Gierachse. Das Ausgangssignal des Sensors wird zu dem Additionspunkt 31 zurückgekoppelt.
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Bei
dem PID-Steuersystem wird das Gierachsensteuersignal an der Handhabungsseite
in solch einer Weise gesteuert, daß der Winkelgeschwindigkeits-Null-Referenzwert
als Sollwert des Gyroskopsystems entgegengewirkt wird. Das heißt, das
Steuersignal stellt kein Störsignal
da, sondern wird als Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Steuersignal
verwendet. Die Proportionalsteuerung unterscheidet sich von der
PID-Steuerung dadurch, daß das
Steuersignal an der Handhabungsseite unterschiedlich behandelt wird
als an der Gyroskopseite. Das PID-Steuersystem kann ein sehr stabiles
System bilden, da die Störung
unter der Integrations-Steuerung korrigiert wird. Das PID-Steuersystem
zeigt jedoch den Nachteil, daß eine
beeinträchtigte Übergangscharakteristik
vorliegt. Unter der Integrations-Steuerung werden ferner sich abrupt
verändernde
Gierachsensteuersignale bereitgestellt, wobei die Zeit, bis die
Bewegug der Gierachse endet, verglichen mit der Proportionalsteuerung
verlängert ist,.
Somit ist es zu überlegen,
eine Steuerung zu verwenden, welche zwischen der Proportionalsteuerung und der
PID-Steuerung umgeschaltet werden kann, sodaß die Proportionalsteuerung
und die PID-Steuerung entsprechend dem Flugmuster eines Helikopters
in geeigneter Weise wählbar
ist.
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Bei
dem Proportionalsteuersystem ist es erforderlich ein Trimmverfahren
am Beginn des Fluges eines Helikopters als Initialisierung zum Stoppen
der Gierachse durchzuführen.
Bei diesem Trimmen wird ein stabiler ausgeglichener Zustand bei
der neutralen Position des Handhabungsknüppels an dem Steuereinrichtung
erzielt, indem der Trimmhebels bewegt wird und ein Trimmkorrektursignal
von der Handhabungsseite her zu einem Steuersignal zuaddiert wird. Das
Trimmkorrektursignal wird gehandhabt als Ausgleichsreferenzwert
(Neutralwert) eines Steuersignales zur Zeit der Proportionalsteuerung.
In 2 wird der dem Ausgleichszustand entsprechende
Referenzwert am Additionspunkt 21 addiert.
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Andererseits
erfordert die PID-Steuerung (3) kein
Trimmen unter der Integrations-Steuerung, da die Gyroskopseite das
Korrekturverfahren ausführt.
Es besteht jedoch der Nachteil, daß, wenn der Modus von dem Proportionalsteuermodus
zu dem PID-Steuermodus umgeschaltet wird, der bei dem Proportionalsteuerverfahren
addierte Gleichgewichtsreferenzwert als ein Winkelgeschwindigkeitsbefehlssignal
von der PID-Steuerseite her angesehen wird, was zu dem Auftreten
einer Gierachsenbewegung führt.
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Eine
Steuereinrichtung, welche jeweils ein Trimmkorrektursignal für die Proportionalsteuerung und
ein Trimmkorrektursignal für
die PID-Steuerung verwendet, kann zur Lösung des oben beschriebenen
Problems verwendet werden. Dieser Ansatz resultiert jedoch in einer
komplizierten Steuereinrichtung und in einem Anstieg der Herstellungskosten.
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Aus
der
DE 31020037 A1 ist
ein automatisches Gierachsen-Stabilisationssystem für Luftfahrzeuge
mit einer Steuerkurs – Haltebetriebsweise
und manuellen Befehlsübersteuerungsmöglichkeiten
bekannt, das eine Schaltungseinrichtung aufweist, die auf die manuellen
Befehle anspricht und Steuerkurssprünge beim Befehl für eine Steuerkursänderung sowie
beim abschließenden
Erreichen eines gewünschten
Steuerkurses unterdrückt.
Dies wird dadurch erreicht, dass Synchronisierer über die
Wirkung von Schaltern verriegelt und entriegelt werden, die durch
einen Modulator gesteuert werden. Der Modulator liefert Impulse
mit graduell ansteigender Breite und graduell abnehmender Breite,
sodass die Synchronisierer graduell verriegelt und entriegelt werden.
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Aus
der
DE 2817322 C2 ist
ein Regelsystem mit wenigstens einem Regelkreis mit wenigstens einem
Stellantrieb bekannt, das eine Einrichtung zum Ermitteln der Fehler,
um den wenigstens zwei getrennte Variable, die eindeutige, aber
unterschiedliche Übergangsfunktionen
haben, von einer bestimmten Norm abweichen, eine Einrichtung zum
Auswählen
eines der Fehler, der durch korrigierendes Tätigwerden des Stellantriebs
korrigiert werden soll, und einer Rückführeinrichtung aufweist, die
auf den Korrekturvorgang anspricht, um den ausgewählten Fehler
zu Null zu machen. Das System umfasst einen PI-Regler, der mit einem
einzelnen Stellantrieb verbunden ist, welcher durch beide Variablen
steuerbar ist, und eine Einrichtung zum synchronen Verstellen der
Verstärkung
in der Vorwärtsschleife
des Integralteils des PI-Reglers entsprechend der Ansprechzeit der
dem ausgewählten
Fehler zugeordneten Variablen.
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Die
beiden letztgenannten Druckschriften zeigen somit Systeme, denen
die Nachteile anhaften, die oben im Zusammenhang mit dem Stand der Technik,
insbesondere im Zusammenhang mit den beigefügten 2 und 3,
beschrieben wurden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Steuereinrichtung
für einen
beweglichen Körper
anzugeben, welcher das Auftreten von Bewegungen, bedingt durch einen
Versatz oder Offset, unterdrücken
kann, wenn der Modus von einem Propotional-Steuermodus zu einem
PID-Steuermodus umgeschaltet wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 gelöst.
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Dementsprechend
führt erfindungsgemäß die Steuereinrichtung
für den
beweglichen Körper den
Proportionalsteuermodus aus, wenn ein schnelles Ansprechen auf abrupte
Veränderungen
erforderlich ist, und führt
den PID-Steuermodus
aus, wenn Stabilität
bezüglich
Störfaktoren
erforderlich ist, so daß die
Steuersysteme, entsprechend den Umständen beziehungsweise Situationen
umgeschaltet werden können.
Somit kann der Fehler, welcher bedingt durch einen Gleichgewichtsreferenzwert
eines Steuerausgangssignales in dem Proportionalsteuermodus auftritt,
durch eine vereinfachte Konfiguration aufgehoben beziehungsweise
ausgelöscht
werden, wenn der Modus von dem Proportionalsteuermodus zu dem PID-Steuermodus
umgeschaltet wird, so daß ein
Auftreten einer Bewegung bedingt durch einen Versatz unterdrückt werden
kann.
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Ferner
ist bei der Steuereinrichtung für
den beweglichen Körper
gemäß der vorliegenden
Erfindung der bewegliche Körper
ein Modellhelikopter. Das Meßwertsignal
ist ein Gierachsenwinkelerfassungssignal. Die Steuerung steuert
eine Rückkoppelung
der Gierachsenwinkelgeschwindigkeit. Demzufolge kann das Ansprechverhalten
das Gierachsensteuersystemes und die Stabilität bzgl. Störung verbessert werden durch
Umschalten des Steuersystems entsprechend Flugbedingungen eines
Helikopters. Ferner kann ein Auftreten einer Gierachsenbewegung
unterdrückt
werden, wenn der Modus von dem PID-Steuersystem zu dem Proportionalsteuersystem
umgeschaltet wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben, in
welchen gilt:
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1 ist
ein Blockdiagramm, welches einen Gierachsensteuereinrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Blockdiagramm, welches einen herkömmlichen Gierachsensteuereinrichtung
entsprechend einem Proportionalsteuersystem darstellt.
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3 ist
ein Blockdiagramm, welches ein Gierachsensteuereinrichtung entsprechend
einem PID-Steuersystem darstellt.
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1 ist
ein Blockdiagramm, welches einen Gierachsensteuereinrichtung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. In 1 stellen ähnliche
Bezugszeichen entsprechende Bestandteile, wie in 2 angegeben, dar.
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Unter
Bezugnahme auf 1 stellen die Bezugszeichen 1, 5 und 8 Additionspunkte
dar, wobei das Bezugszeichen 2 ein Referenzwertspeicher
ist; 3, 4 und 7 P(proportional)/PID-Umschalteinheiten sind
und das Bezugszeichen 6 eine P/PID-Steuerung darstellt.
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Das
Gierachsensteuersignal Ep von der Steuereinrichtung, wird mit dem
Steuersignal von der P/PID-Steuerung 6 an dem Additionspunkt 8 addiert. Das
Ergebnis wird in die Stelleinheit 9 eingegeben. Die Gierachsenantriebseinheit 10 führt die
Gierachsensteuerung durch. Der Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor, montiert
an einem Modellhelikopter, erzeugt ein Sensorsignal Sa. Der Additionspunkt 5 vergleicht
das Sensorsignal Sa mit einem Referenzsignal r (welches später zu beschreiben
ist). Die P/PID-Steuerung 6 empfängt das resultierende Fehlersignal
und erzeugt nachfolgend ein Steuersignal. Jede der P/PID-Umschalteinheiten 3, 4 und 7 wird
zum Auswählen
des P- beziehungsweise Proportional- oder PID-Steuermodus mittels
des Steuersignales von der Handhabungsseite verwendet.
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Zuerst
wird der Fall beschrieben, in welchem die P/PID-Steuerung 6 in
dem P-Modus mittels der P/PID-Umschalteinheit 7 vorliegt.
Wenn die P/PID-Umschalteinheit 3 zu
einem Schreibmodus umgeschaltet wird, hält der Referenzwertspeicher 2 das
Gierachsenbetriebssignal Ep. Die P/PID-Umschalteinheit 4 gibt
jedoch nicht das Gierachsenbetriebssignal Ep an den Additionspunkt 5 aus.
Die P/PID-Umschalteinheit 4 gibt einen Winkelgeschwindigkeits-Null-Referenzwert rz als
Referenzsignal r an den Additionspunkt 5 aus. Somit entspricht
diese Schaltungskonfiguration dem Blockdiagramm des Proportionalsteuersystems,
welches in 2 gezeigt ist.
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Nachfolgend
wird der Fall beschrieben, in welchem die P/PID-Umschalteinheit 7 die P/PID-Steuerung 6 in
dem PID-Steuermodus auswählt.
Der Referenzwertspeicher 2 speichert den Referenzwert rb
in dem PID- Steuermodus.
Der Speicher 2 speichert das eingetragene Gierachsensteuersignal
Ep, unmittelbar bevor der Modus von dem Proportionalsteuermodus
zu dem PID-Steuermodus mittels der P/PID-Umschalteinheit 3 verändert wird. Das
Gierachsensteuersignal Ep wird als Referenzsignal rb für die PID-Steuerung
gehandhabt. An dem Additionspunkt 1 wird der Referenzwert
rb in dem PID-Steuermodus
mit dem Winkelgeschwindigkeits-Null-Erfassungsreferenzwert rz und
mit dem Gierachsensteuersignal Ep addiert, und es wird nachfolgend
das Ergebnis an den PID-Anschluss der PID-Umschalteinheit 4 ausgegeben.
Somit wird in dem PID-Steuermodus das Referenzsignal r zu (rz + Ep – rb). Desweiteren
wird das Referenzsignal r ausgegeben zu dem Additionspunkt 5 über die P/PID-Umschalteinheit 4.
Nachfolgend empfängt
die P/PID-Steuerung 6 das Ausgangssignal Sa von dem Sensor 13.
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Im
Einsatz fliegt ein Helikopter zuerst unter P-Steuerung beziehungsweise
Proportionalsteuerung. Der Benutzer verändert das Gierachsensteuersignal
Ep durch das Trimmen und setzt anschließend das Flugwerk auf einen
neutralen Zustand, in welchem die Gierachse still steht. In diesem
Zustand ist das Trimmen unter Proportionalsteuerung beendet. Nachdem
ein Benutzer einen Helikopter unter Proportionalsteuerung handhabt,
wird der Modus in den PID-Modus in dem neutralen Zustand verändert. Zu dieser
Zeit, wenn der Zustand unter Proportionalsteuerung neutral ist,
wird das Gierachsensteuersignal Ep' in dem Referenzwertspeicher 2 gehalten
beziehungsweise gespeichert. Das Referenzsignal r wird ausgedrückt durch
die Gleichung: r = rz + Ep – rb = rz + (Ep – Ep').
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Wenn
die P/PID-Steuerung 6 zu dem PID-Steuermodus umgeschaltet
wird, kann der Trimmversatz beziehungsweise das Trimmoffset (Ep') bedingt durch das
Umschaltverfahren unter der Proportionalsteuerung aufgehoben werden.
Wie oben beschrieben speichert der Referenzwertspeicher 2 das
Gierachsenbetriebssignal Ep als Ep' bei dem Übergang, wenn der Modus von
dem P-Steuermodus
zu dem PID-Steuermodus umgeschaltet wird. Anschließend kann die
Trimmverschiebung beziehungsweise -Auswanderung mittels Normalisierung beziehungsweise
Normierung des Winkelgeschwindigkeitssteuersignals an der PID-Steuerseite
vermieden werden.
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Selbst
in dem PID-Steuermodus wird das Gierachsensteuersignal Ep in die
Stelleinheit 9 zwar gemeinsam mit der Ausgabe von der P/PID-Steuerung 6 eingegeben.
Somit wird das Ansprechverhalten durch eine gleichzeitige Rückkoppelungs-
und Forwärts-
oder Direktsteuerung verbessert. Die Direktsteuerung kann jedoch
ebenfalls entfallen.
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Da
der Offset beziehungsweise Versatz automatisch unter der Proportionalsteuerung
auf Null gesetzt wird, treten keinen Probleme auf, wenn der Modus
von dem PID-Steuermodus zu dem P-Steuermodus umgeschaltet wird.
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Der
Gierachsensteuereinrichtung für
einen funkgesteuerten Modellhelikopter wurde oben beschrieben. Die
Erfindung ist jedoch ebenfalls anwendbar auf die Zweiachsensteuerung
von anderen Fahrzeugen als Modellhelikoptern, beispielhaft für die Rollachsensteuerung
und die Anstellachsensteuerung. Ferner ist die Erfindung anwendbar
auf die Handhabung der Gierachse und anderen Achsen eines Modellflugzeuges,
die Handhabung der Gierachse und anderen Achsen von ferngesteuerten
Helikoptern oder Flugzeugen für
Flugzeugaufnahmen, und für
landwirtschaftliche Chemikalienversprühung, die Handhabung eines
Modellmotorbootes oder eines Modellautos oder auch zur Handhabung
von generell beweglichen Körpern.
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Wie
es sich aus der obigen Beschreibung ergibt, hat die vorliegende
Erfindung den Vorteil, daß ein
Versatz beziehungsweise ein Offset des Gleichgewichtsreferenzwertes
in dem Proportional-Steuermodus in dem PID-Steuermodus aufgehoben werden kann,
wenn der Modus verändert
wird von der Proportionalsteuerung zu der PID-Steuerung. Wenn die
Erfindung beispielsweise bei der Steuerung der Gierachse eines drahtlos
gesteuerten Hubschraubers oder Flugzeuges angewendet wird, kann
die Steuerung des Flugverhaltens auf die Flugmuster abgestimmt werden.