DE2058055A1

DE2058055A1 - Servosystem zur Positionssteuerung

Info

Publication number: DE2058055A1
Application number: DE19702058055
Authority: DE
Inventors: Simmons John Richard; Roy Bridgnorth Westbury
Original assignee: HM Hobson Ltd
Current assignee: HM Hobson Ltd
Priority date: 1969-11-25
Filing date: 1970-11-25
Publication date: 1971-05-27
Also published as: GB1272859A; FR2072291A5; US3667344A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F.Weickmann, 2058055

Dipl.-Ing. H.Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

IGA 8 München 86, den 24. November 1970

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

H. M. HOBSON LIMITED
Africa House, Kingsway
London, W.O. 2, England

Servosystem zur Positionssteuerung

Die Erfindung "betrifft ein Servosystem zur Positionssteuerung, insbesondere ein Servosystem zur llugwegregelung eines Flugzeuges, wobei das Servosystem auf die Ruderanlage einwirkt.

Das erfindungsgemäße Servosystem ist dadurch, gekennzeich- M net, daß ein hydraulisches Betätigungsorgan vorgesehen ist, welches von einem Strömungsmittel-Steuerventil gesteuert ist, daß das Strömungsmittel-Steuerventil auf Eingangssignale anspricht, die ihm von zwei Wandlern zugeführt werden, daß jeder Wandler seinerseits wiederum auf ihm zugeführte, im normalen Betrieb im wesentlichen gleiche Eingangssignale anspricht, daß Reglungsmittel vorgesehen sind, welche auf eine Differenz der von den Wandlern erzeugten Ausgangssignale bis zu einer vorbestimmten und zulässigen Differenz ansprechen und einen der Wandler oder beide Wandler und/oder die ihm zugeführten Eingangs-

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signale so beeinflussen, daß die von den Wandlern abgegebenen Aus gangs signale innerhalb der vorbestimmten und zulässigen Differenz gehalten werden und daß das Überschreiten dieser zulässigen Differenz angezeigt wird.

Das erfindungsgemäße Servosystem weist Mittel zum Abschätzen der relativen Amplituden von zwei Signalen auf. Das Abschätzen erfolgt mit Hilfe eines Hilfskolbens, welcher aus seiner neutralen Position um einen Wert verschoben wird, der der Amplitudendifferenz der beiden Signale entspricht. Mit Hilfe der erwähnten Mittel werden die Totbereichsbedingungen am Ausgang des Systems durch Absorbierung der Signaldifferenzen reduziert. Außerdem sind geeignete Mittel vorgesehen, um anzuzeigen, wenn die Signaldifferenz einen vorbestimmten Wert überschreitet. Dieser Fall wird automatisch angezeigt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nunmehr anhand der Zeichnung beschrieben werden.

Das in der Zeichnung dargestellte System weist zwei Paare von Wandlern in Form von hydraulischen Servoventilen A1, B1 und A2, B2 auf, deren Aufgabe es ist, die Bewegung eines zweiteiligen Steuerschiebers 10 eines hydraulisch gesteuerten Steuerschieberventiles 11 zu steuern. Das Steuerschieberventil 11 dient seinerseits zur Steuerung der Hydraulikflüssigkeit, die einer hydraulischen Verstellvorrichtung zugeführt wird. Der Kolben 13 der hydraulischen Verstellvorrichtung 12 bildet das Ausgangselement des Systems.

Das hydraulische Servoventil A1 weist eine winkelverstellbare Düse 14 auf, welcher unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit von einer Quelle S1 zugeführt wird. Durch die Düse 14 wird die Hydraulikflüssigkeit in Form eines Strahles in eine von zwei Aufnahmeleitungen A1x und A1y entsprechend

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der jeweiligen Winkelstellung der Düse eingeleitet. Die Düse 14 ist mit einem Anker 15 verbunden, auf den zwei elektromagnetische Spulen 16 und 17 einwirken. Wenn eine der beiden Spulen erregt wird, so wird auf die Düse 14 ein Drehmoment ausgeübt, welches zu einer Winkelverstellung der Düse führt. Die Spulen 16 und 17 werden von einem Verstärker 18 mit Eingangs-Signalen beaufschlagt. Der Verstärker 18 wird seinerseits mit einem Fehlersignal gespeist, welches von einem Komparator 19 kommt. Der Komparator 19 vergleicht ein Sollwertsignal, das an seinem Eingangsanschluß TA1 anliegt mit einem negativen Rückkopplungssignal, welches ihm von einem Wandler 20 zugeführt wird. Das negative Rückkopplungssignal entspricht der jeweiligen Verschiebeposition des Ausgangselementes 13 des Systemes.

Jedes der anderen Ventile Bl, A2 und B2 ist von der gleichen Konstruktion wie das Servoventil A1. Die elektrischen Eingangssignale für diese anderen Ventile werden in der gleichen Weise erzeugt, wie das Eingangssignal für das Ventil A1. Sie hängen von Sollwertsignalen ab, welche den Anschlüssen TB1, TA2 und TB2 zugeführt werden. Die Düse des Servoventiles B1 wird mit Hydraulikflüssigkeit von der Druckquelle S1 versorgt und die Düsen der Ventile A2 und B2 werden mitljrdraulikflüssigkeit von einer gemeinsamen Druckquelle S2 versorgt.

Die Aufnahmeleitungen A1x und A2x sind, wie man aus der Zeichnung entnehmen kann, mit dem einen Ende des Steuerschieberventiles 11 verbunden, um das eine Ende des zweiteiligen Steuerschiebers 10 mit Druck zu beaufschlagen. Die Aufnahmeleitungen B1y und B2y sind mit dem anderen Ende des Steuerschieberventiles 11 verbunden, um das andere Ende des zweiteiligen Steuerschiebers 10 mit Druck zu beaufschlagen. Die Aufnahmeleitungen A1y und A2y sind mit den' Druckbehältern der Druckquellen S1 und S2 verbunden.

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Damit eines der "beiden Paare von Servoventilen stärker auf den zweiteiligen Steuerschieber 10 des Steuerschieberventiles einwirken kann als das andere, sind die Korbenflächen an den beiden Enden des Steuerschiebers 10, auf welche die von den Servoventilen A1 und B1 kommende Druckflüssigkeit einwirken kann, geringer als die Kolbenflächen des Steuerschiebers 10, auf welche die von den Servoventilen A2 und B2 kommende Druckflüssigkeit einwirken kann. Die Anordnung ist dennoch so, daß die auf den Steuerschieber einwirkenden Kräfte im Gleichgewicht sind und keine Bewegung des Steuerschiebers aus seiner mittleren Position bewirken, wenn an den Eingangsklemmeη TA1, TB1, TA2 und TB2 keine Sollwertsignale anliegen.

Mit der in den Aufnahme leitungen A1x und B1x befindlichen Hydraulikflüssigkeit werden die beiden Enden eines Hilfskolben 21 beaufschlagt. Die Verschiebung des Hilfskolbens 21 wird mit einer eine Rückkopplung bildenden mechanischen Federverbindung 22 in ein Drehmoment für die Düse 14 umgesetzt. Die Anordnung ist so gewählt, daß jeder Druckunterschied in den Aufnahmeleitungen A1x und B1x zu einer Verstellung des Kolbens 21 führt, wodurch wiederum auf die Düse 14 ein Drehmoment ausgeübt wird, welches den Druckunterschied in den beiden Aufnahmeleitungen ausgleicht. Die Servoventile A2 und B2 sind in ähnlicher Weise mit einem Hilfskolben 23 gekoppelt. Auch hier ist eine mit der Bezugsziffer 24 bezeichnete, eine Rückkopplung bildende mechanische Federverbindung vorgesehen, welche auf die Düse des Ventiles A2 ein Drehmoment ausübt, um einen Druckunterschied in den beiden Aufnahmeleitungen A2x und B2x auszugleichen.

Eine mechanische Federverbindung 25 zwischen dem Kolben 10 und der Düse 14 des Ventiles A1 übt auf die Düse 14 ein negatives Rückkopplungsdrehmoment aus, welches der Ver-

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Schiebung des Steuerschiebers 10 entspricht. Auch die anderen Servoventile B1, A2 und B2 sind in gleicher Weise durch Rückkopplungen bildende mechanik ehe lederverbindungen mit dem Steuerschieber 10 verbunden.

Die Verschiebung des Steuerschiebers 10 und die Verschiebung der Hilfskolben 21 und 23 werden auf diese Weise mechanisch ausgewertet, in Biegemomente umgewandelt und mit elektromagnetisch erzeugten Drehmomenten verglichen, welche auf die Düsen entsprechend den Eingangs-Sollwertsignalen ausgeübt werden. .

Wenn einem der Paare von Servoventilen Hydraulikflüssigkeit zugeführt wird, so ist durch die mechanischen Rückkopplungsverbindungen unter normalen Bedingungen sichergestellt, daß ein Gleichgewichtszustand eintritt, der sowohl durch ein Druckgleichgewicht an dem Steuerschieberventil 11 als auch an den Hilfskolben 21 oder 23 gekennzeichnet ist. Jeder Druckunterschied in den Ausgängen der beiden Servoventile ist eine Funktion der Eingangsspannungen, und die Verschiebung des betreffenden Hilfskolbens oder 23 aus seiner mittleren Position ist eine Punktion des Gesamtunterschiedes in den beiden Signalkanälen. Diese Funktion hängt von den Druckverstärkungseigenschaften der beiden Servoventile ab. Wenn beiden Paaren von Servoventilen Druckflüssigkeit zugeführt wird, so verhält sich die Anordnung unter normalen Bedingungen ähnlich wie es für ein Paar von Servoventilen beschrieben wurde.

Es ist möglich, für ein Servoventil-Paar eine Null-Verschiebung zu entwickeln im Gegensatz zu der Verschiebung, die in dem anderen Servoventil-Paar entwickelt wird. Das würde bei einer vollständig symmetrischen Anordnung zu einem toten Bereich führen. Die vorliegende Anordnung ist jedoch so gestaltet, daß das aus den Servoventilen A2 und

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B2 gebildete Paar auf den Steuerschieber 10 eine größere Kraft ausübt als das von den Servoventilen A1 und B1 gebildete Paar. Auf diese Weise ist die Möglichkeit des Auftretens einer toten Zone vermieden, ohne daß dabei unerwünschte Febeneffekte in Kauf genommen werden müssen.

Für jeden der beiden Hilfskolben 21 und 23 ist eine Zentralisierungsfeder 26, 27 vorgesehen. Diese Federn dienen dazu, die Hilfskolben lediglich für den Beginn des Regelvorganges in ihrer mittleren Position zu halten. Sie üben keine große Kraft auf die Hilfskolben 21, 23 aus und haben demnach keinen Einfluss auf den normalen Betrieb des Systems.

Die Verschiebung des Hilfskolbens 21 ist in jeder Richtung dadurch begrenzt, daß eine Absaugkammer 26 vorgesehen ist, welche gegen den den Hilfskolben 21 enthaltenden Zylinder hin offen ist. Diese Absaugkammer 26 ist über eine Rückführungsleitung mit dem Drukbehälter der Druckquelle S1 verbunden. Wenn der Hilfskolben 21 aus seiner neutralen Position um eine vorbestimmte Distanz verschoben ist, welche einer vorbestimmten und zulässigen Differenz zwischen den von den Servoventilen A1 und B1 am Ausgang erzeugten hydraulischen Drücken entspricht, so wird die unter erhöhtem Druck stehende Hydraulikflüssigkeit, welche eine weitere Verschiebung des Hilfskolbens zur Folge hat, in die Absaugkammer 26 abgesaugt und wieder dem Druckbehälter der Druckquelle S1 zugeführt. Dadurch wird eine weitere Verschiebung des Hilfskolbens vermieden.

Der Hilfskolben 21 dient zur Steuerung eines Anzeigegerätes 27. Die Steuerung erfolgt über eine mechanische Hebelanordnung 28, welche einen Mikroschalter 29 betätigt. Die mechanische Hebelanordnung 28 besteht aus einem Hebel 30, dessen

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unteres Ende in einem in dem Hilfskolben 21 vorgesehenen Schlitz sitzt und dessen oberes Ende fest an einer horizontal angeordneten drehbaren Stange 31 montiert ist. Die Stange 31 erstreckt sieh durch die Absaugkammer 26. An der 1-jßenseite der Kammer 26 ist die Stange 31 fest mit cen. unteren Ende eines weiteren Hebels 32 verbunden. Γ .3 .,oere Ende des weiteren Hebels 32 liegt an dem Mi ¹Ir ο schalter 2g an. Bei einer Verschiebung des Hilfskol-■jcms 21 nach rechts werden der Hebel 30 und die Stange 31 im Gegenuhrzeigersinn gedreht. Durch das Drehen der Stange 31 wird nun der Hebel 32 im Gegenuhrzeigersinn gedreht, und zwar um einen bestimmten Winkel. Die Hlbe!anordnung ist nun so gestaltet, daß der Mikroscharter 29 von der Endfläche des Hebels 32 freigegeben wird, wenn der Hilfskolben 21 seinen rechten Grenzwert erreicht hat.

Die Bewegung des Hilfskolbens 21 nach links hat eine Drehung des Hebels 32 im Uhrzeigersinn zur Polge. Der Mikroschalter 29 wird von der Endfläche des Hebels 32 freigegeben, wenn der Hilfskolben seine linke Endstellung erreicht hat.

Der Hilfskolben 23 betätigt auf ähnliche Weise ein Anzeigegerät 33 über eine mechanische Hebelanordnung 34 und einen weiteren Mikroschalter 35.

Die Anzeigegeräte 27 und 33 können hörbare oder sichtbare Alarmsignale abgeben.

Das Prinzip der relativen Verschiebung des Steuerschiebers und eines Hilfskolbens ist angewendet, um

a) eine Vaschiebung am Ausgang zu erhalten, welche eine Punktion eines zugeftihrten Eingangssignales ist, und

b) eine Möglichkeit zum Vergleich der Ausgangsverschiebung

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mit dem Eingangssignal zu haben. Die Korrektur des Unterschiedes zwischen der Ausgangsverschiebung und dem Eingangssignal erfolgt in der V/eise, wie sie in der deutschen Patentschrift P 14 76 099.3 beschrieben ist.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Systemes besteht darin, daß es für jede beliebige Vielzahl von Doppel-Betätigungs-Organen angewendet werden kann, ohne daß die in der erwähnten deutschen Patentschrift beschriebenen Federgehäuse und dreiarmigen Hebel verwendet werden müssen.

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Claims

Patentansprüche

1.)Servosystem zur Positionsregelung, dadurch gekennzeichnet, daß ein hydraulisches Betätigungsorgan (12,13) vorgesehen ist, welches von einem Strömungsmittel-Steuerventil (11) gesteuert ist, daß das Strömungsmittel-Steuerventil (11) auf Eingangssignale anspricht, die ihm von zwei Wandlern zugeführt werden, daß jeder Wandler seinerseits wiederum auf ihm zugeführte, im normalen Be- ä trieb im wesentlichen gleiche Eingangssignale anspricht, daß Eeglungsmittel vorgesehen sind, welche auf eine Differenz der von den Wandlern erzeugten Ausgangssignale bis zu einer vorbestimmten und zulässigen Differenz ansprechen und einen der Wandler oder beide Wandler und/oder die ihm zugeführten Eingangssignale so beeinflussen, daß die von den Wandlern abgegebenen Ausgangssignale innerhalb der vorbestimmten und zulässigen Differenz gehalten werden und daß das Überschreiten dieser zulässigen Differenz angezeigt wird.

2. Servosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß zwei weitere Wandler vorgesehen sind, daß jeder "

der beiden weiteren Wandler auf Eingangssignale anspricht, welche im normalen Betrieb im wesentlichen gleich sind, daß weitere Regelungsmittel vorgesehen sind, welche auf eine Differenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden weiteren Wandler bis zu einer vorbestimmten und zulässigen Differenz ansprechen und einen der beiden weiteren Wandler oder die beiden weiteren Wandler und/oder die ihnen zugeführten Eingangssignale so beeinflussen, daß die von den Wandlern erzeugten Ausgangssignale innerhalb der vorbestimmten und zulässigen Differenz liegen, und daß eine Anzeige gegeben wird, wenn die zulässige Differenz überschritten wird.

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Servosystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungsmittel für jedes Wandler-Paar ein Regelelement aufweisen, welches um einen Wert verschiebbar ist, der bis zu der vorbestimmten und zulässigen Differenz eine Punktion der Differenz zwischen den beiden Wandler-Ausgangssignalen ist, und daß Anzeigemittel vorgesehen sind, welche auf eine Verschiebung des Regelelementes ansprechen, wenn diese Verschiebung einen vorbestimmten Maximalwert überschreitet.

Servosystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler ein hydraulisches Servoventil (A1,B1,A2,B2) aufweist, welches auf ein ihm zugeführtes elektrisches Eingangssignal derart anspricht, daß es ein Ausgangssignal in Form eines bestimmten Strömungsmitteldruckes erzeugt, welches eine !Punktion des Eingangssignales ist, und daß das zu den Regelungsmitteln gehörende Regelelement jeweils einem Paar der hydraulischen Servoventile (A1,B1;A2,B2) zugeordnet ist und einen Kolben (21,23) enthält, dessen beiden Enden das von den beiden entsprechenden hydraulischen Servoventilen (A1,B1;A2,B2) abgegebene Strömungsmittel zugeführt wird, so daß durch die so bewirkte Verschiebung des Kolbens (21,23) eine entsprechende Einjustierung eines der beiden betreffenden hydraulischen Savoventile (A1,B1;A2,B2) erfolgt.

Servosystem nach Anspruch 4, letzterer auf Anspruch 2 zurückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Strömungsmittel-Steuerventil einen Kolben (10) enthält, und daß der Druck, mit dem der Kolben (10) des hydraulischen Strömungsmittel-Steuerventiles (11) durch die von dem einen Paar von hydraulischen Servoventilen (A1,B1)abgegebene Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird, größer ist, alB der Druck, mit dem der Kolben

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(10) des hydraulischen Strömungsmitte1-Steuerventiles

(11) von der von dem anderen Paar von hydraulischen Servoventilen (A2,B2) abgegebenen Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird.

6. Servosystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Servoventil ein Steuerelement (14,15) enthält, welches auf ihm zugeführte elektrische Eingangssignale anspricht, und daß das Regelelement (21,23) der Regelungsmittel für die Servoventile oder jedes paar von Servoventilen (A1,B1;A2,B2) mechanisch mit dem Steuerelement (14,15) eines der beiden Servoventile gekoppelt ist und auf dieses ein justierendes Drehmoment ausübt.

7. Servosystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) des Strömungsmittel-Steuerventiles (11) mechanisch mit dem Steuerelement (14,15) jedes Servoventils gekoppelt ist, um auf dieses ein negatives Rückkopplungs-Drehmoment aus zuüben.

8. Servosystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Eingangssignal am Steuerelement (14,15) jedes Servoventiles elektromagnetisch ein Drehmoment erzeugt.

9. Servosystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (14,15) jedes Servoventiles (z. B. A1) zwischen zwei Positionen verstellbar ist, wobei das Servoventil (A1) in der einen Stellung des Steuerelementes (14,15) Hydraulikflüssigkeit in die eine von zwei Aufnahmeleitungen (A1x,A1y) und in der anderen Stellung des Steuerelementes (14,15) Hydraulikflüssigkeit in die andere der beiden Aufnahmeleitungen (A1x, A1y) abgibt.

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10. Servosystem nach Anspruch. 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikflüssigkeit dem Paar von Servoventilen (A1,B1) oder jedem Paar von Servoventilen (A1,B1;A2,B2) von einer einzigen Hydraulikflüssigkeits-Quelle (S1,S2) zugeführt wird.

11. Servosystem nach Anspruch 9 oder 10 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmittel-Steuerventil (11) ein Steuerschieberventil ist, daß die erste Aufnahmeleitung (A1x) eines des ersten Paares von Servoventilen (A1,B1) dem einen Ende des Steuerschiebers (10) Hydraulikflüssigkeit zuführt, daß die zweite Aufnahmeleitung (B1y) des anderen des ersten Paares von Servoventilen (A1,B1) dem anderen Ende des Steuerschiebers (10) Hydraulikflüssigkeit zuführt, daß die erste Aufnahmeleitung des ersten des zweiten Paares von Servoventilen (A2,B2) dem einen Ende des Steuerschiebers (10) Hydraulikflüssigkeit zuführt und daß die zweite Aufnahmeleitung (B2y) des zweiten des zweiten Paares von Servoventilen (A2,B2) dem anderen Ende des Steuerschiebers (10) Hydraulikflüssigkeit zuführt.

12. Servosystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Aufnahmeleitung(A1x,A2x) des ersten jedes Paares von Servoventilen (A1,B1;A2,B2) der einen Seite eines Kolbens (21,23) des entsprechenden Regelelementes Hydraulikflüssigkeit zuführt und daß die erste Aufnahmeleitung (B1x,B2x) des zweiten jedes Päores von Servosteuerelementen (A1,B1;A2,B2) der anderen Seite des Kolbens (21,23) Hydraulikflüssigkeit zuführt.

13. Servosystem nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückkopplung vorgesehen ist und daß das Eingangssignal für jedes Servoventil

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(A1,B1,A2,B2) ein !Fehlersignal ist, welches von einem Sollwerteingangssignal und einem negativen Rückkopplungs· signal von der Rückkopplung erzeugt ist und ein Maß für die Verstellung des hydraulischen Betätigungsorganes (12,13) ist.

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