DE2249965C3 - Flugregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Flugregler zur Regelung der Flugbahn und des aerodynamischen Strömungszu-Standes, z. B. der Fluggeschwindigkeit, von Flugzeugen mit einer Meßeinrichtung für die Flugzeugposition, einer Meßeinrichtung für den aerodynamischen Strömungszustand, einem schubverändernden Stellglied und wenigstens einem Stellglied für eine Steuerfläche des Flugzeuges, z. B. für das Höhenruder, mit Eingängen für Führungsgrößen für Flugbahn und aerodynamischen Strömungszustand, mit Mitteln zur Bildung von Regelabweichungssignalen aus den Signalen der Meßeinrichtungen und der zugeordneten Führungsgrößen und mit Mitteln zur Steuerung der Stellglieder in Abhängigkeit von solchen Regelabweichungssignalen im Sinne einer Verminderung der Regelabweichungen.

Bei üblichen Flugreglern sind getrennte Rngelsysteme für den aerodynamischen Strömungszustand, also z. B, die Fluggeschwindigkeit gegenüber der umgebenden Luft, und für die Flugbahn vorgesehen. Die Fluggeschwindigkeit wird z. B. über den Staudruck gemessen und mit einer Führungsgröße verglichen. Das Rcgelabweichungssignal beaufschlagt in einem Vortriebsregler ein Slellglied für die (iasdrosscl und bewirkt so eine Veränderung des Triebwerksschubs in einem der Fluggcschwindigkeits-Regelabweichung entgegenwirkenden Sinne. Vollständig unabhängig davon arbeitet das Regelsystem für die Lageregelung und Flugbahnregeiung (Autopilot und Dämpfer).

Diese enthält eine Meßeinrichtung für die Position des Flugzeugs, z. B. einen Höhenmesser. Das so erhaltene Signal wird mit einer Führungsgröße verglichen und das so gebildete Regelabweichungssignal beaufschlagt einen Autopiloten, der über einen Stellmotor z. B. auf das Höhenruder einwirkt. Bt^;. einer Höhen-Regelabweichung wird dann das Höhenruder betätigt, so daß das Flugzeug in Steig- oder Sinkflug übergeht und damit die Regelabweichung korrigiert.

Neben Autopilot, Dämpfer und Vortriebsregler wird in einigen Anwendungsf'illen neuerdings zur Verbesserung der Flugbahnregeiung, zur Erhöhung der Aufsetzgenauigkeit und zur Reduktion der Passagier- und Flugzeugzellenbelastung eine direkte Auftriebsregelung (DLC) vorgesehen, bei der z. B. Vertikalbeschleunigungs- und Anstellwinkelsignale auf eine auftriebsverändernde Stellgröße (z. B. Auftriebsklappen, Spoiler) aufgeschaltet werden.

Es ist weiterhin bekannt, auf den Vortriebsregler und den Autopiloten zusätzliche Flugzustandsvariablen aufzuschalten, um das Regelverhalten zu verbessern. So wird beispielsweise bei einem bekannten Vortriebsregler dem Regelabweichungssignal ein Signal von einem Längsbeschleunigumismesser entgegengeschaltet, um die Schubruhe zu verbessern. Wenn nämlich das Flugzeug eine Bö von vorn erfährt, so daß sich vorübergehend die Relativgeschwindigkeit zwischen Flugzeug und umgebender Luft erhöht, so wird damit gleichzeitig das Flugzeug gegen Grund verzögert, so daß also ein negatives Beschleunigungssignal entsteht. Man kann diese Signale so aufeinander abstimmen, daß sie sich kompensieren und der Regler auf solche Böen — ähnlich wie der menschliche Pilot — nicht mit einer Gasdrosselverstellung reagiert (GB-PS 11 90 199).

Es werden auch bei anderen Vortriebsreglern Längsbeschleunigungssignale auigeschaltet, um eine Dämpfung der Regelung zu erhalten, wobei das Längsbeschleunigungssignal die sonst schwer zu bildende Zeitableitung des Geschwindigkeitssignals ersetzt. Auf einen Autopiloten bzw. den Stellmotor für das Höhenruder wird beispielsweise zur Dämpfung ein von einem Wendekreisel abgegriffenes, der Nickwinkelgeschwindigkeit proportionales Signal aufgeschaltet.

Diese bekannten Flugregler bzw. Vortriebsregler, direkte Auftriebsregler und Autopiloten haben den Nachteil, daß die anparatemäßig getrennten Regelsysteme für Fluggeschwindigkeit o. dgl. und Flugbahn über das Verhalten des Flugzeugs miteinander verkoppelt sind. Ein umgriff in dem einen Regelsystem bewirkt eine Störung in dem anderen und umgekehrt. Es sei beispielsweise angenommen, daß der Höhenmesser eine in bezug auf die Sollhöhe zu große Höhe anzeigt. Der Autopilot setzt dann einen Sinkflug in Gang, um die Sollhöhe wieder zu erreichen. Dabei wird aber potentielle Energie des Flugzeugs in kinetische Energie umgesetzt, also die Fluggeschwindigkeit erhöht. Es tritt also durch die Korrektur der Regelabweichung in dem Flugbahn-Regelsysiem durch den Autopilot eine Störung des Fluggeschwindigkeits-RegeKystems auf. Dieser Störung muß nun wieder durch einen Eingriff des Vortriebsreglers entgegengewirkt werden. Umgekehrt bringt eine .Schubveränderung in der Regel eine Änderung des Flugbahnwinkels, so daß das Flugzeug steigt oder sinkt, also seine Bahn verändert. Es ist einleuchtend, daß eine solche Art von Regelung zu

größeren Regelabweichungen und geringer Dämpfung neigt. Es ist außerordentlich schwierig, mit einem solchen aus getrenntem Vortriebsregler und Autopiloten bestehenden Flugregler das Flugzeug bahn- und geschwindigkeitsmäßig so genau und unabhängig zu führen, wie es beispielsweise für eine automatische STOL-Landung erforderlich ist.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es bekannt, auf den Vortriebsregler zusätzlich zu dem Fluggeschwindigkeiis-Regelabweichungssignal Au ein Signal proportional zu der Vertikalbeschleunigung bzw. der Beschleunigung in Richtung der Hochachse des Flugzeuges aufzuschalten. Diese bekannte Anordnung (GB-PS 11 90 198) geht von einem Flugzeugtyp aus, bei welchem sich eine Schubänderung hauptsächlich auf die H Flugbahn und eine Höhenruderverstellung hauptsächlich auf die Fluggeschwindigkeit auswirkt. Durch das der Vertikalb^schleunigung h proportionale Signal wird eine Abweichung von der konstanten Flughöhe bzw. einem geraden Gleitpfad festgestellt und auf kürzestem Wege über den Vortriebsregler zur Bahnregelung herangezogen. Auch bei dieser bekannten Anordnung ist ein getrennter Vortriebsregler und ein Autopilot vorgesehen, wobei der erstere nur auf die Gasdrossel und der andere nur auf das Höhenruder wirkt. Es ergeben sich auch dort die vorstehend geschilderten Schwierigkeiten, die durch die zusätzliche Aufschaltung der Vertikalbeschleunigung auf den Vortriebsregler nur unzureichend und nur für den Sonderfall gerader, mit konstanter Geschwindigkeit geflogener Flugbahnen gemildert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flugregler zu schaffen, der mit sehr guter Genauigkeit eine vorgegebene, gegebenenfalls nichtlineare Flugbahn und vorgegebene Fluggeschwindigkeiten des Flugzeuges einzuhalten vermag, und das bei großer Schubruhe und hohem Passagierkomfort.

Der Flugregler soll den Einfluß der Fluggeschwindigkcitsregelung auf die Bahnregelung und umgekehrt vermindern, der bei STOL-Flugzeugen mit großen Auftriebsbeiwerten besonders groß ist.

Erfindungsgemäß wird das bei einem Flugregler der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, daß sowohl das schubveränderndü Stellglied als auch das Stellglied für die Steuerfläche von einer die gegenseitige Beeinflussung der Regelgrößen vermindernden Kombination der Regelabweichungen von Flugbahn und aerodynamischem Strömungszustand beaufschlagt ist.

Es wird also nach der Erfindung ein integrierter Flugregler vorgesehen, der gleichermaßen Flüggesehwindigkeit und Flugbahn regelt, wobei die apparative Trennung zwischen Vortriebsregler, Autopilot und ggf. direkter Auftriebsregelung aufgegeben wird. Die Erfindung geht dabei von folgender Überlegung aus:

Schaltet man das Regelabweichungssignal für die « Flugbahn (z. B. die Höhenabweichung) nur auf das Stellglied für die zugehörige Steuerfläche (z. B. das Höhenruder), dann wird dadurch, wie oben geschildert wurde, außer der Flugbahn auch der aerodynamische Strömungszustand (z. B. die Fluggeschwindigkeit) becinflußt, Schaltet man andererseits das Regelabweichungssignal nur auf das schubbestimmende Stellglied (Gasdrossel), so beeinflußt das einmal ebenfalls die Flugbahn und zum anderen die Fluggeschwindigkeit. Das Signal von der Meßeinrichtung für die Flugbahn beeinflußt daher sowohl bei Aufschaltung auf das schubbcstimmcndc Stellglied als auch bei Aufschaltung auf das Stellglied für z. t. das Höhenruder auch den aerodynamischen Strömungszustand wie die Fluggeschwindigkeit. Wenn man nun das Regelabweichungssignal für die Flugbahn mit geeigneten Faktoren und geeignetem Vorzeichen gleichzeitig auf das schubbestimmende Stellglied und auf das Stellglied für die entsprechende Steuerfläche (Höhenruder) aufschaltet, dann kann man erreichen, daß sich die beiden Einflüsse des Flugbahn-Regelabweichungssignals auf den aerodynamischen Strömungszustand gerade ganz oder weitgehend kompensieren, der kombinierte Eingriff also keinen Einfluß auf die Größe (Fluggeschwindigkeit) hat. Ein resultierender Einfluß auf die Flugbahn bleibt dagegen bestehen, welcher der Regelabweichung entgegenwirkt.

Die gleichen Überlegungen gelten hinsichtlich einer Regelabweichung des aerodynamischen Strömungszustandes. Es sei der Einfachheit halber angenommen, daß der aerodynamische Strömungszustand die Fluggeschwindigkeit und der interessierende Flugbahnparameter die Flughöhe sei. Eine Aufschaltung des Regelabweichungssignals der Fluggeschwindigkeit nur auf die Gasdrossel beeinflußt nicht nu. die Fluggeschwindigkeit, sondern über eine Veränderung des Anstellwinkels und des Auftriebs auch die Flughöhe. Eine Aufschaltung des Regelabweichungssignals nur auf das Höhenruder bewirkt nicht nur — über die Umsetzung von potentieller Energie in kinetische oder umgekehrt — eine Fluggeschwindigkeitsänderurig, sondern natürlich auch eine Änderung der Flughöhe. Man kann nun wieder das Regelabweicnungssignal der Fluggeschwindigkeit mit solchen Faktoren und Vorzeichen sowohl auf die Gasdrossel als auch auf das Höhenruder schalten, daß sich seine Einflüsse auf die Flughöhe ganz oder weitgehend kompensieren. Es bleibt dagegen ein resultierender Einfluß auf die Fluggeschwindigkeit. Durch die Verwendung eines solchen apparativ integrierten Flugreglers für Flugbahn und aerodynamischen Strömungszustand können somit die Regelvorgänge für diese Größen tatsächlich entkoppelt werden, was zu einer wesentlichen Verbesserung der Regelgenauigkeit, der Böen- und Scherwinduntt_rdrückung, der Schubruhe und des Passagierkomforts führt und gleichzeitig eine größere Freiheit bei der Wahl der Reglerparameter für die Regelung jeder einzelnen Regelgröße ermöglicht.

Es ist schon vorteilhaft, wenn die gegenseitige Beeinflussung der Regelvorgänge durch die Anwendung der Erfindung vermindert wird. Die optimale Auslegung ergibt sich jedoch, wenn die Koeffizienten oder Übertragungsfunktionen der Kombinationen und die Filterzeitkonstanten so gewählt sind, daß eine Regelabweichung der Flugbahn und deren Korrektur im wesentlichen ohne Einfluß auf den aerodynamischen St^röm'/nijszustand und umgekehrt eine Regelabweichung des aerodynamischen Strömungszustandes und deren Korrektur im wesentlichen ohne EinllL'3 auf die Flugbahn ist.

Der aerodynamische Strömungszustand bei der Erfindung kann beispielsweise auch der Anstellwinkel sein.

In weiterer Ausbildung der Erfindung können weitere Flugzustandsvariable (z. B. Längsbeschleunigun^ und Nickwinkelgeschwindigkeit) in Linearkoinbinationen auf die beiden Stellglieder aufgeschaltet sein.

Durch die Aufschaltung der Linearbeschleunigung auf beide Stellglieder in ähnlicher Weise wie die Regelabweichung des aerodynamischen Strömungszustandes wird eine Kompensation von Böen nach Art der GB-PS

1 I 90 199 erreicht. Die Niekwinkelgeschwindigkeit kiiiiii ähnlich wie die I löhenablagc ebenfalls auf beide Stellglieder geschaltet werden. Das bringt eine Dämpfung der riugbahnregeluiig.

Fs können noch weitere Zustanusvariablen zur Verbesserung der Regelung auf die Stellglieder aufgeschüttet sein.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsheispiel unter Bezugnahme aiii die Zeichnung näher erläutert, die ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Flugreglers zeigt.

Bei der dargestellten Ausführungsform dien; als aerodynamischer Strötmings/ustand der Anstellwinkel ν der bekanntlich in direkter Beziehung zu der Fluggeschwindigkeit stein. Der Anstellwinkel λ wird in irgendeiner bekannten Weise, ζ B. an einer Tragfläche IO gemessen. Das Anstellwinkelsignal χ wird bei 12 mit einer Fühnmgsgrnße. d. It. einem kommandierten

ßenemgang !4 gegeben wird. Dem Kegler, der generell mit 16 bezeichnet ist. wird an einem Fingang 18 das Regelabweichungssignal .1\ zugeführt

I'm geneigter l.inearbeschlcunigungsinesscr 20 liefert ein I.inearbesclileunigungssignal b. welches auf einen Hingang 22 des Reglers geschaltet ist. Der Neigungswinkel des l.inearbeschleunigungsmessers ist von ilen Werten der Flugzeugpolaren abhängig und ermöglicht eine gleichzeitige Kompensation von Horizontal- und Vertikalböen.

I.ine weitere Zustandsvariablc, die von einem Wendekreisel 24 geliefert wird, ist die Nickwinkelgeschwindigkeit \ v. Diese wird auf einen weiteren r.ingang 26des Reglers If) geschaltet.

Schließlich liefert ein Höhenmesser 28 ein Signal proportional der Flughöhe h. Dieses Signal wird bei 30 mil einer F'ührungsgröße. also einer kommandierten Flughöhe /?, verglichen.die von einem Flugbahnrechner 32 geliefert und auf einen Führungsgrölkncingang 34 gegeben wird. Der Flugbahnrechner 32 kann beispielsweise aus den von einem Funklcitstrahl mit DMF gelieferten Schrägentfernungssignalen die kommandierte Flughöhe Λ,- iiitch einer vorgegebenen Funktion der Schrägentfernung R vom i.eitstrahlsender liefern. Die llöhenabweichung Ah wird auf den Fingang 33 des Reglers 16 gegeben.

Der Regler 16 hat zwei Stellgrößen, nämlich den Schub V der Triebwerke 36. der durch ein an der i jasdros'.el angreifendes Stellglied in bekannter Weise veränderbar ist. und den Höhcnruderausschlag η Das

r, Stellglied an der Gasdrossel wird durch den Keglerausgang 38 dargestellt. Fin /weites Stellglied, symbolisiert durch den Riglrraiisgang 40. wirkt auf das I löhenruder 42.

;o F.ingänge 18. 22, 2(> und 33 des Reglers 16 direkt oder gefiltert — mit unterschiedlichen Koeffizienten — auf beide Ausgange .38 und 40 geschaltet

Der Aiisdiiick »Steuerfläche« ist nicht auf das Höhenruder beschränkt. Bei Anwendung einer direkten

j-, Auftriebsregelung mit Auftriebsklappen oder Spoilern können die l.inearkombinationen der Signale in entsprechender Weise auch auf die Stellmotoren für die Spoiled .uilgeschaltet werden. Fs können auch l.inearkombinationen von Signalen in der beschriebenen

in Weise sowohl auf den Stellmotor für den Spoiler als auch auf den Stellmotor für das Höhenruder aufgcschaltct werden. Dabei wird üblicherweise der Spoiler auf höhcrfrequentc Komponenten der Signale ansprechen und das Höhenruder auf niederfrequente. Das kann durch geeignete filter erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Palentansprüche:

1. Flugregler zur Regelung der Flugbahn und des aerodynamischen Strömungszustandes, z. B. der Fluggeschwindigkeit, von Flugzeugen mit einer Meüeinrichtung für die Flugzeugposition, einer Meßeinrichtung für den aerodynamischen Strömungszustand, einem schubverändernden Stellglied und wenigstens einem Stellglied für eine Steuerflüche des Flugzeuges, z. B. für das Höhenruder, mit Eingängen für Führungsgrößen für Flugbahn und aerodynamischen Strömungszustand, mit Mitteln zur Bildung von Regelabweichungssignalen aus den Signalen der Meßeinrichtungen und der zugeordneten Führungsgrößen und mit Mitteln zur Steuerung der Stellglieder in Abhängigkeit von solchen Regelabweichungssignalen im Sinne einer Verminderung der Regelabweichungen, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das schubverändernde Stellglied als auch das Stellglied für die Steuerfläcfep von einer die gegenseitige Beeinflussung der beiden Regelgrößen vermindernden Kombination der Regelabweichungen von Flugbahn und aerodynamischem Sirömungszustand beaufschlagt ist.

2. Flugregler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten oder Übertragungsfunktionen der Kombinationen so gewählt sind, daß eine Regelabweichung der Flugbahn und deren Korrektur im wesentlichen ohne Einfluß auf den jo aerodynamischen Strömungszustand und umgekehrt eine Regelabweichung der auftriebsbestimmenden Größe und deren Korrektur '--.ι wesentlichen ohne Einfluß auf die Flugbahn ^:st.

3. Flugregler nach Anspruch ' oder 2, dadurch J5 gekennzeichnet, daß weiten: Flugzustandsvariable.

z. B. Längsbeschleunigung und Nickwinkelgeschwindigkeit, in Linearkombinationen auf die Stellglieder aufgeschaltet sind.

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