DE2462530A1

DE2462530A1 - Regler

Info

Publication number: DE2462530A1
Application number: DE19742462530
Authority: DE
Inventors: Matthew Duggan
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1973-03-06
Filing date: 1974-03-06
Publication date: 1977-08-25
Also published as: FR2220825B1; JPS5638964B2; DE2410751A1; DE2462530C2; DE2410751B2; US3925640A; GB1416401A; JPS5024682A; DE2410751C3; FR2220825A1

Description

Patentanwälte Dip!.-I^g. Curt Wallach

u Dipi.'-Ipg. 6ünther Koch

2462530 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 4. Mai 1977

P 24 62 530.7 Unser Zeichen: 14 58} I - K/Ap

Rolls-Royce Limited

Regler

Die Erfindung betrifft einen Regler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. Durch diesen den Gegenstand des Hauptpatentes Nr. 22 55 760 bildenden Regler wird die Aufgabe gelöst, auftretende Fehler so schnell als möglich zu verringern, wenn große Abweichungen vom Sollwert vorliegen, wobei die Rückstellung schneller einsetzt als bei bekannten adaptiven Systemen, welche mehrere Perioden benötigen bevor eine gute Annäherung erreicht ist. Insbesondere wird durch den den Gegenstand des Hauptpatentes bildenden Regler bei plötzlichen Lageabweichungen eines Flugzeuges die Aufgabe befriedigend gelöst, durch Einstellung der entsprechenden Steuerklappen oder Steuerschubstrahlen die Lageabweichung möglichst schnell zu beseitigen. Die Umschaltung von der einen Betriebsart auf die andere erfolgt dabei durch eine Schaltvorrichtung, die wenigstens einen Arbeitskreis für jede Betriebsart auswählt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den

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Regler gemäß Hauptpatent dadurch zu verbessern, daß er ohne Schalter arbeitsfähig ist.

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

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Analogdarstellung eines Steuersystems gemäß der Erfindung zum Steuern einer Doppelintegralanlage;

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Pig. 2 ein Phasendiagramm, welches die verschiedenen Punktionen des Steuersignals bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 veranschaulicht;

Fig. 3 eine elektrische Analogschaltung einer weiteren Ausflihrungsform der Erfindung;

Fig. 4 ein Phasendiagrainm, welches die verschiedenen Funktionen des Steuersignals in dem System nach Figur 3 veranschaulicht;

Fig. 5 eine schematische Vorderansicht eines Flugzeuges, bei

welchQin die erfindungsgemäße Steuereinrichtung Anwendung findet.

Bei den folgenden Ausführungsbeispielen werden Eingangssignale nach dem Steuersystem in unabhängige positive und negative Komponenten aufgespalten und jede Komponente wird in ein positives Signal umgewandelt. Das System, in welchem dies geschieht, wird hierbei als "posinomisches Steuersystem" bezeichnet.

In der Schaltung gemäS Figur 1 erscheinen an verschiedenen Punkten dos Steuergerätes negative Spannungen, weil durch einen elektrischen Verstärker Vorzeichen umgewandelt werden. Das Prinzip einer posinomischen Steuerung bleibt jedoch erhalten.

Die Differenz zwischen einem Eingangssignal χ und dem Ausgang y_ einer Anlage PL wird über einen das Vorzeichen ändernden Verstärker und einen Summierungsverstärker 2 erlangt, wodurch ein Fehlersignal F geliefert wird. Das Fehlersignal £" wird über einen Differentiator 3, bestehend aus Widerstand 26, Kondensator 27, Widerstand 28 und Verstärker 29 mit hohem Verstärkungsgrad geleitet, und dann einem Filter 4 zugeführt, das aus Widerständen 30,31-,22, Kondensatoren 33 und 35, einem Verstärker 34 mit hohem Verstärkungsgrad und einem Verstärker 36 besteht, um ein negatives Fehlergeschwindigkeitssignal - ς zu erhalten.

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Das Filter 4 verhindert eine Rauscherzeugung und begrenzt den Wert von C für sehr schnelle Änderungen des Fehlersignals £ .

Das Fehlersignal £ und das Fehlergeschwindigkeitssignal -twerden einem posinornischen Steuergerät PC zugeführt. Das Fehlersignal * wird über einen das Vorzeichen ändernden Verstärker 5 einer VerstUrkor/Diofenkombination 6 zugeführt, die den positiven Teil des Fehlersignaist+ als Ausgang liefert. Das Fehlersignal € wird außerdem direkt einer Verstärker/Diodenkombination 7 zugeführt, die den negativen Teil des Fehlersignals als positiver Ausgang liefert(£-).

Das negative Fehlereln^annssignal - ( von dem Filter 4 wird einer Verstilricer/Dioderkorabination 9 zugeführt, um den positiven Wert des Fehlergenshwindirrksitssignals €+ zu liefern, und über einen dae Vorzeichen ändernden Verstärker 8 wird das Signal einer Verstärker/ Diodenkornbination 10 zugeführt, um den negativen Teil des Fehler-

geschwindigkeitssignala al3 positiven Ausgang^" - zu liefern.

Die Verstärker/Diodenkombinationen 6,7,9 und 10 liefern im wesentlichen perfekte Diodencharakteristikan außer für die Vorseichenänderung, die dem Verstärker zugeordnet ist.

Die Signale S + und £ - werden über eine Stufe 11, die die Verstärkung ändert, und eine Stufe 15, die das Vorzeichen ändert, sowie eine Stufe 14, die die Verstärkung ändert, der ersten Summierungs-Verstärker/Diodenkombination 17 zugeführt, und das Signalξ-wird direkt der ersten Sumraierungs-Verstärker/Diodenkombination zugeführt. Die drei Signale wirken zusammen und erzeugen den negativen Wert des Anlage-Eingangssteuersignals in Form eines negativen Ausgangs U-.

In gleicher Weise werden die Signale £- und £"+ über die Verstärkung.=; tod er ungs stufe 12 und den Vorzeichenwandler 16 sowie dem Verstärkungswandler 13 einer zweiten Suramierungs-Verstärker/Diodenkombination 18 zugeführt, während das Signal£+ direkt nach der zweiten Suircaierungs-Verstärker/Diodenkombination 18 gelangt.

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BAD ORIGINAL

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

Die Surrimierungsverstärker/Diodenkonbination 17 und 18 führen Summier ungs- und Vers tärkungs funktionen durch, und zvrar zusätzlich zu einer im wesentlichen perfekten Diodencharakteristik und Voraeichenänderung.

Der Ausgang der ersten Summlerungs-Verstärker/Diodenkombination 17 wird über einen Vorzeichsnwandler 19 einem Sumraierungsverstärker 20 zusammen mit dem Ausgang von einer zweiten Summierungsverstärker/Diodenkombination l8 zugeführt. Der Ausgang des Summierungsverstärkers 20 bildet ein Anlagesteuersignal u welches gleich der Differenz zwischen positivem und negativem Teil u+ und u- ist. Das Signal u des Sumraierungsverstärkor3 20 wird der Anlage PL zugeführt, welche als Doppelintegralanlage ausgebildet ist und zwei Verstärkungswandler 21 und 23 und 2 Integratoren 22 und 24 aufweist. Der Ausgang des Integrators 24 stellt das Ausgangs signal y_ der Anlage dar, welches dem Summierungs-Verstärker 2 zugeführt wird, um mit dem Eingangssignal χ des Systems verglichen zu werden, und das Fehlersignal zu liefern, wodurch sich ein System mit geschlossener Sohleife ergibt.

Das Steuersignal u, das durch das posinomische Steuergerät erzeugt wird, besteht aus einer von drei verschiedenen linearen Funktionen von £ (Fehlersignal) und <f (Fehlergeschwindigkeitssignal) gemäß der Bedingung der Anlage und dies wird später unter Bezugnahme auf , das Phasendiagramm beschrieben, d.h. gemäß der Beziehung zwischen / und £ in Figur 2.

Die Gleiohung für u ist:

u *» (u+) - (u-) wobei u+ 1

_i j

aus (£+) + (b,«£+ X(S₁^-)folgt eindeutig daß u+ « 0

und wenn u- -£■(£.) ₊ (b₂i-J - (a^₊) (2)

wenn jf- )+(b₂i»)^(a45-),dann folgt wiederum daß u— 0

■ ^{: ;} ■"-" 709B34/0379

BAD ORiGWAL ^

Im folgenden wird auf Figur 2 der Zeichnung Bezug genommen, die ein Phasendiagramm für Bedingungen zeigt, die auftreten können, je nach den Werten des Fehlersignals C und des FehlergeschwindigkeitsEignals i.. Die Figur 2 stellt eine grafische Darstellung dieser beiden Signale dar, wobei eine lineare Funktion der beiden Signale gezeigt ist, nämlich

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

&_x » a₂ » a (4),

b₁ » b₂ « b .. (5)

Daher definiert Figur 2 drei Paare von Moden 1-3, in denen die Gleichungen (1) und (2) wie in der Figur veranschaulicht, ausgedrückt werden können. So ist es beispielsweise klar, daß in Modus 1 auf der linken Seite des Diagramms

6<o, k y o,

außerdem liefern die Wertej£von £ und £ wenn sie in die Funktion a £ + b l eingesetzt werden, einen Wert dieser Funktion, der negativ ist, z.B. &£ + b

Aus der Gleichung (1) ergibt sich
b i < a £-

und daher u+ » O

Aus der Gleichung (2) ergibt sich

70 9834/0 379 BADORIGtNAL

Per Ausdruck in jeder der anderen Moden kann in gleicher Weise berechnet werden und es zeigt sich, daß die Abszisse und Ordinate der Funktionslinie a £ + bi» O je eine Modenänderungslinie bildet, die zwischen ihnen 6 Moden definiert, die infolge identischer Bedingungen drei Paare von den obigen Moden bilden. Es zeigt sich, daß diese drei alternative Steuersignale liefern, die wie folgt erhalten werden:

Modus 1) u= I ergibt ein ungedämpftes Schwingungssystem Modus 2) u=(l + a)£ + b£ergibt ein kritisch gedilnpftes Syst.; Modus 3) u»£+ bi liefert ein übergedämpftes System.

Bei einer praktischen Anwendung sind die Verstärkerkonstanten a_ I₃ bJL, a2 und b_2 in dem posinomischen Steuergerät so eingestellt, daß die erwünschte Ansprechcharakteristik des gesamten Systems.erhalten wird.

Die Konstanten al, JbI, a2, b2 tragen beispielsweise eine Beziehung z.B. das Zehnfache zur Einstellung der Verstärkungswandler 12, \~$_t 11 und l'-v und diese Verstärkung wird in einer Verstärker/Diodenkombination 17, l8 erlangt.

Die absoluten Größen von a_ und b. bestimmen die Anteile der Dämpfung in den gedämpften Moden (je größer sie sind, desto größer ist dia Dämpfung), die ihrerseits den Anteil der Uber-Dätnpfung steuern, daß das System in einem Stufenansprechen aufweist.

Figur J zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung uno die Schaltung ist exakt die gleiche wie Jene nach Figur 1, mit dera Unterschied, daß der Ausgang der ersten Summierungs-Verstärker/ Diodenkombination 17 dem Eingang der zweiten Summierungs-Verstärker/Diodenkombination l8 zugeführt wird, und der Ausgang der zweiten Summierungs-Verstärker/Diodenkombination 18 dem Eingang der ersten Verstärker/Diodenkombination 17 zugeführt wird. Diese RUckkoppelung ist als gegenseitige Rückkopplungssperrung bekannt und vermeidet das gleichzeitige Auftreten von den beiden Ausgängen ja + und ii -. Hierdurch ergibt sich eine Verbesserung des Steuersystems

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/A

und eine Vereinfachung der Einstellung, die zur Anpassung des Systems an verschiedene Anlasen erforderlich ist.

Bei diesen Ausführungsbeispielen ist die Gleichung für* u_ vie folgt:

u * (u+) - (u-)
Dabei ist,

U₊ = [(E₊) + (D₁S₊)] - [Ca₁E-) + (u-)]

aber wenn [(£+) + (b^+) j < [(a£-) + (u-)1

dann wird u₊ = 0

Ebenso wird

- [(a₂£₊) ₊ ^{und wenn} [ ]

dann wird u- = 0

Wie bei dem vorigen Ausführungsbeispiel können die Konstanten aJL, bl, a2 und b2 der Zehnfachen Einstellung der Verstärkungswandler 12, 13, 11 und 14 gemäß Figur J> bestehen, wobei die ersten und zweiten Summierungs-Verstärker/Biodenkombinationen 17 und l8 die Signale mit einem Faktor 10 verstärken, die durch diese Verstärkungswandler hindurchlaufen.

Die Bereiche, in der jede Gleichung wirksam ist, zeigt der Phasenplan nach Figur 4.

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

Modus 1) u » g ergibt ein ungedämpftes Schwingungssystem Modus 2) u » a£+ beliefert ein kritisch gedämpftes System Modus J) u m £ + bi liefert ein Uberdämpftes System.

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Diese sind in Figur 4 zusammengefaßt.

Bei der praktischen Anwendung werden die Verstärkungskonstanten al, bl, a2 und b_2 in dem posinomischen Steuergerät so eingestellt„ daß die erwünschte Ansprech-Charakteristik des Gesamtsystems erhalten wird.

Das Verhältnis(l + a)/b entscheidet die Neigung der schrägen Modusänderungslinie 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 b die 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 Überdämpfung des Systems, die das System bei einem Stufenansprechen hat.

Figur 5 zeigt ein posinomisches 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 4J gespeist. Die Gesamtluftströmung ist konstant, aber das Verhältnis der Strömung zwischen den beiden Strahldüsen 41 kann duroh Klappenventile 44 geändert werden, die durch einen Antrieb 45 über ein Gestänge 46 bewegt werden. Ein Fühler 47 stellt Abweichungen der Lage des Flugzeugs gegenüber einer horizontalen Bezugslage dar, und erzeugt ein Fehlersignal proportional der Abweiohung O.

Dieses Fehlersignal wird einer Steuereinrichtung 48 zugeführt, die es differenziert und das sich hieraus ergebende Fehlergeschwindigkeitssignal mit dem Fehlersignal benutzt, um ein Steuersignal u mittels einer posinomischen Schaltung gemäß Figur 1 zu erzeugen, die in der Einrichtung 48 enthalten ist.

709834/0379 ^#/*

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 zwei Strahlen zur Folge hat, so daß ein Drehmoment erzeugt wird, welches auf das Flugzeug in der Weise einwirkt, daß die Abweichung O vermindert wird.

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

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können als "posinomische stückweise lineare" Steuersysteme bezeichnet werden.

Ein posinomisches 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 Gesamtsignals, das als Steuereingangssignal 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 Störungendes Eingangs stabilisiert wird.

Die stückweise lineare Steuereinrichtung benutzt zwei verschiedene Arbeitsmoden. Jede dieser beiden Moden entspricht einer linearen Steuerung. Ein Modus hat ein schnelles Ansprechen, welches möglicherweise unstabil.ist, und ein weiteres muß schnellen Änderungen widerstehen, um ein gewisses Maß von Dämpfung bezüglich Ausschlägen des Systems zu liefern. Die Moden werden gemäß dem Status des Systems benutzt, um ein schnelles Gesamtansprechen und

eine erhöhte Stabilität zu erzeugen. Das posinomlsche Steuergerät für eine Doppelintegralanlage benutzt drei Moden, nämlich eine ungedämpfte schnelle und zwei gedämpfte, und die Änderung von einem Modus nach dem anderen geschieht wenn gewisse., der verschiedenen positiven Signale den Null-Punkt erreichen. Die Dioden verhindern das Auftreten negativer Signale und somit eine Änderung des Modus. Das System weist dagegen keine Schalter auf.

709834/0379 . Patentanspruch«-.

Claims

Patentanwälte Dipl.-I ης]. C u ri Wal I ach Dipl.-lng. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d *· Mai P 24 62 530.7 Unser Zeichen: 14 583 I - Κ/Αρ Rolls-Royce Limited 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 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 ( —) oder dem Verhältnis zwischen der Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals und dem Fehlersignal ( —) oder dem Verhältnis zwischen einer linearen Kombination der Änderungsgeschwindigkeit des Fehlersignals und des Ausgangssignals einerseits und dem Fehlersignal andererseits ( ) nach Patent Nr. .... (Patentanmeldung P 22 55 760.4), dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (u) von einem Generator (17,18,19*20) erzeugt wird und eine von wenigstens drei verschiedenen Betriebsarten umfaßt, die lineare Funktionen des Fehlers und der Fehlergeschwindigkeit sind ■ (." u = £ j u=a€+ b£j u=£+ b £ ),

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wobei Jede Betriebsart eine unterschiedliche proportionale Ansprechgeschwindigkeit gegenüber dem Eingangssignal besitzt und wobei die Punktion der Betriebsarten gemäß dem Verhältnis von Fehler und Fehleränderungsgeschwindigkeit und gemäß bekannten Charakteristiken der Anlage gewählt sind.

2. Regler nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Fehlersignal (£.) zwei Signale abgeleitet werden, wobei das eine Signal ( 6L +) proportional zu der positiven Komponente des Fehlersignals (£L ) ist und das andere Signal (<£ -) proportional zur negativen Komponente des Fehler signals (£) ist.

3· Regler nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Fehlergeschwindigkeitssignal {£. ) zwei Signale abgeleitet werden, von denen das eine ( 6. +) proportional der positiven Komponente der Änderungsgeschwindigkeit (£.) des Fehlersignals ist und das andere (£-) proportional der negativen Komponente der Änderungsgeschwindigkeit (£) des Fehlersignals ist.

4. Regler nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlersignale (£+ und £-) und das positive Änderungsgeschwindigkeitssignal (£+) in einer ersten Summierungsstufe (17) summiert werden, und daß die Fehlersignale (<f+ und £-) und das

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negative Knderungsgeschwindigkeitssignal (£-) 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.

5. Regler nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Gegenkopplung zwischen dem Ausgang der ersten Summierungsstufe (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.

6. Regler nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das der positiven Komponente des Fehlersignals (B) proportionale Signal ( £ +) in ein Signal mit negativem Wert umgewandelt wird, bevor es der zweiten Summierungsstufe (18) zugeführt wird, und daß das der negativen Komponente des Fehlersignals (£ ) proportionale Signal (£-) in ein negatives Signal umgewandelt wird, bevor es der ersten Summierungsstufe (1-7) zugeführt wird.

7. Regler nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der ersten Summierungsstufe (17) im Vorzeichen geändert wird, bevor er der dritten Summierungsstufe (20) zugeführt wird.

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