DE3129313C2 - - Google Patents
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- G05D1/0055—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots with safety arrangements
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung der im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
In vielen hochentwickelten Flugzeugen, wie beispielsweise
Hubschraubern, wird eine Vielfalt von hydraulischen und elek
tromechanischen Stellantrieben für verschiedene Zwecke in den
Anlagen benutzt, die die Steuerflächen positionieren, um da
durch das Flugzeug zu manövrieren. So ist es bei Hubschrau
bern üblich, einen Trimmstellantrieb zu benutzen, der die Po
sition einer federarretierten Trimmvorrichtung
des mechanischen Systems positioniert, das mit dem Steuer
element des Piloten verbunden ist, beispielsweise mit den
Pedalen, die den Heckrotorblatteinstellwinkel steuern, um
in der Gier- oder Hochachse zu manövrieren, dem Steuer
knüppel für die periodische Blattverstellung, der den Haupt
rotorblatteinstellwinkel steuert, um in der Nick- und Roll
achse zu manövrieren, oder dem Hebel für die kollektive
Blattverstellung, der den Auftrieb steuert. Solche Stell
antriebe arbeiten in Abhängigkeit von einem Positionsbe
fehlssignal, d. h. einer Positionsführungsgröße, und ver
stellen die Trimmposition, bis ein Positionsdetektor fest
stellt, daß die Trimmposition gleich der durch den ange
legten Positionsbefehl verlangten ist. Wenn sich ständig
ändernde Positionsbefehle angelegt werden, wird der Stell
antrieb selbstverständlich fortwährend die Trimmposition
verstellen, um zu versuchen, Schritt zu halten. Jeder Stell
antrieb, ob hydraulisch oder elektromechanisch, hat jedoch
eine gewisse Eigenverstellgeschwindigkeit, die von der Ge
samtverstärkung des Regelkreises und den Kenndaten des
Stellantriebs abhängig ist.
Zur Feststellung von Fehlern in dem Stellantrieb ist es be
kannt, eine elektrische Annäherung des Stellantriebsregel
kreises zu schaffen (im folgenden als Modell bezeichnet),
dieselben Positionsbefehle an das Modell anzulegen, die an
den Stellantriebsregelkreis angelegt werden, und die durch
den Stellantrieb erzielte Trimmposition mit einer Position
zu vergleichen, die durch das Modell als diejenige festge
legt ist, die der Stellantrieb erzielen sollte. Abweichun
gen in den beiden Positionen zeigen in einfacher Theorie
einen Stellantriebsregelkreisausfall an. Das Problem bei
dieser einfachen Theorie besteht darin, daß sämtliche Stell
antriebe nicht nur eine Eigennacheilung haben (d. h. die
Zeit, zu der der Stellantrieb eine gewisse Trimmposition
erreicht, ist gegenüber der Zeit verzögert, zu der ein Be
fehl für diese Position an ihn angelegt wird), sondern auch
verschiedene Änderungen in diesen Nacheilungen aufweisen.
Ein hydraulischer Stellantriebskreis kann beispielsweise
Änderungen in der Nacheilung aufgrund des Hydraulikdruckes,
der Temperatur od. dgl. haben. Darüber hinaus werden zwei
Stellantriebe niemals genau gleich sein. Eine starke Bela
stung von hydraulischen Stellantrieben kann deren Anspre
chen verlangsamen. Elektromechanische Stellantriebe sind
sehr belastungsabhängig, und jede Veränderung in ihrer Be
lastung führt zur Veränderung der Ansprechgeschwindigkeit.
Wenn der besondere Stellantrieb ein Stellantrieb ist, der
eine elastische Trimmposition einstellt, kann außerdem der
Pilot die Trimmposition übersteuern, indem er eine Kraft auf
sein Steuerelement (z. B. einen Steuerknüppel, einen Ver
stellhebel oder Pedale) ausübt, und tatsächlich die Bela
stung des Stellantriebs bis zu dem Punkt vergrößern, wo
dieser vollständig hängenbleibt, so daß er niemals die
vorgesehene Trimmposition erreicht.
Um zu versuchen, diese Schwierigkeiten zu überwinden, ist eine
Anordnmung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegebenen Art geschaffen wor
den, (US-PS 42 06 891), die eine Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzung des Po
sitionsbefehlssignals, d. h. der Positionsführungsgröße, vornimmt,
das sowohl an den Stellantrieb als auch an das Modell ange
legt wird. Der Änderungsgeschwindigkeitsgrenzwert wird so
gewählt, daß die Geschwindigkeit, mit der sich befohlene
Positionen ändern können, auf eine Geschwindigkeit begrenzt
werden, die unter sämtlichen vernünftigen Umständen, welche
bei einem bestimmten Typ von Stellantrieb auftreten können,
unter der Mindestansprechgeschwindigkeit (maximale Nachei
lung) liegt. In der Theorie sollte der Stellantrieb deshalb
immer in der Lage sein, dem änderungsgeschwindigkeitsbe
grenzten Eingangsbefehl zu folgen, weshalb das Modell ledig
lich diesen Befehl mit einem geeigneten Skalenfaktor zu
integrieren braucht, um genau festzustellen, wo die Trimm
position liegen sollte. Dadurch wird jedoch die Ansprech
geschwindigkeit des Stellantriebsregelkreises selbst stark
begrenzt, wodurch die Flugzeugleistungsfähigkeit ver
schlechtert wird. Andererseits, wenn der Eingangsbefehl
weniger stark änderungsgeschwindigkeitsbegrenzt wird, wer
den die darüber hinausgehenden tatsächlich zulässigen Nach
eilungen falsche Fehleranzeigen (Anzeigen von unechten Feh
lern) verursachen. Das wiederum verringert das Vertrauen
des Piloten in das System und erfordert von dem Piloten
Arbeit, um festzustellen, daß nur unechte Fehler vorliegen.
Im Falle von Trimmstellantrieben übt der Pilot immer dann,
wenn er sein Steuerelement bewegt, Kräfte auf die Trimm
position aus, die sich an dem Stellantrieb äußern. Zum Ver
melden von unechten Fehlern in solchen Fällen wird die Feh
lererkennung während des Ausübens der Kraft durch den Pilo
ten blockiert. In diesem Fall besteht jedoch die Gefahr,
daß ein echter Stellantriebsfehler auftritt, daß der Pilot
den fehlerhaften Stellantrieb übersteuert und daß der Feh
ler genau zu der Zeit unbeachtet bleibt, zu der er abgefühlt
werden sollte.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
angegebenen Art so auszubilden, daß sie
Ausfälle während
einer Pilotübersteuerung nicht verdeckt, die Erzeugung von
unechten Fehleranzeigen nicht fördert, die Stellantriebs
leistungsfähigkeit nicht verschlechtert und zur Verwendung
bei einer großen Vielfalt von Stellantrieben geeignet ist.
Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentan
spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Gemäß der Erfindung wird die Position, die durch einen Flug
zeugstellantriebsregelkreis auf ein Positionsbefehlssignal
hin erzielt wird, mit dem Positionsanzeigesignal eines Stell
antriebsregelkreismodells verglichen, dem dasselbe Posi
tionsbefehlssignal zugeführt wird, wobei in dem Modell eine
veränderliche Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzung in Abhän
gigkeit von dem Grad erfolgt, mit dem der Stellantrieb dem
Modell vor- oder nacheilt, und weiter in Abhängigkeit davon,
ob Einwirkungen durch den Piloten den Stellantrieb über einen
Schwellenwert hinaus belasten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält das Modell
einen Rückführungskreis, der eine integrale Verstärkung des
veränderlich änderungsgeschwindigkeitsbegrenzten Rückfüh
rungsfehlers hat.
Die Anordnung nach der Erfindung kann in analoger oder digi
taler Form implementiert werden, im letzteren Fall bei
spielsweise mit einem geeignet programmierten Digitalcomputer.
Die Anordnung nach der Erfindung läßt sich leicht an eine
Vielfalt von Stellantrieben verschiedener Typen und Funktio
nen anpassen. Die Anordnung nach der Erfindung schafft ein
maximales Vertrauen in den Stellantrieb mit einem Minimum
an Auswirkung auf die Systemleistungsfähigkeit. Die Anord
nung nach der Erfindung kann unter Verwendung von bekannten
Einrichtungen und Techniken an Hand der folgenden ausführ
lichen Beschreibung implementiert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un
ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher be
schrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild
eines Stellantriebsystems, in wel
chem die Fehlererkennungsanordnung
nach der Erfindung benutzt wird,
Fig. 2 ein Schaltbild eines Beispiels
einer Grenzwerteinstellschaltung,
die in der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform der Erfindung ver
wendbar ist, und die
Fig. 3 und 4 ein vereinfachtes Flußdiagramm
einer Computerprogrammroutine für
eine Digitalausführungsform der
Erfindung.
In der in Fig. 1 als Beispiel dargestellten Ausführungsform
enthält ein Flugzeugsteuerungsstellantriebssystem einen Hub
schraubertrimmstellantriebsregelkreis 10, bei dem ein durch
den Piloten betätigter Steuerknüppel 12 über ein mechanisches Gestänge 13, im folgenden als mechani
sche Verbindung 13 bezeichnet, mit einem Servomotor 14 verbunden ist,
der in Abhängigkeit von einer nicht dargestellten Hydraulik
druckquelle die mechanische Eingabe über die Verbindung 13
verstärkt, so daß eine mechanische Verbindung 15 bewegt wird,
die den Einstellwinkel von Rotorblättern steuert, und zwar in
Abhängigkeit von der besonderen Fluglageachse des Hubschrau
bers, in der die zugehörige Bewegung des Steuerknüppels 12
dominiert. Bei dem Steuerknüppel 12 kann es sich beispiels
weise um den Steuerknüppel für die periodische Blattverstel
lung und deshalb für die periodische Längssteuerung oder
die periodische Quersteuerung des Hauptrotors handeln; ande
rerseits kann es sich bei dem dargestellten Steuerknüppel
12 um den Hebel für die periodische Blattverstellung oder
um Pedale handeln, die den Einstellwinkel der Heckrotorblät
ter steuern und dadurch das Flugzeug in bezug auf seine
Gierachse ausrichten.
Gemäß der zur Veranschaulichung dienenden vereinfachten
Darstellung in Fig. 1 ist die Verbindung 13 mit
einem Trimmstellantrieb 16 elastisch verbunden, was zu Ver
anschaulichungszwecken in Fig. 1 durch eine Feder 17 darge
stellt ist. Der Stellantrieb 16 kann einen Hydraulikkolben
enthalten, der durch Hydraulikdruck aus einer Quelle (nicht
dargestellt) in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal
positionierbar ist, das an ein Stellventil 18 immer dann
angelegt wird, wenn das Ventil 18 mit der Hydraulikquelle
durch ein Einschaltventil 19 verbunden ist. Durch Verstel
len des Kolbens innerhalb des Stellantriebs 16 (entweder
nach rechts oder nach links wie in Fig. 1 gezeigt) wird die
Position der Verbindung 13 geändert, auf die eine neutrale
Kraft durch die Feder 17 ausgeübt wird. Diese Position
wird hier als Trimmposition bezeichnet. Wenn das Flugzeug
mit einer Flugregelanlage betrieben wird und wenn der Pilot
keine Kraft auf den Steuerknüppel 12 ausübt, wird der Trimmstellan
trieb 16 über seine elastische Verbindung 17 die mechani
sche Verbindung 13 auf eine Verstärkung durch den Servomotor
14 einstellen, um dadurch die Rotorsteuervorrichtungen zu
positionieren. Der Pilot kann jedoch die automatische Anlage
übersteuern, indem er eine geeignete Kraft ausübt, durch die
die elastische Stellantriebseinwirkung auf die Verbindung 13
überwunden wird, wobei diese Kraft von dem Grad der über
steuerung, der erforderlich ist, abhängig ist.
Die Ist- oder tatsächliche Trimmposition wird durch einen
Positionsdetektor 20, bei dem es sich um ein Potentiometer
oder um einen linear veränderbaren Differentialtransforma
tor handeln kann, abgefühlt, der ein Trimmpositionssignal
auf einer Leitung 21 liefert. Das Trimmpositionssignal auf
der Leitung 21 wird zu einem Summierpunkt 22 zurückgeführt,
der den Eingang eines Verstärkers 23 bilden kann, um von
einem Positionsbefehlssignal, d. h. einer Führungsgröße, auf
einer Leitung 24 subtrahiert zu werden. Der Verstärker 23
steuert das Stellventil 18 an, damit sich der Trimmstellantrieb 16
in eine gewünschte Trimmposition bewegt. Das Positionsbe
fehlssignal auf der Leitung 24 wird durch ein Autopilot
system erzeugt, mit oder ohne darin enthaltene Stabilitäts
erhöhungssignale, so daß der Hubschrauberflug automatisch
geregelt wird, wenn das System eingeschaltet ist, wie durch
ein Signal auf einer Leitung 25, das eine bistabile Vor
richtung 26 setzt, die ein Signal auf einer Leitung 27 lie
fert, mit dem das Einschaltventil 19 betätigt wird. Die bis
hierher gegebene Beschreibung bezieht sich auf einen typi
schen Hubschraubertrimmstellantriebsregelkreis, der dem
Giertrimmstellantrieb gleicht, welcher aus der US-PS
42 06 891 bekannt ist.
Gemäß der Erfindung liefert ein adaptives Stellantriebsmo
dell 30 ein Modellpositionssignal auf einer Leitung 31 zur
Subtraktion von dem Trimmpositionssignal auf der Leitung
21 in einem Summierpunkt 32, um ein Gleichlauffehlersignal
auf einer Leitung 33 zu erzeugen. Das Gleichlauffehlersig
nal auf der Leitung 33 kann an einen Fenstervergleicher 34
angelegt werden, um festzustellen, ob sein Absolutwert
± Schwellenwerte übersteigt, die durch Bezugsspannungen in
dem Fenstervergleicher 34 geliefert werden, der dann ein
Signal über eine Leitung 35 direkt und über eine Verzöge
rungsschaltung 36 an eine UND-Schaltung 37 anlegt. Wenn das
Signal auf der Leitung 35 während der gesamten Periode der
Verzögerungsschaltung 36 vorhanden ist, wird das Ausgangs
signal der Verzögerungsschaltung 36 auf der Leitung 38 an
dem Eingang gleichzeitig mit dem Signal auf der Leitung 35
vorhanden sein. In diesem Fall wird die UND-Schaltung 37
ein Fehlersignal auf einer Leitung 40 erzeugen. Die Verwen
dung der Verzögerungsschaltung 36 und der UND-Schaltung 37
gewährleistet, daß kein Fehler angezeigt wird, wenn nicht
das Gleichlauffehlersignal eine gewisse Zeitspanne, bei
spielsweise 250 ms, überdauert, wodurch die Erzeugung von
unechten Fehleranzeigen als Ergebnis von Rauschen vermieden
und außerdem der Bewegung des Trimmstellantriebs 16 (obgleich nicht not
wendigerweise dessen Position) gestattet wird, sich zu sta
bilisieren, bevor irgendwelche Fehler abgefühlt werden. Ein
langsames Ansprechen aufgrund von anfänglicher Reibung od.
dgl. wird deshalb keine unechten Fehler erzeugen.
Das Modell 30 spricht auf die Differenz zwischen dem Posi
tionsbefehlssignal auf der Leitung 24 und dem Modellposi
tionssignal auf der Leitung 31 an, die durch einen Summier
punkt 41 geliefert wird. Diese liefert ein Modellfehlersig
nal auf einer Leitung 42, welches durch eine mit Bezug auf
Fig. 2 ausführlicher beschriebene Grenzwert- oder Begrenzungseinstell
schaltung 43 hindurchgeleitet wird, deren Ausgangssignal über
eine Leitung 44 an einen integrierenden Verstärker 45 an
gelegt wird, welcher das Modellpositionssignal auf der Lei
tung 31 erzeugt. Der integrierende Verstärker 45 liefert
auf der Leitung 31 eine Integration des Positionsfehlers
analog der tatsächlichen Bewegung des Stellantriebs 16, der
diese Integration über der Zeit vornimmt. Zusätzlich zu dem
Modellfehlersignal auf der Leitung 42 spricht die Grenzwert
einstellschaltung 43 auf ein Rohgrenzwertvariablen- oder Grundgrenzwert
änderungssignal auf einer Leitung 46 an, das von einem Verstärker 47 ge
liefert wird, der das Gleichlauffehlersignal auf der Leitung
33 in geeigneter Weise skaliert, wie im folgenden noch näher
beschrieben. Die Verwendung eines Differentialquotienten des
Gleichlauffehlersignals auf der Leitung 33 hat zur Folge,
daß die Stellantriebsfehlererkennung durch die Anordnung
nach der Erfindung adaptiv ist, d. h. sie ist von dem Gleich
lauffehler abhängig, der als die Differenz zwischen der tat
sächlichen Trimmposition und der erwarteten Trimmposition
(Modellposition) abgefühlt wird, die die Erzeugung der Modellpo
sition steuert. Die Grenzwerteinstellschaltung 43 spricht
außerdem auf ein Nichtpilotübersteuerungssignal auf einer
Leitung 50 an, das durch einen Fenstervergleicher 51 immer
dann erzeugt wird, wenn ein Positionsdifferenzsignal auf
einer Leitung 52 eine vorbestimmte Größe in der einen oder
anderen Richtung übersteigt, die durch geeignete Bezugs
spannungen innerhalb des Fenstervergleichers 51 festgesetzt
wird. Das Signal auf der Leitung 52 ist die von einem Sum
mierpunkt 53 gelieferte Differenz zwischen dem Trimmposi
tionssignal auf der Leitung 21 und einem Steuerknüppelpo
sitionssignal auf der Leitung 54 aus einem Positionsdetek
tor 55, der die Position der mechanischen Verbindung 13 ab
fühlt. Die Differenz in den Signalen auf den Leitungen 21
und 54 ist deshalb eine Anzeige der Differenz zwischen der
Verbindungstrimmposition und der Istverbindungsposition und
gibt den Grad der Übersteuerung durch Bewegung des Steuer
knüppels 12 durch den Piloten an, die sich äußert. Der Fen
stervergleicher 51 kann so eingestellt werden, daß er das
Nachtpilotübersteuerungssignal auf der Leitung 50 solange
bildet, wie die Differenz in den Signalen auf den Leitungen
21 und 54 weniger als etwa 8,90 N an auf den Steuerknüppel
12 ausgeübter Kraft darstellt. Andererseits, wenn das
Stellantriebssystem, bei dem die Erfindung benutzt werden
soll, sich auf die Gierachse eines Hubschraubers bezieht,
könnte das Nachtpilotübersteuerungssignal auf der Leitung 50
einfach immer dann erzeugt werden, wenn die Pedalauslöse
schalter geschlossen sind, was anzeigt, daß der Pilot
nicht versucht, die Pedale entgegen der Trimmposition zu
bewegen.
Allgemein sorgt die Grenzwerteinstellschaltung 43 für
eine Begrenzung der Größe des Modellfehlersignals auf
der Leitung 42, bevor dieses über die Leitung 44 an den
integrierenden Verstärker 45 angelegt wird. In dem allge
meinen Fall, beispielsweise wenn der Trimmstellantrieb 16 in einer
gewünschten Position ist, die mit der Modellposition über
einstimmt, wird die Grenzwerteinstellschaltung 43 Nenn
grenzwerte sowohl in der Plus- als auch in der Minusrichtung
haben. Diese Grenzwerte können Stellantriebsbewegungsge
schwindigkeiten von beispielsweise ±10% der vollen Steuer
knüppelverstelleinheit pro Sekunde äquivalent sein. Diese Ge
schwindigkeit wird gleich der Nenngeschwindigkeit des Stell
antriebs 16 gewählt. In dem Fall von Trimmstellantrieben,
die in der Lage sind, den vollen Verstellhub auszuführen,
beispielsweise wenn sie durch Autopilotsignale angesteuert
werden, wird die Geschwindigkeit, mit der der Stellantrieb
die Verstellung ausführen kann, normalerweise so begrenzt,
daß sie in dem Bereich von 10-20% der vollen Verstellbar
keit pro Sekunde liegt. Dadurch wird jedwede Tendenz für
einen schädlichen Endausschlagsbetrieb der Steuervorrichtun
gen als Ergebnis von fehlerhaften elektrischen Positions
befehlssignalen vermieden.
Die Grenzwerteinstellschaltung 43 ist jedoch gemäß der Er
findung adaptiv, weil die Nenngeschwindigkeitsgrenzwerte
kontinuierlich veränderlich in Abhängigkeit von der Größe
des Gleichlauffehlersignals auf der Leitung 33 eingestellt
werden. Wenn sich der Stellantrieb 16 mit einer Geschwindig
keit bewegt, die größer als die des Modells ist, weil die
Belastung sehr gering ist, eilt der Stellantrieb 16 somit dem
Modell vor, so daß die Grenzwerte des Modellfehlersignals
erhöht (gelockert) werden können, um dem Modell zu gestat
ten, einen schnelleren Stellantrieb darzustellen und des
halb dem Betrieb des echten Stellantriebs enger zu folgen.
Wenn das Gleichlauffehlersignal auf der Leitung 33 null
ist, wird im allgemeinen die Grenzwerteinstellschaltung 43
die Nenngrenzwerte haben. Wenn das Modell dem Stellantrieb 16
exakt folgt, d. h. mit ihm in Gleichlauf ist, und zwar auf
sich ständig ändernde Positionsbefehlssignale auf der Lei
tung 24 hin, wird das Modellfehlersignal auf der Leitung 42
(das aufgrund der Veränderung in dem Eingangsbefehl endlich
sein wird) durch die Schaltung 43 deshalb intakt hindurch
gehen, sofern es nicht positiver als der positive Nenngrenz
wert oder negativer als der negative Nenngrenzwert ist.
Wenn aber, was üblicherweise der Fall ist, das Modell und
der Stellantrieb 16 nicht völlig im Gleichlauf sind, wird ein
endliches Gleichlauffehlersignal auf der Leitung 33 vorhan
den sein. Wenn dieses Signal positiv ist und das Positions
befehlssignal eine positivere Position verlangt, so zeigt
das an, daß der Stellantrieb 16 unter extrem geringer Bela
stung und deshalb mit einer Geschwindigkeit arbeitet, die
größer als die Nenngeschwindigkeit des Modells ist. Die
Grenzwerteinstellschaltung 43 wird deshalb für das Modell
fehlersignal Grenzwerte bilden, die höher als die Nenngrenz
werte sind. In dem Fall von zunehmend positiven Befehlen
wird das Modellfehlersignal immer positiv sein, weshalb die
positive Seite der Grenzwerteinstellschaltung wirksam sein
wird. Andererseits, wenn das Gleichlauffehlersignal 33 in
einem solchen Fall negativ ist, so würde das eine stärkere
Belastung des Stellantriebs 16 anzeigen, aufgrund der dieser
mit einer Geschwindigkeit arbeitet, die kleiner als die Mo
dellgeschwindigkeit ist, und dieses negative Signal wird
bewirken, daß die Grenzwerteinstellschaltung 43 die durch
sie hindurchgeleiteten positiven Modellfehlersignale stärker
begrenzt (d. h. diesen einen niedrigeren Grenzwert gibt).
In Abhängigkeit von der Richtung des Positionsbefehls selbst
(für eine zunehmende Position oder eine abnehmende Position
im Vergleich zu der gegenwärtigen Position des Trimmstell
antriebs 16 und des Modells) werden somit positive Gleichlauf
fehler eine größere Stellantriebsgeschwindigkeit anzeigen
und einen höheren Grenzwert verursachen, wohingegen negative
Gleichlauffehler eine niedrigere Stellantriebsgeschwindig
keit anzeigen und einen niedrigeren Änderungsgeschwindig
keitsgrenzwert in dem Modell verursachen. Wenn aber die
Positionsbefehle zunehmend negativ sind, dann zeigen nega
tive Gleichlauffehler an, daß der Stellantrieb 16 mit einer
größeren Geschwindigkeit (geringeren Belastung) arbeitet
und deshalb dem Modell voreilt, und verursachen eine Erhö
hung in der zulässigen Änderungsgeschwindigkeit innerhalb
des Modells.
Eine als Beispiel herangezogene Schaltung, die an sich nicht
Teil der Erfindung ist, zum Implementieren der Grenzwert
einstellschaltung der Anordnung nach der Erfindung ist in
Fig. 2 dargestellt. Dort wird das Modellfehlersignal auf
der Leitung 42 durch einen Trennverstärker 60 hindurchgelei
tet, der zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung als
nichtinvertierender Verstärker angenommen wird. Der Ausgang
des Verstärkers 60 ist mit der Grenzwerteinstellschaltung
verbunden, so daß er das änderungsgeschwindigkeitsbegrenzte
Fehlersignal auf der Leitung 44 liefert. Es wird zuerst der
Fall betrachtet, in welchem das Gleichlauffehlersignal auf
der Leitung 33 null ist, so daß nur die Nenngrenzwerte ge
bildet werden. Der positive Nenngrenzwert wird durch eine
Z-Diode 61 in Reihe mit einer unilateralen Impedanz in Form
einer Diode 62 gebildet, die mit einem Bezugspotential in
einem Punkt 63 verbunden ist. Wenn das Gleichlauffehlersig
nal auf der Leitung 33 null ist, befindet sich der Bezugs
punkt 63 auf dem Massepotential null. Die Z-Diode ist so
gewählt, daß sie in Sperrichtung einen Spannungsabfall hat,
der den gewünschten Nenngrenzwert darstellt, den die Span
nung an der Signalleitung 44 haben wird, wenn sie eine Po
sitionsänderungsgeschwindigkeit von etwa 10% der vollen Ver
stellbarkeit (authority) pro Sekunde darstellt. Wenn der Bezugspunkt 63
auf Masse- oder Nullpotential ist, wird daher die Signal
leitung 44 den positiven Nenngrenzwert führen. Ebenso wer
den Signale in der negativen Richtung mit einem geeigneten
negativen Nenngrenzwert durch eine Z-Diode 65 geliefert,
die die gleiche Diode wie die Z-Diode 61 sein kann, aber
entgegengesetzt gepolt in Reihe mit einer unilateralen Im
pedanz in Form einer Diode 66 an einen Bezugspunkt 67 ange
schlossen ist. Ebenso befindet sich, wenn kein Gleichlauf
fehlersignal auf der Leitung 33 vorhanden ist, der Bezugs
punkt 67 auf Null- oder Massepotential, so daß das ände
rungsgeschwindigkeitsbegrenzte Fehlersignal auf der Lei
tung 44 auf einen Wert begrenzt wird, der gleich einer
Stellantriebsverstellgeschwindigkeit in der Größenordnung
von -10% der vollen Verstellbarkeit pro Sekunde ist.
Der veränderliche Grenzwert wird erhalten, indem die Po
tentiale der Bezugspunkte 63, 67 eingestellt werden. Diese
Punkte werden in Abhängigkeit von dem Grundgrenzwertände
rungssignal auf der Leitung 46 eingestellt, welches genau
eine skalierte Funktion des Gleichlauffehlersignals auf der
Leitung 33 in Fig. 1 ist. Für den Augenblick sei angenommen,
daß das Gleichlauffehlersignal zu einer Zeit positiv ist,
zu der der Stellantrieb 16 in zunehmend positive Positionen
verstellt wird. Gemäß obiger Beschreibung wird, wenn die
Positionsbefehlssignale auf der Leitung 24 (Fig. 1) zuneh
mend positive Positionen verlangen, das Modellfehlersignal
auf der Leitung 42 positiv sein. Das Grundgrenzwertverände
rungssignal auf der Leitung 46 ist von dem Gleichlauffehler
signal abhängig und wird unter der Annahme, daß keine weite
ren Inversionen erfolgen, positiv sein, da der Stellantrieb
dem Modell voreilt (bei einer geringen Belastung), weshalb
der Nenngrenzwert vergrößert werden sollte, wofür es er
forderlich ist, das Potential an dem Bezugspunkt 63 zu ver
größern. Das Grundgrenzwertveränderungssignal auf der Lei
tung 46 wird durch einen invertierenden Verstärker 72 hin
durchgeleitet, so daß eine negative Version desselben auf
einer Leitung 73 erscheint, die an den negativen Eingang
eines Rückkopplungsverstärkers 74 angelegt wird, was zur
Folge hat, daß dessen Ausgangssignal auf einer Leitung 75
positiver als das Massepotential wird. Das positive Signal
wird über einen Rückkopplungswiderstand 76 rückgekoppelt,
der so gewählt werden kann, daß er den gleichen Wert wie
ein Eingangswiderstand 77 hat, so daß die Verstärkung eins
beträgt. Wenn jedoch das Signal auf der Leitung 75 die
Sperrspannung der Z-Diode 78 übersteigt, wird die Spannung
auf der Leitung 75 auf diese Spannung festgeklemmt. Die
Schwellenspannung der Z-Diode 78 kann gleich demjenigen
Bruchteil der Schwellenspannung der Z-Diode 61 genommen
werden, um den die zulässige Voreilung in dem veränderli
chen Grenzwert in einer positiven Richtung erwünscht ist,
im Vergleich zu dem Nenngrenzwert. Wenn beispielsweise ein
Nenngrenzwert von 10% der Verstellbarkeit pro Sekunde und ein
Entwurfsziel angenommen werden, das diesem Nenngrenzwert
gestattet, 15% der Verstellbarkeit pro Sekunde zu erreichen so
kann die Z-Diode 61 eine Durchbruchspannung haben, die
doppelt so groß ist wie die der Z-Diode 78. Wenn dieser
Schwellenwert erreicht wird, werden zwei weitere Z-Dioden
79, 80 in Reihe mit der Z-Diode 78 in Durchlaßrichtung be
trieben, weshalb sie und/oder ein Schalter 81 leiten werden.
Die Rückkopplung wird so auf die Spannung begrenzt, die
durch die Z-Diode 78 festgesetzt wird, und steuert daher
das Ausmaß, um das das Potential an dem Bezugspunkt 63 er
höht werden kann, was außerdem zur Folge hat, daß die Span
nung an der Leitung 44 in einem entsprechenden Ausmaß er
höht wird, bevor die Z-Diode 61 in Sperrichtung betrieben
wird. In Abhängigkeit von der Größe des Grundgrenzwertver
änderungssignals auf der Leitung 46 kann der Bezugspunkt 63
in seinem Potential erhöht werden, und zwar in jedem Ausmaß
bis zu dem Durchbruchpotential der Z-Diode 78, von welchem
an es nicht weiter ansteigen kann. Das ergibt eine positive
Zunahme des Grenzwerts, durch die die Voreilung des Stell
antriebs 16 gegenüber dem Modell berücksichtigt wird, wenn so
wohl das Gleichlauffehlersignal als auch das Modellfehler
signal positiv sind (und ein zunehmendes Positionsbefehls
signal auf der Leitung 24 in Fig. 1 anzeigen).
Es sei nun jedoch angenommen, daß das Grundgrenzwertände
rungssignal auf der Leitung 46 negativ ist. Das wird sich
aus einem negativen Gleichlauffehlersignal auf der Leitung
33 (Fig. 1) ergeben, was anzeigt, daß der Stellantrieb 16 dem
Modell nacheilt (d. h. eine Geschwindigkeit hat, die
niedriger ist als die Nenngeschwindigkeit des Mo
dells). In diesem Fall wird das negative Grundgrenzwertän
derungssignal auf der Leitung 46 wieder durch den Verstär
ker 72 invertiert, damit sich ein positives Signal auf der
Leitung 73 ergibt. Das wird zu einem negativen Signal auf
der Leitung 75 führen, welches gleich dem Grundgrenzwertän
derungssignal auf der Leitung 46 ist, wodurch der Bezugs
punkt 63 negativer angesteuert wird, so daß niedrigere Span
nungen an der Leitung 44 die Z-Diode 61 zum Leiten bringen.
Wenn das Signal auf der Leitung 75 ausreichend negativ wird,
wird jedoch das Sperrpotential für die Z-Diode 79 über
schritten (wobei angenommen ist, daß dieses gleich dem Po
tential der Z-Diode 78 ist) und unter der Annahme, daß das
Nichtpilotübersteuerungssignal auf der Leitung 50 vorhanden
ist, werden das Vorwärtsleiten über die Diode 78, das Rück
wärtsleiten über die Diode 79 und das Leiten über den Schal
ter 81 einen Grenzwert in der Spannung an dem Widerstand 76
hervorrufen und dadurch das Ausgangssignal auf der Leitung
75 auf einem gewünschten Wert festklemmen, welcher eine
Spannung ist, die in dem hier beschriebenen Beispiel gleich
-5% der vollen Verstellbarkeit pro Sekunde ist. Die Schaltungs
anordnung 72-81 wird nun das Erhöhen oder Verringern des
positiven Nenngrenzwertes um bis zu einem gewünschten Bruch
teil desselben, wie beispielsweise der Hälfte in dem hier
beschriebenen Beispiel, gestatten.
Es werde der Fall betrachtet, in welchem der Pilot in einem
Ausmaß, das über den Schwellenwert hinausgeht, auf den
Steuerknüppel 12 drückt, was bedeutet, daß der Pilot das Trimm
system übersteuert. Das wird, wie oben mit Bezug auf Fig. 1
beschrieben, zur Folge haben, daß das Nichtpilotübersteue
rungssignal auf der Leitung 50 verschwindet, so daß der
Schalter 81 nun geöffnet wird. In diesem Fall wird der
Stellantrieb 16 unveränderlich dazu tendieren, dem Modell
nachzueilen, was bedeutet, daß der Gleichlauffehler auf der
Leitung 33 (für zunehmende Positionsbefehle auf der Leitung
24) negativ sein wird. Das bedeutet, daß das Grundgrenzwert
änderungssignal auf der Leitung 46 negativ sein wird, was
ein positives Eingangssignal auf der Leitung 73 an dem Ver
stärker 74 und somit ein negatives Signal auf der Leitung
75 zur Folge hat. In diesem Fall ist aber der Schalter 81
offen, so daß das Rückwärtsleitungspotential von beiden
Dioden 79 und 80 akkumulativ überwunden werden muß (d. h.
die Summe ihrer Rückwärtsleitungsspannungen), bevor die
Dioden 78-80 den Widerstand 76 kurzschließen können. Unter
der Annahme, daß die Z-Diode 80 so gewählt worden ist, daß
sie dasselbe Durchbruchpotential wie die Z-Dioden 78, 79
hat (die Hälfte des Durchbruchpotentials der Z-Diode 61),
kann das Signal auf der Leitung 75 so negativ wie das Durch
bruchpotential der Z-Diode 61 werden, so daß jedes positive
Signal (nahe 0 V) den Durchbruch der Z-Diode 61 verursachen
kann; das hat die vollständige Begrenzung des änderungsge
schwindigkeitsbegrenzten Fehlersignals auf der Leitung 44
auf null Volt zur Folge. Wenn das Gleichlauffehlersignal
groß genug ist, wenn der Pilot das System übersteuert, kann
somit das änderungsgeschwindigkeitsbegrenzte Fehlersignal
auf der Leitung 44 auf einem niedrigen Wert von null gehal
ten werden, so daß das Ausgangssignal des integrierenden
Verstärkers 45 in gewissem Sinn konstant bleiben wird, und
jede Bewegung des Stellantriebs 16 wird deshalb in der Lage
sein, das Gleichlauffehlersignal auf der Leitung 33 zu ver
ringern. Das bedeutet, daß das Modell statisch gehalten
werden kann, um dem Stellantrieb 16 zu gestatten, während der
Übersteuerung durch den Piloten Schritt zu halten. Im nor
malen Fall braucht der Pilot den Stellantrieb 16 nicht voll
ständig zu übersteuern, weshalb der Nenngrenzwert je nach
Bedarf auf irgendeinen kleinen, von null verschiedenen Wert
verringert werden kann.
Es sei der Fall betrachtet, in welchem der Befehl und das
Grundgrenzwertänderungssignal auf der Leitung 46 jeweils
negativ sind. Das ist genau das Gegenteil des Falles, in
welchem sowohl der Befehl als auch das Grundgrenzwertände
rungssignal positiv sind: d. h., es zeigt an, daß der Stell
antrieb 16 dem Modell aufgrund geringer Belastung an dem
Stellantrieb 16 im Vergleich zum Nennwert voreilt. In diesem
Fall bewirkt ein negatives Grundgrenzwertänderungssignal
auf der Leitung 46 ein positives Signal auf der Leitung 73
an dem invertierenden Eingang eines Verstärkers 90, so daß
ein negatives Signal über die Verstärkerausgangsleitung 91
abgegeben wird. Das negative Signal wird eine Größe haben,
die in Beziehung zu dem Grundgrenzwertänderungssignal steht,
sofern es nicht den gewünschten negativen veränderlichen
Grenzwert übersteigt. Wenn der Bezugspunkt 67 weiter ins
Negative gesteuert wird, so bedeutet das, daß die änderungs
geschwindigkeitsbegrenzten Fehlersignale auf der Leitung 44
negativer sein werden, bevor es zum Rückwärtsleiten der
Z-Diode 65 kommt. Unter der Annahme einer Z-Diode 92, die
eine Rückwärtsleitungsspannung hat, welche halb so groß ist
wie die der Z-Diode 65 (z. B. gleich den 5% an Verstellbarkeit
pro Sekunde), so wird, wenn das Signal auf der Leitung 91
diesen Schwellenwert übersteigt, die Z-Diode 92 leiten, und
die Z-Diode 93 zusammen mit einer Z-Diode 94 und/oder einem
Schalter 95 werden ebenfalls leiten, wodurch die Rückkopp
lungsspannung an einem Widerstand 96 auf diejenige begrenzt
wird, die bewirkt, daß der Inverter 90 ein negatives Signal
liefert, das dem Ansteigen des negativen Grenzwerts um die
Hälfte des negativen Nenngrenzwerts (in dem hier beschrie
benen Beispiel) äquivalent ist. Ebenso, wenn das Modellfeh
lersignal auf der Leitung 42 negativ ist, was zunehmend
negative Positionsbefehle anzeigt, und wenn das Grundgrenz
wertänderungssignal auf der Leitung 46 positiv ist, so be
deutet das, daß der Stellantrieb dem Modell in seiner nega
tiven Bewegung nacheilt, so daß das Modell (in der negati
ven Richtung) verringert werden sollte. Ein positives
Grundgrenzwertänderungssignal auf der Leitung 46 wird des
halb ein negatives Signal an dem Eingang des Verstärkers 90
bewirken, was zu einem positiven Signal auf der Verstärker
ausgangsleitung 91 führt.
Dieses steuert den Bezugspunkt 67 weiter ins Positive, so
daß die änderungsgeschwindigkeitsbegrenzten Fehlersignale
auf der Leitung 44 mit einem kleineren negativen Wert be
züglich des positiven Bezugspunktes 67 den Rückwärtslei
tungsschwellenwert der Z-Diode 65 übersteigen werden. Wenn
die Signalleitung 91 ausreichend positiv wird, um den
Rückwärtsleitungsschwellenwert der Z-Diode 93 zu über
steigen, werden die Z-Diode 92, die Z-Diode 93 zusammen
mit der Z-Diode 94 und/oder dem Schalter 95 leiten und die
Rückkopplungsspannung auf diejenige begrenzen, die eine
Spannung an der Leitung 91 ergibt, welche gleich dem Rück
wärtsleitungsschwellenwert der Z-Diode 93 ist, wie bei
spielsweise eine Geschwindigkeit von -5% Verstellung pro
Sekunde in dem hier beschriebenen Beispiel. Wenn aber der
Schalter 95 durch das Nichtvorhandensein des Nichtpilotüber
steuerungssignals auf der Leitung 50 geöffnet ist, dann ist
das doppelte der Sperrspannung erforderlich, um beide Z-Dio
den 93, 94 in Reihe zu betreiben, bevor die Spannung an der
Leitung 91 begrenzt wird. Wenn diese beiden Z-Dioden einen
Rückwärtsleitungsschwellenwert haben, der halb so groß ist
wie der der Z-Diode 65, so bedeutet das, daß der Bezugspunkt
67 in gleichem Maße wie der Rückwärtsleitungsschwellenwert
der Z-Diode 65 positiv werden kann, so daß negative Signale
selbst geringster Größe zum Leiten der Z-Diode 65 führen.
Mit einer Pilotübersteuerung kann daher die Größe des Grund
grenzwertänderungssignals auf der Leitung 46 bis zu dem
Punkt der totalen Begrenzung des änderungsgeschwindigkeits
begrenzten Fehlersignals auf der Leitung 44 benutzt werden,
so daß der integrierende Verstärker 45 (Fig. 1) kein Ein
gangssignal haben und das Modell stillstehen und warten
wird, bis der Stellantrieb 16 zu ihm aufschließt, wie oben be
schrieben, wenn der Pilot den Stellantrieb 16 durch die
Steuerknüppelbewegung zum Stillstand oder beinahe zum Still
stand gebracht hat.
Die adaptive Stellantriebsfehlererkennungsanordnung, die in
Fig. 1 dargestellt ist und die Grenzwerteinstellschaltung
von Fig. 2 enthält, kann bei Bedarf digital implementiert
werden.
Eine digitale Ausführungsform der adaptiven Stellantriebs
fehlererkennungsanordnung nach der Erfindung kann gemäß den
Computerprogrammroutinen implementiert werden, die in ver
einfachter Form in den Fig. 3 und 4 dargestellt sind. In
Fig. 3 wird eine Stellantriebsfunktionsfähigkeitsroutine
über einen Eingangspunkt 100 erreicht, und ein erster Test
stellt fest, ob das Trimmsystem (d. h. das System, das den
Stellantrieb 16 von Fig. 1 betätigt und steuert) ausgefal
len ist. Wenn das der Fall ist, lautet das Ergebnis eines
Tests 101 JA, und die Stellantriebsfunktionsfähigkeitsrou
tine wird über einen Rückkehrpunkt 102 umgangen, der den
Computer anweisen wird, mit anderen Programmroutinen fort
zufahren, die sich nicht auf die Stellantriebsfunktionsfä
higkeit beziehen. Wenn das Trimmsystem aber nicht ausgefal
len ist, wird ein negatives Ergebnis des Tests 101 zu einem
Test 103 führen, in welchem festgestellt wird, ob das Trimm
system eingeschaltet ist. Wenn es nicht eingeschaltet ist,
wird in einem Schritt 104 ein Modellpositionswert (äquiva
lent dem Ausgangssignal des Modells auf der Leitung 31 in
Fig. 1) gleich dem Positionsbefehl (dem Eingangssignal auf
der Leitung 24 in Fig. 1) gesetzt. In einem Schritt 105
wird ein positiver Grenzwert gleich dem Nenngrenzwert ge
setzt (wie beispielsweise gleich einem Nennstellantriebs
änderungsgeschwindigkeitsgrenzwert von +10% der vollen
Stellantriebsverstellung pro Sekunde), und in einem Schritt
106 wird ein negativer Grenzwert gleich dem Kehrwert des
positiven Grenzwerts gesetzt. Die Schritte 104-106 bewir
ken dadurch, daß die Stellantriebsfunktionsfähigkeitsrou
tine ständig mit den Nennänderungsgeschwindigkeitsgrenzwer
ten und einer akkumulierten Modellposition gleich dem gegen
wärtigen Positionsbefehl initialisiert wird. Wenn das Trinm
system eingeschaltet wird, wird das Modell daher mit dem
selben Eingangssignal wie der Stellantrieb und mit den Nenn
grenzwerten beginnen.
Nachdem das Trimmsystem eingeschaltet worden ist, so wird,
vorausgesetzt, daß das System nicht ausfällt, wie im fol
genden beschrieben, jeder Durchlauf durch das Computerpro
gramm (beispielsweise einmal pro 50 ms in einem Hauptcompu
terzyklus) den Eingangspunkt 100 erreichen, der Test 101
wird negativ sein und der Test 103 wird positiv sein, so
daß die Stellantriebsfunktionsfähigkeitsroutine tatsächlich
ausgeführt wird.
In Fig. 3 wird in einem Test 107 festgestellt, ob der Abso
lutwert der Differenz zwischen der Steuerknüppelposition
und der Trimmposition größer als 8,90 N (2 lbs) ist; wenn
das der Fall ist, wird in einem Schritt 108 ein Pilotüber
steuerungszeichen gesetzt. Das ist der Funktion des Summier
punkts 53 und des Fenstervergleichers 51 in Fig. 1 äquiva
lent. Dann liefert ein Schritt 109 den Gleichlauffehlerwert
als Differenz zwischen der Trimmposition und der Modellpo
sition, äquivalent dem Summierpunkt 32 in Fig. 1. In einem
Schritt 110 wird die Grund- oder Rohgrenzwertvariable als
der Gleichlauffehler mal einem Verstärkungsfaktor festge
setzt, was dem Verstärker 47 in Fig. 1 äquivalent ist. Dann
wird in einem Schritt 110 a ein Modellfehlerwert erzeugt,
der gleich der Differenz zwischen dem Positionsbefehl und
der Modellposition ist, was dem Summierpunkt 41 in Fig. 1
äquivalent ist.
In der Digitalausführung, die in den Fig. 3 und 4 darge
stellt ist, wird ein einzelner variabler Grenzwert geschaf
fen, um zu dem Nenngrenzwert addiert oder von diesem sub
trahiert zu werden, äquivalent dem ersten Quadranten (d. h.
den positiven Grenzwerten, die gegenüber positiven Modell
fehlern wirksam sind, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt),
der die Funktion des Verstärkers 74 und der diesem zugeord
neten Schaltungsanordnung in Fig. 2 erfüllt. Das wird in
der Digitalausführung erreicht, indem festgestellt wird, ob
der Modellfehler negativ ist, und, wenn er es ist, das Vor
zeichen der Grundgrenzwertänderung oder Grundgrenzwertvari
ablen umgekehrt wird. Das ergibt die Grundgrenzwertvariable,
die nicht verändert wird, wenn der Modellfehler positiv ist,
und die, wenn der Modellfehler negativ ist, dieselbe Vor
zeichenbeziehung zu ihm haben wird, wie wenn der Modellfeh
ler positiv wäre. Die Grundgrenzwertvariable kann daher be
nutzt werden, um die variablen Grenzwerte (wie in Fig. 2)
zu erzeugen, als ob der Modellfehler positiv wäre, und kann
dann wieder umgewandelt werden, so daß sich eine Begrenzung
im vierten Quadranten ergibt, wenn der Modellfehler negativ
ist. Zu diesem Zweck wird in einem Test 111 in Fig. 3 fest
gestellt, ob der Modellfehler kleiner als null ist. Wenn dem
so ist, wird in einem Schritt 112 das Vorzeichen der Grund
grenzwertvariablen umgekehrt. Dann wird der grundlegende
variable Grenzwert (nur davon abhängig, ob der Gleichlauf
fehler anzeigt, daß der Stellantrieb dem Modell voreilt
oder nacheilt) gebildet, beginnend mit einem Test 113, in
welchem festgestellt wird, ob die Grundgrenzwertvariable
größer als +5% pro Sekunde ist. Wenn das der Fall ist, lie
fert ein Schritt 114 eine Grenzwertvariable, die gleich
einer Stellantriebsänderungsgeschwindigkeit von +5% der vol
len Verstellung pro Sekunde ist. Wenn aber der Test 113
negativ ist, dann wird in einem Test 115 festgestellt, ob
die Grundgrenzwertvariable negativer als eine Stellan
triebsänderungsgeschwindigkeit von -5% der vollen Stellan
triebsverstellung pro Sekunde ist. Wenn dem so ist, wird in
einem Schritt 116 eine Grenzwertvariable erzeugt, die gleich
einer Stellantriebsänderungsgeschwindigkeit von -5% der
vollen Verstellung pro Sekunde ist. Wenn aber beide Tests
113 und 115 negativ sind, erzeugt ein Schritt 117 eine
Grenzwertvariable, die gleich der Grundgrenzwertvariablen
ist.
In Fig. 3 besteht die nächste Funktion darin, festzustellen,
ob eine zusätzliche Begrenzung in der Nacheilrichtung er
wünscht ist oder nicht, weil der Pilot das Trimmsystem
übersteuert. In einem Test 118 wird das Pilotübersteuerungs
zeichen geprüft, das in dem oben erwähnten Schritt 108 gesetzt
worden sein kann. Wenn es gesetzt ist, wird die Grundgrenz
wertvariable in einem Test 119 überprüft, um festzustellen,
ob sie in der Voreilrichtung liegt (d. h. in der in Fig. 3
ausgeführten Einquadrantengrenzwerterzeugung größer als null
ist). Wenn dem so ist, wird ein Übersteuerungsgrenzwert in
einem Schritt 120 erzeugt, der gleich null ist. Das berück
sichtigt den Fall, in welchem, obgleich der Pilot übersteu
ert, der Stellantrieb 16 gegenüber dem Modell noch voreilt, so
daß eine zusätzliche Modellnacheilung nicht erforderlich
ist, um die Stellantriebsverlangsamung in Abhängigkeit von
Kräften zu berücksichtigen, die durch den Piloten auf die
Vorrichtung ausgeübt werden. Wenn keine Pilotübersteuerung
vorliegt, wird ein negatives Ergebnis des Tests 118 bewir
ken, daß in dem Schritt 120 ein Übersteuerungsgrenzwert von
null festgesetzt wird. Wenn der Test 119 negativ ist, dann
wird in einem Test 121 festgestellt, ob die Grundgrenzwert
variable eine Nacheilung anzeigt, die größer als 5% der vol
len Stellantriebsverstellung ist. Wenn dem so ist, wird in
einem Schritt 122 ein Übersteuerungsgrenzwertsignal erzeugt,
das gleich einer Nacheilung von 5% der Stellantriebsverstel
lung pro Sekunde ist. Wenn dem aber nicht so ist, wird der
Übersteuerungsgrenzwert in einem Schritt 123 so erzeugt, daß
er gleich der Grundgrenzwertvariablen ist. Der endgültige
Grenzwert für eine Einquadrantenbegrenzungsschaltung wird in
Fig. 3 in einem Schritt 124 erzeugt, der einen positiven
Grenzwert als Summe des Nenngrenzwerts, der Grenzwertvari
ablen, die in einem der Schritte 114, 116, 117 geliefert
wird, und des Übersteuerungsgrenzwerts erzeugt, der in einem
der Schritte 120, 122 oder 123 geliefert wird. Diese Schritte
erzeugen deshalb eine Grenzwertvariable, die eine gewisse
Funktion des Gleichlauffehlers ist, solange das Gesamter
gebnis nicht größer als 5% der Stellantriebsverstellung pro
Sekunde ist, plus einem zusätzlichen Übersteuerungsgrenz
wert nur in der Nacheilrichtung, wenn der Pilot dieses Sy
stem übersteuert, wobei der zusätzliche Übersteuerungs
grenzwert mit 5% der Verstellung in der Nacheilrichtung
zugelassen wird. Bei großen Gleichlauffehlern kann aber
ein Maximum von 5% Voreilung oder 5% Nacheilung auftreten,
wenn es zu keiner Übersteuerung kommt, in welchem Fall ein
Maximum von 10% Nacheilung auftreten kann. Der gesamte
Nenngrenzwert kann also beseitigt werden, was zur Folge
hat, daß das Signal fest auf null in dem Fall einer großen
Nacheilung begrenzt wird, wenn der Pilot das System über
steuert.
Das Stellantriebsfunktionsfähigkeitsprogramm geht vom unte
ren Ende in Fig. 3 über einen Übergangspunkt 125 zu dem obe
ren Ende in Fig. 4. Dort wird eine zusätzliche Überprüfung
des Gesamtwertes des Einquadrantenbegrenzers ausgeführt, um
zu gewährleisten, daß er zwischen null und 15% liegt. In
einem Test 126 wird festgestellt, ob der positive Grenzwert
eine Stellantriebsänderungsgeschwindigkeit von 15% der vol
len Verstellung pro Sekunde übersteigt. Wenn dem so ist,
wird in einem Schritt 127 der positive Grenzwert auf eine
Änderungsgeschwindigkeit von 15% pro Sekunde begrenzt. Wenn
aber der Test 126 negativ ist, wird in einem Test 128 fest
gestellt, ob der positive Grenzwert gleich irgendeiner ne
gativen Stellantriebsänderungsgeschwindigkeit ist. Wenn dem
so ist, wird der positive Grenzwert gleich null gesetzt
(was als eine Änderungsgeschwindigkeit von 0% an Verstellung
pro Sekunde angegeben ist), und zwar in einem Schritt 129.
Der Einquadrantenbegrenzer wird dann in einem Schritt 130 in
einen Zweiquadrantenbegrenzer umgewandelt, indem ein nega
tiver Grenzwert gleich dem Negativen des positiven Grenz
werts gesetzt wird.
An diesem Punkt ist nun die Stellantriebsfunktionsfähig
keitsroutine von Fig. 3 und 4 bereit, die Grenzwerte einzu
setzen. In Fig. 4 wird in einem Test 131 festgestellt, ob
der Modellfehler den positiven Grenzwert übersteigt (welches
der zusammengesetzte variable Grenzwert ist, der in Fig. 3
erzeugt wird). Wenn dem so ist, wird in einem Schritt 132
der Modellfehler gleich dem positiven Grenzwert gesetzt.
Wenn nicht, wird in einem Test 133 festgestellt, ob der Mo
dellfehler negativer als der negative Grenzwert ist. Wenn
dem so ist, wird in einem Schritt 134 der Modellfehler
gleich dem negativen Grenzwert gesetzt. Wenn aber der Test
133 negativ ist, wird ein Modellfehler so gelassen, wie er
ist, da er den geeigneten Grenzwert (entweder positiv oder
negativ, je nachdem, ob der Modellfehler entweder positiv
oder negativ ist) nicht übersteigt. Die Schritte 132 und
134 sind der Wirkung der Z-Dioden 61 bzw. 65 in Fig. 2
äquivalent, während die tatsächlichen Werte dieser Grenz
werte, die in Fig. 3 festgesetzt werden, dem Verändern des
Potentials der Bezugspunkte 63, 67 beim Verändern des Grenz
werts vom Nennwert aus äquivalent sind.
Nachdem der begrenzte Modellfehlerwert erzeugt worden ist
(welcher in Fig. 4 einfach der Modellfehlerwert ist, nach
dem die Tests 131 und 133 erreicht worden sind und die
Schritte 132 und 134 erreicht worden sein können, je nach
dem Wert), wird die Funktion des integrierenden Verstärkers
45 in Fig. 1 ausgeführt. Der Schritt 135 liefert ein Modell
positionsinkrement, welches der begrenzte Modellfehler mal
einem geeigneten Verstärkungsfaktor ist, äquivalent dem des
integrierenden Verstärkers 45 ln Fig. 1. In dem Schritt 136
wird dieses Inkrement zu dem vorher akkumulierten Wert der
Modellposition addiert, und zwar nach der bekannten Methode
der stückweisen Integration. Selbstverständlich können die
Werte Konstanten haben, die so festgesetzt sind, daß die
Inkremente eine zeitliche Integrationsbeziehung zur Echt
zeit haben, so daß das Modell auf eine Weise nachgeführt
wird, die der Vorschubgeschwindigkeit des Stellantriebs 16
(Fig. 1) entspricht.
In Fig. 4 bestehen die nächsten Funktionen darin, festzu
stellen, ob der Stellantrieb einen Fehler aufweist oder
nicht. In einem Test 137 wird festgestellt, ob der Absolut
wert des Gleichlauffehlers (der durch Benutzung der Modell
position ermittelt wird, die in dem vorherigen Zyklus im
Schritt 109 in Fig. 3 geliefert wird) einen gewissen
Schwellenwert übersteigt, wie beispielsweise 10% der vollen
Verstellung (im Gegensatz zu den Änderungsgeschwindigkeiten,
die oben beim Begrenzen benutzt werden). In diesem Test
wird die übliche Vereinbarung benutzt, daß die Verstellung
eines Steuerknüppels mit ±50% angenommen wird, je nach der
Richtung, wobei die volle Verstellung von -50% über null
bis +50% geht. Der Test 137 wird daher positiv sein, wenn
der Gleichlauffehler 10% der vollen Verstellung in der
einen oder anderen Richtung übersteigt. Das ist der Funk
tion des Fenstervergleichers 34 (Fig. 1) äquivalent. Ein
positives Ergebnis des Tests 137 wird zur Folge haben, daß
in einem Schritt 138 ein Durchlaufzähler inkrementiert wird,
und in einem Test 139 wird festgestellt, ob der Durchlauf
zähler einen Zählerstand von 5 erreicht hat oder nicht. Das
ist der Verwendung der Verzögerungsschaltung 36 und der
UND-Schaltung 37 in Fig. 1 äquivalent. Mit anderen Worten,
wenn der Fehler über fünf Zyklen anhält (was etwa 250 ms
äquivalent ist), wird von ihm angenommen, daß er nicht als
Ergebnis von Signalrauschen oder als Ergebnis eines sprung
haften Stellantriebsbetriebes, wenn der Stellantrieb die
statische Reibung beim Anfahren überwindet, od. dgl., er
zeugt worden ist. Ein positives Ergebnis des Tests 139 wird
bewirken, daß eine Codegruppe gesetzt und in einem nicht
flüchtigen Speicher in den Schritten 140 und 141 gespeichert
wird, was dem Abgeben eines Fehlersignals auf der Leitung
40 äquivalent ist. In einem Schritt 142 wird das Zeichen, das
angibt, daß das Trimmsystem eingeschaltet ist, und das in
dem Test 103 abgefragt wird, rückgesetzt. In einem Schritt
143 wird das Trimmsystemausfallzeichen gesetzt, das der Funk
tion des Flipflops 26 in Fig. 1 äquivalent ist. In einem
Schritt 144 wird dann der Durchlaufzähler rückgesetzt, was
auch immer dann erfolgt, wenn der Gleichlauffehler nicht
übermäßig groß ist, was durch ein negatives Ergebnis des
Schrittes 137 ermittelt wird, und weitere Teile des Com
puterprogramms können über einen Rückkehrpunkt 145 erreicht
werden. Immer dann, wenn der Test 139 negativ ist, was an
zeigt, daß weniger als fünf Zyklen mit einem übermäßigen
Fehler vorlagen, werden die Schritte 140-144 umgangen,
und andere Teile des Programms werden über den Rückkehr
punkt 145 erreicht.
In der als Beispiel beschriebenen Digitalausführungsform von
Fig. 3 ist es, wie bei jedem digital ausgebildeten Rück
führungssystem, notwendig, einen oder einen anderen Wert
zu benutzen, der in einem vorangehenden Zyklus erzeugt
worden ist, um etwa in einem gegenwärtigen Zyklus festzu
stellen. Ein neuer Gleichlauffehlerwert wird, wie oben be
reits kurz erwähnt, in dem Schritt 109 erzeugt, und ein
neuer Modellfehler wird in dem Schritt 110 erzeugt, der je
doch die Verwendung einer zuvor in dem Schritt 110 a be
stimmten Modellposition erfordert. Andererseits, wenn der
Modellfehler erst nach dem Schritt 136 in Fig. 4 ermittelt
wird, so könnte für ihn eine auf den neuesten Stand ge
brachte Modellposition benutzt werden, die in diesem Zyklus
erzeugt wird. Aber in diesem Fall würde das Vorzeichen des
Modellfehlers, das in dem Test 111 überprüft wird, das Vor
zeichen des zuvor ermittelten Modellfehlers sein. In dem
hier beschrieben Beispiel wird bei dem Gleichlauffehlertest
in dem Schritt 137 von Fig. 4 ein Gleichlauffehler benutzt,
der in dem Schritt 109 erzeugt worden ist, welcher die vor
herige Modellposition ebenfalls enthält. Das ist jedoch un
kritisch, insbesondere wenn ein Durchlaufzähler bei dem
Fehler benutzt wird.
Es gibt verschiedene weitere Variationsmöglichkeiten für
die Digitalausführungsform. Beispielsweise wäre es mit zu
sätzlicher Programmierung möglich, die variablen Grenzwerte
des Zweiquadrantenbegrenzers in jedem Fall gänzlich unab
hängig zu erzeugen. Es könnte ein Test durchgeführt werden,
um festzustellen, welcher Begrenzer (ein Erster-Quadrant-
Begrenzer oder ein Dritter-Quadrant-Begrenzer) in Abhängig
keit davon notwendig sein würde, ob der Modellfehler posi
tiv oder negativ ist, und um die Grenzwertvariablen nur für
diesen besonderen Quadranten zu erzeugen. Bei Bedarf könn
ten selbstverständlich verschiedene Kombinationen davon be
nutzt werden. Die Einzelheiten der genauen Programmierung
hängen von dem benutzten Programmierstil ab, der wiederum
von der Computerarchitektur und von dem verfügbaren Spei
cherraum, von zeitlichen Einschränkungen und dgl. abhän
gig ist, was an sich bekannt ist. In einer Implementierung
der Erfindung, die erzielt und oben beschrieben worden ist,
gibt es daher Variationen in der Programmierung, um Anpas
sungen an Computerarchitektur- und Programmiererfordernisse
vorzunehmen, die jedoch nicht aus dem in den Fig. 3 und 4
zur Erläuterung der Erfindung benutzten Flußdiagramm her
vorgehen, um nicht das Verständnis der Erfindung zu er
schweren. Diese Einzelheiten selbst bilden keinen Teil der
Erfindung und sind irrelevant.
Aus den hier beschriebenen Digital- und Analogausführungs
formen der Erfindung geht hervor, daß die Erfindung ein Mo
dell schafft, daß eine Modellposition für den Vergleich mit
einer Trimmstellantriebsposition erzeugt, wobei das Modell
adaptiv ist, und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Stellan
trieb dem Modell voreilt oder nacheilt und ob eine Pilot
übersteuerung benutzt wird. Das Voreilen und Nacheilen legt
fest, ob eine größere oder kleinere Begrenzung zu verwenden
ist, und die Übersteuerung gestattet eine weitere Begren
zung, um eine starke Belastung des Stellantriebs durch Kräf
te, die der Pilot auf den Steuerknüppel (oder auf Pedale,
je nachdem) ausübt, zu berücksichtigen.
Es sei beachtet, daß ein Fehler als eine Positionsdifferenz
genommen wird, die ein gewisses Schwellenwertausmaß über
steigt, wie beispielsweise 10% der Verstellbarkeit oder des Ver
stellhubes. Die adaptive Fehlererkennung oder Änderungsgeschwindigkeit
der Position adaptiv, da die Grenzwerte die Größe der In
kremente steuern, die in dem Modell integriert werden. Wenn
der Gleichlauffehler so ist, daß der Stellantrieb dem Mo
dell entweder voreilt oder nacheilt, wobei der Modellgrenz
wert auf das Maximum oder Minimum festgesetzt ist, wird da
her nach einer Zeitspanne die Positionsdifferenz des Feh
lersignals ausreichend sein, um einen Fehler anzuzeigen.
Vorstehend ist die verbesserte adaptive Flugzeugstellan
triebsfehlererkennungsanordnung nach der Erfindung beschrie
ben, die eine zusätzliche Änderungsgeschwindigkeitsbegren
zung in dem Modell immer dann vornimmt, wenn der Pilot mehr
als ein Schwellenwertausmaß an Kraft auf den Stellantrieb
durch Betätigung der dem Pilot zur Verfügung stehenden
Steuerelemente ausübt. Eine analoge adaptive Stelenantriebs
fehlererkennungsanordnung ähnlich der Ausführungsform von
Fig. 2, die aber nicht in der Lage ist, die Belastung des
Stellantriebs durch den Piloten zu berücksichtigen, ist
Stand der Technik. Diese bekannte Anordnung arbeitet mit
einer Diodendurchlaßspannungsbegrenzung zum Erzielen der
Nennbegrenzung (äqulvalent der, die durch die Z-Dioden 61,
65 erzielt wird) und der Voreil- oder Nacheilveränderung
in der Nennbegrenzung (äquivalent der, die durch die Z-Dio
den 78, 79 und 92, 93 erfolgt). Die bekannte Anordnung ent
hält jedoch keine Pilotübersteuerungsfunktionen (wie sie
durch die Schalter 81, 95 und die Z-Dioden 80, 94 in Fig. 2
vorgesehen sind). Dadurch, daß die Erfindung eine zusätz
liche Begrenzung in der Nacheilrichtung gestattet, wird so
mit die Erzeugung von unechten Fehleranzeigen oder das Er
fordernis eines Abschaltens der Erkennungsanordnung oder
einer weiteren Verschlechterung der Leistungsfähigkeit in
folge von Einwirkungen durch den Piloten vermieden.
Claims (2)
1. Anordnung zum Erkennen von Fehlern im Trimmstellan
trieb (16) einer Flugzeugsteuerung mit einem Steuerknüppel
(12), der über ein mechanisches Gestänge (13) mit einem
Servomotor (14) einer Steuerfläche verbunden ist, wobei der
Trimmstellantrieb (16) elastisch mit dem mechanischen Ge
stänge (13) verbunden ist und von einem Positionsbefehls
signal (Leitung 24) eines Autopiloten verstellbar ist,
mit einem Positionsdetektor (20), der mit dem Trimmstell
antrieb (16) verbunden ist und ein Trimmpositionssignal
(Leitung 21) liefert, und
mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (Fig. 1, 2; 3, 4)
zum Abgeben eines Positionsfehlersignals an den Stellantrieb
(16) als Differenz zwischen dem Positionsbefehlssignal
(Leitung 24) und dem Trimmpositionssignal (Leitung 21), zum
Erzeugen eines Modellpositionssignals (Leitung 31), zum Er
zeugen eines Gleichlauffehlersignals (Leitung 33) als Dif
ferenz zwischen dem Trimmpositionssignal (Leitung 21) und
dem Modellpositionssignal (Leitung 31), zum Erzeugen eines
Modellfehlersignals (Leitung 42) als Differenz zwischen dem
Positionsbefehlssignal (Leitung 24)und dem Modellpositions
signal (Leitung 31), zum Erzeugen des Modellpositionssignals
(Leitung 31) als Integral des Modellfehlersignals (Lei
tung 42), soweit das Modellfehlersignal (Leitung 42) einen
Grenzwert nicht übersteigt, der durch einen begrenzten Teil
des Gleichlauffehlersignals (Leitung 33) verändert wird,
wobei der Grenzwert in dem Fall erhöht wird, in welchem das
Gleichlauffehlersignal (Leitung 33) anzeigt, daß die Modell
position der Stellantriebsposition voreilt, und verringert
wird, wenn das Gleichlauffehlersignal (Leitung 33) anzeigt,
daß die Modellposition der Stellantriebsposition nacheilt,
und zum Liefern eines Fehleranzeigesignals (Leitung 40),
wenn das Gleichlauffehlersignal (Leitung 33) eine Schwellen
wertgröße übersteigt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverarbeitungseinrich
tung Einrichtungen (81; 107, 108) zugeordnet sind, die ein
Pilotübersteuerungssignal liefern, wenn der Pilot das Ge
stänge (13) um mehr als ein vorbestimmtes Schwellenwertaus
maß von der Trimmposition verschiebt, und
daß die Signalverarbeitungseinrichtung das Modellpositions
signal (Leitung 31) als das Integral des Modellfehlersignals
(Leitung 42) begrenzt in einem Ausmaß liefert, das weiter
durch einen begrenzten Teil des Gleichlauffehlersignals
(Leitung 33) auf das Pilotübersteuerungssignal hin ver
ringert wird, wenn das Gleichlauffehlersignal (Leitung 33)
anzeigt, daß die Stellantriebsposition der Modellposition
nacheilt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Signalverarbeitungseinrichtung den Grenzwert auf das
Übersteuerungssignal hin auf null verringert, wenn
das Gleichlauffehlersignal (Leitung 33) anzeigt, daß die
Stellantriebsposition der Modellposition um ein vorbe
stimmtes Ausmaß nacheilt.
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8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: MENGES, R., DIPL.-ING., PAT.-ANW., 8000 MUENCHEN |
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D2 | Grant after examination | ||
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