DE3232848A1 - Steuerungssystem mit von digitalrechnern erzeugten steuersignalen - Google Patents
Steuerungssystem mit von digitalrechnern erzeugten steuersignalenInfo
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Description
LUCAS INDUSTRIES PLC Birmingham, B19 2XF, Großbritannien
Steuerungssystem mit von Digitalrechnern erzeugten Steuersignalen
Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem, bei dem die Steuerung in erster Linie oder gänzlich durch Steuersignale
eines Digitalrechners erfolgt.
Solche Systeme werden gewöhnlich Vollberechtigungs-(englisch "full authority") -Digitalsteuerungssysteme genannt.
In einem solchen Steuerungssystem werden die Steuerungsvorgänge gewöhnlich durch einen Digitalcomputer geregelt,
der seinerseits von erfaßten oder gewünschten Betriebszuständen einer zu steuernden Vorrichtung abhängig ist. Die
Anzahl dieser Betriebs zustände kann groß sein und jeder
einzelne Zustand kann innerhalb eines bestimmten Wertebereichs liegen. Die Kombinationen und Folgen der betrieblichen
Werte werden dann sehr groß, so daß ein vollständiger Systemtest der kombinierten Betriebs zustände die möglicherweise
tatsächlich durchlaufen werden, unmöglich wird. Das Problem wird dadurch vergrößert, daß es relativ leicht ist, ein
67-102 831G-At-Bk
digitales Steuerungssystem umzuprogrammieren, so daß teure Prüfprogramme,
die,gesteuert von einem überholten Programm mit dem System ausgeführt wurden, nicht langer nötig sind.
Die Unmöglichkeit, die Antwort eines Vollberechtigungssystems
auf sämtliche Betriebs zustände vorherzusagen, führte
zu Problemen im Zusammenhang mit der Lufttauglichkeit solcher Systeme für die Verwendung in Flugzeugen,
insbesondere weil eine unangemessene Antwort des Systems auf eine Kombination von Zuständen, die zB aufgrund
eines Programmierfehlers erfolgt, nicht zufällig auftritt,
sondern eine Fehlfunktion aller vom Digitalrechner gesteuerten Vorrichtungen bei dieser Zustandskombination hervorrufen
könnte. Es ist deutlich, daß eine Duplizierung von gleich programmierten Rechnern dieses Problem nicht löst, da jede
Fehlfunktion gleichzeitig und in der gleichen Art auftritt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein vollberechtigtes Digitalsteuerungssystem
zu ermöglichen, das die vorangehend beschriebenen Probleme vermeidet.
Zur Lösung der Erfindung enthält das erfindungsgemäße VoIlberechtigungs-Digitalsteuerungssystem
eine von elektrischen Eingangssignalen abhängige Vorrichtung, einen ersten Digitalrechner,
der von einer Vielzahl von Betriebs zuständen der Vorrichtung abhängig ist und erste Digitalsteuersignale erzeugt, einen
zweiten Rechner, der von mindestens einigen der Betriebs zustände abhängt und zweite Steuersignale erzeugt, Einrichtungen,
die die Eingangssignale aus den ersten oder zweiten Steuersignalen ableiten, eine Überwachungsschaltung, die von
mindestens einigen der Betriebs zustände und von den ersten Steuersignalen abhängig ist, um annehmbare Werte der ersten
Steuersignale zu bestimmen und um zu veranlassen, daß die Eingangssignale nur von denjenigen der ersten Steuersignale abge-
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leitet werden, deren Werte innerhalb des Bereichs.der annehmbaren
Werte liegen, und Umschalteinrichtungen, die bei einem ihrer Schaltzustände
veranlassen, daß die Eingangssignale von den ersten Steuersignalen abgeleitet werden sowie eine Einrichtung, die auf einen
vorgegebenen Unterschied zwischen jedem der ersten Steuersignale und seinem zugeordneten annehmbaren Wert die Vorrichtung von den
ersten Steuersignalen isoliert und bewirkt, daß die Eingangssignale von den zweiten Steuersignalen abgeleitet werden.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der
Zeichnung näher beschrieben; es zeigen:
Fig. 1: ein Blockschaltbild eines Vollberechtigungs-Digitalsteuerungssystems
zur Anwendung bei einer Gasturbine, und
Fig. 2: ein Schaltbild einer einen Teil des Systems von
Fig. 1 bildenden Überwachungsschaltung.
Ein Gasturbinenmotor 10 arbeitet abhängig von analogen elektrischen
Eingangssignalen auf einer Vielzahl von Leitungen 11, wobei diese Signale einer benötigten Stellung eines Kraftstoffdosierventils
des Motors 10 und erforderlichen Veränderungen der Motorgeometrie, wie der Arbeitsstellung von Kompressor-Leitschaufeln entsprechen.
Abgetastete Zustände des Motors 10, zB die vorhin erwähnte Motorgeometrie G, die Geschwindigkeiten NH, NL von
Hochdruck- und Niederdruckwellen, Kompressordruckwerte P,, P^
und die Motoreinlaßtemperatur T, werden auf einer Vielzahl von Leitungen 12 geliefert. Die Signale vom Motor auf den
Leitungen 12 werden mit einem Signal θ verknüpft, das die Arbeitsstellung eines Motordrehzahl-Wählers 13 angibt, wodurch
auf Leitungen 14 ananloge Motor-Betriebszustandssignale geliefert werden. Die Signale auf den Leitungen 14 werden einer
Umsetzerschaltung 15 eingegeben, deren eine Funktion die Umwandlung
der Analogsignale auf den Leitungen 14 in Digital-
ϊ.-':·Ί γ·.:\.:/■:-";- 323284a
Signale ist, die einer ersten Digitalrechneranordnung 16 eingegeben werden. Die Rechneranordnung 16 besteht aus zwei identischen
Digitalrechnern eines unter der Bezeichnung Z8002 von ZILOG Ine von Cupertino, California, USA erhältlichen Typs.
Jeder der beiden Rechner arbeitet in Abhängigkeit der Signale der Schaltung 15. Untereinander sind sie für eine Bit-für-Bit-Prüfung
ihrer Ausgänge zusammengeschaltet, in einer in der GB-Patentschrift 20 19 622 beschriebenen Art. Falls zwischen
den Ausgängen der Computer der Anordnung 16 ein Unterschied länger als eine vorgegebene Zeit auftritt, wird auf einer Leitung
17 ein Signal einer Umschalteinrichtung eingegeben, die später beschrieben wird. Der Ausgang eines der Computer der
Anordnung 16 wird auf Leitungen 18 einem Digital-Analog-Wandler 19 und danach auf Leitungen 20, 21 einer
Überwachungsschaltung 22 geliefert.
Die F unktion der Schaltung 22 ist abhängig von Betriebssignalen auf den Leitungen 12 und liefert Analog-Steuersignale
auf Leitungen 23, 24 abhängig von den auf den Leitungen 12, 20, 21 anliegenden Signalen. Treiberschaltungen 25 arbeiten
abhängig von Signalen auf den Leitungen 23, 24 und liefern dem Motor 10 auf den Leitungen 11 Eingangssignale.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Funktion der Schaltung abhängig von der Geschwindigkeit NH der Motor-Hochdruckwelle,
dem Druck P, und der Temperatur T, des Motor-Lufteinlasses und von der Stellung θ des Motorgeschwindigkeitswählers 13.
Die Schaltung 22 ist ebenfalls abhängig von Analogsignalen auf den Leitungen 20, 21, die jeweils einem gewünschten
Kraftstofffluß F und einer benötigten Winkelstellung G der MotoreinlaGleitschaufeln entsprechen. Die Analogfunktionsgeneratorschaltung
30 liefert abhängig vom Geschwindigkeitssignal NH auf Leitungen 31 ein Signal, das der benötigten
Linl.af31tiitschaufel-Stel.lung entspricht, und dieses Signal
wird zusammen mit dem benötigten Stellungssignal G auf der Leitung
einer Vorrangschaltung für das kleinste) Signal (loimest-wins
circuit) 32 eingegeben, so daß das Signal auf der Leitung 24 das von der Schaltung 30 erzeugte nicht überschreiten kann.
Die Signale auf den Leitungen 21, 31 werden auch einem Vergleicher 33 eingegeben, der auf einer Leitung 34 ein Signal
an einen Eingang einer ODER-Schaltung legt, falls zwischen den Signalen auf den Leitungen 21, 31 ein Unterschied auftritt,
der einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Das NH-Signal wird ebenfalls einer weiteren Funktionsgeneratorschaltung
36 angelegt, die ein analoges Ausgangssignal auf einer Leitung 37 liefert, wobei das Signal die durch die Schaltung
bestimmte Charakteristik aufweist und einen oberen Grenzwert für den benötigten Kraftstofffluß F für die Geschwindigkeitswerte NH angibt. Es ist bemerkenswert, daß der Wert F bei
einem vorgegebenen Wert von NH scharf abnimmt und somit das
Signal auf der Leitung 37 den Kraftstofffluß angibt, der
einen oberen Grenzwert für.die Geschwindigkeit NH setzt.
Eine weitere Analogschaltung 40 erzeugt abhängig vom Signal
θ ein Signal, das der Funktion F/P vT? entspricht, das die
Charakteristik 41, die durch die ausgezogene Kurve im Element dargestellt ist, besitzt. Die Charakteristik 40 entspricht einem
stetigen Kraftstoffflußverlauf. Die Kurven oberhalb und unterhalb
der Charakteristik 41 stellen jeweils zulässige Maximal- und Minimalgrenzwerte des Kraftstoffflusses für Beschleunigung
und Verlangsamung dar. Es mag eine passende Annahme sein, daß
Wert die Beschleunigungskurve mit einem konstanten/ Δ F oberhalb
der Kurve 41 und die Verlangsamungskurve mit einem konstanten Wert Δ F„ unterhalb der Kurve 41 verläuft.
Eine Schaltung 42 erzeugt auf einer Leitung 43 ein Signal, das der Quadratwurzel des Werts T, entspricht. Das Signal der
Schaltung 40 wird zusammen mit dem Signal auf der Leitung 43 einer
Vervielfacherschaltung 44 eingegeben und das sich ergebende Produkt wird in einer weiteren Vervielfacherschaltung 45 mit dem
Signal P, multipliziert. Das Ergebnissignal auf der Leitung 46 entspricht dem gewünschten Kraftstofffluß F für einen stetigen
Lauf des Motors 10 bei einer gegebenen Einstellung Θ. Durch eine Schaltung 47 wird ein konstanter Wert, der dem zuvor erwähnten
Beschleunigungsinkrement AF. entspricht, hinzuaddiert
und die Summe auf einer Leitung 48 einer Vorrangschaltung 49 für das kleinste Signal eingegeben. Die Kraftstoffanforderungssignale
auf Leitungen 20 und 37 werden der Vorrangschaltung ebenfalls eingegeben. Somit kann das Kraftstoffanforderungssignal
auf einer Leitung 50 von der Schaltung 49 nicht den durch die Beschleunigungskurve in Schaltung 40 bestimmten Wert
überschreiten oder den durch die Schaltung 36 eingestellten NH-Grenzwert, der in jedem Fall der kleinere ist. Die Signale auf
den Leitungen 20, 48 werden einem Vergleicher 51 eingegeben, der auf einer Leitung 52 ein Signal erzeugt, das der ODER-Schaltung
35 dann anliegt, wenn die Differenz zwischen den Signalen und den Leitungen 20, 48 einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Eine Subtrahierschaltung 53 liefert abhängig von dem Signal auf der Leitung 46 und einer Konstanten, die dem oben genannten
Verlangsamungsdekrement Z\F? entspricht, auf einer Leitung 54
an eine Vorrangschaltung (englisch highest-wins),55 der ebenfalls das Signal auf der Leitung 50 eingegeben wird. Somit
kann das Ausgangssignal der Schaltung 55 auf der Leitung 23 nicht kleiner als der Wert sein, der durch die in Schaltung 40
gezeigte Verlangsamungskurve bestimmt wird. Die kombinierte Wirkung der Schaltungen 49, 55 und ihrer Eingangssignale ist,
daß das Kraftstoffanforderungssignal der Leitung 23 zwischen den Beschleunigungs- und Verlangsamungsgrenzlinien, die durch
die Schaltung 40 bestimmt werden, liegt und der durch die Schal-
tung 36 bewirkten Geschwindigkeitseinschränkung unterliegt, auch
wenn die von der Rechneranordnung 16 erzeugten Signale einer Kraftstoffanforderung
entsprechen, die außerhalb der zuvor erwähnten Grenzwerte liegt.
Die Signale auf den Leitungen 50, 54 werden einem Vergleicher
eingegeben, der dann ein Ausgangssignal der ODER-Schaltung 35 liefert,
falls zwischen den Signalen auf den Leitungen 50, 54 eine Differenz ist, die einen vorgegebenen Wert überschreitet. Der Ausgang der
ODER-Schaltung 35 ist mit einem Eingang einer UND-Schaltung 57 und ebenfalls mit der Triggerverbindung einer monostabilen
Schaltung 58 verbunden, deren Ausgang mit dem anderen Eingang der UND-Schaltung 57 verbunden ist. Die monostabile Schaltung
liefert ein Ausgangssignal, das um eine vorgegebene Zeitdauer von der Vorderflanke des Signals der ODER-Schaltung 35 verzögert
ist. Die Umschaltung 57 liefert somit ein Ausgangssignal auf einer Leitung 59 nur, wenn eine vorbestimmte Differenz
zwischen den Eingangssignalen an einer der Schaltungen 32, 59, 55 innerhalb der durch die monostabile Schaltung 58 bestimmten
Verzögerungszeit,auftrat.
Bestimmte Signale auf den Leitungen 14 werden auf Leitungen 60 einer weiteren Umsetzerschaltung 61 eingegeben, die digitale
Eingangssignale einem sich selbst überwachenden Digitalrechner liefert, der mit der Bezeichnung 9900 von Texas Instruments erhältlich
ist. Die ausgewählten Signale auf den Leitungen 60 sind mindestens nötig, daß der Rechner 62 eine sichere Steuerung des
Motors 10 durchführen kann, auch wenn diese Steuerung keine optimalen Betriebszustände ermöglicht. Digital-Ausgangssignale
des Rechners 62 werden auf Leitungen 63 einem Digital-Analog-Wandler 64 eingegeben und von diesem auf Leitungen 65 als
Analogsignale einer Treiberschaltung 66, die im wesentlichen der Treiberschaltung 25 entspricht. Die Treiberschaltung 66
liefert somit auf Leitungen 67 Steuersignale für den Motor 10.
Die Leitungen 6/ sind mit denjenigen der Leitungen 11 verbunden,
die bei Normalbetrieb entsprechende Signale führen.
Umschalter 71, 72 werden abhängig von Signalen auf entsprechenden Leitungen 73, 74 von einer bistabilen Schaltung 75 betrieben.
Der Umschalter 71 steuert das Zuführen der Signale auf Leitungen 23, 24 an die Treiberschaltung 25. Der Umschalter 72 steuert das Zuführen
der Signale an die Treiberschaltung 66 auf Leitungen Wenn sich die bistabile Schaltung 75 in ihrem ersten, Normalzustand
befindet, liefert sie ein Signal auf Leitung 73 und steuert den Umschalter 71 so an, daß die Signale auf den
Leitungen 23, 24 durchgelassen werden. In diesem Zustand der Schaltung 75 ist der Umschalter 72 nicht angesteuert. Die
Schaltung 75 ändert ihren Zustand abhängig von einem Signal auf einer der Leitungen 17, 59, wodurch der Umschalter 71 in
den AUS-Zustand und der Umschalter 72 in den EIN-Zustand gesteuert
wird. Somit wird auf eine Fehlfunktion der Rechneranordnung 17 oder auf die Erfassung eines vorgegebenen und andauernden
Unterschieds zwischen den Steuersignalen durch die Überwachungsschaltung 22 die Steuerung des Motors 10 dem Rechner
62 übertragen.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Schaltungen 30, (Fig. 2) so ausgelegt, daß sie Signale erzeugen, deren Grenzwerte
etwas höher als die der entsprechenden Signale auf den Leitungen 20, 21 sind, womit gewährleistet ist, daß ein Fehlersignal nicht
versehentlich auf der Leitung 59 übertragen wird. Genauso sind
die Werte von Af- und /S F 2 so gestaltet, daß die Grenzwerte
für Beschleunigung und Verlangsamunq jeweils etwas höher
und niedriger als diejenigen werden, die die Rechner der Anordnung 16 bei einem entsprechenden Motorbetriebszustand erzeugen.
An.
Leerseite
Claims (1)
- Ansprüchel.)Digitales Steuerungssystem für eine Vorrichtung, deren Betrieb von elektrischen Eingangssignalen abhängt,gekennzeichnet durch- einen ersten Digitalrechner (16), der abhängig von einer Vielzahl von Betriebszuständen der gesteuerten Vorrichtung erste digitale Steuersignale erzeugt,- einen zweiten Rechner (62), der abhängig von mindestens einigen der Betriebszustände zweite Steuersignale erzeugt,- Schaltungen (19, 64), die die Eingangssignale von den ersten oder zweiten Steuersignalen ableiten,- eine Überwachungsschaltung (22), die zumindest von einigen der Betriebszustände und der ersten Steuersignale abhängig ist und annehmbare Weite der ersten Steuersignale festlegt und die verursacht, daß die Eingangssignale nur von denjenigen ersten Steuersignalen abgeleitet werdenderen Werte innerhalb eines akzeptablen Wertebereichs liegen, und- Umschalter (71, 72), die in ihrem einen Schaltzustand bewirken, daß die Eingangssignale von den ersten Steuersignalen abgeleitet werden, und- eine Einrichtung, die abhängig von einer vorgegebenen Differenz zwischen jedem der ersten Steuersignale und seinem entsprechenden annehmbaren Wert die gesteuerte Vorrichtung von den ersten Steuersignalen abkoppelt und bewirkt, daß die Eingangssignale von den zweiten Steuersignalen abgeleitet werden.67-102831G-At-Bk~ 2 —2. System nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daßdie überwachungsschaltung eine Vielzahl von Schaltungen aufweist, die erste Analogsignale als Funktion ausgewählter Betriebszustände erzeugen, die innerhalb vorgegebener Wertebereiche der entsprechenden ersten Steuersignale liegen, und eine Vielzahl von Diskriminierschaltungen, von denen jede abhängig von einem der ersten Analogsignale und einem von einem entsprechenden der ersten Steuersignale abgeleiteten Signal dasjenige unter den Analog- und Steuersignalen als Eingangssignal ableitet, das die größere Differenz von einem vorgegebenen Grenzwert hat.3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltung Schaltungen enthält, die ein zweites Analogsignal, das einem vorgegebenen oberen Grenzwert eines Eingangssignals entspricht, erzeugt,daß eine Diskriminierschaltung abhängig vom zweiten Analogsignal, einem oberen Grenzwert eines der ersten Analogsignale und einem entsprechenden ersten Steuersignal ein Ausgangssignal,auf das jeweils kleinste der drei Signale hin erzeugt.A. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rechner zwei Digitalrechnereinheiten aufweist und eine Einrichtung, die die Ausgangssignale der beiden Rechnereinheiten Bit für Bit vergleicht.5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Rechner ein Digitalrechner ist.
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