DE3232848A1

DE3232848A1 - Steuerungssystem mit von digitalrechnern erzeugten steuersignalen

Info

Publication number: DE3232848A1
Application number: DE3232848A
Authority: DE
Inventors: Robert Graham Solihull West Midlands Burrage
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1981-09-05
Filing date: 1982-09-03
Publication date: 1983-03-24
Also published as: IT8223042A0; FR2512565B1; IT1159087B; JPS5866106A; FR2512565A1; US4504905A

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

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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-

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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

Ansprüche

l.)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.

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2. System nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß

die 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.