Einrichtung zum Steuern und Konstanthalten einer physikalischen Grösse Bei bisher bekannten Steuer- und Regeleinrichtun gen war es erford2r1ich, das beispielsweise von Hand erzeugte, der Steuereinrichtung übermittelte Eingangs signal entsprechend den verschiedenen Betriebs- und Belastungsbedingun,gen der gesteuerten Einrichtung zu verändern, um eine Ausgangsgrösse wie z. B. die<B>Ge-</B> schwindigkeit oder die WinkeNage einer gesteuerten Einrichtung konstant zu halten. Für den Betrieb der artiger Einrichtungen wie z. B. Bohrmaschinen oder Flugzeuge war daher eine erhebliche Erfahrung von seiten des Mechanikers oder des Piloten erforderlich, um den Lastbedingungen an der Einrichtung wie z.
B. der Härte des Metalls oder der Geschwindigkeit des Flugzeuges Rechnung zu tragen. Wenn derartige Ein richtungen jedoch mit einer Einrichtung verbunden sind, welche eine Ausgangsgrösse bei einem gegebenen Eingangssignal, unabhängig von den speziellen Be triebsbedingungen, konstant hält, können derartige Einrichtungen unabhängig von der Erfahrung eines Mechanikers oder eines Piloten betrieben werden, wo bei das gewünschte, von Hand einstellbare End ergebnis in jedem Fall erreicht wird. Es existiert somit ein Bedarf für eine Einrichtung, welche bei einem gegebenen Eingangssignal eine Ausgaftgsgrösse unab hängig von den Betriebsbedingungen der gesteuerten Einrichtung konstant hält.
Wenngleich viele Anwendungen für Einrichtungen der genannten Art denkbar sind, eignen sie sich be sonders für Steuereinrichtungen bei Flugzeugen. Bei den heute verwendeten Flugsteuereinrichtungen sind nur Mittel vorgesehen, durch welche der Pilot ein Steuersignal auf die Steuerflächen eines Flugzeuges übertragen kann, wenn irgendein Manöver durchge führt werden soll. In diesem Fall muss der Pilot die Steuerung in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Be triebsbedingungen ändern, welche von den Flugbedin gungen abhängen. Solche Betriebsbedingungen sind z. B. die Höhe, das Gewicht, die Luftgeschwindigkeit und ähnliches. Es ist daher für den Piloten schwierig, ein bestimmtes Flugmanöver, wie z. B. einen Kurven flug, durchzuführen.
Er muss dabei der Steuereinrich tung die Befehle derart übermitteln, dass die Ein- flüss-. aller Betriebsbedingungen kompensiert werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Ein richtung zum Steuern und Konstanthalten einer physi kalischen Grösse, welche Grösse an einer an eine Servosteuereinrichtung angeschlossenen Last vorhan den ist und im Sollwert durch ein gegebenes, die Füh rungsgrösse darstellendes Eingangssignal verändert, aber bei einem gegebenen Eingangssignal als eine die Regelgrösse darstellende Ausgangsgrössü konstant ge halten wird, wobei das Eingangssignal, mittels einer multiplizierenden Einrichtung an die Servosteuerein- richtung angeschlossen ist, welche multiplizierende Einrichtung ein Signal erzeugt,
welches das Produkt des Eingangssignals und eines Hilfssignals darstoUt, und wobei zwei Rückführungen verwendet werden.
Kennzeichnend ist hierbei, dass eine beiden Rück führungen gemeinsame, in diese eingeschaltete divi dierende Einrichtung vorhanden ist, welche das Hilfs signal als den Quotienten eines Zählersignals und eines Nennersignals erzeugt, die durch die eine bzw. die andere Rückfühtrung an die dividierende Einrich tung angelegt werden, wobei die eine Rückführung von der Ausgangsgrösse der multiplizierenden Einrich tung abgeleitet ist und diese als Zählersignal in die dividierende Einrichtung einspeist,
während die an dere Rückführung von der Ausgangsgrösse abgeleitet ist und diese als Nennersignal in die dividierende Ein richtung eingibt.
In den beiliegenden Zeichnungen sind Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Im einzelnen zeigen: Fig. <B>1</B> ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Steuereinrichtung, Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer Steuer einrichtung für -eine Bohrmaschine, Fig. <B>3</B> ein schematisches Diagramm einer Variante zu Fig. 2, Fig. 4 ein schematisches Diaggramin einer Einrich tung zur Steuerung der Flugzeugneigung und Fig. <B>5</B> ein vereinfachtes, schematisches Diagramm, welches ein weiteres Ausführungsbeispiel wiedergibt.
In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit glei chen Bezugsziffem bezeichnet. In Fig. <B>1</B> ist mit<B>10</B> eine elektrische, multiplizierende Einrichtung, nach folgend Multiplikator genannt, bezeichnet, welcher ein ankommendes Eingangs- bzw. Steuersignal Oi auf eine elektrische Servosteuereinrichtung überträgt, wel ches mit 20 bezeichnet ist. Der Ausgang e des Multi- plikators <B>10</B> wird ausser auf die elektrische Servo- steuereinrichtung 20 auf eine dividierende Einrichtung <B>30</B> übertragen.
Diese bildet ein vom Quotienten zweier Eingangsspannungen. oder Eingangsgrössen e, (9, ab hängiges Ausgangssignal, wobei e das Zählersignal und<B>0.</B> das Nennersignal ist. Die Dividiereinrichtung <B>30</B> erhält letzteres als -eine der Regelgrösse entspre chende Ausgangsspannung 0" (Istwert der Regel grösse) der Scrvosteuereinrichtung 20.
Die Resultie rende dieser beiden Eingänge ist
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und wird auf den Multiplikator<B>10</B> übertragen und be stimmt den Teil des Steuersignals ssi, welcher auf die Servosteuereinrichtung 20 übertragen wird. Daraus kann. entnommen werden, dass
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und <I>K<B>-</B></I><B> 0- 0</B> wobei K ein Proportionalitätsfaktor ist. Es ist somit zu ersehen, dass die Ausganggsspannung der Servo- steuereinrichtung immer proportional zur Eingangs spannung Oi ist, und dies unabhängig von der jeweili gen Belastung.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Be- zeichnungeen 01 und (9" für das Eingangssignal und das Ausgangssignal der gesamten Steuereinrichtung <B>je</B> eine elektrische Spannung darstellen können, oder die Drehzahl einer Welle, den Beweaungsweg einer gesteuerten Einrichtung usw. Diese beiden Symbole werden hier zur Bezeichnung dieser Eingangs- bzw. Ausgan,gsgrössen zur besseren Unterscheidung von elektrischen Spannungs,-grössen verwendet.
In Fig. 2, in welcher die Regelgrösse eine Dreh zahl oder ein Drehmoment darstellt, ist der Multipli kator<B>10</B> als ein Varionieter 12 ausgebildet, welches zwei induktiv miteinander gekoppelte Spulen besitzt, von denen eine als Statorwicklung und die andere als Rotorwicklung ausgebildet ist. Die Kopplung ist dabei derart, dass, wenn eine Wicklung, beispielsweise die Statorwicklung 14, durch eine Wechselspannung er- regt wird, in der Rotorwicklung <B>16</B> eine Spannung induziert wird, deren Höhe sich mit der Winkellage der Rotorwicklung ändert.
Diese Änderung ist eine Funktion des Sinus des Winkels, um welchen die Rotorwicklung <B>16</B> bezüglich des Stators gedreht ist. Die Statorwicklung 14 wird durch eine Eingangsspan nung Oi erregt, so dass in der Rotorwicklung <B>16</B> eine Spannung e induziert wird. Die Spannung e gelangt zu dem Servoverstärker 22 der Servosteuereinrichtung 20, dessen Ausgangsspannung den als Stellglied ge eigneten Motor 24 der Servosteuereinrichtung 20 er regt, der den gewünschten Ausgang in Form der<B>phy-</B> sikalischen Grösse 0, erzeugt.
Der Ausgang kann ent weder in einer Rotation oder einer Winkelbewegung bestehen. Der Motor 24 ist über geeignete Mittel, bei spielsweise ein Getriebe (nicht darg.-stellt), mit der an zutreibenden Last<B>25,</B> beispielsweise einer Bohrma schine, verbunden, deren Belastung sich beispielsweise mit der Härte des zu b,-arbeitenden Materials ändert. Durch eine Welle<B>28</B> und beispielsweise ein geeignetes Getriebe (nicht dargestellt) wird ein Rückkopplungs glied<B>26</B> betätigt. Das Rückkopplungsglied<B>26</B> der Servosteuereinrichtung 20 ist derart aufgebaut, dass z.
B. das Drehmoment der Welle<B>28</B> in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, welches der Servosteuerein- richtung 20 ermöglicht, dem übermittelten Eingangs signal e nachzukommen. Im Bedarfsfall können die Mittel des Rückkopplungsgliedes<B>26</B> einen Tacho meter aufweisen, welcher ein ruckweises Bewegen des Motors 24 verhindert, wenn der Ausgang die Form einer Winkelbewegung besitzt.
Bei dem Rückkopp- lungs,glied <B>26</B> handelt es sich um ein Dämpf ungsele- ment, welches das Eingangssignal bei bereits laufen dem Stellmotor in Abhängigkeit von dessen Drehge schwindigkeit derart vermindert, dass die Solleinstel lung ohne Schwingungen ermöglicht wird. Da eine derartige Verminderung des Signals e bei stillstehen dem Stellmotor nicht stattfindet, läuft dieser wie er wünscht schnell an.
Das Signal e gelang t ausser zu der Servosteuerein- richtung 20 noch zu einem Verstärker<B>32</B> der Divi- diereinrichtung <B>30,</B> welcher seinerseits die Winkellage eines Motors 34 steuert. Dieser Motor 34 ist über eine Welle<B>33</B> mit der Rotorwicklung <B>16</B> verbunden, so dass der Motor 34 die Rotorwicklung <B>16</B> des Vario- meters 12 um einen bestimmten Winkel in seiner sol chen Richtung dreht, dass die Ausgangsspannung e erhöht wird.
Der Ausgang<B>0-"</B> des Antriebsmotors 24 treibt einen Wechselstrom generator 36 mittels einer Welle<B>35</B> und eines (nicht dargestellten) geeigneten Getriebes an. Der Generator erzeug gt somit eine Aus- gangsspannung K<B><I>-</I> 0, d.</B> h.
eine Spannung, welche proportional zu 0" ist. Der Generator<B>36</B> erregt die Statorwicklung <B>37</B> eines Variorneters <B>38,</B> so dass an der i#nduktiv mit dieser gekoppelten Rotorwicklung <B>39</B> eine Spannung v erscheint. Der Motor 34 dreht ferner den Rotor mit der RotorwicklunC <B>39</B> mittels einer Welle 33a in einem Sinne, welcher eine Erhöhuno, der Spannung v bewirkt.
Der Motor 34 dreht somit die Rotoren<B>16</B> und<B>39</B> so lange, bis die Ausgangsspan- nung des Verstärkers<B>32</B> der Dividiereinrichtung <B>30</B> auf Null abgesunken ist. Die Ausgangsspannung des Verstärkers<B>32</B> wird dann Null, wenn
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<B>d.</B> h. wenn e<B><I>=</I></B> v oder, anders ausgedrückt, wenn e<B><I>-</I></B><I> v<B>=</B></I><B> 0.</B>
Da nun v # <I>K<B>-</B></I> (9". sin a und e<B><I>=</I></B> Hi <B>-</B> sin a, wobei <I>K</I> ein Proportionalitätsfaktor ist und a der Winkellage der Welle 33/33a des Motors 34 und zufolge der me chanischen Verbindung der Rotoren der Variometer 12 und<B>38</B> entspricht, ergibt sich aus-.
<I>v<B>=</B> K<B>-</B></I> 0" <B>-</B> Sinn und <I>e<B>=</B></I> Oi <B>-</B> sin a bei <I>e<B>=</B> v</I> <I>K</I><B>-</B> (9" <B>=</B> Oi Auf diesem Weg wird erreicht, dass der Ausgang der Servosteuereinrichtung 20 immer proportional zu dessen Eingang ist, und zwar unabhängig der mecha nischen Verbraucher bzw. Last<B>25.</B>
Ein Tachometer 40 kann in den Kreis eingeschlos sen werden, der die gleiche Funktion erfüllt wie das Tachometer bzw. das Rückkopplungsglied<B>26</B> bei der Servosteuereinrichtung 20.
Fig. <B>3</B> zeigt eine Abänderung eines Teiles der Divi- diereinrichtuna <B>30.</B> Anstelle des Generators <B>36</B> ist hier eine Wechselspannungsquelle 42 mit einer kon stanten Ausgangsspannung vorgesehen, welche die Statorwicklung 43 eines Variometers 44 erregt.
Die Erregung der Statorwicklung bewirkt, dass in der induktiv angekoppelten Rotorwicklung 45 eine Span nung induziert wird, welche ihrerseits die Statorwick- lung <B>37</B> des Variometers <B>38</B> erregt. Die Höhe, der Spannung, welche an dem Rotor 45 erscheint, wird durch die Winkellage der Welle des Servomotors 24 bestimmt, welche ihrerseits über eine Welle 35a mit dem Rotor 45 verbunden ist.
Fig. 4 zeigt eine Steuer- und Regeleinrichtung, mit welcher die Flugneigung (Regelgrösse) eines Flugzeuges im Zusammenhang mit einer automatischen Steuerein richtung gesteuert und konstant gehalten werden kann. Bei der Darstellung sind für gleiche Teile gleiche Be zugszeichen verwendet wie in Fig. 2. Der Multiplika tor<B>10</B> ist wiederum als Variometer 12 ausgebildet und besitzt eine Statorwicklung 14 und eine Rotorwick- lung <B>16.</B> Das Eingangssignal wird mittels eines Hand- betätigungsorgans <B>17</B> übertragen.
Der Handgriff<B>17</B> ist dabei mit dem Arm<B>19</B> eines Potentiometers <B>18</B> verbunden, welches elektrisch an eine Spannungs quelle 18a angeschlossen ist. Durch Bewegung des Armes<B>19</B> wird somit eine Signaländerung bewirkt. Da ein von einem Flugzeug auszuführendes Manöver bei einem gegebenen Signal immer gleich sein muss, kann der Handgriff<B>17</B> derart eingestellt bzw. mit einer Skala derart verbunden sein, dass die für ein gewünschtes Manöver erforderliche Stellung des Handgriffes<B>17</B> ohne weiteres zu erkennen ist.
Das Kommando- bzw. Steue#rsignal Oi, welches zwischen dem Abgriff und dem Arm<B>19</B> des Potentiometers ab genommen wird, wird auf das Variometer 12 übertra gen und erregt dort die Statorwicklung 14, so dass an der Rotorwicklung eine Spannung entsteht. Diese Spannung e wird auf den Servoverstärker 22 der Servosteuereinrichtung 20 übertragen, welcher den Servomotor 24 antreibt.
Die Welle des Servomotors 24 ist mit den Höhenrudern 25a mechanisch verbun- ." welche den und erteilt diesen eine Winkelbewegung proportional zu dem Signal ist, welches durch z. B. Differenzbildung aus dem Signal e und dem Signal des Rückkopplungsgliedes ist. Ferner ist ein Tacho meter<B>27</B> vorgesehen, welches von dem Servomotor 24 über eine Welle<B>28</B> angetrieben wird, um somit eine ruckweise Bewegung der Ruderflächen auf die oben erläuterte Art zu vermeiden.
Die Ausgangsspannung e des Variometers 12 wird ebenfalls auf den Verstärker <B>Z</B> 32 der Dividiereinrich- tung <B>30</B> übertragen. Der Verstärker<B>32</B> erregt den Motor 34, welcher seinerseits derart den Rotor<B>16</B> des Variometers 12 über eine Welle<B>33</B> dreht, äss sich die Spannung e erhöht.
Wenn sich die Höhenrader 25a durch Antrieb des Motors 24 bewegen, führt das Flugzeug eine entsprechende Richtungsänderung aus. Diese Bewegung wird durch einen Kreiselkompass 48 wahrgenommen, welcher mit einem Potentiometer 46 verbunden ist, das an einer Spannungsquelle 47 liegt, so dass auf bekannte Weise ein Spannungssignal KO" entsteht, welches proportional zu dem Ausgang bzw. der Reaktion 0-" des Flugzeuges infolge der Auslen- kung des Höhenruders 25a ist.
Die Spannung KO" erregt den Stator <B>37</B> des Variometers <B>38</B> und bewirkt, dass an dem Rotor<B>39</B> eine Spannung v erscheint. Der Rotor<B>39</B> wird durch den Motor 34 über eine Welle 33a angetrieben, welche somit den Teil des Signals Ki9" des Kreiselkompasses bestimmt, welcher zu, dem Verstärker<B>32</B> weitergegeben wird. ln der Divicher- einrichtung kann ein Geschwindigkeitsmesser 40 vor gesehen sein, welcher eine ruckweise Bewegung des Motors 34 verhindert.
Der Motor 34 dreht sich dabei so lange und bewegt entsprechend lange die, Rotor- wicklungen <B>16</B> und<B>39,</B> bis die Ausgangsspannung des Verstärkers<B>32</B> auf Null abgesunken ist. Dies ist dann der Fall, wenn e<B><I>=</I></B><I> v,</I><B>d.</B> h.
wenn e-v = <B>0.</B> Da <B>V<I>=</I></B><I> K<B>-</B></I> 0" <B>-</B> sin a und e<B><I>=</I></B> (9i <B>-</B> sin a, wobei a der Win kellage der Welle des Motors 34 entspricht, ist aus <I>v<B>=</B> K<B>-</B></I> 0" <B>-</B> sin a und <I>e<B>=</B></I><B> (91 -</B> sin a bei <I>e</I> = <I>v</I> K <B><I>-</I></B> e', <B>= ei</B> <B>d.</B> h.
der Ausgang oder die Reaktion 6" des Flugzeu ges ist proportional zu dem Eingangskommando el. Zur Erläuterung der Funktionsweise der in Fig. 4 gezeigten Steuereinrichtung sei angenommen, dass der Pilot das Flugzeug ansteigen lassen win. Der Pilot ver ändert hierzu die Lage des Griffes<B>17,</B> so dass der Arm<B>19</B> des Potentionieters <B>18</B> ein Signal<B>0,</B> erhält, dessen Grösse der gewünschten Bewegung des Flug zeuges entspricht.
Dieses Signal erregt die Statorwick- lung 14 des Variometers 12, wodurch ein proportio nales Signal e in der Roterwicklung <B>16</B> induziert wird. Das Signal e der Rotorwicklung <B>16</B> gelangt zu dem Servoverstärker 22. Der Ausgang des Servoverstär- kers 22 erregt den Servomotor 24. Hierdurch- dreht der Motor 24 die Höhenruder<B>25</B> nach oben oder nach unten,<B>je</B> nach der Polarität des Kommando signals. Das Flugzeug führt somit die gewünschten Steigungsänderungen durch.
Wenn sich der Motor 24 dreht, werden über die Welle<B>28</B> die Mittel des Rück kopplungsgliedes<B>26</B> betätigt und erzeugen ein Signal, welches proportional zu der Auslenkung der Ruder flächen 25a ist und welches dem Signal e entgegen wirkt. Zur gleichen Zeit betätigt der Motor 24 über die Welle<B>28</B> den Geschwindigkeitsmesser<B>27,</B> welcher ein Signal erzeugt, das proportional zu der Änderung der Lage der Steuerflächen<B>25</B> ist und welches eben falls dem Signal e entgegengerichtet ist. Der Servo motor 24 dreht sich so lange, bis das Signal des Rück kopplungsgliedes<B>26</B> das Signal e aufhebt und das Signal des Geschwindigkeitsmessers<B>0</B> ist.
Zu diesem Zeitpunkt haben die Steuerflächen 25a eine Stellung eingenommen, welche der gewünschten Neigung des Flugzeuges entspricht.
Das Signal e wird jedoch ferner auf den Verstär ker<B>32</B> übertragen, dessen-Ausgang den Motor 34 er regt, der die Rotorwicklung <B>16</B> über die Welle<B>33</B> derart dreht, dass die Spannung e erhöht wird. Solange sich der Motor 34 dreht, erzeugt er in dem Tacho meter 40 ein Signal, welches proportional zu der Lageänderung der Welle des Motors 34 ist. Das Signal des Geschwindigkeitsmessers 40 ist dem Signal e ent- gegengerichtet und verhindert somit ein ruckweises Drehen des Motors 34.
Die Drehung der Höhenruder 25a bewirkt eine entsprechende Bewegung des Flug zeuges, welche den gegen Neigungen empfindlichen Kreiselkompass 48 ansprechen lässt. Der Kreiselkom- pass bewirkt somit an dem Potentiometer 46 ein Spannungssignal, welches die Statorwicklung <B>37</B> des Variometers <B>38</B> erregt.
Die Erregung der Statorwick- lung <B>37</B> induziert in der Rotorwicklung <B>39</B> ein pro portionales Signal v, welches dem Signal e entgegen- gerichtet ist. Die Rotorwicklung <B>39</B> des Varionieters <B>38</B> wird über die Welle 33a ebenfaUs durch den Motor 34 angetrieben, und zwar in einer Richtung, welche eine Erhöhung des Signals v bewirkt. Der Motor 34 dreht sich nun so lange, bis die Signale e und v gleich sind und das Signal des Tachometers auf Null abge sunken ist.
Zu diesem Zeitpunkt nimmt das Signal e nicht weiter zu, das Signal des Rückkopplungsgliedes <B>26</B> ist genau gleich- dem Signal e und das Signal des Geschwindigkeitsmessers ist wie erwähnt ebenfalls Null. Die Steuerflächen 25a bewegen sich daher als Folge des Kommandosignals so lange, bis die Aus gangsspannung des Teilerstromkreises auf Null abge sunken ist. Zu diesem Zeitpunkt fliegt das Flugzeug mit der nun wieder konstant gehaltenen Neigung, wel- ehe durch das Kommandosignal bestimmt wurde. Wenn wieder zu der Neigung Null zurückgekehrt wer den soll, muss lediglich der Griff<B>17</B> auf die Stellung Null zurückgebracht werden.
Fig. <B>5</B> zeigt ein Blockdiagramm eines etwas abge änderten Ausführungsbeispiels. In dieser Ausfüh rungsform der Erfindung stellt der Block<B>10</B> einen Multiplikator dar, welchem das Eingangssignal 0, übermittelt wird. Die Ausgangsspannung des Multi- plikators <B>10</B> gelangt zu der Servosteuereinrichtung 20, welche ihrerseits die Last<B>50</B> betätigt. Die Ausgangs spannung e, der Servosteuereinrichtung wird auf die Dividiereinrichtung übertragen.
Die Last<B>50</B> erzeugt eine Ausgangsspannung 0", welche dazu verwendet wird, die Dividiereinrichtung <B>30</B> zu erregen. Der Aus gang des Teilers<B>30</B> ist somit er wird zu dem Multiplikator<B>10</B> übertragen. Es
EMI0004.0042
ist somit zu ersehen, dass
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und <I>K<B>-</B></I><B> 0.</B>
wobei K eine Proportionalitätskonstante ist.
Die Ausgangsspannung der Last ist so immer pro portional zu der Eingangsspannung. Wie ohne wei teres zu ersehen ist, kann das in Fig. <B>5</B> gezeigte Aus führungsbeispiel auf die Einrichtungen der Fig. 2 und 4 angewendet werden.
Selbstverständlich können auch andere Abände rungen an den dargestellten Anordnungen vorgenom men werden. In gleicher Weise können einige Schalt elemente durch entsprechende andere Schaltelemente ersetzt werden. So können beispielsweise die verschie denen Variometer durch Potentiometer, Ferngeber und dergleichen ersetzt werden. Obwohl die in den Beispielen verwendeten Spannungen Wechselspannun gen sind, können in gleicher Weise Gleichspannungen verwendet werden, und zwar abhängig von den Schalt elementen, die in der Einrichtung verwendet werden.