DE1089449C2 - Steuereinrichtung, insbesondere fuer gelenkte Flugkoerper - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1 089

INTERNATIONALE KL.

G05f;g

ANMELDETAG: H. FEB RU AR 1957

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT:

AUSGABE DER
PATENTSCHRIFT:

22. SEPTEMBER 1960 16. MÄRZ 1961

stimmt Oberein mit auslegeschrift

1 089 449 (F 22360 VIII b / 21 c)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung, die auf ein Befehlssignal hin eine Wirkung hervorruft und die einen Gegenkopplungszweig enthält, durch den dem Eingang der Einrichtung ein Signal zugeführt wird, das von der Wirkung abhängt.

In praktisch allen Steuereinrichtungen gibt es gewisse Frequenzen, bei denen das gegengekoppelte Signal in Phase mit dem Eingangssignal ist, so daß die Einrichtung, wenn die Schleifenverstärkung den Wert »1« erreicht, dazu neigt, Eigenschwingungen auszuführen.

Es ist nun wünschenswert, daß die Schleifenverstärkung, d. h. das Produkt der Verstärkungsfaktoren der einzelnen Bestandteile der gesamten Schleife, bei den verwendeten Frequenzen so groß wie möglich ist, um ein schnelles und genaues Ansprechen zu erreichen und um die Wirkungsweise verhältnismäßig unabhängig von Änderungen in den einzelnen Bestandteilen zu machen. Eine Steigerung des Verstärkungsfaktors für die Arbeitsfrequenzen bewirkt jedoch im allgemeinen auch einen erhöhten Verstärkungsfaktor für eine der Eigenfrequenzen der Steuereinrichtung, bei der Selbsterregung eintritt.. Die höchste mögliche Schleifenverstärkung in einer zu Eigenschwingungen fähigen Steuereinrichtung, bevor Selbsterregung eintritt, soll als Stabilitätsgrenze bezeichnet werden.

Durch Einschaltung von geeigneten Filtern kann man die Charakteristik der Einrichtung verändern, so daß die Verstärkung bei der Eigenfrequenz sinkt und somit die Stabilitätsgrenze hinausgeschoben wird.

Es ist üblich, derartige Einrichtungen so auszulegen, daß sie mit einer Schleifenverstärkung arbeiten, die ziemlich weit unterhalb der Stabilitätsgrenze liegt. In manchen Anwendungsgebieten, beispielsweise bei der Steuerung von Flugzeugen, kann sich die Stabilitätsgrenze während des Betriebes infolge von Änderungen der äußeren Bedingungen, z. B. Fluggeschwindigkeit und Flughöhe, verschieben. In solchen Fällen muß die Einrichtung so ausgelegt werden, daß sie wesentlich unterhalb der vermutlichen minimalen" Stabilitätsgrenze arbeitet, so daß genügend Spielraum bleibt. Es kann auch nötig sein, Mittel vorzusehen, die den Verstärkungsfaktor der Schleife in Abhängigkeit von Veränderungen, beispielsweise der äußeren Bedingungen, ändern, wodurch jedoch die ganze Einrichtung kompliziert wird.

Durch die Erfindung soll eine Steuereinrichtung angegeben werden, die es ohne großen Aufwand ermöglicht, die Schleifenverstärkung bei allen vorkommenden Betriebsbedingungen möglichst groß, d. h. möglichst nahe an der Stabilitätsgrenze zu halten.

Gemäß der Erfindung ist eine Steuereinrichtung, insbesondere für gelenkte Flugkörper, unter Verwendung eines einen regelbaren Gegenkopplungszweig

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20 Steuereinrichtung, insbesondere für gelenkte Flugkörper

Patentiert für:

Fairey Aviation Limited, Hayes, Middlesex (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 14. Februar 1956

Howard Surtees, Twickenham, Middlesex

(Großbritannien), ist als Erfinder genannt worden

enthaltenden Regelkreises (Schleife), dadurch gekennzeichnet, daß eine an die Schleife angekoppelte Einrichtung (»Meßeinrichtung«) vorgesehen ist, die auf eine außerhalb des normalen Arbeitsbereichs der Steuereinrichtung liegende Frequenz (»Meßfrequenz«), insbesondere auf eine Eigenfrequenz oder eine in der Nähe der Eingenfrequenz liegende Frequenz, anspricht und ein von der Amplitude der Meßfrequenz und damit von der Schleifenverstärkung abhängiges Steuersignal, beispielsweise in Form einer Regelspannung, liefert, das einem in der Schleife liegenden regelbaren Element zur Regelung der Schleifenverstärkung so zugeführt wird, daß mit steigender Amplitude der Meßfrequenz der Verstärkungsgrad des regelbaren Elementes und damit die Schleifenverstärkung herabgesetzt wird.

Bei der Steuereinrichtung wird also die Schleifenverstärkung laufend gemessen und auf den gewünschten Wert eingeregelt. Dies geschieht dadurch, daß eine von der Amplitude eines Signals, dessen Frequenz außerhalb des normalen Arbeitsfrequenzbereichs der Steuereinrichtung liegt, abhängige Regelspannung erzeugt wird, die ein in der Schleife vorgesehenes Element regelbarer Verstärkung steuert. Wachsender Amplitude des Signals soll dabei eine Verringerung des Verstärkungsgrades des regelbaren Elementes entsprechen.

Die Meßfrequenz kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Bei einer Ausführungsform wird die Meßfrequenz, die vorzugsweise auf oder in der Nähe

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einer Eigenfrequenz der Schleife gewählt wird, in die Schleife eingekoppelt und nach Durchlaufen der Schleife wieder aus dieser ausgekoppelt. Die ein- und ausgekoppelten Signale werden miteinander verglichen und dementsprechend das Element regelbarer Verstärkung gesteuert.

Die Meßfrequenz wird vorzugsweise am gleichen Punkt wie das Befehlssigna! in die Schleife eingekoppclt und aus dem Gegenkopplungszweig ausgekoppelt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel dient als Meßfrequenz eine Eigenfrequenz der Schleife. Die Meßeinrichtung wird dann für diese Eigenfrequenz empfindlich gemacht, und die erzeugte Regelspannung verringert den Verstärkungsgrad des regelbaren Elementes dann, wenn die Schleifenvcrstärkung bei der als Meßfrequenz dienenden Eigenfrequenz den Wert »1« überschreitet und Selbsterregung einsetzt.

Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Steuereinrichtung auch ein Element veränderlicher Verstärkung enthalten, das,durch eine Vorrichtung gesteuert wird, die, auf Schwingungen im Gegenkopplungszweig anspricht und die die Verstärkung dieses Elementes so verringert, daß die Schwingungen klein bleiben. Das Element veränderlicher Verstärkung kann sowohl im Geradeauszweig als auch im Gegenkopplungszweig der Schleife liegen.

Die Meßfrequenz kann aus der Schleife entnommen werden, dann durch ein Bandpaßfilter geleitet werden, dessen Durchlaßbereich die niedrigste Eigenfrequenz der Schleife einschließt und dann schließlich nach Gleichrichtung und Glättung, zur Steuerung eines regelbaren Verstärkers dienen. Die Schwingungen in der Schleife erzeugen also ein Steuersignal in Form einer Spannung, welche die Verstärkung des steuerbaren Elementes ändert. Wenn die Amplitude der Schwingungen wächst, wird die Verstärkung und die Neigung zum weiteren Anwachsen der Schwingungen verringert, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht wird, bei dem schwache Schwingungen kleiner Amplitude ausreichen, um die Schleifenverstärkung auf diesem Wert zu halten.

Das Steuersignal kann direkt proportional der Schwingungsamplitude sein, es kann aber auch eine verwickeitere Funktion der Amplitude darstellen, beispielsweise ein abklingendes Integral, derart, daß da·? Steuersignal um so größer wird, je langer die Schwingungen andauern, während es bei verschwindenden Schwingungen auf Null abfällt.

In den Eingang dieser Einrichtung kann ein Filter eingeschaltet sein, um aus dem Befehlssignal alle Frequenzen zu entfernen, die durch das Bandpaßfilter durchgelassen werden würden, so daß Oberwellen des Eingangssignals den Verstärkungsfaktor nicht ändern können.

Entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung können Mittel vorgesehen sein, um dem Eingang der Steuereinrichtung ein Signal einer gewissen Frequenz (Meßfrequenz) zuzuführen, ferner ein Filter, das diese Frequenz durchläßt und sie nach Durchlaufen der gesamten Schleife herausführt, wobei die Verstärkung eines Elementes regelbarer Verstärkung in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen der zugeführten Eingangsfrequenz und dem Filterausgang gesteuert wird. Diese beiden Größen oder bestimmte Anteile einer oder beider können in entgegengesetzter Polarität dem Steuergitter einer Röhre, die in dem Element variabler Verstärkung enthalten ist oder dieses steuert, zugeführt werden.

Dem Eingang kann auch ein Signal der niedrigsten Eigenfrequenz der Einrichtung als Meßfrequenz zugeführt und nach Durchlaufen der gesamten Schleifenverstärkung wieder entnommen werden und kann dann als Steuersignal für den steuerbaren Verstärker dienen, um die Schleifenverstärkung bei dieser Frequenz auf jedem gewünschten Wert unterhalb »1« zu halten. Andererseits kann auch ein Signal einer anderen Frequenz, bei welcher die Schleifenverstärkung ein bestimmtes Verhältnis zu der Schleifenverstärkung bei der niedrigsten Sclbsterregungsfrequenz hat, eingeführt und nach Durchlaufen der gesamten Schleife wieder entfernt werden und als Steuersignal dienen, um die Schleifenverstärkung bei der zugeführten Frequenz auf einem gewünschten Wert unterhalb dem Wert »1« zu halten.

Die gesamte Einrichtung kann ebenso ein Netzwerk enthalten, das die Charakteristik der Einrichtung ändert, so daß die Eigenfrequenz auf einen Wert erhöht wird, der weit entfernt von dem Arbeitsfrequenzbereich liegt und die Schleifenverstärkung bei der Eigenfrequenz erniedrigt.

Die Erfindung kann insbesondere zur Betätigung von Steuerrudern in Luftfahrzeugen dienen, beispielsweise zur Bewegung von Steuerrudern in Abhängigkeit von drahtlosen Signalen. In diesem Falle kann die Gegenkopplung ein Signal enthalten, das eine Funktion der seitlichen Beschleunigung des Luftfahrzeuges ist, welche durch die Bewegung des Steuerruders in Abhängigkeit vom Befehlssignal entstanden ist.

Der Anstellwinkel der Tragflächen bei einer Richtungsänderung ist dann proportional dem Befehlssignal, das die Richtungsänderungen bewirkt, und entsprechend kann ein Befehlssignalbegrenzer vorgesehen sein, der den Maximalwert des Befehlssignals begrenzt, so daß der Anstellwinkel ebenso begrenzt ist und die Neigung des Fahrzeuges zum Überziehen verringert wird, auch in einer langsamen Kurve.

Im folgenden soll eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung und eine Abwandlung hiervon in Verbindung mit den Zeichnungen be· schrieben werden.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Servosystems in Blockform;

Fig. 2 ist ein Schaltbild eines Rückkopplungsverstärkers mit veränderlichem Verstärkungsfaktor, und Fig. 3 ist ein Blockbild eines etwas abgewandelten Servosystems.

Das Servosystem, das schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, kann für die verschiedensten Verwendungszwecke dienen, es wird jedoch insbesondere in Verbindung mit der Steuerung eines Flugzeuges durch ein Radiosignal beschrieben werden. Wenn es beispielsweise erforderlich ist, daß ein Flugkörper entlang eines Leitstrahles fliegt, kann ein Empfänger im Flugzeug ein Radiosignal aus dem Leitstrahl empfangen, das Null ist, w.enn sich das Flugzeug im Mittelpunkt des Strahles befindet, das' jedoch in der einen oder anderen Richtung steigt, wenn sich das Flugzeug aus der Mitte des Strahles entfernt. Das Signal kann andererseits aber auch durch einen entfernten Bedienungsmann willkürlich gesteuert werden. Dieses Befehlssignal wird verstärkt, so daß es ein elektropneumatisches Relaisventil betätigen kann, das seinerseits wiederum Druckluft an einen pneumatischen Kolben liefert, welcher das Steuerruder des Flugzeuges verstellt.

Um ein genaues Ansprechen zu gewährleisten, ist eine Gegenkopplung vorgesehen, so daß die beschriebenen Teile in einer Servoschleife liegen. Das Flugzeug ist weiterhin mit einem Beschleunigungsmesser versehen, welcher beispielsweise über ein Potentio-

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meter ein elektrisches Ausgangssignal liefert, welches liegt, mit Erde verbunden ist, um eine rohe Einjustieder durch das Steuerruder hervorgerufenen Seiten- rung zu ermöglichen. Die Sekundärwicklung des beschleunigung entspricht. Dieses elektrische Aus- Transformators 53 ist mit einem Potentiometer 55 gangssignal wird verstärkt und an den Eingang des verbunden, um eine weitere Einjustierung des EinVerstärkers in umgekehrter Polarität zum Befehls- 5 gangs zu einer Röhre 56 zu ermöglichen. Die Röhre 56 signal zurückgekoppelt. Dieses bewirkt in bekannter und eine weitere Röhre 57 sind in der üblichen Weise Weise, daß die seitliche Beschleunigung dem Befehls- geschaltet, wobei ihre Gittervorspannung zur Regesignal proportional ist, vorausgesetzt, daß die Gegen- lung der Verstärkung verändert werden kann. Die kopplungsverstärkung konstant und die Schleifen- Steuergitter sind über die Gitterableitwiderstände 58 verstärkung hoch ist. io und 59 miteinander verbunden und liegen an dem

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Ver- Regelsignal 46, welches die Verstärkung ändert. Der

Stärkung des Gegenkopplungsverstärkers in Ab- Verstärker enthält zwei weitere Röhren 60 und 61,

hängigkeit vom Auftreten von irgendwelchen Schwin- wobei die erste ein üblicher Verstärker und die zweite

gungen der Eigenfrequenz der Schleife verringert. eine Kathodenfolgestufe ist, deren Kathode einerseits

Unter Eigenfrequenz soll dabei die Frequenz ver- 15 an der Ausgangsleitung 62 und andererseits über den

standen werden, bei welcher die Schleife zuerst Widerstand 63 an einer negativen Spannungsquelle 64

instabil wird, wenn man die Schleifenverstärkung liegt,

schrittweise erhöht. Um die Ausgangsimpedanz des Kathodenfolgers

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das Befehlssignal zu verringern, ist eine Rückkopplung auf den Eingang 10 einem Tiefpaßfilter 11 zugeführt, welches im ein- 20 der Röhre 60 über einen Widerstand 65, der zwischen zelnen später noch beschrieben wird; der gefilterte dem Steuergitter der Röhre 60 und der Ausgangs-Ausgang wird als ein Eingang 12 einer Addierstufe 13 leitung 62 des Kathodenfolgers 61 liegt, vorgesehen, zugeführt, der als zweiter Eingang ein Gegenkopp- Die Ausgangsleitung 62 des Kathodenfolgers ist lungssignal 14 zugeführt wird. Die Addierstufe 13 über einen Kondensator 66 an einen Demodulator 70 vereinigt das Gegenkopplungssignal mit dem Befehls- 25 angeschlossen. Dieser enthält eine Quelle 71, die mit signal. Sie kann beispielsweise aus einem angezapften der Quelle 52 synchronisiert und an die Primärwick-Widerstand 15 bestehen, dem die beiden Signale 12 lung des Transformators 72, dessen Sekundärwicklung und 14 an den entgegengesetzten Enden zugeführt einen Mittelabgriff besitzt, angeschlossen ist. Der werden, während der Abgriff den Ausgang 16 zu der Mittelabgriff führt zu dem Kondensator 66, während Steuereinrichtung bildet. Die Steuereinrichtung ent- 30 die Enden der Wicklung über die Dioden 73 an die hält einen Geradeausverstärker 17, dessen Ausgang 18 entgegengesetzten Anschlüsse eines kapazitiven Spanein elektrisch arbeitendes Ventil 19 betätigt, welches nungsteilers 74 und einen ohmschen Spannungsteiler den Zufluß 20 eines Arbeitsmediums zu einem Kolben 75 angeschlossen sind, dessen Abgriff 76 den Ausgang 21 steuert, welcher seinerseits das Steuerruder 22 be- darstellt.

tätigt. Die Auslenkung des Steuerruders, dargestellt 35 Der Demodulator arbeitet in bekannter Weise,

durch den Pfeil 23, wirkt auf den Flugkörper 24 und Wenn also vom Kathodenfolger kein Signal über den

erzeugt eine seitliche Beschleunigung, welche durch Kondensator 66 geliefert wird, sind die Ströme, die

den Pfeil 25 dargestellt ist und welche von mecha- von der Quelle 71 durch die Dioden 73 fließen, gleich,

nischen Bedingungen, beispielsweise der Geschwindig- und das Potential des Abgriffs des kapazitiven Span-

keit des Flugkörpers, den Abmessungen des Steuer- 40 nungsteilers 74 liegt damit in der Mitte zwischen den

ruders, der Dichte der Luft, abhängig ist. Potentialen an seinen Enden und ist gleich dem

Der Gegenkopplungszweig der Schleife enthält Potential am Abgriff des ohmschen Spannungsteilers einen Beschleunigungsmesser 30, der schematisch als 75. Wenn jedoch vom Kondensator 66 ein Signal geein auf ein Potentiometer 32 wirkendes Pendel 31 dar- liefert wird, so verstärkt dieses wegen der Spannungsgestellt ist. Er ist so angeordnet, daß er auf seitliche 45 quelle 71 in einer Hälfte der Sekundärwicklung des Beschleunigungen des Flugkörpers anspricht und ein Transformators 72 das Signal, während es dieses in elektrisches Ausgangssignal 33 für den Eingang eines der anderen Hälfte auskompensiert, so daß der Strom regelbaren Gegenkopplungsverstärkers 34 liefert, des- durch die eine der Dioden den Strom durch die andere sen Ausgang 14 zur Addierstufe 13 zurückgeführt ist. übersteigt und der kapazitive Spannungsteiler 74 un-

Der Ausgang 14 des regelbaren Verstärkers 34 50 symmetrisch wird, so daß das Erdpotential nicht wie wird zusätzlich durch ein Bandfilter 40 geleitet, das so bisher in der Mitte zwischen den Potentialen der beiausgelegt ist, daß es ein schmales Frequenzband ein- den Enden des Spannungsteilers liegt. Das Potential schließlich der Eigenfrequenz der Schleife durchläßt. des Ausgangs weicht dadurch in einer Richtung oder Der Ausgang 41 des Bandfilters wird mittels einer der anderen in Abhängigkeit von der Phase des vom Phasenumkehrstufe 42 und den beiden Dioden 43 voll- 55 Kathodenfolger gelieferten Signals in bezug auf die weggleichgerichtet. Das gleichgerichtete Ausgangs- der Spannungsquelle 71 ab.

signal 44 wird einem Ti-efpaßglättungsfilter und Netz- Das Ausgangssignal 76 wird an die Addierstufe 13

werk 45, das ein Voreilen der Phase bewirkt, zu- durch eine Trennstufe zurückgeführt, welche aus

geführt, dessen Ausgang 46 zur Steuerung des einem Verstärker 77 besteht, welcher einen Gegen-

Verstärkungsgrades des regelbaren Gegenkopplungen 60 kopplungszweig besitzt.

Verstärkers 34 dient. Das Tiefpaßfilter 11, das Bandfilter 40 und das

Eine geeignete Schaltung für den regelbaren Gegen- Netzwerk 45, das ein Voreilen der Phase bewirkt, kopplungsverstärker 34 ist in Fig. 2 dargestellt. Der sind entsprechend den geläufigen Filtertheorien aufEingang 33 wird durch einen Modulationskreis 50, gebaut.

welcher einen Dioden-Ringmodulator 51, der von einer 65 Das Tiefpaßfilter 11 im Eingang hat eine Über-Trägerfrequenzquelle 52 gespeist wird und mit einem tragungsfunktion der Form 1/(1 -\-ap + bp²-\-c· p³) Transformator 53 verbunden ist, moduliert. Der Ein- und schneidet beispielsweise bei etwa 2 Hz ab. In gang 33 ist mit einem Abgriff der Primärwicklung des dieser und den folgenden Gleichungen für die ÜberTransformators 53 verbunden, während der Schleifer tragungsfunktion bedeutet p den Laplace-Operator eines Potentiometers 54, welches parallel zur Quelle 52 70 und die anderen Buchstaben a, b, c, d, A, B, T₁, T₂

bedeuten konstante Koeffizienten entsprechend der speziellen Ausführungsform.

Das Bandfilter 40 hat eine Übertragungsfunktion der Form p/(l+dp + p²), es soll beispielsweise einen schmalen Frequenzbereich beidseits von 22 Hz durchlassen. Das Glättungsfilter 45 enthält ein Tiefpaßfilter, das zur Glättung der Welligkeit des Signals aus dem Vollweggleichrichter dient; es besitzt eine Übertragungsfunktion der Form 1/(1+ PT₁), und es schneidet bei sehr tiefen Frequenzen, beispielsweise bei etwa 0,2 Hz, ab. Parallel zu diesem Tiefpaßfilter zur Glättung ist ein Phasenverschiebungsnetzwerk mit einer Übertragungsfunktion der Form —1/(1 + dp + p²) geschaltet, das dazu dient, Signale mit einer Frequenz unterhalb von etwa 2 Hz voreilen zu lassen, während es Signale mit höheren Frequenzen dämpft und verzögert. Dieses Phasenschiebernetzwerk dient in bekannter Weise zur Stabilisierung für den automatischen Verstärkungsregelungskreis. An diese Netzwerke schließt sich ein weiteres Tiefpaßfilter mit einer Übertragungsfunktion der Form 1/(1 +pT₂) an, das zur weiteren Glättung dient. Es kann beispielsweise eine Grenzfrequenz von etwa 10 Hz haben.

Das kombinierte Glättungs- und Phasenschiebernetzwerk 45 hat eine Übertragungsfunktion der Form

Bp

1 + dp + ρ²

Es soll erwähnt werden, daß dieser Kreis einen Vorspannungswiderstand 8 enthält, der an eine Spannung von etwa ¹Zs Volt positiv in bezug auf Erde geschaltet ist, um für die ersten zwei Röhren 56 und 57 des regelbaren Rückkopplungsverstärkers eine konstante Gittervorspannung von etwa —2 Volt in bezug auf Erde zu gewährleisten.

Die Arbeitsweise der Einrichtung dürfte aus der vorangegangenen Beschreibung klar hervorgehen. Ein dem Eingang 10 zugeführtes Befehlssignal wird verstärkt und bewirkt den Beginn einer Bewegung des Steuerruders, wodurch eine seitliche Beschleunigung des Flugzeuges, die durch den Ausgang 25 dargestellt ist, auftritt. Die Verstärkung des Vorwärtszweiges der Servoschleife ist derart bemessen, daß die seitliche Beschleunigung viel zu groß sein würde, wenn nicht durch den Gegcnkopplungszweig vom Ausgang 14 des Gegenkopplungsverstärkers 34 das übliche Gegenkopplungssignal an . den Eingang geliefert würde, so daß dann, wenn die seitliche Beschleunigung einen Wert erreicht hat, der dem Befehlssignal am Eingang 10 entspricht, keine weitere Bewegung des Steuerruders mehr erfolgt. Es ist bekannt, daß für eine genaue Proportionalität zwischen der entstehenden seitlichen Beschleunigung und dem verursachenden Befehlssignal die Verstärkung der Schleife so groß wie möglich sein soll. Es ist ebenso bekannt, daß auch, wenn der Kreis so bemessen ist, daß das rückgekoppelte Signal in seiner Phase dem Befehlssignal bei gewissen Frequenzen (insbesondere sehr niedrigen Frequenzen) entgegengesetzt liegt, andere Frequenzen vorhanden sind, bei denen in der Schleife eine derartige Phasenverschiebung aufgetreten ist, daß das Befehlssignal verstärkt wird und, wenn die Verstärkung der gesamten Schleife die Einheit übersteigt, der Kreis unstabil wird und in Schwingung geraten kann.

Durch die vorliegende Erfindung werden diese Schwierigkeiten dadurch überwunden, daß jede solche Schwingung automatisch die Schleifenverstärkung herabsetzt. Das Schwingungssignal kann für diesen Zweck aus jedem beliebigen Punkt entlang der Schleife entnommen werden, bei dem dargestellten Beispiel wird es vom Ausgang 14 des regelbaren Gegenkopplungsverstärkers 34 entnommen. Wie bereits erwähnt, ist in dem speziellen dargestellten Beispiel die Stabilitätsgrenze bei etwa 22 Hz erreicht, und dementsprechend tritt beim Instabilwerden der Schleife eine Schwingung zuerst bei dieser Frequenz auf. In dem Augenblick, wo dies eintritt, wird ein

ίο Signal durch das Bandfilter 40, das, wie erwähnt, so ausgelegt ist, daß es diese Frequenz durchläßt und andere Frequenzen sperrt, übertragen. Das Signal wird geglättet und schließlich dem Ausgang 46 zugeführt, wodurch es die Vorspannung der ersten zwei Röhren 56 und 57 des regelbaren Verstärkers 34 steuert. Die Verstärkung der Schleife wird dadurch sofort verringert, bis die Schwingungen einen bestimmten Pegel unterschreiten.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat verschiedene Vorteile. Die Schleifenverstärkung und damit die Genauigkeit der Einrichtung wird automatisch so hoch wie möglich gehalten. Dies wird ohne komplizierte zusätzliche Einrichtungen erreicht, wie beispielsweise verstärkungsbeeinflussende Netzwerke und Vorrichtungen, deren Verstärkung durch äußere Bedingungen geändert werden. Die minimale Stabilitätsgrenze, die in der Praxis auftreten kann, braucht nicht für die Bemessung abgeschätzt zu werden, und es braucht kein Sicherheitsfaktor für falsche Berechnungen vorgesehen zu werden. Die Einzelteile brauchen nicht sorgfältig abgeglichen zu werden, da Änderungen der Einzelteile automatisch auskompensiert werden.

Unter gewissen Umständen ist die seitliche Beschleunigung des Flugkörpers für ein gegebenes drahtloses Befehlssignal proportional zur Luftdichte und dem Quadrat der Geschwindigkeit. Daraus folgt, daß bei konstanter Luftdichte der Radius der vom Flugzeug beschriebenen Kurve und der Anstellwinkel der Flächen für ein bestimmtes Befehlssignal über den erwarteten Geschwindigkeitsbereich konstant bleiben.

Die Einrichtung kann deshalb einen Begrenzer für

das Signal am Eingang der Addierstufe enthalten, welcher den Maximalwert des Befehlssignals auf einen Wert begrenzt, der einem Anstellwinkel entspricht, welcher klein genug ist, daß das Flugzeug nicht überzogen werden kann.

Die seitliche Beschleunigung bei einer gegebenen Geschwindigkeit ist im wesentlichen proportional zu dem verursachenden Signal, vorausgesetzt, daß die Schleifenverstärkung wesentlich größer ist als »1«. Die Übertragungsverstärkung der Betätigungsvorrichtung für das Steuerruder und die des Flugzeuges in Abhängigkeit von den Ruderausschlägen sind nicht von großer Wichtigkeit, wenn nur die Schleifenverstärkung hoch genug ist, wie es ganz automatisch bei Anwendung der Erfindung der Fall ist.

Der Radius einer Kurve ist bei konstanter Höhe der Größe des verursachenden Befehlssignals umgekehrt proportional.

In dem etwas abgewandelten Austuiirungshcispiel nach Fig. 3 sind der Vorwärts- und der Gegcnkopplungszweig der Schleife ebenso ausgeführt, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. Das Befehlssignal 10 durchläuft also ein Tiefpaßfilter 11, dessen gefilterter Ausgang an den einen Eingang 12 einer Addierstufe 13 gelegt wird. Das. Signal aus der Addierstufe betätigt nach dem Durchlaufen eines Verstärkers 17 ein Ventil 19, welches das Steuerruder 22 verstellt. Die resultierende Verstellung des Steuer-

ruders erzeugt eine seitliche Beschleunigung des Flugzeuges 24, die durch den Pfeil 25 versinnbildlicht ist und durch den Beschleunigungsmesser 30 gemessen wird. Der Ausgang 33 dieses Beschleunigungsmessers wird durch einen regelbaren Verstärker 34 verstärkt, dessen Ausgangssignal wird an den Eingang 14 der Addiereinheit 13 zurückgeführt.

Durch den Oszillator 81 werden kleine Amplitudenschwankungen erzeugt, deren Frequenz in der Nähe der Eigenfrequenz der Schleife liegt, und in die Schleife als Meßsignal 82 an der Addierstufe 13 eingeführt. Diese Schwingungen durchlaufen die gesamte Schleife, nämlich die Einheiten 13, 17, 19, 22, 24, 30 und den regelbaren Verstärker 34. Das Ausgangssignal des regelbaren Verstärkers wird zusatzlieh zur Speisung der Addiereinheit 13 mit dem Rückkopplungssignal 14 durch ein Bandfilter 83 geleitet, das so ausgelegt ist, daß es ein schmales Frequenzband um die Schwingungsfrequenz durchläßt und welches eine Übertragungsfunktion der Form — p/(l + dp + p²) besitzt. Der Ausgang des Bandfilters wird mittels einer Phasenumkehrstufe 84 und der beiden Dioden 85 und 86 vollweggleichgerichtet, und die entstehende Gleichspannung wird dem einen Ende

87 eines Widerstandes 88 zugeführt. Dem einen Ende 89 eines zweiten Widerstandes 90 wird ein Gleichspannungssignal im umgekehrten Sinne zugeführt, welches vom Oszillator 81 herrührt, von dem es durch einen Vollweggleichrichter, welcher aus einer Phasenumkehrstufe 91 und den Dioden 92 und 93 besteht, gewonnen wird. Die anderea Enden der Widerstände

88 und 90 sind am Punkt 94 miteinander verbunden, von dem aus jedes unsymmetrische Signal an ein glättendes und phasenschiebendes Filter 95 gelangt, welches eine Übertragungsfunktion der Form

Claims (12)

Patentansprüche: Bp dp2 ) 1 +pT2 besitzt. Der Ausgang des Filters 95 wird dem regelbaren Verstärker 34 zur Steuerung des Verstärkungsgrades zugeführt. Diese Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Beispiels erlaubt es, die Verstärkung der Schleife bei oder in der Nähe der Eigenfrequenz auf einen beliebigen Wert unterhalb von »1« einzustellen (bestimmt durch das Verhältnis der Widerstände 88 und 90). Bei dieser Anordnung wird die Verstärkung normalerweise auf einen Wert zwischen 0,5 und 0,75 eingestellt, um der Einrichtung ein Eingangssignal mit einem größeren Frequenzbereich zuführen zu können. Es ist nicht notwendig, daß das eingeführte Signal die Eigenfrequenz besitzt, denn die. Verstärkung bei einer anderen Frequenz kann in ein festes Verhältnis zur Verstärkung ber der Eigenfrequenz gesetzt werden. Wenn ein Signal dieser anderen Frequenz zugeführt wird, kann die Verstärkung der Schleife bei dieser Frequenz auf einem solchen Wert gehalten werden, für den die Schleifenverstärkung bei der Eigenfrequenz den gewünschten Wert unterhalb »1« besitzt. In diesem Falle ist es nicht notwendig, daß im Nutzausgang Schwingungen auftreten, bevor die Regelung in Tätigkeit tritt. Die Einrichtung kann weiterhin so abgewandelt werden, daß ein Netzwerk vorgesehen wird, das bewirkt, daß die erste Eigenfrequenz weit vom Arbeitsfrequenzbereich weg zu liegen kommt; im Bereich dieser Frequenz ändert sich dann die Schleifenverstärkung nur wenig mit der Frequenz.

1. Steuereinrichtung, insbesondere für gelenkte Flugkörper, unter Verwendung eines einen regelbaren Gegenkopplungszweig enthaltenden Regelkreises (Schleife), dadurch gekennzeichnet, daß' eine an die Schleife angekoppelte Einrichtung (»Meßeinrichtung« 40, 45 in Fig. 1; 83 bis 95 in Fig. 3) vorgesehen ist, die auf eine außerhalb des normalen Arbeitsbereichs der Steuereinrichtung liegende Frequenz (»Meßfrequenz«), insbesondere auf eine Eigenfrequenz oder eine in der Nähe der Eigenfrequenz liegende Frequenz, anspricht und ein von der Amplitude der Meßfrequenz und damit von der Schleifenverstärkung abhängiges Steuersignal, beispielsweise in Form einer Regelspannung (46), liefert, das einem in der Schleife liegenden regelbaren Element (34) zur Regelung der Schleifenverstärkung so zugeführt wird, daß mit steigender Amplitude der Meßfrequenz der Verstärkungsgrad des regelbaren Elements und damit die Schleifenverstärkung herabgesetzt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis und die Schleifenverstärkung so bemessen sind, daß gerade Selbsterregung bei einer Eigenfrequenz des Regelkreises auftritt, und daß die Einrichtung (40, 45) zur Erzeugung der Regelspannung und das Element regelbarer Verstärkung (34) so bemessen sind, daß die Amplitude der Eigenschwingungen klein bleibt (Fig. 1 und 2).

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Schleife (13, 17, 19, 22, 24, 30, 34) ein Signal (82) eingekoppelt wird, dessen Frequenz vorzugsweise auf oder in der Nähe einer Eigenfrequenz der Schleife liegt (»Meßsignal«), daß das Meßsignal nach Durchlaufen der gesamten Schleife ausgekoppelt wird, daß das eingekoppelte und das ausgekoppelte Signal einer Vergleichsschaltung (88, 90) zugeführt werden und daß die Regelspannung aus dem resultierenden Signal abgeleitet wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal am selben Ort (13) in die Schleife eingekoppelt wird wie ein der Steuereinrichtung zugeführtes Befehlssignal (10) und daß das Meßsignal aus dem Gegenkopplungszweig der Schleife ausgekoppelt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 3. 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Oszillator (81) zur Erzeugung der Meßfrequenz, eine Schaltung (91, 92, 93) zur Gleichrichtung des Oszillatorausgangssignals, weiterhin durch ein Bandpaßfilter (83) für die Oszillatorfrequenz, durch welches das ausgekoppelte Signal geleitet wird, ferner durch einen Gleichrichter (84, 85, 86) für das ausgekoppelte Signal und schließlich durch eine Addierstufe (88, 90), die die beiden gleichgerichteten Signale zur Erzeugung der Regelspannung vereinigt, durch die der Verstärkungsgrad des regelbaren Elementes (34) gesteuert wird (Fig. 3).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß das regelbare Element (34) im Gegenkopplungszweig der Schleife liegt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das regelbare Element im Geradeauszweig der Schleife liegt.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelspannung der Amplitude des Meßsignals

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bzw. der Eigenschwingungen direkt proportional ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelspannung ein Zeitintegral der Amplitude des Meßsignals bzw. der Eigenschwingungen enthält.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zuleitung für das Befehlssignal (10) ein Filter (11) zur Sperrung von Eingangssignalen der Meßfrequenz oder Eigenschwingungsfrequenz geschaltet ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelspannung so bemessen ist, daß die Schleifenverstärkung für die Meßfrequenz unterhalb »1« bleibt.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das regelbare Element (34) ein regelbarer Verstärker ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 921 877.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©009 608,750 9.6Ü (109 533/10» 3.61)