DE1290433B

DE1290433B - Flugregler mit Stellungs- und Geschwindigkeitsrueckfuehrung

Info

Publication number: DE1290433B
Application number: DET30142A
Authority: DE
Inventors: Moeller; Dr-Ing Waldemar
Original assignee: Bodenseewerk Perkin Elmer and Co GmbH
Current assignee: PE Manufacturing GmbH
Priority date: 1962-11-13
Filing date: 1962-11-13
Publication date: 1969-03-06

Description

Die Erfindung betrifft einen mit Vorhalt arbeitenden Flugregler mit Stellungs- und Geschwindigkeitsrückführung vom Steuerflächen-Stellmotor.
Es gibt Flugzeuge, die eine gewisse Eigenstobilität besitzen. Bei einer Auslenkung des Flugzeuges aus seiner normalen Fluglage, z. B. Geradeausflug, die infolge einer Störung eintritt, treten an dem, Flugzeug aerodynamische Kräfte auf, welche das Flugzeug in seine Ausgangslage zurückzudrehen suchen. Das Flugzeug ist so elastisch an seine normale Fluglage gefesselt, und da es ein Trägheitsmoment besitzt, stellt es ein schwingungsfähiges mechat)isches System dar, welches eine bestimmte Eigenfrequenz hat. Ein Flugregler bewirkt bei einer durch eine Störung hervorgerufenen Lageabweichung des Flugzeuges eine Auslenkung von Steuerflächen, (Höhen-, Seiten- oder Querruder), und dadurch werden ebenfalls aerodynamische Momente erzeugt, welche die Lageabweichung zu korrigieren trachten. Der Flugregler erhöht somit die »Federn- sselung« des Flugzeuges an seine gewünschte Fluglage und damit die Eigenfrequenz des Systems. Bei modernen schnellen Flugzeugen ist meist überhaupt keine Eigenstabilität mehr gegeben. Die Stabilität wird ausschließlich durch ('en Flugregler erreicht und dieser bestimmt die Eigenfrequenz. Man bezeichncr diese Frequenz als »Stabilisierungsfrequenz«. 3e höh-er die Fluggeschwindigkeit wird, desto größer wird die Ruderwirksamkeit. Bei gleicher Auslenkurg der Steuerflächen erzuge!! diese bei hohen Fluggeschwindigkeiten eia @2esentlich größeres ; aerodynamisches Moment als bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten, so daß sich die Stabilisierungsfrequenz mit wachsender Fluggeschwindigkeit stark erhöhen würde. Man sucht deshalb dic Ruderausschläge bei gleichen Signalen vom Kreisel mit wachsender Fluggeschwindigkeit zu verringern, um der erhöhten Ruderwirksamkeit Rechnung zu tragen. Das ist auch aus dem Grunde erforderlich, weil die Stellgeschwindigkeit des Stellmotors begrenzt ist. mit höheren Frequenzen kinnte d-2r Stellmotor bei gleicher Ruderamplitude dem vom Kreisel gelieferten Signal nicht mehr phasengetreu folgen, was zur Instabilität der Regelung führen würde.. Um den vom Kreisel bis zum Ruder naturgemäß auftretenden Phasenverlust zu kompensieren, arbeiten Flugregler üblicherweise mit Vorhalt, d. ii., sie benutzen nicht nur ein Lageabweichungss:gnal, sondern auch dessen erste und vs=arteilhafterweise auch die zweite Zeitableitung.
Um eine Proportionalität zwischen Regelabweichung und Stellgröße zu erzielen, ist es bekannt, eine Stellungsrückführung vorzusehen, d. h., dein aus der Regelabweichung und gegebenenfalls deren Ableitungen gewonnenen Meßwert wird ein c'er Stellgröße proportionales Rückführsignal entgegengeschaltet, welches das Steuersignal für den Stellmotor zum Verschwinden zu bringen sucht.
Nun stellt eine solche Rückführung ihrerseits wieder einen Regelkreis dar, für welchen das aus der vorerwähnten Regelabweichung des Hauptregelkreises und deren Ableitungen gebildete Fehlersignal eine Führungsgröße darstellt, auf welche das Rückführsignal durch geeignete Verstellung des Stellgliedes eingeregelt wird. Um hierbei Pendelungen durch Trägheit von Stellmotor und Stellglied zu vermeiden, welche auch das Verhalten des Hauptregelkreises beeinflussen, ist es bekannt, eine Geschwindigkeitsrßck#ührung vorzusehen. Dem Fehlersignal wird nicht nur ein von der Lage des Stellgliedes abhängiges Rückführsignal entgegengeschaltet, sondern auch ein der Geschwindigkeit des Stellmotors, also der Zeitableitung der Stehgröße proportionales. Das hat zur Folge, daß das Steuersignal am Stellmotor bei gleichem Fehlersignal und Stellgröße schneller zum Verschwinden gebracht wird, wenn der Stellmotor schon mit hoher Geschwindigkeit auf den dem Fehlersignal entsprechenden Zustand zuläuft, als wenn der Stellmotor in Ruhe ist und erst anlaufen muß oder gar in falscher Richtung läuft und umgesteuert werden soll. Dadurch °iverden Schwingungen im Rückführkreis gedämpft.
Die sich ergebenden Stellmotoramplituden kann man sich an Hand von F i g. 1 veranschaulichen. Dort ist die Amplitude des Stellmotors bei einer bestimmten AFryplitude a des Fehlersignals in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. her Stellmotor hat gewisse konstruktiv gegebene Grenzwerte der Afnplitude. ;",ax#..der Geschwindigkeit @rn,ra und der Beschldunigungm,x (Drehmoment). Dadurch ist die Amplitude von periodischen Schwing'ungcn des Stellmotors in Abh«ngigkeit von der Frequenz r» beschränkt. Die Grenzamplituden sind dur=ch die Kurven rnnx> @max und ersax in F 1 g. 1 da:gt;stellt. Das Fehlersignal o, und die, Lagerrückführung sind in F i g. 1 so gewählt, daß sich statisch (in) = G:A d;-.-Stellmotorausschlag .".,;r ,x ergibt.
Nur mit Lagerückilihromg würde die Stc:llmaotoramplitude bei Veränderung der Frequenz von u den Grenzamplitudenkt?!Tea! hrr:ar.# .111,7x und @r:mx fo1T*n. Infolge der als stz@rke Dämpfung wirkenden Geschwindigkeitsrückführung in Verbindung niit denn Trägheitsmoment ergeben sieh je nach der Stärke der Geschwindigkeitsrückführung die in F i g. 1 dargestellten Amplitudenverläufe.
Die Stellungsgegenkopplung vom Sllaotcr tr°bt eine Proportionalität zwischen Pegelabweichung und Stellgröße an. Die Geschtvindigkeitsgegenkopplung vom Stellmotir sorgt für eine Proportionaiinät zwischen Regelabweichung und Stell seschwindigkeit, gleichzeitig dämpft sie Schwingungstendenzen im Stellmotorkreis. Die mit der Stellgeschwindigkeitsgegenkopplung und dem Trägheitsniioment des Stellmotors gekoppelten Phasenschleppungen des Steilmotors werden durch zusätzliche Zeitableitungen der Regelabweichung kompensiert.
Wenn 1 das Trägheitzmoment des Stellmotors und der damit verbundenen Glieder ist, dann ist c" `I` + e1 Ale + p, BP = K" 11 + K1 r + 1 7 . (1) Die linke Seite der Gleichung ist das Signal, welches vom Meßwertgeber, z. B. einem integrierenden und differenzierenden Wendekreisel bei Flugreglern, geliefert wird. Dem Signal wirkt am Steilmotor das Stellungsrückführsignal km x und das Geschwindigkeitsrückführsignal k1 @ entgegen. Der Stellmotor selbst liefert einen Trägheitswiderstand 1.
Auf einen solchen Regler mit Vorhat und Geschwindigkeitsrückführung beziel!t sich die vorliegende Erfindung.

Wenn man sich die Gleichung (1) betrachtet. so erkennt man, daß man bei einer periodischen Störung V> ` 1110 e'tr,t (2) die Gleichung einer erzwungenen Schwingung von

erhält. Die periodische `:>Fi"r'egerl`;raft@, ist hierhLi

gegeben durch den Ausdruck

O. _tp1.E + V@!'Y Elrl +

0,)2" C2 -t' i r1) C, (3)

Das 1.t _lne Schwingung, die .'n 111rer Pbasc der

Störung Voreilt, Wie nian l ncll erlrf'Y:PL, v"-enn

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Die Zp#.,i-Faairve Wird uni so flacher, je gi-bIäei- X,

also je größer die Geschwindigkeitsgegenkoppitio-

ist. Wenn man die Geschwindigkeitsgegenkopplung

vom Stellmotor her groß macht, dann ,kann man

erreichen, daß die Phasenschleppung Z 1ciiigsaarit.'!"

gegen 180° geht als der Si,giaalvorhal( g', so daaß

hüherc Frequenzen noch ein Pl)aisenvorlatif der

Stellniotorbewegung gegenüber einer" periodischen

R'egelaihweia;hting gegeben ist. Aber reit einer Ver-

größerwig dereschwincligke@tsgef;c'aakopgaltir@gl trett:n

n, niedrigen y^,n

, ai; ."#(.,f1WaeY"Igki',Itell ch in a unteren Frecl,uenzbercich bei laledlle,n Frequenzen wild die x(,ra)-iur@ auf, cl

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lafc,schwindigkeitsggel#'?enllalpplull° l74'1 t#E . / ### t'Yte

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Sprung; von , .= 0 auf == 180° eintritt, erliUlt man

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E7trernen 1'e größer K.: also die d xesch@#aiz#rlN Fi,arit:^_

i'"i;enkot')1)lung ist. Dann tritt schon bei 1Acinen

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F'rC',111PC-tli?'eia an r.' - e1111;". rä"ü:1'klHt;lle 1 I11@P w1'-

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_"41aie,p:altltag ein, so daß jetzt bei kleinen Fi D.,yuc Y'@ zeai

(60.:.r Vorhalt V,-i'In?reilg.,llen kann oder soy;a,r eilll

Nacheilen _ k, .. .:,... , #r . 1#. ". n ..

Nacheilen der Stk:'ällli'IOtOn#)t.a'^J4 :; üra gn,I l lk44:4#,14.ü1?;C,l

IYxi:'

ahw,#ichung'F auftreten kante, wie aus F' i g,. 3

R, _-U = 10 und R, === K@- = 15 c:#rsrch(!N.:I7 1s(.

i_sica. Erfindung besteht mw darin, (la:ß 11n".,4' Flug-

auf die Stabilisierungsfrequenz # u1 I 1p. 1 (1l.

Schaltglieder elalliall und der Rück#,,ihrkrei s cies

Reglers ,,"` , -

Reglers Von diesen Sclaaltg;hul".rti c1c,rD:a(. l re.c,llaillil,:.,ar

ist, d A3 das Verhältnis des erzeugtetl

c.N #ll der das IF.liGl4. tl ' " .i".ilrSt@., ## xn#3 "1 <n

he'r%"t71"1"tt11d111.ii .atell.,.

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';a@wrs

gescvliwineligka-.it bei unveränderter ,< li""iseilkaipe

Rückführsignals finit wachsender S(aai)ilis@a,"rtrrtg@y5l"e-

qt:icatz verkleinert wird:.

11e Wirkung dieser Maßnahme' i'.41 au.: 1" 1 g. 4

ersichtlich, bei welcher sich dis- Stärke der Gc;schzvin-

digkeitsgegenkopplung zu höhenm FrecluenteiY Irin

stetig von aR, = 0,5 bis l';, =_ .1 5 ändert. Im tili@.4@;1"N"an

F"i"ecgaterlzbeleie°h veilaul"t die x(o'ry,%-FaiY"ir i.l@i:.i131:.

^Aiend einer' schwachen (..,xeschwlndl eil S °eG@,'Yikt3

g.. _ 1. I

hing (i@alrl°Hpfttlg@j, 1'.1. 1"i., d14, Phasenschlepl° L9fj Mir ist

zuniichSt sehr klein, kleiner als der 1@IYatSe111"115latif

des Signals a gegenüber der Regelabweichung '1f,

und die i'hasenschleppung X steigt dann 1111t ,ta@aachsl',.YS-

der Frequenz co sehr steil an in dR°°tn Bereich, iri

Welchem auch der Vorhalt (i schnell gegen 180'

ansteigt. Dieser Anstieg von x setzt sich aber nicht

ina gleichen Maße bis zu ;t = I80° fort, weil ,par sonst

wie bei F° i g. 2 mit v,-- , z:180' der verbleibende

Vorhalt 1p - Z zli Null würde, sondern es inaich@ :wich

jetzt die stiirker Werdende Geschwilldigkeitsri.ick-

fi:ihrung bemerkbar, und die X«u)-Kurve Wird ab-

geflacht. Wie rnan aus F i g. 4 erkennt, bekommt man

auf Bliese Weise über einen großen FreqtienzUicsreicah

hinweg eine fast konstante Phasenvoreilung der

Stellniotorbewegung ,t gegenüber der Regelabwei-

chung x. Bei der Beurteilung der Vorhaaltkurve von

p" i g1. 4 lnuß man beachten, daß die Darstellung einen

fach logarithmisch ist, der gestrichelt dargestellte Bereich also zwei Größenordnungen von 0,1 bis 10 Hertz umfaßt. Die Amplitude der Stellmotorbewegung ändert sich dabei mit der Frequenz nach der in F i g. 1 mit »R1 = 0,5 - 15« bezeichneten Kurve.

Der Regler mit den geschilderten Eigenschaften wird im Einsatz Regelschwingungen ausführen. Die Frequenz der Regelschwingungen wird um so höher, je höher die Geschwindigkeit des Flugkörpers wird. Die geschilderten Uberlegungen gelten aber weitgehend auch für aperiodische Störungen, da ja jede solche Störung durch ein Fourier-Integral von periodischen Funktionen dargestellt werden kann. Die Abnahme der Amplitude von e mit zunehmendem ist bei Flugreglern durchaus erwünscht, weil mit höherer Frequenz und somit höherer Fluggeschwindigkeit auch die Ruderwirksamkeit stark ansteigt.
Die erfindungsgemäße Erhöhung der Geschwindigkeitsrückführung in Abhängigkeit von der Frequenz der Regelschwingungen kann in verschiedenster Weise bewerkstelligt werden. Zwei besonders vorteilhafte Lösungen sind in den F i g. 5 und 6 als Blockschaltbilder beispielsweise dargestellt. F i g. 5 zeigt einen nach der Erfindung ausgebildeten Flugregler mit einem integrierenden und differenzierenden Wendekreisel I, dessen Ausgangssignale co P, Cl Y' und c2 VP einer Summierschaltung Ia zugeführt und in einem Begrenzer I6 auf die Amplitude begrenzt werden, die in Verbindung mit der Stellungsgegenkopplung stätisch maximal geforderten Stellgröße des Reglers führt. Von hier läuft das Signal zu einer weiteren Summiereinrichtung II. Dieser Summierschaltung II wird über einen Widerstand RIO ein Lagerückführ-Signal und über einen Widerstand R20 ein GeschwindigkeitsrückfUhrsignal zugeführt und dem Summensignal a = co Y' + cl q' + c2'71 entgegengeschaltet. Das so erhaltene Signal steuert über einen Verstärker III einen trägheitsbehafteten Stellmotor IV. Der Stellmotor IV gibt mittels eines Lagegebers V das Lagerückführsignal KO - e und mittels eines Tachogenerators VI des Geschwindigkeitsrückführsignal K1 - j. Dabei hängen KO und KI von Rlo, R20 ab. R2, ist dabei als fremdgesteuerter Heißleiter ausgebildet. Das Ausgangssignal der Summierschaltung II wird . außer dem Verstärker III einem frequenzabhängigen Glied VII zugeführt, das im wesentlichen von einem Kondensator C gebildet wird, dessen Wechselstromwiderstand mit wachsender Frequenz sinkt.
Dem Kondensator C ist zur Anpassung der Frequenz-Widerstands-Charakteristik ein ohmscher Widerstand Rio parallel geschaltet. Über dieses frequenzabhängige Glied VII liegt das Ausgangssignal der Summierschaltung am Eingang eines Verstärkers VIII, welcher seinerseits die Heizwicklung des Heißleiters R20 speist. Wenn die Frequenz der Regelschwingungen und damit das von der Summierschaltung gelieferte Signal wächst, dann wächst auch wegen des geringeren Widerstandes Rio C der Ausgang des Verstärkers VIII, die Steuerwicklung i des Heißleiters R20 wird aufgeheizt. Dadurch wird der Widerstand R20 verkleinert, die Geschwindigkeitsrückführung wird stärker, was die oben an Hand von F i g. 4 geschilderte Wirkung hat. Wird eine noch ausgeprägtere Frequenzabhängigkeit der Stengeschwindigkeitsgegenkopplung gewünscht, so muß das frequenzabhängige Glied VII auch als mehrfach differenzierendes Glied ausgeführt werden. F i g. 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Flugreglers von F i g. 6, bei welcher entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie dort. Bei der Ausführung nach F i g. 6 kann ein Tachogenerator in Fortfall kommen. Dort liegen der Anker des Stellmotors IV und die Primärwicklung eines Transformators zusammen mit zwei festen Widerständen R31 und R41 in einer Brückenschaltung: Die Brücke wird von der Ausgangsspannung des Verstärkers III gespeist und proportional zu der Geschwindigkeit des Stellmotors IV verstimmt, weil der effektive Widerstand des Stellmotors sich mit der Geschwindigkeit ändert. An der Brückendiagonalen wird das Geschwindigkeitsrückführsignal abgegriffen und über den als Heißleiter ausgebildeten Widerstand R21 der Summierschaltung 1I zugeführt. Die Steuerwicklung des Heißleiters R21 wird von der Sekundärwicklung des Transformators VIII, (der die Stelle der Kondensatorschaltung VII von F i g. 5 einnimmt) gespeist. Wenn die Steuerspannung am Ausgang des Verstärkers periodisch schwankt, dann wird in der Sekundärwicklung des Transformators eine Spannung induziert, die um so höher ist, je höher die Frequenz der Schwankungen ist. Bei höheren Frequenzen der Regelschwingungen wird daher der Widerstand R21 verringert und die Geschwindigkeitsgegenkopplung verstärkt.

Claims

Patentansprüche: 1. Mit Vorhalt arbeitender Flugregler mit Stellungs- und Geschwindigkeitsrückführung vom Steuerflächen-Stellmotor, d a d n r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß er auf die Stabilisierungsfrequenz ansprechende Schaltglieder enthält und der Rückführkreis des Reglers von diesen Schaltgliedern derart beeinflußbar ist, daß das Verhältnis des erzeugten Rückführsignals zu der das Rückführsignal hervorrufenden Stellgeschwindigkeit bei unveränderter Phasenlage des Rückführsignals mit wachsender Stabilisierungsfrequenz verkleinert wird.
2. Flugregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal für den Stellmotor (IV) außerdem über ein frequenzabhängiges Glied (VII, VII') einen im Geschwindigkeitsrückführkreis angeordneten veränderbaren Widerstand (R20, R21) steuert.
3. Flugregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzabhängige Glied (VII, VII') von einem differenzierenden Glied gebildet wird.
4. Flugregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker des als Gleichstrommotor ausgebildeten Stellmotors (IV) und die Primärwicklung eines Transformators (VYI') Zweige einer Brückenschaltung bilden, die von dem Steuersignal gespeist wird und an deren Diagonale der Rückführwert abgegriffen wird, und daß von der Sekundärwicklung des Transformators der veränderbare Widerstand (R21) im Geschwindigkeitsrückführkreis steuerbar ist.
5. Flugregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzabhängige Glied eine mehrfache Differentiation des Steuersignals bewirkt. .
6. Flugregler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Widerstand von einem Heißleiter (R20, R21) gebildet wird, dessen Heizspule vom Ausgangsstrom des frequenzabhängigen Gliedes (VII, VII') gespeist wird.
7. Flugregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizspule des Heißleiters spannungsbegrenzende Mittel (VIII) parallel geschaltet sind.