DE1431190C - Stabihsierungseinrichtung fur Fahr zeuge, insbesondere Flugzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stabilisierungseinrichtung für Fahrzeuge, insbesondere Flugzeuge, mit einem Geschwindigkeitskreisel zur Erzeugung eines Signals, das proportional der Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung des Fahrzeugs um eine Achse ist, und mit einem PT-Regler, der ein Stellsignal zur Steuerung eines Stellmotors abgibt, der eine Steuerfläche verstellt. Solche Einrichtungen werden bei Flugzeugen, insbesondere bei Hubschraubern, und bei von Natur aus instabilen Wasserfahrzeugen, wie Tragflächenbooten, verwendet.

Eine Einrichtung der genannten Art ist bekannt (USA.-Patentschrift 3 050 276). Hierbei besteht der Nachteil, daß die Stabilisierungswirkung der Einrichtung der Handsteuerung des Piloten entgegenwirkt.

Es sind weiter Stabilisierungseinrichtungen für Flugzeuge bekannt, bei denen die nachteilige Wirkung der Stabilisierung auf die von Hand eingeleiteten Manöver dadurch vermieden werden, daß das von dem Piloten erzeugte Signal in geeigneter Weise dem von dem Geschwindigkeitskreisel erzeugten Signal überlagert wird (USA.-Patentschrift 3 008 670) oder daß von den von dem Piloten gegebenen Signalen betätigte Mittel vorgesehen sind, die das Stellsignal unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage des Flugzeugs gegenüber dessen Soll-Lage verändern (deutsche Patentschrift 1 044 627). Diese Lösungen erfordern einen großen baulichen Aufwand und führen zu Schwierigkeiten beim richtigen Abgleichen der zu überlagernden bzw. zu vergleichenden Signale.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stabilisierungseinrichtung für Fahrzeuge, insbesondere Flugzeuge, zu vereinfachen. Die Aufgabe wird bei einer Stabilisierungseinrichtung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Schwellwertschaltung bei einer bestimmten Drehgeschwindigkeit des Fahrzeugs zeitverzögert das T-Glied des Reglers unwirksam macht. Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß durch Windeinflüsse bewirkte Drehungen des zu stabilisierenden Fahrzeuges im allgemeinen mit gleichbleibender Drehrichtung nur kurzzeitig auftreten und dadurch von den vom Piloten verursachten, länger in gleichbleibender Drehrichtung wirkenden Drehbewegungen zu unterscheiden sind. Auf Grund der Feststellung, daß es sich bei der Drehbewegung um eine vom Piloten gewünschte handelt, wird dann der dieser Drehbewegung entgegenwirkende T-Anteil des vom Regler erzeugten Stellsignals zu Null gemacht. Der P-Anteil bleibt erhalten, da er in der von dem Fahrzeug und von der Stabilisierungseinrichtung gebildeten Regelschleife bezüglich der Steuersignale des Piloten als erwünschte Geschwindigkeitsrückführung wirkt. Ausgestaltungen des Gegenstands des Anspruchs 1 sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 als Blockschaltbild eine Stabilisierungseinrichtung zur Regelung der Lage eines Flugzeugs bezüglich einer Drehachse,

F i g. 2 eine Ausführungsform der Stabilisierungseinrichtung gemäß F i g. 1,

F i g. 3 den bei der Stabilisierungseinrichtung gemäß F i g. 1 vorgesehenen Sicherheitssperrkreis.

Auf das in F i g. 1 als Block angedeutete Flugzeug 10 wirken Störgrößen, beispielsweise Winde, im Sinne einer Einleitung von unerwünschten Drehbewegungen. Um diese zu vermeiden, erfolgt eine Stabilisierung des Flugzeugs 10 um eine Achse, z. B. die Rollachse, mittels der dargestellten Stabilisierungseinrichtung. Entsprechende, nicht dargestellte Einrichtungen können für die übrigen Achsen vorgesehen sein. Die Einrichtung weist einen Geschwindigkeitskreisel 12 auf. Dieser erzeugt ein Signal in Form einer Wechselspannung, die nach Größe und Phasenlage proportional der Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung des Flugzeugs 10 ist. Das Signal wird einem PT-Regler 14 zugeführt, der ein entsprechend den dynamischen Eigenschaften des Flugzeugs 10 aus einem P-Anteil und einem T-Anteil zusammengesetztes Stellsignal erzeugt. Dieses wird von einem Verstärker 16 verstärkt und steuert einen Stellmotor 18, der über ein Getriebe 20 eine Steuerfläche des Flugzeugs 10 verstellt. Der Verstellbewegung können jederzeit vom Pilotensteuer bewirkte,· über übliche Steuerungsmittel übertragene weitere Verstellbewegungen überlagert werden. Verstärker 16, Stellmotor 18 und Getriebe 20 bilden Glie-

ao der eines Folgereglers, dessen lineare Rückführung über einen mechanisch-elektrischen Wandler 22 erfolgt. Ein Sicherheitssperrkreis 24 macht den Verstärker 16 unwirksam, falls im Rückkopplungsweg ein Drahtbruch oder ein Kurzschluß auftritt, wie dies an Hand der F i g. 3 noch genauer beschrieben wird.

Der Winkelstellbereich einer Steuerfläche des Flugzeugs 10 muß üblicherweise in bestimmten Grenzen gehalten werden, was durch eine Beschränkung des Stellbereichs mittels mechanischer Anschläge erreicht werden kann. Entsprechend soll das von dem PT-Regler 14 erzeugte Stellsignal keine Übersteuerung bewirken, d. h., die ihm entsprechende Verstellung soll in-. nerhalb des verfügbaren Stellbereichs liegen. Andernfalls würde nämlich die Stabilisierungswirkung nicht verbessert, sondern eine unerwünschte Verzögerung bei der Rückkehr des Flugzeugs 10 in seine Soll-Lage erzielt. Zur Verhinderung dieser Übersteuerung wird die Signalamplitude des T-Anteils des Regelsignals mittels einer Spannungsbegrenzerschaltung 26 auf einen möglichen Maximalwert begrenzt. Die Spannungsbegrenzerschaltung 26 wird im folgenden noch an Hand der F i g. 2 genauer beschrieben.

Die Stabilisierungseinrichtung umfaßt weiter eine Schwellwertschaltung 28, die mit dem der Drehgeschwindigkeit des Flugzeugs 10 proportionalen Signal beaufschlagt ist. Die Schwellwertschaltung 28 macht bei einer bestimmten Drehgeschwindigkeit des Flugzeugs 10 das T-Glied des Reglers 14 zeitverzögert unwirksam, so daß dann nur noch der P-Anteil des Stellsignals wirksam bleibt. Der Schwellwert des Schwellwertschalters 28 ist so hoch gewählt, daß er im normalen Flugbetrieb allein auf Grund von ungesteuerten Drehbewegungen des Flugzeugs 10 noch nicht erreicht wird. Solche Drehbewegungen, beispielsweise auf Grund von Windböen, verlaufen nämlich üblicherweise nur kurzzeitig in einer Richtung. Erst wenn der Pilot eine Steuerung vornimmt, die zu einer Drehbewegung genügender Drehgeschwindigkeit während einer gewissen Dauer führt, wird der Schwellwert überschritten und demgemäß das T-Glied des Reglers 14 unwirksam gemacht. Hierdurch wird erreicht, daß die Stabilisierungseinrichtung nicht der Steuerung durch den Piloten entgegenwirkt. Ist die vom Piloten gewünschte neue Lage erreicht und geht demgemäß die Drehgeschwindigkeit des Flugzeugs 10 um die zu stabilisierende Achse wieder gegen Null, so wird das T-Glied erneut wirksam gemacht, so daß

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wieder die volle Stabilisierungswirkung zur Verfügung Potential gegenüber Erde geladen wird. Wenn eine

steht. Lageänderung des Flugzeugs 10 eine sprungartige

F i g. 2 zeigt schaltungstechnische Ausführungsbei- Änderung der Umhüllenden des von dem Geschwin-

spiele des PT-Reglers 14, der Spannungsbegrenzer- digkeitskreisel 12 erzeugten Signals verursacht, wirkt

schaltung 26 und der Schwellwertschaltung 28 gemäß 5 der Kondensator C₁ wechselstrommäßig als Kurz-

Fig. 1. Das vom Geschwindigkeitskreisel 12 in Form Schluß, so daß zunächst keine Spannung in der Se-

einer Wechselspannung erzeugte Signal wird über kundärwicklung 30 induziert wird. Erst in dem Maße,

einen Widerstand R₁ der Primärwicklung P₁ eines wie sich der Kondensator C₁ auflädt, nimmt die in der

Transformators T₁ zugeführt. Dieser weist Sekundär- Sekundärwicklung S₃ als T-Anteil des Stellsignals in-

wicklungen S₁, S₂, S₃ auf. An der Sekundärwicklung io duzierte Signalspannung exponentiell zu. Die Zeit-

S₃ wird der T-Anteil des Stellsignals erzeugt, das dem konstante dieses Anstiegs ist ungefähr
Verstärker 16 zugeführt wird. Der P-Anteil des Stell-

signals wird von der als P-Glied dienenden Reihen- ^₁ j _1_

schaltung zweier Widerstände R₂, R₃ erzeugt. Der am VA
Widerstand R₃ anstehenden, den P-Anteil darstellen- 15

den Signalspannung wird die in der Sekundärwick- Ist der Transformator T₁ ein Aufwärtstransformator,

lung S₃ erzeugte, den T-Anteil darstellende Signal- so kann bereits mit geringen Impedanzwerten C₁, R₁

spannung überlagert. eine große Zeitkonstante erreicht werden. Die Induk-

Die Sekundärwicklungen S₁ und S₂ sind miteinan- tivität der Primärwicklung P₁ wird zur Vermeidung der verbunden. Ihre freien Enden werden mittels aus 20 von Leistungsverlusten groß gewählt.
Dioden gebildeter Brückenschaltungen 30, 32 ab- Der den Kondensator C₁ umfassende Schaltungswechselnd geerdet. Hierzu speist eine Rechteckspan- teil wirkt nicht nur als T-Glied, sondern hat daneben nungsquelle mit geerdetem Mittelabgriff die Diagona- auch noch eine Vorhaltwirkung. Dies ergibt sich darlen der Brückenschaltungen 30, 32 über Anschlüsse aus, daß der ohmsche Anteil der Impedanz der Se-34, 34', Leiter 36, 36' bzw. 40, 40' und Widerstände 25 kundärwicklung S₁, S₂ abwechselnd mit dem Konden-38, 38' bzw. 42, 42' abwechselnd mit Rechteckimpul- sator C₁ in Reihe geschaltet ist. Auch könnte zur Versen. Die Frequenz dieser Impulse ist gleich derjenigen Stärkung dieser Wirkung ein kleiner Widerstand mit der Wechselspannung, die von dem Geschwindigkeits- dem Kondensator C₁ in Reihe geschaltet werden,
kreisel 12 als Signal erzeugt wird, da die Speisung der Die Spannungsbegrenzerschaltung 26 gemäß F i g. 1 Rechteckspannungsquelle und die Erregung des Ge- 3° ist in F i g. 3 von zwei mittels einer positiven Spanschwindigkeitskreisels 12 mit derselben Wechselspan- nung B+ bzw. einer negativen Spannung B— in nung erfolgen. Die den Brückenschaltungen 30,32 zu- Sperrichtung vorgespannten Dioden CjR₁, CR₂ gegeführten Impulse bewirken, daß abwechselnd immer bildet. Diese begrenzen somit die maximal mögliche nur eine der Brückenschaltungen 30, 32 leitend ist. Spannung am Kondensator C₁.
Ist z. B. Anschluß 34 positiv und Anschluß 34' nega- 35 Die Schwellwertschaltung 28 gemäß Fig. 1 umfaßt tiv, so sind die Dioden der Brückenschaltung 30 in in der in F i g. 2 gezeigten Ausführung im wesent-Durchlaßrichtung, die Dioden der Brückenschaltung liehen einen in Abhängigkeit von Größe und Vorzei-32 in Sperrichtung gepolt. Die Brückenschaltungen chen des von dem Geschwindigkeitskreisel 12 erzeug-30, 32 dienen so als Schalter. ten Signals über einen Widerstand R_i mit einer

Ein zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt 4° Gleichspannung beaufschlagten Kondensator C₂ und der Sekundärwicklungen S₁, S₂ und Erde geschalteter einen Transistorschalter mit zwei Transistoren Q₁, Kondensator C₁ wird je nach der Phasenbeziehung Q₂, der bei Überschreiten des Schwellwertes der an zwischen der von dem Geschwindigkeitskreisel 12 als dem Kondensator C₂ herrschenden Spannung das Signal erzeugte Wechselspannung und der an den An- T-Glied unwirksam macht, indem er die Primärwickschlüssen 34, 34' liegenden Rechteckspannung positiv 45 lung P₁ des Transformators T₁ kurzschließt, und der oder negativ geladen. Wenn z. B. die Phasenbezie- bei Unterschreiten des Schwellwerts das T-Glied erhung derart ist, daß die Polarität der Wechselspan- neut wirksam macht.

nung an den mit einem Punkt bezeichneten Enden Eine dem Signal des Geschwindigkeitskreisels 12 der Primärwicklung P₁ und der Sekundärwicklung S₁ nach Größe und Vorzeichen entsprechende Gleichgegenüber dem jeweils anderen Wicklungsende posi- 50 spannung wird zunächst mittels eines Transformators ti'v ist und wenn in diesem Moment die Brückenschal- T₂ und einer Diodenbrücke 44 erzeugt, die über Antung 30 leitend und die Brückenschaltung 32 gesperrt Schlüsse 46, 46' mit der gleichen Rechteckspannung, ist, so ist der mit einem Punkt gekennzeichnete An- wie sie an den Anschlüssen 34, 34' ansteht, gespeist Schluß der Sekundärwicklung S₁ praktisch geerdet. ist. Die Diodenbrücke 44 erdet abwechselnd die bei-Daher wird in diesem Moment der Kondensator C₁ 55 den Endanschlüsse der Sekundärwicklung des Transgegenüber Erde negativ aufgeladen. Während der fol- formators T₂, so daß an deren Mittelanzapfung eine genden negativen Halbwelle der Wechselspannung an Gleichspannung erzeugt wird. Der Kondensator C₂ der Primärwicklung P₁ ist die Brückenschaltung 32 wird von dieser Gleichspannung um so schneller aufleitend, und die Brückenschaltung 30 ist gesperrt. Da geladen, je größer diese ist, d. h. je größer die Drehjetzt jedoch auch die Polarität der an den Sekundär- 60 geschwindigkeit des Flugzeugs 10 ist. Ein zum Durchwicklungen S₁, S₂ anstehenden Spannung gewechselt schalten eines Transistors Q₁, Q₂ genügender Schwellhat, wird der Kondensator C₁ weiterhin negativ ge- wert der Spannung am Kondensator C, wird daher laden. nach einer Zeitverzögerung erreicht, wobei die Ver-

Bei einer Drehrichtungsumkehr des Flugzeugs 10 zögerungszeit bei schnellen, vom Piloten bewirkten

gegenüber dem angenommenen Fall verändert sich 65 Lageänderungen des Flugzeugs 10 in vorteilhafter

dagegen die Phasenlage der von dem Geschwindig- Weise verringert ist.

keitskreisel 12 erzeugten Wechselspannung um 180°, Die Spannung am Kondensator C₂ wird über einen

so daß der Kondensator C₁ dann auf ein positives Widerstand R_n Basisanschlüssen der Transistoren Q₁,

Q„ zugeleitet. Transistor Q_x ist vom pnp-Typ, Transistor Q₂ vom npn-Typ; beide sind normalerweise nichtleitend. Der Emitter des Transistors Q₁ ist gleichstrommäßig mittels an einer Spannung B— liegender Widerstände R₈, R_e negativ vorgespannt. Der Emitteranschluß des Transistors ß₂ ist mittels an einer Spannung B+ liegender Widerstände R₉, R₇ positiv vorgespannt. Wenn die Spannung am Kondensator C₂ stärker negativ wird als die am Emitter des Transistors Q₁, wird dieser leitend und schließt die Primärwicklung P₁ wechselstrommäßig über Kondensatoren C₅, C₃ kurz. In entsprechender Weise erzeugt der Transistor Q₂ einen wechselstrommäßigen Kurzschluß über die Kondensatoren C₆, C₄.

F i g. 3 zeigt den Wandler 22 und den Sicherheits-Sperrkreis 24 gemäß Fig. 1. Der Wandler besteht aus einem Transformator T₃ mit verstellbarem Eisenkern 50, der mit dem Ausgang des Getriebes 20 verbunden ist und der bei seiner Verstellung die Kopplung zwischen der Primärwicklung P und der Sekundärwick- zo lung S ändert. Die derart variable Spannung der Sekundärwicklung S wird zur linearen Rückkopplung dem Eingang des Verstärkers 16 zugeführt.

Der Sicherheitssperrkreis ist von einer Spannung B + über den Widerstand R₁₀ gespeist. Ein Gleichstrom fließt durch die Primärwicklung P, einen Widerstand R_n, die Sekundärwicklung S und einen Widerstand R₁₂ zur Erde. Kondensatoren C₇, C₈ verhindern die Verschleppung von Gleichspannung auf den Wechselstrom führenden Leitungen. Der Gleichstrom ist so groß bemessen, daß der Spannungsabfall am Widerstand R₁₂, der der Basis eines Transistors Q₃ parallel liegt, diesen in leitendem Zustand hält. Der Transistor Q₃ ist Teil der ersten Verstärkerstufe des Verstärkers 16 in Fig. 1. Seine Basis ist wechselstrommäßig mittels eines Kondensators C₉ geerdet. Wenn in der Primärwicklung P oder der Sekundärwicklung S des Transformators T₃ ein Drahtbruch oder ein Kurzschluß auftritt, so wird der Stromkreis unterbrochen, und der Transistor Q₃ wird nichtleitend; dadurch wird der Verstärker 16 unwirksam gemacht.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Stabilisierungseinrichtung für Fahrzeuge, insbesondere Flugzeuge, mit einem Geschwindigkeitskreisel zur Erzeugung eines Signals, das proportional der Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung des Fahrzeugs um eine Achse ist, und mit einem PT-Rgler, der ein Stellsignal zur Steuerung eines Stellmotors abgibt, der eine Steuerfläche verstellt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwellwertschaltung (28) bei einer bestimmten Drehgeschwindigkeit des Fahrzeugs zeitverzögert das T-Glied des Reglers (14) unwirksam macht.

2. Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung einen in Abhängigkeit von der Größe des von dem Geschwindigkeitskreisel erzeugten Signals über einen Widerstand (R₄) mit einer Gleichspannung beaufschlagten Kondensator (C₂) und einen Transistorschalter (Transistoren Q₁, Q₂) umfaßt, der bei Überschreiten eines Schwellwerts der an dem Kondensator (C₂) herrschenden Spannung das T-Glied unwirksam und bei Unterschreiten des Schwellwerts das T-Glied erneut wirksam macht.

3. Stabilisierangseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das T-Glied einen eine Verzögerung bewirkenden Kondensator (C₁) aufweist und daß die maximal mögliche Spannung an dem Kondensator mittels einer Spannungsbegrenzerschaltung (26) begrenzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen