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Geschwindigkeitsregler für Flugzeuge
Die Erfindung betrifft
einen Geschwindigkeitsregler für
Flugzeuge mittels eines geschlossenen
Regelkreises, der
einen von einem Geschwindigkeitsmeßxert (z.B. Staudruck
oder Anstellwinkel für eine Geschwinäigkeitsstellgröße (z.B.
Schub) enthält.
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Bei Geschwindigkeitsreglern für Flugzeuge ergeben sich
verschiedene
flugbetriebstechnische Forderungen, die nur
schwer miteinander
in Einklang zu bringen sind. Diese
Forderungen sind ihrer Bedeutung nach
geordnets 1.) Der Fluggeschwindigkeits-Sollvert darf auch bei Störungen
nicht über ein gewisses Maß hinaus unterschritten
werden.
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2.) Im stationären Zustand soll: die Fluggeschwindigkeit
mit hinreichender Genauigkeit eingehalten werden.
3.) Es soll eine
möglichst geringe Unruhe der Schubver-
stellung auftreten.
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4.) Es sollen sich für die Regelung möglichst kurze Ein-
schwingzeiten
ergeben.
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Die erste Forderung soll verhindern, daß die Fluggeschwin-
digkeit
bei einer Störung unter die Abreißgeschwiudigkeit
(Stall-Geschwindigkeit)
absinkt, bei welcher die Strömung
abreißt und der Auftrieb wegfällt. Das
ist die wichtigste
unabdingbare Forderung. Sie bedingt bei einem üblichen
ge-
schlossenen Regelkreis einen schnellen Regler mit kurzer
Anregelzeit
und entsprechend hoher Grenzfrequenz, um bei.
großen und zeitlich
schnell verlaufenden Störungen ein
Unterschreiten des Sollwertes zu verhindern.
Die zweite
Forderung macht überhaupt den Einbau eines Reglers erfor-
derlich.
Die dritte Forderung dagegen verlangt einmal eine
hinreichend große
Dämpfung der Regelschwingungen und außerdem, daß relativ hochfrequente
Störungen, zwB. Böen, keine
Schubverstellung verursachen. Ein nach
dieser Forderung aus-
gelegtes Regelsystem müßte eine niedrige
Grenzfrequenz haben
und damit eine lange Anregelzeit,
die zur Forderung eins im
Widerspruch steht. Im Vorstehenden und
im folgenden soll
unter "Störung" sowohl eins äußere
Störgröße (Bö) als auch
eine innere Störgröße (Veränderung des Flugzeugzustandes,
z.B. Ausfahren der Landeklappen oder des Fahrwerks) als auch eine
Änderung
der Führungsgröße, d.h. des Geschwindigkeit*-Sollwerten verstanden
werden.
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Die Geschwindigkeitsregler nach dem Stand der Technik sind
aus
einem äompromiß zwischen den obigen, sich widersprechen-
den Forderungen
entstanden, wobei die Erfüllung der wichtig-
sten Forderung
eins, die sich aus Sicherheitsgründen ergibt,
einer Erfüllung
anderer Forderungen, insbesondere der Forderung drei nach geringstmöglicher
Schubunruhe weitgehend
in Wege steht. Bekannte Geschwindigkeitsregler
arbeiten da-
her in der Praxis unbefriedigend.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ver-
besserten Geechwindigkeitsregler
für Flugzeuge zu
schaffen.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen
'
Geschwndigkaitsregler für Flugzeuge zu schaffen, wel-
cher einerseits
ein@Unterschießen des zulässigen Geschwindigkeits-Mindestwertes vermeidet,aber
trotzdem nur einelgeringe Unruhe in der Schubverstellung
mit sich
bringt.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde,
einen
Geschwindigkeitsregler für Flugzeuge zu schaffen, welcher in seinen
Reaktionen weitgehend denen eines mensch-
lichen Piloten entspricht.
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Eine weitere ,Aufgabe der Erfindung ist es, einen Flug-
regler
zu schaffen, welcher die eingangs aufgestellten
Forderungen zu erfüllen gestattet.
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Der Geschwindigkeitsregler nach der Erfindung ist gekennzeichnet
durch einen Programtrgeber, durch den auf die
8tellmittel außerdem
ein vorgegebenes Steuerprogramm auf-
schaltbar ist, und
Mittel zum Auslösen den Steuerprogramms in Abhängigkeit
oder bei Auftreten von bestimmten Störungen, Der Geschwindigkeitsregler
nach der Erfindung enthält also
einmal einen geschlossenen Regelkreis:
Eine Störung führt
zu einer Regelabweichung, also einem
Geschwindigkeits-
fehler. Diese Regelabweichung wird gemessen und bewirkt
stetig
einen Eingriff, also z.B. eine Verstellung des
Gashebels, bis die Regelabweichung
verschwindet. Zusätz-
lich ist eine offene Steuerung nach einem vorher empirisch
als
günstig gefundenen Programm vorgesehen, welches bei
Auftreten bestimmter
Störungen (innerer oder äußerer Stö-
rungen oder von Sollwertänderungen)
ausgelöst wird und im
wesentlichen unabhängig von dem hierdurch wieder
hervor-
gerufenen Verhalten des Flugzeuges abläuft. Wenn beispiels-
weise
das Fahrwerk ausgefahren wird, so erhöht sich der
Luftwiderstand des
Flugzeuges. Es muß ein erhöhter Schub
eingestellt werden, der empirisch wenigstens
näherungsxeise bekannt ist. Diese Schuberhöhung ist in dem Programmgeber
gespeichert und kann schon mit dem Ausfahren des Nahr-verks I eingeleitet
werden, ohne erst die durch die Widerstands-
erhöhung beim Ausfahren des Fahrwerks
auftretende Geschwindigkeitsverminderung und die so erhaltene Regelabweichung
abzuwarten, die dann über die Stellmittel ebenfalls einen
erhöhten
Schub in dem geschlossenen Regelkreis einleiten
würde.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin,bei
be-
stimmten Störungen, die sich mit dem normalen_geschlossenen
Regelkreis nur schwer oder unter Außerachtlassen einer der
obigen
Forderungen realisieren. lassen
empirisch ein optimales Verhalten der Stellmittel (des Gashebels
z.B.) zu ermitteln und dieses Verhalten als Programm zu speichern.
Bei
Auftreten dieser Störungen wird dieses Programm aufge-
schaltet und
der Regelkreis selbst kann unabhängig davon
in geeigneter
Weise ausgelegt werden, z.B. so, daß eine
Schubunruhe durch
Böen vermieden wird. Regler und Programmsteuerung ergänzen
sich gegenseitig.
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Die Auslösemittel können auf Störgrößen, des
Regelkreises ansprechen. Es iet aber auch möglich, daß die Störgrößen,
auf
welche die Auelösemittel ansprechen, von der Flugzeugfiihrung (z.B.
dem Piloten) eingeleitete Änderungen des
Flugzeugzustandes sind.
In letzterem Falle ist es vorteil-
haft, wenn das Programm
durch Betätigung der die Flugzeugzustandsänderung einleitenden Stellmittel
auslösbar ist.
Die Auslösemittel können aber auch auf Änderungen
der Füh-
rungsgröße des Regelkreises (Geschwindigkeitssollwert)
ansprechen:
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auslösemittel
nur
bei Überschreiten eines Schwellvertes der Störung oder
einer
davon (z.B. durch Differentiationoder Mittelwertbildung)
abgeleiteten Größe ansprechen.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung kann die Anordnung
so
getroffen sein, daß das Steuerprogramm in Abhängigkeit
von
der Störung oder einer davon abgeleiteten Größe veränderbar
ist.
Das kann in der Weise geschehen, daß in Abhängigkeit
von der
Störung oder einer davon abgeleiteten Größe eine
oder mehrere der
nachstehenden Bestimmungsgrößen eines programmierten Schubimpulses veränderbar
sind: zeitlicher Ver-
lauf des Schubs, maximale Schubamplitude,
Wirkdauer des
Schubimpulses, Differenz des Schubs im stationären'
Zustand
bei Beginn und Ende des Programms. Die Veränderung
des
Steuerprogramms kann in Abhängigkeit
von Flugzeugzustands-
größen erfolgen. Das Steuerprogramm
kann auch sowohl durch
Flugzeugzustandsänderungen als auch .durch sonstige
StÖrungen variierbar sein, und zwar derart, daß die Gesamtänderung
der Programmparameter eine lineare Funktion der verschiedenen
Störungen
ist. Vorteilhafterweise sind Mittel zur Begrenzung
der variablen
Programmparameter vorgesehen. Die Programmparameter können bei gleicher
Amplitude der Störung je nach
deren Polarität unterschiedlich
veränderlich sein.
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Die Aufschaltung des Programmgebers kann in der Weise
ge-
schehen, daß bei Aufschaltung des Programmgebers
die Signale
von dem Regler abgeschaltet oder unterdrückt sind. Es können
aber auch bei Aufschaltung des Programmgebers dessen Signale
den
Signalen von dem Regler überlagert sein. Die Störung, auf
welche die Auslösemittel
ansprechen, kann die -über eine vor-
gegebene Meßzeit Bemittelte
Zeitableitung der Gegenwindkomponente sein. Dabei kann vorteilhafterweise
die maximale Ampli-
tude einen programmierten Schubimpulses durch Programmvariierungsmittel
proportional zu der Bemittelten Zeitableitung der Gegen-
windkomponente
gemacht werden. Weiterhin kann zur Bildung eines
der Zeitableitung
der Gegenwß.ndkomponente proportionalen Signals
einem differenzierten
Staudrucksignal das Signal eines Längsbeschleunigungsmessers entgegengeschaltet
sein.
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Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel.
unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher er-
läutert:
i
Fig. i zeigt als Blockschaltbild einen Geschwindigkeits-
regler nach der
Erfindung.
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Fig. 2 zeigt als Beispiel den zeitlichen Verlauf eines
programmierten
Schubimpulses, wie er bei dem er-
findungsgemäßen
Regler vorgesehen werden kann. Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf einer
Störgröße.
Fig. 4 zeigt den zbitlichen Verlauf des Schubimpulses,
der
von dem Programmgeber ausgelöst wird und des
Schubs, den der Regler
in dem geschlossenen Regel-
kreis allein hervorruft.
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Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Regelabweichung,
wie
sie sich mit dem Regler im geschlossenen
Regelkreis ergibt, und im Vergleich
dazu die Regel-
abweichung bei der Störung von Fig. 3 mit kombi-
niertem
Regler und Programmgeber (Schubsteller).
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Der Schubsteller oder Geschwindigkeitsregler nach der Erfin- dung
enthält einen eigentlichen Regler 10 (Fig.
1) der mit
einem MeBwertgeber
die Fluggeschwindigkeit v eines Flugzeugs 11
| gegenüber der umgebenden Luft erfasst. Diese Fluggeschwindig- |
| w |
| keit v wird mit einem Sollwert ivon einem Sollwertgeber
12 ver- |
glichen und die Differenz
v als Regelabweichung
auf den
| Eingang des Reglers 10 gegeben. Der Regler 1B0 gibt ein
Steuer- |
| signal auf einen Stellmotor, durch welchen er Schub der
Trieb- |
werke z.B. über
den Gashebel veränderbar ist. Stellmotor
und
Triebwerke sind in Fig.
1 durch den Block 13 symbolisiert.
Die
Triebwerke wirken auf die Regelstrecke "Flugzeug', die durch
den
Block 14 dargeätellt
ist und verändern
dessen Flugge-
schwindigkeit
v bis
v zu null wird. Das ist ein geschlossener
Regelkreis. Auf diesen Regelkreis
können
verschiedene Störungen
wirken: Einmal
kann der Sollwert
an dem Sollwertgeber
12 ver-
ändert werden. Das führt
zu einer Regelabweichung
v und
der
Regler 10 sucht über den Stellmotor und
die Triebwerke 13 diese
Regelabweichung zu null zu machen und die Fluggeschwindigkeit
v
auf den neuen Sollwert zu bringen. Es können
ferner äußere Stör-
größen
Z1, z.B. Gegenwind auftreten oder Störgrößen Z2, die zwischen Triebwerk und Flugzeug
in dem Diagramm wirksam werden, also beispielsweise Änderungen des Flugzeugzustandes,
wie sie beim Ausfahren des Fahrwerkes auftreten, durch welches .der Luftwiderstand
des Flugzeugs erhöht wird. Es ist ferner ein Programmgeber 15 vorgegeben. In diesem
ist ein Programm für den Schub gespeichert, wie-es beispielsweise in Fig. 2 dargestellt
ist. Der dort gezeigte Schubimpuls hat verschiedene Bestimmungsstücke oder Parameter,
nämlich einmal den grundsätzlichen zeitlichen Verlauf, der bei dem Schubimpuls von
Fig. 2 eine Art Glockenkurve 16 ist, zum anderen die maximale Schubamplitude, die
durch die _ Strecke 17 gegeben ist, die Wirkdauer des Schubimpulses, gegeben durch
die Strecke 18 in Fig. 2 und die Differenz zwischen Anfangs- und Endschub.
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Das Programm ist durch Auslösemittel 19 auslösbar. Dann wird
der Programmgeber 15 über den symbolisch dargestellten Schal-
ter 20
auf den Stellmotor und die Triebwerke 13 geschaltet und das programmierte Steuersignal
dem Signal vom Regler 10 überlagert. Während der Aufschaltung des Programmgebers
kann das Signal vom Regler 10 auch abgeschaltet oder unterdrückt werden.
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Die Programmauslösung erfolgt über Mittel zur Störgrößenmessung, die
durch den Block 20 dargestellt sind. Durch diese werden die Störgrößen Z1
und/oder Z2 gemessen und bei Überschreiten eines
Schwellwertes werden die
Programmauslösemittel 19 betätigt.
Über die Störgrößenmessung kann auch eine
Einrichtung 21 zur Programmvariierung gesteuert werden, welche je nach der Stärke
der Störung die Parameter des Steuerprogramms (Fig. 2) in dem
Programmgeber
verändert. Die Programmvariierung kann auch in Abhängigkeit vom Flugzeugzustand
erfolgen, wie
durch den Block 22 angedeutet ist. Schließlich kann
die
Programmauslösung auch durch eine Sollwertveränderung
er-
folgen, was durch die gestrichelte Linie 23 angedeutet
ist.
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Endlich kann
auch die Programmsteuerung
noch
Einfluß
auf den Sollwert nehmen, wie mit Linie 24 angedeutet wird.
Die
Wirkungsweise
der beschriebenen Anordnung
ist nachste-
hend
an
einem Beispiel unter Bezugnahme
auf Fig.
3 bis
erläutert.
In Fig.
3 ist eine Störung dargestellt. Der Reg-
ler weist zur
Erhöhung
der Schubruhe ein Filter auf, um
beispielsweise kurzzeitige Böen
nicht sofort als Schubänderun-
gen wirksam werden zu lassen. Infolgedessen
besitzt
der Reg-
ler 10 eine Verzögerungszeit
T, die
durch die in Fig.
4 einge-
zeichnete so bezeichnete Strecke
dargestellt
ist. Über
den
Regler würde
also der Störung nur
mit Verzögerung
entgegenge-
wirkt, so daß
eine Regelabweichung
mit einem zeitlichen Ver-
lauf entsprechend Kurve 24 in Fig:
5 auftreten
würde. Durch
die Störung
wird aber im
Zeitpunkt t., wenn die Störung
einen
| vorgegebenen Schwellwert überschreitet, ein programwierter |
| Schubimpuls gemäß Kurve 25 in Fig. 4 ausgelöst. Dieser ritt |
während der Anregelzeit
T, bis der Regler 10 wirksam
wird, in
Tätigkeit
und hält dadurch die Regelabweichung A v entspre-
chend Kurve 26 in Fig.
5 innerhalb des Toleranzbereichs: Ein
Unterschreiten des Sollwertes wird
verhindert. Anschließend,
in Zeitpunkt
t1 übernimmt
der nun wirksam werdende Regler 10
die Funktion, der Störung
entgegenzuwirken, während der programmierte
Schubimpuls von dem Programmgeber
10 auf null zurück-
geht.
Die Störung kann
beispielsweise eine sich
ändernde GegenwIndkomponente vw
sein. Solche "Scherwinde't
sind regelungstechnisch
schwierig zu behandeln und flugbetriebstechnisch
äußerst gefährlich. Schwierig zu behandeln sind die Scherwinde, weil die Störung
sich mit gleichem zeitlichen Verlauf in der Regelgröße abbildet, d.h. keine Energiespeicher
zwischen Angriffsort der Störung und der Regelgröße v liegen. Gefährlich sind solche
Scherwinde, weil fast immer gegen die am Boden herrschende Windrichtung gelandet
wird und im Normalfall die Gegenwindkomponente mit abnehmender Höhe geringer wird.
Das Flugzeug muß also, um bei konstantem Anstellwinkel keinen Auftriebsverlust zu
erhalten, beschleunigen.
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In Bodennähe und für schnell verlaufende Änderungen der Gegenwindkomponente
gilt
mit
v - agezeigte und den Auftrieb erzeugende Fluggeschwindigkeit, v9 = Grundgeschwindigkeit,
d.h. Geschwindigkeit im flugbahnfesten Achsenkreuz und vw = Windgeschwindigkeit,
d.h. die Stärke der in Flugbahnrichtung liegenden Windgeschwindigkeitskomponente.
Die erfindungsgemäße Messung der Störgröße
erfolgt durch die getrennte Messung der Fluggeschwindigkeit v mit anschließender
Differentiation und der zeitlichen Änderung
der Grundgeschwindigkeit
mittels eines Beschleunigungsmessers. Die nachfolgende
Signalsubtraktion
ergibt die Störgröße
Der erhaltene Meßwert von
wird über eine bestimmte Meßzeit gemittelt. Kleine Werte von
liegen unterhalb der Ansprechschwel-le der Auslösemittel
19 und werden mit
tolerierbaren Regelabweichungen von dem "langsamen"
Regler
kompensiert: Erst große Werte von
lösen die Programmsteuerung aus.
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Dabei kann die Schubamplitude 17 (Fig. 2) in
Abhängigkeit von
variiert,werdcn, um hei schnellen Windänderungen
einen entsprechenden
Schubvorhalt zu erzielen.
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Um die angezeigte Fluggeschwindigkeit v konstant zu halten muß sein. Daraus folgt
ist P(t) der Schub, so gibt
Daher wird bei fester Programmierung der übrigen Parameter
des
Schubimpulses (Fig. Z) der maximale Schub Po vorzugs-
weise gleich dem
gemittelten
gemacht.