DE1456141B2 - Geschwindigkeitsregler fuer flugzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Geschwindigkeitsregler für Flugzeuge mit einem geschlossenen Regelkreis, der einen von einem Geschwindigkeitsmeßwert (ζ. Β. Staudruck oder Anstellwinkel) beaufschlagten Regler und davon gesteuerte Stellmittel für eine Geschwindigkeitsstellgröße (z. B. Schub) enthält.

Bei Geschwindigkeitsreglern für Flugzeuge ergeben sich verschiedene flugbetriebstechnische Forderungen, die nur schwer miteinander in Einklang zu bringen sind Diese Forderungen sind ihrer Bedeutung nach geordnet :

1. Der Fluggeschwindigkeits-Sollwert darf auch bei Störungen nicht über ein gewisses Maß hinaus unterschritten werden.

2. Im stationären Zustand soll die Fluggeschwindigkeit mit hinreichender Genauigkeit eingehalten werden.

3. Es soll eine möglichst geringe Unruhe der Schubverstellung auftreten.

4. Es sollen sich für die Regelung möglichst kurze Einschwingzeiten ergeben.

Die erste Forderung soll verhindern, daß die Fluggeschwindigkeit bei einer Störung unter die Abreißgeschwindigkeit (Stall-Geschwindigkeit) absinkt, bei welcher die Strömung abreißt und der Auftrieb wegfällt Das ist die wichtigste unabdingbare Forderung. Sie bedingt bei einem üblichen geschlossenen 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 erforderlich. Die dritte Forderung dagegen verlangt einmal eine hinreichend große Dämpfung der Regelschwingungen und außerdem, daß relativ hochfrequente Störungen, z. B. Böen, keine Schubverstellung verursachen. Ein nach dieser Forderung ausgelegtes Regelsystem müßte eine niedrige Grenzfrequenz haben und damit eine lange Anregelzeit, die zur Forderung 1 im Widerspruch steht. Im vorstehenden und im folgenden soll unter »Störung« sowohl eine 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 Geschwindigkeits-Sollwertes, verstanden werden.

Die Geschwindigkeitsregler nach dem Stand der Technik sind aus einem Kompromiß zwischen den obigen, sich widersprechenden Forderungen entstanden, wobei die Erfüllung der wichtigsten Forderung 1, die sich aus Sicherheitsgründen ergibt, einer Erfüllung anderer Forderungen, insbesondere der Forderung 3 nach geringstmöglicher Schubunruhe weitgehend im Wege steht. Bekannte Geschwindigkeitsregler arbeiten daher in der Praxis unbefriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Geschwindigkeitsregler für Flugzeuge zu schaffen, welcher ein Unterschreiten der zulässigen Geschwindigkeits-Mindestwerte vermeidet, dabei nur eine geringe Unruhe in der Schubverstellung mit sich bringt und der in seinen Reaktionen weitgehend denen eines menschlichen Piloten entspricht.

Der Geschwindigkeitsregler nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen oder mehrere Fühler zum Feststellen einer oder mehrerer der nachstehenden Störungen:

a) von der Flugzeugführung eingeleitete Änderungen des Flugzeugzustandes oder Betätigung der diese Flugzeugzustandsänderungen einleitenden Stellglieder,
b) Änderung der Führungsgröße des Regelkreises,

c) Überschreiten vorgegebener Schwellwerte durch äußere Störungen des Regelkreises oder davon (z. B. durch Differentiation oder Mittelwertbildung) abgeleitete Größen,

einen Programmauslöser, der von Signalen der Fühler beaufschlagt ist, und einen Programmregler, der bei Auftreten solch einer Störung von dem Programmauslöser auslösbar ist und durch welchen auf die Stellmittel ein der Störung entgegenwirkendes, vorgegebenes Steuerprogramm aufschaltbar ist.

Der Geschwindigkeitsregler nach der Erfindung enthält also einmal einen geschlossenen Regelkreis: Eine Störung führt zu einer Regelabweichung, also einem Geschwindigkeitsfehler. Diese Regelabweichung wird gemessen und bewirkt stetig einen Eingriff, also z. B. eine Verstellung des Gashebels, bis die Regelabweichung verschwindet. Zusätzlich ist eine offene Steuerung nach einem vorher empirisch als günstig gefundenen Programm vorgesehen, welches bei Auftreten bestimmter Störungen (innerer oder äußerer Störungen oder von Sollwertänderungen) ausgelöst wird und im wesentlichen unabhängig von dem hierdurch wieder hervorgerufenen Verhalten des Flugzeuges abläuft. Wenn beispielsweise das Fahrwerk ausgefahren wird, erhöht sich der Luftwiderstand des Flugzeuges. Es muß ein erhöhter Schub eingestellt werden, der empirisch wenigstens näherungsweise bekannt ist. Diese Schuberhöhung ist in dem Programmgeber gespeichert und kann schon mit dem Ausfahren des Fahrwerks eingeleitet werden, ohne erst die durch die Widerstandserhöhung 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.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, bei bestimmten 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 aufgeschaltet, 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.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann eine Programmvariationseinrichtung vorgesehen sein, die ebenfalls von Signalen der Fühler beaufschlagt ist und durch welche der Programmgeber beeinflußbar ist, derart, daß die Parameter des Steuerprogramms in Abhängigkeit von einer Störung oder einer davon abgeleiteten Größe veränderbar sind. Das kann beispielsweise in der Form geschehen, daß in Abhängigkeit von der Störung oder einer davon abgeleiteten Größe eine oder mehrere der nachstehenden Parameter eines programmierten Schubimpulses veränderbar sind: maximale Schubamplitude, Wirkdauer des Schubimpulses, Differenz des Schubs im stationären Zustand

bei Beginn oder Ende des Programms. Die Veränderung des Steuerprogramms kann in Abhängigkeit von Flugzeugzustandsgrößen erfolgen. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß die Programmvariationseinrichtung sowohl von dem Flugzeugzustandsfühler als auch von anderen Störungsfühlern gesteuert ist und ihrerseits den Programmgeber so beeinflußt, daß die Gesamtänderung der Programmparameter eine lineare Funktion der verschiedenen Störungen ist. Vorteilhafterweise sind Mittel zur Begrenzung der variablen Programm parameter vorgesehen. Die Programm parameter können durch die Programmvariationseinrichtung bei gleicher Amplitude der Störung je nach deren Polarität um unterschiedliche Beträge veränderbar sein.

Die Aufschaltung des Programmgebers kann in der Weise geschehen, daß bei Aufschaltung des Programmgebers die Signale von dem Regler ausgeschaltet oder unterdrückt sind. Es können aber auch bei Aufschaltung des Programmgebers dessen Signale den Signalen von dem Regler überlagert sein.

Eine Anwendung der Erfindung besteht darin, daß der Programmauslöser auf die über eine vorgegebene Meßzeit gemitteile Zeitableitung der Gegenwindkomponente anspricht und daß die maximale Amplitude des programmierten Schubimpulses durch die ebenfalls von dieser Größe beaufschlagte Programmvariationseinrichtung proportional zu dieser gemittellen Zeitableitung der Gegenwindkomponenlc gemacht wird. Dabei kann zur Bildung eines der Zcitableitung der Gegenwindkomponente proportionalen Signals einem differenzierten Staudrucksignal das Signal eines Längsbeschleunigungsmessers entgegengeschaltet sein.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:

F i g. 1 zeigt als Blockschaltbild einen Geschwindigkeitsregler nach der Erfindung:

F i g. 2 zeigt als Beispiel den zeitlichen Verlauf eines programmierten Schubimpulses, wie er bei dem erfindungsgemäßen Regler vorgesehen werden kann;

F i g. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Störgröße; : F i g. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Schubimpulses, der von dem Programmgeber ausgelöst wird, und des Schubs, den der Regler in dem geschlossenen Regelkreis allein hervorruft;

j F i g. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Regelabweichung, wie sie sich mit dem Regler im geschlossenen Regelkreis ergibt, und im Vergleich dazu die Regelabweichung bei der Störung von F i g. 3 mit kombiniertem Regler und Programmgeber (Schubsteller).
j Der Schubsteller oder Geschwindigkeitsregler enthält einen eigentlichen Regler 10 (Fig. 1), der mit einem Meßwertgeber die Fluggeschwindigkeit ν eines Flugzeugs gegenüber der umgebenden Luft erfaßt. Diese Fluggeschwindigkeit υ wird mit einem Sollwert w von einem Sollwertgeber 12 verglichen und die Differenz Λ υ als Regelabweichung auf den Eingang des Reglers 10 gegeben. Der Regler 10 gibt ein Steuersignal auf einen Stellmotor, durch welchen z. B. der Schub der Triebwerke z. B. über einen Gashebel veränderbar ist. Stellmotor und Triebwerke sind in F i g. 1 durch den Block 13 symbolisiert. Die Triebwerke wirken auf die Regelstrecke »Flugzeug«, die durch den Block 14 ^dargestellt ist, und verändern die Fluggeschwindigkeit ν bis Δ ν zu Null wird. Das ist ein geschlossener Regelkreis. Auf diesen Regelkreis können verschiedene Störungen wirken: Einmal kann der Sollwert an dem Sollwertgeber 12 verändert werden. Das führt zu einer Regelabweichung A v, und der Regler 10 sucht über den Stellmotor und die Triebwerke 13 diese Regelabweichung zu Null zu machen und die Fluggeschwindigkeit υ auf den neuen Sollwert zu bringen. Es können ferner äußere Störgrößen 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 F i g. 2 dargestellt ist. Der dort gezeigte Schubimpuls hat verschiedene Bestimmungsstücke oder Parameter, nämlich einmal den grundsätzlichen zeitlichen Verlauf, der bei dem Schubimpuls von F i g. 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 F i g. 2 und die Differenz zwischen Anfangs- und Endschub (Strecke 3).

Das Programm ist durch Auslösemittel 19 auslösbar. Dann wird der Programmgeber 15 über den symbolisch dargestellten Schalter 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.

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 Schwcllwertes werden die Programmauslösemitlel 19 betätigt, über die Störgrößenmessung kann auch eine Einrichtung 21 zur Programm variierung gesteuert werden, welche je nach der Stärke der Störung die Parameter des Steuerprogramms (F i g. 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 erfolgen, was durch die gestrichelte Linie 23 angedeutet ist.

Endlich kann die Programmsteuerung noch Einfluß auf den Sollwert nehmen, wie mit Linie 24 angedeutet ist.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist nachstehend an einem Beispiel unter Bezugnahme auf F i g. 3 bis 5 erläutert. In F i g. 3 ist eine Störung dargestellt. Der Regler weist zur Erhöhung der Schubruhe ein Filter auf, um beispielsweise kurzzeitige Böen nicht sofort als Schubänderungen wirksam werden zu lassen. Infolgedessen besitzt der Regler 10 eine Verzögerungszeit T, die durch die in F i g. 4 eingezeichnete so bezeichnete Strecke dargestellt ist. Über den Regler würde also der Störung nur mit Verzögerung entgegengewirkt, so daß eine Regelabweichung mit einem zeitlichen Verlauf entsprechend Kurve 24 in F i g.' 5 auftreten würde. Durch die Störung wird aber im Zeitpunkt I₀, wenn die Störung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, ein programmierter Schubimpuls gemäß Kurve 25 in F i g. 4 ausgelöst. Dieser tritt während der Anregelzeit T, bis der Regler 10 wirksam wird, in Tätigkeit und hält dadurch die Regelabweichung Λ ν entsprechend Kurve 26 in F i g. 5

innerhalb des Toleranzbereichs. Ein Unterschreiten des Sollwertes wird verhindert. Anschließend im Zeitpunkt J₁ übernimmt der nun wirksam werdende Regler 10 die Funktion, der Störung entgegenzuwirken, während der programmierte Schubimpuls von dem Programmgeber 10 auf Null zurückgeht.

Die Störung kann beispielsweise eine sich ändernde Gegenwindkomponente v_w sein. Solche »Scherwinde« sind regelungstechnisch schwierig zu behandeln und flugbetriebstechnisch äußerst gefahrlich. Schwierig zu behandeln sind die Scherwinde, weil die Störung sich mit gleichem, zeitlichem Verlauf in der Regelgröße abbildet, d. h. keine Energiespeicher zwischen Angriffsort der Störung und der Regelgröße ν 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.

In Bodennähe und für schnell verlaufende Änderungen der Gegenwindkomponente gilt

ν = v.+ v_w

dt

dt dt

Die erfindungsgemäße Messung der Störgröße

df»,
di

d»
dt

di "

Der erhaltene Meßwert von

dt

Um die angezeigte Fluggeschwindigkeit ν konstant zu halten, muß -^- = Null sein. Daraus folgt

dt

= Null.

25

30

ν = angezeigte und den Auftrieb erzeugende Fluggeschwindigkeit,

V₉ = Grundgeschwindigkeit, d. h. Geschwindigkeit im flugbahnfesten Achsenkreuz und

v_w = Windgeschwindigkeit, d. h. die Stärke der in Flugbahnrichtung liegenden Windgeschwindigkeitskomponente.

35

40

erfolgt durch die getrennte Messung der Fluggeschwindigkeit ν mit anschließender Differentiation und

der zeitlichen Änderung der Grundgeschwindigkeit-^²-mittels eines Beschleunigungsmessers. Die nachfolgende Signalsubtraktion ergibt die Störgröße

wird über eine

bestimmte Meßzeit gemittelt. Kleine Werte

liegen unterhalb der Ansprechschwelle der Auslösemittel 19 und werden mit tolerierbaren Regelabweichungen von dem »langsamen« Regler 10 kompensiert. Erst große Werte von—^f-lösen die Programm-

steuerung aus.
Dabei kann die Schubamplitude 17 (Fig. 2) in

Abhängigkeit von ^- variiert werden, um bei schneilen Windänderungen einen entsprechenden Schubvorhalt zu erzielen.

Ist P(t) der Schub, so ergibt

m dt

Daher wird bei fester Programmierung der übrigen Parameter des Schubimpulses (F i g. 2) der maximale Schub P₀ vorzugsweise gleich dem gemittelten —^-

gemacht. . .j

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Geschwindigkeitsregler für Flugzeuge mit einem geschlossenen Regelkreis, der einen von einem Geschwindigkeitsmeßwert (z. B. Staudruck oder Anstellwinkel) beaufschlagten Regler und davon gesteuerte Stellmittel für eine Geschwindigkeitsstellgröße (z.B. Schub) enthält, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Fühler (20', 22, 23) zum Feststellen einer oder mehrerer der nachstehenden Störungen:

a) von der Flugzeugführung eingeleitete Änderungen des Flugzeugzustandes oder Betätigung der diese Flugzeugzustandsänderungen einleitenden Stellglieder,

b) Änderung der Führungsgröße des Regelkreises,

c) überschreiten vorgegebener Schwellwerte durch äußere Störungen des Regelkreises oder davon (z. B. durch Differentiation oder Mittelwertbildung) abgeleitete Größen,

einen Programmauslöser (19), der von Signalen der Fühler (20', 22, 23) beaufschlagt ist, und einen Programmgeber (15), der bei Auftreten einer solchen Störung von dem Programmauslöser (19) auslösbar ist und durch welchen auf die Stellmittel (13) ein der Störung entgegenwirkendes, vorgegebenes Steuerprogramm aufschaltbar ist.

2. Geschwindigkeitsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Programmvariationseinrichtung (21) vorgesehen ist, die ebenfalls von Signalen der Fühler (20', 22, 23) beaufschlagt ist und durch welche der Programmgeber (15) beeinflußbar ist, derart, daß die Parameter des Steuerprogramms in Abhängigkeit von einer Störung oder einer davon abgeleiteten Größe veränderbar sind.

3. Geschwindigkeitsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Störung oder einer davon abgeleiteten Größe eine oder mehrere der nachstehenden Parameter eines programmierten Schubimpulses veränderbar sind: maximale Schubamplitude (17), Wirkdauer (18) des Schubimpulses (16), Differenz (3) des Schubs im stationären Zustand bei Beginn und Ende des Programms (F i g. 2).

4. Geschwindigkeitsregler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmvariationseinrichtung (21) sowohl von dem Flugzeugzustandsfühler (22) als auch von anderen

Störungsfühlern (20') gesteuert ist und ihrerseits den Programmgeber (15) so beeinflußt, daß die Gesamtänderung der Programmparameter eine lineare Funktion der verschiedenen Störungen ist.

5. Geschwindigkeitsregler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch Mittel zur Begrenzung der variablen Programmparameter.

6. Geschwindigkeitsregler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmparameter durch die Programmvariationseinrichtung (21) bei gleicher Amplitude der Störung je nach der Polarität um unterschiedliche Beträge veränderbar sind.

7. Geschwindigkeitsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Programmauslöser (19) auf die über eine vorgegebene Meßzeit

gemittelte Zeitableitung der Gegenwindkomponente anspricht und daß die maximale Amplitude (17) des programmierten Schubimpulses (16) durch ebenfalls von dieser Größe beaufschlagte Programmvariationseinrichtung (21) proportional zu dieser gemittelten Zeitableitung der Gegenwindkomponente gemacht wird.

8. Geschwindigkeitsregler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines der Zeitableitung der Gegenwindkomponente proportionalen Signals (—pH einem differenzierten

Staudrucksignal (-jf) das Signal (-^f) eines Längsbeschleunigungsmessers entgegengeschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109 531/140