DE1456141C - Geschwindigkeitsregler fur Flugzeuge - Google Patents
Geschwindigkeitsregler fur FlugzeugeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen 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.
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.
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 Schub- ■, impulses, Differenz des Schubs im stationären Zustand ;
I 456 141
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
Programmparameter vorgesehen. Die Programmparameter 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 gemittelte Zeitableitung der Gegenwindkomponente anspricht und daß die maximale Amplitude
des programmierten Schubimpulses durch die ebenfalls von dieser Größe beaufschlagte Programmvariationseinrichtung
proportional zu dieser gemillelten Zeilableitung der Gegenwindkomponenlc gemacht
wird. Dabei kann zur Bildung eines der Zcitablcilung der Gegenwindkomponente proportionalen Signals
einem differenzierten Staudrucksignal das Signal eines Längsbeschleunigungsmessers entgcgengeschaltel 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 Regelabiweichung,
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 ν wird mit einem Sollwert w von einem Sollwertgeber 12 verglichen und die Differenz A 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 υ bis Δ υ 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.
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 ν wird mit einem Sollwert w von einem Sollwertgeber 12 verglichen und die Differenz A 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 υ bis Δ υ 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 Z, und;
oder Z2 gemessen, und bei Überschreiten eines
Schwcllwerles werden die Programmauslösemitte! 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 Sleucrprogramms (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 isl.
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 Schub"
ruhe 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 t0, 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 A 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 vw sein. Solche »Scherwinde«
sind regelungstechnisch schwierig zu behandeln und flugbetriebstechnisch äußerst gefährlich. 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 Um die angezeigte Fluggeschwindigkeit υ konstant j
zu halten, muß -τγ- = Null sein. Daraus folgt
Ist P(t) der Schub, so ergibt
dt
= vs+vw
di
dt dt
30
υ = angezeigte und den Auftrieb erzeugende Fluggeschwindigkeit,
vg = Grundgeschwindigkeit, d. h. Geschwindigkeit
im flugbahnfesten Achsenkreuz und
vw = Windgeschwindigkeit, d. h. die Stärke der in
Flugbahnrichtung liegenden Windgeschwindigkeitskomponente.
35
40
Die erfindungsgemäße Messung der Störgröße
erfolgt durch die getrennte Messung der Fluggeschwindigkeit ν mit anschließender Differentiation und
der zeitlichen Änderung der Grundgeschwindigkeit-^-
mittels eines Beschleunigungsmessers. Die nachfolgende
Signalsubtraktion ergibt die Störgröße
dt
dv
dt
dvg
dt
Der erhaltene Meßwert von ^f- wird über eine
dt
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 -^- lösen die Programmsteuerung
aus.
Dabei kann die Schubamplitude 17 (F i g. 2) in
Abhängigkeit von -^- variiert werden, um bei schnellen
Windänderungen einen entsprechenden Schubvorhalt zu erzielen.
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)
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, gekennzeichnetdurch
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
<ivn- 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
di\.
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 (^i~) einem differenzierten
eines
Staudrucksignal (-ρ) das Signal (~
Längsbeschleunigungsmessers entgegengeschaltet ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
109 531/140
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