DE1481508C

DE1481508C - Verfahren zur Regelung der Querbe" schleunigung und Rolldämpfung von lenkbaren Plugkörpern und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1481508C
Authority: DE
Inventors: Eveline Dipl.-Math. 8011 Oberpframmern; Klamka Norbert 8012 Ottobrunn; Bittner Helmut Dipl.-Ing. 8000 München; Schwäke Hermann 8014 Neubiberg Gottzein
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH

Description

Verfahren zur Regelung der Querbeschleunigung eines lenkbaren Flugkörpers, mit kreuzweise angeordneten Ruderflächen, der einen seine Rollachse stabilisierenden Lagekreisel aufweist und um seine Nick- und Gierachse von Regelkreisen geregelt ist.

Um einen sich selbsttätig bewegenden Flugkörper lenken zu können, ist neben den eine gewollte Krümmung der Schwerpunktsbahn herbeiführenden Steuerorganen, wie Ruder- oder Steuerdüsen, eine Stabilisierungseinrichtung erforderlich, die durch sinngemäße Betätigung der Ruder Momente um flugkörperfeste Achsen derart auslöst, daß der Flugkörper beim Auftreten von Störungen seine Normallage selbsttätig immer wieder einnimmt. Die Stabilisierungseinrichtung wirkt also als Regelkreis, der die Lage- winkel des Flugkörpers konstant hält. Erst beim Ändern der Führungsgröße durch eintreffende Lenk- ■ kommandos werden die Lagewinkel entsprechend geändert.- Hierzu ist zusätzlich zum inneren ein äußerer Regelkreis, der sogenannte Lenkregelkreis vorgesehen.

Bei Flugzeugen wird die Flugiageregelung mit Hilfe sogenannter Autopiloten durchgeführt, die als Meßeinrichtung eine kreiselstabilisierte Plattform mit Lagekreiseln und Geschwindigkeits- oder Wendekreiseln aufweisen. Für unbemannte Flugkörper sind Autopiloten aus verschiedenen Gründen nicht einsetzbar. Derartige Flugkörper sind sogenannte Verlustgeräte, die bei ihrem ersten Einsatz bereits verlorengehen und daher nicht mit sehr hochwertigen und sehr teuren Meßeinrichtungen versehen werden können. Da bei gegebener Triebwerksleistung eine möglichst hohe Nutzlast befördert werden soll, sind alle Hilfseinrichtungen, zu denen auch Meß- und Steuereinrichtungen zählen, möglichst leicht und raumsparend auszubilden. Insbesondere aber werden Flugkörper ungleich höheren Beschleunigungen unterworfen, als sie bei Flugzeugen üblich sind, beispielsweise 10 bis 15 g gegenüber 0,8 g bei Flugzeugen.

Für_N Flugkörper wird daher an Stelle der Lageregelung im allgemeinen eine Winkelgeschwindigkeitsregelung angewendet. Hierbei werden auftretende Winkelgeschwindigkeiten mittels sogenannter Geschwindigkeitskreisel gemessen. Zur Änderung der Flugbahn eines derartigen Flugkörpers — Ändern der Führungsgröße ^:— sind Winkelgeschwindigkeitskommandos zu erzeugen, die über auf Ruderflächen wirkende Stellglieder in Querbeschleunigungen umgewandelt werden. Die Querbeschleunigung wird also indirekt über die Winkelgeschwindigkeit des Flugkörpers geregelt, was zu einem relativ langsamen Aufbau der Querbeschleunigung führt. Ein derartiger Flugkörper ist daher verhältnismäßig träge, so daß auch der Lenkregelkreis in seiner Reaktionsschnellig-' keit beeinträchtigt wird. Ein träger Flugkörper bringt nämlich seine Trägheit als Verzögerung in. den Lenkregelkreis ein, der infolgedessen schwerer zu stabilisieren ist und selbst bei optimaler Auslegung einen relativ großen Regelverzug aufweist.

Die Geschwindigkeitskreisel sind darüber hinaus, unter Berücksichtigung der erforderlichen großen Ansprechempfindlichkeit, nur für einen eng begrenzten Meßbereich auslegbar. Für Flugkörper, die über einen großen Machzahlbereich mit möglichst unveränderlichem Rollverhalten steuerbar sein müssen, ^ft5 ergeben sich daher weitere Schwierigkeiten bei Benutzung von Geschwindigkeitskreiseln. Infolge ihrer unveränderlichen Meßbereiche sind nämlich ein/eine Regelparameter entsprechend der jeweils herrschenden Flugzustände zu ändern.

Dies geschieht z. B. bei der in der deutschen Auslegeschrift 1 089 449 .beschriebenen Einrichtung in der Weise, daß der Gegenkopplungskreis des äußeren Regelkreises regelbar ausgebildet ist, um in Abhängigkeit der Eigenfrequenz des Flugkörpers die Schleifenverstärkungen ■ so einzustellen, daß hinreichende Stabilität des Regelkreises im jeweiligen Flugzustand gewährleistet wird, über einen im Gegenkopplungskreis angeordneten Querbeschleunigungsmesser wird zusätzlich die Querbeschleunigung des Flugkörpers gemessen und als Dämpfungssignal dem äußeren Regelkreis aufgeschaltet.

Ein anderes Beispiel einer Verstärkungsregelung zeigt die USA.-Patentschrift 3 154 266, und zwar eine Steuereinrichtung für einen leitstrahlgelenkten Flugkörper, bei dem ebenfalls ein Querbeschleunigungsmesser vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal über einen unvollkommenen Integrator auf einen Positionsservo aufgeschaltet und zur Verstärkungsregelung verwendet wird, um unabhängig von Geschwindigkeits-, Gewichts- und Schwerpunktsänderungen des Flugkörpers stets gleiche Ruderwirksamkeit zu erzielen.

Bei all diesen Einrichtungen sind die Beschleunigungsmesser zusätzliche Einrichtungen und müssen sich möglichst genau im Schwerpunkt des Flugkörpers befinden, um eine Verfälschung der Aufschaltwerte durch Nick- und Gierbewegungen des Flugkörpers zu vermeiden. Die Beschleunigungsmessersignale wirken zwar auch auf die inneren Regelkreise zur Stabilisierung der Flugkörper ein, sie dienen jedoch nicht zur Stabilisierung, sondern zur Dämpfung der Lenkregelkreise von Flugkörpern, insbesondere der Änderung von Regelparametern entsprechend der jeweils herrschenden Flugzustände.

Als Geschwindigkeitsregelungen ausgebildete Flugkörpersteuerungseinrichtungen, bei denen bestimmte Regelparameter des Regelkreises auf Grund des nicht änderbaren Meßbereiches der Geschwindigkeitskreisel während des Fluges über Servosysteme verändert werden müssen, sind nicht nur aufwendig, sondern geben darüber hinaus auch zu vielen Störungen Anlaß.

Bei Flugkörpern mit kreuzweise angeordneten aerodynamischen Ruderpaaren wird bekanntlich ein Ruderpaar gleichzeitig, beispielsweise vom Nick- und Rollregelkreis, beeinflußt, so daß für die Ruderpaare lineare Stellglieder erforderlich sind, die eine lineare überlagerung der Stellsignale aus zwei oder mehreren Regelkreisen ermöglichen.

Damit entsteht ein weiteres Problem, das des sogenannten übersprechen zwischen den von Lenkkomtnandos beeinflußbaren Regelkreisen für die Nick- und Gierachse (vgl. zum Beispiel »Kinematische Regelkreiskopplung«, Luftfahrttechnik — Raumfahrttechnik, 11, 1965, S. 100 bis 103). Aus Nick- und/oder Giermomenten entstehende Störungen um die Rollachse, deren Regelkreis bekanntlich die durch äußere Störmomente verursachten Abweichungen von der Sollage auszuregeln hat, sind daher schnellstens auszugleichen, um die bleibende Rollregelabwcicliung so klein wie möglich zu halten. Auch dies gelingt mit einem mit Geschwindigkeitskreiseln kombinierten Lagekreisel bei höheren Querbeschleunigungcn nicht zufriedenstellend. Wegen des hierbei erforderlichen großen Meßbereiches der Gcschwindigkeitskrcisul

und der erforderlichen Genauigkeit kann hier nämlich nicht das Lagesignal durch Integration des Geschwindigkeitskreiselsignals· gewonnen werden, da große Meßbereiche große Nullpiinktsfehler bedingen, die infolge der vollkommenen Integration in Abhängigkeit der Zeit zu schnell anwachsenden Rollagefehlern führen. '

Darüber hinaus begrenzt der zur Verfügung stehende Meßbereich der derzeit bekannten Geschwindigkeitskreisel die Größe der von einem Flugkörper ausführbaren Winkelgeschwindigkeit, so daß seine Manövrierfähigkeit weit unter den von der jeweiligen Aerodynamik, der Zelle und dem oder der Triebwerke des Flugkörpers gegebenen Grenzen liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, all diese Nachteile zu beheben und ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Regelung der Querbeschleunigung um die Nick- und Gierachse und ' Rolldämpfung von lenkbaren Flugkörpern zu schaffen, die um ihre Rollachse lagestabilisiert sind, das ohne Geschwind.igkeitskreisel arbeitet und sehr große Beschleunigungen und damit eine bisher nicht mögliche Manövrierfähigkeit über einen weiten Machbereich zuläßt, ohne daß besondere Einrichtungen zur Verstellung irgendwelcher Regelparameter erforderlich sind.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß ein Regelkreis mit Zweipunktverhalten bei geeigneter Bemessung der Aufschaltgrößen ein optimales Regelverhalten hinsichtlich der Änderung von Systemparametern zeigt, ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Signale von fünf in zwei im definierten Abstand vom Schwerpunkt des Flugkörpers befindlichen Ebenen angeordneten Beschleunigungsmessern in einem Netz-. werk in Aufschaltwerte umgeformt und unter Berücksichtigung systembedingter Koeffizienten und der Rollage zu Rückführgrößen summiert und mit umgekehrten Vorzeichen rückgeführt werden und daß die dazu ermittelten Regelabweichungen über Regler Zweipunktverhalten aufweisenden Stellgliedern aufgeschaltet werden und daß zur zusätzlichen Dämpfung der Regelkreise, und Korrektur der Nullpunktsfehler der Beschleunigungsmesser die Winkelbeschleunigung und ihr inverser Wert über Filter geleitet und summiert und nach zusätzlicher Vorzeichenumkehr dem Regelkreis für die Nickachse und die Winkelgeschwindigkeit und ihr inverser Wert über Filter geleitet und summiert und nach zusätzlicher Vorzeichenumkehr dem Regelkreis für die Gierachse aufgeschaltet und die auf die Eingänge der Stellglieder für die Roll- und Nickkommandos einwirkenden Signale zum Zwecke der überlagerung verknüpft werden.

Ein solcher Flugkörper gewinnt also die für seine Regelkreise erforderlichen Aufschaltsignale ausschließlich aus Beschleunigungsmessersignalen.

Es ist zwar aus der USA.-Patentschrift 2 873 074 ein Flugregler für einen unbemannten Flugkörper bekanntgeworden, bei dem zusätzlich zu einem Lagekreisel und zwei Geschwindigkeitskreiseln lineare Beschleunigungsmesser in zwei senkrecht zur Längsachse liegenden Ebenen vorgesehen sind. Die von ihnen gemessenen Winkelbeschleunigungen werden nach Verarbeitung in einem Rechner als zusätzliche Aufschaltwerte dem Flugregler zugeführt, um den Gesamtbeschleunigungsvektor parallel zu einer Bezugsrichtung zu halten.

Demgegenüber erfolgt bei tier Erfindung die Rege-. lung der Querbeschieunigung allein mit Beschleunigungsmessersignalen. Es werden bei einem Flugkörper mit Kreuzflügeln und einem kartesischen Bezugssystem jeweils die Winkelbeschleunigungen um die Nickachse mit den Querbeschleunigungen der Gierachse sowie die Winkelbeschleunigungen um die Gierachse und die Querbeschleunigungen der Nickachse unter Aufschaltung von flugkörpersystembedingten Aufschaltkoeffizienten summiert und als

ίο Rückführgrößen den der Nick- und Gierachse zugeordneten Reglern zugeführt, die in bekannter Weise die ermittelten Regelabweichungen Zweipunktverhalten aufweisenden Stellgliedern aufschalten, denen zusätzlich zum Zwecke der Dämpfung die jeweiligen Winkelbeschleunigungen um die Nick- und Gierachse über Filter direkt zugeführt werden, während die Regelabweichung im Regelkreis für die. Gierachse als zusätzliches Stellsignal für den Regelkreis für die Rollachse und die Regelabweichung im Regelkreis für die Rollachse als zusätzliches Stellsignal dem Regelkreis ..für die Gierachse zugeführt werden.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung weist vorzugsweise fünf Beschleunigungsmesser auf, von denen ein Beschleunigungsmessersignal gleichzeitig in an sich bekannter Weise zur Dämpfung der Rollageregelung dient. Die Beschleunigungsmesser sind in im definierten Abstand vom Schwerpunkt des Flugkörpers vorgesehenen Ebenen, und zwar auf aufeinander senkrecht stehenden Achsen, die die Richtung der Ruderflächen aufweisen, angeordnet. Ferner sind der Meßwertaujbereitung dienende Netzwerke zur Gewinnung der Aufschaltwerte aus den Beschleunigungsmessersignalen, Filter, Summier- und Umkehrglieder zur Bildung von systembedingte Koeffizienten berücksichtigende Rückführgrößen, Dämpfungssignalen und zur Ermittlung der Regelabweichungen sowie mit Zweipunktverhalten aufweisenden Stellgliedern zusammenwirkende Regler vorhanden. ..·■-.

Auf diese Weise wird ein nichtlineares Regelsystem erhalten mit einer sehr geringen Parameterempfindlichkeit, so daß sich das Systemverhalten in einem großen Machzahlbereich, also einem großen Varationsbereich von aerodynamischen Beiwerten nur unwesentlich ändert. Da die Querbeschleunigungen, deren Höhe infolge fehlender Wendekreisel erstmals bei etwa 50 g liegen kann, direkt kommandiert werden, können sie vom Flugkörper schnell aufgebaut werden, so daß erstmals ein äußerer Regelkreis, also ein Lenkregelkreis, mit annähernd optimalem Verhalten realisierbar ist. Dies'ist für nach irgendeinem bekannten Verfahren lenkbare Flugkörper hoher Geschwindigkeit, die insbesondere zur Tieffliegerabwehr verwendbar sind,, von großem Vorteil. Darüber hinaus läßt sich das Verhalten der Regelung im Hinblick auf die als Aufschaltgrößen zur Verfügung stehenden Beschleunigungswerte, nämlich lineare und Drehbeschleunigungen, in bisher nicht bekanntem Ausmaß variieren und für den genannten Verwendungszweck günstiger einstellen, als es bei der Verwendung von Winkelgeschwindigkeitssignalen als Aufschaltgrößen möglich ist. Vor allem können aber auch die Einwirkungen von Vibrationen des Flugkörpers und von Reibungs- und

i'5 Unwuchtmomenten bei Beschleunigungen besser als bisher eliminiert werden. Obwohl hier die Aufschaltgrößen durch die Überlagerung der Signale mehrerer Meßglieder, also Beschleunigungsmesser, gewonnen

werden, ist durch geeignete Wahl der systembedingten Koeffizienten eine Minimisicrung des Einflusses der Nullpunktsfehler der Beschleunigungsmesser möglich. Infolge der rückgeführten Dämpfungssignalc und der geeignet gewählten systembedingten Koeffizienten addieren sich nicht die Nullpunktsfehler der einzelnen Beschleunigungsmesser in ihrer Auswirkung auf die Riiekführgrößen. Die Rückführgrößen sind also lediglich mit dem Nullpunktsfehler eines der Meßglieder behaftet. Das Regelsystem ermöglicht daher die Verwendung relativ billiger Beschleunigungsmesser, was im Hinblick auf deren Anwendung in Verlustgeräten zu erheblichen Einsparungen führt. Schließlich können, wie im einzelnen noch zu zeigen ist. Ubcrtragungsfunktionen für die Rückführung von Winkelbeschlcunigungen in den Nick- und Gierregelkreis zusammengefaßt werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind lediglich drei Beschleunigungsmesser vorgesehen, die in einer im definierten Abstand vor dem Schwerpunkt des Flugkörpers vorgesehenen Ebene angeordnet sind, in der sich auch der der Rollageregelung dienende I.agckreisel befindet, und deren Ausgangssignale in Aufschaltgrößen umgeformt werden, die eine Kombination aus Dreh- und Seitenbeschleunigung darstellen. Die Aufschaltgrößen werden wiederum über Filter. Summier- und Umkehrglieder in systembedingte Koeffizienten berücksichtigende Rückführgrößen umgeformt und Reglern zugeführt, die mit Zweipunktvcrhalten aufweisenden Stellgliedern für die Ruderflächen des Flugkörpers zusammenwirken.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Im einzelnen zeigt

F" i g. 1 die Anordnung der Meßwertgeber in einem Flugkörper.

■Fig. 2a und 2b ein Blockschaltbild einer Querbeschleunigungsrcgelung um die Nick- und Gierachse des in I·" i g. 1 gezeigten Flugkörpers, kombiniert mit einer Roilagestabilisierung mit fünf Be- 4" schlcunigungsmessern und

Fig. 3a und 3b ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Querbeschleunigungs-■ regelung gemäß der Erfindung mit drei Beschleunigungsmessern.

.Wie aus Fig. I zu ersehen ist. liegt die X-Achse eines flugkörperfesten kartesischen Koordinatensystems in der Flugrichtung des nur schematisch dargestellten Flugkörpers 10. Die V-Achsc und die Z-Achse sind schräg nach unten gerichtet und stim- 5» men mit der Richtung von vier kreuzweise angeordneten* Ruderllächen 13. 13«. 14. 14« überein. Die Tragflächen des Flugkörpers sind der Übersicht halber weggelassen.

Im Abstand/, vom Schwerpunkt S sind in einer Ebene E₁ als Meßwertgeber dienende Beschleunigungsmesser K „,. Ky₄ und Ky„ sowie ein l.agekreisel K_M, und in einem Abstand /, vom.Schwerpunkt in einer zweiten Ebene E, Beschleunigungsmesser Ky₂ und Ky- angeordnet, und zwar so. '«> daß sie sich jeweils auf durch die Achsen .YV bzw. XZ festgelegten Ebenen befinden. Der Lagekreisel A.'_w, ist mit seiner Eingangsachse /; und seiner Ausgangsachse A sowie seiner Drallachse /) in der in J-" i g. 1 dargestellten Weise mit seinem Schwerpunkt ''5 auf der Λ -Achse des Flugkörpers angeordnet, während die Beschleunigungsmesser Ky₁. K^₁₄ und K_v„ im Abstand /·, und die Beschleunigungsmesser K_u:

und /ί_Λ/7 im Abstand r₂ von der Λ'-Achse entfernt angeordnet ,sind.

Die Drehbeschlcunigungcn um die X-, V- bzw. Z-Achse sind mit m_x. ι'·>_γ und <'·>. bezeichnet, die Querbeschleunigungen in V- bzw. Z-Richtung mit y und z. Unter der Voraussetzung eines Flugkörpers, bei dem die Rollwinkelgeschwindigkeit klein bleibt, also Glieder höherer Ordnung in den Drehgeschwindigkeiten vernachlässigbar sind, ergeben sich bei Bewegungen des in Fig. 1 dargestellten Flugkörpers um den Schwerpunkt S an den Beschleunigungsmessern folgende Meßwerte:

.W₁ =	/, r-i.	+ y -	'"χ	(D
M₂ =	-Ii''·>-.	+ y -	"¹X	(2)
M₄ =	*- I₁ <'■>,*	*+ Z -*	"¹X	(3)
Λ/,, =	I₁ m_y	- Z -	*<"x -*	(4)
Λ/- =	—1₁ '·',■	— '2 -	*<'»*	(5)

t- ''2
f- '"!
t- '·.

als Eingangsgrößen für die noch zu beschreibende Regelung. Sie bestellt aus drei Regelkreisen, nämlich dem die Bewegungen des Flugkörpers um die Nickachsc A₁ regelnden sogenannten Nickkanal 100, dem die Bewegungen um die Gierachse A₁ regelnden sogenannten Gierkanal 200 und dem die Bewegungen um die Rollachse Λ' regelnden sogenannten Rollkanal 300 (vgl. Fig. 2 \ind 3). Durch Wirkungsliiiieh 15 bis 20 ist die Verbindung der Beschleunigungsmesser und des Rollagekrcisels mit dem Flugkörper 10 und durch Wirkungslinien 101. 103. 201. 203 und 301 ist die Verbindung der Regelkreise in den Fig. 2a und 2b gekennzeichnet.

Der Flugkörper 10 weist für jede seiner Steuerflächen 13. 13«. 14. 14« ein in F" ig..2b symbolisch dargestelltes Stellglied 130. 130«. 140. 140«' auf.

Vom Nickkanal werden sowohl das Stellglied 130 (vgl. F i g. 2a. 2b) als auch das Stellglied 130«. vom Gierkanal sowohl das Stellglied 140 als auch das Stellglied 140« und vom Rollkanal sowohl das Stellglied 140« als auch das Stellglied 140 gesteuert.

Als Stellglieder dienen an sich bekannte. Zwcipunktverhalten zeigende, vorzugsweise elektrohydraulische Stellglieder. Ein noch zu beschreibendes Netzwerk 20 zur Meßwertaufbereitung und ebenfalls noch zu nennende Filter. Summier- und Umkehrgliedcr sowie die eigentlichen Regler sind in den F i g. 2a und 2 b ebenfalls nur symbolisch dargestellt.

Des besseren Verständnisses halber sei nunmehr der Aufbau der Regelung und deren Wirkungsweise lediglich um die Nickachse A₁ an Hand des vorstehend erläuterten Blockschaltbildes beschrieben. Hierzu sind lediglich die Beschleunigungsmesser Ky₄. Ky₁, und Ky- zu betrachten (vgl. Fig. 1). Die Ausgangswerte Λ/₄. .\/„ und Λ/- werden in dem der Meßwertaufbereitung dienenden Netzwerk 20 in die Aufschaltwerte <■>, und r gemäß den Formeln

(A/„ -.W-1

-W₁,

W-

umgeformt.

Die Aukchallwertc '·>, und r weiden unter Berücksichtigung von systembedingten Kod'fi/icntcn />, und

/j,, in einem Summierglied 104 zur Rückfuhrgröße ρ, summiert und über die Leitung 101 mit im Umkehrglied 105 umgekehrten Vorzeichen rückgeführt. In einem Summicrglied 106 wird die aus dem kommandierten Sollwert Hi-und dem Istwert gebildete Regelabwcichung E-.- gebildet und über einen Regler K_Rl mit der Verstärkung V_Rl nach Beifügung eines Aufschaltwcrtes K₁ dem Zwcipunktverhalten aufweisenden, beispielsweise elektrohydraulischen Stellglied 130 und nach Umkehrung des Vorzeichens dem Stellglied 130« aufgcschaltet. Zur zusätzlichen Dämpfung des Regelkreises und zur Korrektur der Nullpunktsfehler der Beschleunigungsmesser wird die Winkclbcschleunigung m_v zusätzlich über ein Filter K₁₁₁ mit dem Verstärkungsfaktor V₁₁₂ und mit umgekehrten Vorzeichen über ein Filter K_1n mit dem Verstärkungsfaktor K_1n einem Summierglied 108 zugeführt, über eine Leitung 103 wird das summierte Signal nach nochmaliger Vorzeichenumkehr — Umkchrglied 109 — über ein Summierglied 110 auf den Nickkanal 100 zurückgeführt. Die gezeigte Rückführung der Winkelbeschleunigung w,. kann dadurch vereinfacht werden, daß an Stelle der gezeigten drei Ubertragungsfunktionen K_1n, K₁₁₂ und b_{ · K_Rl eine zusammengefaßte übertragungsfunktion gewählt wird.

Für die Roilageregelung werden neben den Meßwerten der Beschleunigungsmesser Κ_Λ/(, und K_su (vgl. F i g. 2a) auch die jeweiligen Meßwerte des Lagekrcisels A-Z₃ benutzt. Die Drehbeschleunigung <n_x um die Rollachse X. in dem Netzwerk 20 aufbereitet aus den Meßwerten AZ₄ und Ai,, gemäß der Formel

- (Λ/₄ + MJ .

(8)

und der Rollagewinkel 7 werden unter Berücksichtigung des Koeffizienten C₁ und des Filters K_1n mit dem Verstärkungsfaktor Γ,,, in einem Summierglicd 302 zu der Rückführgröße p_} summiert und über die Leitung 301 und das Umkchrglied 305 mit umgekehrten Vorzeichen dem Rollkanal 300 zugeführt. In einem Summicrglied 306 (vgl. Fig. 2b) wird die Regelabweichung E₁₁, über einen Regler K_R3 mit dem Verstärkungsfaktor Γ_κ3 sowie nach Aufschaltung eines Koeffizienten K₃ den dem Rollkanal zugeordneten Stellgliedern 140. 14Oi! aufgcschaltet. Der RoIlkanal ist nämlich über eine Leitung 307 und ein Summicrglied 202 mit dem Gierkanal 200 und damit mit dem Stellglied 140 verbunden. Der Gierkanal 200 ist ähnlich aufgebaut. Die in dem Netzwerk 20 aus den Beschlcunigungsmessersignalcn AZ₁. AZ,. AZ₄ und AZ,, gemäß den Formeln

(AZ₁ - AZ₂)

y■ = , ί,- Λ/, - , j! , Λ/, - J (AZ₄+Ai,,)

I₁ + I₂ I₁ + I₁ -

(10)

die Regelabweichung E_x gebildet, die über den Regler K_R2 mit dem Verstärkungsfaktor V_R2 unter Aufschaltung der Konstante K₂ dem Stellglied 140 aufgeschaltet wird.

über ein Umkehrglied 208 ist der Gierkanal mit dem Rollkanal verbunden, so daß die dem Gierkanal und dem Rollkanal zugeordneten Stellglieder 140 und 140a mit kombinierten Signalen beaufschlagt, werden, die in den Summiergliedern 202 und 308 aus der Regelabweichung Ε_φ und Ε_γ gebildet worden sind. ·

Schließlich wird auch die Winkelbeschleunigung < <>. zur zusätzlichen Dämpfung der Regelkreise und zur Korrektur.der Nullpunktsfehler der Beschleunigungen messer über das Filter K_{n {} mit dem Verstärkungsfaktor V_1n direkt und mit umgekehrten Vorzeichen über ein Umkehrglied 209 und das Filter K_1n mit dem Verstärkungsfaktor V₁₁₂ einem Summierglied 210 zugeführt und über die Leitung 203 und' ein weiteres Umkehrglied 211 und ein Summierglied 212 dem Gierkanal aufgeschaltet.

Der in den F i g. 2a und 2b dargestellte vollständige Aufbau der Regelung der Seitenbeschleunigung in Z- und K-Richtung, kombiniert mit einer Roilageregelung des Flugkörpers 10, weist also die schon erwähnten, als Nick-, Gier- und Rollkanal bezeichneten Regelkreise auf, denen die von der nicht dargestellten Fernlenkeinrichtung kommandierten Sollwerte W.% W^und W zugeführt werden. Die von den Beschleunigungsmessern K_M7, Κ_Λί6, K_M2, K_Ml und K_M4 aus den augenblicklichen Istbeschleunigungen des Flugkörpers ermittelten Meßwerte M₇, M₆,-Ai₂, M₁ und M₄ werden nach ihrer Meßwertaufbereitung in dem Netzwerk 20 in die Aufschaltwerte Wj, z, w-, y und ώ_χ umgeformt und in der bereits beschriebenen Weise, nämlich unter Zufügung der Aufschaltfaktoren b₀, /J₁, α,, a₀, c₂, K₁, K₂ und K₃. sowie der vom Lagekreisel Κ_Λ/3 festgestellten RoI-lage 7 zur Rückführgrößen />,, p₂, p₃ summiert und mit umgekehrten Vorzeichen — Umkehrglieder 105, 205 und 305 — auf den Nick-, Gier- und Rollkanal rückgerührt. Die über Summierglieder 106, 206 und 306 aus dem Unterschied der Soll- und Istwerte gebildeten Regelabweichungen E_:; Eg Εφ werden über die zugeordneten Regler den Zweipunktverhalten aufweisenden Stellgliedern unter Berücksichtigung der zusätzlichen Dämpfungssignale — Leitungen 103 und 203 — aufgeschaltet.

über die von . den Stellgliedern betätigten,, hier nur schematisch dargestellten Ruder 13, 13«, 14, 14a des Flugkörpers 10 (vgl. Fig. 1)" werden die seine Fluglage und -bahn beeinflußenden Beschleunigungen :. y sowie die gewünschte Rollage </ aufgebaut.

Die Ubertragungsfunktionen der im vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel benutzten Regler und Filter sind

+ Tr₁₁S

Kr ι = V₁

Rl

fto K_a7 = V₁

Rl

ermittelten Aufschalt werte <■>.. y werden nach Zuführung systembedingter Koeffizienten (Z₁ und «„ in einem Summierglied 204 zur Rückführgröße p₂ vcrblinden, die über die Leitung 201 und das Umkehrulied 205 einem Summierglied 206 /ugefiihrt wird. Hierbei wird aus dem Sollwert H_r und dem Istwert + Ά

r 12

+ T_R2l S

+ T_R22 s

+ Tr,, .V

¹^ in — ^l;/1

\+T_ln s

009 640/96

112

113

I + T₁₁₂ s ■ 1 + T₉₁ s

wobei mit V der Verstärkungsfaktor, mit T die Zeitkonstante und mit s der Laplacesche Operator bezeichnet ist.

Die zugehörigen Zahlenwerte der Aufschaltfaktoren Ci₀, O₁, b₀, b_it C₂, K₁, K₂, K₃ sowie der. Einbaukonstanten der Meßwertgeber I₁, I₂ und r und der Verstärkungsfaktoren V_R1 bis V_R3, V_1n bis V_1n sind

T_R11 = T_R21 = T_R3l - 0,1 (see)
T_Rl2 = T_R22 = T_R32 =0,01 (see)
V_Rl = V_R2 = V_R3 = 1 (1)

K_//2 = 0,114 bis 0,1154 (m)

"in

= 1

T₉₁ = 0,05 (sec)

T₉₂ = 0,005 (sec)

«ο = 5 - ΙΟ"³ (1)

Ci₁ = 0,0175 (m)

b₀ = 5 ΙΟ-³ (1)

O₁ = 0,0175 (m)

C₂ = 6- ΙΟ"⁴ (rad S²)

K₁ = 1(1).
K₂ = 1 (1)
K₃ ^ 0,5(1)

h = 0,7 (m)
/₂ = 0,65 (m)
r = 0,06 (m)

Ein anderes Ausführungsbeispiel des vorstehend beschriebenen Regelsystems ist in Fig. 3a und 3b dargestellt. Es unterscheidet sich gegenüber dem vorherigen durch die Verwendung von lediglich drei Beschleunigungsmessern, die in einer im definitiven Abstand Z₁ vor dem Schwerpunkt S des Flugkörpers 10 (vgl. Fig. 1) vorgesehenen Ebene angeordnet sind. Es sind dies die Beschleunigungsmesser Κλπ, Κ_λ/4 und K_M6, die auf aufeinander senkrecht stehenden Achsen Y und Z angeordnet sind, die die Richtung der Ruderflächen 14, 14 a und 13, 13« des Flugkörpers aufweisen. Im Schnittpunkt dieser Achsen ist der die Rollage stabilisierende Lagekreisel K_M3 angeordnet. Diese Anordnung entspricht der Ausführungsform der Ebene E₁ gemäß Fig. 1. Im übrigen sind in den Fig. 3a und 3b die mit den in den Fig. 2a und 2b dargestellten Teilen identischen Teile jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auch hier sind also ein Nickkanal 100, ein Gierkanal 200 und ein Rollkanal 300 vorgesehen. Ebenfalls werden die von den mit den Wirkungslinien 18, 19 und 16 verbundenen Meßgliedern, nämlich den Beschleunigungsmessern K _Λ/1, Κ_Λ/4 und /C,_W6, ermittelten Meßgrößen M₁, M₄ und M_h dem der Meßwertaufbereitung dienenden Netzwerk 20 zugeführt. Gemäß den Formeln

Z - /, m_y = _Ύ (M₄ - M„)

UD

j/+ /,»._- = M₁ - _T (M₄ + MJ (12)
werden die Aufschaltwerte ζ — I₁ th_y und y + /, n>.

ermittelt. Als Aufschaltwerte werden hier also nicht die Dreh- und die Seitenbeschleunigungen, sondern eine Kombination aus Dreh- und Seitenbeschleunigungen verwendet. Für die Rückführgrößen ^₁ und p₂ gelten daher — unter der Voraussetzung kleiner Drehgeschwindigkeiten um die X-Achse (vgl. Fig. 1) — die Beziehungen

Pi = (5 - Z₁ Ζ»,.) K_H6,
P₁ - '(.V-Wi ''".-I K_1n,

(13)
(14)

wobei für K₁₁₆ und K_1n die Ubertragungsfunktionen des jeweiligen Filters einzusetzen sind. In dem Netzwerk 20 ist ferner der Aufschaltwert

(15)

ermittelt worden, dem die Rollage η über das Filter K_[{3 mit dem Verstärkungsfaktor V_n3 in dem Summierglied 302 zugefügt wird zur Bildung der Rückführgröße p₃. Die Rückführgrößen/;!, p₂ und p₃ werden nach ihrer Umkehrung durch die Umkehrglieder 105, 205 und 305 den Summiergliedern 106, 206 und 306 zugeführt, in denen aus den Istwerten Wy, W-,- und W<p die Regelabweichungen Ey, E-.- und Ε_φ gebildet werden, die über die Regler K_Rl und K_R4, bzw. K_R2 und K_R5 sowie den Regler K_R3 den schon beschriebenen Zweipunktverhalten aufweisenden Stellgliedern 130, 130«, 140, 140« aufgeschaltet werden, und zwar unter Berücksichtigung der Verstärkungsfaktoren V_Rl und F_R4 bzw. V_R2

' und V_R5 sowie V

_R3.

Zur zusätzlichen Dämpfungsaufschaltung dienen die über Filter K₁₁₅ mit dem Verstärkungsfaktor V₁₁₅ sowie K_lu mit dem Verstärkungsfaktor V_lu und Umkehrglieder 109 und 211 rückgeführten Aufschaltwerte y +1₁ in, und ζ — /, <»_y für den Gier- und Nickkanal.
Der Röllkanal 300 entspricht vollständig dem im Zusammenhang mit Fig. 2a und 2b beschriebenen Rollkanal. Er ist über eine Leitung 340 und ein Summierglied 240 mit dem Gierkanal 200 und dieser über eine Leitung 242 und ein Summierglied 343 mit dem Rollkanal 300 verknüpft: Zur Vorzeichenberichtigung ist im Gierkanal ein weiteres Umkehrglied 241 vor dem Summierglied 240 angeordnet. Schließlich ist der Nickkanal über ein weiteres Umkehrglied 141 zum Stellglied 130 geführt.
Auch diese Ausführungsform des Regelsystems zeigt das im Zusammenhang mit den Fig. 2a und 2b beschriebene Verhalten. Beiden Systemen ist darüber hinaus gemeinsam, daß ein Grenzzyklus ziemlich hoher Frequenz — etwa zwischen 20 und 30 Hz — auftritt. Dieser Grenzzyklus wirkt auf unerwünschte Nebenwirkungen von Schwellwert. Lose und Reibung der Regelkreiskomponenten wie ein »Dither«-Signal, so daß diese Nebenwirkungen ohne zusätzlichen Aufwand zur Erzeugung eines »Dither«- Signals verringert werden. Unter »Ditheru-Signal

^ήο wird bekanntlich ein Weehselstromsignal verstanden, dessen Frequenz groß ist gegenüber der höchsten auftretenden Frequenz des Nutzsignals und das dem Nutzsignal überlagert wiril zur Kompensation der genannten Nichtlinearitäten.

Schließlich sind die systembedingten Koeffizienten t;„, <»,, fr,,, Zj₁, C₁, K₁, K₁, K₃, V_Rl, V_K1, ν_Κλ, V_1n, ^Hi' V113 ^so gewählt, daß der Einfluß der Nullpunktsfehler der zur Anwendung gelangenden Beschleu-

I 481

nigungsmesser minimal wird. Dies wird in der Weise erreicht, daß die Zahlenwerte bestimmter Systemparameter, z. B. V₁₁₁, V₁₁₁, so gewählt werden, daß der — beispielsweise für den Nickkanal (F ig..2a und 2b) hinter dem Summierglied 212 unter dem Einfluß der Nullpunktsfehler IM₆, .IM₇, IM₄ der Beschleunigungsmesser M_h, M₇ und M₄ — rechnerisch für den stationären, d. h. eingeschwungenen Zustand des Systems ermittelte Fehlerausdruck von der Form .

E = l.\/₍,_fl+ IM₇T₂-I- 1M₄f₃", (16)

wobei f,, F₂ und r₃ Funktionen der Systemkoeffizienten />„, b\, V_Rl, V_1n, V_1n, /,, I₂, r sind oder aber zumindest. von einigen dieser Parameter abhängen, durch die Bedingung

/^ + ^ + f| = Min'■ (17)

so klein wie möglich gemacht wird, etwa gemäß der Vorschrift

OV₁₁,
d

■Η+ # = O. (19)

das partielle Differential der

Minimalbedingung, nach dem Systemparameter V_1n darstellt.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Regelung der Querbeschleu-

wobei z. B.

SV_n

_U6,

K_sn) in einem Netzwerk (20) in

20

30

35

nigung eines lenkbaren Flugkörpers mit kreuzweise.angeordneten Ruderflächen, der einen seine Rollachse stabilisierenden Lagekreisel aufweist und um seine Nick- und Gierachse von Regelkreisen geregelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale ,von fünf in zwei-40 im definierten Abstand vom Schwerpunkt (S) des Flugkörpers (10) befindlichen Ebenen (E₁. E₂) angeordneten Beschleunigungsmessern (K _Λ/,, Κ_Λί2,

f4 _{U s}

Aufschalt werte (<;>,., :, ('»., y und ώ_χ) umgeformt und unter Berücksichtigung systembedingter Koeffizienten (z. B. b^bu, «,, «„, c₂ und V_1n) und der Rollage (f/) zu Rückführgrößen Ip₁, p₂, p₃) summiert und mit umgekehrten Vorzeichen rückgeführt werden und daß. die dazu ermittelten Regelabweichungen (E., E_y, Ε_φ) über Regler (K_Rl, K_Rt, K_Ri) Zweipunktverhalten aufweisenden Stellgliedern (130, 130«, 140, 140«) aufgeschaltet werden und daß zur zusätzlichen Dämpfung der Regelkreise und Korrektur der Nullpunktsfehler der Beschleunigungsmesser die Winkelbeschleunigung (i'-ij.) und ihr inverser Wert über Filter (K₁₁₁, K_1n) geleitet und summiert und nach zusätzlicher Vorzeichenumkehr dem Regelkreis (100) für die Nickachse und die Winkelgeschwindigkeit (/-i.) und ihr inverser Wert über Filter (K_1n, K_U2) geleitet und summiert und nach zusätzlicher Vorzeiehenumkehr dem· Regelkreis (200) Tür die Gierachse aufgeschaltet und die auf die Eingänge der Stellglieder (140, 140«) für die <>5 Roll- und Nickkommandos einwirkenden Signale zum Zwecke der überlagerung miteinander verknüpft werden (208, 308, 307, 202).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die systembedingten .Koeffizienten (z. B. /),, /)„, «!, «„, C₂ und K,,,) entsprechend der Bedingung

t\ = Min

gemäß der Vorschrift

■ok;"'⁺ *'

-^Y— Ui + A

tj) = 0

so zu wählen sind, daß der Einfluß der NuII-punktsfehler der zur Anwendung gelangenden Beschleunigungsmesser minimal wird, wobei f, bis f₃ Funktionen der Systemkoeffizienten und

-w-r,— das partielle Differential der Minimal· ι V_1n

bedingung nach einem Systemparameter (V_1n) darstellen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswerte (M₄, M₆, /VZ₁) dreier Beschleunigungsmesser, die im vorbestimmten Abstand (■/,) vom Schwerpunkt (S) des Flugkörpers (10) angeordnet sind, in einem Netzwerk (20) zur Meßwertaufbereitung gemäß den Formeln

y + I₁;,,. = M₁ - ^l _T (M₄ + AZJ

in Aufschaltwerte z — l_xö>_y und j·-+ I₁;,,. umgeformt und unter Berücksichtigung systembedingter Koeffizienten (c₂, V_Rl bis V_R5 und V_1n bis Vn₁) zu Rückführgrößen (p,, p,. p₃) summiert und rückgefiihrt werden, daß die dazu ermittelten Regelabweichungen (E., E_y, Ε_φ) über Regler (Km bis K_R5) Zweipunktverhalten aufweisenden Stellgliedern (130, 130a, 140, 140a) aufgeschaltet werden und daß zur zusätzlichen Dämpfung des . Regelkreises und Korrektur der Nullpunktsfehler der Beschleunigungsmesser die Aufschaltwerte (Z-I₁(Oy, y + lii'i.) zusätzlich über Filter und Umkehrglieder (K„₄, K₁₁₅, 109, 211) dem Nick- und Gierkanal (100, 200) aufgeschaltet und die auf die Eingänge der Stellglieder (140, 140«) für die Roll- und Nickkommandos einwirkenden Signale zum Zwecke der zusätzlichen Aufschaltung miteinander verknüpft (242, 343, 340, 240) werden.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch fünf Beschleunigungsmesser (K_U1, K.\U' K\,₄, K_Si_b, K_sfl), die in zwei im definierten Abstand (/,, /,) vom Schwerpunkt (S) des Flugkörpers (10) vorgesehenen Ebenen (E₁, E,), und zwar auf aufeinander senkrecht stehenden Achsen (Y, Z), die vorzugsweise die Richtung der Ruderflächen (13, 13«, 14, 14«) des Flugkörpers aufweisen, angeordnet sind, daß ferner der Meßwertaufbereitung dienende Netzwerke (20) zur Gewin-

nung der Aufschaltwerte [ϊ·>_}.. ζ. ('< >.. y. <·>_χ) aus den Beschleunigungsmessersignalen und daß Filter. Summier- und Umkehrdiedcr [K_1n bis A',_n. 105. 205. 305. 104. 203. 302. 106. 206. 306. 109. 211. 110. 208. 212. 210. 108. 141) zur Bildung von systembedingte ,Koeffizienten enthaltenden Rüekführgrößen (/>,. />,. />,). Dämpfungssignalen und zur Ermittlung der Regelabweichungen (E., E_r. Ii₀) sowie mil Zweipunkt verhalten aufweisenden Stellgliedern (130. 130«. 140. 140«) zusammenwirkende Regler (K _Ki. K_H1. K_R3) vorgesehen sind.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß-drei Beschleunigungsmesser (K_Ul. K\,₄. K_M,,\ in einer I^;.bene (E,) im vorbestimmten Abstand (/,) vom Schwerpunkt .(S) des Flugkörpers

(10) angeordnet sind und sich auf aufeinander senkrecht stehenden Achsen (Y, Z) befinden, die vorzugsweise die Richtung der Ruderflächen (13. .13«. 14. 14«) des Flugkörpers aufweisen, daß ein der Meßwerlaufbereitung dienendes Netzwerk (20) zur Gewinnung der Aufschaltwertc (r— /,<■),.. ν + /,<■>.) aus den Beschleunigungsmesscrsiiinalcn und das Filter. Summier- und Umkehrglieder (K_1n bis λ',,,. 105. 205. 302. 211, 109. 305. 106. 206. 306. 241. 141) zur Bildung von systembedingte Koeffizienten enthaltenden Rückführgrößen (/>,. />,. />,). von Dämpfungssignalen, und zur Ermittlung der Regelabweichungen (£_. /:_r. Ε_φ). sowie mit Zweipunktverhalten aufweisenden Stellgliedern (130. 130«. 140. 140«) zusammenwirkende Regler [K_Ri. K_R2. Κ/ο Κ_ΚΛ. /C_K5) vorueschen sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen