DE1538558B2 - Redundante elektrische signaluebertragungseinrichtung fuer steuer oder regelkreise - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine redundante Die bekannten Schaltungen dieser Art haben den elektrische Signaliibertragungseinrichtung mit meh- Nachteil, daß die Korrektur des resultierenden Ausreren, aus Sicherheitsgründen parallelgeschalteten gangssignals bei Ausfall eines Kanals nur unvollgleichberechtigten Übertragungskanälen, die je einen kommen ist und die maximal mögliche Abweichung Stellantrieb zur Erzeugung einer mechanischen Aus- 5 der resultierenden Gesamtausgangsgröße von dem gangsgröße enthalten, welche über einen Stellung- jeweils richtigen oder Sollwert einen gerade für die geber als elektrisches Rückführsignal in Gegenkopp- erwähnten kritischen Anwendungsfälle untragbar hohen lung auf den Eingang des Kanals zurückgeführt ist, Wert behält. So läßt sich zeigen, daß bei einer Drei- und deren mechanische Ausgangsgrößen einem Mitte- kanal-Anordnung der bekannten Art bei Ausfall eines lungsmechanismus zur Erzeugung einer mechanischen ίο Kanals die maximale Abweichung, d. h. die Ab-Gesamtgröße zugeführt sind. weichung bei ungünstigsten Umständen, wenn näm-

In Fällen, in welchen eine Regel- bzw. Steuerein- lieh der ausgefallene Kanal in einer Stellung am einen richtung eine Regel- bzw. Steuerfunktion ausübt, für Ende seines Stellbereiches verharrt und die beiden die es von Bedeutung ist, daß sie nicht unterbrochen funktionierenden Kanäle entsprechend dem richtigen werden darf, ist es bekannt, die Regeleinrichtung bzw. 15 oder Sollwert eine Stellung am anderen Ende ihres die Übertragungseinrichtung für das Regelsignal Stellbereiches einnehmen, nicht weniger als 66²I₃ ⁰I₀ doppelt oder, verallgemeinert, mehrfach vorzusehen. beträgt. Diese Abweichung mag weniger kritisch sein, Falls in einem derartigen Fall in der Regel- bzw. wenn es sich um eine Regelanordnung mit geschlos-Steuereinrichtung ein Fehler bzw. eine Störung auftritt, senem Regelkreis handelt, da durch die Wirkung der muß zunächst die Existenz des Fehlers bzw. des Stör- 20 geschlossenen Regelschleife eine Tendenz zur Korrekzustandes nachgewiesen und sodann die fehlerhafte tür dieser Abweichung besteht (wenngleich die Regel- bzw. Steuereinrichtung aus der Schaltung Charakteristik der Regelschaltung durch den Ausfall entfernt und durch die Duplikateinrichtung bzw. eines Kanals ihrerseits verändert wird und die Korrekdurch (i ien der Duplikatsätze von Regeleinrichtungen tür wertvolle Zeit in Anspruch nehmen kann). Beersetzt werden, wobei dieser Ersatz mittels geeigneter 25 sonders kritisch sind derartige maximale Abweichungen Umschaltvorrichtungen ausgeführt wird. jedoch im Falle offener Steuerschaltungen, da hier

In bestimmten Fällen kann jedoch die mit dem jegliche Tendenz zur Korrektur entfällt.
Ersatz der fehlerhaften Regeleinrichtung durch die Die Erfindung betrifft somit eine redundante Duplikateinrichtung notwendigerweise verbundene elektrische Signalübertragungseinrichtung der einVerzögerung nicht in Kauf genommen werden; 30 gangs genannten Art für Steuer- oder Regelkreise, außerdem ist, wenn ein derartiger Ersatzvorgang und zwar unter Verwendung von mindestens drei aus eingeleitet wird, seine erfolgreiche Durchführung von Sicherheitsgründen parallel geschalteten gleichberechder korrekten Arbeitsweise der zugehörigen Umschalt- tigten Übertragungskanälen. Durch die Erfindung Vorrichtung abhängig, derart, daß die Zuverlässigkeit soll eine wesentliche Verbesserung hinsichtlich des bei (oder »Integrität«) des vollständigen Systems von den 35 Ausfall eines Kanals in einer derartigen Schaltung Umschalteinrichtungen abhängt, was häufig untragbar maximal möglichen Fehlers, d. h. der maximal aufist. Beispiele derartiger hochkritischer Fälle, in denen tretenden Abweichung der Gesamtausgangsgröße vom auch der durch die Abhängigkeit von der ordnungs- richtigen Sollwert, erreicht werden,
gemäßen Funktion der Umschalteinrichtungen ver- Zu diesem Zweck ist bei einer Einrichtung der bleibende Unsicherheitsfaktor nicht tragbar ist, sind 40 genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß etwa der Ausfall von Regel- bzw. Steuereinrichtungen von der mechanischen Gesamtausgangsgröße ein für das automatische oder Blindlanden von Flugzeugen zweites elektrisches Rückführsignal abgeleitet ist, das oder der Ausfall von Regel- bzw. Steuereinrichtungen zusammen mit dem jeweiligen ersten Rückführsignal zur Steuerung eines »V.T.O.L.«- (Senkrechtstart- und auf den Eingang des betreffenden Kanals zurückfände-) Flugzeugs, solange dieses Flugzeug über dem 45 geführt ist. . ■ . .
Boden schwebt. · Indem gemäß der Erfindung jedem der Kanäle eine

In derartigen Fällen ist es bekannt, die Regel- bzw. Rückführgröße zugeführt wird, die aus zwei Kompo-Steuereinrichtung in der Weise zu einer Mehrfach- nenten zusammengesetzt ist, nämlich dem an sich Anordnung auszubilden, daß man zwei oder mehr bekannten ersten, von der mechanischen Einzel-Sätze der Regeleinrichtung bzw. der Übertragungs- 50 ausgangsgröße des betreffenden Kanals abgeleiteten einrichtung für das Regel- bzw. Steuersignal vorsieht, Rückführsignal und einem zweiten, von der mechadie untereinander gleichberechtigt in Parallelschaltung nischen Gesamtausgangsgröße, die ihrerseits ja eine angeordnet sind und laufend ein resultierendes Aus- Kombination der mechanischen Ausgangsgrößen der gangssignal erzeugen, das eine Funktion, üblicher einzelnen Kanäle darstellt, abgeleiteten Rückführ-Weise das Mittel bzw. den Durchschnittswert der 55 signal, wobei vorzugsweise die zweite, von der Einzelausgangssignale der verschiedenen Sätze von mechanischen Gesamtausgangsgröße abgeleitete, Kom-Regel- bzw. Steuereinrichtungen, darstellt; die An- ponente betragsmäßig gegenüber der ersten Kompoordnung ist dabei so getroffen, daß beim Ausfallen nente dominiert, wird eine ganz erhebliche Verringeeines Kanals dann der verbleibende oder die verblei- rung der bei Ausfall eines Kanals maximal möglichen benden Kanäle nichtsdestoweniger ein resultierendes 60 Abweichung der GesamtausgangsgröCe vom Sollwert Ausgangssignal von korrekter Größe aufrechtzuerhal- erreicht. So läßt sich zeigen, daß für eine erfindungsten bestrebt sind. gemäße Anordnung mit drei Kanälen unter be-

Ein Beispiel einer derartigen, aus Sicherheitsgründen stimmten Bedingungen die maximal mögliche Abredundant ausgebildeten Einrichtung mit zwei Kanälen weichung beispielsweise kleiner als 10°/₀ wird, verist in »The Royal Aeronautical Society«, Februar 1962, 65 glichen mit einem Wert von 66²/₃°/₀ bei einer Drei-S. 9, Fig. 4 gezeigt und beschrieben. Die bekannte Ein- kanalanordnung nach dem Stande der Technik,
richtungbetrifftspezielldendieLängsneigungssteuerurg Aus der britischen Patentschrift 856 826 ist eine betreffenden Teil einer Selbststeueranlage (Autopilot). redundante Regel- bzw. Steuereinrichtung mit meh-

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reren parallelen Kanälen bekannt, bei welcher für tuale Differenz, die zwischen den elektrischen Einjeden Kanal neben dem vom mechanischen Stell- gangssignalen (F₁, F₂, F₃) der Kanäle auftreten kann, antrieb des Kanals abgeleiteten ersten Rückführsignal bedeuten. In diesem Zusammenhang kann nach einer als zweite Rückführgröße das Ausgangssignal des zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen sein, daß Verstärkers des betreffenden Kanals abgenommen und 5 jeder Kanal in seinem Rückführkreis je eine gesonderte einem Medianwähler oder einem Mittelwertbildner Signalreduzierungsvorrichtung, vorzugsweise einen zugeführt wird, welcher aus den zugeführten Ver- Spannungsteiler, zur Einstellung des Verhältnisses stärkerausgangssignalen der drei Kanäle das betrags- zwischen dem ersten und zweiten Rückführsignal mäßig mittlere auswählt oder aus ihnen den Mittelwert aufweist.

bildet. Dieser Mittelwert wird sodann subtraktiv mit io Eine besonders vorteilhafte Wirkung, d. h. weitdem Verstärkerausgangssignal jedes Kanals kombiniert gehende Herabsetzung des bei Ausfall eines Kanals und die Differenz dem Verstärker oder einer Ver- möglichen maximalen Fehlers erhält man, wenn für stärkerstufe des betreffenden Kanals zugeführt. Ab- die einzelnen Kanäle die zulässige mechanische Vergesehen davon, daß somit das Eingangssignal der stellbarkeit der mechanischen Ausgangsgröße größer Medianbildungs- oder Mittelungseinrichtungen vom 15 als der normale, dem Änderungsbereich der zuge-Verstärkerausgang, d. h. vor dem mechanischen Stell- führten Eingangssignale entsprechende Verstellbereich glied des betreffenden Kanals abgenommen wird, ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erdient die Ausgangsgröße der Mittelungseinrichtung findung kann in diesem Zusammenhang vorgesehen bei der bekannten Vorrichtung dazu, um die Aus- sein, daß für jeden Kanal bei einem normalen Stellgangsgrößen der drei Kanäle gleichzumachen. Dem- 20 bereich der jeweiligen mechanischen Ausgangsgröße gegenüber werden bei der erfindungsgemäßen Ein- von — d bis +d für einen vorgegebenen maximalen richtung die zweiten Rückführsignale von der mecha- Änderungsbereich des elektrischen Eingangssignals nischen Gesamtausgangsgröße abgenommen, d. h. von (F₁, F₂, F₃) der zulässige maximale mechanische einer weitest möglich nach außen verlagerten Stelle der Verstellbereich der mechanischen Ausgangsgrößs sich Regel- bzw. Steuerschaltung, und diese zweiten Rück- 25 wenigstens von —mdl(m—2)bis -\-mi\{m—2) erstreckt, führsignale werden in additiver Kombination mit den worin m die Anzahl der vorhandenen Kanäle bedeutet, ersten Rückführsignalen, die ihrerseits ebenfalls am Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vormechanischen Stellantrieb der einzelnen Kanälen gesehen, daß drei Kanäle vorgesehen sind und der abgenommen sind, jeweils dem Eingang des be- zulässige maximale mechanische Änderungsbereich treffenden Kanals zugeführt. Ziel ist dabei nicht, wie 30 der mechanischen Ausgangsgröße jedes Kanals sich bei der bekannten Anordnung, die Ausgangsgrößen wenigstens von — 3<ibis + 3d erstreckt, der einzelnen Kanäle untereinander gleichzumachen, Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der

vielmehr können bei der erfindungsgemäßen Ein- Eifindung an Hand der Zeichnung erläutert; in dieser richtung die Kanäle durchaus verschiedene Über- zeigt

tragungssignale aufweisen, sei es als Folge der Be- 35 F i g. 1 ein Blockschaltbild einer bekannten Mehraufschlagung der einzelnen Kanäle durch gesonderte kanal-Regel- bzw. Steuereinrichtung nach dem Stande Meßwertgeber, sei es infolge der Betriebstoleranzen der Technik,

zwischen den einzelnen Kanälen oder beider Ursachen F i g. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßsn

gemeinsam. Durch die Erfindung soll in der erläuterten Weiterbildung der bekannten Einrichtung aus F i g. 1. Weise die maximal mögliche Abweichung der Gesamt- 40 Bei der in F i g. 1 dargestellten bekannten Einausgangsgröße vom Sollwert bei Ausfall eines Kanals richtung weist der erste Kanal einen Geber 1 auf, so klein als möglich gemacht werden. Die bekannte welcher auf den Betrag wenigstens einer veränderlichen Anordnung unterscheidet sich daher von der er- Größe, beispielsweise des Querneigungswinkels eines findungsgemäßen Einrichtung sowohl nach Aufgaben- Flugzeugs, anspricht und ein elektrisches Eingangsstellung als auch nach den angewandten Lösungs- 45 signal erzeugt, das eine Funktion des jeweiligen Bemitteln. trags der betreffenden veränderlichen Größe oder

Zweckmäßig sollen die zweiten Rückführsignale Größen ist.

betragsmäßig gegenüber den ersten Rückführsignalen Das elektrische Eingangssignal wird einer Sub-

überwiegen, die im wesentlichen nur zur Kompensation traktionsvorrichtung 2 zugeführt, in welcher ein über der erwähnten möglichen Unterschiede zwischen den 50 eine Rückkopplungsleitung 3 zugeführtes elektrisches den einzelnen Kanälen zugeführten Eingangs-Regel- Rückführsignal von den elektrischen Eingangssignal Signalen dienen. Nach einer bevorzugten Ausf ührungs- subtrahiert wird (es handelt sich somit um eine negative form der Erfindung ist vorgesehen, daß die elektrische Rückkopplung bzw. Rückführung). Das resultierende und mechanische Auslegung so getroffen ist, daß für elektrische Ausgangssignal der Subtraktionsvorrichjeden Kanal jeweils die Bedingung 55 tung 2 wird über einen Verstärker 4 einem elektro

mechanischen Wandler zugeführt, der in Form eines

100 ^X fin⁰/ ~) > ζ linear wirkenden Stellantriebs 5 ausgebildet sein kann.

χ + y ' Die Ausgangsgröße dieses Linearantriebs 5 ist ein

mechanisches Ausgangssignal in Form einer Linear-

und vorzugsweise nur geringfügig größer als z, erfüllt 60 verschiebung, die somit eine Funktion des Ausgangsist, worin χ (beispielsweise in V/cm) der Betrag der signals der Subtraktionsvorrichtung 2 darstellt. Änderung der jeweiligen ersten Rückführsignale, Diese Linearverstellung wird einem Hebel 6 mit-(F₇, F₈, F₉) für die Einheit der Änderung der ent- geteilt, welcher eine stellungsempfindliche Vorrichtung sprechenden mechanischen Ausgangsgröße (6, 16, 26) in Form eines StellungsÜbertragers 7 steuert, deren und ^(beispielsweise in V/cm) der Betrag der Änderung 65 Ausgangsgröße ein erstes elektrisches Rückführsignal der jeweiligen zweiten Rückführsignale (F₄, F₅, F₆) für darstellt, das eine Funktion der Linearverschiebung die Einheit der Änderung der resultierenden mecha- des Hebels 6 ist und der Rückführleitung 3 zugeführt nischen Ausgangsgröße (34), ζ die maximale prozen- wird, derart, daß es, im Fall der F i g. 1, das in dem

vorhergehenden Absatz erwähnte Rückführsignal bildet.

Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 4 wird hinreichend hoch gewählt, damit die Linearverschiebung des Hebels 6 eine im wesentlichen lineare Funktion des elektrischen Eingangssignals der Subtraktionsvorrichtung 2 wird.

Der zweite und der dritte Kanal der Regel- bzw. Steuereinrichtung sind in gleicher Weise wie der erste Kanal ausgebildet, wobei in F i g. 1 einander entsprechende Teile mit 1, 11, 21 und 2, 12, 22 usw. bezeichnet sind.

Es sei betont, daß die Geber 1, 11 und 21 sämtlich in im wesentlichen gleicher Weise auf dieselbe veränderliche Größe oder Größen ansprechen.

Die Linearverstellungen der Hebel 6, 16 und 26 werden einem Mittelungsmechanismus mitgeteilt, der so ausgebildet ist, daß er eine resultierende Linearverstellung erzeugt, die gleich dem Mittel aus den einzelnen Linearverschiebungen der Hebel 6,16 und 26 ist. Die Mittelungsvorrichtung ist in F i g. 1 schematisch durch zwei Hebel 31 und 33 und zwei Gestängearme 32 und 34 angedeutet. Bei dieser schematisch angedeuteten Anordnung ist der Hebel 31 an seinen beiden Enden gelenkig mit den Hebeln 6 und 16 und der Gestängearm 32 gelenkig mit der Mitte des Hebels 31 verbunden, derart, daß die resultierende Linearverschiebung des Gestängearms 32 das Mittel der Linearverstellungen der Hebel 6 und 16 ist, d. h., wenn (ä) und (b) die Verschiebungen der Hebel 6 bzw. 16 sind, so ist die Verschiebung des Gestängearms 32 durch (a+b)/2 gegeben.

Der Hebel 33 der schematisch angedeuteten Anordnung ist an seinen beiden Enden mit den Gestängearmen 32 und 26 gelenkig verbunden; der Gestängearm 34 ist mit dem Hebel 33 in einem Abstand von der Gelenkverbindung mit dem Arm 32, der gleich ein Drittel der Länge des Hebels 33 ist, gelenkig verbunden. Im Ergebnis wird hierdurch erreicht, daß die resultierende Linearverschiebung des Arms 34 das Mittel der einzelnen Linearverstellungen der Hebel 6, 16 und 26 ist, d. h. falls (α), (b) und (c) die Verstellungen der Arme 6, 16 bzw. 26 bedeuten, ist die Verstellung des Arms 34 durch (a+b+c)/3 gegeben.

Es sei angenommen, daß der volle Bereich von Linearverschiebungen für jeden der Hebel 6, 16, 26 und 34 von (—d) bis (+d) geht, wobei (d) eine Konstante ist; dieser volle Bereich entspricht dem gesamten Änderungsbereich der elektrischen Eingangssignale von den Gebern 1, 11 und 21. Falls nun einer der Kanäle (beispielsweise der erste Kanal) nicht mehr korrekt arbeitet, so ist der schlimmste Zustand, der auftreten kann, derjenige, daß der Ausgang des ersten Kanals (d. h. die Linearverschiebung des Hebels 6) (fälschlich) konstant in einer Stellung maximaler Verschiebung in der einen Richtung (beispielsweise — d) verbleibt, während die Ausgänge der zwei übrigen Kanäle (korrekt) in einer Stellung maximaler Verschiebung in der entgegengesetzten Richtung (beispielsweise +d) verbleiben. Unter diesen Umständen ist die resultierende Linearverstellung (e) des Arms 34 gegeben durch

e =

-d + d+d

Da der richtige Wert der resultierenden Linearverschiebung (e) des Arms 34 +d ist, ergibt sich daraus, daß der Istwert von (e) um 66²/₃°/₀ von seinem richtigen Wert abweicht.

Falls ein derartiger Störzustand in einem einzigen Kanal in dieser Weise auftritt, so mag das Ergebnis annehmbar sein, wenn die Einrichtung gemäß F i g. 1 in einer geschlossenen Regelschaltung liegt, da im allgemeinen der durch den Ausfall eines einzigen Kanals eingeführte Fehler schließlich durch die Wirkung der geschlossenen Regelschaltung (deren

ίο Charakteristik jedoch allerdings durch die Auswirkung der Störung verändert wird) korrigiert wird. Falls jedoch die Einrichtung nach F i g. 1 Teil einer nicht geschlossenen, d. h. einer Steuerschaltung ist, so besteht keinerlei Tendenz dafür, daß der durch den Ausfall eines einzigen Kanals eingeführte Fehler durch irgendeine übergreifende Gesamtwirkung korrigiert wird.

Die Regel- bzw. Steuereinrichtung nach F i g. 2 ist so ausgebildet, daß beim Ausfall eines einzelnen Kanals der Fehler im Ausgang der Einrichtung kleiner ist als im Falle der Einrichtung gemäß F i g. 1.

Die Einrichtung gemäß F i g. 2 ähnelt im allgemeinen der von F i g. 1, und einander entsprechende Teile sind daher auch mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Die Einrichtung gemäß F i g. 2 unterscheidet sich darin von der gemäß F i g. 1, daß der Gestängearm 34 drei gleichartige stellungsempfindliche Vorrichtungen in Form von Gebern 8, 18 und 28 steuert, die jeweils den drei Kanälen zugeordnet sind und wobei die Ausgangsgröße jedes dieser Geber ein zweites elektrisches Rückkoppelsignal darstellt, das eine Funktion der resultierenden Linearverstellung des Gestängearms 34 darstellt. Das zweite elektrische Rückf ührsignal für den ersten Kanal wird einer Summationsvorrichtung 9 zugeführt, in welcher dieses Signal zu dem von dem Geber 7 gelieferten ersten elektrischen Rückführsignal addiert wird; die Ausgangsgröße der Summationsvorrichtung 9 bildet ein resultierendes elektrisches Rückführsignal, das über die Leitung 3 der Subtraktionsvorrichtung 2 zugeführt wird, in welcher es von dem elektrischen Eingangssignal des "betreffenden Kanals subtrahiert wird. Entsprechende Anordnungen sind für den zweiten und den dritten Kanal getroffen. Zusammenfassend kann somit gesagt werden, daß für jeden der drei Kanäle eine zweite (und Gesamt-) negative Rückführschaltung vorgesehen ist.

Bei der Anordnung gemäß F i g. 2 könnten die Geber?, 17 und 27 fortfallen, falls die elektrischen Eingangssignale für jeden der drei Kanäle identisch wären. Falls jedoch die Geber 7, 17 und 27 fortgelassen würden und gleichzeitig die elektrischen Eingangssignale für die drei Kanäle nicht identisch wären, so läßt sich zeigen, daß dann zwar weiterhin der Gestängearm 34 um einen Betrag verstellt wird, welcher dem Mittel der elektrischen Eingangssignale entspricht, daß jedoch wenigstens einer der Kanäle eine Tendenz zum »Fortlaufen« erhält, d. h., daß wenigstens einer der Hebel 6, 16 bzw. 26 die Tendenz zeigen wird, eine Maximalverstellung in der einen oder der anderen Richtung einzunehmen, falls dies eintritt, wird dann der betreffende Kanal danach nicht mehr korrekt auf Änderungen seines elektrischen Eingangssignals anzusprechen vermögen, es sei denn, daß der betreffende Hebel 6, 16 oder 26 zunächst auf eine von der Maximalverstellung verschiedene Stellung zurückgestellt wird.
Die Geber 7, 17 und 27 sind daher in der Ein-

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richtung gemäß F i g. 2 wesentlich. Jedoch sind die gehören. Falls jedoch der vole Bereich linearer Ver-

von diesen Gebern gelieferten ersten elektrischen stellung jedes der Hebel 6, 16 und 26 von — d bis +d

Rückführsignale im wesentlichen Rückführsignale von reicht, wobei (d) eine Konstante ist, und dieser Bereich

sekundärer Bedeutung, während die Rückführsignale dem vollen Variationsbereich der elektrischen Ein-

von primärer Bedeutung durch die von den Gebern 5 gangssignale der Subtraktionsvorrichtungen 1, 11 und

8,18 und 28 gelieferten zweiten elektrischen Rückführ- 21 entspricht, so ist dann die »Autorität« des Ge-

signale gebildet werden. stängearms34 begrenzt: wie der aus oben durch-

Somit sollten bei der Anordnung gemäß F i g. 2 geführten Berechnung ersichtlich, können so, falls die ersten elektrischen Rückführsignale zwar hin- z. B. der erste Kanal mit seinem Hebel 6 in einer in reichend groß für eine Kompensation von Unter- io der einen Richtung maximal verschobenen Stellung schieden, welche zwischen den Amplituden der den (beispielsweise — d) ausfällt, die Hebel 16 und 26 nur Differential- bzw. Subtraktionsvorrichtungen 2, 12 in ihre Stellungen maximaler Verschiebung (beispiels- und 22 zugeführten elektrischen Eingangssignale auf- weise +d) in entgegengesetzter Richtung laufen, in treten können, sein; jedoch sollen diese ersten elek- dem Bemühen, die Ausgangsgröße der Einrichtung irischen Rückführsignale nichtsdestoweniger so klein 15 aufrechtzuerhalten; unter diesen Bedingungen erfährt als möglich gehalten werden, derart, daß die von den der Arm 34 eine resultierende Verschiebung von +dj3, Gebern 8, 18 und 28 gelieferten zweiten elektrischen und diese resultierende Verstellung kann nicht überSignale vorherrschen und überwiegen können; diese schritten werden, da die Hebel 16 und 26 sich über die letzterwähnten zweiten elektrischen Signale bewirken Strecke (d) nicht verstellen können,
eine Verringerung des Fehlers, der im Ausgang der 20 Diesem Problem versagender »Autorität« kann da-Einrichtung gemäß F i g. 2 auftritt, wenn ein einzelner durch beigekommen werden, daß man den zulässigen Kanal nicht mehr korrekt arbeitet. Bereich linearer Verschiebung der Hebel 6, 16 und 26

Im einzelnen gilt folgendes; wenn: hinreichend vergrößert. So läßt sich zeigen, daß, falls

,. .. , -,j Ti-Ii-I · 1 der lineare Verstellbereich jedes der Hebel 6,16 und 26

χ = die Änderung jedes der ersten Ruckfuhrsignale _2£. _sich von-J bis+rf erstreckt, für einen vorgegebenen

(F₇ F₈ und V₉ m F ig. 2) bezogen auf die _maximalen Variationsbereich der elektrischen Ein-

Einheit der Stel ungsanderung des jeweils be- _gangssignaie _(d. h. falls die Stellung jedes der Hebel 6,

treffenden Hebels 6, 16 oder 36 bedeutet und _{16 und 26 sich f ür die maximal mögliche} Änderung der

^y = die Änderung jedes der zweiten elektrischen _elektrischen Eingangssignale von -d bis +d ändert),

Ruckfuhrsignale (F₄ F₅ und F₆ in Fi g. 2) fur _{30 und Mh jedoch die Hebd 6 u und 36 auch} ^

die Einheit der Änderung der resultierenden _{einen Bereich verste}ii_{bar sin}d, der sich wenigstens von

Stellung des Gestangearms 34 darstellt, __{M bis +M erstreckt> dann tritt kein der}artiger

(wobei χ und y beispielsweise in V/cm gemessen werden Verlust an »Autorität« auf.

können), so sollen χ und y so gewählt werden, daß x, Wenn somit bei einer entsprechend dem vorher-

in Prozent des resultierenden Rückführsignals (x+y) 35 gehenden Abschnitt ausgelegten Anordnung, wo also

ausgedrückt, nicht kleiner, aber auch nicht sehr viel der Gesamtverstellbereich von — 3dbh +3d geht, der

größer als der Betrag der prozentualen »Toleranz« erste Kanal nicht mehr korrekt arbeitet und der Hebel 6

zwischen den elektrischen Eingangssignalen der Diffe- (fälschlich) konstant in einer Stellung maximal mög-

rential- bzw. Subtraktionsvorrichtungen 2, 12 und 22 h'cher Verschiebung verbleibt (beispielsweise — 3d), so

ist, d. h., χ und y sollen so gewählt werden, daß 4° können nunmehr die Hebel 16 und 36 die Maximal-

100xl(x+y)°l₀ nicht kleiner, aber auch nicht viel Verstellungen in entgegengesetzter Richtung (d.h.

größer als der maximale prozentuale Unterschied ζ +3d) einnehmen, bei dem Versuch, den Ausfall des

ist, welcher zwischen den Amplituden der elektrischen ersten Kanals zu kompensieren. Die resultierende

Eingangssignale der Differential- bzw. Subtraktions- Verstellung des Arms 34 beträgt dann

vorrichtungen 2, 12 und 22 auftreten können. 45

Daraus wird klar, daß, falls die Geber 7, 17, 27, —3d+ 3d+ 3d ₌

8, 18 und 28 identisch ausgebildet werden, dann 3 '
Maßnahmen getroffen werden müssen, um die effektive

Empfindlichkeit der Geber 7, 17 und 27 relativ gegen- d. h. der Arm 34 kann veranlaßt werden, eine Verüber der Empfindlichkeit der Geber 8, 18 und 28 50 stellung +d einzunehmen, trotz des Ausfalls des herabzusetzen. In F i g. 2 ist eine derartige Vor- ersten Kanals, d. h., daß die »Autorität« des Gestängerichtung in Gestalt gleichartiger Spannungsteiler 10, arms 34 nicht wie vorher beschränkt ist.
20 und 30 angedeutet; es kann jedoch jede ander- Die Wirkungsweise der Einrichtung gemäß F i g. 2 weitige vergleichbare Vorrichtung zur Signalver- dürfte aus der vorstehenden Beschreibung klar geringerung Anwendung finden. 55 worden sein; es sollen jedoch im folgenden noch

Wie weiter unten noch beschrieben wird, besteht bestimmte allgemeine Gesichtspunkte erwähnt werden,

die hauptsächliche Wirkung der von den Gebern 8, Falls erstens die elektrischen Eingangssignale für die

18 und 28 gelieferten Rückkopplung bzw. Rückführung einzelnen Kanäle identisch und die Kanäle identisch

bei Störung der ordnungsgemäßen Arbeitsweise eines ausgebildet sind, so werden die Kanäle auch in

der Kanäle darin, daß die Tendenz besteht, die resul- 6° gleicher Weise ansprechen, die Verschiebungen der

tierende Verstellung des Gestangearms 34 näher an Hebel 6, 16 und 26 werden gleich sein, und die resul-

dem richtigen Wert zu halten (verglichen mit der Ein- tierende Verstellung des Arms 34 wird gleich der Ver ·

richtung gemäß F i g. 1); dies wird durch eine auto- stellung jedes der Hebel 6,16 und 26 und proportional

matische Versetzung bzw. Verlagerung (in einer zur dem Betrag der elektrischen Eingangssignale.

Versetzung bzw. Abweichung des ausgefallenen Kanals 65 Zweitens, falls die elektrischen Eingangssignale für

entgegengesetzten Richtung) der mechanischen Ver- die einzelnen Kanäle nicht übereinstimmen, so werden

Stellungen derjenigen zwei von den Hebeln 6,16 und 26, auch die Verstellungen (a, b bzw. c) der Hebel 6, 16

welche zu den weiterhin korrekt arbeitenden Kanälen bzw. 26 nicht miteinander übereinstimmen und solche

Werte besitzen, daß die resultierende Verstellung des Arms 34 proportional dem Mittel der Beträge der elektrischen Eingangssignale ist. Wie oben erwähnt, wird ein »Fortlaufen« wenigstens eines der Hebel 6, 16 und 36 durch die Wirkung der Geber 7, 17 und 27 verhindert.

Drittens: Falls einer der Kanäle nicht mehr korrekt arbeitet, bewirken die Geber 8, 18 und 28 eine Tendenz, die resultierende Verstellung des Arms 34 näher an dem richtigen Wert zu halten (verglichen mit der Einrichtung gemäß F i g. 1); dies wird durch eine automatische Versetzung bzw. Verlagerung der mechanischen Verstellung derjenigen beiden von den Hebeln 6, 16 und 26 der weiterhin korrekt arbeitenden Kanäle (in einer zur Versetzung des ausgefallenen Kanals entgegengesetzten Richtung) erreicht.

Die folgende Berechnung veranschaulicht die Wirkungsweise der Einrichtung gemäß F i g. 2.

Es sei angenommen, daß jeder der Geber 8,18 und 28 eine Ausgangsgröße von 1 Volt bei einer resultierenden Verstellung von +d des Arms 34 erzeugt.

Des weiteren sei angenommen, daß die »Toleranz« der elektrischen Eingangssignale ±4°/₀ beträgt. Um daher das obenerwähnte »Fortlaufen« zu verhindern, muß das erste Rückführsignal aus jedem Kanal wenigstens 4°/o (für die folgende Berechnung soll hier 5% zugrunde gelegt werden) des resultierenden Rückführsignals betragen. Jeder der Geber 7, 17 und 27 muß daher eine Ausgangsgröße von 0,05 Volt für eine Verstellung +d des jeweiligen betreffenden Hebels 6, 16 bzw. 26 erzeugen.

Falls daher sämtliche drei Kanäle der Einrichtung gemäß F i g. 2 in Betrieb sind und allen Kanälen identische elektrische Eingangssignale zugeführt werden und falls die Ausgangsgröße der Einrichtung (d.h. die Verstellung des Gestängearms 34) +d beträgt, so gilt folgendes:

(i) Die zweiten Rückführsignale F₄, V₅ und F₆ sind einander gleich und gleich 1 Volt;

(ii) die ersten Rückführsignale V₁, V_s und V₉ sind einander gleich und gleich 0,05 Volt und

(iii) somit, falls die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 4, 14 und 24 verhältnismäßig groß sind, derart, daß die Ausgänge der Differential- bzw. Subtraktionsvorrichtungen 2,12 und 22 vernachlässigbar klein sind, kann dann angenommen werden, daß für jeden Kanal das elektrische Eingangssignal (V₁, V₂ bzw. F₃) gleich und entgegengesetzt dem resultierenden Rückführsignal ist, d. h.

F₁= F₂= F₃=-1,05 V. ^5Ü

Es sei nun angenommen, daß die maximal möglichen Verstellungen der Hebel 6, 16 und 26 ±3d sind, wie oben erläutert, und daß in einem Zustand, wo die Ausgangsgröße der Einrichtung (die Verstellung des Gestängearms 34) -\~d sein sollte (entsprechend elektrischen Eingangssignalen von —1,05 V, wie oben berechnet), der erste Kanal ausfällt und der Hebel 6 die ungünstigste Verstellung von (—3d) erfährt. Die Einrichtung gemäß F i g. 2 bewegt sich dann auf einen Gleichgewichtszustand zu, in welchem die Verstellungen der Hebel 16 und 26 einander gleich sind und d' betragen, während die resultierende Verstellung des Arms 34 einen Betrag d" wie folgt besitzt:

65 Da trotz des Ausfalls des ersten Kanals angenommen wird, daß die elektrischen Eingangssignale für die Kanäle konstant auf —1,05 V verbleiben, müssen folgende Beziehungen gelten:

(V₅ +F₈) = (F₆ +F₉) = +1,05 V.
Nun ist jedoch

F₅ =

d'

IV,

d'

F₈= ^L--0,05 V.
a

J" =

2d' -3d

(1)

Daher gilt:

d" + 0,05 d' = 1,05 d. (2)

Durch Auflösen der Gleichungen (1) und (2) erhält man

d' = 2,87 d (3)

d" = 0,913 d. (4)

Somit hat sich trotz des Ausfalls des ersten Kanals und der Tatsache, daß der Hebel 6 eine Verstellung von (—3d) erfuhr, die resultierende Verstellung des Gestängearms 34 nur von d auf 0,913 d, d. h. um 8,7 °/₀ verringert (verglichen mit 66²/₃°/₀ im Falle der Einrichtung gemäß F i g. 1). Dieses Ergebnis erhält man unter der Einwirkung der beiden verbleibenden Kanäle, wobei die Hebel 16 und 26 automatisch von ihrer Nominalverstellung (+d) auf Verstellungen von +2, STd verstellt wurden, was eine Tendenz zur Kompensation des Ausfalls des ersten Kanals darstellt.

Man erkennt somit, daß die Einrichtung gemäß F i g. 2 auf Grund der geschilderten Wirkungsweise bei Ausfall eines einzelnen Kanals eine Tendenz zu selbstkorrigierendem Verhalten zeigt.

Die Linear-Stellantriebe 5, 15 und 25 können je einen Elektromotor, der eine Spindel oder einen Zahnstangentrieb betätigt, aufweisen. Gegebenenfalls können auch Drehstellantriebe unter entsprechender Anpassung des Mittelungsmechanismus und der Rückführungsgeber verwendet werden. (

Die Geber 7, 17, 27, 8, 18 und 28 können als Drehgeber ausgebildet sein; die Geber 7,17, 27, 8,18 und 28 können auch in Form von Differentialtransformatoren vom linearen veränderlichen Typ ausgebildet sein, wobei die Eingangsgröße für jeden derartigen Übertrager eine Linearverschiebung eines Eingangskolbens sein kann.

Eine Abwandlungsmöglichkeit der in F i g. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß nur ein Eingangssignalgeber (beispielsweise der Geber 1) verwendet wird, dessen Ausgangsgröße ein einziges elektrisches Eingangssignal darstellt, das jeder der Subtraktionsvorrichtungen 2, 12 und 22 zugeführt wird. Die Anordnung gemäß F i g. 2 ist jedoch vorzuziehen.

Eine weitere Abwandlungsmöglichkeit der in F i g. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß nur einer von den Gebern 8,18 und 28 vorgesehen ist, dessen Ausgangsgröße ein einziges zweites Rückführsignal darstellt, das jeder der Additionsvorrichtungen 9, 19 und 29 zugeführt wird. Auch hier ist jedoch die Anordnung gemäß F i g. 2 vorzuziehen.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Einrichtung in F i g. 2 auch dadurch abgewandelt werden, daß man

mehr als drei (jedoch nicht weniger als drei) Kanäle vorsieht. In einem derartigen Fall wird eine geeignet abgewandelte Ausführung des Mittelungsmechanismus erforderlich; im übrigen kann die Anordnung jedoch der in F i g. 2 entsprechen. Bezüglich der Auslegung der Stellantriebe und des Mittelungsmechanismus gilt dabei beim Übergang zu mehr als drei Kanälen folgendes:

Wie oben im einzelnen erläutert, kann bei der Dreikanal-Einrichtung gemäß F i g. 2 ein Verlust an »Autorität« des Gestängearms 34 (beim Ausfall eines der drei Kanäle) dadurch vermieden werden, daß man für die Arme 6, 16 und 26 eine Verstellbarkeit innerhalb eines sich wenigstens von — 3d bis -{-3d erstreckenden Bereichs vorsieht, wenn sich der normale Arbeitsbereich der Gestängearme von — d bis +d erstreckt. Es läßt sich zeigen, daß in dem verallgemeinerten Fall, wenn m die Anzahl der verwendeten Kanäle ist, eine Einbuße an »Autorität« des Gestängearms 34 (beim Ausfall eines der Kanäle) dadurch vermieden werden kann, daß man für die Gestängearme 6, 16, 26, ... eine erweiterte Verstellbarkeit innerhalb eines sich wenigstens von —md\{m — 2) bis -{-md\{m — 2) erstreckenden Bereichs vorsieht, wobei wiederum der normale Arbeitsbereich der Gestängearme sich von —d bis +d erstreckt. Entsprechende Überlegungen gelten für den Fall, wo Dreh-Stellantriebe an Stelle der linear wirkenden Stellantriebe 5, 15 und 25 verwendet werden.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Redundante elektrische Signalübertragungseinrichtung für Steuer- oder Regelkreise, mit mehreren aus Sicherheitsgründen parallelgeschalteten gleichberechtigten Übertragungskanälen, die je einen Stellantrieb zur Erzeugung einer mechanischen Ausgangsgröße enthalten, welche über einen Stellunggeber als elektrisches Rückführsignal in Gegenkopplung auf den Eingang des Kanals zurückgeführt ist, und deren mechanische Ausgangsgrößen einem Mittelungsmechanismus zur Erzeugung einer mechanischen Gesamtausgangsgröße zugeführt sind, unter Verwendung von mindestens drei Kanälen, dadurch gekennzeichnet, daß von der mechanischen Gesamtausgangsgröße (34) ein zweites elektrisches Rückführsignal (F₄, F₅, F₆) abgeleitet ist, das zusammen mit dem jeweiligen ersten Rückführsignal (F₇, F₈, F₉) auf den Eingang (2, 12, 22) des betreffenden Kanals zurückgeführt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der Kanäle je ein gesonderter, auf die Gesamtausgangsgröße (34) ansprechender Stellunggeber (8, 18, 28, F i g. 2) zur Erzeugung des zweiten elektrischen Rückführsignals (F₄, F₅, F₆) für den betreff enden Kanal vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal eine Subtraktionsvorrichtung (2, 12, 22) zur subtraktiven Kombination der Rückführsignale (F₄, F₇; F₅, F₈; F₆, F₉) mit dem Eingangssignal (F₁, F₂, F₃) des betreffenden Kanals sowie einen Verstärker (4, 14, 24) mit hohem Verstärkungsgrad aufweist, derart, daß für jeden Kanal die mechanische Ausgangsgröße (6,16, 26) eine im wesentlichen lineare Funktion des elektrischen Eingangssignals (F₁, F₂, F₃) ist.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische und mechanische Auslegung so getroffen ist, daß für jeden Kanal jeweils die Bedingung

^^- (in ¹V₀)S; z,

und vorzugsweise nur geringfügig größer als z, erfüllt ist, worin χ (beispielsweise in V/cm) der Betrag der Änderung der jeweiligen ersten Rückführsignale (F₇, F₈, F₉) für die Einheit der Änderung der entsprechenden mechanischen Ausgangsgröße (6,16, 26) und y (beispielsweise in V/cm) der Betrag der Änderung der jeweiligen zweiten Rückführsignale (F₄, F₅, F₆) für die Einheit der Änderung der resultierenden mechanischen Ausgangsgröße (34), ζ die maximale prozentuale Differenz, die zwischen den elektrischen Eingangssignalen (F_x, F₂, F₃) der Kanäle auftreten kann, bedeuten.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungsgeber (7, 17, 27) zur Erzeugung der ersten Rückführsignale (F₇, F₈, F₉) und die Stellungsgeber (8, 18, 28) zur Erzeugung der zweiten Rückführsignale (F₄, F₅, F₆) im wesentlichen gleichartig ausgebildet sind und jeder Kanal in seinem Rückführkreis je eine gesonderte Signalreduzierungsvorrichtung (10, 20, 30), vorzugsweise einen Spannungsteiler, zur Einstellung des Verhältnisses zwischen dem ersten und zweiten Rückführsignal aufweist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Kanal bei einem normalen Stellbereich der jeweiligen mechanischen Ausgangsgröße (6, 16, 26) von —d bis +d für einen vorgegebenen maximalen Änderungsbereich des elektrischen Eingangssignals (F₁, F₂, F₃) der zulässige maximale mechanische Verstellbereich der mechanischen Ausgangsgröße sich wenigstens von —md\ (m — 2) bis +mdl(m — 2) erstreckt, worin m die Anzahl der vorhandenen Kanäle bedeutet.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß drei Kanäle vorgesehen^ sind und der zulässige maximale mechanische Änderungsbereich der mechanischen Ausgangsgröße (6, 16, 26) jedes Kanals sich wenigstens von — 3d bis -\-3d erstreckt.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal einen gesonderten, auf den jeweiligen Betrag der betreffenden veränderlichen Größe bzw. Größen ansprechenden Geber (1, 11, 21) aufweist, der das elektrische Eingangssignal für den betreffenden Kanal erzeugt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen