DE1588686C - Elektronischer Regler mit nichtlinearer Ubertragungscharakte risük - Google Patents

Description

20 ist und daß der zweite Eingang des Multiplizierkreises einen zweiten Addierverstärker (162) aufweist, auf dessen einen Eingang die zweite Ausgangsgröße ~(z) und auf dessen anderen Eingang ein Sägezahnsignal mit einer Frequenz aufgebracht wird, die gegenüber der Frequenz der beiden Ausgangsgrößen (y, z) hoch ist, und der über eine Kippstufe (18) die beiden Tore derart ansteuert, daß der Ausgang dieses Multiplizierkreises Impulse abgibt, die nach Durchlaufen eines Mittelwertbildners (20) ein Signal (|j>| · z) liefern (Fig. 2).

3. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelgeschalteten übertragungsglieder (2, 4 und 3) ihrerseits aus weiteren parallelgeschalteten Übertragungsgliedern bestehen.

4. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zur Anwendung bei einer Kurssteuerung für Flugzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß das erste übertragungsglied die übertragungsfunktion

als Stellgröße 03) zugeführt ist.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingang des Multipizierkreises zwei parallel auf den Eingang eines ersten Addierverstärkers (163) geschaltete komplementäre Tore (11, 14) aufweist, von denen eines unmittelbar mit dem Absolutwert (|y|) der ersten Ausgangsgröße und das andere (11) mittelbar über einen Phasenumkehr-Verstärker (161) mit deren negativem Absolutwert (—\y\) angesteuert

und das zweite übertragungsglied die übertragungsfunktion

ζ = Δψ{1 + T₂s)

haben, wobei Δ ψ die Kursabweichung, s das Differenziersymbol -j—, T₁, T₂ Zeitkonstanten und λ den Verstärkungsfaktor bedeutet.

. Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Regler mit nichtlinearer übertragungscharakteristik, bei dem die Regelabweichung der Parallelschaltung zweier übertragungsglieder zugeführt ist.

Wenn die Ausgangsgröße oder Stellgröße β eines Reglers von einem Produkt mehrerer Ubertragungsfunktionen, der Führungsvariablen oder Regelabweichung α abhängt, hat man den Vorteil guter Anpassungsfähigkeit und Betriebssicherheit, wie sie z. B. von einer Kurssteuerung verlangt und durch diese Vielfachfunktion geboten werden, aber andererseits reagiert die Stellgröße β empfindlich auf eine instabile Veränderung der statischen Gleichgewichtsbedingungen des zu steuernden Gerätes, und zwar infolge der nichtlinearen kumulativen Eigenschaften der Produktfunktion.

Bei einem linearen Regler hat man den Vorteil eines ausgewogenen statischen Gleichgewichtes, dagegen ist man den Phasen-Amplituden-Beziehungen linearer Regelsysteme (Bodesches Gesetz) unterworfen, die die Wirksamkeit des Stellsignals und die Stabilitätsbereiche einschränken.

Es ist bereits ein elektronischer Regler mit nichtlinearer übertragungscharakteristik bekannt, bei dem die Regelabweichung bzw. ein dieser proportionales elektrisches Signal der Parallelschaltung zweier übertragungsglieder zugeführt wird, die untereinander verschiedene Charakteristiken aufweisen (USA.-Patentschrift 3 241077). Dieser Regler hat die Aufgabe, Eigenschwingungen. der Regelstrecke, beispielsweise eines Luft- oder Raumfahrzeuges, die im Bereich der Arbeitsfrequenz des Regelkreises liegen, zu unterdrücken. Hierzu besitzt der Regler ein erstes, als einfacher Vorwärtspfad ausgebildetes übertragungsglied sowie ein zweites übertragungsglied, das als Bandpaßverstärker mit automatischem Frequenzabgleich arbeitet. Das zweite übertragungsglied erzeugt

-· ein Minussignal mit der Frequenz, bei der das Eingangssignal ein Amplitudenmaximum aufweist, und mit der Amplitude des Maximums. Das Signal des zweiten Ubertragungsgliedes wird an einem Summierer' vom Signal des ersten Übertragungsgliedes abgezogen, so daß der Regler wie ein selbstanpassendes Bandsperrfilter für diejenige variable Frequenz arbeitet, bei der die Amplitude der Regelabweichung durch Resonanz ein Maximum erreicht.

Gegenüber diesem Regler stellt sich die Erfindung die andersgeartete Aufgabe, im Regler zwei parallele übertragungsglieder vorzusehen, die jeweils für sich die Verstärkung und die Phase des Regelabweichungssignals beeinflussen.

Diese Aufgabe wird bei einem Regler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das" eine übertragungsglied aus der Serienschaltung eines ersten linearen Ubertragungsgliedes und eines Abs'olutwertbildners besteht und der Verstärkung zugeordnet ist, daß das zweite übertragungsglied gleichfalls lineares übertragungsverhalten besitzt und

' der Phase der Regelabweichung (α) zugeordnet ist

und daß ferner die Ausgangsgrößen (IyI, z) der über-

tragungsglieder auf einen Multiplizierkreis geschaltet sind, dessen Ausgangsgröße (|>>|, z) einem Radizierkreis mit dem Ausgangssignal

als Stellgröße (ß) zugeführt ist.

Die Erfindung liefert einen Regler, der die Vorteile der beiden obenerwähnten Regelmethoden vereint und zugleich ihre Nachteile ausschließt: er ist nahezu linear, gestattet die Einführung einer beliebigen Anzahl von Ubertragungsfunktionen der Führungsvariablen oder Regelabweichung am Reglereingang und ist nicht der einschränkenden gesetzmäßigen Abhängigkeit zwi- ,₅ sehen Phase und Amplitude (Verstärkungsfaktor) unterworfen; er reagiert daher wenig empfindlich auf eine Veränderung der statischen Gleichgewichtsbedingungen des zu regelnden Systems und namentlich auf Änderungen des Ubertragungsverhaltens der einzelnen Organe dieses Systems, der Regler eignet sich daher besonders vorteilhaft zur Anwendung bei einer Kurssteuerung Tür Flugzeuge.

In Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Eingang des Multiplizierkreises zwei parallel auf den Eingang eines ersten Addierverstärkers geschaltete komplementäre Tore auf, von denen eines unmittelbar mit dem Absolutwert (|j>|) der ersten Ausgangsgröße und das andere mittelbar über einen Phasenumkehr-Verstärker mit derem negativem Absolutwert angesteuert ist. Der zweite Eingang des Multiplizierkreises weist einen zweiten Addierverstärker auf, auf dessen Eingang die zweite Ausgangsgröße (z) und auf dessen anderen Eingang ein Sägezahnsignal mit einer Frequenz aufgebracht wird, die gegenüber der Frequenz der beiden Ausgangsgrößen {y, z) hoch ist, und der über eine Kippstufe die beiden Tore derart ansteuert, daß der Ausgang dieses Multiplizierkreises Impulse abgibt, die nach Durchlaufen eines Mittelwertbildners ein Signal (\y\ · z) liefern.

Dabei können die parallelgeschalteten übertragungsglieder ihrerseits aus weiteren parallelgeschalteten Übertragungsgliedern bestehen.

Speziell schlägt die Erfindung einen Regler zur Anwendung bei einer Kurssteuerung für Flugzeuge vor, bei dem das erste übertragungsglied die übertragungsfunktion

und das zweite übertragungsglied die übertragungsfunktion

Z = /Iy)(I + T₂S)

haben, wobei I y die Kursabweichung, s das Differenziersymbol -Jj-, T₁, T₂ Zeitkonstanten und λ den Verstärkungsfaktor bedeutet.

Ein erfindungsgemäßer Regler löst in seiner allgemeinsten Form folgende Grundgleichung:

β =

I/I

-sign 2.

₆₅ Man erkennt, daß die Multiplikation von α mit einer Konstanten μ eine Multiplikation von β mit der gleichen Zahl μ mit sich bringt, was die Bezeichnung nahezu linear rechtfertigt; das Vorzeichen von β wird hier durch das Vorzeichen von ζ gebildet.

In der folgenden Beschreibung, die sich auf die Zeichnung bezieht, wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel eines Reglers für eine Kurssteuerung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einem Blockschaltbild eine Einrichtung zur Kurssteuerung eines Flugzeuges und den hierfür benutzten erfindungsgemäßen Regler,

Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild eines Multiplizierkreises des in F i g. 1 dargestellten Reglers.

In Fig. 1 ist als Blockschaltbild eine Einrichtung zur Kurssteuerung eines Flugzeuges dargestellt, die zwei Ubertragungsfunktionen y und ζ benutzt. In diesem Fall entspricht die Kursabweichung I ψ der Variablen « der oben angegebenen Grundgleichung, und β stellt die Stellgröße oder in Hinsicht auf das Flugzeug den Ruderausschlag dar.

y und ζ sind Ubertragungsfunktionen der Form

y =

λ·Αψ

ζ = Δ ψ · (1 + T₂s) ;

Hierin ist m = η + ο + ρ und χ = /, («), y = /₂(«), ^{2 =} fi(<^l)\f\*fi und/₃ sind lineare Funktionen von n.

in der üblichen Schreibweise der Operatorrechnung bezeichnen s das Differenziersymbol -■—, T₁ und T₂

Zeitkonstanten und /. den Verstärkungsfaktor. Wie man erkennt, werden ausgehend von der Kursabweichung I ν in den Übertragungsgliedern 2 und 3 Funktionen y und ζ gebildet, von denen 3; im wesentlichen von der Amplitude und ζ im wesentlichen von der Phase abhängt und y und ζ lineare Funktionen von 11/¹ sind.

Durch Bildung des Produktes |j>| · ζ erhält man eine nichtlineare übertragungsfunktion von . I ψ, und es genügt, aus diesem Produkt die Quadratwurzel zu ziehen, um eine zu 1 ψ proportionale Stellgröße β zu erhalten.

Das Flugzeug 9 liefert dem zentralen Kreiselgerät oder Kurskreisel 1 eine Kursabweichung /I ψ, die einerseits bei 2 eingeht, um am Ausgang die Ubertragungsgröße y zu erzeugen, und die andererseits bei 3 eingeht, um am Ausgang die Ubertragungsgröße ζ zu erzeugen.

Der Gleichrichter 4 liefert den Absolutwert \y\ oder »Modul« von y, und der Multiplizierkreis 5 überträgt das Produkt \y\ · \z\ auf den Radizierkreis 6, der die Quadratwurzel ]/\y\· \z\ zieht und diese Quadratwurzel mit dem Vorzeichen von ζ auf den Servosteuerungsblock 7 überträgt, der die Stellgröße β auf die Ruder 8 des Flugzeuges 9 aufbringt.

F i g. 2 stellt eine bevorzugte Ausführungsform des Multiplizierkreises in einem vereinfachten Schaltbild dar.

Der Verstärker 161 arbeitet als Phasenschieber. Man bringt so |>>| und - |>>| auf die Tore auf, die von den komplementären Chopper-Transistoren 11 und 14 gebildet werden, die mit dem Addierverstärker 163 verbunden sind. Ein Tor ist geöffnet, wenn der entsprechende Chopper-Transistor blockiert ist, und umgekehrt. Das öffnen und Schließen der Tore wird von der Kippstufe 18 gesteuert.

Am Eingang T wird ein Sägezahnsignal mit geeigneter Amplitude aufgebracht, das eine gegenüber den Frequenzen von y und ζ erhöhte Frequenz von z. B. 1000 Hz besitzt.

Der Addierverstärker und Phasenschieber 162 bildet (— T — z). Am Ausgang der Kippstufe 18 unterschieden sich die beiden aufeinanderfolgenden Impulse (die abwechselnd positiv und negativ sind) um einen zu ζ proportionalen Betrag.

Man erhält so am Ausgang des Verstärkers 163 Impulse k ■ \y\, also mit zu|y\ proportionaler Amplitude, wobei die Breiten zweier aufeinanderfolgender Impulse (die abwechselnd positiv und negativ sind) sich um h · ζ unterscheiden; hierbei sind h und k konstante Faktoren. Die Fourier-Zerlegung dieses Signals liefert eine Beziehung folgender Form:

^ao

^cos

sin

Ein Mittelwertbildner 20 unterdrückt die Wechselstromkomponenten.

Eine einfache Rechnung zeigt, daß a_Q = C |j>| ζ ist, ίο wobei C ein konstanter Faktor ist. Daraus ergibt sich, daß man am Ausgang des Mittelwertbildners 20 das Produkt \y\z erhält, das durch die Differenz der Flächen zweier aufeinanderfolgender Impulse dargestellt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Γ588 Patentansprüche:

1. Elektronischer Regler mit nichtlinearer übertragungscharakteristik, bei dem die Regelabweichung der Parallelschaltung zweier übertragungsglieder zugeführt ist, dadurchgekennzeichnet, daß das eine übertragungsglied (2,4) aus der Serienschaltung eines ersten linearen Übertragungsgliedes (2) und eines Absolutwertbildners (4) besteht und der Verstärkung zugeordnet ist, daß das zweite übertragungsglied (3) gleichfalls lineares übertragungsverhalten besitzt und der Phase der Regelabweichung (α) zugeordnet ist und daß ferner die Ausgangsgrößen (|yj, z) der Ubertragungsglieder auf einen Multiplizierkreis (5) geschaltet sind, dessen Ausgangsgröße (\y j, z) einem Radizierkreis (6) mit dem Ausgangssignal