DE2332735A1

DE2332735A1 - Steuereinrichtung fuer ein einstellbares element

Info

Publication number: DE2332735A1
Application number: DE19732332735
Authority: DE
Inventors: Thomas William Lake
Original assignee: Sperry Rand Ltd
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1972-06-28
Filing date: 1973-06-27
Publication date: 1974-01-10
Also published as: FR2191170B1; GB1428126A; DE2332735C2; FR2191170A1

Description

Patentanwälte 27· Juni 1975

Dipl.!ng.C-^Wallach Dipl. ln$l· G. Koch

Dr. T. Halbach ^ 295

München 2 Ktufln|ir«tr.l,Ttl.24O278 2332735

3perry Rand Limited London / England

Steuereinrichtung für ein eineteilbares

Element

Die Erfindung bezieht eich auf Steuereinrichtungen unter Verwendung von modulierten Impulssteuersignalen und insbesondere« jedoch nicht ausschließlich, auf ein hydraulisches oder pneumatisches Stellungssteuer-Servosystem, bei dem ein Ausgangeelement oder ein einstellbares Element durch ein schaltendes hydraulisches oder pneumatisches Ventil angesteuert wird, das in der pulelüngenmodulierten-(PLM-) Betriebsart arbeitet. Jede darauf folgende Bezugnahme auf hydraulische Systeme soll so verstanden werden, daß sie pneumatische System· einschließt.

Bei pulslängenmodulierten hydraulischen Systemen wird ein hydraulisches Betätigungselement üblicherweise durch ein Ventil gesteuert, das kontinuierlich angesteuert wird, damit alch ein Vorwärts- oder RUckwKrtsfluS eines hydraulischen Strömungsmittel* an das Betätigungselement ergibt, wobei der GesamtfluO durch die Dauer des Flusses in der Vorwärtsrichtung gegenüber der Dauer des Flusses in der RUckwärtariohtung bestimmt ist. Da« Ventil ar-

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beitet in Abhängigkeit von einem impulelängenmodulierten Steuersignal» das den mit dem Ventil verbundenen elektromagnetischen Spulen zugeführt wird. Das Steuersignal wird von einem Servo-Fehlersignal, dae das Impulstastverhältnis des Steuersignals bestimmt, und einem modulierenden Signal abgeleitet. Das Fehiersignal kann entweder mit einem Signal gemischt werden, das eine dreieckige Schwingungsform aufweist und das von einem Multivibrator- /Dreieckwellengenerator abgeleitet ist, oder es kann in dem Multivibrator selbst in einem ähnlichen Verfahren gemiscnt werden, wobei jedoch die dreieckförmige Schwingungeform durch zwei getrennte Sägezahnechwlngungsforuen ersetzt ist, so daß wiederum das Impulstaetverhältnis des Steuersignals durch den Pegel des Fehlersignale bestimmt wird. Im ersten Fall ist die Schaltfrequenz unabhängig von dem Pegel des Fehlersignals, während sie im zweiten Fall im wesentlichen konstant ist,

Ss hat sich bei bekannten Steuereinrichtungen herausgestellt, daß niederfrequente Abweichungen und fluktuierende Verzerrungen der Schwingungeform des Steuersignals, die eine unregelmäßige Bewegung des hydraulischen Betätigungselementes (das beispielsweise ein Stößel sein kann) ergeben, aufgrund der überlagerung des Fehlersignals und des modulierendem Signalee auftreten können· Der Grund fUr diese Überlagerung besteht darin, daß, obwohl das Fehlersignal und das modulierende Signal linear gemischt oder addiert werden, die Umwandlung in ein impuls förmiges Steuersignal lediglich von dem Vorzeichen abhängt, so daß die Summe der gemiechten oder addierten Signale nicht linear ist. Obwohl dieser AnderungsVorgang für ein konstantes Fehlersignal bei der Erzeugung eines Impulstastverhältnisses des Steuersignals, das proportio-

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nal zum Pegel des Fohlersignal ist, befriedigende Ergebnisse ergibt, ist dies nicht der Fall, wenn ein fluktuierendes oder eich änderndes Fehlersignal vorherrecht, weil das resultierende Steuersignal Komponenten von Frequenzen enthält, die eine Funktion der Frequenzen des Fehlersignals und des modulierenden Signale sind, jedoch von dieβam abweichen. Insbesondere können sehr niedrige Frequenzen erzeugt werden, wenn die Frequenz des Fehlersignala und des modulierenden Signals derart sind, daß sie in bezug aufeinander über eine Periode gleichphasig werden und wieder einen Phssenunterschied aufweisen, der länger ist als die Periode beider Signale. In eine« Servosystem mit geschlossener Schleife bewirtet die integrierende Wirkung des Flusses des hydraulischen Strömungsmittels zur Einstellung dea Betätigun^selementes. daß das Sy3tem versucht, das Impulstastverhältnis durch das Fehlersignal Über ein RUckführungasignal von dam Be-, tätigungselement auszugleichen, hierdurch wird das System jedoch gezwungen, dem falschen Bezugswert zu folgen, der in der Einrichtung erzeugt wird und zum Mischen des Fehlereignale mit dem modulierenden Signal dient₀

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Steuervorrichtung für ein einstellbares Element urafaßt Steuersignal-Erzeugungseinrichtungen, die ein impulsförmiges Steuersignal zur Steuerung der Stellung des Elementes erzeugen, Einrichtungen zur Ableitung eines RückfUhrungesignale, das auf die tatsächliche Stellung des Elementes bezogen ist, Einrichtungen zur Erzeugung eines Fehlersignaies aufgrund des Unterschiedes zwischen dem Rückführungseigne 1 und einem Eingangs-Befehlssignal, und Integrationseinrichtungen zur Integration des Steuersignals sit dem Pehlersignal zur Erzeugung eines Korrektureignais, das

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ale ·±η Eingang den Steuersignal-Erseugungaeinrichtungen zugeführt wird.

Auf diese Weise wird das Steuersignal kontinuierlich überwacht und mit dem Fehlersignal verglichen, wobei das Steuersignal korrigiert ist, um sicherzustellen» daß es immer dem Fehlersignal entspricht.

Zweckmäßi&erweise umfassen die Integrationseinrichtungen einen integrierenden Verstärker, dem das Steuersignal und das Fehlersignal als Eingänge zugeführt warden» und irgendein Unterschied zwischen diesen Signalen bewirkt, daß der Verstärker einen Ausgang erzeugt» der den Steuersignal-Erzeugungsoinrichtungen derart zugeführt wird» daß das Steuersignal korrigiert wird, und daß sichergestellt wird» daß das Integral des Steuersignals exakt an das Integral des Fehlersignals angepaßt ist» so daß die Wirkungen von niederfrequenten Abweichungen und SteuersignalVerzerrungen vermieden werden.

In einer alternativen Anordnung kann das Fehlersignal einer Multivibratorschleife zugeführt werden, die einen integrierenden Verstärker einschließt, der den doppelten Zweck des Vergleichs und der Anpassung dee Steuersignals und des Fehlersignals erfüllt und die Integrationseinrichtung bildet, die das Korrektursignal erzeugt und auflerden .ils Integrationseinrichtung; in der Multivibretorachleif© wirkt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei In der Zeichnung dargestellten Auaftihrungsformen der Erfindung noch näher erläutert, die für- ein impulslMngenmoduliertes hydraulisches System bestimmt sind,

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In der Zeichnung: zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der ersten Ausführungsform,

Fig. 2 ein schematischea Schaltbild der zweiten Ausführungsform.

Das in Fig. 1 gezeigte impulslängenmodulierte hy~ draulische System umfaßt ein elektrohydraulischee Ventil 1, das die Strömurg eines hydraulischen Strömungsmittelβ an eine Betätigungseinrichtung 2 steuert, die ein Ausgangeelement oder einstellbares Element 3 aufweist« Das Ventil 1 wird kontinuierlich abwechselnd zwischen zwei Stellungen umgeschaltet, die der Vorwärts- und Rückwärtsströnung des Strötiungsrnittels entsprechen, und zwar mit Hilfe eines impulelHngenmodulierten Steuereignais, das an einer Leitung h an (nicht gezeigte) elektromagnetische Spulen geführt wird, die einen Teil des Ventils bilden, wobei der Gesamtfluß durch die Dauer der Strömung in der Vorwärtsrichtung gegenüber der Dauer der Strömung in der KUckwärtsrj.cht^ng bestimmt ist«

Das Steuersignal wird von einer Steuereinrichtung gemäß der Erfindung geliefert, wobei die Einrichtung Steuersignal-Brzeugungseinrichtungen in Fora eines Vergleichers 5, Potentiometerelemente 6, die mit dem Ausgangselement 3 verbunden sind und ein Rückführungeeignal an einer Leitung ',' liefern, das auf die tatsächliche Stel· lung des Ausgaageeleaentea bezogen ist, einen Fehlerverstärkar 8, dem ali. Eingang das RückfUlirungssignal ein der Leitung 7 und ein £ingan£sbefehlsi)ignal an einer Leitung 9 zugeführt wird, das auf die gewünschte Stellung 4«s

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BAD ORIGINAL

Ausgangs«l ententes 3 bezogen i»t, und Integra ti onseinrichtungen in Form eines integrierende« Verstärker« 11 umfaßt.. Der Fehl erver stärker 8 erzeugt ein Ausgangssi·- gnmX an einer Leitung 12, das auf den Unterschied zwischen dem Ruckführungesignal und dem Eingangsbefehlssignal bezogen ist, wobei dieses Ausgangssignal als Fehlersignal bezeichnet wird und eine funktion des Unterschiede« zwischen der gewünschten Stellung und der tatsächlichen Stellung des Ausgange el eaient es 3 ist. Der Vergleicher weist drei Eingänge auf» nämlich das an der Leitung 12 von dem Fehlervera tärk ei' 8 zugeführte Fehlersignal« ein -jio du Ii or ende 3 Signal mit einer dreieckigen Schwinguni.eform» das an einer Leitung 13 zugeführt wird, und ein Korrektursignal, da& en einer Ausgangsleitung des integrierenden Verstärkers 11 zugeführt wird. Dan Korrekturaignal wird von dem integrierenden Verstärker 11 von dem Fehlersignal, das von dem Fehlervei-stärker S erzeugt und Über eine Leitung 15 zugeführt wird, und dem Steuersignal abgeleitet, das von de si Vorgleicher 5 erzeugt und Über eine Leitung i6 zugeführt wird· Oaa Steuersignal wird dem Ventil 1 von dom Vergleicher 5 über •in· Ausgangsstuf· 17 eines Verstärkers augeführto

Somit wird das Steuersignal kontinuierlich Überwacht und mit de» Fshlersignal integriert_r um «in korrigiertes Steuersignal su erz*u£*n, wobei niederfrequente Abweichungen oder Scfrwingungeforia-Veriserrunfc^ii, di· in d«m Steuersignal auftreten körinexi, kompensiert sind, ^wobei sich diese Abweichungen und Verzerrungen au« Überlagerungen des von avtsa Fehlerveratärker 8 &n cl^r Leitung erzeugten Fehler signal» ml t dem modulie rend«n Sifnial an d«r Leitung 13 erhoben können,, Auf diaae ¥»i.»e wird dee Steuersignal modifiziert oder korrigiert, uds »ichtrzu-

BAD ORIGINAL

stellen, daß des Integral dieses Steuersignale genau an das Integral dea Fehl eral gnu λα angepaßt ist, so daß di· Frequenz des Steuersignals im wesentlichen konstant ist, und zwar unabhängig von dem Pegel des Fehlersignals· Vie es bereits ausgeführt wurde, ist das Steuersignal impulsförtaig, und dieses Steuersignal wird von deaa dreieckigen Schwingungsfcrmeingang an der Laitung 13 und dem Fehlereignal abgeleitet.

Das 1» Fig. 2 dargestellte hydraulische System ist dem System nach Fig. 1 insoweit ähnlich, als das elektrohydraulische Ventil 1 die Strömung des hydraulischen Strömungsmittel» an die Betätigungseinrichtung 2 mit dem Ausgangselement oder dem einatellbaren Element J steuert, Ebenso wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig„ 1 liefert ein Potentiometerelement 6 ein EUckführungssignal an der Leitung 7» das auf die tatsächliche Stellung des Ausgangselemente« 3 bezogen ist, wobex dieses Signal dem Fehlerverstärker 8 zuceftfhrt wird, dem außerdem das Eingangsbefahlasignol an der Leitung 9 zugeführt wird, um das Fehlersignal zu erzeugen» Diο Steuereinrichtung umfaßt außtrdem «inen integrierenden Verstärker 11, der da· FebJLeraignal mit dem Steuersignal integriert. In dem Ausführungsbeispifel nach F.-'.g, 2 weicht die Steuereignol-•rsaugungseinrichtiing jedoch von dem Vergleiche!' 5 nach FIg, 1 dahingehend ab, daß άα& Steuersignal mit Hilfe eine:- Flip-Flop'-Schaltung 18 gewonnen wird, die zusammen mit dem integrierenden Vpr>>t-£rker 11 eino Multivibr*- tor-Sohleif<3 bildet, Das an eier Auugengeleitung 19 deo integrierenden Veretiirkei-'B 11 erzeugte Korrektur signal wird der Flip-J'j op-Schaltun^ 18 r.ugeführt, die ttie diedas impul sütriiieaHiodul i.orte Steuei'signal erzeugt«

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Diese· Steuersignal wird wie vorher der Veretärkerausgangastufe 17 und dann dem Ventil 1 und außerdem dem integrierenden Verstärker 11 auf einer Leitung 21 zugeführt. Somit dient der integrierende Verstärker 11 in diesem Ausführungebeispiel zum Vergleich des Steuernignala mit dem Fehlersignal, worauf eine Integration irgendeines Unterschiedes zwischen diesen Signaion zur Erzeugung des Korrektursignals folgt, und er wirkt gleichzeitig als Integrationseinrichtung in der MuItivibratorschleife.

Das Signal an der Leitung 19 enthält nicht nur den Korrekturfaktor für das Steuersignal, sondern außerdem eine modulierende Komponente in Form einer schwingenden Wellenform. Wenn die letztere beispielsweise einen positiven Spitzenwert erreicht, wird die Flip-Flop-Schaltung 18 geschaltet, wobei das Steuersignal umgekehrt wird, was wiederum bewirkt, daß der Integrierende Verstärker 11 in der umgekehrten Richtung integriert. Wenn der sich dadurch ergebende negative Spitzenwert der Wellenform erreicht ist, wird die Flip-Flop-Schaltung 18 wieder geschaltet, wodurch das impulsform!ge Steuersignal erzeugt wird, das entsprechend dem Fehleraignal moduliert ist·

Bei dieser Anordnung verringert sich die Modulations· frequenz mit anwachsendem Fehlersignalpegel, und hierdurch ergibt sich ein wichtiger Vorteil. Bei bekannten Steuereinrichtungen, bei denen die Modulationsfrequenz festgelegt ist, können die positiven oder negativen Impulse verschwindend kurz werden, wenn das Fehlersignal in Richtung auf eine lOOprozentige oder nullproasentige Impulstastverhältnis-Modulation anwächst. Für sehr kurze

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BAD ORfQfNAL

Impulse kann das Ventil nicht mehr ansprechen, insbeaondere im Fall einer hohen Schaltfrequenz. Bei dem Ausftthrungsbeispiel nach Pig. 2 iat jedoch für einen Signalpegel, der «ich beispielsweise einem Wert für eine lOOprozentige Impulstaatverhältnie Modulation nähert» die Dauer der Iepuisabstände halb so groß wie bei der Bezugs(Null-Fehlersignal")Frequenz, was bedeutet, daß die Iapulsdauer nicht unter ein Viertel der Periodendauer des Schaltens bei einem Null-Signalpegel fallen kann.

In dem ÄusfUhrungabelepiel nach Fig. 2 ergibt aich eine Begrenzung an dem integrierenden Verstärker 11 gerade oberhalb aeinea normalen maximalen Ausgangasignalpegela bei der Modulation und wenn ein Befehl für eine ■ehr »la lOOprozentige Modulation zulässig iat. Die Verstärkung dea Fehlerveratärkera S ist so gewählt, daß sich für niederfrequente Eingänge (d> h. innerhalb der Servobandbreite) ein guter Kachlauf ergibt, wobei der Fehler klein ist. Die Verstärkung soll jedoch nicht ao hoch gewählt werden, daß eine Eigenschwingung möglich iat. Bei hohen Frequenzen steigt das Fehlersignal an, und für eine ausreichende Grtße des Einganges gibt der Verstärker einen Befehl für eine sehr als lOOprozentige Modulation ab. Hierdurch wird die Modulstionsschaltung auf das Eingangsbefehlssignal aufgeachaltet und «ine Abweichung beseitigt. Venn das Eingangssignal bei diesen hohen Frequenzen einen derartig niedrigen Wert aufweist, daß keine lOOprozentige Modulation benötigt wird, kann sieh eine geringe Restabweichung der Betätigungseinrichtung 2 aufegrund der Tatsache ergeben, daß der Anstieg der Bewegung der Betätiglangeeinrichtung nicht genau proportio-

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nal cur Fläche des Xrapulees ist, der diese Bewegung hervorruft, doch diese Restabweichung ist klein, insbesondere dann, wenn die Modulationsfrequenz niedrig genug gewählt ist, damit eichergestellt ist, daß selbst bei minimaler Impulslänge ein voller Hub des (nicht gezeigten) Ventilelementes des Ventile 1 erfolgt.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Steuereinrichtung ist es abglich, verglichen üiit linearen Ventilen relativ billige impulslängenmodulierte hydraulische Ventile bei Anwendungen su verwenden, für die bisher ein lineares Ventil verwendet werden nußte. Das Ventil kann einstufig oder zveistufig sein, obwohl zusätzliche Stabilisierungsiietzwerke normalerweise in Verbindung mit diesen letzteren erforderlich sind.

Patentans prücheι

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BAD ORIGfNAU

Claims

Patentansprüche

Γ 1.) Steuereinrichtung für ein einstellbares Element, gekennzeichnet durch Steuersignalerzeugungeeinrichtungen (5, 18) zur Erzeugung eines impulsföraigen Steuersignals zur Steuerung der Stellung des Elementes (3), Einrichtungen ((S) zur Ableitung eines auf die tatsächliche Stellung des Elementes (3) bezogenen Rückführung·· signal β, Einrichtungen (8) zur Erzeugung ei» nes Fehlersignale aus dem Unterschied zwischen dem Rückführung* signal und einem Eingaiigobefehlssignel, und Integrationaeinrichtungsn (11) zur Integration des Steuersignals mit dem Fehlersignal zur Erzeugung eines Korrektursignals, das als ein Eingang den Steuereignalerzeugungseinrlchtungen (5» 18) zugeführt wird.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationseinrichtungen einen Integrierenden Verstärker (11) utafassen, dem dan Steuersignal und des Fehlersignal als Eingänge zugeführt werden, so da2 irgendein Unterschied zwischen diesen Signalen einen Auger *%s integrierenden Verstärkers (ii) hervorruft, der den teuerslgnalerzeugungseinriohtun-. gen (5, IS) derart zv eführt wird, daß das Steuersignal korrigiert 1st und sichergestellt ist, daß das Integral des Steuersignals an das Integral des Fehlereignale angepaßt ist.

3· Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daC die Signalerzaugungaeinrichtungen *ineu X^rgleicher (5) umfassen, dem als Eingänge das Feh·

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lersignal, das Korrektursignal und ein Modulationssignal zugeführt werden, und daß das Steuersignal impulelängenmoduliert iet.

km Steuereinrichtung nach Anspruch 3 t dadurch gekennzeichnet, daß das Hodulationssignal eine dreieckför« mige Schwingungaform aufweist.

5· Ste lereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal einer MuItivibratorschleife (11, 18) zugeführt ist, die einen integrierenden Verstärker (11) einschließt, der gleichzeitig das Steuersignal und das Fehlesignal vergleicht und anpaßt und die das Korrektursignal erzeugende Integrationseinrichtung bildet und der außerdem als integrierendes Element in der MuItivibratorschleife (11, 18) dient.

6. Steuereinrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Multivibratorschleife (11, 18) weiterhin eine Flip-Flop-Schaltung (18) einschließt, der das Korrektursignal zugeführt wird, um ein impuls«· längenmoduliertes Steuersignal rsv erzeugen.

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BAD ORIGINAL

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