DE2332735C2

DE2332735C2 - Steuereinrichtung für ein einstellbares Element

Info

Publication number: DE2332735C2
Application number: DE19732332735
Authority: DE
Inventors: Thomas William Crowthorne Berkshire Lake
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1972-06-28
Filing date: 1973-06-27
Publication date: 1984-05-17
Also published as: GB1428126A; FR2191170A1; FR2191170B1; DE2332735A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für ein einstellbares Element mit einem impulslängenmodulierten Steuersignalgenerator zur Erzeugung eines impulsförmigep. Steuersignals zur Steuerung der Stellung des Elementes, mit Einrichtungen zur Ableitung eines auf die tatsächliche Stellung des Elementes bezogenen Istsignals und mit Einrichtungen zur Erzeugung eines Fehlersignals aus der Differenz zwischen dem Istsignal und einem Sollsignal.

Bei impulslängenmodulierten hydraulischen Systemen beispielsweise nach US 35 21 535 wird ein hydraulisches Betätigungselement üblicherweise durch ein Ventil gesteuert, das kontinuierlich angesteuert wird, damit sich ein Vorwärts- oder Rückwärtsfluß eines hydraulischen Strömungsmittels an das Betätigungselement ergibt, wobei der Gesamtfluß durch die Dauer des Flusses in der Vorwärtsrichtung gegenüber der Dauer des Flusses in der Rückwärtsrichtung bestimmt ist Das Ventil arbeitet in Abhängigkeit von einem impulslängenmodulierten Steuersignal, das den mit dem Ventil verbundenen elektromagnetischen Spulen zugeführt wird. Das Steuersignal wird von einem Fehlersignal, das das Impulstastverhältnis des Steuersignals bestimmt, und einem Modulationssignal abgeleitet. Das Pehlersignal 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 gemischt werden, wobei jedoch die dreieckförmige Schwingungsform durch zwei getrennte Sägezahnschwingungsformen ersetzt ist, so daß wiederum das Impulstastverhältnis des Steuersignals durch den Pegel des Fehlersignals bestimmt wird. Im ersten Fall ist die Schaltfrequenz unabhängig von dem Pegel des FehJersignals, während sie im zweiten Fall im wesentlichen konstant ist

Es hat sich bei solchen bekannten Steuereinrichtungen herausgestellt, daß niederfrequente Abweichungen und fluktuierende Verzerrungen der Schwingungsform des Steuersignals, die eine unregelmäßige Bewegung

ίο des hydraulischen Betätigungselementes (das beispielsweise ein Stößel sein kann) ergeben, aufgrund der Oberlagerung des Fehlersignals und des Modulationssignals auftreten können. Der Grund für diese Oberlagerung besteht darin, daß, obwohl das Fehlersignal und das mors dulierende Signal linar gemischt oder addiert werden, die Umwandlung in ein impulsförmiges Steuersignal lediglich von dem Vorzeichen abhängt, so daß die Summe der gemischten oder addierten Signale nicht linear ist Obwohl dieser Anderungsvorgang für ein konstantes Fehlersignal bei der Erzeugung eines Impulstastverhältnisses des Steuersignals, das proportional zum Pegel des Fehlersignals ist befriedigende Ergebnisse ergibt ist dies nicht der Fall, wenn ein sich änderndes Fehlersignal vorherrscht, weil das resultierende Steuersignal Komponenten von Frequenzen enthält, die eine Funktion der Frequenzen des Fehlersignals und des Modulationssignals sind, jedocrt von diesem abweichen. Insbesondere können sehr niedrige Frequenzen erzeugt werden, wenn die Frequenz des Fehlersignals und des Modulationssignals derart sind, daß sie in bezug aufeinander über eine Periode gleichphasig werden und wieder einen Phasenunterschied aufweisen, der länger ist als die Periode beider Signale. In einem Servosystem mit geschlossener Schleife bewirkt die integrierende Wirkung des Flusses des hydraulischen Strömungsmittels zur Einstellung des Betätigungselementes, daß das System versucht, das Impulstastverhältnis durch das Fehlersignal über das Istsignal von dem Betätigungselement auszugleichen, hierdurch wird ^-as System jedoch gezwungen, dem falschen Bezugswert zu folgen, der in der Einrichtung erzeugt wird und zum Mischen des Fehlersignals mit dem Modulationssignal dient

Es ist weiterhin aus US 35 82 750 eine Steuereinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der ein einstellbares Element von einem Elektromotor angetrieben wird, der über den Steuersignalgenerator mit Impulsen mit hoher Wiederholfrequenz und einer Polarität angesteuert wird, die von der Polarität eines Fehlersignals abhängt. Hierbei wird das Ausgangssignal eines Sägezahngenerators in einem Vergleicher einerseits mit dem Fehlersignal und andererseits mit dem Ausgangssignal eines Integrators verglichen, dessen Eingangssignal eine Funktion des Stromes durch den Motor ist. Schwebungsfrequenzen zwischen dem Fehlersignal und dem Sägezahnsignal können auch hier nicht vermieden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Steuersignal kontinuierlich mit dem Fehlersignal verglichen und damit überwacht wird, so daß das Steuersignal immer dem Fehlersignal entspricht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung erfolgt ein kontinuierlicher Vergleich des Steuersignals mit

dem Fehlersignal, wobei das Steuersignal korrigiert wird und damit immer dem Fehlersignal entspricht

Bei der ersten Ausführungsform werden dem Integrator in Form beispielsweise eines integrierenden Verstärkers das Steuersignal und das Fehlersignal als Eingänge zugeführt, und irgendein Unterschied zwischen diesen Signalen ruft ein Ausgangssignal des Integrators hervor, das dem Steuersignalgencratorwert zugeführt wird, daß das Steuersignal korrigiert wird, wobei sichergestellt ist, daß das Integral des Steuersignals exakt an das Integral des Fehlersignals angepaßt ist, so daß die Wirkungen von niederfrequenten Abweichungen und Steuersignalverzerrungen vermieden werden.

Bei einer zweiten Ausführungsform wird das Fehlersignal einer Multivibratorschleife zugeführt, die den Integrator einschließt. Dieser Integrator dient hierbei gleichzeitig zum Vergleich des Steuersignals mit dem Fehlersignal und als Integrator für die Multivibratorschleife.

Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung ermöglicht die Verwendung von impulslängenir-odulierten hydraulischen Ventilen bei Anwendungen, für die bisher kostspieligere lineare Ventile verwendet werden mußten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der ersten Ausführungsform der Steuereinrichtung,

F i g. 2 ein schematisches Schaltbild der zweiten Ausführungsform der Steuereinrichtung.

Das in Fig. 1 gezeigte impulslängenmodulierte hydraulische System umfaßt ein elektrohydraulisches Ventil 1, das die Strömung eines hydraulischen Strömungsmittels an eine Betätigungseinrichtung 2 steuert, die ein einstellbares Element 3 aufweist Das Ventil 1 wird kontinuierlich abwechselnd zwischen zwei Stellungen umgeschaltet die der Vorwärts- und Rückwärtsströmung des Strömungsmittels entsprechen, und zwar mit Hilfe eines impulslängenmodulierten Steuersignals, das an einer Leitung 4 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 Rückwärtsrichtung bestimmt ist

Das Steuersignal wird von einer Steuereinrichtung geliefert, die einen Steuersignalgenrrator in Form eines Vergleichers 5, ein Potentiometer 6, das mit dem einstellbaren Element 3 verbunden ist und ein Istsignal an einer Leitung 7 liefert, das auf die tatsächliche Stellung des Elementes bezöge? ist, einen Fehlerverstärker 8, dem als Eingang das Istsignal an der Leitung 7 und ein Sollsignal an einer Leitung 9 zugeführt wird, das auf die gewünschte Stellung des Elementes 3 bezogen ist, und einen Integrator in Form eines integrierenden Verstärkers 11 umfaßt. Dar Fehlerverstärker 8 erzeugt ein Fehlersignal an einer Leitung 12, das auf den Unterschied zwischen dem Istsignal und dem Sollsignal bezogen ist, wobei dieses Fehlersignal eine Funktion des Unterschiedes zwischen der gewünschten Stellung und der tatsächlichen Stellung des Elementes 3 ist. Der Vergleicher empfängt drei Eingangssignale, nämlich das an der Leitung 12 von dem Fehlerverstärker 8 zugeführte Fehlersignal, ein modulierendes Signal mit einer dreieckigen Schwingungsform, das an einer Leitung 13 zugeführt wird, und ein Korrektursignal, das an einer Ausgangsleitung 14 des integrierenden Verstärkers 11 zugeführt wird. Das Korrekt'irsignal wird von dem integrierenden Verstärker 11 von dem Fehlersignal, das von dem Fehlerverstärker 8 erzeugt und über eine Leitung 15 zugeführt wird, und dem Steuersignal abgeleitet, das von dem Yergleicher 5 erzeugt und über eine Leitung 16 zugeführt wird. Das Steuersignal wird dem Ventil 1 von dem Vergleicher 5 über eine Ausgangsstufe 17 eines Verstärkers zugeführt

Somit wird das Steuersignal kontinuierlich überwacht und mit dem Fehlersignal integriert um ein korrigiertes Steuersignal zu erzeugen, wobei niederfrequente Abweichungen oder Schwingungsform-Verzerrungen kompensiert sind, die in dem Steuersignal auftreten können und sich aus Überlagerungen des von dem Fehlerverstärker 8 an der Leitung 12 erzeugten Fehlersignals mit dem modulierenden Signal an der Leitung 13 ergeben können. Auf diese Weise wird das Steuersignal modifiziert oder korrigiert um sicherzustellen, daß das Integral dieses Steuersignals genau an das Integral des Fehlersignals angepaßt ist so daß' die Frequenz des Steuersignals im wesentlichen konstant ist und zwar unabhängig von dem Pegel des Fehlersignals. Wie es bereits ausgeführt wurde, ist das Steuersignal impulslängenmoduiiert und dieses Steuersigna.' wird aus dem Dreiecksignal an der Leitung 13 und dem Fehlersignal abgeleitet

Das in Fig.2 dargestellte hydraulische System ist dem System nach Fig. 1 insoweit ähnlich, als das elektrohydraulische Ventil 1 die Strömung des hydraulischen Strömungsmittels an die Betätigungseinrichtung 2 mit dem einstellbaren Element 3 steuert. Ebenso wie in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 liefert ein Potentiometer 6 ein Istsignal an der Leitung 7, das auf die tatsächliche Stellung des Elementes 3 bezogen ist, wobei dieses Signal dem Fehlerverstärker 8 zugeführt wird, dem außerdem das Sollsignal an der Leitung 9 zugeführt wird, um das Fehlersignal zu erzeugen. Die Steuereinrichtung umfaßt außerdem einen integrierenden Verstärker 11, der das Fehlersignal mit dem Steuersignal integriert In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 weicht der Steuersignalgenerator jedoch von dtm Vergleicher 5 nach F i g. 1 dahingehend ab, daß das Steuersignal mit Hilfe einer Flip-Flop-Schaltung 18 gewonnen wird, die zusammen mit dem integrierenden Verstärker 11 eine Multivibrator-Schleife bildet. Das an der Ausgangsleitung 19 des integrierenden Verstärkers 11 erzeugte Korrektursignal wird der Flip-Flop-Schaltung 18 zugeführt, die aus diesem Signal das impulslängenmodulierte Steuersignal erzeugt. Dieses Steuersignal wird wie vorher der Verstärkerausgangsstufe 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 Ausführungsbeispiel zum Vergleich des Steuersignals mit dem Fehlersignal, worauf eine Integration irgendeines Unterschiedes zwis;hei. diesen Signalen zur Erzeugung des Korrektursignals folgt, und er wirkt gleichzeitig als Integratiorseinrichtung 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 dis Steuersignal umgekehrt wird, was wiederum bewirkt, daß der integrierende Verstärker 11 in der umgekehrten Richtung integriert. Wem der sich dadurch ergebende negative Spitzenwert der Wellenform erreicht ist, wird die Flip-Flop-Schaltung 18 wieder geschaltet, wodurch das impulsförmige Steuersignal erzeugt wird, das entspre-

chend dem Fehlersignal moduliert ist.

Bei dieser Anordnung verringert sich die Modulationsfrequenz 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 nullprozentige Impulstastverhältnis-Modulation anwächst. Für sehr kurze Impulse kann das Ventil nicht mehr ansprechen, insbesondere im Fall einer hohen Schaltfrequenz. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist jedoch für einen Signalpegel, der sich beispielsweise einem Wert für eine lOOprozentige Impulstastverhältnis-Modulation nähert, die Dauer der Impulsabstände halb so groß wie bei der Bezugs(Null- Fehlersignal)-Frequenz, was bedeutet, daß die Impulsdauer nicht unter ein Viertel der Periodendauer des Schaltens

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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 ergibt sich eine Begrenzung an dem integrierenden Verstärker 11 gerade oberhalb seines normalen maximalen Ausgangssignalpegels bei der Modulation und wenn ein Befehl für eine mehr als I OOprozentige Modulation zulässig ist. Die Verstärkung des Fehlerverstärkers 8 ist so gewählt, daß sich für niederfrequente Eingänge (d. h. innerhalb der Servobandbreite) ein guter Nachlauf ergibt, wobei der Fehler klein ist. Die Verstärkung soll jedoch nicht so hoch gewählt werden, daß eine Eigenschwingung möglich ist Bei hohen Frequenzen steigt das Fehlersignal an, und für eine ausreichende Größe des Sollsignals gibt der Verstärkerainen Befehl für eine mehr als lOOprozentige Modulation ab. Hierdurch wird die Modulationsschaltung auf das Solisignal aufgeschaltet und eine Abweichung beseitigt. Wenn das Sollsignal bei diesen hohen Frequenzen einen derartig niedrigen Wert aufweist, daß keine lOOprozentige Modulation benötigt wird, kann sich eine geringe Restabweichung der Betätigungseinrichtung 2 aufgrund der Tatsache ergeben, daß der Anstieg der Bewegung der Betätigungseinrichtung nicht -»o genau proportional zur Fläche des Impulses ist, der diese Bewegung hervorruft, doch diese Restabweichung ist klein, insbesondere dann, wenn die Modulationsfrequenz niedrig genug gewählt ist, damit sichergestellt ist, daß selbst bei minimaler Impulslänge ein voller Hub des (nicht gezeigten) Ventilelementes des Ventils 1 erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Steuereinrichtung für ein einstellbares Element mit einem impulslängenmodulierten Steuersignalgenerator zur Erzeugung eines ünpulsförmigen Steuersignals zur Steuerung der Stellung des Elementes, mit Einrichtungen zur Ableitung eines auf die tatsächliche Stellung des Elementes bezogenen Istsignals und mit Einrichtungen zur Erzeugung eines Fehlersignals aus der Differenz zwischen dem Istsignal und einem Sollsignal, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrator (11) zur Integration der Differenz zwischen dem Steuersignal und dem Fehlersignal zur Erzeugung eines Korrektursignals vorgesehen ist, das dem Steuersignalgenerator (5, 18) als weiteres Eingangssignal zugeführt wird.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersignalgenerator (5) als Modulationssignal ein Dreiecksignal empfängt

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal einer Multivibratorschleife (11,18) zugeführt wird, die den Integrator (11) einschließt, der gleichzeitig das Steuersignal und das Fehlersignal vergleicht und anpaßt und der außerdem als integrierendes Element in der Multivibratorschleife (11,18) dient

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Multivibratorschleife (11, 18) weiterhin eine Flip-Flop-Schaltung (18) einschließt, ό^α.ΐ das Ausgangssignal des Integrators (11) zugeführt wird, um das impulslängenmodulierte Steuersignal zu erzeugen.