DE2410751C3

DE2410751C3 - Regler

Info

Publication number: DE2410751C3
Application number: DE2410751A
Authority: DE
Inventors: Matthew Hemel Hempstead Hertfordshire Duggan (Grossbritannien)
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1973-03-06
Filing date: 1974-03-06
Publication date: 1979-11-15
Also published as: JPS5024682A; GB1416401A; JPS5638964B2; DE2410751B2; DE2462530A1; DE2462530C2; US3925640A; FR2220825B1; FR2220825A1; DE2410751A1

Description

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine elektrische Analogdars;ellung eines Steuersystems gemäß der Erfindung zum Steuern einer Doppelintegralanlage,

F i g. 2 ein Phasendiagramm, welches die verschiedenen Funktionen des Steuersignals bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 veranschaulicht,

F i g. 3 eine elektrische Analogschaltung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 4 ein Phasendiagramm, welches die verschiedenen Funktionen des Steuersignals in dem System nach F i g. 3 veranschaulicht,

Fig.5 eine schematische Vorderansicht eines Flugzeuges, bei welchem die erfindungsgemäße Steuereinrichtung Anwendung findet.

Bei den folgenden Ausführungsbeispielen werden Eingangssignale nach dem Steuersystem in 'inabhängige positive und negative Komponenten aufgespalten, und jede Komponente wird in ein positives Signal umgewandelt. Das System, in welchem dies geschieht, wird hierbei als »posinomisches Steuersystem« bezeichnet.

In der Schaltung gemäß Fig. 1 erscheinen an verschiedenen Punkten des Steuergerätes negative Spannungen, weil durch einen elektrischen Verstärker Vorzeichen umgewandelt werden. Das Prinzip einer posinomischen Steuerung bleibt jedoch erhalten.

Die Differenz zwischen einem Eingangssignal χ und dem Ausgang y einer Anlage PL wird über einen das Vorzeichen ändernden Verstärker und einen Summierungsverstärker 2 erlangt, wodurch ein Fehlersignal ε geliefert wird. Das Fehlersignal ε wird über einen Differentiator 3, bestehend aus Widerstand 26, Kondensator 27, Widerstand 28 und Verstärker 29 mit hohem Verstärkungsgrad geleitet, und dann einem Filter 4 zugeführt, das aus Widerständen 30,31,32, Kondensatoren 33 und 35, einem Verstärker 34 mit hohem Verstärkungsgrad und einem Verstärker 36 besteht, um ein negatives Fehlergeschwindigkeitssignal — έ zu erhalten.

Das Filter 4 verhindert eine Rauscherzeugung und begrenzt den Wert von έ für sehr schnelle Änderungen des Fehlersignals ε.

Das Fehlersignal ε und das Fehlergeschwindigkeitssignal — έ werden einem posinomischen Steuergerät PC zugeführt. Das Fehlersignal ε wird über einen das Vorzeichen ändernden Verstärker 5 einer Verstärker/ Diodenkombination 6 zugeführt, die den positiven Teil des Fehlersignals ε+ als Ausgang liefert. Das Fehle.rsignal ε wird außerdem direkt einer Verstärker/ Diodenkombination 7 zugeführt, die den negativen Teil des Fehlersignals als positiver Ausgang liefert (<; -).

Das negative Fehlereingangssignal -έ von dem Filter 4 wird einer Verstärker/Diodenkombination 9 zugeführt, um den positiven Wert des Fehlergeschwindigkeitssignals έ+ zu liefern, und über einen das Vorzeichen ändernden Verstärker 8 wird das Signal einer Verstärker/Diodenkombination 10 zugeführt, um den negativen Teil des Fehlergeschwindigkeitssignals als positiven Ausgang έ - zu liefern.

Die Verstärker/Diodenkombination 6, 7, 9 und 10 liefern im wesentlichen perfekte Diodencharakteristiken außer für die Vorzeichenänderung, die dem Verstärker zugeordnet ist.

Die Signale ε + und έ — werden über eine Stufe 11, die die Verstärkung ändert, und eine Stufe 15, die das Vorzeichen ändert sowie eine Stufe 14, die die Verstärkung ändert, der ersten Summierungs-Verstärker/Diodenkombination 17 zugeführt, und das Signal ε— wird direkt der ersten Summierungs-Verstärker/ Diodenkombination 17 zugeführt Die drei Signale wirken zusammen und erzeugen den negativen Wert des Anlage-Eingangssteuersignals in Form eines negativen Ausgangs U-.
In gleicher Weise werden die Signale ε — und έ + über

ίο die Verstärkungsänderungsstufe 12 und den Vorzeichenwandler 16 sowie dem Verstärkungswandler 13 einer zweiten Summierungs-Verstärker/Diodenkombination 18 zugeführt, während das Signal ε+ direkt nach der zweiten Summierungs-Verstärker/Diodenkombination 18 gelangt.

Die drei Signale wirken zusammen und erzeugen den positiven Teil des Anlage-Eingangssteuersignals in Gestalt eines negativen Ausgangs u+.
Die Summierungsverstärker/Diodenkombination 17 und 18 führen Summierungs- und Verstärkungsfunktionen durch, und zwar zusätzlich zu einer im wesentlichen perfekten Diodencharakteristik und Vorzeichenänderung.

Der Ausgang der ersten Summierungs-Verstärker/ Diodenkombination 17 wird über einen Vorzeichenwandler 19 einem Summierungsverstärker 20 zusammen mit dem Ausgang von einer zweiten Summierungsverstärker/Diodenkombination 18 zugeführt. Der Ausgang des Summierungsverstärkers 20 bildet ein

jo Anlagesteuersignal u, welches gleich der Differenz zwischen positivem und negativem Teil u+ und u— ist. Das Signal u des Summierungsverstärkers 20 wird der Anlage PL zugeführt, welche als Doppelintegralanlage ausgebildet ist und zwei Verstärkungswandler 21 und 23 und 2 Integratoren 22 und 24 aufweist Der Ausgang des Integrators 24 stellt das Ausgangssignal y der Anlage dar, welches dem Summierungs-Verstärker 2 zugeführt wird, um mit dem Eingangssignal χ des Systems verglichen zu werden, und das Fehlersignal zu liefern, wodurch sich ein System mit geschlossener Schleife ergibt.

Das Steuersignal u, das durch das posinomische Steuergerät erzeugt wird, besteht aus einer von drei verschiedenen linearen Funktionen von ε (Fehlersignal) und έ (Fehlergeschwindigkeitssignal) gemäß der Bedingung der Anlage und dies wird später unter Bezugnahme auf das Phasendiagramm beschrieben, d. h. gemäß der Beziehung zwischen ε und έ in F i g. 2.
Die Gleichung für u ist:

wobei

aus

(f+) + ftf+) < (H₁F-),

folgt eindeutig, daß u + = 0 und wenn

u — = [(f-) + (i)₂f-)] - (a₂1 H
wenn

(f -) + (b₂ ι■-) < (a₂f■+).
dann folgt wiederum, daß u - = 0.

Im folgenden wird auf Fig.2 der Zeichnung Bezug genommen, die ein Phasendiagramm für Bedingungen zeigt, die auftreten können, je nach den Werten des Fehlersignals ε und des Fehlergeschwindigkeitssignals e. Die Fig. 2 stellt eine grafische Darstellung dieser beiden Signale dar, wobei eine lineare Funktion der beiden Signale gezeigt ist, nämlich

+ b ;■ = 0

(3)

Für ein vollständig symmetrisches posinomisches Steuergerät (dies ist der übliche Fall) werden die Konstanten in den Gleichungen (1) und (2) gleich:

a₂ = α ,

Daher definiert F i g. 2 drei Paare von Moden 1 - 3, in denen die Gleichungen (1) und (2) wie in der Figur veranschaulicht, ausgedrückt werden können. So ist es beispielsweise klar, daß im Modus 1 auf der linken Seite des Diagramms

außerdem liefern die Werte von ε und έ, wenn sie in die Funktion ae + be eingesetzt werden, einen Wert dieser Funktion, der negativ ist, z. B. ae + be < 0.
Aus der Gleichung (1) ergibt sich

b e < ai —

und daher u+ —0.
Aus der Gleichung (2) ergibt sich

deshalb u= — (ε — ) = ε.

Der Ausdruck in jeder der anderen Moden kann in gleicher Weise berechnet werden, und es zeigt sich, daß die Abszisse und Ordinate der Funktionslinie ae + bk = 0 je eine Modenänderungslinie bildet, die zwischen ihnen 6 Moden definiert, die infolge identischer Bedingungen drei Paare von den obigen Moden bilden. Es zeigt sich, daß diese drei alternative Steuersignale liefern, die wie folgt erhalten werden:

Modus 1) u=E ergibt ein ungedämpftes Schwingungssystem;

Modus 2) u={\+a) e + be ergibt ein kritisch gedämpftes System;

Modus 3) u—e + be Hefen ein übergedämpftes System.

Bei einer praktischen Anwendung sind die Verstärkerkonstanten al, ZjI, a2 und b2 in dem posinomischen Steuergerät so eingestellt, daß die erwünschte Ansprechcharakteristik des gesamten Systems erhalten wird.

Die Konstanten a 1, b 1, a 2, b 2 tragen beispielsweise eine Beziehung z. B. das Zehnfache, zur Einstellung der Verstärkungswandler 12, 13, 11 und 14, und diese Verstärkung wird in einer Verstärker/Diodenkombination 17,18 erlangt

Die absoluten Größen von a und b bestimmen die Anteile der Dämpfung in den gedämpften Moden (je größer sie sind, desto größer ist die Dämpfung), die

ihrerseits den Anteil der Überdämpfung steuern. dat das System in einem Stufenansprechen aufweist.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform dei Erfindung, und die Schallung ist exakt die gleiche wit jene nach Fig. 1, mit dem Unterschied, daß dei Ausgang der ersten Summierungs-Verstärker/Dioden kombination 17 dem Eingang der zweiten Summie rungs-Verstärker/Diodenkombination 18 zugefühn wird, und der Ausgang der zweiten Summierungs-Verstärker/Diodenkombination 18 dem Eingang der erster Verstärker/Diodenkombination 17 zugeführt wird Diese Rückkoppelung ist als gegenseitige Rückkopplungssperrung bekannt und vermeidet das gleichzeitige Auftreten von den beiden Ausgängen u+ und u-Hierdurch ergibt sich eine Verbesserung des Steuersystems und eine Vereinfachung der Einstellung, die zui Anpassung des Systems an verschiedene Anlager erforderlich ist.

Bei diesen Ausführungsbeispielen ist die Gleichung für u wie folgt:

Dabei ist

dann wird
u + = 0.

Ebenso wird

u- = [(,--) + (fcj i■ -)] - [(O₂ ,+) + („+)]
und wenn

dann wird
u- = 0.

Wie bei dem vorigen Ausführungsbeispiel können die Konstanten a\, b\, al und bl der zehnfacher Einstellung der Verstärkungswandler 12, 13, 11 und I^ 50.gemäß Fig. 3 bestehen, wobei die ersten und zweiter Summierungs-Verstärker/Diodenkombinationen 17 unc 18 die Signale mit einem Faktor 10 verstärken, die durcr diese Verstärkungswandler hindurchlaufen.

Die Bereiche, in der jede Gleichung wirksam ist, zeig der Phasenplan nach F i g. 4.

Die drei Funktionen, die das Steuersignal u angibt erzeugen die drei unterschiedlichen Arbeitsmethoden wenn die Steuereinrichtung und die Anlage eine geschlossene Regelschleife bilden.
Modus 1) u=e ergibt ein ungedämpftes Schwin gungssystem;

Modus 2) u=ae + be liefert ein kritisch gedämpfte; System;

Modus 3) U=S +be liefert ein überdämpftes System Diese sind in F i g. 4 zusammengefaßt

Bei der praktischen Anwendung werden die Verstär kungskonstanten al, b\, al und bl in derr posinomischen Steuergerät so eingestellt, daß die

erwünschte Ansprech-Charakteristik des Gesamtsystemserhalten wird.

Das Verhältnis (1 -Ya)Zb entscheidet die Neigung der schrägen Modusänderungslinie in der Phasenebene und im allgemeinen kann gesagt werden, je steiler diese "> Linie ist, desto schneller spricht das System an.

Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel bestimmt die absolute Größe von a und bd\e Größe der Dämpfung in den gedämpften Moden (je größer die Beträge sind, desto größer wird die Dämpfung), und diese Dämpfung κι steuert ihrerseits das Maß der Überdämpfung des Systems, die das System bei einem Stufenansprechen hat.

Fig. 5 zeigt ein posinomisches Steuergerät, welches in Vergindung mit einem Luftstrahlsystem benutzt wird, i·-, um die Lagesteuerung eines Vertikal-Start-Flugzeugs zu übernehmen.

Die Luftstrahlen 41 werden mit Luft von einem Kompressor 42 über Kanäle 43 gespeist. Die Gesamtluftströmung ist konstant, aber das Verhältnis der Strömung zwischen den beiden Strahldüsen 41 kann durch Klappenventile 44 geändert werden, die durch einen Antrieb 45 über ein Gestänge 46 bewegt werden. Ein Fühler 47 stellt Abweichungen der Lage des Flugzeugs gegenüber einer horizontalen Bezugslage dar, und erzeugt ein Fehlersignal proportional der Abweichung Θ.

Dieses Fehlersignal wird einer Steuereinrichtung 48 zugeführt, die es differenziert und das sich hieraus ergebende Fehlergeschwindigkeitssignal mit dem Feh- jo lersignal benutzt, um ein Steuersignal u mittels einer posinomischen Schaltung gemäß F i g. I zu erzeugen, die in der Einrichtung 48 enthalten ist.

Dieses Steuersignal wird dem Antrieb 45 zugeführt, der das Gestänge 46 proportional zur Größe des y, Steuersignals stellt. Diese Bewegung ändert die Stellungen der Klappenventile 44, was eine Änderung der relativen Luftströmung zwischen zwei Strahlen zur Folge hat, so daß ein Drehmoment erzeugt wird, welches auf das Flugzeug in der Weise einwirkt, daß die Abweichung θ vermindert wird.

Vorstehend wurde ein Steuersystem beschrieben, welches elektronische Schaltungselemente umfaßte. Es ist jedoch klar, daß das posinomische Steuersystem auch mechanische Elemente oder Fluidics benutzen kann, um eine entsprechende Summierung von Signalen vorzunehmen.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele -können als »posinomische stückweise lineare« Steuersysteme bezeichnet werden.

Ein posinomisches Steuersystem benutzt eine Zahl von zusammenwirkenden positiven Signalen, um die stückweise lineare Steuerung zu erhalten. Diese positiven Signale werden von dem Fehlersignal bzw. dem Fehlergeschwindigkeitssignal des Systems abgeleitet, in dem Dioden oder Äquivalente hiervon benutzt werden. Das Zusammenwirken der positiven Signale bewirkt entweder ein teilweises Auslöschen oder eine Verstärkung des Gesamtsignals, das als Steuereingangssignal für die Anlage benutzt wird. Diese Abschwächung oder Verstärkung findet gemäß dem Zustand des kompletten Systems statt und ist derart, daß das Ansprechen des Systems gegenüber Störungen des Eingangs stabilisiert wird.

Die stückweise lineare Steuereinrichtung benutzt zwei verschiedene Arbeitsmoden. Jede dieser beiden Moden entspricht einer linearen Steuerung. Ein Modus hat ein schnelles Ansprechen, welches möglicherweise unstabil ist, und ein weiteres muß schnellen Änderungen widerstehen, um ein gewisses Maß von Dämpfung bezüglich Ausschlägen des Systems zu liefern. Die Moden werden gemäß dem Status des Systems benutzt, um ein schnelles Gesamtansprechen und eine erhöhte Stabilität zu erzeugen. Da posinomische Steuergerät für eine Doppelintegralanlage benutzt drei Moden, nämlich eine ungedämpfte schnelle und zwei gedämpfte, und die Änderung von einem Modus nach dem anderen geschieht, wenn gewisse der verschiedenen positiven Signale den Null-Punkt erreichen. Die Dioden verhindern das Auftreten negativer Signale und somit eine Änderung des Modus. Das System weist dagegen keine Schalter auf.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: schwindigkeit des Fehlersignals

1. Regler, bei dem eine schnelle Erniedrigung des Fehlers in einer ersten Betriebsart bewirkt und der Fehler nach einer Umschaltung auf eine zweite Betriebsart in einem gedämpften Ansprechen auf Null vermindert wird, wobei die Umschaltung in Abhängigkeit vom Fehlersignal erfolgt und die Umschaltung von der ersten Betriebsart auf die zweite Betriebsart bewirkt wird, in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Verhältnis zwischen dem Fehlersignal und der Änderungsgeschwindigkeit des Fehlersignals

de/di

oder dem Verhältnis zwischen der Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals und dem Felllersigna!

dy/dt

10 oder dem Verhältnis zwischen einer linearen Kombination der Änderungsgeschwindigkeiten des Fehlersignals und des Ausgangssignals einerseits und dem Fehlersignal andererseits

de/dt

oder dem Verhältnis zwischen der Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals und dem Fehlersigna!

dy/dt

25

oder dem Verhältnis zwischen einer linearen Kombination der Änderungsgeschwindigkeiten des Fehlersignals und des Ausgangssignals einerseits und dem Fehlersignal andererseits

■ de/dt + dy/dt \
e J

35

nach Patent P 22 55 760, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Betriebsart wenigstens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Dämpfungscharakteristiken aufweist.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Funktion des Ausgangssignals bei einer Null-Dämpfung bzw. einer kleinen Dämpfung unstabil oder in den Randbereichen unstabil ist.

3. Regler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (u)e'me von drei verschiedenen linearen Funktionen aufweist, wobei die erste Funktion ein ungedämpftes Schwingungssystem darstellt, die zweite Funktion ein kritisch gedämpftes System und die dritte Funktion ein übergedämpftes System.

55

Gegenstand des Hauptpatentes 22 55 760 ist ein Regler, bei dem eine schnelle Erniedrigung des Fehlers in einer ersten Betriebsart bewirkt und der Fehler nach einer Umschaltung auf eine zweite Betriebsart in einem gedämpften Ansprechen auf Null vermindert wird, wobei die Umschaltung in Abhängigkeit vom Fehlersignal erfolgt und die Umschaltung von der ersten Betriebsart auf die zweite Betriebsart bewirkt wird, in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Verhältnis zwischen dem Fehlersignal und der Änderungsge-

65 a ■ de/dt + dy/dt

Ein solcher mit zwei Betriebsarten arbeitender Regler löst in besonders zweckmäßiger Weise die gestellte Aufgabe, auftretende Fehler so schnell als möglich zu verringern, wenn große Abweichungen vom Sollwert vorliegen, wobei die Rückstellung schneller einsetzt als bei bekannten adaptiven Systemen, welche mehrere Perioden benötigen, bevor eine gute Annäherung erreicht ist. Insbesondere in der Anwendung zur Lagesteuerung eines Flugzeuges eignet sich der Regler in besonderer Weise durch Einstellung der entsprechenden Steuerklappen oder Steuerschubstrahlen, die Lageabweichung möglichst schnell zu beseitigen, was zur Vermeidung gefährlicher Flugzustände äußerst erwünscht ist.

Der Regler gemäß Hauptpatent spricht proportional auf alle zu erwartenden Größen des Eingangs an und es wird eine nützliche Proportionalität wieder hergestellt, die durch alle linear arbeitenden Systeme erhalten wird und die durch die meisten nicht linearen Systeme verlorengegangen war. Es wird ein zufriedenstellendes Ansprechen bei großen Fehlern gewährleistet, aber auch bei kleinen Fehlern ist ein zuriedenstellendes Arbeiten möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Regler gemäß Hauptpatent im Hinblick auf die zweite Betriebsart zu verbessern, um eine noch bessere Annäherung an den Sollwert zu erhalten.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die zweite Betriebsart wenigstens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Dämpfungscharakteristiken aufweist.

Es ist zwar aus der US-PS 35 42 048 bereits ein Regler bekannt, der mit verschiedenen Dämpfungscharakteristiken arbeitet. Hierbei handelt es sich jedoch um einen gattungsmäßig anderen Regler, bei dem nur eine Betriebsart vorhanden ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Funktion des Ausgangssignals bei einer Null-Dämpfung bzw. bei einer kleinen Dämpfung unstabil oder in den Randbereichen unstabil.

Das Ausgangssignal weist zweckmäßigerweise eine von drei verschiedenen linearen Funktionen auf, wobei die erste Funktion ein ungedämpftes Schwingungssystem darstellt, die zweite Funktion ein kritisch gedämpftes System und die dritte Funktion ein ibergedämpftes System. Hierdurch ergibt sich eine besonders schnelle und günstige Annäherung an die Sollage.