DE2553542A1

DE2553542A1 - Servosystem

Info

Publication number: DE2553542A1
Application number: DE19752553542
Authority: DE
Inventors: John Winston Delahay Jones; Keith Russell Oakey
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1974-12-06
Filing date: 1975-11-28
Publication date: 1976-06-10
Also published as: US4066946A; FR2293733B1; FR2293733A1; GB1507988A

Description

Servosystem

Die Erfindung betrifft ein Servosystem, bei welchem der Ausgang gesteuert wird durch ein Fehlersignal, das den Unterschied zwischen einem vom Ausgang bestimmten Istwert und einem Sollwert darstellt, wobei der Sollwert sich diskontinuierlich absatzweise ändert.

Es ist bekannt, daß derartige Servosysteme auf digitaler Weise arbeiten, derart, daß der Sollwert in digitaler Form vorliegt und periodisch auf den neuesten Stand gebracht wird. Handelt es sich beispielsweise bei dem Sollwert um einen Lagesollwert, dann wird das Fehlersignal oder die Regelabweichung gebildet durch Vergleich des Lagesollwerts und des Lageistwerts eines servogesteuerten Elements. In Übereinstimmung mit dem Fehlersignal wird ein Signal erzeugt, das dazu dient, die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit welcher das Element durch den Servoantrieb in Richtung der Sollstellung bewegt wird. In

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einem solchen Pail wird üblicherweise ein Lagerückjsopplungssignal welches representativ für die Iststellung des servogesteuerten Elements ist, kontinuierlich verglichen mit dem Sollwert und hierbei das Fehlersignal abgeleitet. Dies führt j-edoch zu unerwünschten Schwankungen der Antriebsgeschwindigkeit speziell in den Fällen, wo der Sollwert sich mit gleichförmig hoher Geschwindigkeit über die Periode des sich wiederholenden auf den neuesten Stand Bringens ändert.

Im letzteren Fall weist das Fehlersignal anfänglich einen großen Wert auf unmittelbar, nachdem der Sollwert auf den neuesten Stand gebracht wurde.· Das Fehlersignal wird dann fortschreitend kleiner, jemehr der Istwert sich dem Sollwert nähert. Wenn der Sollwert wiederum auf den neuesten Stand gebracht wurde, führt die Änderung des Sollwertes dazu, daß das Fehlersignal wiederum stark erhöht wird und sich fortschreitend vermindert, bis zu dem Zeitpunkt, wo der Sollwert wiederum auf den neuesten Stand gebracht wird. Dies führt dazu, daß der Servoantrieb anfänglich mit hoher Geschwindigkeit arbeitet, die dann abnimmt, worauf sodann wieder eine hohe' Geschwindigkeit herrscht, die wiederum abnimmt. Es findet also ein ständiger Geschwindigkeitswechsel des Servoantriebs statt.

Es wurden Versuche unternommen, diesen ständigen Geschwindigkeitswechsel zu dämpfen, jedoch stellten diese Versuche keine zufriedenstellende lösung des Problems dar. .

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Es besteht die Aufgabe, das Servosystem so auszubilden, daß dieser ständige Geschwindigkeitswechsel vermieden wird.

Bei einem Servosystem der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
das Fehlersignal statiziert, d.h. konstant gehalten wird in den Intervallen zwischen aufeinanderfolgenden Änderungen des Sollwerts und daß der Servoantrieb in Abhängigkeit dieses statizierten Fehlersignals erfolgt. Auf diese Weise wird der Servoantrieb in den Intervallen zwischen Änderungen des Sollwertes wirksam auf einen konstanten Wert stabilisiert, so .daß eine gleichmäßige Arbeitsweise des Servosystems erreicht werden kann.

Die das Servostellglied steuernde Stellgröße kann
in einem Register statiziert werden, welches von
einem Fehlersignal bzw. einer Regelabweichung beaufschlagt wird, die abgeleitet wurde als Differenz
zwischen einem Istwert und einem Sollwert am Servoausgang. Die Stellgröße wird wiederkehrend auf den
neuesten Stand gebracht, in Übereinstimmung mit dem abgeleiteten Fehlersignal. Die Größen des Sollwertes und des Servoausgangs können in zwei weiteren Registern etatiziert werden und werden wiederkehrend auf den
neuesten Stand gebracht. Die Stellgröße, welche dem erstgenannten Register zugeführt wird, wird in diesem •Pail einfach abgeleitet als Differenz zwischen den
Werten die in den beiden anderen Registern festgehalten sind. In dem Pail jedoch, wo der Sollwert und der

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Servoausgang (Istwert) auf diese Weise festgehalten werden, ist es möglich, das erstgenannte Register in Wegfall zu bringen. Die Stellgröße selbst wird gebildet und wird festgehalten durch die Differenz zwischen den beiden Werten in den beiden Registern.

Ein Servosystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, die ein Blockschaltbild eines das Servosystem beinhaltenden Flugzeuginstruments darstellt.

Das Instrument zeigt einen Höhenmesser zur Anzeige der Höhe in Übereinstimmung mit einer digitalen Darstellung der Höhe des Plugzeugs, die in regelmäßigen Intervallen durch einen Plugzustandsrechner erzeugt wird. Diese Instrumentenart ist jedoch auch verwendbar zur Anzeige von anderen Parametern, beispielsweise der Luftgeschwindigkeit, zur Anzeige dar Schallgeschwindigkeit und zur Anzeige der vertikalen Geschwindigkeit. Auch diese Werte werden in digitaler Weise vom Flugzustandsrechner erzeugt. Der Flugzustandsrechner erzeugt diese Digitalwerte in Übereinstimmung mit Messungen, beispielsweise des statischen und dynamischen Luftdrucks und anderer Yariablen, die zur Errechnung der Höhenwerte und anderer Parametern erforderlich sind. .

Die Digitalwerte der Höhe werden vom ITugzustandsrechner 10 in serienbinärer Form einem Datenempfänger 11 des Höhenmessers zugeführt. In einem Konverter 12 werden diese Werte in paralleler Form umgeformt und

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einem Register 13 zugeführt. Die Messung der Flughöhe, welche durch den Inhalt des Registers 13 dargestellt wird, wird wiederholt auf den neuesten Stand gebracht und zwar jeweils, wenn Digitalwerte der Höhe vom Flugzustandsrechner 10 erzeugt werden.

Der Inhalt des R_egisters 13 (Sollwert) wird verglichen mit dem Inhalt eines Registers 14 (Istwert) der aufeinanderfolgend auf den neuesten Stand gebracht wird in Übereinstimmung mit dem Wert der Flughöhe, wie sie vom Anzeigeinstrument angezeigt wird. Das Anzeigeinstrument umfaßt einen digitalen Trommelzähler 15, welcher die Höhe in 1000 Fußeinheiten anzeigt und ein Zeigermeßgerät, bestehend aus einem Zeiger 16 und einer Skala 17, wobei eine Umdrehung des Zeigers 16 einen Höhenunterschied von 1000 Fuß entspricht. Der Inhalt des Registers 14 stellt eine binäre Darstellung der Höhe dar, wie sie vom Zeiger 16 und vom Zähler 15 angezeigt wird. Der Umkehrwert des Inhalts des Registers 14 wird dem Inhalt des Registers 13 in einer Addierschaltung 18 zuaddiert, so daß sich ein Differenzwert (Regelabweichung) ergibt, der die Differenz zwischen dem vom Rechner 10 erzeugten Sollwert und dem durch die Anzeige bestimmten Istwert darstellt. Der Binärwert dieser Differenz bzw. Regelabweichung bzw. Fehlergröße wird von der Addierschaltung 18 einem Register 19 zugeführt.

Eine Einheit 20 liefert einer Motorsteuereinheit 21 Impulse mit einerG-eschwindigkeit proportional der Fehlergröße im Register 19. Der Einheit 21 wird weiterhin ein Signal zugeführt, die vom Vorzeichen des Fehlerinhalts im Register 19 entspricht. In Übereinstimmung

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mit diesem Vorzeichensignal und mit den von der Einheit 20 erzeugten Impulsen werden Steuersignale erzeugt, die den Schrittschaltmotor 22 beaufschlagen. Der Motor 22 treibt den Zähler 15 und den Zeiger 16 über ein Untersetzungsgetriebe 23 an mit einer Geschwindigkeit, die durch die Frequenz derlmpulse der Einheit 21 bestimmt ist. Der Antrieb erfolgt in der durch das Vorzeichensignal bestimmten Richtung, so daß der Fehler zwischen der Sollstellung und der angezeigten Iststellung der Flughöhe beim Anzeigeinstrument vermindert wird.

Die Rückkopplung der angezeigten Flughöhenwerte erfolgt durch den Grob- und den Feinausgang eines Codierers 24, der ebenfalls vom Motor 22 angetrieben wird. Der Binärcode der angezeigten Höhe des Codierers 24 wird einem Verstärker 25 zugeführt, der sodann den Inhalt des Registers 14 mit jedem Motorschritt auf den neuesten Stand bringt.

Die Inhalte der Register 13 und 19 werden in einem wiederkehrenden Zyklus auf den neuesten Stand gebracht, wobei dieser Vorgang synchronisiert wird mit der Arbeit des Datenempfängers 11 durch eine Zeiteinheit 26. Die Einheit 26 stellt sicher, daß der Inhalt des Registers 19 während des Zykluses nicht auf den neuesten Stand gebracht wird, sondern erst nachdem ein neuer Höhenwert vom Rechner 10 abgegeben und in das Register 13 eingegeben ist. Bis zu dem Zeitpunkt, wo ein neuer Höhenwert in das Register 13 eingegeben wird,- bleibt die Impulsgeschwindigkeit'zur Steuerung der Schritt-

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geschwindigkeit des Motors 22 konstant. Die Schrittgeschwindigkeit des Motors 22 bleibt konstant unabhängig von der Verminderung der Fehlergröße zwischen dem Sollanzeigewert und dem tatsächlichen Anzei.gewert für die Höhe.

Wäre das Register 19 nicht vorhanden und würde die Fehlergröße des Addierers 18 direkt der Impulsgeschwindigkeitseinheit 20 zugeführt, dann würde die Impulsgeschwindigkeit der Motorsteuereinheit 21 und damit die Schrittschaltgeschwindigkeit 22 sich kontinuierlich vermindern und zwar in der Schrittfolge, in welcher schrittweise der Fehler zwischen dem Inhalt des Registers 13 und dem Anseigewert vermindert wird. Eei jedem Schritt des Motors 22 würde das vom Addierer 18 erzeugte Fehlersignal vermindert werden um eine Einheit, was demgemäß zur Verminderung der Impulsgeschwindigkeit und damit der Motorgeschwindigkeit führen würde. Eine solche Arbeitsweise wäre annehmbar für geringe oder kleine Änderungen der Höhe des Flugzeugs. Nachteilig würde jedoch diese Arbeitsweise sein bei starken Höhenänderungen. In letzterem Fall würde jeweils wenn das Register 13 auf den neuesten Stand gebracht wird, der Schrittschaltmotor 22 mit hoher Geschwindigkeit entsprechend der Größe des errechneten Fehlersignals starten und seine Schrittschaltgeschwindigkeit würde fortschreitend sich vermindern, worauf dann plötzlich wieder eine hohe Schrittschaltgeschwindigkeit auftritt, wenn in das Register 13 ein neuer veränderter Höhenwert eingegeben wird. Diese zyklische Veränderung geht in die Bewegung des Zählers 15 und des Zeigers 16 ein, was zu

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einer sehr unbeständigen Anzeige führt und außerdem die Gefahr der Beschädigung der mechanischen Teile des Anzeigemechanismus mit sich "bringt. Dies wird durch Verwendung des Registers 19 vermieden, in welchem der Fehlerwert festgehalten wird, der dann für die Geschwindigkeit der Änderung der Anzeige bestimmend ist, und zwar jeweils im Intervall zwischen den Zeitpunkten in denen das Register 13 auf den neuesten Stand gebracht wird.

Das Register 19 wird also auf den neuesten Stand gebracht, jeweils, wenn das Register 13 auf den neuesten Stand gebracht wurde und, die Schrittschaltgeschwindigkeit des Motors 22 ändert sich jeweils nur dann, wenn der Wert im Register 19 sich ändert. Die Schrittschaltgeschwindigkeit entspricht also der Größe des im Speicher 19 gespeicherten Fehlersignals und ändert sich nur mit dem Sehlersignal, wenn das Register 19 auf den neuesten Stand gebracht wurde. Auf diese Weise ergibt eine stetige Änderung der Höhenwerte, die vom Computer 10 geliefert werden durch das aufeinanderfolgende Aufdatieren im Register 13 eine stetige Schrittgeschwindigkeit, so daß die Anzeigeänderung gleichmäßig und nicht sprunghaft ist. ■■"."'_

Die Gleichförmigkeit der Arbeitsweise hängt ab von der Beziehung zwischen deT_Größe des im Register 19 gespeicherten Fehlerwertes und der erzeugten Impulsfolge. In diesem Zusammenhang treten zwd. wichtige ■Aspekte auf und der erste betrifft die Art der Einheit Diese Einheit kann einfach so ausgebildet sein, daß ein Impulszug erzeugt wird, dessen Impulse gleichen Abstand

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zueinander aufweisen und der eine Frequenz F besitzt, welche gleich der maximalen Schaltschrittfolge des Motors 22 ist. Ist eine geringere Verstellgeschwindigkeit erforderlich, werden von diesem Impulszug die geeigneten Impulse abgeblockt. Soll beispielsweise die Impulsfrequenz F/2 betragen dann wird jeweils der zweite Impuls abgeblockt. Ist seine Verstellgeschwindigkeit von F/4 notwendig, werden von jeweils vier Impulsen drei Impulse abgeblockt. In jedem dieser Fälle weisen die der Einheit 21 zugeführten Impulse jeweils zueinander gleiche Abstände auf, jedoch ist die Wiederholungsfrequenz der Impulse unterschiedlich. Hierbei entsteht jedoch die ungünstige Situation, daß ein Impuls blockiert wird unmittelbar nachdem zwei Impulse mit der Frquenz F auftraten. Bei der Motorsteuereinheit 21 wird dies so verarbeitet, daß eine unmittelbare Halbierung der Motorverstellgeschwindigkeit vorgenommen wird. Um dies zu vermeiden wird so vorgegangen, daß eine Impulsfrequenz erzeugt wird, die höher ist als diejenige zur Motorsteuerung und diese Impulsfrequenz wird sodann um einen geeigneten Faktor geteilt.

Wie die Zeichnung zeigt, umfaßt die Impuls-geschwindigkeitseinheit 20 einen Taktimpulsgenerator 27 der Impulse mit einer Frequenz NF erzeugt. Die Impulse weisen zueinander gleichen Abstand auf. N ist hierbei ein Faktor, beispielsweise ein Faktor 16, während F die maximale Schrittschaltfrequenz des Motors 22 darstellt. Ein Impulsgatter 28 läßt alle erzeugten Impulse über einen Impulszähler 29 zur Motorsteuereinheit 21 gelangen, wenn das Fehlersignal so groß ist, daß zur Anzeigeverstellung die maximale Schrittschaltfrequenz F er-

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forderlich ist. Ist das !Fehlersignal in Register 19 jedoch geringer, werden bestimmte Impulse des Inl·- pulszuges blockiert, um die entsprechende Schrittschaltfrequenz und damit die entsprechende Änderungsgeschwindigkeit in der Anzeige zu erhalten. Der Zähler 29 wirkt hierbei als Impulsfrequenzteiler mit einem Teilungsfaktor N, so daß die Impulsfrequenz-der vom Zähler 29 der Einheit21 zugeführten Impulse in einem geeigneten Bereich oberhalb von J¹ liegt. Bei Wegfall des Zählers 29 weist die Einheit 21 eine Teilerfunktion mit einem konstanten Teilungsverhältnis von H auf. Die von der Einheit 21 dem Motor 22 zugeführten Impulse haben also eine !Frequenz von nF, wobei η gleich oder kleiner 1 ist. Auf diese Weise weist der Impulszug eine regelmäßigere und gleichmäßigere Impulsverteilung auf. Die gleichmäßigere Impulsverteilung führt zu einer gleichmäßigeren Bewegung der Anzeige.

Der zweite zu beachtende Aspekt besteht in der Mindestzeit, in der das System einen !Fehler aufhebt und der Bereich der Impulsfrequenzen, der bei verschiedenen !Fehlergrößen erhältlich ist. Die Minimalzeit zur Beseitigung eines !Fehlers wird gewählt als das - zweifache des Mindestintervalls (beispielsweise 1/20 sek.) zwischen aufeinanderfolgenden Signalen, die vom Rechner 10 dem Register 13 zugeführt werden. Je größer die Zahl der verschiedenen Impulsfrequenzen ist und folglich je größer die Zahl der Motorgeschwindigkeiten ist, um so gleichförmiger wird die Anzeige beim Anzeigegerät. In einem speziellen Ausführungsbeispiel werden 32 verschiedene Impulsfrequenzen und damit Verstellgeschwindigkeiten erhalten und jeder Verstellschritt des Motors 22

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entspricht einem Höhenunterschied von 2 Fuß. Das größte Fehlersignal, welches zur maximalen Verstellgeschwindigiceit des Motors 22 führt, beträgt 64 Fuß.

Die Größe des Fehlersignals im Register 19 kann dazu verwendet werden, die Größe der Betriebsspannung für den Schrittschaltmotor 22 zu steuern. Zu diesem Zweck wird die Fehlergröße einer Selektoreinheit 30 zugeführt. Ist die Fehlergröße ^clein, dann wird die Betriebsspannung für den Motor 22 auf einem normalen Wert gehalten. Ist dagegen die Fehlergröße erheblich, die zu einer hohen Schrittschaltgeschwindigkeit führt, dann wird die Betriebsspannung für den Motor 22 durch die Einheit 30 erhöht. Dies ermöglicht eine schnelle Beschleunigung des Motors 22, da durch diesen ein höherer Strom fließen kann. Für verschiedene Größen des Fehlersignals können zwei verschiedene Betriebsspannungen für den Motor 22 vorgesehen sein.

Im zuvor beschriebenen Beispiel wird das Register I4 beaufschlagt durch einen Wellencodierer 24. Wird ein Codierer verwendet, der eine kontinuierliche Codierung der Wellenstellung durchführt, dann kann der Digitalausgang dieses Codierers direkt mit dem Addierer 18 verbunden sein. Es ist auch möglich, die Schaltung so auszubilden, daß das Register I4 erst auf den neuesten Stand gebracht wird, wenn:auch das Register vom Rechner 10 auf den neuesten Stand gebracht wird. Für diesen Fall kann das Register 19 dann entfallen, denn im Intervall zwischen den Veränderungen der Zählerinhalte 13 und I4 bleiben die dort gespeicherten Werte konstant, so daß auch das Fehlersignal konstant bleibt.-

- 12 Ansprüche

Claims

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A η sprüche

V" "\
1.] Servosystem bei welchem der Ausgang gesteuert wird

~" durch ein Fehlersignal, das den Unterschied zwischen einem vom Ausgang bestimmten Istwert und einem Sollwert darstellt, wobei der Sollwert sich diskontinuierlich absatzweise ändert, dadurch gekennzeichnet , daß das Fehlersignal statiziert, d.h. konstant gehalten wird in den Intervallen zwischen aufeinanderfolgenden Änderungen des Sollwerts und das der Servoantrieb in Abhängigkeit dieses statizierten Fehlersignals erfolgt.
2. Servosystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß eine digitale Darstellung des Fehlersignals bzw. der Stellgröße von der Differenz zwischen einem Istwert und einem Sollwert abgeleitet wird und daß der digitale Inhalt eines Registers (19) wiederkehrend in Übereinstimmung mit dem abgeleiteten Fehlersignal auf den neuesten Stand gebracht wird und der Servoausgang in Abhängigkeit des Inhalts dieses Registers gesteuert wird.
3. Servosystem nach Anspruch 1.oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß Digitaldarstellungen des Sollwertes und des Istwertes in zwei Registern (13, H) gespeichert werden und daß der Inhalt dieser beiden Register (13, H) wiederkehrend auf den neuesten Stand gebracht werden, wobei das Fehlersignal als Differenz zwischen den Inhalten der beiden Register (13, H) abgeleitet wird.

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4. Servosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Servoantrieb von einem Schrittschaltmotor (22) gebildet wird der schrittweise mit einer Frequenz weitergeschaltet wird, die von der Größe des Fehlersignals bestimmt wird.
5. Servosystem nach Anspruch 4> dadurch g e k e η η ze i c h η e t , daß die Steuerimpulse für den Motor 22 von einem Impulsfrequenzteiler 29 geliefert werden und ein Impulsgenerator 27 vorgesehen ist, der einen regelmäßigen Impulszug dem Impulsfrequenzteiler 29 über ein Gatter 28 zuführt, wobei das Gatter (28) bestimmte Impulse des Impulszuges vom Passieren zum Impulsfrequenzteiler (29) in Abhängigkeit von der Größe des Fehlersignals blockiert.
6. Servosystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Größe der am Motor anliegenden Spannung von einer Einheit (30) in Abhängigkeit von der Größe des Fehlersignals gesteuert wird.

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