DE2715841A1 - Servoanlage zum steuern einer flugzeugsteuerflaeche - Google Patents

Description

Meissner & Meissner

PATE NTANWALTS BÜRO

RLIN - MÜNCHEN 2 / 1 5 8 4

. 7 , PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. W. MEISSNER (BLN) DIPL-ING. P. E. MEISSNER (MCHN) DIPL.-ING. H.-J. PRESTING (BLN)

HERBERTSTR. 22, 1000 BERLIN

Ihr Zeichen Ihr Schreiben vom Unsere Zeichen Berln, den

-/Zi 5. April 1977 SNIAS 824 -

Societfc Nationale Industrielle Aerospatiale, 75016 Paris

Servoanlage zum Steuern einer Flugzeugsteuerfläche

Die Erfindung betrifft eine Servovorrichtung zum Steuern einer Steuerfläche eines Flugzeuges und insbesondere von mit Überschallgeschwindigkeit fliegenden Transport- oder Großraumflugzeugen.

Es ist bekannt, dass bei Flugzeugen dieser Art grosse Kräfte zur Betätigung der Steuerflächen aufzubringen sind, weshalb die Verwendung von Servosteuerungen unerlässlich ist.

Die Servosteuerungen bekannter Art weisen hydraulische Kraftverstärker mit Doppelwirkung auf, die über Steuerschieber gespeist werden, welche mechanisch mit den Steuerorganen (Steuerknüppel, Handrad oder Pedale verbunden sind. Unter Berücksichtigung der Trägheits- und

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• u.

Reibungskräfte und Dimensionsschwankungen der Kabel und Schieberstangen in Abhängigkeit von der Temperatur und der Viskosität der verwendeten öle weisen diese Steuermittel bestimmte Mangel auf und bedingen nicht zu vernachlässigende Anstrengungen, die zur Ermüdung des Piloten führen. Darüber hinaus ist es unmöglich, relative Parameter hinsichtlich Gestaltung oder Flugbereich des Flugzeuges (Geschwindigkeit, Höhe, Druck,

Iv'otorschub usw. ) in eine derartige Steuerschaltung einfließen zu lassen.

Aus diesem unterschiedlichen Gründen wurde bereits daran gedacht, die Servosteuerungen mit einer elektrohydraulischen Servoventilen auszurüsten, die die Bewegung der Schieber in Abhängigkeit von den über die Meßfühler (z.B. Koordinatenwandler) elektrisch übertragenen Befehlen gewährleisten, wobei die Meßfühler die Verschiebungen der Steuerorgane (Steuerknüppel, Handrad, Pedale) ermitteln. Diese Servoventile sind zusätzlich

zur mechanischen Steuerung der Schieber vorgesehen. Es ist dabei unter normalen Betriebsbedingungen möglich, die formschlüssige Verbindung der mechanischen Steuerung der Schieber zu lösen und die Steuerung demnach allein durch elektrische Übertragung durchzuführen.

Darüber hinaus sind die Servosteuerungen aus Sicherheitsgründen verdoppelt, wobei die gleiche Servosteuerung zwei getrennte Signale erhält, die von zwei getrennten Meßfühlern stammen, sich jedoch auf den gleichen Steuervorgang der Steuerorgane beziehen. Im allgemeinen werden Doppelservosteuerungen verwendet. Eine derartige Doppelkörper-Servosteuerung weist zwei doppe1wirkende hydraulische Arbeitszylinder gleicher Bauart auf, von denen jeder über einen Schieber gespeist wird, wobei die Zylinder

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und die Schieber formschlüssig miteinander verbunden sindund ein einziges Teil bilden. Die Zylinder sind formschlüssig mit ein und derselben Welle verbunden. Die Kolben der Schieber, die jeder von einem elektrohydraulischen Servoventil gesteuert werden, das eines der erwähnten Signale empfängt, liegen jedoch an der mechanischen Steuerung, die über die unabhängigen Wellen und Federstangen am Körper der Hydraulikvorrichtungen oder Kraftverstärkern angelenkt sind, ^in derartiger Aufbau erlaubt es, zu zufällige Hängenbleiben oder Festfressen eines Schieberkolbens zu überwinden und stellt aufgrund der Tafesache, dass die Servoventile von getrennten Signalen gesteuert werden, die gleich sein sollten, es aber nicht sind, den Nachteil dar, dass die Schieber dew öfteren unvollständig synchronisiert sind, was zu vorübergehenden entgegengesetzten Wirkweisen der Kraftverstärker um die Gleichgewichtsposi.tion herum und zum Erscheinen einer Steuerschwelle und Hysteresis führt.

Dem Stand der Technik sind mechanische Trimm- oder Korrekturvorrichtungen bekannt, die Summierschaltungen aufweisen. Diese Vorrichtungen sind jedoch schwer und erlauben auf ihrem Niveau keine Eingabe zusätzlicher Parameter in die Steuerungen

Es sind auch elektrische Vorrichtungen bekannt, die den Vergleich von an die Servoventile übertragenen Signalen durchführen, wobei die zu weit abweichenden Signale eliminiert und das Mittel der anderen ermittelt wird, um das definitive Steuersignal auszuarbeiten. Diese Vorrichtungen sind von komplexer Struktur. Es werden hier mindestens vier Eingangssignale (die z.B. einem Rechner entnommen werden) benötigt.

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Wenn diese bekannten Vorrichtungen im allgemeinen nur bestimmte Fehler auszuräumen vermögen, so sind sie jedoch nicht in der Lage, eine Synchronisierung der Schieber einer Doppelservosteuerung zu verwirklichen und dabei dennoch die Unabhängigkeit dieser Schieber zu erhalten.

Die Unabhängigkeit der Schieber ist sehr wichtig, denn ihr Steuerdruck ist nicht hinreichend, ein etwaiges Festfressen oder Haftenbleiben eines der beiden Schieber zu überwinden. Der Druck im Kraftverstärker ist dageben groß genug, dass ein Festfressen überwunden werden kann. Und aus diesem Grunde sind die doppelwirkenden Kraftverstärker formschlüssig miteinander verbunden.

Der erwähnte Nachteil wird durch die Erfindung beseitigt und ermöglicht ein Synchronisieren der beiden Schieber einer Servosteuerung unter Wahrung ihrer mechanischen Unabhängigkeit. Darüber hinaus wird durch die Erfindung eine Korrektur der Schiebersteuerfehler ermöglicht, die durch die Unvollkommenheitder Servoventile bedingt ist. Demnach ist es nach der Erfindung möglich, eine doppelwirkende Servosteuerung zu schaffen, die die Vorteile einer nur von einem einzigen elektrischen Signal geleiteten Steuerung, nämlich Genauigkeit und geringe Hysteresis, und die Vorteile einer von zwei getrennten elektrischen Signalen geleiteten Steuerung in sich vereint, nämlich die Sicherheit gegen die automatische Wirkung einer versagenden Signalverarbeitungskette gegenüber der anderen einwandfrei funktionierenden Kette.

Deshalb ist die erfindungsgemässe Servosteuervorrichtung zum Steuern einer Steuerfläche eines Flugzeuges, die an einem mechanischen Steuerorgan wie einem Steuerknüppel

Handrad oder Pedalen angeschlossen ist und die zwei doppelwirkende hydraulische kraftverstärker gleicher Bauart aufweist, die formschlüssig miteinander verbunden sind und jeweils über einen Steuerschieber gesteuert werden, der seinerseits von einem Servoventil gesteuert wird, während jedes Steuerventil von einer zugeordneten elektrischen Meßkette gesteuert wird, die unter Einbeziehung der Bewegungen des Steuerorgans ein elektrisches Steuersignal aussendet, dadurch gekennzeichnet, dass die Ketten durch Kreuzverbindungen mit einander verbunden sind und dass sie Einrichtungen besitzen, um die gleichen Signale an die Servoventile zu liefern.

Vorzugsweise weist jede Kette drei Summierer auf, von denen der erste das elektrische Steuersignal und ein der effektiven Verschiebung der Steuerfläche entsprechendes Signal empfängt, während der zweite mnd der dritte Summierer beide den Ausgang des ersteren auf einem ihrer Eingänge empfangen, wobei der andere Eingang des zweiten das Ausgangssignal des ersten Summierers der anderen Kette und der andere Ein^gng des dritten des Ausgang des zweiten Summierers empfangen, während der Ausgang des dritten Summierers das entsprechende Servoventil speist.

Es ist dabei vorteilhaft, zwischen dem Ausgang des zweiten Summierers und dem entsprechenden Eingang des dritten Summierers einen Signalbegrenzer zu schalten, so dass bei Ausfall einer der beiden Ketten das bei der anderen eingegebene Fehlersignal nicht zu große Bedeutung hat. Darüber hinaus wird ein Zweier-Teiler zwischen dem Begrenzer und den entsprechenden Eingang des dritten Summierers eingeführt. Somit sind bei einem normalen Betriebsablauf der beiden Ketten, wie später ersichtlich wird, die beiden, die zwei Servoventile speisenden Signale

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• P-

identisch, vorausgesetzt, dass die Servoventile keine Mangel aufweisen.

Erfindungsgemäss ist es zur Korrektur der Eigenfehler der Servoventile von Vorteil, auf jeöter Kette zwischen dem Ausgang des ersten Summierers und einem Nebeneingang von diesem eine 'l'iefpassrückkoppelung vorzusehen, die das Ausgangssignal mit Verzögerung wieder einführen kann. Somit wird die Hysteresis, die Schwelle und die unechte Null der Servoventile unterdrückt.

Schließlich ist es zur Vermeidung dynamischer Fehler von Vorteil, zwischen der Tiefpassrückkoppelung und dem Ausgang des ersten entsprechenden Summierers einen Hilfssummierer zu schalten, der auf seinen Eingängen mit unterschiedlichem Vorzeichen einerseits das Ausgangssignal des ersten Summierers und andererseits das Signal vom Schieberpositionsmeßfühler empfängt, der von dem zugeordneten Servoventil betätigt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt einer Doppelkörper-Servosteuerung bekannter Bauart,

Fig. 2 die bekannte Art der Speisung der Servosteuerung von Fig. 1

Fig. 3 eine schematische Ansicht der erfindun^sgemäßen Speisevorrichtung der Servosteuerung von Fig.l,

Fig. 4 eine Darstellung, aus der hervorgeht, wie man die statischen Fehler eines Servoventils der Servosteuerung korrigieren kann, und

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Fig. 5 eine ähnliche Darstellung, die anzeigt, wie man die statischen und dynamischen Fehler eines Servoventils der Servosteuerung korrigieren kann.

In den Zeichnungen zeigen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelemente an.

Die sogenannte Doppelkörper-Servosteuerung nach Fig. 1 ist von bekannter Bauart und weist zwei symmetrische und identische Teile auf. Sie besitzt einen Körper 1, der aus einem einzigen Stück besteht, das sich aus den symmetrischen Teilen 2 und 3 zusammensetzt. In jedem der beiden Teile ist ein Zylinder 4- oder 5 eingelassen, in denen sich die Kolben 6 bzw. 7 bewegen. Diese Kolben 6 und 7 sind durch einen gemeinsame Kolbenstange 8 formschlüssig miteinander verbunden, die an aus dem Körper 1 heraustretenden Enden und 10 bei 11 bzw. 12 mit dem Aufbau eines Flugzeuges verankert sind. Somit sind die Stange 8 und die Kolben 6 und 7 gegenüber dem Flugzeug fixiert. Es ist also der Körper 1, der sich gegenüber den Kolben 6 und 7? d.h. dem Aufbau des Flugzeuges verschieben kann. Eine Steuerfläche 13 des zu steuernden Flugzeuges ist gegenüber letzterem bei 14 schwenkbar befestigt und über eine mechanische Verbindung 15 mit dem Körper 1 verbunden. An jedem Ende der Zylinder 4 und 5 ist eine Leitung 16, 171 18 oder 19 vorgesehen, durch die ein hydraulisches Medium den entsprechenden Zylindern 4 oder 5 zugeführt und von diesen abgeführt wird.

Die Steuerung der Hydraulikflüssigkeit in den Zylindern 4- und 5 geschieht über die Schieber 20 und 21, deren Zylinder 22 und 23 auf geeignete Art durch Leitungen 23

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und 24 an ein Hydraulikreservoir, das unter Druck steht (und hier nicht dargestellt ist) und durch die Leitungen 24, 25 und 26, 27 an einen Flüssigkeitsauslass (der ebenfalls nicht dargestellt ist) angeschlossen sind.

Auf dem Körper 1 ist in der Symmetrieebene der Teile 2 und 3 bei 28 eine mechanische Steuerverbindung z.B. eine Stange 29 angelenkt. Die auf die Schieber 20 und 21 weisenden finden sind bei 30 auf der Stange 29 mittels Federstangen 51 und 32 angelenkt.

Es ist dabei ersichtlich, dass bei Schwenken der Stange 29 um ihr Gelenk 28 (Pfeil F) die Schieber 20 und 21 in ihren Zylindern 22 und 23 in gleicher Richtung verschoben werden und die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit in die Zylinder 4 und 5 ^auf der einen oder der anderen Seite der Kolben 6 und 7 einströmt, so dass sich die Wirkung der ilydraulikflüssigkeit auf dem einen der Kolben zu der auf dem anderen Kolben hinzuaddiert.

An den der Stange 29 gegenüberliegenden Enden sind die Schieber 20, 21 mit den elektrohydraulischen Servoventilen 33 oder 3^ über die Schieberstangen 35 bzw. 36 verbunden. Die Steuerventile 33 und 34 weisen jeweils einen Zylinder 37 bzw. 38 auf, in denen ein Kolben 39 bzw. 40 formschlüssig mit einer Stange 35 bzw. 36 verbunden ist. Jedes Ende der Zylinder 37 oder 38 (und somit jede Seite der Kolben 39 und 40) liegt über mit Querschnittsminderungen versehenen Leitungen 41, 42 oder 43, 44 an der Hydraulikquelle. An jedem Kolben 39 und 40 ist eine Palette 45 bzw. 46 angelenkt, die an ihrem dem Kolben gegenüberliegendem Ende formschlüssig mit einem verschiebbaren Weicheisenkern 47 bzw. 48 verbunden ist, der im Innern eines Solenoid 49 bzw. 50 liegt und durch ein zwischen seinen Klemmen 51, 52 bzw. 53, 54 gegebenes elektrisches Signal gespeist werden kann.

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' AA.

Auf beiden Seiten einer Palette 45 oder 4-6 sind zwei aufeinandergerichtete Düsen 55, 56 bzw. 57» 58 angeordnet, die mit den Enden der Zylinder 37 und 38 der Kolben39 und 40 verbunden sind. Im Gleichgewichtszustand (der in der Fig. 1 dargestellt ist) wird die Wirkung auf die Palette 45 (oder 46) des aus der Düse 55 (oder 57) austretenden Hydraulikstrahls durch den aus der Düse 56 (oder 58) austretenden Strahl ausgeglichen, woraus sich ergibt, dass die Ladungsverluste in den Düsen 55, und 57» 58 und die Drücke beiderseits der Kolben 39 und 40 identisch sind. Demzufolge bleiben sie im Gleichgewicht .

So blad demgegenüber ein elektrisches Signal zwischen den Klemmen 51, 52 oder 55, 54 aufgedrückt wird, verschiebt sich der entsprechende Kern 47 oder 48 und nähert sich der Palette 45 oder 46 einer der Düsen 55 oder 56 (bzw. 57 oder 59), wodurch das System außer Gleichgewicht kommt, -^iner der auf eine der Seiten eines Kolbens 39 oder 40 aufgetragenen Drücke wird großer als der _auf der anderen Seite und der entsprechende Kolben verschiebt sich, wobei er den zugeordneten Schieber 20 oder 21 antreibt und den Körper 1 dazu bringt, sich gegenüber den festen Kolben 6 und 7 zu verschieben.

Somit kann die Steuerfläche 13 entweder vcn Hand durch die mechanische Steuerung 29 oder durch zwischen den Klemmen 51, 52 bzw. 53, 5^ aufgedrückte elektrische Signale betätigt werden.

Wenn die beiden Klemmenpaare 51, 52 und 53, 54 vom gleichen elektrischen Signal gespeist werden, so ist klar, dass sichdie Wirkungen der beiden Servoventile

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33 und 34 addieren, um den Körper 1 zu verschieben und die Steuerfläche 13 zu steuern. Wenn dagegen die Klemmenpaare 51, 52 und 53, 54 von getrennten Signalen gesteuert werden, so ist es unerläßlich, daß sie genauestens synchronisiert sind, um zu vermeiden, daß - wenn auch vorrübergehend - eine in eine Richtung und die andere in die entgegengesetzte Richtung gehende Wirkung ausgelöst wird, d.h. einander entgegenwirkende Zustände auftreten.

Um diesen Aspekt klarer herauszustellen, wurde in der Figur 2 noch weiter schematisiert als in Figur 1 die doppeltwirkende Servosteuerung 1 dargestellt, der die Stromspeisungsketten der Servoventile 35 und 34 hinzugefügt wurde. Diese werden jeweils von zwei Stromgeneratoren 60 und 61 gespeist, die jeweils ihre Summiersignale 62 und 63 empfangen. Jeder Summierer empfängt einerseits an seinem + Eingang ein Signal Q^ oder ©₂ der vom Kraftverstärker angesteuerten Position vom Verarbeiter 64 oder 65, der die Verschiebungen des mechanischen Steuerorgans (Knüppel, Handrad, Pedale) ermittelt, und andererseits auf seinem - Eingang ein Signal R₁ oder Rp der Kraftverstärkerrückstellposition vom Meßfühler 66 oder 67. Ein derartiger Meßfühler kann am Körper 1 oder an der Steuerfläche 13 angeordnet sein.

Selbstverständlich sind Q. und θ_? die beiden Werte einer gleichen Größe Θ; Q₁ und ö_? müßten gleich sein. Da jedoch die Meßfehler der Vorrichtungen 64 und 65 zu berücksichtigen sind, sind diese Werte nicht gleich. Z.B. Q^ = Q + ./^, während Q^ = Q + </₂, wobei .i^ und ,y? S^eS^enüber Q klein sind.

Gleichermaßen sind R₁ und R„ zwei Werte einer gleichen Größe R.

Man kann schreiben R₁ = R + £ ₁ und Rp = R +^₂' ^wo^^ei ^ ι ^xxri^^L ^?

gegenüber R niedrig sind.

Somit sind die beiden Servoventile 33 und 34 gleichzeitig wirksam:

Im Normalbetrieb hat man eine Hysteresis und Steuerschwellen, die Funktionen der algebraischen Summe der Fehler </·, und</₂, die bei der Verarbeitung der Steuerbefehle O₁ und ©₂ auftreten, und der

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Fehler i ₁ und t-g sind, die vom Meßwertgeber kommen (Nachbildung der Stellung der Kraftverstärker).

Im Störungsfalle einer Steuerkette wird der Wirkung des Kraftverstärkers, dessen Schieber schlecht eingestellt ist, die Wirkung des Körpers entgegengesetzt, dessen Schieber von einer fehlerfreien Kette eingestellt wird, was somit zur Steuerflächenlöschung führt.

Um die Nachteile auszuräumen, die oben erwähnt wurden, schlägt die Erfindung vor, einer "Duplex"-Lösung (gleichzeitige Steuerung der beiden Servo ventile) die Vorteile einer ^llSimplex-"Lösung beizugesellen (sehr genaue Synchronisierung der Steuerschieber durch Steuern eines einzigen Servoventils oder durch Verwenden einer einzigen Servoventil-Schieber-Kraftverstärkereinheit).

Nimmt man demnach an, daß jeder Steuerschieber von einem Steuerventil geleitet wird und daß jedes Steuerventil wenigstens von einer Steuersignalverarbeitungskette gesteuert wird, so haben die Positionsunterschiede zwischen den Steuerschiebern zwei Ursprünge:

- Fehler, die auf die Steuerventile selbst zurückgehen und

- Fehler, die sich bei der Verarbeitung der an die Servoventile gegebenen elektrischen Signale ergeben (aufgrund der Meßfühler und der Verarbeitung ihrer Signale im besonderen).

Die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung zielt darauf ab, die Fehler der oben erwähnten zweiten Art zu beseitigen. Jedes Servoventil 33 und 34 wird, wie ersichtlich, von einer einander bau gleichen eigenen Kette 70 oder 71 gespeist.

Jede Kette umfaßt, wie oben, eine Verarbeitungsschaltung 64 oder 65 eines Steuersignals Θ. Diese Schaltung 64 oder 65 kann z.B. ein mit einer Handführungssteuerung gekoppelten Meßfühler oder ein das Signal des Meßfühlers empfangender Rechner, sowie die Signale Funktion der Flugzeugbelastung, der Fluggestaltung etc. sein.

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Der Ausgang der Verarbeitungsschaltung 64 oder 65 liegt am +Eingang des ersten Summierers 72 oder 73. Jeder Summierer 72 oder 73 empfängt an seinem -Eingang ein vom entsprechenden Meßfühler 66 oder 67 für Servosteuerstellung (oder Steuerflächenstellung) stammendes Signal. Der Ausgang der Summierschaltung 72 oder 73 liegt andererseits am +Eingang einer zweiten Summierschaltung 74 oder 75 und andererseits parallel zum +Eingang einer dritten Summierschaltung 76 oder 77.

Der Ausgang der dritten Summierschaltung 76 oder 77 liegt über den Stromverstärker 60 oder 61 am entsprechenden Servoventil oder 34.

Die zweite Summierschaltung 74 oder 75 jeder Kette empfängt an ihrem -Eingang über eine Leitung 78 oder 79 das von der ersten Summierschaltung 73 oder 72 der anderen Kette stammende Signal.

Der Ausgang der zweiten Summlerschaltung 74 oder 75 liegt über einen Schaltungsbegrenzer 80 oder 81, der mit einem Zweier-Schaltungsteiler 82 oder 83 in Serie geschaltet ist, am -Eingang der dritten Summierschaltung 76 oder 77.

Jede Kette verarbeitet demnach ein Steuersignal Q und empfängt ein Rückstellsignal (Stellungsrückkehrsignal) R.

Wie bereits erwähnt, stellt sich ein Fehler,/, oder / in der Verarbeitung von Q ein und das Rückstellsignal ist mit einem Fehler t* oder £_ behaftet.

Die Signale an den Eingängen der Summierer 72 und 73 sind demzufolge jeweils:

G₁ = θ +^₁ und R₁ = R + t für den Summierer 72 θρ = © + J ο ^{und R}p ⁼ R + ΐη ^{für den} Summierer 73

Die Fehler, die von den Stromverstärkern 60 und 61 und von den Servoventilen eingeführt werden, gelten als unerheblich oder werden auf nachfolgend beschriebene Art kompensiert.

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2 7 1 b θ 4 I ' /V·

Der Summierer 72 liefert demnach an seinem Ausgang ein Signal X1 = (Θ + M) - (R + M).

Der Summierer 73 liefert an seinem Ausgang ein Signal X2 ü (Q +./2) - (R + t2).

Der Summierer 74 liefert an seinem Ausgang ein Signal Y1 = X1 - X2 =

Der Summierer 75 liefert an seinem Ausgang ein Signal Y2 - X2 - X1 = 42 - M + £1 - t2.

Das Signal Y1 wird nach Durchlaufen des Schaltungsbegrenzers (Amplitudenbegrenzer) 80 - der nachstehend noch genauer beschrie ben wird - und des Zweier-Schaltungsteilers 82 vom Signal X1 im Summierer 76 abgezogen. Demnach ist das an seinem Ausgang liegende Signal 71:

Z1 = (Θ +/i) - (R + <t' 1) - 1/2 ( Λ -i 2 + Ü2 - M) =

+ /2 t 1 + t2

Das gleiche gilt für das Signal Y 2, das nach Durchlaufen des Begrenzers 81 und Teilung durch zwei im Teiler 83 vom Signal X im Summierer 77 abgezogen wird. Das Signal Z 2 an seinem Ausgang lautet demnach:

Z2 = (Θ + /2) -(R + Ϊ2) - 1/2 ( /2 - '/1 +

Die beiden Stromverstärker 60 und 61 werden von den identischen Signalen gespeist und die beiden Schieber 20 und 21 sind vollkommen synchronisiert.

Auf einen erteilten Steuerbefehl wird die Ausgleichstellung erreicht, wenn die beiden Schieber bei Null liegen, d.h. wenn:

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-Xk-

- /a> ^716841

Vi + /2 £1 + t_2

wobei (β + /i) + ( θ + 4Z) - (R + ί 1) + ( R + £:2),

wenn also demnach das algebraische Mittel beider ausgearbeiteten Befehle gleich ist dem algebraischen Mittel beider Rückstellsignale.

Die Rolle der Amplitudenbegrenzer 80 und 81 ist wesentlich. Es ermöglicht den Einfluß eines Ausfalls einer der beiden Ketten in Bezug zur anderen zu begrenzen.

Wenn z.B. ein Ausfall in der Verarbeitung von θ + dl auftreten und einen bedeutenden Fehler mitsichbringen würde, so begrenzt der Begrenzer (oder Amplitudenbegrenzer) 81, der dem Summierer 75 nachgeschaltet ist, den Wert des Signals Y2 (das man als Synchronisierungssignal definieren kann). Demzufolge wird das am Ausgang des Summierers 77 liegende Signal nicht mehr dem Signal gleich sein, das am Ausgang des Summierers 76 liegt, weshalb die beiden Schieber nicht synchronisiert sind. Jedoch ist die sich ergebende Wirkung weit geringer, als wenn die Synchronisierung mit einer bedeutenden Verzögerung zwischen gewünschtem Steuerbefehl und erteiltem Befehl erhalten worden wäre.

Wenn z.B. eine Servosteuerung eine Steuerfläche in einem Winkelbereich von mehr oder weniger als 30° aktiviert, so läßt sich ab*· schätzen, daß der Gesamtfehler ( -J + t ) einer Kette einen Maximalwert von 1 Grad haben kann.

Es ist demnach angebracht, den Begrenzungswert bei 2 Grad (Maximalwert /i +ti +l/2 + t2) festzulegen. Unter diesen Umständen hätte dann das Signal Y 1/2 oder Y 2/2 einen Maximalwert von 1 Grad.

Wird zugestanden, daß die Kette 70 ausfällt, so addiert das Signal Y 2/2 am Ausgang des Teiler 83 1 Grad im Sinne des Ausfalls zum von der Kette 71 gelieferten Fehlersignal hinzu. Diese Differenz wird gelöscht durch das Rückstellsignal R,

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wenn sich die Steuerfläche um 1 Grad verschoben hat. Demnach wird ausgehend von dieser gegenüber dem gewünschten Befehl um 1 Grad verschobenen Stellung das Signal der zweiten Kette vorherrschend und der Schieber synchronisiert sich vom Schieber 20, was von den Kraftverstärkern 6 und 7 entgegengesetzte Kräfte zur Folge hat.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit, die Vorteile einer Steuerung beider Schieber mit einer einzigen Kette (sehr genaue Synchronisierung der beiden Schieber) und einer Steuerung durch zwei getrennte Ketten (Gegenautomatik beim Ausfall einer Kette durch die Wirkung der zweiten) zu vereinen.

Die Präzision eines Steuerventils etwa nach Fig. 2 kann aber auch durch die Eigenfehler der Servoventile 33 und 34 beeinträchtigt werden.

Derartige Fehler sind:

- eine unechte Null,

- die Hysteresis,

- eine Abschaltschwelle,

- ein Verstärkungsfehler und

- Nichtlinearitäten.

Wenn θ die gesteuerte Stellung der Steuerfläche 13, R die wirkliche Stellung der Steuerfläche, wie sie vom Meßfühler ermittelt wurde, U die Stellung des Steuerschiebers 20 ist, wie sie vom Potentiometer 84 (s. Fig. 4) übermittelt wurde, so ist das Fehlersignal der erfaßten Stellung e = θ - R, und im Funktionsbereich des Steuerventils kann die Stellung des Steuerschiebers wiedergegeben werden mit

U = e +Λ.

Bei U=O (Schieber geschlossen) ist die Servosteuerung unbeweglich.

Einem Wert von U entspricht eine Öffnung des Schiebers, demnach eine Öldurchlaufmenge und folglich eine Verschiebungsgeschwindig-

7 o 9 η u 1 /1 (η ι

— 16 —

- ^. ^7 1584 1

keit des Kraftverstärkers. Die statischen Fehler sind Fehler, die die durch einen erteilten Befehl stabilisierte Position beeinträchtigen.

Bei stabilisierter Servosteuerung ist U=O und demnach e = - -^

Die Summe der statischen Fehler des Servoventils kommt demnach einer Positionsabweichung gleich:

eo = - A

Die dynamischen Fehler sind Fehler, die die Verschiebungsgeschwindigkeit der Servosteuerung beeinflussen. Sie kommen durch die Fehlerhäufung am Verstärker, durch Nichtlinearitäten und vorhergegangener Fehler zustande, wen U=O.

Demzufolge ist es wichtig, um eine Nachbildung oder genauest mögliche Abbildung der Steuerbefehle zu erreichen, die unterschiedlichen Unvollkommenheiten der verwendeten Servoventile auszugleichen oder zu kompensieren. Diese Unvollkommenheiten sind jedoch nicht konstant und entwickeln sich in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Verschleiß usw.

Die Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung, in der die Korrektur statischer Fehler des Steuerventils durchgeführt wird. Selbstverständlich wird auch eine gleiche Korrektur am Servoventil 34 vorgenommen.

In der Korrekturschaltung der Figur 4 wird das vom Summierer 72 kommende Signal, das den Positionsfehler anzeigt, über eine Schaltung 86 mit Tiefpaßcharakteristiken wieder dem +Hilfseingang zugeführt, so daß auf Dauer der entsprechende Ausgangswert aufrechterhalten wird.

Die Tiefpaßcharakteristiken der Rückkopplungsschaltung ermöglichen somit, daß keine Instabilität auftritt. Die Schaltung 86 liefert übrigens eine Antwort in Form von ₁ wobei ρ der Laplace-Operator und % eine bestimmte Zeit darstellen.

Das Positionsfehlersignal wird demzufolge mit Verzögerung rückgeführt, η ₀ cj ,(; _U Ί / 1 Π ? 1

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Durch die Schaltung 86 kann ein Signal an den +Hilfseingang des Summierers 72 gegeben werden, das die Fehler kompensiert, die vom Summierer 76 und von den unterhalb davon liegenden Bauelementen eingeführt wurden.

Darüber hinaus stellt die Rückführung eines Stromanteils des Steuerventils 33 in den Summierer 76 (durch dessen Hilfseingang) eine Gegenkopplung des Stromverstärkers 60 dar.

In der Praxis hat sich in Bezug auf eine von einem nach dem Verfahren von Fig. 4 korrigierten Servoventil geleitete Servosteuerung gezeigt:

- daß man eine vollständige Korrektur der statischen Fehler erreicht, die bis zu 50% der vollen Operationsbreite des Servoventils darstellen (die Fehler liegen normalerweise jedoch unter 20#);

- daß eine Zeitkonstante von 350 Millisekunden für die Schaltung 86 ausreicht, um eine ausreichende Stabilisierung zu erzielen;

- daß jegliche Hysteresis mit der Positionssteuerung verschwindet;

- daß sich der Frequenzgang der Servosteuerung, insbesondere die Phasenverschiebung bei niedrigen Frequenzen (Langsambewegungen) verbessert.

Erfährt die Servosteuerung Geschwindigkeitssättigungen über längere Zeiträume (Schnelligkeit der Steuerbewegungen liegt höher als die Schnelligkeit des möglichen Ansprechend der Steuerfläche) oder Sättigungen in der Belastung (Fluggestaltung, die auf der Steuerfläche zu einer aerodynamischen Belastung führt, die die mögliche Belastung des oder der Kräfteverstärker übersteigt), kann die Vorrichtung nach Figur 4 ein nicht berechtigtes Korrektursignal liefern.

Tatsächlich ist in diesen beiden Fällen das Fehlersignal e nicht einzig und allein auf Fehler der Servoventile zurückzuführen.

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Z.B. wird im Falle der BelastungsSättigung das Kompensierungssignal am Ende von 3 Z 95 % des möglichen maximalen Wertes erreichen.

Demgegenüber erhält man bei Vergleichen von e mit einem von einem Meßfühler gelieferten Siegnal, das die Position des mechanischen vom Servoventil (der Steuerschieber der Servosteuerung) gesteuerten Organs mitteilt den Wert der Fehler, die zwischen der Meßstelle e und dem gesteuerten Organg (demnach auch die Fehler, die vom Stromverstärker 60) eingeführt wurden.

Die Figur 5 zeigt eine Vorrichtung, durch die der erwähnte Nachteil beseitigt und die dynamischen Fehler des Servoventils 33 korrigiert werden können. Die Zeichnung zeigt einen Potentiometer-Meßfühler 84, der an einem Steuerschieber 20 liegt und das bezeichnende Signal U der Stellung des Steuerschiebers liefert. Das Signal U wird mit dem Minusvorzeichen an einen Summierer 88 gegeben, der auch das vom Summierer 72 mit + Vorzeichen versehene Signal 3 empfängt. Der Ausgang des Summierers 88 liegt am Eingang der Stufe 86 und hat, wie bereits erwähnt, die Form: —τ—

Somit wird ein übermäßiges Fehlersignal automatisch verringert durch das vom Meßfühler 84 hergeleitete Signal U.

In der Schaltung der Figur 5 kann die Zeitkonstante viel geringer sein als bei der Schaltung der Figur 4, denn die Ansprechzeit der Servoventil-Schiebereinheit ist auch viel kürzer als die Ansprechzeit der Servosteuerung (die Gefahren übermäßiger Signale durch Sättigung sind ja beseitigt).

Versuche, die mit der vorhergehenden Schaltung durchgeführt wurden, haben gezeigt, daß die Stabilität der Einheit mit einer Zeitkonstante von 33 Millisekunden ausgezeichnet ist.

Die Vorrichtung nach Figur 5 ermöglicht somit eine statische und dynamische Fehlerkorrektur der Einheit und insbesondere der Servoventile.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß man bei einer dopp*elt wirkenden

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"Duplex^w-gesteuerten Servosteuerung mit einer Vorrichtung nach der Erfindung, d.h. mit einer Vorrichtung, die die Fehlerkompensierelemente der Servoventile unter Verwendung von linearen Schieberstellungsmeßfühlern und der Synchronisierungsvorrichtung mit begrenztem Operationsbereich zwischen den beiden Ketten (Operationsbereich von mehr oder weniger als 1 Grad) aufweist,

- im Normalbetrieb eine ausgezeichnete Synchronisierung erreicht; die unter diesen Umständen gemessene Hysteresis beträgt 1 Winkelminute, während sie bei Simplexsteuerung ein und eine halbe Minute beträgt und dies ohne Fehlerkompensation der Servoventile;

- eine fast vollständige Löschung der Wirkung des Ausfallens einer Kette durch Gegenüberstellung der anderen erzielt und

- eine dynamische Leistungswiedergabe einer Simplexsteuerung erhält.

- Patentansprüche -

- 20 -

Claims (9)

1. Patentansprüche

   ervosteuervorrichtung zum Steuern einer Steuerfläche eines "Flugzeuges, die an einem mechanischen Steuerorgan wie einem Steuerknüppel, Handrad oder Pedalen angeschlossen ist und die zwei doppeltwirkende hydraulische Kraftverstärker gleicher Bauart aufweist, die formschlüssig miteinander verbunden sind und jeweils über einen Steuerschieber gesteuert werden, der seinerseits von einem Servoventil gesteuert wird, während jedes Steuerventil von einer zugeordneten elektrischen Meßkette gesteuert wird, die unter Einbeziehung der Bewegungen des Steuerorgans ein elektrisches Steuersignal aussendet, dadurch gekennzeichnet, daß die Ketten (70, 71) durch Kreuzverbindung miteinander verbunden sind und daß sie Einrichtungen besitzen, um gleiche Signale an die Servoventile zu liefern.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kette drei Summierer (72, 73; 74, 75; 76, 77) aufweist, von denen der erste das elektrische Steuersignal und ein der effektiven Verschiebung der Steuerfläche entsprechendes Signal empfängt, während der zeite (74, 75) und der dritte (76, 77) Summierer beide den Ausgang des ersten an einem ihrer Eingänge, und der andere Eingang des zweiten Summierers das Ausgangssignal des ersten Summierers der anderen Kette und der andere Eingang des dritten (76, 77) den Ausgang des zweiten empfängt, wobei der Ausgang des dritten Summierers das entsprechende Servoventil speist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ausgang des zweiten Summierers und dem entsprechenden Eingang des dritten Summierers ein Begrenzer vorgesehen ist.

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   ORIGINAL INSPECTED

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4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zweier-Teiler (82, 83) zwischen den Begrenzer und den entsprechenden Eingang des dritten Summierers geschaltet ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromverstärker (60) zwischen den dritten Sumierer jeder Kette und dem entsprechenden Servoventil geschaltet ist.
6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tiefpaßrückkoppelung (86), durch die das Ausgangssignal mit Verzögerung wieder eingespeist werden kann, zwischen den Ausgang des ersten Summierers und einem Hilfseingang des ersten Summierers geschaltet ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Wiedereinspeisung eines das entsprechende Servoventil passierenden Stromanteils an einem Hilfseingang des dritten Summierers einer Kette vorgesehen sind.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Tiefpaß-Rückkopplung und dem Ausgang des entsprechenden ersten Summierers ein Hilfssummierer vorgesehen ist, der auf den Eingängen unterschiedliche Signale empfängt, und zwar einerseits das Ausgangssignal des ersten Summierers und andererseits ein vom Schieberpositionsmeßfühler (84) des zugeordneten Servoventils stammenden Signal.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefpaß-Rückkopplung einen Frequenzgang der Form — dargestellt, wobei ρ der Laplace-Operator und J- eine bestimmte Zeitkonstante ist.

   Dipl.-lng./# E. Meissn«

   Pa

   709RÄ1/1031