DE2807902B1 - Steuereinrichtung mit aktiver Kraftrueckfuehrung - Google Patents
Steuereinrichtung mit aktiver KraftrueckfuehrungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung zur Betätigung der Steuerflächen eines Flugzeuges mit
einer Handsteuervorrichtung mit einem Generator für künstliches Steuergefühl die mit einer automatischen
Steuereinrichtung zusammenarbeitet.
Solche Steuereinrichtungen sind an sich in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. So offenbart
beispielsweise die DE-AS 10 53 941 eine Handsteuervorrichtung für Flugzeuge in Verbindung mit einer
automatischen Steuerung, wobei die durch den Handsteuerhebel hervorgerufenen elastischen Verformungen
eines allseitig drehbaren Steuerknüppels Signale erzeugen, welche die stabilisierende Kraft der Servovorrichtungen
überwinden oder zumindesten unterdrücken und das mit der Hand gesteuerte Organ verschieben sowie
die Aussendung von Signalen bewirken, welche der Servoeinrichtung mitgeteilt werden, um das zu steuernde
Organ entsprechend der aufgewendeten Muskelkraft zu betätigen. Hierbei entstehen die Signale nur dann
oder sie werden nur dann wirksam, wenn die durch die elastische Verformung des Steuerknüppels erzeugte
Kraft eine ausreichende Zeit einwirkt.
Bei der Zusammenarbeit zwischen Handsteuer- und automatischer Steuervorrichtung, soll also das Steuerorgan
so angeordnet sein, daß es bei Anwendung einer ausreichenden Muskelkraft direkt das steuernde Glied
— also die Klappe bzw. das Ruder — verstellt.
Damit aber ist die Gefahr einer Übersteuerung des Flugzeuges nicht auszuschließen. Da außerdem bei
dieser Einrichtung eine Verzögerung der Einwirkkraft dadurch hervorgerufen wird, daß die durch die
elastische Verformung hervorgerufenen Signale erst dann wirksam werden, wenn sie eine bestimmte
ίο
Zeitdauer angehalten bzw. gewirkt haben, arbeitet diese Einrichtung für Überschallflugzeuge zu langsam.
Um solche Verzögerungen auszuschalten, schlägt die DE-OS 2125 358 vor, eine Steuereinrichtung zu
schaffen, bei der ein Meßgerät zum Feststellen der gemeinsamen Wirkung der zwei Übertragungssysteme
und zur Zuführung eines Signals in das nichtmechanische System unter Bildung einer Rückführungsschleife
angeordnet ist, wobei die Wirkung des mechanischen Systems durch die Wirkung des nicht-mechanischen
Systems zunichte gemacht wird, wenn letzteres wirksam ist Hierbei ist ein Steuerschalter zum Verlagern des
Steuerglieds der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von Signalen des nicht-mechanischen Systems vorgesehen
und das mechanische System mit dem Stellglied der Steuereinrichtung direkt verbunden.
Bei dieser Einrichtung ist das mechanische System ständig angeschlossen, jedoch wird seine Wirkung auf
den Motor durch die Wirkung der Rückkopplungsschleife aufgehoben. Wenn jedoch das nicht-mechanische
System wirkungslos wird, so ist das mechanische System bereits eingeschaltet bzw. in Betrieb, so daß eine
wirksame Steuerung des Motors immer gegeben ist.
Diese Einrichtung kann jedoch nicht verhindern, daß durch zu große oder zu rasche Führungsimpulse durch
den Piloten, kritische Flugzustände hervorgerufen werden.
Zwar sind Steuereinrichtungen der eingangs genannten oder einer ähnlichen Art bekanntgeworden, die
hierfür Dämpfungseinrichtungen und Einrichtungen für ein »künstliches Steuergefühl« vorsehen (DE-OS
24 50 158). Jedoch auch diese Einrichtungen, die auf die Hand des Piloten Initialkräfte und Federkräfte etc.
ausüben, verhindern ein Übersteuern des Flugzeugs nicht, nachdem diese Initialkräfte überwunden sind.
Es zeigt sich, daß die Einrichtungen nach dem bekannten Stand der Technik im wesentlichen mit fest
eingestellten oder vom Flugbereich und der Konfiguration abhängig programmierten Knüppelkräften arbeiten,
die jedoch durch die Dynamik des Fluggerätes und die Reglerdynamik unbeeinflußt sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung zu schaffen, bei der auf die Steuerorgane
des Piloten eine der Regelabweichung entsprechende Gegenkraft und/oder Dämpfungskraft aufgeschaltet
wird, die verhindert, daß der Pilot das Fluggerät übersteuert, bzw. durch zu rasche Führungskommandos
gegenüber dem Fluggerät außer Phase gerät, wodurch gefährliche Flugzustände vermieden werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein von der Stellung der Handsteuervorrichtung abgeleitetes Signal
einem Summationsverstärker zugeleitet wird, dessen — aus dem Signal der Handsteuervorrichtung und dem
Kreiselrückführsignal gebildeten — Differenzsignal einem Grenzwertgeber und gleichzeitig einer Steuerorgan-Kraft-
und Dämpfungseinheit zugeführt wird und das Ausgangssignal des Grenzwertgebers sowohl den
Stellmotoren als auch der Steuerorgan-Kraft- und Dämpfungseinheit eingegeben wird, wobei letzterer
zusätzlich noch das der Laufgeschwindigkeit der Stellmotoren proportionale Signal, die Signale des
Statikdruckes, der Druckhöhe und der Normalbeschleunigung aufgeschaltet und von dort einem in bekannter
Weise arbeitenden Generator für künstliches Steuergefühl zugeführt werden.
Durch diese Maßnahmen ist nicht nur die sofortige Einwirkung des Handsteuersystems auf die Flugzustände
gegeben, sondern es werden Übersteuerungen
weitestgehend verhindert. Für Präzisionsmanöver sind die Knüppelkräfte entsprechend reduziert und erlauben
somit eine exaktere Führung des Flugzeuges. Außerdem wird in vorteilhafter Weise die Trimmstellung durch
entsprechende Nullpunktverschiebung direkt auf das Steuerorgan übertragen und der Pilot wieder in den
Regelkreis mit einbezogen.
Weitere Maßnahmen der Erfindung sind im Unteranspruch niedergelegt. Die Erfindung ist anhand eines
Ausführungsbeispiels beschrieben und erläutert und in den Zeichnungen dargestellt Es zeigt
F i g. 1 ein Blockdiagramm des Steuerkreises für die Höhensteuerung;
F i g. 2 ein Blockdiagramm des Steuerkreises für die Seitensteuerung.
Bei dem Ausführungsbeispiel eines Steuerkreises für die Höhensteuerung gemäß F i g. 1 wirkt das Pilotenkommando
durch eine Verstellung des Knüppels 10 über einen elektrischen Abgriff 11 auf den Summationsverstärker
12 und wird dort mit dem Rückführsignal des Wendekreisels 13 für die Anstellwinkeländerung verglichen.
Das Differenzsignal 14 aus Sollwert und Istwert wird nun einmal über entsprechende Netzwerke 15, 16, 17
modifiziert und einem Grenzwertgeber 18 zugeführt. Parallel dazu wird dieses Signal 14 einer Steuerorgan-Kraft-
und Dämpfungseinheit 20 zur Veränderung des Knüppelkraftgradienten zugeleitet, der nach einer
vorgegebenen Funktion bei größer werdendem Signal erhöht wird.
Das Signal des Grenzwertgebers 18 wirkt sodann über Mixer 19a, 196 auf die beiden Stellmotore 21a, 216,
um dort die entsprechende Verstellung der Ruder 22 einzuleiten. Gleichzeitig aber wird dieses Signal auch
der Steuerorgan-Kraft- und Dämpfungseinheit 20 aufgeschaltet. Da dieses Signal der Stellung der Ruder
22 proportional ist, kann nach geeigneter Filterung der Kraftnullpunkt der Kraftkennlinie verschoben werden.
Bei automatischen Betriebsarten bewirkt dies eine automatische Knüppeltrimmung. Sobald die Signalgröße
sich nun der Begrenzung des Grenzwertgebers 18 nähert, wird von diesem ein weiteres Signal 29 der
Steuerorgan-Kraft- und Dämpfungseinheit 20 zugeleitet, die wiederum nach einer vorgegebenen Funktion die
Kraftcharakteristik eines Generators für künstliches Steuergefühl 25 und gegebenenfalls bei zu raschem
Anstieg des Signals die Dämpfungscharakteristik nach einer vorgegbenen Funktion verändert.
Bei diesem differentiell bewegbaren Höhenleitwerk wird nun der Steuerorgan-Kraft- und Dämpfungseinheit
20 im folgenden kurz Einheit 20 genannt, ein der Laufgeschwindigkeit der Stellmotoren 21a, 216 proportionales
Signal zugeführt. In dem gezeichneten Ausführungsbeispiel sind es die Ausgangssignale der Verstärker
23 und 24. Diese Signale erhöhen über eine vorgegebene Funktion das Dämpfungssignal zum
Generator des künstlichen Steuergefühls 25 dergestalt, daß der Pilot keine die maximale Laufgeschwindigkeit
des Stellmotors 21a, 21i> überschreitenden Eingaben bzw. Steuerknüppelbewegungen machen kann.
Das Pilotentrimmkommando 26 wird in an sich bekannter Weise am Steuerknüppel 10 elektrisch
erzeugt und gleichfalls der Einheit 20 zugeführt Hier wird aufgrund dieses Signals eine Verschiebung des
ίο Nullpunktes der Kraftkennlinie bewirkt Die Basiskennlinie
der Knüppelkraft wird in bekannter Weise durch Aufschaltung des Statikdruckes Ps, der Druckhöhe Pt
und gegebenenfalls weiterer Parameter — wie beispielsweise der Flügelschwenkwinkel Λ erzeugt
Eine weitere Anpassung der Knüppelkraft wird durch die Aufschaltung der Normalbeschleunigung ^erreicht,
da das primäre Steuergefühl für den Piloten das Verhältnis von Knüppelkraft zu Normalkraft darstellt.
In diesem Falle kann gegebenenfalls die Aufschaltung
2ü von P1, Ps und Λ entfallen.
Die auf die wie oben beschrieben gewonnenen Kraft-27 und Dämpfungssignale 28 werden dem Generator für
künstliches Steuergefühl 25, das in bekannter Weise arbeitet, zugeführt und dort in entsprechende Kräfte
umgesetzt
Dieses vorbeschriebene System der Signalgewinnung, Verarbeitung der Signale und Krafterzeugung im
Generator für künstliches Steuergefühl 25 erfolgt in prinzipiell gleicher Weise wie vorbeschrieben erläutert,
jü auch bei der Seitensteuerung wie in F i g. 2 dargestellt
Das hier gezeigte Beispiel bezieht sich auf ein analog arbeitendes Steuersystem. Bei digitalen elektrischen
Steuerungssystemen ist das Verfahren noch besser anwendbar, da die jeweils benötigten Parameter noch
> leichter und noch genauer gewonnen werden können.
Die angeführten Größen, die zur Gewinnung der Kraft- und Dämpfungssignale 27, 28 in diesem Beispiel
verwendet werden, können je nach Aufgabenstellung verändert werden. Wesentlich ist, daß solche Signale
Verwendung finden, die den Zustand des Regelvorganges genau genug beschreiben, um den Piloten über seine
Strecke (Flugzeug) und deren dynamischen Zustand durch entsprechende Gegenkräfte und Dämpfung
seiner Stellorgane zu informieren, gleichzeitig aber auch durch entsprechend hohe Kräfte und Dämpfung zu
verhindern, daß er das Gesamtsystem in statische und dynamische Sättigung treiben kann bzw. im Regelkreis
des Fluggeräts so große Phasenwinkel auftreten können, daß dieses System seine Leistungsgrenzen
überschreitet bzw. in selbsterregte Schwingungen gerät In den Figuren der Zeichnung sind die einzelnen
Bauelemente und Baueinheiten mit dem internationalen Fachausdruck bezeichnet, so daß Aufbau und Funktionsweise
vollständig, schnell und eindeutig entnommen werden können.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Steuereinrichtung zur Betätigung der Steuerflächen
eines Flugzeuges mit einer Handsteuervorrichtung mit einem Generator für künstliches Steuergefühl,
die mit einer automatischen Steuereinrichtung zusammenarbeitet, dadurch gekennzeichnet,
daß ein von der Stellung der Handsteuervorrichtung abgeleitetes Signal einem Summationsverstärker
(12) zugeleitet wird, dessen aus dem Signal der Handsteuervorrichtung und dem Kreiselrückführsignal
gebildeten Differenzsignal (14) einem Grenzwertgeber (18) und gleichzeitig einer Steuerorgan-Kraft-Dämpfungseinheit
(20) zugeführt wird und das Ausgangssignal des Grenzwertgebers (18) sowohl den Stellmotoren (21a, 2tb) als auch der
Steuerorgan-Kraft- und Dämpfungseinheit (20) eingegeben wird, wobei letzterer zusätzlich noch das
der Laufgeschwindigkeit der Stellmotoren (21a, 2ib) proportionale Signal, die Signale des Statikdruckes
(Ps), der Druckhöhe (P) und der Normalbeschleunigung
/i2 aufgeschaltet und von dort einem in
bekannter Weise arbeitenden Generator für künstliches Steuergefühl (25) zugeführt werden.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalgewinnung, Verarbeitung
der Signale und Krafterzeugung im Generator für künstliches Steuergefühl (25) sowohl für die
Längs- als auch für die Seitensteuerung in Aufbau und Funktion gleich ist.
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