DE2807902C2 - Steuereinrichtung mit aktiver Kraft rückführung - Google Patents

Steuereinrichtung mit aktiver Kraft rückführung

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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 Zeitdauer angehalten bzw. gewirkt haben, arbeitet diese Einrichtung für Überschallflugzeuge zu langsam.
Um solche Verzögerungen auszuschalten, schlägt die DE-OS 21 25 358 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
•o 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 Rückkopplungs schleife aufgehoben. Wenn jedoch' das nicht-mechani sche 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 KK'jppelkräften arbei- ten, 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 entspre- chende 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.
so 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 Steuergc-
61> fühl 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 Ansiellwinkeländerung 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 werdenden Signal erhöht wird.
Das Signal des Grenzwertgebers 18 wirkt sodann über Mixer 19a, 19b auf die beiden Stellmotor 21a, 2lb, 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 Krafitcharakteristik 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 Ausführungsbeispicl sind es die Ausgangssignale der Verstärker 23 und 24. Üiese 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, 21b 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 ΡΛ der Druckhöhe P, und gegebenenfalls weiterer Parameter — wie beispielsweise der Flügelschwenkwinkel Λ erzeugt
Eine weitere Anpassung der Knüppelkraft wird durch die Aufschaltung der Normalbeschleunigung nz erreicht da das primäre Steuergefühl für den Piloten das Verhältnis von Knüppelkraft zu Normalkraft darstellt. In diesem Falle kann gegebenenfalls die Aufschaltung von Ρ,, P5 und Λ entfallen.
Die auf die wie oben beschrieben gewornenen Krafl-27 und Dämpfungssignale 28 werden dem Generator für künstliches Steuergefühl 25, das in bekannter Weise arbeitet zugeführt und dort in entsprechende Kräfte umgeset-t
Dieses vorbeschriebene System der Signalgewinnung, Verarbeitung der Signale und Krafterzeugung im Generator für künstliches Steuergefühl 25 erfolgt in prinzipiell gleicher Weise wie vorbeschrisben erläutert, 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 üsnau 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)

Patentansprüche:
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, 2t b) als auch der Steuerorgan-Kraft- und Dämpfungseinheit (20) eingegeben wird, wobei letzterer zusätzlich noch das der Laufgeschwindigkeit der Stellmoto. en(2ta,2ib) proportionale Signa!, die Signale des Statikdruckes (P1), der Druckhöhe (P1) und der Normalbeschleunigung rtz 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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