DE3212950C1

DE3212950C1 - Flugsteuerung,insbesondere fuer einen Hubschrauber

Info

Publication number: DE3212950C1
Application number: DE3212950A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 8000 München König
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1982-04-07
Filing date: 1982-04-07
Publication date: 1983-10-27
Also published as: FR2524859B1; IT8320403A0; FR2524859A1; US4573125A; GB8308642D0; GB2118327B; IT1161925B; GB2118327A

Description

45

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flugsteuerung, ^v insbesondere für einen Hubschrauber, mit mindestens einer mechanischen Steuersignalstrecke und einem dieser zugeordneten, internen Reglersystem, das ein die Regelabweichung bildendes Differenzsignal zwischen einer führungsgrößengebenden eingangsseitig und einer istwertgebenden ausgangsseitig der mechanischen Steuersignalstrecke gelegenen Steuersignal-Meßstelle erzeugt, einschließlich eines in Steuersignal-Übertragungsrichtung hinter der eingangsseitigen Meßstelle einwirkenden Stellantriebs, der der Flugsteuerung ein aus der Regelabweichung abgeleitetes Korrektursignal aufschaltet

Bei vielgliedrigen, mechanischen Steuersignalsirekken, wie __ sie etwa in Flugsteuerungen Verwendung finden, kommt es aufgrund von mechanischem Spiel (Lose), reibungsbehafteten Elastizitäten u. dgl. zu einer nichtlinearen, hysieresebehafteten Signalübertragung, deren Folge Steuerungsungenauigkeiten und Dauerschwingungen relativ niedriger Frequenz und hoher Amplitude, sog. Grenzzyklen sind, die sich vor allem bei Hubschraubern mit Flugregelungen höchst störend auf das Flugverhalten auswirken.

Auf mechanische Weise, etwa durch Verkürzung der Steuersignalstrecke und/oder möglichst spielarme Ausbildung ihrer Gelenkstellen, können derartige destabilisierende Nichtlinearitäten, wenn überhaupt, nur in begrenztem Umfang und mit einem hohen Fertigungsund Kostenaufwand verringert werden.

Bei den bekannten Steuerungen der eingangs erwähnten Art ist nun ein internes Reglersystem vorgesehen, das mit dem Differenzsignal zwischen einer eingangsseitigen und einer ausgangsseitigen Meßstelle der mechanischen Steuersignalstrecke als Regelabweichung arbeitet, die — zumeist verstärkt — als Stell- oder Korrektursignal einem zwischen den Meßstellen gegensinnig zur Regelabweichung auf die mechanische Steuersignalstrecke einwirkenden Stellantrieb zugeführt wird. Die erwähnten Instabilitäten in Form von Dauerschwingungen oder Grenzzyklen lassen sich mit einem solchen internen Reglersystem jedoch nicht oder günstigstenfalls nur geringfügig abbauen, vor allem dann nicht, wenn in die mechanische Steuersignalstrekke automatische Steuersignale, z. B. die Flugführungssignale eines Flugreglers oder eines Autopiloten zusätzlich oder wahlweise zu den manuellen Steuerkommandos des Piloten, eingegeben werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß die in der mechanischen Steuersignalstrecke vorhandenen, destabilisierenden Nichtlinearitäten in einfacher Weise unwirksam gemacht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Steuerung der beanspruchten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das interne Reglersystem eine auf den Stellantrieb einwirkende, das Korrektursignal für die mechanische Steuersignalstrecke durch Integration der Regelabweichung ableitende Integrationsstufe enthält.

Die erfindungsgemäße Steuerung basiert auf der Überlegung, daß die destabilisierenden Nichtlinearitäten, also etwa das Gestängespiel der mechanischen Steuersignalstrecke durch Aufschalten eines Korrektursignals, das aus einer Integration der Regelabweichung gewonnen wird, ständig mit so hoher Frequenz oszillierend durchfahren werden, daß eine quasi-starre, -losefreie Koppelung zwischen dem Ein- und dem Ausgang der mechanischen Steuersignalkette entsteht und 'das Auftreten von im Vergleich zum Korrektursignal niederfrequenten Grenzzyklen unterbunden wird. Dies garantiert selbst bei hoher Verstärkung und mit äußerst geringem Bauaufwand eine bisher nicht erreichbare Genauigkeit und Stabilität der Flugdynainik, und die erfindungsgemäße Steuerung eignet sich in hervorragender Weise für alle Anwendungsfälle, in denen die aus der mechanischen Signalübertragung resultierenden, destabilisierenden Nichtlinearitäten wirkungslos gemacht werden sollen, und mit besonderem Vorteil als Flugsteuerung für Hubschrauber, die ja hochempfindlich auf eine hysteresebehaftete Ansteuerung der Flugdynamik reagieren und zumeist ein sehr verwickeltes Steuergestängesystem benötigen.

Um die Arbeitsfrequenz des internen Reglersystems, mit der die Hysterese-Totzone der mechanischen Steuersignalstrecke durchfahren wird, zu erhöhen, wird die integrierte Regelabweichung vor der Eingabe in den Stellantrieb gemäß Anspruch 2 vorzugsweise durch einen der Integrationsstufe zugeordneten Verstärkerteil geleitet, durch dessen Verstärkungsfaktor die Übertragungsgenauigkeit der mechanischen Steuersignalstrekke soweit gesteigert werden kann, bis die Stabilitätsgrenzen, die aufgrund der bei realen Systemen immer

vorhandenen höherfrequenten dynamischen Anteile entstehen, erreicht werden.

Eine weitere Verbesserung des Regelverhaltens wird gemäß Anspruch 3 zweckmäßigerweise dadurch erzielt, daß dem Differenzsignal in einer der Integrationsstufe vorgeschalteten Differentiationsstufe Differentialanteile beigefügt werden, um dadurch die oszillierenden Stellbewegungen des Stellantriebs zu dämpfen und z. B. trägheitsbedingte Überschwingungen über die Nichtlinearitätsgrenzen der mechanischen Steuersignalstrecke Ό hinaus abzubauen. Die Stabilitätsgrenzen von höherfrequenten dynamischen Anteilen können dadurch in einem ausreichenden Maß erweitert werden.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 4 ein auf den Stellantrieb >⁵ einwirkender Flugregler vorgesehen, der ausgangsseitig an den einen Eingang einer die Regelabweichung ermittelnden, am anderen Eingang mit dem Differenzsignal beaufschlagten Vergleichsstufe angeschlossen ist. Auf diese Weise wird nicht nur eine von störenden Dauerschwingungen freie Signalübertragung auch und vor allem der in dieser Hinsicht besonders kritischen Flugregler-Ausgangssignale gewährleistet, ohne daß es zur Eingabe dieser Flugreglersignale eines zusätzlichen, in Signalübertragungsrichtung vor der eingangsseitigen Meßstelle liegenden Stellantriebs bedarf, sondern durch funktionsmäßige Hintereinanderschaltung von Flugregler und internem Reglersystem und die Verwendung des Flugregler-Ausgangssignals als weitere Führungsgröße für die interne Regelung wird auch das Korrektursignal an das Flugregler-Ausgangssignal in der Weise angepaßt, daß die Hysterese-Totzone mit der für das jeweilige Flugregler-Ausgangssignal günstigsten Geschwindigkeit und Frequenz durchfahren und die Flugregelgüte deutlich verbessert wird. Die Einbeziehung des Flugregler-Ausgangssignals in das interne Reglersystem erfolgt gemäß Anspruch 5 zweckmäßigerweise dadurch, daß die Vergleichsstufe in Signalflußrichtung hinter der Differentiationsstufe angeordnet ist, also das Flugregler-Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal der Differentiationsstufe verglichen wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, in der eine Flugsteuerung einschließlich eines internen Reglersystems und eines zugeordneten Flugreglers im Blockschaltbild dargestellt ist.

Die gezeigte Steuerung 2 dient zur Übertragung und Kraftverstärkung von Flugsteuersignalen, die vom Piloten her einerseits in Form von manuellen Steuerkommandos όι und andererseits in Form von Trimmsignalen 02 über einen Trimmwertantrieb 4 in die Flugsteuerung 2 eingegeben, in einer Summierstufe 6 addiert, anschließend nach Durchlaufen einer insgesamt mit 10 bezeichneten, mechanischen Steuersignalstrecke, in der ein z. B. hydraulischer Booster angeordnet ist, über den Ausgang A und z. B. den Blattwinkel-Verstellanschluß der Rotorblätter eines Hubschraubers der (nichtgezeigten) Flugdynamik zugeführt werden. Infolge von destabilisierenden Nichtlinearitäten, wie sie symbolisch durch das Gestängespiel 12 und die reibungsbehaftete Elastizität 14 dargestellt sind, kommt es bei der Übertragung der Steuersignale zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A der mechanischen Steuersignalstrecke 10 zu — ebenfalls symbolisch durch das Hysterese-Kennbild 16 veranschaulichten — Instabilitäten, deren Folge Ungenauigkeiten und flugmechanische Dauerschwingungen sind, die vor allem dann stark ausgeprägt in Erscheinung treten, wenn von der mechanischen Steuersignalstrecke 10 zusätzlich höherverstärkte Flugregelungssignale aus einem Flugregler 18 übertragen werden, die mit den pilotenseitigen Steuersignalen δι, 02 gemischt werden oder diese ersetzen und ebenfalls die destabilisierenden Nichtlinearitäten 12, 14 der mechanischen Steuersignalstrecke 10 durchlaufen.

Um derartige Nichtlinearitäten der mechanischen Steuersignalstrecke 10 unwirksam zu machen, ist dieser ein insgesamt mit 20 bezeichnetes, internes Reglersystem zugeordnet, das über einen ersten führungsgrößengebenden Weggeber 22 an eine erste, eingangsseitige Meßstelle 24 und über einen zweiten istwertgebenden Weggeber 26 an eine zweite, ausgangsseitige Meßstelle 28 der mechanischen Steuersignalstrecke 10 angeschlossen ist, d. h., die Meßstellen 24, 28 liegen in Signalübertragungsrichtung vor bzw. hinter den destabilisierenden Nichtlinearitäten 12, 14 der mechanischen Steuersignalstrecke 10. Aus der Differenz der Ausgangssignale der beiden Weggeber 22,26 wird in einer diesen nachgeschalteten, ersten Vergleichsstufe 30 ein Differenzsignal s gebildet, das anschließend entsprechend der Reglerfunktion, die den Typ des internen Reglersystems 20 kennzeichnet, umgeformt wird. Die Reglerfunktion lautet

wobei Vi, V2 vorgewählte Verstärkungsfaktoren sind, d. h., die Reglerfunktion wird durch eine Differentiationsstufe 32 gebildet, in der dem Differenzsignal zur Dämpfung und Stabilisierung des internen Reglersystems 20 Differentialanteile beigefügt werden.

Das entsprechend dem Regelgesetz umgeformte Differenzsignal χ liegt am einen Eingang einer zweiten Vergleichsstufe 34, deren anderer Eingang mit dem Ausgangssignal des Flugreglers 18, das neben der ersten Führungsgröße <5i +O2 die weitere Führungsgröße wdes internen Reglersystems 20 bildet, beaufschlagt wird und die aus der Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Flugreglers 18 und des Ausgangssignals χ der Differentiationsstufe 32 die interne Regelabweichung e ermittelt.

In einer der zweiten Vergleichsstufe 34 nachgeschalteten Integrationsstufe 36 wird die Regelabweichung e zunächst integriert und durchläuft anschließend einen der Integrationsstufe 36 zugeordneten Verstärkerteil 38, der eine bei kleineren Integralwerten hohe, bei größeren Integralwerten jedoch schwächere Verstärkung der integrierten Regelabweichung bewirkt, wie dies durch die abgeknickte Verstärkungskennlinie des Verstärkerteils 38 veranschaulicht ist. In vielen Fällen ist jedoch eine lineare Verstärkungskennlinie ausreichend.

Die verstärkte, integrierte Regelabweichung wird als Stell- oder Korrektursignal 7 einem der Integrationsstufe 36 nachgeschalteten, elektro-hydraulischen Stellantrieb 40 zugeführt und dort in ein entsprechendes mechanisches Korrektursignal umgewandelt, das der mechanischen Steuersignalstrecke 10 in einer in Signalübertragungsrichtung hinter der ersten Meßstelle und vor der zweiten Meßstelle 28 liegenden Mischstufe 42 aufgeschaltet wird.

Von dem internen Reglersystem 20 mit der die Regelabweichung e integrierenden Integrationsstufe 36 wird somit ein verhältnismäßig hochverstärktes Stell-

oder Korrektursignal /erzeugt, das bereits bei kleinster Regelabweichung e sehr schnell und so lange anwächst, bis die gegenkoppelnde Rückführung wieder ausreichend wirksam wird, so daß die Hysterese-Breite der mechanischen Steuersignalstrecke 10 ständig mit hoher Frequenz oszillierend durchfahren und dadurch ihre zwischen den Meßstellen 24, 28 liegenden, destabilisierenden Nichtlinearitäten 12, 14 unwirksam gemacht werden.

Durch die Wahl des Verstärkungsgrades des Verstärkerteils 38 lassen sich die Übertragungsgenauigkeit und die Frequenz, mit der die Hysterese-Breite durchfahren wird, innerhalb der Stabilitätsgrenzen, die sich aus den bei realen Systemen immer vorhandenen, höherfre-

quenten dynamischen Anteilen ergeben, beliebig steigern, wobei sich in dieser Hinsicht die durch die Differentiationsstufe 32 gebildete Reglerfunktion mit Differentialanteilen sehr günstig auf die Stabilisierung des internen Reglersystems 20 auswirkt. Gleichzeitig wird durch die Einbeziehung des Flugregler-Ausgangssignals als Führungsgröße der internen Regelung 20 erreicht, daß das Korrektursignal 7 nach Amplitude und Frequenz an das Ausgangssignal des Flugreglers 18 angepaßt und auch bei einer sehr hohen Verstärkung des Flugregler-Ausgangssignals Dauerschwingungen der der Flugsteuerung 2 nachgeschalteten Flugdynamik wirksam beseitigt werden, ohne daß eine Einbuße an Regelgüte in Kauf genommen werden muß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flugsteuerung, insbesondere für einen Hubschrauber, mit mindestens einer mechanischen Steuersignalstrecke und einem dieser zugeordneten, internen Reglersystem, das ein die Regelabweichung bildendes Differenzsignal zwischen einer führungsgrößengebenden eingangsseitig und einer istwertgebenden ausgangsseitig der mechanischen Steuersignalstrecke gelegenen Steuersignal-Meßstelle erzeugt, einschließlich eines in Steuersignal-Übertragungsrichtung hinter der eingangsseitigen Meßstelle einwirkenden Stellantriebs, der der Flugsteuerung ein aus der Regelabweichung abgeleitetes Korrektursignal aufschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß das interne Reglersystem (20) eine auf den Stellantrieb (40) einwirkende, das Korrektursignal (y) für die mechanische Steuersignalstrecke (10) durch Integration der Regelabweichung (e) ableitende Integrationsstufe (36) enthält.

2. Flugsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsstufe (36) einen ausgangsseitig an den Stellantrieb (40) angeschlossenen, die integrierte Regelabweichung verstärkenden Verstärkerteil (38) aufweist.

3. Flugsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrationsstufe (36) eine das interne Reglersystem (20) dämpfende Differentiationsstufe (32) vorgeschaltet ist.

4. Flugsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem auf den Stellantrieb einwirkenden Flugregler, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugreglerausgang an den einen Eingang einer die Regelabweichung (e) ermittelnden, am anderen Eingang mit dem Differenzsignal beaufschlagten Vergleichsstufe (34) angeschlossen ist.

5. Flugsteuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe (34) zwischen die Differentiations- und die Integrationsstufe (32,36) geschaltet ist