DE3240814A1 - Steuersystem fuer die taumelscheibe eines hubschraubers - Google Patents

Steuersystem fuer die taumelscheibe eines hubschraubers

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DE3240814A1
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DE19823240814
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Mukund 02194 Needham Mass. Desai
Eliezer 02143 Somerville Mass. Gai
Bruce K. 44120 Shaker Heights Ohio Walker
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Charles Stark Draper Laboratory Inc
Original Assignee
Charles Stark Draper Laboratory Inc
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    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/54Mechanisms for controlling blade adjustment or movement relative to rotor head, e.g. lag-lead movement
    • B64C27/58Transmitting means, e.g. interrelated with initiating means or means acting on blades
    • B64C27/59Transmitting means, e.g. interrelated with initiating means or means acting on blades mechanical
    • B64C27/605Transmitting means, e.g. interrelated with initiating means or means acting on blades mechanical including swash plate, spider or cam mechanisms

Description

HOEGER, ST-ELÜRECHT &-.PARTNER
PA T" Έ N- -T AN- -W A-~ T "ε »*.!..
14 c · d 70oo Stuttgart ι
A 45 301 b Anmelder: The Charles Stark Draper
k - 176 Laboratory, Inc.
26. Oktober 1982 555 Technology Square
Cambridge, MA 02139
USA
Steuersystem für die Taumelscheibe eines Hubschraubers
Die Erfindung betrifft ein Steuersystem für die Taumelscheibe eines Hubschraubers.
Die Steuerung der Taumelscheibe eines Hubschraubers besteht darin, daß die Orientierung der Taumelscheibe für den Hauptrotor gesteuert bzw. geregelt wird. Diese Taumelscheibe besitzt einen Freiheitsgrad der Trans- ' lation, die als "kollektiv" bezeichnet wird, und zwei Freiheitsgrade der Rotation, die der Rollbewegung bzw. der Stampfbewegung entsprechen. Im allgemeinen ist für die Steuerung der Taumelscheiben-Orientierung die genaue Angabe der Orientierung einer Ebene im Raum erforderlich. Da drei nicht auf einer Line liegende Punkte eine Ebene definieren, werden bei dem üblichen Verfahren der Taumelscheibensteuerung drei, nicht auf einer Linie liegende hydraulische Stellvorrichtungen verwendet, die unabhängig voneinander angesteuert werden, damit sie die Position einnehmen, die zu der gewünschten Ausrichtung der Taumelscheibe führen.
Für die Steuerung von Hubschrauber-Taumelscheiben wurden auch bereits redundante Betätigungssysteme
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entwickelt. Die Redundanz wird dabei dazu verwendet, die Zuverlässigkeit zu verbessern und das Auftreten lebensgefährlicher Flugzustände,zumindest weitgehend, zu verhindern. Bei den vorbekannten Steuersystemen ist die Redundanz in der Weise verwirklicht, daß entweder mehrere hydraulische Kolben/Zylinder-Aggregate verwendet werden, um jede der drei Steuerstangen zu beaufschlagen (Kraftsummierung) oder dadurch, daß mehr als ein Steuerventil verwendet wird, um die Druckmittelzufuhr zu einem einzigen Kolben/Zylinder-Aggregat zu regeln, welches jeweils eine der Steuerstangen beaufschlagt (redundante Sekundärstufe). Bei beiden Steuerverfahren konzentriert man sich auf die Stellvorrichtungen, die auf drei verschiedene Punkte der Taumelscheibe einwirken, wodurch die Möglichkeiten des Taumelscheibenreglers gewisse mechanische Schäden und gewisse Fehlfunktionen zu "überleben", die durch Ermüdungsbrüche, durch Versagen einer Steuerstange oder durch Fressen eines Kolbens eines Kolben/ Zylinder-Aggregats herbeigeführt werden können, eingeschränkt werden.
Ein etwas anderes Verfahren der Taumelseheibensteuerung wurde von Corlock, G., et al in der Arbeit "STAR Flight Control System" vorgeschlagen, die beim Helicopter Flight Control Meeting der American Helicopter Society im Oktober 1978 vorgelegt wurde. Bei diesem System werden zur Vermeidung der offensichtlichen Nachteile der früheren Systeme fünf Stellvorrichtungen verwendet, die symmetrisch rings um die Taumelscheibe angeordnet sind und somit ein
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"Stern"-Muster bilden; wodurch es möglich wird, beim Ausfall von bis zu zwei Stellvorrichtungen die Taumelscheiben-Orientierung mit Hilfe der noch aktiven verbleibenden Stellvorrichtungen zu steuern. Gemäß dem in der angegebenen Arbeit enthaltenen Vorschlag erfolgt die Steuerung dabei stets nur mit Hilfe von drei Stellvorrichtungen, während die übrigen Stellvorrichtungen nicht aktiviert werden. Mit Hilfe eines Auswahl-Logikschemas werden dabei fehlerhaft arbeitende Stellvorrichtungen ermittelt, welche später stets im nicht aktivierten Zustand gehalten werden. Die Regel- bzw. Steuervorrichtung steuert die -drei verbleibenden Stellvorrichtungen so, daß die gewünschte Taumelscheibenposition eingestellt wird, und zwar in ähnlicher Weise wie bei einer konventionellen Steuerung.
Während mit dem vorstehend beschriebenen jüngeren System viele Nachteile der früheren Systeme vermieden werden, ergibt sich bei diesem System die Möglichkeit, daß unter gewissen Bedingungen, beispielsweise dann, wenn zwei benachbarte Stellvorrichtungen ausgefallen sind, stark unterschiedliche Kräfte an den drei gesteuerten Stellvorrichtungen wirksam werden. In diesen Fällen können an einzelnen Stellvorrichtungen relativ hohe Belastungen auftreten, wodurch die Möglichkeiten für ein Versagen derselben erhöht werden. Außerdem schließt diese ungleichmäßige Belastung der Stellvorrichtungen in dem neueren Steuersystem die sehr vorteilhafte Möglichkeit aus, Fehlfunktionen aufgrund von Vergleichen festzustellen, so daß zu diesem Zweck
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• ο
• OO O
• ο a
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die weniger zuverlässigen Selbstprüf-Techniken angewandt werden müssen. Außerden können sich bei den zunächst nicht aktivierten Stellvorrichtungen zu Beginn ihres Einsatzes unerwünschte Übergangsbedingungen ergeben, wenn sie in das System eingeschaltet werden, um eine der zunächst aktiven Stellvorrichtungen des Steuersystems zu ersetzen.
Ausgehend vom Stande der Technik und der vorstehend aufgezeigten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes, redundantes Taumelscheiben-Steuersystem für Hubschrauber, anzugeben. Dabei wird insbesondere eine optimale Lastverteilung für die einzelnen Stellvorrichtungen des Steuersystems angestrebt. Weiterhin wird angestrebt, die Übergangsvorgänge an den einzelnen Stellvorrichtungen bei einer Änderung der Betriebsbedingungen auf ein Minimum zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Steuersystem der eingangs beschriebenen Art gelöst, welches durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
a) Mit der Taumelscheibe sind fünf oder mehr,insbesondere sternförmig angeordnete hydraulische Stellvorrichtungen gekoppelt, von denen jede einen ■ Kolben aufweist, der auf ein Befehlssignal für diesen Kolben anspricht und von denen jede weiter zugehörige erste Wandlereinrichtungen umfasst,
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um ein Kolbenpositionssignal zu erzeugen, welches der Position des Kolbens entspricht, sowie zweite Wandlereinrichtungen, um ein Kolben.-Differenzdrucksignal zu erzeugen, welches der Druckdifferenz über dem Kolben entspricht, sowie Befehlssignalerzeugungseinrichtungen zum Erzeugen des Befehlssignals;
b) es sind Reglereinrichtungen vorgesehen, welche Einrichtungen umfassen, die auf die Kolben-Differenzdrucksignale von allen Stellvorrichtungen ansprechen, um ein Bezugs-Differenzdrucksignal für jede der Stellvorrichtungen zu erzeugen, wobei die Bezugs-Differenzdrucksignale lineare Kombinationen der Kölben-Differenzdrucksignale sind und wobei die BefehlssignalerZeugungseinrichtungen Einrichtungen umfassen, um das Befehlssignal für jeden einzelnen Kolben zu erzeugen, so daß das Befehlssignal die Summe zweier Differenzen darstellt, von denen die eine die Differenz zwischen dem Kolben-Positionssignal für den betreffenden Kolben und einem Signal ist, welches einer Bezugsposition für den betreffenden Kolben entspricht und von denen die zweite die Differenz zwischen dem Kolben-Differenzdrucksignal für den betreffenden Kolben und dem Bezugsdifferenzdrucksignal für den betreffenden Kolben ist. ·
Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Steuersystems besteht darin, daß es als ein redundantes Steuersystem für eine Hubschrauber-Taumelscheibe
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ausgebildet ist und fünf oder mehr, nicht auf einer Linie angeordnete hydraulische Stellvorrichtungen umfasst, die mit der Taumelscheibe gekuppelt sind. Alle diese Stellvorrichtungen werden;solange sie einwandfrei funktionieren, aktiv in der Weise gesteuert, daß die Taumelscheiben-Steuerung bzw. die Positionssteuerung für die Taumelscheibe mit einem Minimum an hydraulischer Energie bewirkt wird.
Jeder der Stellvorrichtungen weist einen hydraulischen Stempel bzw. einen Kolben auf, welcher auf die für ihn vorgesehenen Befehlssignal anspricht. Jede Stellvorrichtung umfasst ferner einen zugeordneten ersten Wandler zum Erzeugen eines Stößel- bzw. Kolben-Positionssignals, welches der Position des Kolbens bzw. Stößels entspricht, sowie einen zweiten Wandler zum Erzeugen eines Stößel- bzw. Kolben-Differenzdrucksignals, welches dem Differenzdruck entspricht, der über dem Stößel bzw. Kolben wirksam ist.
Der Regler des erfindungsgemäßen Steuersystems spricht einerseits auf die Kolben-Differenzdrucksignale sämtlicher Stellvorrichtungen an und erzeugt für jede der Stellvorrichtungen ein Referenz- bzw. Bezugs-Differenzdrucksignal, welches durch eine lineare Kombination der betreffenden Kolben-Differenzdrucksignale gebildet wird.
Im allgemeinen besteht das für jede einzelne Stellvorrichtung bzw. für jeden Kolben erzeugte Befehls-
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signal aus der Summe zweier Summanden, von denen der eine die Differenz zwischen dem Kolben-Positionssignal für den betreffenden Kolben und einem Signal ist, welches einer Bezugsposition für diesen Kolben entspricht, und von denen der zweite die Differenz zwischen dem Kolben-Differenzdrucksignal für den betreffenden Kolben und .dem Bezugs-Differenzdrucksignal für diesen Kolben ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Bezugs-Differenzdrucksignale für die einzelnen Kolben in Abhängigkeit von den gemessenen bzw. den mit Hilfe der Detektoren erfassten Kolben-Differenzdrucksignale durch Minimum-Normtransformationen erhalten.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung sind ferner Detektoren zum Erfassen von Fehlfunktionen der hydraulischen Stellvorrichtungen und zum Trennen dieser fehlerhaften Stellvorrichtungen von den übrigen Elementen des Systems vorgesehen. Außerdem wird bei einigen bevorzugten Steuersystemen gemäß der Erfindung eine Stellvorrichtung dann als fehlerhaft eingestuft, wenn die Differenz zwischen dem Bezugs-Differenzdrucksignal und dem Kolben-Differenzdruck für die betreffende Stellvorrichtung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Steuersystems gemäß der Erfindung und
Fig. 2 ein Blockdiagramm der wesentlichen Teile eines Steuersystems gemäß Fig. 1.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuersystems, welches geeignet ist, die räumliche Orientierung eines feststehenden Ringes 12 der Taumelscheibenanordnung für den Rotor eines Hubschraubers so zu steuern, daß ein Steigflug, ein Geradeausflug oder ein Sinkflug erreicht wird. Wie Fig. 1 zeigt, ist der feststehende Ring 12 bezüglich der Oberseite eines Getriebegehäuses 14 mit Hilfe von Stellvorrichtungen 21 bis 25 gehaltert, deren eines Ende jeweils an dem Getriebegehäuse befestigt ist und deren andere Enden längs des Umfangs des Ringes 12 angreifen. Die Stellvorrichtungen können dabei im wesentlichen in der von Carlock in dem eingangs erwähnten Aufsatz beschriebenen Weise ausgebildet sein.
Jede Stellvorrichtung 21 bis 25 umfasst einen zugehörigen Wandler, welcher ein Signal liefert, welches die erfasste Position der betreffenden Stellvorrichtung und den Differenzdruck am Kolben der
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betreffenden Stellvorrichtung darstellt. Ein Regler 30 spricht auf die Positions- und Differenzdrucksignale der verschiedenen Stellvorrichtungen an, um Steuersignale für die einzelnen Stellvorrichtungen zu erzeugen. Der Regler 30 umfasst dabei für jede Stellvorrichtung einen Teil, der auf die erfassten Positionssignale sowie auf die Bezugspositionssignale für die betreffende Stellvorrichtung anspricht und außerdem auf die Differenzdrucksignale von sämtlichen Stellvorrichtungen .
Fig. 2 zeigt in Form eines Bloekdiagramms diesen Teil des Reglers 30, welcher der i-ten Stellvorrichtung zugeordnet ist, welche in Fig. 2 als ein Block 38 dargestellt ist. Der Regler 30 enthält entsprechend ausgebildete Teile für jede weitere Stellvorrichtung des Systems. Gemäß Fig. 2 ist die i-te Stellvorrichtung 38 mit einem zugeordneten Positionswandler 40 sowie einem zugeordneten Differenzdruckwandler 42 verbunden. Der Positionswandler 40 liefert auf einer Leitung 40a ein Signal, welches der vom Wandler erfassten (Ist-)Position der Stellvorrichtung 38 entspricht. Dieses Signal wird einem Summiernetzwerk 44 zugeführt. Dem anderen Eingang des Summiernetzwerks 44 wird das Bezugspositionssignal für die i-te Stellvorrichtung über eine Leitung 46 zugeführt. Das Summiernetzwerk erzeugt ein Differenz signal, welches über ein Kompensationsnetzwerk 4 8 und ein Befehls-Summiernetzwerk dem Eingang der Stellvorrichtung 38 zugeführt wird.
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Der Differenzdruckwandler 4 2 liefert auf einer Leitung 42a ein Signal P,, welches dem Differenzdruck über dem Kolben der Stellvorrichtung 38 entspricht. Das erfasste Differenzdrucksignal für die i-te Stellvorrichtung, welches von dem Differenzdruckwandler 4 2 geliefert wird, wird außerdem an ein lineares Kombinationsnetzwerk 56 für diese i-te Stellvorrichtung 38 und ferner an ein entsprechendes lineares Kombinationsnetzwerk für die übrigen Stellvorrichtungen des Systems angelegt. In entsprechender Weise werden die Differenzdrucksignale P .... P, der übrigen Stellvorrich-
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tungen an das lineare Kombinatj-onsnetzwerk 56 für die i-te Stellvorrichtung 38 angelegt. Die Signale auf den Leitungen 42a und 56a werden an die der Bildung einer Diffferenz dienenden Eingänge eines Summiernetzwerks 52 angelegt. Das dabei erhaltene Differenzsignal wird über ein Kompensationsnetzwerk 58 und das Befehls-Summiernetzwerk 50 an den Befehlseingang der Stellvorrichtung 38 gelegt.
Das Differenzsignal, welches der Differenz der Signale auf den Leitungen 42a und 56a entspricht, d.h. das der Abweichung des Differenzdrucks entsprechende Signal, wird außerdem an ein logisches Fehlerdetektor-Netzwerk 60 angelegt. Das Netzwerk 60 liefert ein Augangssignal auf einer Leitung 60a, welches einen fehlerhaften Betrieb der Stellvorrichtung 38 anzeigt, wenn das genannte Differenzsignal einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
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Das lineare Kombinationsnetzwerk 56 verwendet eine lineare Kombination der erfassten Differenzdrucksignale für alle Stellvorrichtungen, um das Bezugs-Drucksignal für die i-te Stellvorrichtung zu bilden. Die Bestimmung der Koeffizienten bei der Kombination hängt allein von der.Geometrie der Stellvorrichtungen ab. Die Koeffizienten werden auf folgende Weise bestimmt: wenn die Anzahl der räumlich getrennten Stellvorrichtungen des Systems N größer oder gleich 5 ist, wird eine 3xN-Matrix C so definiert, daß in der ersten Zeile überall eine 1 steht, während der Rest jeder Spalte sich aus den zwei Richtungs-Kosinuswerten für die Orientierung der Stellvorrichtung bezüglich eines Paares von festen Bezugsachsen ergibt, die in einer Ebene liegen, welche senkrecht zur Nennrichtung
——> der kollektiven"Translationsbewegung liegt. WennZlP
der Vektor der erfassten Differenzdrücke ist und wenn
Δ. P der Vektor der Bezugsdrücke ist, dann ergibt sich die Minimum-Normtransformation gemäß folgender Gleichung: ». ν
Ap = cx/ cc_/ ' CAp
τ
wobei C die transponierte Matrix C ist.
Der Wert Δρ. für die Stellvorrichtung 38 wird unter Verwendung der Koeffizienten in der i-ten Zeile der Matrix C [cc j C berechnet. Der Satz von Bezugsdrücken AP hat dann die Eigenschaft, daß die resultierenden Kräfte und Drehmomente, die auf die Taumelscheibe ausgeübt werden, mit dem resultierenden
*) d.h. eine Matrix mit gegenüber der Matrix C vertauschten Reihen und Spalten.
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Wert von Δ»Ρ identisch sind. Außerdem entspricht der Wert Δ. P der "Minimum-Norm", was bedeutet, daß ^\ P derjenige Wert von Δ, P ist, bei dem die nachstehend angegebene Menge J zu einem Minimum wird:
wobei ZXp jeder Satz von Differenzdrücken ist, die dieselben resultierenden Kräfte und Drehmomente wie A P erzeugen. Da die Norm von- Za P direkt mit der gesamten hydraulischen Energie verknüpft ist, die aufgewendet werden muß, erfolgt also die Steuerung der Stellvorrichtungen zum Erreichen von £\^ P derart, daß dieser Energieaufwand auf ein Minimum reduziert wird.
Bei der erfindungsgemäßen Taumelscheibensteuerung wird also der Verbrauch an hydraulischer Energie auf ein Minimum reduziert. Gleichzeitig wird das sehr erwünschte Merkmal verwirklicht, daß alle verfügbaren Stellvorrichtungen auch ständig im aktiven bzw. eingeschalteten Zustand bleiben. Folglich kann der Satz der Differenzdrücke bzw. der Druck-"Reste" ΓΔ, Pi - Δρ.1 in einem auf der Basis eines Vergleichs arbeitenden Fehlererfassungsschema verwendet werden. Beispielsweise kann der direkte Vergleich der Größe jedes einzelnen "Restes" mit einem Schwellwert benutzt werden, um anzuzeigen, daß eine
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Stellvorrichtung versagt hat, sobald dieser Schwellwert überschritten wird. Da alle Stellvorrichtungen aktiv sind/ werden außerdem hydraulische Startprobleme, wie sie entstehen können, wenn die Benutzung einer Stellvorrichtung aufgrund der Feststellung einer Fehlfunktion unterbrochen wird, vermieden.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß vorstehend lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert wurde und daß dem Fachmann zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müsste.
Leerseit

Claims (5)

  1. HOEGER, S"REUtRE(Jhf3" ^-PARTNER
    ρ α τ"Έ 1W0T a tf°?v vl τ ε· ·-·.
    UHLANDSTRASSE 14 C D 70O0 STUTTGART I
    A 45 301 b Anmelder: The Charles Stark Draper
    k - 176 Laboratory, Inc.
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    Cambridge, MA 02139
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    Patentansprüche
    Ein Steuersystem für die Taumelscheibe eines Hubschraubers, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    a) mit der Taumelscheibe sind fünf oder mehr, insbesondere sternförmig angeordnete hydraulische Stellvorrichtungen gekoppelt, von·denen jede einen Kolben aufweist, der auf ein Befehlssignal für diesen Kolben anspricht und von denen jede weiter zugehörige erste Wandlereinrichtungen umfasst, um ein Kolbenpositionssignal zu erzeugen, welches der Position des Kolbens entspricht, sowie zweite Wandlereinrichtungen, um ein Kolben-Differenzdrucksignal zu erzeugen, welches der Druckdifferenz über dem Kolben entspricht, sowie Befehlssignalerzeugungseinrichtungen zum Erzeugen des Befehlssignals;
    b) es sind Reglereinrichtungen vorgesehen, welche Einrichtungen umfassen, die auf die Kolben-Differenzdrucksignale von allen Stellvorrichtungen ansprechen, um ein Bezugs-Differenz-
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    drucksignal für jede der Stellvorrichtungen zu erzeugen, wobei die Bezugs-Differenzdrucksignale lineare Kombinationen der Kolben-Differenzdrucksignale sind und wobei die Befehlssignalerzeugungseinrichtungen Einrichtungen umfassen, um d as Befehlssignal für jeden einzelnen Kolben zu erzeugen, so daß das Befehlssignal die Summe zweier Differenzen darstellt, von denen die eine die Differenz zwischen dem Kolben-Positionssignal für den. betreffenden Kolben und einem Signal ist, welches einer Bezugsposition für den betreffenden Kolben entspricht und von denen di-e zweite die Differenz zwischen dem Kolben-Differenzdrucksignal für den betreffenden Kolben und dem Bezugsdifferenzdrucksignal für den betreffenden Kolben ist.
  2. 2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsdifferenzdrucksignale Minimum-Normtransformationen der Kolben-Differenzdrucksignale sind.
  3. 3. Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Minimum-Normtransformation folgende Gleichung gilt:
    4P = C [CC J C Δ P
    wobei Δ P ein Vektor ist, welcher die Bezugs-Differenzdrücke darstellt, wobei Ap ein Vektor ist, welcher die Kolben-Differenzdrücke darstellt und wobei C eine 3xN-Matrix ist, bei der alle 1er in der ersten Zeile
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    stehen und bei der der Rest der Spalten aus den zwei Richtungs-Kosinuswerten zusammengesetzt sind, die die Orientierung der betreffenden Stellvorrichtung bezüglich eines Paares von festen Bezugsachsen definieren, die in einer zur Nennrichtung der kollektiven Translation der Taumelscheibe senkrechten Ebene liegen.
  4. 4. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Detektoreinrichtungen zum Erfassen von Fehlfunktionen an den hydraulischen Stellvorrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe diese Stellvorrichtungen des Systems abschaltbar sind.
  5. 5. Steuersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Detektoreinrichtungen derart ausgebildet sind, daß mit ihrer Hilfe dann eine Fehlfunktion einer Stellvorrichtung feststellbar ist, wenn die Differenz zwischen dem Bezugsdifferenzdruck und dem Kolbendifferenzdruck für die betreffende Stellvorrichtung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
DE19823240814 1981-11-06 1982-11-05 Steuersystem fuer die taumelscheibe eines hubschraubers Withdrawn DE3240814A1 (de)

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