DE3407247A1

DE3407247A1 - Automatische, drehmomentbegrenzende hoehenhalteanlage fuer einen hubschrauber

Info

Publication number: DE3407247A1
Application number: DE19843407247
Authority: DE
Inventors: Douglas Harold Trummbull Conn. Clelford; Richard Dennis Trumbull Conn. Murphy; Joseph Peter Madison Conn. Skonieczny
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1983-02-28
Filing date: 1984-02-28
Publication date: 1984-08-30
Anticipated expiration: 2004-02-29
Also published as: NO840704L; SE449597B; GB2135794B; AU2447384A; GB8402596D0; ES530061A0; NO157410C; GB2135794A; JPH0659879B2; DE3407247C2; ES8502930A1; US4564908A; SE8400997D0; JPS59164298A; DK104084D0; SE8400997L; AU556727B2; NO157410B; DK104084A

Description

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Automatische, drehmomentbegrenzende Höhenhalteanlage für einen Hubschrauber

Die Erfindung bezieht sich auf Hubschrauber-Flugregelanlagen und betrifft insbesondere das Begrenzen des Befehls zur kollektiven Blattverstellung aus der Flugregelanlage, um so das Fordern eines übermäßigen Triebwerksdrehmoments zu vermeiden.

Die überlastung (oder Uberbeanspruchung) von Flugzeugtriebwerken kann die Triebwerkslebensdauer verkürzen und während des Fluges Triebwerksausfallbetriebsarten einleiten. Zum Vermeiden der überlastung enthalten einige Triebwerkssteuereinrichtungen eine Drehmomentbegrenzung, die direkt in die Triebwerksbrennstoffregelung eingebaut ist. Zum Erzielen einer Drehmomentbegrenzung bei Flugzeugtriebwerken, bei denen dieses Merkmal nicht eingebaut ist, erfolgt die Drehmomentbegrenzung durch Begrenzen der Befehle, welche zu übermäßigem Drehmoment führen können. Bei Hubschraubern ist es bekannt, einen drehmomentbegrenzenden Regelkreis in dem Flughöhenhalteteil einer Flugregelanlage vorzusehen. Ein Si-

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gnal, das die Differenz zwischen dem gegenwärtigen Isttriebwerksdrehmoment und dem maximal zugelassenen Drehmoment angibt, wird durch einen eine hohe Verstärkung aufweisenden Verstärker geleitet und mit dem Gesamthöhenbefehlssignal summiert, bevor es an den Außenregelkreisservostellantrieb für die kollektive Blattverstellung angelegt wird. Die Verstärkung des Drehmomentbegrenzungsregelkreises wird extrem groß gemacht, so daß, wenn sich ein übermäßiges Drehmoment aufgrund irgendeines Befehls zur kollektiven Blattverstellung (im folgenden und in den Ansprüchen auch abgekürzt als Blattverstellbefehl bezeichnet) der Flugregelanlage ergibt, das Drehmomentbegrenzungssignal das Höhenbefehlssignal einfach übersteuert und dadurch den Befehl verkleinert, der dem Außenregelkreis für die kollektive Blattverstellung zugeführt wird. Weil eine sehr große Verstärkung benutzt wird, um den Höhenregler zu übersteuern, und weil der Höhenfehler sich weiterhin in dem Integralverstärkungsweg aufbaut, arbeitet die Anlage sehr abrupt, wenn sie in den Drehmomentbegrenzungsbetrieb übergeht und diesen verläßt. Das ist für den Piloten unbequem und beunruhigend, insbesondere wenn das Flugzeug im Schwebeflug in der Nähe des Erdbodens ist, und sogar noch mehr, wenn es bei nächtlichen Such- und Rettungseinsätzen im Schwebeflug über dem Wasser ist.

Ein weiteres Problem besteht bei bekannten Drehmomentbegrenzungsanlagen darin, daß die Drehmomentbegrenzung häufig zu Hilfe gerufen wird, wenn mit dem Sinkflug aufgehört wird. Daher wird sich bei einem automatischen Anflug auf den Schwebeflug über Wasser die Drehmomentbegrenzung sehr wahrscheinlich ein- und ausschalten, wenn der Sinkflug aufhört. Das Unterschreiten der Sollflughöhe ist, wenn sich das Flugzeug so nahe über dem Wasser befindet, gefährlich und für den Piloten beunruhigend. Während eines automatischen Abfluges wird die gewünschte Flughöhe wahrscheinlich ohne übermäßiges Drehmoment aufgrund des größeren

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Auftriebs erreicht, der die größere Fluggeschwindigkeit begleitet, und die Drehmomentbegrenzung wird üblicherweise vor dem Erreichen der Flughöhe unwirksam gemacht, so daß es zu keinem überschreiten der gewünschten Flughöhe kommt. Andererseits kommt es im Schwebeflug oder wenn mit konstanter Fluggeschwindigkeit Höhe gewonnen wird, zu einer Flughöhenüberschreitung, weil das Drehmoment erst nachläßt, nachdem das Flugzeug die gewünschte Flughöhe erreicht hat. Die Anlage oszilliert dann in den und aus dem Drehmomentbegrenzungszustand.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drehmomentbegrenzung in einer Flugregelanlage für einen Hubschrauber vorzusehen, die abrupte Übergänge zwischen Flughöhen- und Drehmomentbefehlen vermeidet, das überschreiten der Flughöhe und das Unterschreiten derselben vermeidet und das Beenden des Sinkfluges bei jedem notwendigen Drehmoment gestattet.

Eine drehmomentbegrenzende Flughöhenregelanlage für einen Hubschrauber enthält erfindungsgemäß Überblend- oder Misch(cross fade)-Schaltungen für gleichmäßigen übergang zwischen Höhen- und Drehmomentregelung, schaltet den Integrator des Integralverstärkungsweges des Höhenreglers während der Drehmomentbegrenzung auf den Drehmomentbegrenzungsbefehl, kommt beginnendem übermäßigem Drehmoment zuvor und sieht das Erreichen der Sollflughöhe voraus, um den Überblendschaltungen Zeit zu geben, gleichmäßig zu arbeiten, blockiert das Wirksamwerden der Drehmomentbegrenzung für eine kurze Zeitspanne, nachdem sie unwirksam geworden ist, und blockiert die Drehmomentbegrenzung für eine gewisse Zeitspanne, wenn die Referenzflughöhe während eines automatischen Sinkfluges erreicht wird.

Die Erfindung vermeidet den abrupten Übergang zwischen Höhen- und Drehmomentregelung, vermeidet das Aufbauen ei-

nes großen Fehlers in dem Integralweg des Höhenreglers, gestattet das Unterbrechen des Sinkfluges selbst bei einem Drehmoment, das über dem maximalen Drehmoment ist, und schafft Hysterese zwischen der Drehmomentbegrenzungsund der Höhenregelung, so daß oszillierende Übergänge zwischen Drehmoment- und Höhenregelung vermieden werden.

Die Erfindung kann mit zweckbestimmter Hardware oder mit einfachen Computerprogrammen, die in einer digitalen Flugregelanlage benutzt werden, implementiert werden, indem Vorrichtungen und Techniken benutzt werden, die im Lichte der folgenden Beschreibung im Rahmen fachmännischen Könnens liegen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer

bekannten drehmomentbegrenzenden Höhenregelanlage,

Fig.· 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines

drehmomentbegrenzenden Höhensteuerteils einer Flugregelanlage nach der Erfindung,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild der

Steuerlogik, mittels welcher bestimmt wird, wann die Drehmomentbegrenzung nach der Erfindung wirksam zu werden hat,

Fig. 4 ein logisches Flußdiagramm eines Rech

nerprogramms zum Berechnen von Außen-

regelkreisbefehlen für die kollektive Blattverstellung in einer rechnergestützten drehmomentbegrenzenden Flugregelanlage nach der Erfindung und

Fig. 5 ein logisches Flußdiagramm eines Rech

nerprogramms zum Wirksam- und Unwirksamwerdenlassen der Drehmomentbegrenzung nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 gibt eine drehmomentbegrenzende Höhenregelanlage des vorstehend kurz beschriebenen Typs einen Aussenregelkreisbefehl für die kollektive Blattverstellung über eine Signalleitung 10 an einen Außenregelkreisservostellantrieb für die kollektive Blattverstellung, der mit der Bezugszahl 12 bezeichnet ist, ab. Der Befehl wird durch einen Summierpunkt 14 geliefert, welchem der Gesamthöhenbefehl auf einer Leitung 16 aus einem Höhenhaltesystem 18 und ein Drehmomentbegrenzungsbefehl auf einer Leitung 20 aus einem Drehmomentbegrenzungsteil der Anlage geliefert werden. Ein Drehmomentfühler 22, der direkt mit dem Hubschraubertriebwerk verbunden ist, liefert ein Signal auf einer Leitung 24, welches das gegenwärtige Isttriebwerksdrehmoment angibt. Eine Spannungsreferenz 26 liefert ein Signal auf einer Leitung 28, welches das maximale Entwurfsdrehmoment des Triebwerks angibt. Das Isttriebwerksdrehmomentsignal auf der Leitung 24 wird von dem Maximaltriebwerksdrehmomentreferenzsignal auf der Leitung 28 in einem Summierpunkt 30 subtrahiert. Das von diesem abgegebene Fehlersignal (Regelabweichung) wird an einen eine sehr große Verstärkung aufweisenden Verstärker 32 angelegt, dessen Ausgang unidirektional ist, was durch eine Diode 34 angedeutet ist, so daß, wenn das Isttriebwerk sdrehmoment das maximale Entwurfsdrehmoment übersteigt, das Signal auf der Leitung 20 äußerst negativ und

AO

dadurch von dem Gesamthöhenbefehlssignal (Gesamthöhenführungsgröße) auf der Leitung 16 subtrahiert wird, so daß das Gesamtaußenregelkreissignal für die kollektive Blattverstellung auf der Leitung 10 reduziert wird. Auf diese Weise übersteuert das Drehmomentbegrenzungssignal auf der Leitung 20 einfach das Höhenbefehlssignal auf der Leitung 16. Da aber die Drehmomentbegrenzung das Erreichen der gewünschten Flughöhe verzögert, ist zu erwarten, daß der Höhenbefehl weiterhin in der falschen Richtung ansteigt und das Erzielen einer größeren Höhe versucht und daß der Integralverstärkungsweg des Höhenhaltesystems 18 fortfährt, einen immer größeren Fehler zu akkumulieren. Wenn die Sollhöhe schließlich erreicht wird, indem ein Blattverstellbefehl benutzt wird, der zum maximalen Drehmoment führt, wird das Gesamthöhenbefehlssignal plötzlich sehr klein werden, was ein negatives Blattverstellbefehlssignal als Folge des negativen Drehmomentbegrenzungssignals auf der Leitung 20 verursacht, so daß das Triebwerksdrehmoment sofort kleiner wird und etwas an Höhe verlorengeht, was bewirkt, daß der Höhenbefehl wieder größer wird. Auf diese Weise sind die Übergänge abrupt und oszillierend.

Gemäß Fig. 2 wird dem Außenregelkreisservostellantrieb 12 für die kollektive Blattverstellung ein Befehlssignal für die kollektive Blattverstellung auf einer Leitung aus einem Summierpunkt 40 geliefert, welchem Höhenbefehlssignale über eine über blend (fade) -Schaltung 42 und Drehmomentbegrenzungssteuersignale über eine Überblendschaltung 44 sowie Integralwegsignale auf einer Leitung 46 aus einem Integrierer 48 geliefert werden, welch letzterer wahlweise entweder mit einem Höhenintegralverstärker 50 oder mit einem Drehmomentintegralverstärker 52 mittels eines Schalters 54 verbindbar ist. Wenn die Drehmomentbegrenzung wirksam ist, wird ein Signal auf einer Leitung 56 (mit Bezug auf Fig. 3 weiter unten näher

beschrieben) geliefert, um den Schalter 54 zu veranlassen, den Integrierer 48 mit dem Drehmomentintegralverstärker 52 zu verbinden (wie dargestellt), und um die Überblendschaltung 44 zu veranlassen aufzublenden (to fade up) sowie die Überblendschaltung 42 zu veranlassen zuzublenden (to fade down). Es gibt daher einen gleichmäßigen übergang von der Höhenregelung auf die Drehmomentregelung. Der Überblendschaltung 42 wird ein Höhenbefehl auf einer Leitung 58 zugeführt, der durch einen Summierpunkt 60 geliefert wird, welcher ein Geschwindigkeitssignal oder Signal der zeitlichen Änderung auf einer Leitung 62 von einem begrenzten Proportionalsignal auf einer Leitung 64 subtrahiert. Das Signal auf der Leitung 64 wird durch einen Begrenzer 66 geliefert, der durch einen Proportionalverstärker 68 gespeist wird. Das Signal auf der Leitung 62 wird durch einen Differentialverstärker (rate gain amplifier) 70 geliefert. Der Integralverstärker 50 und der Proportionalverstärker 68 empfangen ein Höhenfehlersignal auf einer Leitung 72, das durch eine Synchronisierschaltung 74 geliefert wird (d.h. durch eine Schaltung, die das Fehlersignal auf der Leitung 72 einfach als die Differenz zwischen der Sollhöhe und der Isthöhe liefert). Die Synchronisierschaltung 74 spricht auf das Isthöhensignal auf einer Leitung 76 aus einem Höhenmesser 78 an (welch letzterer ein barometrischer Höhenmesser in großer Höhe und ein Radarhöhenmesser in geringer Höhe oder der Höhenteil einer automatischen An- oder Abfluganlage sein kann). Das Höhensignal auf der Leitung 76 wird durch einen Differenzierer 80 geleitet, der ein Signal der zeitlichen Änderung der Höhe auf einer Leitung 82 abgibt. Dieses wird an den Differentialverstärker 70 sowie an einen Multiplizierer 84 angelegt, dessen anderes Eingangssignal ein Signal aus einer Spannungsreferenz 86 ist, das eine gewisse Zeitspanne angibt (beispielsweise zwei Sekunden od.dgl.). Der Multiplizierer 84 liefert ein Höheninkreinentsignal auf einer Lei-

tung 88, das angibt, um wieviel sich die Höhe in der durch die Referenz 86 angegebenen Zeitspanne ändern sollte. Dieses Signal wird mit dem Höhenfehlersignal auf der Leitung 72 in einem Summierpunkt 90 summiert und ergibt ein Erwarteter-Höhenfehler- Signal auf einer Leitung 92. Dieses wird durch einen Negativkomparator 94 geleitet, um ein Erwartete-Sollhöhe-Signal auf einer Leitung 96 zu erzeugen, das immer dann auftritt, wenn das Erwarteter-Höhenfehler-Signal auf der Leitung 92 negativgeht. Das Höhenfehlersignal auf der Leitung 72 wird an eine weitere Negativkomparatorschaltung 98 angelegt, um ein Höhe-über-Referenz-Signal auf einer Leitung 100 immer dann zu erzeugen, wenn das Höhenfehlersignal auf der Leitung 72 negativ ist. Diese Signale werden benutzt, um das Wirksamwerden und Unwirksamwerden der Drehmomentbegrenzung zu steuern, wie im folgenden mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben.

Der Uberblendschaltung 44 wird ein Drehmomentbefehlssignal auf einer Leitung 102 zugeführt, das durch einen Summierpunkt 104 geliefert wird, der auf einen Differentialirate gain)-Verstärker 1O6 und einen Proportionalverstärker 108 anspricht. Dem Verstärker 108 wird ein Verzögerungsdrehmomentfehler signal auf einer Leitung 110 aus einer Verzögerungsschaltung 112 geliefert, und dem Verstärker 106 wird ein Signal der verzögerten zeitlichen &iderung des Drehmoments auf einer Leitung 114 aus einer Schaltung 116 für die verzögerte zeitliche Änderung geliefert. In diesen Schaltungen sind T1 und T2 Zeitkonstanten, und S ist der LaPlace'sche Operator. Der Verzögerungsschaltung 112 wird das Drehmomentfehlersignal auf einer Leitung 118 durch einen Summierpunkt 120 auf ein Maximaldrehmomentreferenzsignal auf einer Leitung 122 hin, von welchem das Isttriebwerksdrehmomentsignal auf einer Leitung 124 subtrahiert wird, geliefert. Das Isttriebwerksdrehmomentsignal auf der Leitung 124 wird sowohl der Schaltung 116 für die verzöger-

te zeitliche Änderung als auch einem Summierpunkt 126 geliefert, dessen anderes Eingangssignal aus einem Multiplizierer 128 stammt. An den Multiplizierer 128 werden das Ausgangssignal der Schaltung 116 für die verzögerte zeitliche Änderung und ein eine Zeiteinheit angebendes Signal aus einer Spannungsreferenz 130 geliefert. Der Multiplizierer 128 liefert ein Inkrement des Drehmomentfehlersignals auf einer Leitung 132 zur Summierung mit dem gegenwärtigen Istdrehmoment, so daß ein Erwartetes-Drehmoment~Signal auf einer Leitung 134 erzeugt wird. Dieses wird in einem Komparator 136 mit dem Maximaldrehmomentsignal auf der Leitung 122 verglichen und ergibt ein Erwartetes-Überdrehmoment-Signal auf einer Leitung 138 immer dann, wenn der gegenwärtige Drehmomentwert und die zeitliche Änderung des Drehmoments anzeigen, daß das überschreiten des Maximaldrehmoments bevorsteht.

Gemäß Fig. 3 wird das Drehmomentbegrenzungssignal auf der Leitung 56 durch eine bistabile Vorrichtung 140 geliefert, wenn diese in ihrem Setzzustand ist. Die bistabile Vorrichtung 140 wird gesetzt, wenn sämtliche Eingangssignale an einer UND-Schaltung 142 vorhanden sind. Vorausgesetzt, Signale aus zwei Zeitgebern 144, 146 sind vorhanden, was anzeigt, daß diese ihren Endzählwert (oder einen anderen decodierten Zählwert) erreicht haben, und daß die Höhensteuerung wirksam ist, was durch ein Signal auf einer Leitung 148 (aus der Flugregelanlage) angezeigt wird, dann wird immer dann, wenn das übermässige Drehmoment erwartet wird, was durch das Signal auf der Leitung 138 angezeigt wird, die UND-Schaltung 142 bewirken, daß die bistabile Vorrichtung 140 gesetzt wird und somit das Drehmomentbegrenzungssignal auf der Leitung 56 abgibt. Wenn das der Fall ist, wird das Signal auf der Leitung 56 an den Rücksetzeingang R des 2-Sekunden-Zeitgebers 144 angelegt, den es während der gesamten

Zeitspanne, während der die Drehmomentbegrenzung wirksam ist, in seinem Rücksetzzustand hält. Wenn die Drehmomentbegrenzung nicht mehr wirksam ist (wie im folgenden beschrieben) , ist das Drehmomentbegrenzungssignal auf der Leitung 56 an dem Rücksetzeingang R des Zeitgebers 144 nicht mehr vorhanden, so daß dieser beginnen wird, Zählwerte zu akkumulieren (beispielsweise aus einem internen Taktgeber), bis er einen Zählerstand erreicht hat, der anzeigt, daß zwei Sekunden verstrichen sind. Während dieser Zeitspanne von zwei Sekunden kann die durch die UND-Schaltung 142 dargestellte UND-Verknüpfung nicht erneut erfüllt werden, wodurch bewirkt wird, daß die Drehmomentbegrenzung innerhalb von zwei Sekunden nach dem Unwirksamwerden nicht erneut wirksam werden kann.

Die bistabile Vorrichtung 140 wird durch jedes Eingangssignal an einer ODER-Schaltung 150 rückgesetzt· Eines der Signale zeigt an, daß die Höhensteuerung nicht wirksam ist und wird von einem Inverter 149 geliefert. Ein anderes Signal ist das Erwartete-Sollhöhe"Signal auf der Leitung 96. Noch ein weiteres Signal ist ein negatives Befehlssignal auf einer Leitung 152, das in Fig. 2 durch einen Negativkomparator 154 immer dann erzeugt wird, wenn das Höhenbefehlssignal auf der Leitung 58 negativ ist (was bedeutet, daß weniger Drehmoment zu fordern ist). Immer dann, wenn die bistabile Vorrichtung 140 rückgesetzt ist, wird ein Signal auf einer Leitung 156 an eine UND-Schaltung 158 angelegt. Während automatischen Sinkfluges ist die Höhe immer über der Referenzhöhe, so daß das Höhe-über-Referenz-Signal auf der Leitung 100 vorhanden sein wird. Dieses erfüllt die UND-Verknüpfung der UND-Schaltung 158, so daß diese ein Signal über eine Leitung 160 an den Rücksetzeingang des 3-Sekunden-Zeitgebers 146 anlegt. Der Zeitgeber 146 liefert deshalb kein Ausgangssignal während des automatischen Sinkfluges bei unwirksam gemachter Drehmomentbegrenzung. Wenn jedoch

das Flugzeug auf die Sollhöhe sinkt, wird das Signal auf der Leitung 100 verschwinden, so daß das Signal auf der Leitung 160 verschwinden wird, und der Zeitgeber 146 wird beginnen, auf einen Zählwert zu zählen, der drei Sekunden anzeigt. Dadurch wird verhindert, daß die Drehmomentbegrenzung innerhalb von drei Sekunden nach dem Erreichen der Sollhöhe bei einem automatischen Sinkflug wirksam wird, wodurch eine Situation mit begrenztem Überdrehmoment gestattet wird, um den automatischen Sinkflug zu stoppen.

Statt der Implementierung in zweckbestimmter Hardware, wie es mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 beschrieben worden ist, können sämtliche Funktionen der Erfindung mit Ausnahme des Triebwerksdrehmomentfühlers, des Höhenmessers und des Außenregelkreisservostellantriebs für die kollektive Blattverstellung, die in den Fig. 2 und 3 gezeigt sind, durch geeignetes Programmieren eines Digitalrechners implementiert werden. Der Digitalrechner kann die Form von einem oder zwei Rechnern des in der US-PS 4 270 168 beschriebenen Typs haben. Die Berechnungen für die kollektive Blattverstellung durch den Außenregelkreis gemäß Fig. 4 können in dem Berechnungsunterprogramm 1404 für die kollektive Blattverstellung durch den Außenregelkreis ausgeführt werden, das in dem dritten Autopilotprogramm nach Fig. 14 der vorgenannten US-Patentschrift beschrieben ist. Die Drehmomentbegrenzungslogik nach Fig. 5 kann entweder in dem Duplexbetrieb-Statusüberprüfungsunterprogramm 1203, das in dem ersten Autopilotprogramm nach Fig. 12 in der genannten US-Patentschrift dargestellt ist, oder in einer Einzelrechnerausführungsform in einem Programm ähnlich dem Duplex-/Simplexbetrieb-Statusüberprüfungsunterprogramm 1104 in der nullten Autopilotroutine nach Fig. 11 in der genannten US-Patentschrift ausgeführt werden.

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Gemäß Fig, 4 wird das Berechnungsprogramm 1404 für die kollektive Blattverstellung durch den Außenregelkreis über einen Eingangspunkt 164 erreicht, und ein Schritt 165 erzeugt einen Höhenfehler als Differenz zwischen der Höhenreferenz und der augenblicklichen Höhe, die mit "n" bezeichnet ist. Das ist der Funktion der Synchronisierschaltung 74 nach Fig. 2 äquivalent. Dann liefert ein Schritt 166 die zeitliche Änderung der Höhe als Differenz zwischen der augenblicklichen Höhe und der Höhe des vorangehenden Zyklus, die mit "m" bezeichnet ist, dividiert durch den Arbeitszyklus ^T. Das ist dem Differenzierer 80 nach Fig. 2 äquivalent. Dann wird in einem Schritt 167 die letzte Höhe der augenblicklichen Höhe zur Verwendung in dem nächsten Zyklus angepaßt. Ein Schritt 168 liefert den Proportionalhöhenbefehl als das Produkt der Propprtionalhöhenverstärkung (KPa) und des Höhenfehlers, was die Funktion des Verstärkers 68 in Fig. 2 ist. Ein Schritt 169 erzeugt die zeitliche Änderung des Höhenbefehls als das Produkt der Differentialverstärkung (rate gain) KRa und der zeitlichen Änderung der Höhe, was dem Verstärker 70 in Fig. 2 äquivalent ist. Dann stellt ein Test 170 fest, ob der Proportionalhöhenbefehl den Grenzwert überschreitet, und, wenn dem so ist, bewirkt ein Schritt 171, daß der Proportionalhöhenbefehl gleich dem Grenzwert für diesen Befehl ist, was dem Begrenzer 66 in Fig. 2 äquivalent ist. Andernfalls wird ein negatives Ergebnis des Tests 170 bewirken, daß der Schritt 171 umgangen wird. Dann stellt ein Test 170a fest, ob der Proportionalhöhenbefehl kleiner als der negative Grenzwert ist, und, wenn dem so ist, bewirkt ein Schritt 171a, daß ein Proportionalhöhenbefehl gleich dem negativen Grenzwert ist. Andernfalls wird ein negatives Ergebnis des Tests 170a bewirken, daß der Schritt 171a umgangen wird. Dann wird in einem Schritt 172 der Höhenbefehl als Differenz zwischen

dem Proportionalhöhenbefehl und der zeitlichen Änderung des Höhenbefehls erzeugt, was dem Summierpunkt 60 in Fig. 2 äquivalent ist.

Ähnliche Signale werden in bezug auf das Drehmoment erzeugt. In einem Schritt 173 wird ein Drehmomentfehlersignal als Differenz zwischen dem Maximaldrehmoment und dem augenblicklichen Triebwerksdrehmoment (bezeichnet mit "n") erzeugt. In einem Schritt 174 wird ein augenblicklicher Verzögerungsfehler (mit "n" bezeichnet) als eine Konstante (KL1, äquivalent T1 in Fig. 2) mal der Differenz zwischen dem Drehmomentfehler und dem Verzögerungsfehler, die in dem vorangehenden Zyklus erzeugt worden ist (bezeichnet mit "m"),und summiert mit dem Verzögerungsfehler, der für den vorangehenden Zyklus erzeugt worden ist, erzeugt. Das ist der Verzögerungsschaltung 112 in Fig. 2 äquivalent. Dann wird in einem Schritt 175 der Verzögerungsfehler, der als der vorangehende Verzögerungsfehler in dem nächsten Zyklus benutzt werden soll, angepaßt, damit er gleich dem Verzögerungsfehler ist, der in dem augenblicklichen Zyklus erzeugt wird. In einem Schritt 176 wird die zeitliche Änderung des Drehmoments als Differenz zwischen dem Triebwerksdrehmoment in dem augenblicklichen Zyklus und dem Triebwerksdrehmoment in dem vorangehenden Zyklus dividiert durch den Arbeitszyklus (duty cycle) ΔΤ bestimmt, und dann wird das vorangehende Triebwerksdrehmoment für den nächsten Zyklus in einem Schritt angepaßt. Die verzögerte zeitliche Änderung des Triebwerksdrehmoments (äquivalent der Schaltung 116 für die verzögerte zeitliche Änderung in Fig. 2) wird in einem Schritt 178 als eine Verzögerungskonstante (KL2, äquivalent T2 in Fig. 2) mal der Differenz zwischen der zeitlichen Änderung des Drehmoments und der zeitlichen Änderung der Verzögerung, die in dem vorangehenden Zyklus erzeugt wurde, summiert mit der zeitlichen Änderung der Verzögerung,

die in dem vorangehenden Zyklus erzeugt wurde, erzeugt. Die vorangehende zeitliche Änderung der Verzögerung für den nächsten Zyklus wird in einem Schritt 179 angepaßt, damit sie gleich der des augenblicklichen Zyklus ist. Dann wird der Drehmomentbefehl in dem Schritt 179a als Differenz zwischen der Proportionalkonstante (KPt) mal dem verzögerten Fehler des augenblicklichen Zyklus und der Konstante der zeitlichen Änderung des Drehmoments (KRt) mal der verzögerten zeitlichen Änderung des augenblicklichen Zyklus erzeugt. Das ist den Verstärkern 106, 108 und dem Summierpunkt 104 nach Fig. 2 äquivalent.

Die Funktionen, die in Fig. 2 durch das Drehmomentbegrenzungssignal auf der Leitung 56 gesteuert werden, werden in Fig. 4 unten ausgeführt. Ein Test 180 stellt fest, ob die Drehmomentbegrenzung wirksam ist oder nicht. Wenn sie wirksam ist, führt ein bejahendes Ergebnis des Tests 180 zu einem Schritt 181, der bewirkt, daß der Kollektivintegriererwert, der erzeugt wird, gleich dem augenblicklichen Kollektivintegriererwert plus einer Integralkonstante (Kit) mal dem Verzögerungsfehler des augenblicklichen Zyklus ist, was der Auswirkung des Verstärkers 52 auf den Integrierer 48 bei sich in der in Fig.2 gezeigten Position befindlichem Schalter 54 äquivalent ist. Dann wird in einem Schritt 182 ein Überblendfaktor (fade factor) um ein Überblendinkrement inkrementiert, und ein Test 183 stellt fest, ob der Uberblendfaktor größer als 1 ist. Wenn dem so ist, wird durch ein bejahendes Ergebnis des Tests 183 ein Schritt 184 erreicht, in welchem der Uberblendfaktor gleich 1 gesetzt wird. Andernfalls wird aufgrund eines negativen Ergebnisses des Tests 183 der Schritt 184 umgangen.

Wenn die Drehmomentbegrenzung nicht wirksam ist, wird durch ein negatives Ergebnis des Tests 180 ein Schritt

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185 erreicht, in welchem der Kollektivintegriererwert gleich dem Kollektivintegriererwert, der augenblicklich vorhanden ist, plus einer Integralkonstante (KIa) mal dem Höhenfehler erzeugt, was der Wirkung des Verstärkers 50 auf den Integrierer 48 äquivalent ist, wenn sich der Schalter 54 in der Position befindet, die zu der in Fig. 2 gezeigten entgegengesetzt ist. Dann wird in einem Schritt 186 der Uberblendfaktor um das Überblendinkrement dekrementiert, und ein Test 187 stellt fest, ob der Überblendfaktor kleiner als null ist. Wenn dem so ist, wird durch ein bejahendes Ergebnis des Tests 187 ein Schritt 188 erreicht, in welchem der Überblendfaktor gleich null gesetzt wird; andernfalls bewirkt ein negatives Ergebnis des Tests 187, daß der Schritt 188 umgangen wird.

In einem Schritt 189 wird ein überblendeter (faded) Höhenbefehl (mit "F" bezeichnet) als das Produkt aus dem Höhenbefehl und eins minus dem Überblendfaktor erzeugt. In einem Schritt 190 wird der überblendete Drehmomentbefehl als das Produkt des Drehmomentbefehls und des Überblendfaktors erzeugt. In einem Schritt 191 wird der Kollektivbefehl als die Summe des überblendeten Höhenbefehls, des überblendeten Drehmomentbefehls und des Kollektivintegrierers erzeugt. Die Schritte 189-191 sind den Überblendschaltungen 42, 44 und dem Summierpunkt 40 in Fig. 2 äquivalent.

In Fig. 5 sind die logischen Funktionen zum Erzeugen des Drehmomentbegrenzungssignals auf der Leitung 56 in Fig. und unmittelbar damit in Beziehung stehende Funktionen nach Fig. 2 für eine digitale Implementierung angegeben. Das Drehmomentbegrenzungsprogramm wird über einen Eingangspunkt 192 erreicht, und ein erster Schritt 193 erzeugt den erwarteten Höhenfehler als Differenz zwischen dem Höhenfehler und dem Produkt der zeitlichen Änderung

der Höhe und der Erwartungszeit. Das ist der Referenz 86, dem Multiplizierer 84 und dein Sumraierpunkt 90 in Fig. 2 äquivalent. Das erwartete Drehmoment wird in einem Schritt 194 als die Summe des Triebwerksdrehmoments und des Produkts der verzögerten zeitlichen Änderung des augenblicklichen Zyklus und der Erwartungszeit erzeugt. Das ist der Referenz 130, dem Multiplizierer 128 und einem Summierpunkt 126 in Fig. 2 äquivalent. Dann bestimmt ein Schritt 195, ob die Höhenhaltung wirksam ist. Wenn nicht, führt ein negatives Ergebnis des Tests 195 zu einem Schritt 196, in welchem ein Drehmomentbegrenzungsflag rückgesetzt wird (äquivalent dem Rücksetzen der bistabilen Vorrichtung 140 in Fig. 3). Das Programm wird in einem Punkt 197 beendet. Wenn die Höhenhaltung wirksam ist, führt ein bejahendes Ergebnis des Tests 195 zu einem Test 198, um festzustellen, ob die Drehmomentbegrenzung wirksam ist. Am Anfang ist sie es nicht, so daß ein negatives Ergebnis des Tests 198 zu einem Test 199 führt, in welchem bestimmt wird, ob der Höhenfehler negativ ist. Wenn angenommen wird, daß er es nicht ist, so führt ein negatives Ergebnis des Tests 199 zu einem Test 200, in welchem festgestellt wird, ob der Einschaltverzögerungszähler auf null ist oder nicht. Das ist den beiden Zählern 144, 146 in Fig. 3 äquivalent, die die Zeitsperre erreicht haben, nachdem ihre Rücksetzeingänge ausgelöst worden sind. Wenn der Zähler die Zeitsperre nicht erreicht hat, führt ein negatives Ergebnis des Tests 200 zu einem Schritt 201, um den Triebwerksverzögerungszähler zu dekrementieren. Wenn aber der Triebwerksverzögerungszähler die Zeitsperre und damit null erreicht hat, führt ein bejahendes Ergebnis des Tests 200 zu einem Test 202, in welchem festgestellt wird, ob das erwartete Drehmoment größer als das Maximaldrehmoment ist, was der Komparatorschaltung 136 in Fig. 2 äquivalent ist. Wenn dem so ist, wird ein Schritt 203 erreicht, um die Drehmomentbegrenzung zu setzen, was

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dem Setzen der bistabilen Vorrichtung 140 in Fig. 3 äquivalent ist.

Wenn angenommen wird, daß die Drehmomentbegrenzung wirksam ist, wird durch ein bejahendes Ergebnis des Tests 198 ein Schritt 204 erreicht, in welchem der Einschaltverzögerungszähler auf einen Zählerstand gesetzt wird, der gleich 40 ist. Der Grund dafür ist, daß in der hier beschriebenen Ausführungsform angenommen wird, daß mit 20 Hz gearbeitet wird, was bedeutet, daß der Zähler alle 50 ms inkrementiert wird. Durch Setzen des EinschaltverzögerungsZählers auf 40 wird der Schritt 201 vierzigmal durchlaufen, um den Zähler in genau zwei Sekunden auf null zu dekrementieren. Das ergibt die Hysterese von zwei Sekunden des Zeitgebers 144 in Fig. 3. Dann wird in einem Test 205 festgestellt, ob der Höhenbefehl negativ ist; wenn dem so ist, wird durch ein bejahendes Ergebnis der Schritt 196 erreicht, um die Drehmomentbegrenzung rückzusetzen. Wenn dem nicht so ist, wird ein Test 206 erreicht, um festzustellen, ob der erwartete Höhenfehler negativ ist. Wenn dem so ist, wird der Schritt 196 erreicht, um die Drehmomentbegrenzung rückzusetzen. Andernfalls werden negative Ergebnisse der Tests 205 und 206 bewirken, daß das Programm an dem Punkt 157 endet. Wenn die Drehmomentbegrenzung nicht wirksam ist, aber ein bejahendes Ergebnis des Tests 199 anzeigt, daß ein automatischer Sinkflug vonstatten geht, wird ein Schritt 207 erreicht, in welchem der Einschaltverzögerungszähler auf 60 gesetzt wird. Bei der Frequenz von 20 Hz wird das zur Folge haben, daß drei Sekunden verstreichen, bevor der Einschaltverzögerungszähler wieder auf null gesetzt werden kann, wodurch drei Sekunden gewährleistet werden, während denen das Triebwerk überbeansprucht werden kann, um einen Sinkflug zu stoppen, bevor die Drehmomentbegrenzung wirksam wird, was der Funktion des Zeitgebers 146 in Fig. 3 äquivalent ist.

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Der Einfachheit halber sind die Ausführungsformen hier nur mit Bezug auf den Außenregelkreisstellantrieb für die kollektive Blattverstellung beschrieben worden. Die Drehmomentbegrenzung kann jedoch auf völlig analoge Weise auf den Innenregelkreisstellantrieb für die kollektive Blattverstellung angewandt werden, was Höhenstabilität ergibt. Das kann erreicht werden, indem einfach eine Überblendschaltung für den Drehmomentregler (Drehmomentfehler und zeitliche Änderung des Drehmoments) vorgesehen und eine Eins-minus-Uberblendfaktor-Schaltung für den Höhenregler (Proportional-, Differential- und Vertikalbeschleunigungssignale) benutzt wird. Diese Reglersignale werden dann summiert und an den Innenregelkreisservostellantrieb für die kollektive Blattverstellung auf bekannte Weise angelegt.

Die Erfindung kann mit verschiedenen Verzögerungszeiten, verschiedenen Arten der Filterung und Begrenzung und anderen bekannten Entwurfskenndaten implementiert werden, um sie jeder Implementierung anzupassen.

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Claims

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A. Patentansprüche :

1./ Automatische, drehmomentbegrenzende Höhenhalteanlage für einen Hubschrauber,

mit einer Höheneinrichtung (78) zum Liefern eines Isthöhensignals, das die augenblickliche Höhe des Hubschraubers anzeigt;

mit einer Drehmomenteinrichtung (22), die mit dem Hubschraubertriebwerk verbunden ist, um ein Istdrehmomentsignal zu liefern, welches das augenblickliche Triebwerksdrehmoment anzeigt;

mit einer Servoeinrichtung (12) für die kollektive Blattverstellung, die auf ein an sie angelegtes Blattverstellbefehlssignal hin die kollektive Blattverstellung der Hubschrauberhauptrotorblätter steuert; und mit Signalverarbeitungseinrichtungen, die mit der Drehmomenteinrichtung (22) und mit der Höheneinrichtung (78) verbunden sind und auf diese ansprechen, um ein Maximaldrehmomentsignal zu liefern, welches das maximale Entwurfsbetriebsdrehmoment des Hubschraubertriebwerks anzeigt, um ein Höhenreferenzsignal zu liefern, das eine augenblickliche Sollhöhe für den Hubschrauber anzeigt, um ein Höhenfehlersignal zu liefern, das die Differenz zwischen dem Isthöhensignal und dem Referenzhöhensignal anzeigt, um

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ein Höhenbefehlssignal zu liefern, das die Differenz zwischen einer Funktion des Höhenfehlersignals und einer Punktion der zeitlichen Änderung des Isthöhensignals anzeigt, um ein Integralblattverstellsignal als eine Funktion des Höhenfehlersignals zu liefern, um ein Drehmomentfehlersignal als Differenz zwischen dem Maximaldrehmomentsignal und dem Istdrehmomentsignal zu liefern, um ein Drehmomentbefehlssignal zu liefern, das die Differenz zwischen einer Funktion des Drehmomentfehlersignals und einer Funktion der zeitlichen Änderung des Istdrehmomentsignals anzeigt, und um der Servoeinrichtung für die kollektive Blattverstellung ein Blattverstellbefehlssignal zu liefern, das die Summe des Höhenbefehlssignals, des Integralblattverstellsignals und des Drehmomentbefehlssignals anzeigt;

dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen Einrichtungen (40, 42, 44, 136, 140, 150, 154) enthalten, die auf das Istdrehmomentsignal und das Referenzdrehmomentsignal ansprechen, um ein Uberdrehmomentsignal zu liefern, das einen Zustand übermäßigen Triebwerksdrehmoments anzeigt, um ein Drehmomentbegrenzungssignal auf das Uberdrehmomentsignal hin zu liefern, um das Liefern des Drehmomentbegrenzungssignals zu unterbrechen, wenn das Höhenbefehlssignal negativ ist, um bei Beginn des Vorhandenseins des Drehmomentbegrenzungssignals ein Einblenden des Drehmomentbefehlssignals und ein Ausblenden des Höhenbefehlssignals zu bewirken, um auf den Beginn des Nichtvorhandenseins des Drehmomentbegrenzungssignals hin das Höhenbefehlssignal einzublenden und das Drehmomentbefehlssignal auszublenden, um das Integralblattverstellsignal auf eine Funktion des Drehmomentfehlersignals hin in Gegenwart des Drehmomentbegrenzungssignals zu liefern und um das Integrallblattverstellsignal als Funktion des Höhenfehlersignals bei Nichtvorhandensein des Drehmomentbegrenzungssignals zu liefern, wodurch die Steuerung

der Außenregelkreisservoeinrichtung (12) für die kollektive Blattverstellung gleichmäßig von einem Höhenbefehl auf einen Drehmomentbefehl und wieder auf einen Höhenbefehl übergeht und das Integralblattverstellsignal auf den entsprechenden Befehl anspricht, auf den der Befehl der Außenregelkreisservoeinrichtung für die kollektive Blattverstellung anspricht.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen eine Einrichtung enthalten, die auf das Produkt aus der zeitlichen Änderung des Istdrehmomentsignals und einer Referenz, die eine erwartete Zeitspanne anzeigt, anspricht, um ein Erwartetes-Drehmoment-Inkrementsignal _Zu liefern, um ein Erwartetes DrehmomentrSignal als summe des Erwartetes-Drehmoment-Inkrementsignals und des Istdrehmomentsignals zu liefern und um das Überdrehmomentsignal zu liefern, wenn das Erwartetes-Drehmoment-Signal ein Drehmoment anzeigt, das über dem Drehmoment liegt, welches durch das Maximaldrehmomentsignal dargestellt wird.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen eine Einrichtung enthalten zum Liefern eines Erwartete-Höhe-Inkrementsignals als Funktion der zeitlichen Änderung des Isthöhensignals multipliziert mit einem Zeitreferenzsignal, das eine Erwartungszeitspanne anzeigt, um ein Erwartete-Höhe-Signal als Summe des Erwartete-Höhe -Inkrementsignals und des Höhenfehlersignals zu liefern, um ein Erwartete-Sollhöhe-Signal zu liefern, wenn das Erwarteter-Höhenfehler-Signal negativ ist, und um das Liefern des Drehmomentbegrenzungssignals auf das Erwartete-Sollhöhe-Signal hin zu unterbrechen.

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4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen eine Einrichtung (144) enthalten, die auf den Beginn des Verschwindens des Drehmomentbegrenzungssignals hin verhindert, daß das Drehmomentbegrenzungssignal auf das Überdrehmomentsignal hin für eine bestimmte Zeitspanne nach dem Beenden des Lieferns des Drehmomentbegrenzungssignals geliefert wird.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen eine Einrichtung (146) enthalten, die, wenn das Drehmomentbegrenzungssignal nicht vorhanden ist und gleichzeitig das Höhenfehlersignal negativ ist, verhindern, daß das Drehmomentbegrenzungssignal auf das Vorhandensein des Überdrehmomentsignals für ein vorbestimmtes Zeitintervall hin, nachdem das Höhenfehlersignal aufgehört hat, negativ zu sein, geliefert wird, um dadurch das Stoppen eines automatischen Sinkfluges des Hubschraubers zu gestatten, ohne daß das Drehmomentbegrenzungssignal auf das Überdrehmomentsignal hin geliefert wird.