DE3407247C2 - Automatische, drehmomentbegrenzende Flughöhenregelanlage für einen Hubschrauber - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flughöhenregelanlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Flugregelanlagen für Hubschrauber sind z. B. aus der US 4 004 756 und aus der US 4 168 045 bekannt, wobei die US 4 168 045 eine Geschwindigkeitsregelanlage und die US 4 004 756 eine kombinierte Geschwindigkeits-Flughöhenregel­ anlage betrifft.

Die Überlastung (oder Überbeanspruchung) von Flugzeugtrieb­ werken, die bei bestimmten Regelzuständen auftreten kann, kann die Triebwerkslebensdauer verkürzen und während des Fluges Triebwerksausfallbetriebsarten einleiten. Zum Vermeiden der Überlastung enthalten einige Triebwerks­ steuereinrichtungen eine Drehmomentbegrenzung, die direkt in den Triebwerksbrennstoffregler eingebaut ist. Zum Er­ zielen einer Drehmomentbegrenzung bei Flugzeugtriebwerken, bei denen dieses Merkmal nicht eingebaut ist, erfolgt die Drehmomentbegrenzung durch Begrenzen der Befehle, welche zu einem grenzüberschreitenden Drehmoment führen können. Bei Hubschraubern ist es bekannt, einen drehmomentbegrenzenden Regelkreis in der Flughöhenregelanlage vorzusehen. Ein Si­ gnal, das die Differenz zwischen dem gegenwärtigen Isttrieb­ werksdrehmoment und dem maximal zugelassenen Drehmoment an­ gibt, wird durch einen eine hohe Verstärkung aufweisenden Verstärker geleitet und mit dem Gesamthöhenbefehlssignal summiert, bevor es an eine äußere Servoeinrichtung für die kollektive Blattverstellung angelegt wird. Die Verstärkung des Drehmomentbegrenzungsregelkreises wird extrem groß gemacht, so daß, wenn sich ein grenzüberschreitendes Drehmoment aufgrund irgendeines Befehls zur kollektiven Blattverstellung (im folgenden auch abgekürzt als Blattverstellbefehl bezeichnet) der Flughöhenregelanlage ergibt, das Drehmomentbegrenzungssignal das Höhenbefehlssignal einfach übersteuert und dadurch den Befehl verkleinert, der der äußeren Servoeinrichtung 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 Flughöhenregelanlage sehr abrupt, wenn sie in den Drehmomentbegrenzungsbetrieb übergeht und diesen verläßt. Das ist für den Piloten unbequem und beunruhigend, insbesondere wenn der Hubschrauber 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 drehmomentbegrenzenden Regelkreisen 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 der Hubschrauber 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 Auftriebs erreicht, der die größere Fluggeschwindigkeit begleitet, und die Drehmomentbegrenzung wird üblicher­ weise vor dem Erreichen der Flughöhe unwirksam gemacht, so daß es zu keinem Überschreiten der gewünschten Flug­ höhe kommt. Andererseits kommt es im Schwebeflug oder wenn mit konstanter Fluggeschwindigkeit Höhe gewonnen wird, zu einer Flughöhenüberschreitung, weil das Drehmo­ ment erst nachläßt, nachdem der Hubschrauber die gewünschte Flughöhe erreicht hat. Die Flughöhenregelanlage oszilliert dann in den und aus dem Drehmomentbegrenzungszustand.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine automatische drehmomentbegrenzende Flughöhenregelanlage für einen Hubschrauber zu schaffen, 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.

Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die automatische, drehmomentbegrenzende Flughöhenregelanlage für einen Hubschrauber bewirkt erfindungsgemäß eine Überblendung zum Erzielen eines gleichmäßigen Übergangs zwischen Höhen- und Drehmomentregelung, schaltet den Integrator des Integralverstärkungsweges des Höhenreglers während der Drehmomentbegrenzung auf den Drehmomentbegrenzungsbefehl, kommt beginnendem grenzüberschreitendem Drehmoment zuvor und sieht das Erreichen der Sollflughöhe voraus, um der Überblendung Zeit zu geben, gleichmäßig wirksam zu werden, 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 Flughöhenregelanlage nach der Erfindung vermeidet abrupten Übergang zwischen Höhen- und Drehmomentregelung, vermeidet das Aufbauen eines großen Fehlers in dem Integralweg des Höhenreglers, gestattet das unterbrechen des Sinkfluges selbst bei ei­ nem Drehmoment, das über dem maximalen Drehmoment ist, und schafft Hysterese zwischen der Drehmomentbegrenzungs- und der Höhenregelung, so daß oszillierende Übergänge zwi­ schen Drehmoment- und Höhenregelung vermieden werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

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

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bekannten drehmomentbegrenzenden Flughöhen­ regelanlage,

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer drehmomentbegrenzenden Flughöhenregelanlage nach der Erfin­ dung,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer 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 Befehlen für die kollektive Blattverstellung in einer rechnergestützten drehmomentbegrenzenden Flughöhen­ regelanlage nach der Erfindung und

Fig. 5 ein logisches Flußdiagramm eines Rech­ nerprogramms zum Wirksam- und Unwirksam­ werdenlassen der Drehmomentbegrenzung nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 gibt eine drehmomentbegrenzende Flughöhenregelanlage für einen Hubschrauber ein kollektives Blattverstellbefehlssignal 10 an eine äußere Servoeinrichtung für die kollektive Blattverstellung, die mit der Bezugszahl 12 bezeichnet ist, ab. Das kollektive Blattverstellbefehlssignal 10 wird von einem Summierpunkt 14 geliefert, welchem ein Gesamthöhenbefehlssignal 16 aus einem Flughöhenregelsystem 18 und ein Drehmomentbegrenzungssignal 20 aus einem Drehmomentbegrenzungsteil der Anlage geliefert werden. Ein Drehmomentsensor 22, der direkt mit dem Hubschraubertriebwerk verbunden ist, liefert ein Ist-Triebwerksdrehmomentsignal 24, welches das gegenwärtige Ist-Triebwerksdrehmoment angibt. Eine Spannungsreferenz 26 liefert ein Signal 28, welches das maximale Entwurfsdrehmoment des Triebwerks angibt. Das Ist- Triebwerksdrehmomentsignal 24 wird von dem maximalen Drehmoment-Referenzsignal 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 Ist- Triebwerksdrehmoment das maximale Entwurfsdrehmoment übersteigt, das Drehmomentbegrenzungssignal 20 äußerst negativ und dadurch von dem Gesamthöhenbefehlssignal (Gesamthöhenführungsgröße) 16 subtrahiert wird, so daß das kollektive Blattverstellungsbefehlssignal 10 reduziert wird. Auf diese Weise übersteuert das Drehmomentbegrenzungssignal 20 einfach das Gesamthöhenbefehlssignal 16. Da aber die Drehmomentbegrenzung das Erreichen der gewünschten Flughöhe verzögert, ist zu erwarten, daß das Gesamthöhenbefehlssignal 16 weiterhin in der falschen Richtung ansteigt und das Erzielen einer größeren Höhe versucht und daß der Integralverstärkungsweg des Flughöhenregelsystems 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 16 plötzlich sehr klein werden, was ein negatives kollektives Blattverstellbefehlssignal 10 als Folge des negativen Drehmomentbegrenzungssignals 20 verursacht, so daß das Triebwerksdrehmoment sofort kleiner wird und etwas an Höhe verlorengeht, was bewirkt, daß das Gesamthöhenbefehlssignal 16 wieder größer wird. Auf diese Weise sind die Übergänge abrupt und oszillierend.

Gemäß Fig. 2 wird der signalbetätigten Servoeinrichtung 12 für die kollektive Blattverstellung ein kollektives Blattverstellbefehlssignal 38 aus einem Summierpunkt 40 geliefert, welchem ein Höhenbefehlssignal 58 über eine Überblendschaltung 42 und ein Drehmomentbefehlssignal 102 über eine Überblendschaltung 44 sowie ein Integral-Blattverstellsignal 46 auf 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 Drehmomentbegrenzungssignal 56 (mit Bezug auf Fig. 3 weiter unten näher beschrieben) geliefert, um den Schalter 54 zu veranlas­ sen, den Integrierer 48 mit dem Drehmomentintegralver­ stärker 52 zu verbinden (wie dargestellt), und um die Überblenschaltung 44 zu veranlassen aufzublenden sowie die Überblendschaltung 42 zu veranlassen abzublenden. Es gibt daher einen gleichmäßigen Übergang von der Flughöhenregelung auf die Drehmomentregelung. Der Überblendschaltung 42 wird das Höhenbefehlssignal 58 zugeführt, das durch einen Summierpunkt 60 geliefert wird, welcher ein Signal der zeitlichen Änderung 62 von einem begrenzten, einem Höhen-Fehler-Signal 72 proportionalen Signal 64 subtrahiert. Das begrenzte proportionale Signal 64 wird durch einen Begrenzer 66 geliefert, der durch einen Proportionalverstärker 68 gespeist wird. Das Signal der zeitlichen Änderung 62 wird durch einen Differentialverstärker 70 geliefert. Der Integralverstärker 50 und der Proportionalverstärker 68 empfangen das Höhenfehlersignal 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 Ist-Höhensignal 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 Ist-Höhensignal 76 wird durch einen Differenzierer 80 geleitet, der ein Signal der zeitlichen Änderung 82 des Ist-Höhensignals 76 abgibt. Dieses wird an den Differentialverstärker 70 sowie an einen Multiplizierer 84 angelegt, dessen anderes Eingangssignal ein Spannungssignal aus einer Referenz-Vorhaltezeitspanne 86 ist (beispielsweise zwei Sekunden od. dgl.). Der Multiplizierer 84 liefert ein Interpolations-Höhen-Inkrementsignal 88, das angibt, um wieveil sich die Höhe in der Referenz-Vorhaltezeitspanne 86 ändern sollte. Dieses Signal wird mit dem Höhen-Fehlersignal 72 in einem Summierpunkt 90 summiert und ergibt ein Interpolations-Höhenfehlersignal 92. Dieses wird durch einen Negativkomparator 94 geleitet, um ein Interpolations-Sollhöhensignal 96 zu erzeugen, das immer dann auftritt, wenn das Interpolations- Höhenfehlersignal 92 negativ geht. Das Höhen-Fehlersignal 72 wird an einen weiteren Negativkomparator 98 angelegt, um ein Höhe-über- Referenzsignal 100 immer dann zu erzeugen, wenn das Höhen-Fehlersignal 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 Überblendschaltung 44 wird das Drehmomentbefehlssignal 102 zugeführt, das durch einen Summierpunkt 104 geliefert wird, der auf einen Differentialverstärker 106 und einen Proportionalverstärker 108 anspricht. Dem Proportionalverstärker 108 wird ein verzögertes Drehmomentfehlersignal 110 aus einer Verzögerungsschaltung 112 geliefert, und dem Differentialverstärker 106 wird ein Signal der verzögerten zeitlichen Änderung 114 eines Ist-Drehmomentsignals 124 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 ein Drehmomentfehlersignal 118 durch einen Summierpunkt 120 als Differenz eines maximalen Drehmoment-Referenzsignales 122 und des Ist-Drehmomentsignals 124 geliefert. Das Ist-Drehmomentsignal 124 wird sowohl der Schaltung 116 für die verzögerte zeitliche Änderung als auch einem Summierpunkt 126 geliefert, dessen anderes Eingangssignal aus einem Mul­ tiplizierer 128 stammt. An den Multiplizierer 128 wer­ den das Ausgangssignal der Schaltung 116 für die verzö­ gerte zeitliche Änderung und ein Signal aus einer Referenz-Vorhaltezeitspanne 130 geliefert. Der Multiplizierer 128 liefert ein Interpolations-Inkrementsignal 132 des Drehmoment- Fehlersignals 118 zur Summierung mit dem gegenwärtigen Ist-Drehmomentsignal 124, so daß ein Interpolations- Drehmomentsignal 134 erzeugt wird. Dieses wird in einem Komparator 136 mit dem maximalen Drehmoment-Referenzsignal 122 verglichen und ergibt ein Interpolations-Überdrehmomentsignal 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 Drehmoment-Begrenzungssignal 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 e inen anderen decodierten Zählwert) erreicht haben, und daß die Höhenregelung wirksam ist, was durch ein Höhenregelungssignal 148 (aus der Flugregelanlage) angezeigt wird, dann wird immer, wenn ein grenzüberschreitendes Drehmoment erwartet wird, was durch das Interpolations-Überdrehmomentsignal auf 138 angezeigt wird, die UND-Schaltung 142 bewirken, daß die bistabile Vorrichtung 140 gesetzt wird und somit das Drehmoment-Begrenzungssignal 56 abgibt. Wenn das der Fall ist, wird das Drehmoment-Begrenzungssignal 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 Drehmoment­ begrenzung nicht mehr wirksam ist (wie im folgenden be­ schrieben), ist das Drehmoment-Begrenzungssignal 56 an dem Rücksetzeingang R des Zeitgebers 144 nicht mehr vorhanden, so daß dieser beginnen wird, Zähl­ werte zu akkumulieren (beispielsweise aus einem internen Taktgeber), bis er einen Zählerstand erreicht hat, der anzeigt, daß zwei Sekunden verstrichen sind. Während die­ ser Zeitspanne von zwei Sekunden kann die durch die UND- Schaltung 142 dargestellte UND-Verknüpfung nicht erneut erfüllt werden, wodurch bewirkt wird, daß die Drehmoment­ begrenzung innerhalb von zwei Sekunden nach dem Unwirk­ samwerden nicht erneut wirksam werden kann.

Die bistabile Vorrichtung 140 wird durch jedes Eingangs­ signal an einer ODER-Schaltung 150 rückgesetzt. Eines der Signale zeigt an, daß die Höhenregelung nicht wirksam ist, und wird von einem Inverter 149 geliefert. Ein anderes Signal ist das Interpolations-Sollhöhensignal 96. Noch ein weiteres Signal ist ein negatives Befehlssignal 152, das in Fig. 2 durch einen Negativkomparator 154 immer dann erzeugt wird, wenn das Höhen-Befehlssignal 58 negativ ist (was bedeutet, daß weniger Drehmoment zu fordern ist). Immer dann, wenn die bistabile Vorrichtung 140 rückgesetzt ist, wird ein Rücksetzsignal 156 an eine UND-Schaltung 158 angelegt. Während automatischen Sinkfluges ist die Höhe immer über der Referenzhöhe, so daß das Höhe-über-Referenz-Signal 100 vorhanden sein wird. Dieses erfüllt die UND-Verknüpfung der UND-Schaltung 158, so daß diese ein Zeilgeber-Rücksetzsignal 160 an den Rücksetzeingang des 3-Sekunden-Zeitgebers 146 anlegt. Der 3-Sekunden-Zeitgeber 146 liefert deshalb kein Ausgangssignal während des automatischen Sinkfluges bei unwirksam gemachter Drehmomentbegrenzung. Wenn jedoch der Hubschrauber auf die Sollhöhe sinkt, wird das Höhe-über Referenz-Signal 100 verschwinden, so daß das Zeitgeber-Rücksetzsignal 160 verschwinden wird, und der 3-Sekunden-Zeitgeber 146 wird beginnen, auf einen Zählwert zu zählen, der drei Sekunden anzeigt. Dadurch wird verhindert, daß die Drehmomentbe­ grenzung innerhalb von drei Sekunden nach dem Erreichen der Sollhöhe bei einem automatischen Sinkflug wirksam wird, wodurch eine Situation mit begrenztem Überdrehmo­ ment 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 Flughöhenregelanlage mit Ausnahme des Triebwerksdrehmomentsensors 22, des Höhenmessers 78 und der Servoeinrichtung 12 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 42 70 168 beschriebenen Typs haben. An einem Eingangspunkt 164 können die Berechnungen für die kollektive Blattverstellung durch einen Außenregelkreis gemäß Fig. 4 in dem Berechnungsunterpro­ gramm 1404 für die kollektive Blattverstellung durch den Außenregelkreis ausgeführt werden, das in dem dritten Autopilotprogramm nach Fig. 14 der vorgenannten US-Pa­ tentschrift beschrieben ist. Die Drehmomentbegrenzungs­ logik 192 nach Fig. 5 kann entweder in dem Duplexbetrieb- Statusüberprüfungsunterprogramm 1203, das in dem ersten Autopilotprogramm nach Fig. 12 in der genannten US-Pa­ tentschrift dargestellt ist, oder in einer Einzelrech­ nerausführungsform in einem Programm ähnlich dem Duplex-/Simplex­ betrieb-Statusüberprüfungsunterprogramm 1104 in der nullten Autopilotroutine nach Fig. 11 in der genann­ ten US-Patentschrift ausgeführt werden.

Gemäß Fig. 4 wird das Berechnungsprogramm 1404 für die kollektive Blattverstellung durch den Außenregelkreis über den 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 Synchronisier­ schaltung 74 nach Fig. 2 äquivalent. Dann liefert ein Schritt 166 die zeitliche Änderung der Höhe als Diffe­ renz zwischen der augenblicklichen Höhe und der Höhe des vorangehenden Zyklus, die mit "m" bezeichnet ist, divi­ diert durch den Arbeitszyklus ΔT. Das ist dem Differen­ zierer 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 Proportionalhöhenverstärkung (KPa) und des Höhenfeh­ lers, was die Funktion des Verstärkers 68 in Fig. 2 ist. Ein Schritt 169 erzeugt die zeitliche Änderung des Höhen­ befehls als das Produkt der Differentialverstärkung KRa und der zeitlichen Änderung der Höhe, was dem Differentialverstärker 70 in Fig. 2 äquivalent ist. Dann stellt ein Test 170 fest, ob der Proportionalhöhenbefehl den Grenzwert über­ schreitet, 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 äqui­ valent ist. Andernfalls wird ein negatives Ergebnis des Tests 170 bewirken, daß der Schritt 171 umgangen wird. Dann stellt ein Test 170a fest, ob der Proportionalhöhen­ befehl kleiner als der negative Grenzwert ist, und, wenn dem so ist, bewirkt ein Schritt 171a, daß ein Proportional­ höhenbefehl gleich dem negativen Grenzwert ist. Andern­ falls wird ein negatives Ergebnis des Tests 170a bewir­ ken, daß der Schritt 171a umgangen wird. Dann wird in ei­ nem 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 er­ zeugt. In einem Schritt 173 wird ein Drehmomentfehlersi­ gnal als Differenz zwischen dem Maximaldrehmoment und dem augenblicklichen Triebwerksdrehmoment (bezeichnet mit "n") erzeugt. In einem Schritt 174 wird ein augenblick­ licher Verzögerungsfehler (mit "n" bezeichnet) als eine Konstante (KL1, äquivalent T1 in Fig. 2) mal der Diffe­ renz zwischen dem Drehmomentfehler und dem Verzögerungs­ fehler, die in dem vorangehenden Zyklus erzeugt worden ist (bezeichnet mit "m"), und summiert mit dem Verzögerungs­ fehler, 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 Verzögerungs­ fehler in dem nächsten Zyklus benutzt werden soll, ange­ paßt, damit er gleich dem Verzögerungsfehler ist, der in dem augenblicklichen Zyklus erzeugt wird. In einem Schritt 176 wird die zeitliche Änderung des Drehmoments als Dif­ ferenz zwischen dem Triebwerksdrehmoment in dem augen­ blicklichen Zyklus und dem Triebwerksdrehmoment in dem vorangehenden Zyklus dividiert durch den Arbeitszyklus ΔT bestimmt, und dann wird das vorangehende Triebwerks­ drehmoment für den nächsten Zyklus in einem Schritt 177 angepaßt. Die verzögerte zeitliche Änderung des Triebwerks­ drehmoments (äquivalent der Schaltung 116 für die ver­ zögerte 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 Än­ derung des Drehmoments und der zeitlichen Änderung der Verzögerung, die in dem vorangehenden Zyklus erzeugt wur­ de, 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 verzö­ gerten zeitlichen Änderung des augenblicklichen Zyklus erzeugt. Das ist den Verstärkern 106, 108 und dem Summier­ punkt 104 nach Fig. 2 äquivalent.

Die Funktionen, die in Fig. 2 durch das Drehmoment-Be­ grenzungssignal 56 gesteuert werden, wer­ den 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 Kollektiv­ integriererwert, der erzeugt wird, gleich dem augen­ blicklichen Kollektivintegriererwert plus einer Integral­ konstante (KIt) mal dem Verzögerungsfehler des augen­ blicklichen Zyklus ist, was der Auswirkung des Drehmomentintegralverstär­ kers 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 um ein Überblendinkrement inkrementiert, und ein Test 183 stellt fest, ob der Überblendfaktor größer als 1 ist. Wenn dem so ist, wird durch ein bejahendes Ergebnis des Tests 183 ein Schritt 184 erreicht, in welchem der Über­ blendfaktor gleich 1 gesetzt wird. Andernfalls wird auf­ grund 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 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 Drehmomentintegralverstär­ kers 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 Überblendfaktor um das Überblendinkrement dekrementiert, und ein Test 187 stellt fest, ob der Über­ blendfaktor 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 Ergeb­ nis des Tests 187, daß der Schritt 188 umgangen wird.

In einem Schritt 189 wird ein überblendeter Höhen­ befehl (mit "F" bezeichnet) als das Produkt aus dem Höhenbe­ fehl und eins minus dem Überblendfaktor erzeugt. In ei­ nem Schritt 190 wird der überblendete Drehmomentbefehl als das Produkt des Drehmomentbefehls und des Überblend­ faktors erzeugt. In einem Schritt 191 wird der Kollektiv­ befehl als die Summe des überblendeten Höhenbefehls, des überblendeten Drehmomentbefehls und des Kollektivinte­ grierers erzeugt. Die Schritte 189-191 sind den Überblend­ schaltungen 42, 44 und dem Summierpunkt 40 in Fig. 2 äquivalent.

In Fig. 5 sind die logischen Funktionen zum Erzeugen des Drehmoment-Begrenzungssignals 56 in Fig. 3 und unmittelbar damit in Beziehung stehende Funktionen nach Fig. 2 für eine digitale Implementierung angegeben. Das Drehmomentbegrenzungsprogramm wird über einen Ein­ gangspunkt 192 erreicht, und ein erster Schritt 193 er­ zeugt den erwarteten Höhenfehler als Differenz zwischen dem Höhenfehler und dem Produkt der zeitlichen Änderung der Höhe und der Erwartungszeit. Das ist der Referenz-Vorhaltezeitspanne 86, dem Multiplizierer 84 und dem Summierpunkt 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 au­ genblicklichen Zyklus und der Erwartungszeit erzeugt. Das ist der Referenz-Vorhaltezeitspanne 130, dem Multiplizierer 128 und einem Summierpunkt 126 in Fig. 2 äquivalent. Dann bestimmt ein Test 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 bistabi­ len Vorrichtung 140 in Fig. 3). Das Programm wird in ei­ nem Punkt 197 beendet. Wenn die Höhenhaltung wirksam ist, führt ein bejahendes Ergebnis des Tests 195 zu einem Test 198, um festzustellen, ob die Drehmomentbegrenzung wirk­ sam 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 ange­ nommen wird, daß er es nicht ist, so führt ein negatives Ergebnis des Tests 199 zu einem Test 200, in welchem fest­ gestellt wird, ob der Einschaltverzögerungszähler auf null ist oder nicht. Das ist den beiden Zeitgebern 144, 146 in Fig. 3 äquivalent, die die Zeitsperre erreicht haben, nachdem ihre Rücksetzeingänge ausgelöst worden sind. Wenn der Zeitgeber 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 Ergeb­ nis des Tests 200 zu einem Test 202, in welchem festge­ stellt wird, ob das erwartete Drehmoment größer als das Maximaldrehmoment ist, was dem Komparator 136 in Fig. 2 äquivalent ist. Wenn dem so ist, wird ein Schritt 203 erreicht, um die Drehmomentbegrenzung zu setzen, was dem Setzen der bistabilen Vorrichtung 140 in Fig. 3 äqui­ valent ist.

Wenn angenommen wird, daß die Drehmomentbegrenzung wirk­ sam ist, wird durch ein bejahendes Ergebnis des Tests 198 ein Schritt 204 erreicht, in welchem der Einschaltver­ zögerungszähler auf einen Zählerstand gesetzt wird, der gleich 40 ist. Der Grund dafür ist, daß in der hier be­ schriebenen Ausführungsform angenommen wird, daß mit 20 Hz gearbeitet wird, was bedeutet, daß der Zähler alle 50 ms inkrementiert wird. Durch Setzen des Einschaltverzöge­ rungszählers auf 40 wird der Schritt 201 vierzigmal durch­ laufen, um den Zähler in genau zwei Sekunden auf null zu dekrementieren. Das ergibt die Hysterese von zwei Sekunden des 2-Sekunden-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 er­ reicht, um die Drehmomentbegrenzung rückzusetzen. Wenn dem nicht so ist, wird ein Test 206 erreicht, um festzustel­ len, ob der erwartete Höhenfehler negativ ist. Wenn dem so ist, wird der Schritt 196 erreicht, um die Drehmomentbe­ grenzung rückzusetzen. Andernfalls werden negative Ergeb­ nisse der Tests 205 und 206 bewirken, daß das Programm an dem Punkt 197 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 Ein­ schaltverzögerungszähler auf 60 gesetzt wird. Bei der Fre­ quenz von 20 Hz wird das zur Folge haben, daß drei Sekun­ den verstreichen, bevor der Einschaltverzögerungszähler wieder auf null gesetzt werden kann, wodurch drei Sekun­ den gewährleistet werden, während denen das Triebwerk überbeansprucht werden kann, um einen Sinkflug zu stop­ pen, bevor die Drehmomentbegrenzung wirksam wird, was der Funktion des 3-Sekunden-Zeitgebers 146 in Fig. 3 äquivalent ist.

Der Einfachheit halber sind die Ausführungsformen hier nur mit Bezug auf die äußere Servoeinrichtung für die kollektive Blattverstellung 12 beschrieben worden. Die Drehmomentbegrenzung kann jedoch auf völlig analoge Weise auf die innere Servoeinrichtung 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-Überblendfaktor-Schaltung für den Höhenregler (Proportional-, Differential- und Vertikalbeschleunigungssignale) benutzt wird. Diese Reglersignale werden dann summiert und an die innere Servoeinrichtung für die kollektive Blattverstellung auf bekannte Weise angelegt.

Die hier beschriebene Flughöhenregelanlage kann mit verschiedenen Verzögerungszeiten, verschiedenen Arten der Filterung und Begrenzung und an­ deren bekannten Entwurfskenndaten implementiert werden, um sie jeder Implementierung anzupassen.

Claims (6)

1. Automatische, drehmomentbegrenzende Flughöhenregelanlage für einen Hubschrauber,

• - mit einem Höhenmesser (78), der die augenblickliche Flughöhe des Hubschraubers anzeigt und ein Ist-Höhensignal (76) lie­ fert;
• - mit einem mit dem Hubschraubertriebwerk verbundenen Drehmo­ mentsensor (22), der das augenblickliche Triebwerksdrehmo­ ment anzeigt und ein Ist-Drehmomentsignal (124) liefert,
• - mit einer signalbetätigten äußeren Servoeinrichtung (12) für die kollektive Blattverstellung der Hubschrauber-Hauptrotor­ blätter; und
• - mit Signalverarbeitungseinrichtungen (40, 42, 44, 80, 84, 136, 140, 142, 144, 146, 150, 154), die mit dem Drehmoment­ sensor (22) und mit dem Höhenmesser (78) verbunden sind und auf diese ansprechen, und wobei
• - das maximale Entwurfbetriebsdrehmoment des Hubschraubertrieb­ werkes angezeigt und als maximales Drehmoment-Referenzsignal (122) geliefert wird, und
• - die augenblickliche Sollhöhe des Hubschraubers als Höhen-Re­ ferenzsignal angezeigt und ein Höhen-Fehlersignal (72) als Differenz zwischen dem Ist-Höhensignal (76) und dem Höhen- Referenzsignal geliefert wird,

wobei ein Höhen-Befehlssignal (58) als Differenz zwischen einer Funktion des Höhen-Fehlersignals (72) und einer Funktion der zeitlichen Änderung des Ist-Höhensignals (76), und
ein Integral-Blattverstellsignal (46) als eine Funktion des Hö­ hen-Fehlersignals (72), und
ein Drehmoment-Fehlersignal (118) als Differenz zwischen dem maximalen Drehmoment-Referenzsignal (122) und dem Ist-Drehmo­ mentsignal (124) und
ein Drehmomentbefehlssignal (102) als Differenz zwischen einer Funktion des Drehmoment-Fehlersignals (118) und einer Funktion der zeitlichen Änderung des Ist-Drehmomentsignals (124) ange­ zeigt und geliefert wird, und
wobei der äußeren Servoeinrichtung (12) für die kollektive Blattverstellung ein kollektives Blattverstellbefehlssignal (38) als Summe des Höhen-Befehlssignals (58), des Integral- Blattverstellsignals (46) und des Drehmomentbefehlssignals (102) geliefert wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Signalverarbeitungseinrichtungen (40, 42, 44, 136, 140, 142, 150) das Ist-Drehmomentsignal (124) und das maximale Dreh­ moment-Referenzsignal (122) verarbeiten und ein Interpolations- Überdrehmomentsignal (138) liefern, das den Beginn einer Über­ schreitung des maximalen Entwurfbetriebsdrehmomentes des Hub­ schraubertriebwerks anzeigt und ein Drehmoment-Begrenzungssi­ gnal (56) auslöst, wobei
bei Aufbau des Drehmoment-Begrenzungssignals (56) das Drehmo­ mentbefehlssignal (102) eingeblendet und das Höhen-Befehlssi­ gnal (58) ausgeblendet und
bei Fortfall des Drehmoment-Begrenzungssignals das Höhen-Be­ fehlssignal (58) eingeblendet und das Drehmomentbefehlssignal (102) ausgeblendet und
bei negativem Höhen-Befehlssignal (152) das Drehmoment-Begren­ zungssignal (56) unterbrochen wird, und wobei
das Integral-Blattverstellsignal (46) als Funktion des Drehmo­ ment-Fehlersignals (118) bei vorhandenem Drehmoment-Begren­ zungssignal (56) ausgelöst und
das Integral-Blattverstellsignal (46) als Funktion des Höhen- Fehlersignals (72) bei nichtvorhandenem Drehmoment-Begrenzungs­ signal ausgelöst wird,
wodurch die Steuerung der äußeren Servoeinrichtung (12) für die kollektive Blattverstellung von einem Höhenbefehl auf einen Drehmomentbefehl und wieder auf einen Höhenbefehl einschwingt und das Integral-Blattverstellsignal (46) entsprechend modul­ iert.

2. Automatische, drehmomentbegrenzende Flughöhenregelanlage für einen Hubschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen (40, 42, 44, 136, 140, 142) auf das Produkt aus der zeitlichen Änderung des Ist- Drehmomentsignals (124) und einer Referenz-Vorhaltezeitspanne (130) ansprechen, wobei ein Interpolations-Drehmoment-Inkre­ mentsignal (132) und ein Interpolations-Drehmoment-Signal (134) als Summe des Interpolations-Drehmoment-Inkrementsignals (132) und des Ist-Drehmomentsignals (124) erzeugt werden und das In­ terpolations-Überdrehmomentsignal (138) auslösen, wenn das In­ terpolations-Drehmoment-Signal (134) ein Drehmoment größer als das maximale Drehmoment-Referenzsignal (122) liefert.

3. Automatische, drehmomentbegrenzende Flughöhenregelanlage für einen Hubschrauber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen (80, 84) ein In­ terpolations-Höhen-Inkrementsignal (88) als Funktion der zeit­ lichen Änderung des Ist-Höhensignals (76) multipliziert mit ei­ ner Referenz-Vorhaltezeitspanne (86) liefern, wobei ein Inter­ polations-Höhenfehlersignal (92) als Differenz zwischen dem In­ terpolations-Höhen-Inkrementsignal (88) und dem Höhen-Fehlersi­ gnal (72) ausgelöst und ein Interpolations-Sollhöhensignal (96) erzeugt wird, wenn das Interpolations-Höhenfehlersignal (92) negativ ist, und wobei das Drehmoment-Begrenzungssignal (56) bei vorhandenem Interpolations-Sollhöhensignal (96) unter­ brochen wird.

4. Automatische, drehmomentbegrenzende Flughöhenregelanlage für einen Hubschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Signalverarbeitungseinrichtungen (144) bei Fortfall des Drehmoment-Begrenzungssignals (56) ver­ hindern, daß das Drehmoment-Begrenzungssignal (56) bei vorhan­ denem Interpolations-Überdrehmomentsignal (138) für ein be­ stimmtes Zeitintervall nach dem Fortfall des Drehmoment-Be­ grenzungssignals (56) erzeugt wird.

5. Automatische, drehmomentbegrenzende Flughöhenregelanlage für einen Hubschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Signalverarbeitungseinrichtungen (146) bei nichtvorhandenem Drehmoment-Begrenzungssignal (56) und gleichzeitigem negativen Höhen-Fehlersignal (72) verhin­ dern, daß das Drehmoment-Begrenzungssignal (56) bei vorhandenem Interpolations-Überdrehmomentsignal (138) für ein bestimmtes Zeitintervall bei nichtnegativem Höhen-Fehlersignal (72) er­ zeugt wird, um dadurch einen automatischen Sinkflug des Hub­ schraubers zu unterbrechen, ohne daß bei vorhandenem Interpola­ tions-Überdrehmomentsignal (138) ein Drehmoment-Begrenzungssi­ gnal entsteht.