DE3416241A1

DE3416241A1 - Monitor fuer ein doppelstellglied

Info

Publication number: DE3416241A1
Application number: DE19843416241
Authority: DE
Inventors: William C. Monroe Conn. Fischer; David John Guilford Conn. Verzella; Stuart C. Milford Conn. Wright
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1983-05-02
Filing date: 1984-05-02
Publication date: 1984-11-08
Anticipated expiration: 2004-05-03
Also published as: DE3416241C2; IT8420760A1; IT1173942B; JPH0774037B2; US4594714A; JPS59209996A; GB2140173B; BR8402038A; GB8410986D0; IT8420760A0; GB2140173A

Description

- 4 Monitor für ein Doppelstellglied

Die Erfindung bezieht sich auf das Wahrnehmen von Unterschieden zwischen einer Vielzahl von Signalen und insbesondere auf das überwachen des Betriebes von Doppelinnenschleifenstellgliedern bei automatischen Flugsteuersystemen von Flugzeugen.

Viele Steuer/Stelleinrichtungen benutzen Stellglieder zum Stellen' von Mechanismen/ wie z.B. die Steuerflächen von einem Flugzeug. Diese SLellcjlieder können z.B. elektromechanisch oder elektrohydraulisch betrieben werden. Ein typisches automatisches Flugsteuersystem (AFCS) für ein Flugzeug beinhaltet zwei voneinander unabhängige Stabilitätserhöhungssysteme (SAS), um eine automatische Betriebssicherheit zu schaffen. Die Doppelsysteme sind gewöhnlich so aufgebaut, daß sie einen Unterschied zwischen den Stellgliedern erkennen. Wenn das System im Falle eines Durchgehens eines Stellgliedes weiterarbeiten darf, kann der Pilot oder der Copilot die erforderliche korrigierende Maßnahme ergreifen. Während ein solches System in einem Flugzeug mit zwei Piloten zufriedenstellend ist, würde seine Verwendung in einem Flugzeug mit nur einem Pilot unannehmbar sein. Es ist bekannt, beide Stellglieder in einem Doppelstellgliedsystem abzuschalten, um einem Durchgehen abzuhelfen. Das Abschalten von beiden Stellgliedern, wenn eines ausfällt, ist nicht erwünscht, denn der Pilot verfügt dann nicht mehr über die entsprechende Selbststeuerungsschleife. Gegenwärtig erhältliche Systeme, welche das entsprechende Stellglied, das durchgeht, abschalten, erfordern einen Schiedsrichter, also entweder ein drittes Stellglied oder ein elektronisches Modell,

um die Abschaltung zu erzielen, und sind somit ziemlich komplex.

Jedes Stellglied bei einem Doppelsystem hat getrennte Fühler und eine getrennte Elektronik. Daher muß mit einem kleinen Unterschied gerechnet werden, obwohl jedes Stellglied ähnlich ansprechen sollte. Typischerweise ist der Unterschied in der Größenordnung von nur wenigen Prozentpunkten. Diese kleinen Unterschiede sind annehmbar, denn im allgemeinen neigt ein Stellglied dazu, die Unterschiede bei dem anderen zu kompensieren. Daher kann die Stellung eines Stellgliedes hinter der Stellung seines Gegenstücks zurückbleiben, große Stellungsunterschiede dienen aber als Sollanzeigen eines Stellgliedausfalls. Man betrachte aber den Fall, bei welchem die Stellglieder sich bei 70% ihres Hubes (Autorität) befinden und ein Stellglied (oder seine zugehörige Elektronik) ausfällt und iⁿ die Extremlage auf 0 % geht.Das andere Stellglied hat dann nur noch 30 % Autorität, um der Extremlage entgegenzuwirken, und wird deshalb nicht in der Lage sein, voll zu kompensieren. Bei bestimmten Steuerachsen, wie z.B. die Nickachse, kann ein;.

solcher Ausfall äußerst unerwünscht sein.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Innenschleifenstellglied zu überwachen und schnell abzuschalten, wenn eine Störung vorliegt, die ein Durchgehen des Stellgliedes hervorruft. Außerdem soll ohne einen Schiedsrichter festgestellt werden, welches Stellglied" ausgefallen ist.

Erfindungsgemäß wird die Stellung und die Geschwindigkeit eines Stellgliedes gefühlt und mit der Stellung und der Geschwindigkeit eines Begleit-

Stellgliedes verglichen. Wenn ein Schwellenwertunterschied bei den Stellgliedstellungen und ein fortwährender Geschwindigkeitsunterschied über einem Schwellenwert vorliegt, wird ein Ausfall angezeigt. Das schnellere Stellglied wird als das durchgehende Stellglied ermittelt. Ein kleiner Unterschied in der Stellung und der Geschwindigkeit ist bei Normalbetrieb zu erwarten. Daher vermindert der Stellungsunterschiedschwellenwert und das Erfordernis für einen anhaltenden Geschwindigkeitsunterschied Fehlstörungen.

Die Erfindung kann unter Verwendung von einer analogen, digitalen oder einer Computersignalverarbeitung angewendet worden, wobei nur Vorrichtungen und Techniken zum Einsatz gelangen, die im Lichte der nachfolgenden Ausführungen zum Fachwissen gehören. Die vorgenannten und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden angesichts der folgenden detaillierten Beschreibung eines ihr zugeordneten Hardware-Ausführungsbeispiels noch deutlicher.

Die einzige Figur zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild des Doppelstellgliedmonitors nach der Erfindung für eine Innenschleifensteuerung zur Stabilitätserhöhung.(SAS).

In der einzigen Figur ist ein Doppelstellgliedmonitor zur Verbindung mit einem Doppelkanalstellgliedsystem gezeigt, wie z.B. dem Doppelinncnschleifennickkanal, der in unserer U.S.-Patentanmeldung Nr. 24 9 300 geoffenbart ist, die den Titel:"Impulsflugzeugstellglied" trägt, und durch Verweis hier mit einbezogen ist. Querverweise auf diese U.S.-Patentanmeldung werden nachstehend in der folgenden Kurzform gemacht: (P.A.A., Fig. n: Bezugsziffer xy).

Ein Stellungsfühler 10 liefert ein erstes Stellungssignal in einer Leitung 12, welches die Stellung eines ersten Innenschleifenstellglieds (P.A.A., Fig. 1:24) anzeigt. Auf ähnliche Weise liefert ein Stellungsfühler 16 (P.A.A., Fig. 1:25) ein zweites Stellungssignal in einer Leitung 18. Es sollte klar sein, daß der spezielle Stellungsfühler, der verwendet wird, ein solcher sein kann, der bei einer Stellgliedtrimmrückkopplungsschleife verwendet wird, oder ein separater Stellungsüberwachungssensor, wie z.B. ein Potentiometer sein kann.

Ein Summierer 22 liefert ein Signal in einer Lei-T5 tung 24, welches den Unterschied zwischen dem ersten Stellungssignal und dom zweiten Stellungssignal anzeigt. Ein Komparator, wie z.B. ein Pegeldetektor 26, liefert ein Stellungsunterschiedsignal (logische EINS) an einen UND-Schaltkreis 28, wenn das Signal in der Leitung 24 einen Schwellenwert, wie z. B. 10 % der vollen Stellgliedautorität als ersten Schritt zu einer Ausfallanzeige überschreitet. Ein gewisser Stellungsunterschied ist bei einem normal funktionierenden System, wie oben beschrieben worden ist, annehmbar.

Ein Ableitungsgeschwindigkeitsschaltkreis 30 spricht auf ein sich änderndes Signal in der Leitung 24 an und liefert ein Geschwindigkeitsunterschiedssignal an einen Pegeldetektor 32, welcher wieder ein Signal an eine Zeiteinrichtung 34 abgibt, wenn das Geschwindigkeitsunterschiedssignal einen Schwellenwert überschreitet. Passive Wegläufer oder solche, die langsamer als die Schwellenwertgeschwindigkeit sind, sind nicht von Belang, da sie dem Pilot Zeit geben, um einzugreifen. Die

Zeiteinrichtung 34 gibt ein Geschwindigkeitsunterschiedssignal an den UND-Schaltkreis 28 ab, welches auch einen Ausfall anzeigt, wenn die Geschwindigkeitsdifferenz über dem Schwellenwert für langer als ein Bezugszeitintervall, wie z.B. fünfundvierzig Millisekunden erhalten bleibt. Die Zeiteinrichtung 34 stellt sich zurück, wenn die Ausgabe des Pegeldetektors 32 NULL ist, welcher eine Geschwindigkeitsdifferenz unterhalb des Schwellenwerts anzeigt. Unter normalen Betriebsbedingungen ist ein großer Geschwindigkeitsunterschied zulässig, wenn er nicht erhalten bleibt, denn weder die Wirkung des Wegläufers noch die korrigierende Antwort des anderen Stellgliedes ist bedeutend, wenn sie für weniger als fünfundvierzig Millisekunden andauert. Zweifellos wird es vorübergehend einen großen Geschwindigkeitsunterschied geben, wenn ein Stellglied seinen Anschlag vor dem anderen erreicht. Selbstverständlich könnte der Geschwindigkeitsunterschied eher direkt durch Vergleichen individueller Stellgliedgeschwindigkeiten als indirekt als Antwort auf den wechselnden Unterschied in den Stellgliedstellungen festgestellt werden.

Der Doppelstellgliedmonitor wird nicht wirksam gemacht, wenn das System nur auf einem Kanal arbeitet, da die Stellungs- und Geschwindigkeitsdatenunterschiede groß sein würden. Deshalb spricht der UND-Schaltkreis 36 auf Signale in den Leitungen 38, 4 0 an, die anzeigen, ob die beiden Kanäle eingeschaltet sind, und liefert ein Signal an den UND-Schaltkreis 28, um den Monitor wirksam zu machen, wenn beide Schleifen eingeschaltet sind.

Wenn alle Eingaben an den UND-Schaltkreis 28 groß

sind, ist das System wirksam gemacht, und ein Signal wird in einer Leitung 42 an einen UND-Schaltkreis 44 und einen UND-Schaltkreis 46 als Anzeige abgegeben, daß ein Ausfall vorliegt. Als nächstes wird bestimmt, welches Stellglied ausgefallen ist.

Ein Ableitungsgeschwindigkeitschaltkreis 14 liefert ein die erste Stellgliedgeschwindigkeit anzeigendes Signal als Antwort auf ein wechselndes Stellungssignal in der Leitung 12. Auf ähnliche Weise liefert ein Ableitungsgeschwindigkcitsschaltkreis 20 ein die zweite Stellgliedgeschwindigkeit anzeigendes Signal. Der absolute Wert der ersten Stellgliedgeschwindigkeit wird von einem Absolutschaltkreis 50 an den Umkehreingang eines hart begrenzten Verstärkers mit einem hohen Verstärkungsfaktor, wie z.B. dem niederen Eingang eines Operationsverstärkers 52 geliefert. Auf ähnliche Weise liefert ein Absolutschaltkreis 54 den absoluten Wert der zweiten Stellgliedgeschwindigkeit an den nicht umkehrenden Eingang des Verstärkers 52. Wenn die erste Stellgliedgeschwindigkeit größer als die zweite Stellgliedgeschwindigkeit ist, ist die Ausgabe des Operationsverstärkers 52 eine logische NULL und wird durch einen Umformer 58 vervollständigt, um ein Signal an den UND-Schaltkreis 44 zu liefern, der in Verbindung mit dem Signal in der Leitung 42 ein Signal in einer Leitung 60 ausgibt, um einen Ausfall des ersten Stellgliedes anzuzeigen. Auf ähnliche Weise ist, wenn die zweite Stellgliedgeschwindigkeit die erste Stellgliedgeschwindigkeit übersteigt, die Ausgabe des Operationsverstärkers 52 in der Leitung 56 eine logische EINS und wird dem UND-Schaltkreis 46 zugeführt, wo in Verbindung mit dem Signal in der Leitung 42 ein Signal in einer Leitung 62 erzeugt wird, um einen Ausfall des zweiten Stell-

- ίο -

gliedes anzuzeigen.

Somit ist leicht zu sehen, wie ein Ausfall auf der Grundlage von gleichzeitig bestehenden Stellungs- und Geschwindigkeitunterschieden festgestellt wird, und wie das schnellere Stellglied als·das fehlerhafte ermittelt wird.

Die vorausgegangene Beschreibung betrifft im Prinzip funktionserzielende Blöcke, und es sollte selbstverständlich sein, daß zahlreiche Änderungen gemacht werden können, um dieselben oder gleichwertige Funktionen oder Kombinationen von Funktionen innerhalb des Fachwissens zu erzielen. Beispielsweise kann die offenbarte positive Logik ohne weiteres in eine Umkehrlogik umgearbeitet werden.

Spezielle Anwendungen oder Stellgliedcharakteristiken können verschiedene Schwellenwerte oder Phasenverschiebungen vorschreiben oder die Ausscheidung einiger Merkmale zum Vermeiden von Störungen gestatten. Es sollte aber klar sein, daß der Doppelstellgliedmonitor nach der Erfindung mit einem Stellglied und einem unabhängigen Modell oder mit mehrfachen Stellgliedern ausgeführt werden könnte.

Außerdem könnten die Wirkungsweisen des vorbeschriebenen Monitorgeräts ohne weiteres in einem geeignet programmierten Digitalcomputer angewendet werden. Die Umwandlung der diskreten und analogen hier beschriebenen Funktionen in digitale Funktionen, die durch eine geeignete Software in einem Computer ausgeführt werden, gehört zum Fachwissen, insbesondere angesichts der Ausführungen zur Äquivalenz

in unserer U.S.-Patentanmeldung Nr. 176 837, die am 8. August 1980 von Clelford u.a. eingereicht worden ist.

Verschiedene Aspekte der Erfindung können in einer automatischen Steuerung mit verschiedenen Funktionen neben den dargestellten Funktionen,die hier beschrieben sind, angewendet werden.

Obwohl die Erfindung bezüglich eines Ausführungsbeispieles gezeigt und beschrieben worden ist, wird es den Fachleuten klar sein, daß die vorgenannten und verschiedene andere Änderungen, Weglassungen und Hirizufügungen gemacht werden können, ohne vom Prinzip und Umfang der Erfindung abweichen zu müssen.

-42-

- Leerseite -

Claims

Dtpl.-CK?rr». Dr. Sioffon AMORAE

DipL-Phy--. OiC-tSf ri_ACH

Dipi.-lng. Rcimsr HAUG

Dlpl.-Chem. Dr. Richard KNEISSL

PATENTANWÄLTE
Steinsir. 44, D-3000 München 80

Anm.: United Technologies Corporation 2. Mai 1984 Hartford, Ct., V.St.A. Az: 200/DH

Monitor für ein Doppelstellglicd

Patentansprüche

1 . Monitor für ein Doppelstellglied zur Verwendung in Verbindung mit einer Stelleinrichtung, die ein erstes Stellglied und ein zweites Stellglied zum Stellen eines Mechanismuses hat, gekennzeichnet durch einen ersten Stellungsfühler zum Liefern eines die Stellung des ersten Stellgliedes anzeigenden ersten Stellungssignals; einen zweiten Stellungsfühler zum Liefern eines die Stellung des zweiten Stellgliedes anzeigenden zweiten Stellungssignals und eine zum Ansprechen auf den ersten Stcllungsfühlcr und den zweiten Stellungsfühler geschaltete Signalverarbeitungseinrichtung zum Liefern eines die absolute Geschwindigkeit des ersten Stellgliedes anzeigenden ersten Geschwindigkeitssignals, zum Liefern eines die absolute Geschwindigkeit des zweiten Stellgliedes anzeigenden zweiten Geschwindigkeitssignals, zum Liefern eines Stellungsunterschiedsignals, wenn der Unterschied in der durch

das erste Stellungssignal und das zweite Stellungssignal angezeigten Stellgliedstellung einen Schwellenwert übersteigt, zum Liefern eines Geschwindigkeitsunterschiedsignals als Antwort ■ auf das erste Stellungssignal und das zweite Stellungssignal, die eine relative Änderung der Stellungen zwischen dem ersten Stellglied und dem zweiten Stellglied über einen Schwellenwert hinaus anzeigen, der für langer als ein Bezugszeitintervall erhalten bleibt, und zum Liefern eines Fehlersignals, wenn beide das Stellungsunterschiedsignal und das Geschwindigkeit sun ter Schiedsignal vorhanden sind.
2. Monitor für ein Doppolstellglied zur Verwendung in Verbindung mit einer Stelleinrichtung, die ein erstes Stellglied und ein zweites Stellglied zum Stellen eines Mechanismuses hat, gekennzeichnet durch einen ersten Stellungsfühler zum Liefern eines die Stellung des ersten Stellgliedes anzeigenden ersten Stellungssignals, einen zweiten Stellungsfühler zum Liefern eines die Stellung des zweiten Stellgliedes anzeigenden zweiten Stellungssignals und eine zum Ansprechen auf den ersten Stellungsfühler und den zweiten Stellungsfühler geschaltete Signalverarbeitungseinrichtung zum Liefern eines die absolute Geschwindigkeit des ersten Stellgliedes anzeigenden ersten Geschwindigkeitssignals, zum Liefern eines die absolute Geschwindigkeit des zweiten Stellgliedes anzeigenden zweiten Geschwindigkeitssignals, zum Liefern eines Stellungsunterschiedsignals, wenn der Unterschied in der durch den ersten Stellungsfühler und den zweiten Stellungsfühler

angezeigten Stellgliedstellung einen Schwellenwert übersteigt, zum Liefern eines Geschwindigkeitsunterschiedsignals als Antwort auf das erste Stellungssignal und das zweite Stellungssignal, die eine relative Änderung der Stellungen zwischen dem ersten Stellglied und dem zweiten Stellglied über einen Schwellenwert hinaus anzeigen, der für länger als ein Bezugszeitintervall erhalten bleibt, zum Anzeigen eines ersten Stellgliedfehlers, wenn das Stellungsunterschicdsignal und das Gcschwindigkcitsunterschiedsignal vorhanden sind und das erste Geschwindigkeitsignal größer als das zweite Geschwindigkeitssignal ist, und zum Anzeigen eines zweiten Stellgliedfehlers, wenn das Stellungsunterschicdsignal und das Geschwindigkeitsunterschiedsignal vorhanden sind und das zweite Geschwindigkeitssignal größer als das erste Geschwindigkeitssignal ist.