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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Seitenrudersteuerungssystem
für Luftfahrzeuge.
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Es
ist bekannt, dass heutzutage bei den meisten Luftfahrzeugen das
Seitenruder mit Hilfe einer mechanischen Verbindung gesteuert wird,
die zwischen dem vom Piloten betätigten
Fußpedal
und dem Seitenruder eingefügt
ist. Man hat jedoch auch schon elektrische Steuerungssysteme für solche
Seitenruder ins Auge gefasst, ähnlich
wie man sie bereits für
die anderen Ruder, die Klappen, die Querruder, die Spoiler, etc.
verwendet.
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Im Übrigen ist
es bekannt, dass die Dimensionierung eines solchen Seitenruders
aus den Lasten berechnet wird, die bei normalisierten Flugmanövern auf
das Luftfahrzeug wirken. Beim Rollen und beim Gieren beruhen diese
Flugmanöver
darauf, das Seitenruder durch plötzliche
Betätigung
des Fußpedals zu
belasten, bis hin zum Vollausschlag des Ruders.
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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Seitenrudersteuerungssystem
für Luftfahrzeuge,
mit dem es möglich
ist, die Seitenlasten, die beim Flugmanöver auf das Ruder wirken, zu begrenzen,
und dadurch die Dimensionierung und das Gewicht des Ruders zu reduzieren,
jedoch ohne dabei die Flugeigenschaften des Luftfahrzeugs oder die
Flugsicherheit zu beeinträchtigen.
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Zu
diesem Zweck ist das erfindungsgemäße elektrische Seitenrudersteuerungssystem
für Luftfahrzeuge,
wobei das Ruder um eine Achse drehbar angebracht ist, um innerhalb
eines Ausschlagsbereichs, der sich beiderseits der neutralen Position
des Ruders erstreckt und auf beiden Seiten dieser neutralen Position
durch einen maximalen Ausschlagswert begrenzt wird, eine beliebige
Winkelstellung einnehmen zu können,
und wobei das System Folgendes aufweist:
- – ein Fußpedal,
das vom Piloten betätigt
wird und mit einem Signalumformer verbunden ist, der einen elektrischen
Steuerungsbefehl liefert, der die Betätigung des Fußpedals
durch den Piloten wiedergibt; und
- – einen
Stellantrieb, der einen vom Steuerungsbefehl abgeleiteten Stellbefehl
erhält,
und der das Seitenruder rund um die Achse in die entsprechende Stellung
dreht,
dadurch gekennzeichnet,
- – dass
es zwischen dem Fußpedal
und dem Stellantrieb Filterungsvorrichtungen in Tiefpassausführung aufweist,
die den Steuerungsbefehl des Signalumformers empfangen und den Stellbefehl für den Stellantrieb
erzeugen, und
- – dass
die Zeitkonstante der Filterungsvorrichtungen umso größer ist,
je größer die
Amplitude des Steuerungsbefehls ist, die einem Anteil des maximalen
Ausschlagswerts entspricht.
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Man
führt somit
dank der vorliegenden Erfindung in die Steuerungsbefehle des Fußpedals
eine nichtlineare Filterung ein, die vom verfügbaren Steuerruderausschlag
abhängt,
wobei diese Filterung umso stärker
ist, je weiter sich das Seitenruder den Anschlägen nähert, die den Maximalausschlag
begrenzen, was die Lasten verringert, die auf das Ruder wirken,
und es erlaubt, die Dimensionierung und das Gewicht des Seitenruders
zu reduzieren.
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Im Übrigen ist
es bekannt, dass ein Steuerungssystem des oben beschriebenen Typs üblicherweise
außerdem
Vorrichtungen zur Richtungsstabilisierung aufweist, die einen Stabilisierungsbefehl
erzeugen, der zum Steuerungsbefehl des Fußpedals addiert wird. In diesem
Fall wird die Höhe
der auf das Seitenruder wirkenden Maximallasten besonders kritisch,
wenn diese Befehle das gleiche Vorzeichen haben.
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Überdies
sind gemäß einer
werteren Besonderheit der vorliegenden Erfindung, wenn das Steuerungssystem
außerdem
Vorrichtungen zur Richtungsstabilisierung des Luftfahrzeugs, die
einen Befehl zur Richtungsstabilisierung erzeugen, und einen ersten
Addierer, der die Summe aus dem Befehl zur Richtungsstabilisierung
und dem Stellbefehl des Stellantriebs bildet, aufweist, Vorrichtungen
vorgesehen, die geeignet sind um festzustellen, ob der Steuerungsbefehl
und der Befehl zur Richtungsstabilisierung das gleiche Vorzeichen
oder unterschiedliche Vorzeichen haben, und die Vorrichtungen zur
Ermittlung des Vorzeichens wirken auf die Filterungsvorrichtungen,
um deren Zeitkonstante zu erhöhen, wenn
der Steuerungsbefehl und der Stabilisierungsbefehl das gleiche Vorzeichen
haben.
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Dadurch
werden die Lasten, die auf das Seitenruder wirken, noch werter reduziert,
da der Steuerungsbefehl des Fußpedals
noch stärker
gefiltert wird, wenn sich das Ruder in der Nähe seiner maximalen Ausschlagsposition
befindet und dieser Befehl und der Befehl zur Richtungsstabilisierung
das gleiche Vorzeichen haben.
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In
einem praktischen Ausführungsbeispiel weist
das erfindungsgemäße System
Folgendes auf:
- – einen Begrenzer, der den
Steuerungsbefehl empfängt
und ein Ausgangssignal liefert, das:
- • entweder
der Steuerungsbefehl ist, wenn dessen Amplitude einem Ausschlagswert
entspricht, der kleiner als eine Begrenzung ist, die gleich einem
zuvor festgelegten Anteil des maximalen Ausschlagswerts ist;
- • oder
ein Grenzwert ist, der der Begrenzung entspricht, wenn die Amplitude
des Steuerungsbefehls größer ist
als dieser Grenzwert;
- – ein
erstes Tiefpassfilter, das eine erste Zeitkonstante aufweist und
das Ausgangssignal des Begrenzers empfängt;
- – einen
Subtrahierer, der die Differenz zwischen dem Steuerungsbefehl und
dem Ausgangssignal des Begrenzers bildet;
- – ein
zweites Tiefpassfilter, das eine zweite Zeitkonstante aufweist,
die größer als
die erste Zeitkonstante ist, und das die Differenz empfängt, die vom
Subtrahierer gebildet wird; und
- – einen
zweiten Addierer, der die Summe aus den Ausgangssignalen bildet,
die vom ersten und vom zweiten Filter kommen, um einen gefilterten
Steuerungsbefeht für
den Stellantrieb zu erzeugen.
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Im
Falle dass dieses System mit den oben genannten Vorrichtungen zur
Richtungsstabilisierung ausgestattet ist, kann es außerdem folgende
Komponenten aufweisen:
- – ein drittes Tiefpassfilter,
das eine dritte Zeitkonstante aufweist, die größer als die zweite Zeitkonstante
ist, und das die Differenz empfängt,
die vom Subtrahierer gebildet wird;
- – einen
gesteuerten Umschalter, der zwischen einerseits dem zweiten und
dem dritten Tiefpassfilter und andererseits dem zweiten Addierer
eingefügt
ist, um an den zweiten Addierer entweder das vom zweiten Tiefpassfilter
kommende Ausgangssignal oder das vom dritten Tiefpassfilter kommende
Ausgangssignal schicken zu können;
und
- – Steuerungsvorrichtungen
des Umschalters, die so beschaffen sind, dass dieser:
- • das
zweite Tiefpassfilter mit dem zweiten Addierer verbindet, wenn der
Befehl zur Richtungsstabilisierung und der elektrische Steuerungsbefehl unterschiedliche
Vorzeichen haben; oder
- • das
dritte Tiefpassfilter mit dem zweiten Addierer verbindet, wenn der
Befehl zur Richtungsstabilisierung und der elektrische Steuerungsbefehl
das gleiche Vorzeichen haben.
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Das
erste, zweite und dritte Tiefpassfilter sind vorzugsweise des Typs
erster Ordnung mit einer Übertragungsfunktion
der Form
wobei τ die Zeitkonstante τ1, τ2 oder τ3 des ersten, zweiten
beziehungsweise dritten Filters und p die LAPLACE-Variable ist.
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Die
erste (τ1),
zweite (τ2)
und dritte (τ3)
Zeitkonstante können
Werte zwischen 100 ms und 500 ms, 500 ms und 1 Sekunde beziehungsweise
1 Sekunde und 2 Sekunden annehmen.
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Im Übrigen kann
die Begrenzung ungefähr 70%
des maximalen Ausschlagswerts des Seitenruders betragen.
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Aus
den Figuren der Zeichnungen im Anhang ist ersichtlich, wie die Erfindung
ausgeführt
sein kann. Ähnliche
Elemente sind in diesen Figuren mit gleichen Bezugszeichen beschriftet.
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1 zeigt
das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
des elektrischen Steuerungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Diagramm, das in Draufsicht die Bewegungen des Seitenruders
eines Luftfahrzeugs veranschaulicht, das vom System der 1 gesteuert
wird.
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Die 3, 4 und 5 veranschaulichen
die jeweilige Filterung der Stellbefehle des Seitenruders für drei verschiedene
Befehlsamplituden.
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Das
elektrische Steuerungssystem, das der vorliegenden Erfindung entspricht
und in 1 dargestellt ist, dient der Betätigung eines
Seitenruders 1 für
Luftfahrzeuge und ist in beide Richtungen um die Z-Z-Achse drehbar
angebracht, wie es durch den Doppelpfeil 2 symbolisiert
wird. Wie durch die schematische Draufsicht in der 2 veranschaulicht, kann
das Ruder 1 innerhalb eines Ausschlagsbereichs 3,
der sich beiderseits der aerodynamisch neutralen Position 4 des
Ruders 1 erstreckt, eine beliebige Winkelstellung rund
um die Z-Z-Achse annehmen. Der Ausschlagsbereich 3 wird
auf beiden Seiten der neutralen Position 4 durch eine Position 5D oder 5G begrenzt,
die dem maximalen Ausschlagswert M (rechts und links) entspricht
und durch die Anschläge 6 für das Ruder 1 gekennzeichnet
ist.
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Das
elektrische Steuerungssystem weist ein Fußpedal 7 auf, das
dem Piloten (nicht dargestellt) zur Verfügung steht und mit einem Signalumformer 8 verbunden
ist, der ein elektrisches Signal zur Steuerung des Gierwinkels y
liefert, sowie einen Stellantrieb 9, der vom Ausgang eines
Addierers 10 einen Stellbefehl c empfängt, mit dem das Ruder 1 rund
um die Z-Z-Achse gedreht werden kann.
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Das
elektrische Steuerungssystem der 1 weist
außerdem
Vorrichtungen zur Richtungsstabilisierung 11 (Flugrechner)
auf, die einen Befehl zur Richtungsstabilisierung s erzeugen, der
an einen der Eingänge
des Addierers 10 geschickt wird. Der andere Eingang des
Addierers 10 empfängt
einen Befehl yf, der dem Befehl zur Steuerung des Gierwinkels y
nach der Filterung durch eine Einrichtung 12 entspricht,
die zwischen dem Signalumformer 8 und dem Addierer 10 angebracht
ist.
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Der
Stellbefehl c des Stellantriebs 9 ist also die Summe aus
dem gefilterten Befehl yf und dem Befehl zur Richtungsstabilisierung
s.
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Die
Filterungseinrichtung 12 weist einen Begrenzer 13 auf,
der an seinem Eingang 13E den Befehl zur Steuerung des
Gierwinkels y empfängt
und ihn in seiner Amplitude auf einen Grenzwert l begrenzen kann,
der einem zuvor festgelegten Anteil L des maximalen Ausschlagswerts
M entspricht. Die Begrenzung L beträgt zum Beispiel 70% des Maximalwerts
M (siehe 2). Der Begrenzer 13 funktioniert
wie folgt:
- – wenn die Amplitude y1 des
Steuerungsbefehls y kleiner ist als der Grenzwert l, erscheint am
Ausgang 13S des Begrenzers 13 das Signal
- – wenn
hingegen die Amplitude y2 des Steuerungsbefehls y größer ist
als der Grenzwert l, liegt am Ausgang 13S der Grenzwert λ vor.
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Die
Filterungseinrichtung 12 weist außerdem drei Tiefpassfilter
der ersten Ordnung 14, 15 und 16, einen
Subtrahierer 17, einen Addierer 18, einen gesteuerten
Umschalter 19, eine Steuerungsvorrichtung 20 für den Umschalter
und einen Multiplizierer 21 auf.
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Diese
verschiedenen Elemente sind wie folgt miteinander verbunden:
- – der
Eingang 14E und der Ausgang 14S des Filters 14 sind
mit dem Ausgang 13S des Begrenzers 13 beziehungsweise
mit einem der Eingänge 18E1 des
Addierers 18 verbunden;
- – der
positive Eingang 17P und der negative Eingang 17N des
Subtrahierers 17 sind mit dem Ausgang des Signalumformers 8 beziehungsweise dem
Ausgang 13S des Begrenzers 13 verbunden, so dass
der Subtrahierer 17 an seinen Ausgang 17S die Differenz
zwischen dem elektrischen Signal zur Steuerung des Gierwinkels y
und eben diesem Signal in vom Begrenzer 13 begrenzter Form;
- – die
Eingänge 15E und 16E der
Filter 15 und 16 sind gemeinsam mit dem Ausgang 17S des
Subtrahierers 17 verbunden;
- – die
Ausgänge 15S und 16S der
Filter 15 und 16 sind mit dem Eingang 19E1 beziehungsweise dem
Eingang 19E2 des gesteuerten Umschalters 19 verbunden;
- – der
Ausgang 19S des gesteuerten Umschalters 19 ist
mit dem anderen Eingang 18E2 des Addierers 18 verbunden,
so dass dieser je nach der Position des Umschalters 19 entweder
das vom Filter 15 gefilterte Signal oder das vom Filter 16 gefilterte
Signal empfängt;
- – die
Steuerungsvorrichtung 20, die den Umschalter 19 betätigt, wird
ihrerseits vom Multiplizierer 21 gesteuert und empfängt gleichzeitig
den Befehl zur Richtungsstabilisierung s und den Befehl zur Steuerung
des Gierwinkels y.
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Nachstehend
wird unter Bezugnahme auf die Diagramme der 3, 4 und 5,
in denen der Befehl zur Steuerung des Gierwinkels y in Abhängigkeit
von der Zeit t dargestellt wird, die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Systems
beschrieben, wobei es in diesen Diagrammen um die Grenzwerte l und
m geht, die den Winkelgrenzwerten L und M entsprechen.
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In
der 3 ist der Fall dargestellt, dass der Stellbefehl
y die Form eines Rechteckimpulses 22 aufweist, dessen Amplitude
y1 kleiner ist als der Grenzwert l. In diesem Fall lässt der
Begrenzer 13 den Rechteckimpuls 22, der am Ausgang 13S erscheint,
uneingeschränkt
durch. Folglich:
- – empfängt der Subtrahierer 17 an
seinen beiden Eingängen 17P und 17N den
gleichen Rechteckimpuls 22, so dass am Ausgang 17S kein
Signal vorliegt und keines der beiden Filter 15 und 16 aktiv
wird;
- – empfängt das
Filter 14 den Rechteckimpuls 22 und filtert diesen,
indem es die steile Vorderflanke 22A und die steile Hinterflanke 22R glättet, so
wie es in 3 dargestellt ist.
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Das
Signal yf besteht also in diesem Fall aus diesem vollständigen Rechteckimpuls
mit der geglätteten
Vorderflanke 22A und der geglätteten Hinterflanke 22R.
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Wenn
nun der Stellbefehl y die Form eines Rechteckimpulses 23 aufweist,
dessen Amplitude y2 größer ist
als der Grenzwert l (siehe 4 und 5),
wird der Begrenzer 13 aktiv und liefert an seinen Ausgang 13S einen
Rechteckimpuls, der zwar dem Rechteckimpuls 23 entspricht,
aber auf die Amplitude l begrenzt ist. Folglich:
- – empfängt das
Filter 14 den Rechteckimpuls 23, dessen oberer
Bereich 24 über
der Amplitude l abgeschnitten ist; und
- – liefert
der Subtrahierer 17 an seinen Ausgang 17S diesen über die
Amplitude l hinausragenden oberen Bereich 24, der an die
Eingänge 15E und 16E der
Filter 15 und 16 geschickt wird.
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Der
Rechteckimpuls 23, dessen oberer Bereich 24 abgeschnitten
ist, wird vom Filter 14 in ähnlicher Weise gefiltert wie
es oben für
den Rechteckimpuls 22 beschrieben wird (siehe die Vorder-
und Hinterflanken 23A und 23R).
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Des
Weiteren wird der obere Bereich 24 je nach den Vorzeichen
der Befehle y und s entweder vom Filter 15 oder vom Filter 16 gefiltert.
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Wenn
diese Vorzeichen unterschiedlich sind, was vom Multiplizierer 21 festgestellt
wird, verbindet der Umschalter 19, der von der Vorrichtung 20 gesteuert
wird, den Ausgang 15S des Filters 15 mit dem Eingang 18E2 des
Addierers 18, so dass dieser obere Bereich 24 vom
Filter 15 gefiltert wird, stärker als das Filter 14 den
abgeschnittenen Rechteckimpuls 23 filtert, wie dies durch
das Kurvensegment 25 in der 4 dargestellt
ist. In dieser Figur ist zum Vergleich in gestrichelter Linie die
Verlängerung
der geglätteten
Vorderflanke 23A dargestellt, die bei der Filterung durch
das Filter 14 entstehen würde.
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Wenn
hingegen die Befehle y und s die gleichen Vorzeichen haben, lässt die
Vorrichtung 20 auf Befehl des Multiplizierers 21 den
Umschalter 19 kippen, so dass der Ausgang 16S des
Filters 16 nun mit dem Eingang 18E2 des Addierers 18 verbunden
ist. Der obere Bereich 24 wird nun vom Filter 16 stärker gefiltert
als vom Filter 15, wie dies durch das Kurvensegment 26 in
der 5 dargestellt ist. In dieser zuletzt genannten
Figur sind zum Vergleich in gestrichelter Linie die Verlängerungen
der geglätteten
Vorderflanke 23A dargestellt, die bei der Filterung durch das
Filter 14 beziehungsweise 15 entstehen würden.
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In
den beiden Fällen
der 4 und 5 besteht der gefilterte Befehl
yf also aus der Summe des abgeschnittenen Rechteckimpulses 23,
der vom Filter 14 gefiltert wird, und des oberen Bereichs 24, der
entweder vom Filter 15 oder vom Filter 16 gefiltert wird
(siehe 4 oder 5).
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Die
Tiefpassfilter 14, 15 und 16 weisen Zeitkonstanten
auf, die beispielsweise zwischen 100 ms und 500 ms, 500 ms und 1
Sekunde beziehungsweise 1 Sekunde und 2 Sekunden betragen. Somit:
- – entspricht
die Filterung, die mit dem Filter 14 erreicht wird, den
Kriterien für
optimale Flugeigenschaften;
- – erlaubt
das Filter 15 eine beträchtliche
Reduzierung der Lasten, die auf das Ruder wirken, wenn die Wirkung
des Fußpedals
und die Wirkung des Richtungsstabilisators einander entgegenstehen; und
- – erlaubt
das Filter 16 auch dann eine beträchtliche Reduzierung der Lasten,
wenn sich die Wirkung des Fußpedals
und die Wirkung des Richtungsstabilisators addieren.
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Eine
derartige Reduzierung des Lasten, die auf das Ruder wirken, erlaubt
es, die Dimensionierung und damit das Gewicht des Ruders zu verringern.
