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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung,
mit denen in einem elektrischen Lenksteuerbefehl für das Flugzeug
Schwingungen erfasst werden können,
die mit durch Lenksteuerung verursachten Schwingungskopplungen korrespondieren.
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Es
ist bekannt, dass Steuerelemente (Steuerknüppel, Fußsteuer) moderner Flugzeuge,
insbesondere solche, die als Mini-Steuerknüppel bezeichnet werden, durch
den Piloten und/oder den Copiloten der Flugzeuge leicht zu handhaben
sind, wobei ihre Ausschlagbewegungen sehr schnell sein können. Dagegen
können
die Wirkelemente der beweglichen aerodynamischen Oberflächen (Querruder, Flügelklappen,
Steuerflächen,
etc.....), die durch diese Steuerelemente angesteuert werden, auf
die durch diese erzeugten elektrischen Steuerbefehle unverzögert reagieren.
Es kann somit bei großen Steueramplituden
eine deutliche Phasenverschiebung zwischen der Verstellung eines
Steuerelements und derjenigen der durch dieses angesteuerten, beweglichen
aerodynamischen Oberflächen
bestehen.
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Aus
der Feststellung, dass die Position der angesteuerten beweglichen
aerodynamischen Oberflächen
gegenüber
der gewählten
Stellung für
das Steuerelement verzögert
ist, ergibt sich, dass der Pilot dazu tendieren könnte, die
Ausschlagweite des Steuerelements noch zu erhöhen. Dann könnte aber die Weite des Steuerausschlags
der aerodynamischen Oberflächen über diejenige
hinausgehen, die dem ureigentlichen Lenksteuerbefehl entspricht,
so dass der Pilot die Ausschlagbewegung des Steuerelements verringert,
was, mit Verzögerung,
eine Zurückbewegung
der aerodynamischen Oberflächen mit
sich bringt, etc.. Im Flugzeug ergibt sich somit eine durch Lenksteuerung
verursachte Schwingungskopplung – allgemein in der Fliegerei
mit PIO (Pilot Induced Oscillations) -Kopplung bezeichnet -, welche
die Präzision
der Lenksteuerung verschlechtern kann.
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Um
zu versuchen, ein solches Problem zu lösen, ist bekannt, die Dimensionierung
der Wirkelemente der angesteuerten aerodynamischen Oberflächen und
ihrer hydraulischen und elektrischen Versorgungen zu vergrößern, wobei
dies die Kosten und die Masse des Flugzeugs erhöht. Solche Kosten- und Gewichtszunahmen
können
für Flugzeuge
mit großen
Abmessungen untragbar werden.
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Im Übrigen sieht
die Druckschrift US-A-4,298,833 vor, den Lenksteuerbefehl insbesondere durch
Filterung zu behandeln, um diesen in einen Lenksteuerbefehl umzuwandeln,
der frei von einer durch Lenksteuerung verursachten Schwingungskopplung
ist. Jedoch wird diese Behandlung ohne eine wirkliche Erfassung
der Koppelschwingungen und ohne Wissen des Piloten durchgeführt, der somit
damit fortfahren könnte,
diese zu erzeugen.
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Es
sei ferner angemerkt, dass die Druckschrift US-A-5,935,177 ein Verfahren
zur Erfassung von Schwingungen, die den durch Lenksteuerung bewirkten
Schwingungskopplungen entsprechen, in einem elektrischen Lenksteuerbefehl δ beschreibt, der
ein Flugzeug um eine seiner Manövrierachsen steuert
(Rollen, Nicken und Gieren), wobei der elektrischen Lenksteuerbefehl δ einen maximalen
Wert δo
annehmen kann, wobei gemäß dem Verfahren:
- – der
elektrische Lenksteuerbefehl δ mit
einem Abtastschritt Δt
abgetastet wird, um eine Mehrzahl von N aufeinander folgende Abtastwerte
xk, mit k = 0, 1, 2, ..., N–1, zu erhalten;
- – die
Anzahl von Abtastwerten N und der Abtastschritt Δt in der Weise gewählt wird,
dass der Kehrwert ihres Produkt N·Δt gleich 0,3 Hz beträgt; und
- – der
abgetastete Lenksteuerbefehl in eine Fouriersche Reihe zerlegt wird.
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Jedoch
dieses letztgenannte Verfahren
- – berücksichtigt
nicht nur den einzelnen Lenksteuerbefehl, sondern benötigt ferner
Informationen über
das Gieren, Rollen und Nicken des Flugzeugs;
- – und
liefert mehr oder weniger nur ein Signal und keinesfalls ein Signal,
das für
die Amplitude der PIO-Schwingungen repräsentativ ist.
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Die
vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen.
Sie betrifft ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung
zum Erfassen einer durch Lenksteuerung verursachten Schwingungskopplung,
um den Piloten über
ihr Auftauchen und ihre Stärke
zu informieren und/oder zu handeln, um diese Effekte zu beseitigen.
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Zu
diesem Zweck ist gemäß der Erfindung das
Verfahren der oben genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass:
- – auf
jeden Abtastwert xk die Formel angewendet wird: wobei der Ausdruck j in dieser
das Symbol ist, von dem der imaginäre Teil einer komplexen Zahl
beeinflusst wird, r die Zahl der harmonischen Bestandteile der Fourierschen
Reihe ist und Ar die Fourier-Koeffizienten
sind, wobei jeder von diesen gleich:
- – die
Module |A1| und |A2| von den zwei ersten Fourier-Koeffizienten A1
und A2 bestimmt werden, die jeweils mit r = 1 und r = 2 korrespondieren;
- – ein
Index I berechnet wird, der gleich dem Quotienten der Summe |A1|
+ |A2| der Module geteilt durch die Anzahl N Abtastwerte ist; und
- – der
Index I mit einer Fraktion q·δo des Maximalwertes δo des elektrischen
Lenksteuerbefehls δ verglichen
wird, wobei der Koeffizient q der Fraktion q·δo ausgehend von einer voreingerichteten Datenbank
bestimmt wird, in der eine Mehrzahl von früheren Fällen realer Lenksteuerungen
aufgenommen ist, in welchen solche durch Lenksteuerung verursachte
Schwingungskopplungen aufgetreten sind, und angenommen wird:
• dass keine
durch Lenksteuerung verursachte Schwingungskopplung existiert, wenn
der Index I kleiner als die Fraktion q·δo liegt; und
• dass eine
durch Lenksteuerung verursachte Schwingungskopplung existiert, wenn
der Index I gleich oder größer der
Fraktion q·δo ist, wobei
der Wert des Index I, der zwischen 0 und 1 liegt, repräsentativ
für die
Amplitude der Schwingungen ist, die der durch Lenksteuerung verursachten Schwingungskopplung
entspricht.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung basiert auf zwei Feststellungen
der Anmelderin bei der Untersuchung von Fällen früherer realer Lenkvorgänge, in
welchen die durch Lenkung bewirkten Schwingkopplungen aufgetreten
waren:
- – einerseits
zeigt diese Untersuchung, dass die Kopplungsschwingungen Frequenzen
haben, die zwischen 0,3 Hz und 0,6 Hz liegen, derart, dass die Zerlegung
des Steuerbefehls in eine Fouriersche Reihe zur Aufgabe hat, die
Bestandteile dieses Befehls zu bestimmen, die zwischen 0,3 Hz und
0,6 Hz liegen; und
- – andererseits
zeigt die Untersuchung, dass, wenn die Kopplungsschwingungen auftreten,
ihre Energie einen bestimmten Anteil übersteigt, im Allgemeinen 15%
des Maximalwertes δo
des Lenksteuerbefehls δ.
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Vorzugsweise
wird dieser elektrische Lenksteuerbefehl δ vor einer Abtastung gefiltert,
um andere Schwingungen als diejenigen, die einer durch Lenkung bewirkten
Schwingungskopplung entsprechen, zu beseitigen.
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In
dem Falle, in welchem das Flugzeug dazu vorgesehen ist, von einem
Piloten und einem Copiloten gelenkt werden zu können, ist es vorteilhaft, dass der
elektrische Lenksteuerbefehl δ die
Summe der korrespondierenden persönlichen elektrischen Lenksteuerbefehle
ist, die sich jeweils aus der Aktion des Piloten und der Aktion
des Copiloten ergeben.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des
oben erwähnten Verfahrens.
Eine solche Vorrichtung, die die Erfassung von Schwingungen, die
einer durch Lenkung verursachten Schwingungskopplung entsprechen,
in einem elektrischen Lenksteuerbefehl δ, der ein Flugzeug um eine seiner
Manövrierachsen
steuert, ermöglicht,
mit:
- – ersten
Abtastmitteln für
den elektrischen Lenksteuerbefehl δ;
- – zweiten
Mitteln zur Zerlegung in eine Fouriersche Reihe des abgetasteten
Lenksteuerbefehls δ;
ist
dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner umfasst:
- – dritte
Mittel zur Berechnung des Index I; und
- – vierte
Mittel, welche den Vergleich zwischen dem Index I und der Fraktion
q·δo vom Maximalwert
des elektrischen Lenksteuerbefehls δ bewirkt, wobei der Koeffizient
q der Fraktion q·δo bestimmt
wird aus einer voreingerichteten Datenbank, die eine Mehrzahl von
Fällen
früherer
realer Lenkvorgänge
aufweist, in welchen solche durch Lenkung bewirkte Schwingungskopplungen
aufgetreten sind.
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Vorzugsweise
werden die ersten, zweiten, dritten und vierten Mittel durch einen
Rechner gebildet, der in vorteilhafter Weise ein Teil der Rechner
für elektrische
Flugbefehle des Flugzeugs sein kann.
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Die
Figuren der beigefügten
Zeichnung werden verständlich
machen, wie die Erfindung realisiert werden kann. In diesen Figuren
bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche Elemente.
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Die 1 bis 3 zeigen
Blockdiagramme von drei schematisch dargestellten Durchführungsmodi
der Erfindung.
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Das
Lenksystem, schematisch in 1 dargestellt,
umfasst ein Steuerelement, zum Beispiel in Art eines Steuerknüppels, der
um ein Gelenk 2 in zwei entgegen gesetzte Richtungen (Doppelpfeil
3) geschwenkt werden kann. Das Steuerelement 1 ist mit
einem Wandler 4 verbunden, der einen elektrischen Lenksteuerbefehl δ an seinen
Ausgang 5 liefert, welcher der Schwenkweite des Steuerelements 1 repräsentativ
ist.
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Der
elektrische Lenksteuerbefehl δ wird
an Rechner 6 zur elektrischen Flugsteuerung über tragen,
die einen Steuerbefehl für
Wirkelemente 7 erzeugen, die so ausgebildet sind, dass
sie bewegliche aerodynamische Oberflächen 8 eines Flugzeugs (nicht
dargestellt) um ihre Drehachse 9 schwenken. Wenn das Steuerelement 1 ein
Steuerknüppel
ist, zum Beispiel ein Mini-Steuerknüppel, steuern die beweglichen
aerodynamischen Oberflächen 8 das Flugzeug
sowohl in eine Rollbewegung als auch in eine Nickbewegung.
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Im Übrigen wird
der Lenksteuerbefehl δ,
in welchem die Frequenzen zwischen 0,3 und 0,6 Hz ermittelt werden,
die repräsentativ
für eine
mögliche, durch
Lenkung bewirkte Schwingungskopplung sind, die durch den Piloten
durch Betätigen
des Steuerelements 1 ausgelöst wird, an ein Filtersystem 10 adressiert,
das so ausgebildet ist, dass dieses aus diesem Lenksteuerbefehl δ die Schwingungen
beseitigt, die nicht den Schwingungen der Kopplung entsprechen. Dann
wird der gefilterte Befehl δf
an einen Rechner 11 adressiert, der so ausgebildet ist,
dass dieser jenen in eine Fouriersche Reihe zerlegt, um darin mögliche Frequenzteile
zwischen 0,3 und 06 Hz zu erfassen.
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Um
eine solche Zerlegung in eine Fouriersche Reihe zu ermöglichen,
ist es unerlässlich,
den Lenksteuerbefehl δ momentan
zu speichern. Zu diesem Zweck beginnt der Rechner 11 den
Lenksteuerbefehl δ mit
einer Abtastweite δt
abzutasten, um N aufeinander folgende Abtastwerte xk,
k = 0, 1, 2, ..., N–1,
zu erhalten. Auf diese Weise wird der bekannte Lenksteuerbefehl δ in ein diskretes
Signal xk umgewandelt.
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Die
Anzahl N und die Schrittweite Δt
werden neben anderen technischen Gesichtspunkten so gewählt, dass
der Kehrwert des Produkts wenigstens praktisch gleich 0,3 Hz ist.
Zum Beispiel kann in der Praxis Δt
= 125 ms und N = 27 verwendet werden. So ist das Produkt N·Δt gleich
3,375 s und sein Kehrwert 1/N·Δt ist gleich
0,296 Hz.
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Das
diskrete Signal x
k wird dann durch den Rechner
11 derart
in eine Fouriersche Reihe zerlegt, dass man, ganz gleich, wie groß der Wert
von k zwischen 0 und N–1
ist, in bekannter Weise erhält:
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In
diesen Ausdrücken:
- – ist
j das Symbol (gleich √–1 ), von dem der imaginäre Teil
einer komplexen Zahl beeinflusst wird;
- – ist
r die Anzahl der harmonischen Bestandteile der Fourierschen Reihe;
und
- – sind
Ar die Fourier-Koeffizienten der Zerlegung.
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Auf
diese Weise bilden die Koeffizienten Ar ein Signal mit periodischer
Frequenz, nämlich
mit einer Periode 1/Δt,
das mit der Frequenz ΔF
= 1/N·Δt abgetastet
wird.
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Eine
solche Zerlegung in eine Fourierscher Reihe liefert somit eine Frequenzanalyse
des Signals xk über einen Horizont N·Δt, mit einer
Auflösung
von Δf =
1/N·Δt.
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Im Übrigen messen
die Module |Ar| der Fourier-Koeffizienten Ar, für welche r von 0 verschieden ist,
die Energie des Signals xk mit der Frequenz
r·Δf.
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Im
vorliegenden Fall nun liegt Δf
nahe 0,3 Hz, derart, dass r·Δf für r = 1
auch nahe 0,3 Hz liegt, entsprechend dem ersten Fourier-Koeffizienten
A1, und für
r = 2 nahe 0,6 Hz liegt, entsprechend dem zweiten Fourier-Koeffizienten
A2.
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Die
Summe |A1| + |A2| der Module |A1| und |A2| des ersten und zweiten
Fourier-Koeffizienten
A1 und A2 repräsentieren
somit die Energie des Signals xk für Frequenzen
zwischen 0,3 Hz und 0,6 Hz und entsprechen den Schwingungen der
durch Lenkung verursachten Schwingungskopplung.
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Der
Rechner 11 berechnet somit die Summe der Module |A1| +
|A2|, die mit der Amplitude des Lenksteuerbefehls δ nahe dem
Faktor N gleichförmig ist.
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Folglich
kann man, um ein mögliches
Vorhandensein einer Schwingungskopplung in einem Lenksteuerbefehl δ zu bestimmten,
die Energie des ermittelten sinusförmigen Signals, das heißt, die Summe
|A1| + |A2|, mit dem Maximalwert δo
des Lenksteuerbefehls δ vergleichen.
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Zu
diesem Zweck berechnet der Rechner 11 einen Index I gleich
dem Quotienten (|A1| + |A2|)/N und vergleicht diesen Index mit einer
vorbestimmten Fraktion q·δo dieses
Maximalwertes δo.
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Der
Koeffizient q dieser Fraktion q·δo wird zum Beispiel bestimmt
aus einer Datenbank, welche eine Mehrzahl von Fällen bekannter früherer Lenkvorgänge enthält, in welchen
durch Lenkung verursachte Schwingungskopplungen an Bord von Flugzeugen
aufgetreten sind. Dieser Koeffizient liegt im Allgemeinen nahe 0,15.
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Auf
diese Weise ist der Rechner 11 ausgelegt, ein Signal S
zu erzeugen, dass:
- – gleich 0 ist, wenn der Index
I kleiner q·δo ist, da dann
keine durch Lenkung verursachte Schwingungskopplung existiert; und
- – gleich
(|A1| + |A2|)/N zwischen 0 und 1 ist, wenn der Index I gleich oder
größer q·δo ist und
dann eine durch Lenkung verursachte Schwingungskopplung existiert.
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Wie
oben angemerkt, ist der Index I gleichförmig mit der Amplitude des
Lenksteuerbefehls δ im Frequenzbereich
von 0,3 Hz bis 0,6 Hz. Diese Amplitude hat als Maximalwert δo, wenn der
Lenksteuerbefehl keine Frequenzen in diesem Bereich umfasst. So
wird gemäß der Erfindung
beurteilt, ob die durch Lenkung bewirkte Schwingungskopplung erfasst werden
muss, wenn die Amplitude des Lenksteuerbefehls δ in dem Frequenzbereich von
0,3 Hz bis 0,6 Hz einen Wert q% der Maximalamplitude δo übersteigt.
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Das
Signal S kann an eine Anzeigeeinrichtung 12 übertragen
werden, die zum Beispiel mit einem Index 13 versehen ist,
der mit einer Einteilung 14 verbunden ist, wobei die relative
Position des Index in Bezug zu der Einteilung repräsentativ
für die Amplitude
des Signals S und somit für
ihr eventuelles Vorhandensein und für die Amplitude der einer durch Lenkung
bewirkten Schwingungskopplung entsprechenden Schwingungen ist.
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Darüber hinaus
ist das Signal S auf einer Leitung 15 für jede beliebige Nutzanwendung
verfügbar.
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Um
das diskrete Signal xk in eine Fouriersche Reihe
zu zerlegen, kann der Rechner 11 Algorithmen durchführen, die
als Namen "Fast
Fourier Transform" bekannt
sind, oder jedes andere bekannte Verfahren, wie beispielsweise ein
Verfahren durch Rekursion.
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In 2 ist
schematisch der Fall dargestellt, in welchem das Lenksystem zwei
parallele Steuerelemente 1.1 und 1.2 aufweist,
die jeweils dem Steuerelement 1 ähnlich sind und für einen
Piloten und einen Copiloten bestimmt sind. In diesem Fall sind die jeweiligen
Wandler 4.1 und 4.2 (ähnlich dem Wandler 4)
so ausgebildet, dass sie an ihrem Ausgang 5.1 bzw. 5.2 persönliche Lenksteuerbefehle δ1 und δ2 abgeben,
die jeweils von der Aktion des Piloten und derjenigen des Copiloten
herrühren.
Diese persönlichen
Lenksteuerbefehle δ1
und δ2 werden
an die Rechner zur elektrischen Flugsteuerung 6 adressiert, welche
diese zum Zweck der Steuerung der beweglichen aerodynamischen Oberflächen 8 verarbeiten.
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Darüber hinaus
werden gemäß der vorliegenden
Erfindung die persönlichen
Lenksteuerbe fehle δ1
und δ2 an
Filter 10.1 und 10.2 (ähnlich dem Filter 10)
adressiert und in einem Additionsglied 16 addiert, bevor
sie an den Rechner 11 übertragen
werden. In diesem Fall ist somit der gefilterte Lenksteuerbefehl δf, der zum
Zwecke einer Bearbeitung ähnlich
derjenigen, die oben beschrieben wurde, an den Rechner 11 adressiert
ist, die gefilterte Summe von zwei persönlichen Lenksteuerbefehlen δ1 und δ2.
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In
dem Steuersystem, das in 3 dargestellt ist, schenkt das
Steuerelement 1.3 nicht nur in die zwei entgegen gesetzten
Richtungen des Pfeiles 3, sondern auch in zwei entgegen
gesetzte Richtungen (siehe Doppelpfeil 17) in einer Richtung senkrecht
zu den vorherigen, derart, dass der zugeordnete Wandler 4.3 zwei
elektrische Lenksteuerbefehle δA
und δB liefern
kann. Einer dieser beiden kann zum Beispiel zur Steuerung einer
Rollbewegung und der andere zur Steuerung einer Nickbewegung bestimmt
sein. Die Rechner für
die elektrische Flugsteuerung 6, welche die Lenksteuerbefehle δA und δB empfangen,
erzeugen jeweilige Steuerbefehle für die Wirkglieder 7A und 7B,
die dahin gehend beansprucht werden, die beweglichen aerodynamischen Oberflächen 8A und 8B zu
betätigten,
welche wiederum selbst die Steuerung des Flugzeugs um eine entsprechende
Manövrierachse
ermöglichen
(z.B. Rollachse und Nickachse).
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Darüber hinaus
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung jeder Lenksteuerbefehl δA
und δB in einer
zum Signal δ des
Systems in 1 analogen Weise behandelt,
das heißt,
dass er durch ein Filter 10A oder 10B (ähnlich dem
Filter 10) gefiltert wird, dann durch einen Rechner 11A und 11A (ähnlich dem
Rechner 11) verarbeitet wird, das Resultat dieser Verarbeitung
auf einer Anzeigeeinrichtung 12A oder 12B (ähnlich der
Anzeigeinrichtung 12) angezeigt wird, welche einen Index 13A oder 13B und eine
Einteilung 14A oder 14B umfasst, und/oder auf Leitungen 15A oder 15B (ähnlich der
Leitung 15) abgreifbar ist.
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Es
ist leicht zu verstehen, dass es vorteilhaft sein kann, dass die
Rechner 11, 11A und 11B einen Teil des
Rechners zur elektrischen Flugsteuerung 6 bilden können, wenn
jene auch in den Zeichnungen getrennt von diesem dargestellt sind.
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Im Übrigen kann
durch Verbindung der 2 und 3 leicht
eine Ausführungsform
konstruiert werden, die sich aus zwei Steuerelementen ergibt, von
denen jedes so ausgebildet ist, dass dieses ein Flugzeug um zwei
Manövrierachsen
lenken kann.