DE69205729T2

DE69205729T2 - Hydraulisches Steuersystem eines Flugzeuges.

Info

Publication number: DE69205729T2
Application number: DE69205729T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Okayama-Ken Kataoka; Toru Utsunomiya-Shi Tochigi-Ken Nagao
Original assignee: Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1991-06-14
Filing date: 1992-06-12
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2012-06-13
Also published as: EP0518345A1; DE69205729D1; US5351914A; JPH07112836B2; JPH04368296A; EP0518345B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Steuerungssystem für ein Flugzeug. Die Erfindung betrifft insbesondere ein hydraulisches Steuerungssystem zum Ermitteln des Hydraulikfluid-Zufuhrdrucks des Hydrauliksystems aus der Last und Geschwindigkeit eines hydraulischen Servo-Aktors in einer solchen Weise, daß eine hohe Energieeffizienz gewährleistet ist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Ein Hydrauliksystem eines Flugzeugs macht im allgemeinen von einem Steuerungsverfahren Gebrauch, das für einen konstanten Hydraulikdruck sorgt.
Eine Hydraulikpumpe und ein Drucksteuerungsverfahren, die im Hydrauliksystem für ein Flugzeug verwendet werden, kann man nach ihrer Art einteilen in ein Verfahren, das von einer Kombination aus einer Pumpenart konstanter Zufuhrkapazität und einem Entlastungsventil Gebrauch macht, und ein anderes Verfahren, das von einer Pumpenart variabler Zufuhrkapazität Gebrauch macht, und zwar mit dem Ziel, den Hydraulikdruck konstant zu halten, wie es beschrieben ist in einer Druckschrift "Kohkugaku Nyumon (Übersetzter Titel: Einführung in die Aeronautik), 2. Band von 2 Bänden", Kantosha, S. 104-109.
Ferner hat man ein Steuerungsverfahren vorgeschlagen, daß die Last oder Belastung des Hydrauliksystems mit dem Ziel erfaßt, den Hydraulikdruck in Abhängigkeit von der angelegten Last zu verändern.
Gleichermaßen wie das Hydraulikdrucksteuerungsverfahren ist ein hydraulisches Lasterfassungssystem zur Steuerung des Abgabe- oder Zufuhrdrucks und der Durchflußgeschwindigkeit der Pumpe in Abhängigkeit vom Lastdruck beschrieben in einer Druckschrift "Shiritai Yuatsu Jissaihen (Übersetzter Titel: Wissenswertes jiber den hydraulischen Druck, Praktiker-Ausgabe)", Japan, Machinist Publishing Company, S. 101-108.
Ferner ist in einer japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 60-146799 ein Hydrauliksteuerungssystem offenbart, das sich mit der Herabsetzung des Energieverlustes bezogen auf den Hydraulikdruckverlust befaßt. In diesem System werden die Geschwindigkeit und die Drehrichtung der Hydraulikpumpe von einem Elektromotor so gesteuert, daß der Hdyraulikdruck und die Durchfluß- oder Strömungsgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit der angelegten Belastung eingestellt werden.
Der bezüglich des hydraulischen Konstantdrucksteuerungsverfahrens und des hydraulischen Lasterfassungssystems aufgezeigte Stand der Technik hat jedoch jedoch die folgenden Nachteile.
Bei dem Steuerungsverfahren mit konstantem Hydraulikdruck ist die Last auf den Stellantrieb oder Aktor nicht immer konstant. Die Last verändert sich vielmehr in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit, Fluglage und Flughöhe des Flugzeugs. Andererseits sollte aber bei einem Konstantdrucksteuerungsverfahren der eingestellte Druck in Übereinstimmung mit dem Maximalwert der anliegenden Last festgelegt werden. Wenn daher der Betrag der externen Last klein ist, wird ein großer Teil des zugeführten Drucks zu einem Überdruck. Dieser übermäßige Druck führt zu einer Erwärmung der Hydraulikgerätschaft, Herabsetzung der Brennstoffeffizienz, Zuverlässigkeit sowie Lebensdauer, und einen Leistungsverlust bewirkenden ähnlichen Umständen.
Wenn bei dem hydraulischen Lasterefassungsverfahren die Auslegung des Hydrauliksystems und die anliegende Last in Übereinstimmung mit einander sind, kann ein hoher Energieeinsparungseffekt erzielt werden. Das System kann aber lediglich auf das Hydrauliksystem gemäß einer Eingangsdosierschaltungsorganisation mit einem Regelventil angewendet werden, daß auf der Druckeinlaßseite eines Aktors vorgesehen ist. Ist eine Druckrückführleitung zum Übertragen eines Lastdruckes zu einem Strömungsgeschwindigkeitskompensationsmechanismus lang, tritt auch der Nachteil eines langsamen Ansprechverhaltens auf. Wenn somit ein in einem Flugzeug oder einem Schiff verwendetes Hydrauliksystem eine Dosierausgangs- und Dosiereingangsschaltung zur Steuerung des Aktors und des Abstands zwischen der Hydraulikpumpe hat und ferner der Abstand zwischen der Hydraulikpumpe und dem Aktor sehr groß ist, bringt diese Technik keinen Nutzen.
Bei dem Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit und der Drehrichtung der Hydraulikpumpe sollten die Drehrichtung und die Geschwindigkeit in Übereinstimmung mit den Lastbedingungen gesteuert werden. Deshalb kann dieses Verfahren für Steuerungssysteme von Flugzeugen oder Schiffen dann nicht eingesetzt werden, wenn die Hydraulikpumpe von einer Hauptmaschine angetrieben wird, die sich in einer Richtung konstant dreht.

Kurze Darlegung der Erfindung

Ein Ziel der im Anspruch 1 definierten Erfindung besteht darin, die oben aufgezeigten Probleme zu lösen und für ein Flugzeug ein hydraulisches Steuerungssystem vorzusehen, das sich durch eine hohe Energieeffizienz auszeichnet und das den Hydraulikdruck in Übereinstimmung mit einer schwankenden Last ändert. Dieses Problem wird durch die Erfindung gelöst, wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält ein Hydrauliksteuerungssystem für ein Flugzeug ein Flugmanöversystem, das am Flugzeug angebracht ist und ein Manöversignaleingabesystem zur Steuerung des Flugzeugs in Abhängigkeit von Flugbedingungen sowie ein Manöversignalausgabesystem zum Erzeugen eines Ausgangssignals aufweist, und ein auf das Ausgangssignal ansprechendes Flugsteuerungssystem zum Steuern einer Steueroberfläche des Flugzeugs und zum Erzeugen eines Steuersignals, wobei das hydraulische Steuerungssystem enthält: eine Hydraulikpumpe zur Fluidzufuhr zu einem Servo-Aktor, eine Erfassungsschaltung zum Erfassen einer Verschiebung und einer Belastung bzw. Last des Aktors sowie zum Erzeugen eines Lastsignals, eine auf das Steuersignal ansprechende Differenzierschaltung zum Berechnen einer Stellgeschwindigkeit des Servo-Aktors und zum Erzeugen eines Geschwindigkeitssignals, eine auf das Geschwindigkeits- und Lastsignal ansprechende Druckberechnungsschaltung zum Berechnen eines dem Aktor zugeführten Drucks und zum Erzeugen eines entsprechenden Drucksignals und eine auf das Drucksignal ansprechende Einstellschaltung zum Ermitteln eines optimalen Drucks der Hydraulikpumpe derart, daß die Flugsteueroberfläche ohne Energieverlust präzise gesteuert wird.
Ein Druck Ps wird nach der folgenden Formel berechnet:
Ps = E (Vc/Vm)² Pm + F/A
Darin ist E ein Koeffizient, Pm der maximale Abgabedruck der Pumpe, Vm die maximale Geschwindigkeit des Stellantriebs oder Aktors und A eine Stellkolbenfläche des Aktors.
Da in Übereinstimmung mit einer an eine Steueroberfläche angelegten Last ein Hydraulikdruck mit Hilfe eines Geschwindigkeitssignals Vc und einer Last F eines Aktors bereitgestellt wird, kann in Übereinstimmung mit Änderungen oder Schwankungen von Bedingungen oder Zuständen eine genaue Steuerung vorgenommen werden. Aus diesem Grunde kann gemäß der Erfindung in einem beachtlichen Maße Energie eingespart werden, die bei dem aufgezeigten Stand der Technik verlorengeht. Zusätzlich zu einer Herabsetzung der Brennstoffkosten können der Druck, das Hydraulikfluid und die Gerätschaftstemperatur vermindert werden. Auf diese Weise werden die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Systems verbessert. Darüber hinaus kann man auf einen Kühler verzichten oder zumindest seine Kapazität vermindern. Auf diese Weise werden das Gewicht und die Platzbeanspruchung durch das System vermindert.
Andere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Kombination einer Schema- und Blockschaltbilddarstellung und zeigt ein hydraulisches Steuerungssystem für ein Flugzeug gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung und zeigt einen Stellantrieb oder Aktor eines hydraulischen Steuerungssystems.
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm und zeigt ein Verfahren zum Berechnen des Zufuhrdrucks eines Hydraulikfluids eines Hydrauliksystems.
Fig. 4 veranschaulicht in grafischen Darstellungen den Druck des Hydraulikfluids eines Hydrauliksystems bei einer "schrittweisen Drucksteuerung".
Fig. 5 veranschaulicht in grafischen Darstellungen ein "Druckspitzenhalte-Steuerungsverfahren".
Fig. 6 zeigt in einem Flußdiagramm eine Auswahllogik.
Fig. 7 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild ein Verfahren zum Berechnen einer Aktorlast aus der Fluggeschwindigkeit und anderen von Sensoren erfaßten Größen.
Fig. 8 ist ein schematisches Blockschaltbild und zeigt ein einfaches Verfahren zum Berechnen der Aktorlast aus der Fluggeschwindigkeit und anderen Größen.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt ein vollständiges Manöversystem für ein Flugzeug mit einem nach der Erfindung ausgebildeten hydraulischen Steuerungssystem. Das Mänöversystem für das Flugzeug, das mit der Bezugszahl 1 gekennzeichnet ist, enthält ein Flugmanöversystem 2, ein Flugsteuerungssystem 3, das hydraulische Steuerungssystem 4 und eine Steueroberfläche 5. Das Flugmanöversystem 2 enthält ein Manöversignaleingabesystem 6, mit dessen Hilfe ein Pilot das Flugzeug in Abhängigkeit von Flugbedingungen manövriert, und ein Manöversignalausgabesystem 7 zum Erzeugen eines Steuersignals in Übereinstimmung mit dem Manöverausmaß des Manöversignaleingabesystems 6. Das hydraulische Steuerungssystem 4 enthält ein hydraulisches Steuerungsgerät 8, eine hydraulische Pumpeneinheit 9 und einen Stellantrieb oder Aktor. 10. Die hydraulische Pumpen einheit 9 hat eine Hauptpumpeneinheit 11 und einen Aktor 13. Die hydraulische Pumpe 9 wird von einer Maschine oder einem Motor 12 des Flugzeugs angetrieben. Der Aktor 10 enthält einen hydraulischen Zylinder 14, eine Ausgabestange 15, die einen Kolben bildet, und ein Selektorventil 16 zum Umschalten der Hydraulikfluidzufuhr zum hydraulischen Zylinder 14. Die hydraulische Pumpe 9 und der Aktor 10 sind über einen hydraulischen Kreis 17 miteinander verbunden. Der hydraulische Kreis 17 liefert ein Hydraulikfluid von einem Reservoir 30 zum Aktor 10 über die Hydraulikpumpe 9 und führt dann das Hydraulikfluid zurück zum Reservoir 30. Der hydraulische Kreis 17 ist auf der Auslastoder Abgabeseite der hydraulischen Pumpe 9 mit einem Drucksensor 18 ausgerüstet. Wie es aus Fig. 1 hervorgeht, ist die Ausgabestange 15 des Aktors 10 mit einem Teil der Steuerfläche 5 in einer solchen Weise drehbar verbunden, daß durch eine Axialverschiebung der Ausgabestange 15 der Steueroberfläche 5 eine Schwenkbewegung mitgeteilt wird. Der Anstell- oder Angriffswinkel der Steueroberfläche 5 kann auf diese Weise gegenüber der Luftströmung verändert werden. Die Ausgabestange 15 ist mit einem Ausgabesensor 19 zum Erfassen von Verschiebungen der Ausgabestange 15 und der Steueroberfläche 5 ausgerüstet.
Betätigt der Pilot das Eingabesystem 6, erzeugt das Ausgabesystem 7 ein Manöversignal Sa in Übereinstimmung mit der Betätigung des Eingabesystems 6 und leitet dieses Signal an das Flugsteuerungssystem 3 weiter. Das Flugsteuerungssystem 3 erzeugt ein Steuersignal Sb zum Steuern der Verschiebung der Steueroberfläche 5 und gibt dieses Signal sowohl an das hydraulische Steuerungsgerät 8 als auch den Aktor 10 aus. Das hydraulische Steuerungsgerät 8 erhält das Steuersignal Sb und ein vom Ausgabesensor 19 bereitgestelltes Ausgabe- oder Ausgangssignal Sc. Das hydraulische Steuerungsgerät 8 erzeugt ein Pumpenabgabedruck-Befehlssignal Sd in Übereinstimmung mit dem Steuersignal Sb und dem Aussgangssignal Sc und sendet dieses Signal Sd zum Aktor 13. Der Aktor 13 steuert den Förder- oder Abgabedruck der hydraulischen Pumpe 9 in Übereinstimmung mit dem Pumpenabgabedruck-Befehlssignal Sd und sendet den befohlenen Hydraulikdruck zum Aktor 10.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Aktors 10 und deren Betriebsweise. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Aktors 10 ist die Ausgabestange 15 mit ihrem einen Ende an einem feststehenden Körper angelenkt. Das von diesem festen Körper entferntliegende Ende des hydraulischen Zylinders 14 ist gelenkig mit einem Teil der Steueroberfläche 5 verbunden. Die Steueroberfläche 5 ist in der gezeigten Weise mit einem Eckabschnitt ebenfalls an einem feststehenden Körper angelenkt. Das Selektorventil 16 enthält einen Selektorzylinder 20 und einen spulenförmigen Ventilkörper 21. Der Ventilkörper 21 hat zwei Ventilteile, die in dem Selektorzylinder 20 gleiten können. Die Wand des Selektorzylinders 20 weist fünf Öffnungen auf. Befindet sich der Ventilkörper 21 in einer neutralen Position, sind zwei Öffnungen, die zum hydraulischen Zylinder 14 führen, von den beiden Ventilteilen des Ventilkörpers 21 abgesperrt, so daß kein Hydraulikfluid zum hydraulischen Zylinder 14 gelangen kann.
Wird der spulenförmige Ventilkörper 21 in der in Fig. 2 eingezeichneten Richtung M1 bewegt, strömt Hydraulikfluid über das Selektorventil 16 in eine Zylinderkammer 22, wie es durch eingezeichnete Pfeile angedeutet ist. Gleichzeitig strömt in einer Zylinderkammer 23 befindliches Hydraulikfluid durch das Selektorventil 16 zum hydraulischen Kreis 17. Der hydraulische Zylinder 14 bewegt sich folglich in der eingezeichnetetn Richtung M2. Da der hydraulische Zylinder 14 und die Steueroberfläche 5 gelenkig miteinander verbunden sind, kommt es zu einer Bewegung des vorderen Endes der Steueroberfläche 5 in Richtung des eingezeichneten Pfeils R1. Der hintere Endabschnitt der Steueroberfläche 5 wird demzufolge in der Richtung eines eingezeichneten Pfeils R2 verschwenkt. Erfolgt eine Verschiebung des Spulenförmigen Ventilkörpers 21 entgegengesetzt zu der eingezeichneten Richtung M1, kommt es zu einer Umkehr der Strömungsrichtung des Hydraulikfluids. Folglich bewegt sich die Steueroberfläche 5 in entgegengesetzter Richtung.
Aus dem Steuersignal Sb und dem Ausgangssignal Sc wird das Pumpenzufuhr-Befehlssignal in der folgenden Weise abgeleitet.
Die Beziehungen zwischen dem Schub (Last), der Geschwindigkeit und dem Druck des Aktors genügen bei Verwendung eines Hydraulikfluids der folgenden Gleichung.
(1) A X'a = Kv Xv [Ps-F/A]
Darin ist: A die Fläche des Kolbens,
Xa die Verschiebung des Aktors,
X'a die Ausgangsgeschwindigkeit des Aktors, die man durch Differenzieren von Xa erhält,
Xv das Öffnungsausmaß des Ventus,
Kv eine Konstante,
Ps der Abgabe- oder Zufuhrdruck, der gleich der Differenz zwischen dem hohen Druck P1 und dem niedrigen Druck P2 des Aktors ist, und
F die Last (Schub).
Durch Neuordnung der Gleichung (1) erhält man die folgende Gleichung.
(2) PS = {(A X'a)/(Kv Xv)}² + F/A.
Unter den Bedingungen, bei denen der Öffnungsgrad des Ventus ein Maximum (Xv = Xv max) ist, der Zufuhrdruck ein Maximum (Ps = Ps max) hat und die Last oder der Schub nicht vorhanden (F = 0) ist, erzeugt der Aktor die maximale Geschwindigkeit (X'a = X'a max). Werden diese Werte in die Gleichung (1) eingesetzt, erhält man die folgende Gleichung.
(3) Kv = AX'a max / Xv max [Ps max].
Setzt man die Gleichung (3) in die Gleichung (2) ein und ordnet sie neu, ergibt sich folgendes.
(4) PS = (X'a/X'a max)² (Xv max/Xv)² Ps max + F/A.
Die Gleichung (4) ist eine Grundgleichung zum Gewinnen des Drucks Ps, der für das hydraulische System mit dem Aktor notwendig ist.
In der Gleichnung (4) ist (Xv max/Xv) ein Parameter, der vom Manöversystem anstatt vom hydraulischen System gesteuert wird.
Deshalb ist (Xv max/Xv) konstant. Mit anderen Worten, (Xv max/Xv)² = E (worin E eine Konstante ist).
Ist der Beziehung (Xv = Xv max) genüge getan, wird E = 1. Da bei geschlossenem Ventil Xv T 0, geht E T∞. Der Wert der Konstanten E ändert sich somit in Abhängigkeit vom Öffnungsgrad des Ventils. In Anbetracht der Ansprecheigenschaft des Manöversystems kann somit der hydraulische Druck normalerweise mit E = 1 gesteuert werden. In Übereinstimmung mit der Eigenschaft des Systems, auf das die vorliegende Erfindung Anwendung findet, kann allerdings der Wert der Konstanten E geändert werden.
Mit dem Geschwindigkeitssignal Vc des Aktors anstelle seiner Ausgabe- oder Ausgangsgeschwindigkeit X'a, kann eine gewünschte Betriebsgeschwindigkeit des Aktors erzielt werden.
Somit kann die Gleichung (4) wie folgt neu geordnet werden.
(5) Ps = E (Vc/Vm)² PS max + F/A.
Darin ist Vm (=X'a) die maximale Ausgangsgeschwindigkeit des Aktors.
Die Gleichung (5) hat zwei Variable, bei denen es sich um Vc (das Geschwindigkeitssignal des Aktors) und F (die Last des Aktors) handelt. Mit diesen Variablen kann man zu jeder Zeit den für das hydraulische System erforderlichen Druck erhalten.
Mit der Gleichung (5) kann man den erforderlichen hydraulischen Druck gewinnen. Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm der Grundberechnungen.
Der Pilot betätigt das Flugmanöversystem 2 (bei einem Schritt 100). Das Flugsteuerungssystem stellt die Verschiebung Xc des Aktors ein (bei einem Schritt 101). Das hydraulische Steuerungsgerät 8 differenziert die Verschiebung Xc (bei einem Schritt 102). Andererseits erfaßt der Ausgabesensor 19 die Verschiebung Xa des Aktors (bei einem Schritt 103). Die Last F wird erfaßt in Übereinstimmung mit der Verschiebung Xa des Aktors oder direkt (bei einem Schritt 104). Das hydraulische Steuerungsgerät 8 berechnet F/A (bei einem Schritt 105). Mit der Berechnung Vc beim Schritt 102 und der Berechnung F/A beim Schritt 105 wird der dem Aktor zugeführte Druck PS (bei einem Schritt 106). Danach wird in Übereinstimmung mit PS der Abgabe- oder Zufuhrdruck der Hydraulikpumpe berechnet (bei einem Schritt 107).
Wendet man das oben beschriebene Verfahren auf ein tatsächliches hydraulisches System an, entstehen zwar die nachfolgenden Probleme, die jedoch durch die nachstehenden Methoden gelöst werden können.
Da der Zufuhrdruck des nach der Gleichung (5) berechneten Hydraulikfluids beeinträchtigt wird durch die Manövergeschwindigkeit, die sich häufig ändert, erhöht und erniedrigt sich der Abgabedruck der Pumpe in einem kurzen Zyklus. Der Druck im Hydrauliksystem ändert sich daher in einem kurzen Zyklus und ruft dadurch Ermüdungserscheinungen in den hydraulischen Gerätschaften und Leitungen hervor. Da sich zusätzlich der Abgabedruck ändert, werden die Teile der hydraulischen Pumpe 9 Erscheinungen wie Abnutzung und Ermüdung ausgesetzt. Die Lebensdauer der hydraulischen Pumpe 9 wird deshalb verkürzt.
Um solche Probleme im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu lösen, werden zwei Steuerungsverfahren angewendet, nämlich "schrittweise Drucksteuerung" und "Druckspitzenhaltesteuerung".
Fig. 4 (a) zeigt berechnete Werte des Drucks Ps, der in Abhängigkeit von der Zeit dem hydraulischen Servo-Aktor zugeführt wird. Fig. (b) zeigt Werte des Drucks Ps, die in Abhängigkeit von der Zeit gemäß dem Verfahren der schrittweisen Drucksteuerung umgeformt werden.
Wie aus Fig. 4 (b) hervorgeht, wird bei dem Verfahren nach der "schrittweisen Drucksteuerung" der Druckbereich in mehrere Phasen unterteilt (die Figur zeigt drei Phasen, die mit P1, P2 und P3 benannt sind). Ps wird schrittweise verändert, wie es durch eine ausgezogene Linie dargestellt ist, und zwar in einer solchen Weise, daß die Druckveränderung absorbiert wird, die in jeder Phase stattfindet.
Andererseits wird bei dem Verfahren der "Druckspitzenhaltesteuerung" der angestiegene Druck fur eine vorbestimmte Zeitspanne gehalten, um die Frequenz der Druckänderung zu vermindern.
Fig. 5 (a) zeigt die Veränderung von Ps in Abhängigkeit von der Zeit, wobei Ps durch das oben erwähnte Verfahren gemäß der "schrittweisen Drucksteuerung" gesteuert wird. Ändert sich bei dieser "schrittweisen Drucksteuerung" der berechnete Wert Ps in der Nähe der Grenze des Druckbereiches, schwankt der gesteuerte Ps sehr schnell innerhalb einer kurzen Zeit zwischen P2 und P3, wie es durch eine ausgezogene Linie in der Figur dargestellt ist. Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 5 (b) die zeitabhängige Änderung von von Ps, wenn die Beeinflussung gemäß der "Druckspitzenhaltesteuerung" erfolgt. Bei der "Druckspitzenhaltesteuerung" wird der Spitzenwert von Ps für eine vorbestimmte Zeitperiode aufrecht erhalten.
Wie aus Fig. 5 (b) hervorgeht, erfolgt eine Anhebung des berechneten Drucks Ps verzögerungsfrei. Vermindert sich der berechnete Druck Ps werden Verzögerungen T0, T1 und T2 eingeführt (zeitliche Halteperioden). Wie es durch eine ausgezogene Linie in Fig. 5 (b) dargestellt ist, nimmt die Druck-nderung ab. Wenn folglich ein Notfallbetrieb für ein Flugzeug oder dergleichen ausgeführt wird, um einer gefährlichen Situation zu begegnen, kann der Druck sofort angehoben werden, so daß ein hohes Geschwindigkeitsansprechverhalten vorhanden ist, um die erforderliche Sicherheit zu gewährleisten. Die Druckabsenkung erfolgt allerdings mit Verzögerungen, um eine nachteilige Beeinträchtigung des hydraulischen Systems zu verhindern.
Das Hydrauliksystem eines Flugzeugs oder dergleichen liefert Hydraulikdruck an eine Vielzahl Stellantriebe oder Aktoren für eine Landegerätschaft, Klappen, Höhenruder, Querruder, Seitenruder usw. Jeder Aktor hat einen eindeutigen optimalen Druck. Deshalb ist es notwendig, für jedes Steuerungsobjekt einen unterschiedlichen hydraulischen Druck auszuwählen.
Um dieses Problem zu lösen, wird der hydraulische Druck durch eine "Objektauswähllogik" gesteuert.
Bei dem Verfahren zur Steuerung des hydraulischen Drucks und Verwendung der "Objektauswähllogik" werden die objektiven hydraulischen Geräte in zwei Gruppen aufgeteilt. Eine Gruppe ist eine hydraulische Rechengerätegruppe, bei der der hydraulische Druck durch Berechnungen ermittelt wird, und die andere Gruppe ist eine hydraulische EIN-AUS-Gerätegruppe, bei der der hydraulische Druck gleichförmig ermittelt wird. Die hydraulische Druckberechnungsgerätegruppe enthält einen Steueroberflächenaktor, der ständig gesteuert wird. Die hydraulische EIN-AUS-Gerätegruppe enthält eine Landegerätschaft, Bremsen, Klappen usw., die intermittierend gesteuert werden.
Der Hydraulikdruck der hydraulischen Berechnungsgerätegruppe wird durch Berechnungen gewonnen. Danach wird ein geeigneter Wert in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Steuerungsverfahren ausgewählt. Der hydraulische Druck der hydraulischen EIN-AUS- Gerätegruppe wird auf den maximalen Hydraulikdruck (Ps max) fest eingestellt.
Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm der Objektauswähllogik. Der Hydraulikdruck der hydraulischen Berechnungsgerätegruppe wird durch Be e rechnungen gewonnen. Der Hydraulikdruck (Ps max oder Ps min) der hydraulischen EIN-AUS-Gerätegruppe wird in Abhängigkeit davon ausgewählt, ob sich das jeweilige hydraulische Gerät im Betätigungszustand befindet oder nicht. Für den hydraulischen Druck der hydraulischen Berechnungsgerätegruppe wird der Maximalwert des hydraulischen Drucks der hydraulischen EIN-AUS-Gerätegruppe ausgewählt. Der ausgewählte hydraulische Druck wird dann durch das schrittweise Drucksteuerungsverfahren und das Druckspitzenhalteverfahren verarbeitet. Auf diese Weise wird der hydraulische Druck des gesamten hydraulischen Systems festgelegt.
Der Wert der Last F des Aktors 10 wird in der folgenden Weise berechnet.
In der Gleichung (5) sind wichtige Parameter für die Ermittlung des hydraulischen Drucks zum einen F (die Last des Aktors) und Vc (das Geschwindigkeitssignal des Aktors). Zum genauen Messen von F kann eine Last- oder Kraftmeßvorrichtung, wie beispielsweise eine Kraftmeßdose, am Aktor der Steueroberfläche oder einer Halterung der Steueroberfläche montiert sein. Ist die Meßdose montiert, beeinträchtigen ihr Gewicht und Volumen in nachteiliger Weise das System. Anstelle einer Meßdose oder dergleichen kann deshalb ein Lastschätzverfahren angewendet werden, um indirekt F abzuschätzen.
Ein Approximationswert der an den Aktor gelegten externen Last F kann durch die nachstehende Gleichung gegeben sein.
(6) F = V² G S C (Chα α + Chδ δ + Cho)/2
Darin ist: F die Last des Aktors,
die Luftdichte,
V die Fluggeschwindigkeit,
G eine Konstante,
S die Fläche der Steueroberfläche,
C die Profilsehnenlänge der Steueroberfläche,
Chα der Differentialkoeffizient des Drehmoments (eine
Komponente des Anstell- oder Angriffswinkels),
Chδ der Differentialkoeffizient des Drehmoments (eine Komponente des Ruderwinkels),
Cho der Differentialkoeffizient des Drehmoments,
α der Anstell- oder Angriffswinkel, und
δ der Ruderwinkel (Seitenruderwinkel).
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild des Berechnungsverfahrens zum Erhalten der Last F des Aktors unter Verwendung der Gleichung (6) Da drei Variable, bei denen es sich um die Fluggeschwindigkeit (V), den Angriffswinkel (α) und den Ruderwinkel (δ) handelt, in der Gleichung (6) von Sensoren überwacht werden, die am Flugzeug montiert sind, können sie ohne Vorsehung spezieller Geräte ermittelt werden.
Ferner kann die Luftdichte ( ) aus der Höhe und Temperatur ermittelt werden. Obgleich die Drehmomentdifferentialkoeffizienten (Chα, Chδund Cho) nicht konstant sind, sondern sich in Übereinstimmung mit der Fluggeschwindigkeit, α und δ ändern, sind sie in Form einer Tabelle im Rechner gespeichert. Ferner sind G, S und C Konstanten.
Unter Verwendung der überwachten Werte, der Tabellenwerte und der Konstanten kann man die für den Aktor erforderliche Last F gemäß der Gleichung (6) erhalten.
Durch Verwendung aller oder eines Teils der Größen Geschwindigkeit (V), Ruderwinkel (δ) und Angriffswinkel (α) kann die Last F grob abgeschätzt werden, ohne daß Berechnungen nach der Gleichung (6) durchzuführen sind. Das bedeutet, daß die Rechenzeit verkürzt werden kann. Wird ein vollständig schwimmender Stabilisator bzw. eine vollständig schwimmende Verstellhöhenfloße verwendet, was bei vielen Flugzeugen der Fall ist, kann man die Gleichung (6) durch die nachstehende Gleichung (7) ausdrücken.
(7) F ½ V² G S C Chα (α + δ).
Ist die Steueroberflächen mit festen Teilen versehen, wie es bei einem Querruder, Seitenruder usw. der Fall ist, kann man die Gleichung (6) durch die nachstehende Gleichung (8) ausdrücken.
(8) F ½ V² G S C Chδ δ .
In den Gleichungen (7) und (8) kann man die Last F des Aktors in einfacher Weise dadurch erhalten, daß man die Last in Bezug mit der Fluggeschwindigkeit bringt, da die Werte von α oder 5 bereits bestimmt worden sind. Fig. 8 veranschaulicht das einfache Lagtschätzungsverfahren.
Wie es aus Fig. 8 hervorgeht, gibt es drei Methoden, um auf einfache Weise die Last F des Aktors zu gewinnen. Die in der Figur verwendete Bezugszahl 50 stellt die erste Schätzmethode zum Erfassen der Fluggeschwindigkeit V durch einen Sensor des Flugzeugs und zum Abschätzen des Wertes von F unter der Verwendung der Fluggeschwindigkeit V und der nichtlinearen Graphik von F dar, die der Fluggeschwindigkeit V entspricht. Die Bezugszahl 51 stellt die zweite Schätzmethode zum Abschätzen des Wertes von F unter Verwendung der Fluggeschwindigkeit V und des Verlaufdiagramms von F dar, wobei sich F in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit V kontinuierlich ändert. Die Bezugszahl 52 stellt die dritte Schätzmethode zum Abschätzen des Wertes von F unter Verwendung der Fluggeschwindigkeit V des Angriffswinkels α und des Ruderwinkels δ dar.

Claims

1. Hydraulisches Steuerungssystem (4) für ein Flugzeug (1) mit einem Flugmanöversystem (2) zum Erzeugen eines Manöversignais (Sa), einem auf das Manöversignal ansprechenden Flugsteuersystem (3) zum Erzeugen eines Steuersignals (Sb) und einer Steueroberfläche (5) zum Steuern des Flugs des Flugzeugs, welches hydraulische Steuerungssystem (4) einen Servostellantrieb (10) zum Betätigen der Steueroberfläche (5) und eine Hydraulikpumpe (11) zum Liefern eines Hydraulikfluids an den Servostellantrieb (10) enthält, wobei das vom Flugsteuersystem (3) erzeugte Steuersignal (Sb) eine Verschiebung des Servostellantriebs (10) darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Steuerungssystem (4) zusätzlich enthält:

eine auf das Steuersignal (Sb) ansprechende Differenziereinrichtung (102) zum Berechnen der Stellgeschwindigkeit des Servostellantriebs (10) und zum Erzeugen eines entsprechenden Geschwindigkeitssignals (Vc),

eine Lasterfassungseinrichtung (104) zum Erfassen der Last am Servostellantrieb (10) und zum Erzeugen eines entsprechenden Lastsignals (F),

eine auf das Geschwindigkeits- und Lastsignal ansprechende Druckberechnungseinrichtung (106) zum Berechnen eines optimalen Drucks (Ps) des dem Servostellantrieb (10) zuzu führenden Fluids und zum Erzeugen eines entsprechenden Drucksignals, und

eine auf das Drucksignal ansprechende Einstelleinrichtung (107) zum Steuern der Hydraulikpumpe (11) derart, daß das Fluid dem Servostellantrieb (10) mit dem optimalen Druck (Ps) zugeführt wird, wodurch die Steueroberfläche (5) ohne Energieverlust präzise gesteuert wird.

2. Hydraulisches Steuerungssystem (4) nach Anspruch 1, bei dem der optimale Druck (Ps) gemäß der folgenden Formel als Funktion des Geschwindigkeitssignals (Vc) und des Lastsignals (F) berechnet wird:

Ps = E (Vc/Vm)² Pm + F/A,

worin E ein Koeffizient ist, Pm der maximale Abgabedruck der Hydraulikpumpe (11) ist, Vm die maximale Geschwindigkeit des Servostellantriebs (10) ist und A die Stellkolbenfläche des Servostellantriebs (10) ist.

3. Hydraulisches Steuerungssystem (4) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der optimale Druck (Ps) fur die Fluidzufuhr von der Hydraulikpumpe (ii) gemäß einer Vielzahl vorbestimmter Bereiche (P&sub1;, P&sub2;, P&sub3;) stufenweise ausgegeben wird.

4. Hydraulisches Steuerungssystem (4) nach irgendeinem der Ansprilche 1 bis 3, bei dem der optimale Druck (Ps) für die Fluidzufuhr von der Hydraulikpumpe (11) für eine vorbestimmte Zeitperiode (T&sub0;, T&sub1;, T&sub2;) konstantgehalten wird, wenn der berechnete optimale Druck abnimmt.

5. Hydraulisches Steuerungssystem (4) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, ferner enthaltend:

eine erste Gruppe einer Vielzahl kontinuierlich verstellender Servogeräte, die von dem berechneten optimalen Druck (Ps) betrieben werden, und

eine zweite Gruppe einer Vielzahl intermittierend verstellender Servogeräte, die von dem maximalen Abgabedruck (Pm) der Hydraulikpumpe (11) betrieben werden.

6. Hydraulisches Steuerungssystem (4) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Lasterfassungseinrichtung (104) das Lastsignal (F) von den Ausgängen verschiedener Sensoren erzeugt, die zum Erfassen von Flugbedingungen (V, α, δ ) am Flugzeug (1) angebracht sind.

7. Hydraulisches Steuerungssystem (4) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, ferner enthaltend:

zusätzlich zu einem kontinuierlich verstellenden Servogerät, das bei dem berechneten optimalen Druck betrieben wird, ein intermittierend verstellendes Servogerät, das bei einem maximalen Druck betrieben wird, und

eine Auswahleinrichtung (Schritt 14 von Fig. 6) zum Auswählen des maximalen Abgabedrucks (Pm) des von der Hydraulikpumpe (ii) zuzuführenden Fluids immer dann, wenn das intermittierend verstehende Servogerät zusätzlich beim Betrieb des kontinuierlich verstehenden Servogeräts betrieben wird.