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Die
vorliegende Erfindung betrifft die elektrohydraulische Servoventiltechnik
und im Spezielleren einen Ratenbegrenzer, welcher die Rate einer Änderung
des Steuersignals begrenzt, welches einem elektrohydraulischen Flugzeugservoventil
zugeführt wird,
um einen Spitzenhydraulikdruck auf einen festgelegten Maximalwert
zu begrenzen.
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Elektrohydraulische
Servoventilsysteme finden sich in vielen Anwendungen einschließlich die Flugzeugsteuertechnik.
Dort werden Flugzeugsteueroberflächen,
wie zum Beispiel Höhenruder
und Seitenruder, durch Hydraulikaktuatoren in Stellung gebracht,
von welchen jeder durch ein elektrisches Befehlssignal gesteuert
wird. Dieses Befehlssignal wird als ein Ergebnis von Eingaben des
Piloten oder des Autopiloten, welche einer gewünschten Änderung der Flugzeugflugrichtung
entsprechen, erzeugt.
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Ein
Problem, welches solchen elektrohydraulischen Servosteuersystemen
gemeinsam ist, speziell bei Flugzeuganwendungen, liegt darin, dass die
hydraulischen Spitzendrücke
unter Kurzzeitbedingungen sowohl druckseitig als auch gegendruckseitig
zulässige
Grenzen überschreiten.
Zusätzlich können die
Größen der
kurzzeitigen Druckschwankungen die Lebensdauer der Hydraulikrohre
und anderer Komponenten wesentlich verringern. Da das Hydrauliksystem,
welches verschiedene Hydraulikleitungen beinhaltet, geeignet sein
muss, solche kurzzeitigen Druckspitzen und -änderungen ohne Ausfall zu bewältigen,
ist es wünschenswert,
transiente Drücke
zu minimieren, um dabei die Spitzendruckhandhabung und Lebensdaueranforderungen an
das Hydrauliksystem zu verringern.
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Ein
Ansatz zum Reduzieren von transienten Hydraulikspitzen liegt in
der Verwendung eines Akkumulators. Ein Akkumulator ist ein mechanischer Tank,
welcher mit der Druckseite (und/oder Rückführseite) des Hydrauliksystems
verbunden ist. Ein Vorrat von Hydraulikfluid innerhalb des Tanks
wirkt auf eine kolbenähnliche
Einrichtung, welche auf einer Seite Hydraulikfluid und auf der anderen
Seite ein komprimiertes Gas besitzt. Sobald eine transiente Druckspitze
in dem Druck auftritt, verschiebt sich der Kolben gegen den Druck
des komprimierten Gases, wobei der Maximalwert des transienten Hydraulikspitzendrucks
begrenzt wird.
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Während Hydrauliksystemakkumulatoren eine
Reduktion transienter Druckspitzen bewirken, bedeuten sie für ein Flugzeug
ein wesentlich höheres Gewicht
sowie wesentlich höhere
Kosten und Wartungsanforderungen.
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Ein
anderer möglicher
Ansatz, die transienten Drücke
zu reduzieren, besteht darin, die Hydraulikleitungsdurchmesser zu
vergrößern. Dieser
Ansatz hat jedoch einen noch höheren
Gewichtsnachteil gegenüber
der Verwendung von Akkumulatoren zur Folge.
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Es
sollte erwähnt
werden, dass es zwei andere Wege zur Verringerung oder Steuerung
der maximalen Servoventilraten ohne Verwendung der Servoventilstromratenbegrenzer
gibt, aber diese Verfahren haben auch ernste Defizite.
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Bei
dem ersten alternativen Verfahren kann die Systemverstärkung verringert
werden, um das Servoventil zu verlangsamen und somit indirekt die maximale
Servoventilrate zu verringern. Dies führt jedoch auch zu einer unannehmbaren
Abnahme der Aktuatordynamikreaktionscharakteristiken.
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Bei
dem zweiten alternativen Verfahren kann ein Servoventil mit dem
Servosteuersystem mechanisch verändert
werden, um eine verringerte Ratenfähigkeit zu besitzen. Die gewünschte Ratenfähigkeit kann
jedoch nur bei einem spezifischen Hydrauliksystemversorgungsdruck
und -temperatur erreicht werden. In der Praxis können der Hydrauliksystemversorgungsdruck
und die -temperatur wesentlich über
verschiedene Flugbedingungen variieren. Die mechanisch erzielte
Servoventilratenbegrenzungsfähigkeit
kann dann oft entweder zu hoch sein, um die Druckspitzen angemessen
zu steuern, oder zu niedrig, um die gewünschten Aktuatordynamikantworteigenschaften
zu erzielen.
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Es
besteht daher in der Techik eine Notwendigkeit nach einer Vorrichtung
und einem Verfahren, welches) inhärent transiente Drücke, welche
in den Hydrauliksystemen, wie sie beispielsweise bei einem Flugzeug
zu finden sind, auftreten, reduziert, welche(s) nicht auf der Verwendung
eines Akkumulators oder einer anderen zusätzlichen Hydraulikeinrichtung
beruht und nicht zu einer unangemessenen Abnahme der Aktuatordynamikreaktionseigenschaften führt.
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Das
US-Patent 5,510,987 offenbart eine Stoßverhinderungsvorrichtung und
ein Verfahren für hydraulische
Arbeitsgeräte,
beispielsweise Bagger, Lader, Raupen und Kräne, welche Hydraulikzylinder und
Motoren als Aktuatoren verwenden. Die Stoßverhinderungsvorrichtung dieser
Druckschrift führt
eine Tiefpassfilterung eines ursprünglichen Aktuatorantriebsbefehlssignals
der Rechteckschwingung entsprechend der Verschiebungsdaten des Kolbenhubs in
dem Aktuator durch, um ein glattes Betätigerantriebsbefehlssignal
zu erzeugen, so dass der Stoß aufgrund
des raschen Öffnens
und Schließens
der Öldurchgänge des
Hydraulikaktuators und die Stöße an den
Hubenden des Kolbens des Hydraulikaktuators verhindert werden.
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Um
diese Vorrichtung zu verbessern, stellt die vorliegende Erfindung
ein elektrohydraulisches Servoventilsteuersystem gemäß Anspruch
1 bereit.
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Ein
Vorteil einer Einrichtung gemäß der Erfindung
liegt darin, dass Druckspitzen innerhalb des Hydrauliksystems unter
einem vorbestimmten maximalen Grenzwert gehalten werden und weiterhin
das System eine unangemessene Abnahme der Aktuatordynamikreaktionseigenschaften
verhindert.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung stellt eine Flugzeugflugsteuersystem
gemäß Anspruch
2 bereit.
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Ein
weiterer Aspekt dieser Erfindung stellt ein Verfahren zur Umsetzung
eines Flugzeugflugsteuersystems gemäß Anspruch 3 bereit.
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Es
ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, sowohl ein Verfahren als
auch eine Vorrichtung zur Verringerung transienter Druckspitzen
in elektrohydraulischen Servoventilsystemen ohne die Verwendung
von Akkumulatoren oder anderen mechanischen Strukturen bereitzustellen,
welche Kosten, Gewicht oder Systemwartungsaufwand hinzufügen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, das Verfahren und die Vorrichtung
zur Verringerung transienter Spitzen in den elektrohydraulischen
Servoventilsystemen in einer Weise bereitzustellen, welche keine
systemdynamische Reaktion umfasst.
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Gemäß der Erfindung
beinhaltet ein Flugzeugflugsteuersystem kurz gesagt ein Eingangs- oder
Eingabebefehlsystem zur Erzeugung eines Befehlssignals, welches
einer gewünschten
Flugkursänderung
des Flugzeugs entspricht. Es ist eine Flugzeugsteueroberfläche vorgesehen
und sie ist steuerbar bewegbar, um den Flugkurs des Flugzeugs zu ändern. Ein
elektrohydraulisches Servoventilsystem besitzt einen Eingang, welcher
angepasst ist, um ein Steuersignal zu empfangen, ein Hydrauliksystem, welches
auf das empfangene Steuersignal reagiert, um ein unter Druck gesetztes
Hydraulikfluid zu verteilen und einen bewegbaren Ausgang zu steuern,
welcher mit der Flugzeugsteueroberfläche zur Steuerung der Bewegung
davon verbunden ist. Ein Signalprozessor empfängt das Befehlssignal und erzeugt auf
vorbestimmte Weise das Steuersignal zur Anwendung auf den Eingang
des elektrohydraulischen Servoventilsystems. Der Signalprozessor
beinhaltet einen Ratenbegrenzer zum Beaufschlagen des Steuersignals
mit einer vorbestimmten Ratengrenze, so dass transiente Druckspitzen
innerhalb des Hydrauliksystems unter einer vorbestimmten maximalen Grenze
gewährleistet
werden.
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Ein
Verfahren zur Umsetzung eines Flugzeugflugsteuersystems beinhaltet
den ersten Schritt zum Empfangen eines Eingangsbefehlssignals, welches
einer gewünschten
Flugkursänderung
des Flugzeugs entspricht. Das Verfahren beinhaltet eine Bereitstellung
einer Flugzeugsteueroberfläche,
welche steuerbar bewegbar den Flugkurs des Flugzeugs ändert. Ein
bereitgestelltes elektrohydraulisches Servoventilsystem besitzt
einen Eingang, welcher angepasst ist, ein Steuersignal zu empfangen,
ein Hydrauliksystem, welches auf das empfangene Steuersignal reagiert,
um ein unter Druck gesetztes Hydraulikfluid zu verteilen und einen
bewegbaren Ausgang, welcher mit der Flugzeugsteueroberfläche zur
Steuerung der Bewegung davon verbunden ist, zu steuern Der letzte
Schritt beinhaltet eine Verarbeitung des empfangenen Eingangsbefehlssignals
und eine vorbestimmte Verarbeitung des Steuersignals zur Anwendung
auf den Eingang des elektrohydraulischen Servoventilsystems. Der
Verarbeitungsschritt beinhaltet den Schritt der Ratenbegrenzung
des Steuersignals, so dass transiente Druckspitzen innerhalb des
Hydrauliksystems unter einer vorbestimmten maximalen Grenze gewährleistet
werden.
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1 ist
ein Blockdiagramm, welches die Grundkomponenten eines direkten elektronischen Flugzeugflugsteuersystems
veranschaulicht, welches ein elektrohydraulisches Servoventilsteuersystem
beinhaltet;
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2 ist
ein schematisches Diagramm, welches das Signalverarbeitungssystem
veranschaulicht, welches bei dem elektrohydraulischen Servoventilsystem
gemäß der Erfindung,
die einen Stromratenbegrenzer beinhaltet, verwendet ist;
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3 ist
ein schematisches Diagramm, welches das bevorzugte Ausführungsbeispiel
des in 2 dargestellten Stromratenbegrenzers veranschaulicht;
und
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4 ist
ein Verstärkung-/Phasendiagramm, welches
die Auswirkung des Servoventilstromratenbegrenzers auf das elektrohydraulische
Servoventilsteuersystem veranschaulicht.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist ein direktes elektronisches
Flugzeugflugsteuersystem in Blockdiagrammgestalt dargestellt, welches
im Allgemeinen mit 10 bezeichnet ist. An seinem Eingang
reagiert das System auf die Pilotenbewegung seines Steuers, seines
Knüppels
oder Pedals 12, um eine gewünschte Änderung des Flugzeugflugkurses
anzuzeigen. Stellungssensoren 14 setzten Bewegungen des
Pilotensteuers, Knüppels
oder Pedals in entsprechende Befehlssignale um, welche über eine
Leitung 16 ausgegeben werden. Die Befehlssignale werden
von der Leitung 16 zu der Aktuatorsteuerelektronik 18 übertragen.
Die Aktuatorsteuerelektronik 18 steht durch die Datenübertragungseinheit 20 mit
einem bereitgestellten Datenbus 22 in Verbindung. Signale
auf dem Datenbus 22 werden wiederum durch eine Daten übertragungseinheit 24 dem
Hauptflugcomputer 26 bereitgestellt. Alternativ empfängt der
Hauptflugcomputer 26 Flugkursänderungsbefehle von dem Autopiloten 25 durch
den Datenbus 22 und die Datenübertragungseinheit 24.
Der Hauptflugcomputer 26 überträgt die Autopiloteneingaben
sowie die Eingaben des Pilotensteuerknüppels, Steuers und Pedals in gewünschte Oberflächenbetätigungsbefehle
entsprechend der Flugsteuereigenschaften eines speziellen Flugzeugs
und überträgt diese
zu der Aktuatorsteuerelektronik durch die Datentransfereinheiten 20, 24 und
den Datenbus 22 zurück.
Die Aktuatorsteuerelektronik steuert dann die Aktuatoren, um befohlene Aktuatorstellungen
zu erzielen.
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Die
Aktuatorsteuerelektronik 18 reagiert auf ein Eingangsbefehlssignal über die
Leitung 16 und irgendwelchen Eingaben von dem Hauptflugcomputer 26,
um ein Steuersignal auf seiner Ausgangsleitung 30 zu erzeugen.
Dieses Steuersignal wird an einen Aktuator 32 geleitet,
welcher oft als Leistungssteuereinheit bezeichnet wird. Der Aktuator 32 verbindet
ein Hydrauliksystem 34 durch eine Hydraulikrückleitung 36 und
eine Eingangs- oder Druckhydraulikleitung 38. Als Reaktion
auf ein Steuersignal über
die Leitung 30 verteilt der Aktuator Hydraulikfluid unter Druck
weiter, um eine Ausgangsbewegung zu erzeugen, welche über eine
Verbindung 40 eine Flugzeugsteueroberfläche 42 in eine gewünschte Stellung dreht.
Die tatsächliche
Stellung der Steueroberfläche 42 wird
durch ein Rückkopplungssignal
von dem Aktuator 32 über
eine Stellungsrückkopplungsleitung 44 zu
der Aktuatorsteuerelektronik 18 bereitgestellt. Auf diesem
Weg kann die Aktuatorsteuerelektronik 18 die befohlene
Aktuatorstellung, wie sie durch den Hauptflugcomputer 26 als
eigentliche Stellung der Steueroberfläche 42 angewiesen
worden ist, vergleichen und dabei, falls notwendig, ein Fehlerkorrektursignal über die
Leitung 30 zu dem Aktuator aufbringen, um die Steueroberfläche 42 neu
zu positionieren.
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Eine
wesentliche Berücksichtigung
bei elektrohydraulischen Servosystemen, wie in 1 dargestellt,
liegt auf den Spitzenniveaus der Hydraulikfluiddrücke, welche
sowohl in der Rückleitung 36 als auch
in der Druckleitung 38 auftreten. Die plötzliche Zunahme
und Abnahme an Hydraulikfluid während einer
Aktuatorbewegung kann zu großen
transienten Hydraulikfluiddruckniveaus führen. Es ist wichtig, dass
die Komponenten des Hydrauliksystems, welches die Leitungen 36 und 38 beinhaltet,
ausgestaltet sind, um diese Spitzenwerte beinhaltenden transienten
Drücke
zu handhaben. Es ist wünschenswert,
die Spitzenwerte auf irgendeine maximal festgelegte Grenze zu begrenzen,
um dabei die Belastungen zu vermindern, welche von den Hydraulikleitungen 36, 38 auszuhalten
sind.
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Ein
aus dem Stand der Technik bekannter Weg, um transiente Spitzenhydraulikdruckniveaus
zu verringern, besteht im Hinzufügen
eines mechanischen Akkumulators, welcher im allgemeinen mit 50 bezeichnet
ist. Der Akkumulator 50 ist an der Druckleitung 38 des
Hydrauliksystems angebracht. Ein Vorrat 52 von Hydraulikfluid
in dem Akkumulator 50 wirkt auf eine Seite eines Kolbens 54.
Auf der anderen Seite des Kolbens 54 wirkt ein eingeschlossenes komprimiertes
Gas 56.
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Da
nun Druckspitzen in der Leitung 38 auftreten, kann der
Akkumulatorkolben 54 sich gegen das Gas 56 verschieben
und dabei den Spitzenswert der transienten Spitzendruckniveaus begrenzen.
Die Verwendung von Akkumulatoren fügen jedoch ein wesentliches
Gewicht sowie wesentliche Kosten und Wartungsanforderungen hinzu,
so dass ein alternatives Mittel zur Verringerung des Hydraulikdrucks
wünschenswert
ist.
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2 ist
eine schematische Darstellung, welche das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung veranschau licht, welches einen erfinderischen
Stromratenbegrenzer verwendet, um Hydraulikfluiddruckmaximalspitzenwerte
zu verringern. Das Eingangsbefehlssignal wird hier über eine Leitung 20 zu
dem Eingang der Aktuatorsteuerelektronik, welche im Allgemeinen
mit 18 bezeichnet ist, übertragen.
Innerhalb der Aktuatorsteuerelektronik befindet sich ein Summiererschaltkreis 100,
welcher das Eingangsbefehlssignal über die Leitung 16 mit dem
Stellungsrückkopplungssignal über die
Leitung 44 summiert, was hier negiert dargestellt ist,
um ein Aktuatorstellungsfehlersignal über eine Leitung 102 zu übertragen.
Das Aktuatorstellungsfehlersignal wird dann durch einen Verstärkungs- und Kompensationsfaktor
K(s) in einem Verstärkerblock 104 verstärkt. Die
Ausgabe des Verstärkerblocks 104 ist
ein Antriebsstrom, welcher verwendet wird, um einen Stromeingang
des elektrohydraulischen Servoventilsystems anzutreiben. Dieser
Antriebsstrom wird über eine
Leitung 106 zu einem Strombegrenzerblock 108 übertragen.
Der Strombegrenzerblock 108 besitzt eine lineare Übertragungscharakteristik
zwischen den maximalen und minimalen Stromgrenzen, welche in dem
System entsprechend der Standardpraxis ausgestaltet sind.
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Das
strombegrenzte Strombefehlssignal aus dem Strombegrenzer 108 wird
an einen erfinderischen Stromratenbegrenzer 110 angelegt.
Der Stromratenbegrenzer 110, welcher in 3 vergrößert dargestellt
ist, begrenzt die Rate, bei welcher Veränderungen in dem nachfolgenden
Hydrauliksystem auftreten können.
Durch Begrenzung der Rate der Änderung
des Stroms kann eine entsprechende Verringerung des maximalen Hydraulikdrucks
erreicht werden.
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Der
Ausgang des Stromratenbegrenzers 110 wird über eine
Leitung 30 zu dem Eingang des Aktuators geleitet, hier
im Allgemeinen mit 32 dargestellt. Der Aktuator beinhaltet
das elektrohydraulische Ventil, dessen Reaktion bei Block 120 darge stellt
ist. Der Ausgang des Ventilreaktionsblocks 120, welcher
eine Ventilstellung ist, wird dann über einen Verstärkungsfaktor
Ka und eine Integration in dem elektrohydraulischen
Umwandlungsblock 122 modifiziert. Der Ausgang des elektrohydraulischen
Umwandlungsblocks 122 entspricht der Aktuatorstellung,
welche dann über
eine Leitung 44 zu der Aktuatorsteuerelektronik (18 von 1)
als eine Stellungsrückkopplungssignal übertragen
wird.
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3 ist
eine schematische Darstellung, welche das bevorzugte Ausführungsbeispiel
des elektrohydraulischen Stromratenbegrenzers 110 veranschaulicht,
wie in 2 dargestellt. Der Strom von dem Strombegrenzer
(108 von 2) wird hier zu einer Summiererschaltung 200 geleitet.
Der Ausgang von der Summiererschaltung 200 wird durch einen Verstärkerblock 202,
welcher das Eingangssignal durch einen vorbestimmten Verstärkungsfaktor
K1 verstärkt,
geleitet. Der Ausgang von dem Verstärkerblock 202 liegt
an dem Eingang eines Stromverstärkerblocks 204 an.
Der Stromverstärkerblock 204 besitzt
eine lineare Übertragungsfunktion
für Steuerströme, welche
kleiner als ein Maximalwert B aber größer als eine negative Grenze
(–B) sind.
Sollte der Eingangsstrom versuchen, das Maximum B oder den Minimalwert –B zu überschreiten,
wird er auf die Werte +B, –B
begrenzt. Der Ausgang von dem Stromratenblock 204 wird
an einen Integrationsblock 206 geleitet. Die Ausgabe des
Integrationsblocks 206 wird als negative Eingabe für die Summiererschaltung 200 verwendet.
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Somit
arbeitet der Stromratenbegrenzer 110 von 3 als
ein Stromratenbegrenzer, um die Rate einer Änderung eines Steuerstroms
zu dem elektrohydraulischen Servoventil auf maximale Ratengrenzen
zu begrenzen.
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Die
Servoventilstromratengrenze wird auf Basis des gewünschten
Werts der maximalen Servoventilrate definiert, welche wiederum aus
der Gleichung abgeschätzt
werden kann: K = q0·(2ρ·c·Δt/A)·(1 + 1,596t0 0,5)q0 = Ventilfluss pro Ventilverschiebungseinheit,
in2/s ρ =
Fluiddichte, lbr – s2/in4 Δt
= Zeit für
die Druckwelle, um eine Strecke L von dem Aktuator zu einem Abschnitt
stromaufwärts
mit einem größeren Strömungsquerschnitt
zurückzulegen
=
L/c c = Wellengeschwindigkeit im Fluid = (β/ρ)0,5 β = adiabatisches
Kompressionsmodul, psi t0 = ν·Δt/r2 ν =
kinematische Viskosität
des Fluids, in2/s r = innerer Leitungsradius,
in
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Bei
einer speziellen Anwendung des in 3 dargestellten
Stromratenbegrenzers war es wünschenswert,
dass die maximale Änderung
im Druck des Hydrauliksystems 3500 psi nicht übersteigt. Unter Verwendung
obiger Gleichung wurde festgelegt, dass die maximale Servoventilrate
0,7 Zoll pro Sekunde beträgt,
was einem elektrohydraulischen Servoventileingangssignal entspricht,
dessen Änderungsrate
140 mA/s nicht übersteigt.
Somit wurde mit einem Wert B für
den Stromratenblock 204 von 140 mA/s und einem Verstärkungsfaktor
von K1 im Verstärkungsblock 202 von
500 ein System realisiert, welches die gewünschte Stromratenbegrenzung
erreicht und eine Zeitkonstante von nur 2 ms aufweist.
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4 ist
ein Verstärkungs-/Phasendiagramm über der
Frequenz, welches die Auswirkung des Stromratenbegrenzers von 3 in
dem gesamten elektrohydraulischen Servoventilsteuersystem, wie in 2 für die spezielle
oben diskutierte Umsetzung darge stellt, zeigt. Es ist zu bemerken,
dass die Verstärkung
des Systems bei Frequenzen bis zu 10 Hz unbeeinflusst ist und die
zusätzliche
Phasenverschiebung weniger als 10° bis
zu 10 Hz beträgt,
was das gewöhnlich
gewünschte
Frequenzband für
Flugsteueraktuatoren abdeckt. Somit sind die Auswirkungen des erfindungsgemäßen Servoventilstromratenbegrenzers
auf die Aktuatordynamikantwortcharakteristiken minimal, im Speziellen
bei Amplitudenbefehlen für
Aktuatoren. Die Auswirkungen des Servoventilstromratenbegrenzers
auf die Aktuatordynamiksteifheit und den Aktuatorkraftstoß sind auch
vernachlässigbar.
Zusätzlich
trägt der
erfindungsgemäße Servoventilstromratenbegrenzer
nicht zu irgendeiner Systeminstabilität bei.
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Zusammenfassend
wurde ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung
für ein elektrhydraulisches
Servoventilsteuersystem detailliert beschrieben. Während ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben worden ist, sollte klar sein, dass viele Änderungen
und Variationen davon möglich
sind, welche allesamt in den Umfang der Erfindung fallen.
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Während beispielsweise
das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Erfindung eine Analogschaltung zur Umsetzung des Steuersignalratenbegrenzers
verwendet, ist es klar, dass eine digitale Umsetzung herstellbar
ist, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.