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Selbsttätige Steuereinrichtung für lenkbare Fahrzeuge, insbesondere
Flugzeuge Die Erfindung bezieht sich auf eine selbsttätige Steuereinrichtung, welche
den Führer eines von Hand gesteuerten lenkbaren Fahrzeugs, z. B. Luftfahrzeugs,
bei der Handsteuerung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs unterstützt und so ein kombiniertes
selbsttätiges und handbetätigtes Steuersystem ergibt. Die Erfindung besteht in einem
System dieser Art, bei welchem die selbsttätige Steuereinrichtung insbesondere die
Aufgabe hat, den Schwingungen des Fahrzeugs um eine Achse entgegenzuwirken, so daß
es auf jedes Bestreben des Fahrzeugs, um einen kleinen Winkel um die mittlere Richtung,
in welcher es von dem Führer durch Handbetätigung gesteuert wird, zu schwingen,
dämpfend wirkt.
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Systeme dieser Art sind insbesondere bei Flugzeugen mit geringer aerodynamischer
Dämpfung erwünscht, um die Leistung des Flugzeugs, wenn es von Hand gesteuert wird,
zu verbessern. Ohne eine selbsttätige Dämpfung, wie sie die Erfindung vorsieht,
kann ein Fahrzeug mit geringer aerodynamischer Dämpfung unter gewissen Verhältnissen
der Geschwindigkeit und Höhe schwach gedämpfte oder sogar andauernde Schwingungen
um alle drei Achsen ausführen, deren Berichtigung die fortlaufende Ausführung von
Steuerbewegungen durch den Führer mittels seiner handbetätigten Steuer erfordert,
um das Fahrzeug in waagerechter Lage auf einem bestimmten Kurs zu halten.
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Die Erfindung bezweckt, den Führer von der Aufgabe der Ausführung
der zur Dämpfung der Schwingungen erforderlichen Steuerbewegungen der Steuerflächen
zu entlasten und ihm lediglich die
Aufgabe zu belassen, die allgemeine
Flugrichtung des Flugzeugs zu steuern.
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Weiterhin bezweckt die Erfindung die Ausbildung eines Systems dieser
Art, .welches insbesondere kurzperiodischen Störungen entgegenwirkt; im wesentlichen
ohne den gesteuerten Wendungen des Flugzeugs entgegenzuwirken, welche der Führer
veranlaßt.
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Zu diesem Zweck sieht die Erfindung eine selbsttätige Steuereinrichtung
für lenkbare Fahrzeuge vor, welche den Führer bei der Ausführung der handbetätigten
Steuerung der Flugrichtung unterstützt, die er mittels einer Handsteuerung vornimmt,
um die Richtungssteuerung z. B. durch eine oder mehrere Steuerflächen zum Ausschlag
zu bringen und so eine Wendung des Fahrzeugs um eine Achse zu veranlassen. Diese
selbsttätige Steuereinrichtung umfaßt Mittel, welche auf die Wendung des Fahrzeugs
um eben diese Achse ansprechen und den durch die Handsteuerung veranlaßten Ausschlag
der Richtungssteuermittel nach Größe und Richtung derart beeinflussen, daß den Wendebewegungen
entgegengewirkt wird und die Schwingungen des Fahrzeugs um diese Achse gedämpft
werden.
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Die Erfindung kann verwirklicht werden, indem man die Einrichtung
so anordnet, daß einer durch die Handsteuerung an den Richtungssteuermitteln ausgeübten
Steuerwirkung eine Steuerwirkung hinzugefügt wird, welche die erfindungsgemäße Einrichtung
als Folge der Wendung des Fahrzeugs hervorruft. Insbesondere kann die Erfindung
in einem System verwirklicht werden, bei welchem die zusätzlichen Steuerwirkungen
Kräfte oder Drehmomente sind, welche auf die Richtungssteuermittel ausgeübt werden.
So kann nach der im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform
ein Servomotqr verwendet werden, welcher auf die Richtungssteuermittel Kräfte oder
Drehmomente ausübt, die den Kräften oder Drehmomenten überlagert werden, welche
unmittelbar auf die Steuermittel von der handbetätigten Steuerung ausgeübt werden,
wobei das von dem Servomotor ausgeübte Drehmoment von einer Steuergröße geregelt
wird, die in der Einrichtung in Abhängigkeit von der Wendung des Fahrzeugs erzeugt
wird. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind vorzugsweise zusätzliche Steuereinrichtungen
vorgesehen, um zu erreichen, daß ein durch die Handsteuerung erzeugtes Drehmoment
einen Ausschlag der Steuerfläche veranlaßt und über die Einrichtung zur Regelung
der Speisung des Servomotors einen Rückkopplungseffekt hervorruft. Dies kann bei
verschiedenen Systemen durchgeführt werden, bei welchen die Kraft oder das Drehmoment,
welches der Servomotor ausübt, von dem Erregerstrom abhängt, welcher ihm von einem
Verstärker in Abhängigkeit von dessen Eingangsspannung zugeführt wird, und eine
von der Wendung des Flugzeugs abhängige Regelspannung dem Verstärker als Teil der
Eingangsspannung zugeführt wird. Zu diesem Zweck kann eine Größe, welche in Abhängigkeit
oder teilweise in Abhängigkeit von der durch die Handsteuerung ausgeübten Kraft
bzw. dem Drehmoment veränderlich ist, abgeleitet und einer langsam ansprechenden
Einrichtung, wie z. B. einem Verzögerungsnetzwerk oder einem sogenannten integrierenden
Netzwerk; zugeführt werden, welche eine verzögerte Ausgangsspannung als zusätzliche
Eingangsspannung in den Eingangskreis des Verstärkers liefert, wobei die Verbindungen
so gewählt sind, daß die zusätzliche Eingangsspannung unterstützend zugeführt wird.
Diese unterstützende Wirkung kommt daher langsam zur Geltung und übt eine zusätzliche
Kraft bzw. Drehmoment in dem Sinne aus, in welchem die von der Handsteuerung ausgeübte
Kraft bzw. das Drehmoment schon wirksam ist. Auf diese Weise unterstützt die selbsttätige
Dämpfungseinrichtung den Führer bei der Zuführung der dauernden, von Hand ausgeübten
Drehmomente an die Richtungssteuermittel, zusätzlich zu der Erfüllung ihres ursprünglichen
Zwecks, die Schwingungen des Fahrzeugs durch Ausübung von dämpfenden Drehmomenten
zu verringern.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung.
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Die Zeichnung zeigt ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Dämpfungssystem
zur Verwendung in einem lenkbaren Fahrzeug, z. B. Luftfahrzeug, mit einem Ruder
io oder einer anderen beweglichen Fläche als Richtungssteuermittel für die Steuerung
seiner Bewegungen um die Hochachse des Flugzeugs. Das Ruder io wird über Verbindungsseile
j .i und eine Pedaleinrichtung 1a manuell betätigt, so daß der Führer sein Fahrzeug
nach Belieben um die Hochachse steuern kann. Die dargestellte Steuereinrichtung
für manuelle Betätigung dient zur Veranschaulichung. Die manuell zu betätigende
Steuereinrichtung des Fahrzeugs braucht nicht eine bewegliche Fläche wie das Ruder
io zu sein. Ebenso kann die Wendeachse horizontal anstatt vertikal sein, und in
diesem Fall könnten die Richtungssteuermittel entweder die Höhensteuer oder die
Querruder des Fährzeugs oder beide sein.
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Die Einrichtung zur Ausübung von dämpfenden Drehmomenten auf das Ruder
io umfaßt gemäß der Erfindung Mittel, welche auf die Wendung des Fahrzeugs ansprechen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird zu diesem Zweck eine von der Wendung des
Flugzeugs abhängige Regelspannung erzeugt, .die von einem primären richtunggebenden
Gerät abgeleitet wird. Da die ausgewählte Wendeachse in diesem Fall die Hochachse
des Fahrzeugs ist, kann dieses richtunggebende Gerät die Form eines Richtkreisels
13 mit einem vertikalenKardanring 14 haben, der in dem Fahrzeug so gelagert ist,
daß er sich um eine Achse frei drehen kann, die zur Hochachse des Fahrzeugs parallel
liegt. Der Richtkreisel spricht auf die Abweichung des Fahrzeugs von einer Bezugslage
um seine Hochachse an, die an der relativen Bewegung zwischen dem Fahrzeug und dem
vertikalen Ring 14 des Kreisels gemessen wird. Zur Anpassung der Erfindung für die
Steuerung
des Fahrzeugs um die Quer- oder Längsachse könnte die Bezugseinrichtung durch einen
Lotkreisel gebildet werden, wobei die äußere Achse des Kardanringes parallel zu
der Längsachse des Fahrzeugs und die innere Achse parallel zur Querachse liegt.
Bei dem dargestellten System ist das Rotorgehäuse des Richtkreisels mit
15, bezeichnet. Es sind nicht dargestellte Einrichtungen vorgesehen, um das
Rotorgehäuse 15 des Richtkreisels in waagerechter Lage zu halten. Gegebenenfalls
kann der Richtkreisel auch in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit von dem erdmagnetischen
Feld gebracht werden.
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Das erfindungsgemäße Dämpfungssystem enthält ferner ein Differential
mit zwei Eingängen und einem Ausgang. Wie dargestellt, ist das Differential elektrischer
Art und besteht aus zwei Synchron-oder Selsyngeräten r.6 und 17 mit Stator-
und Rotorteilen. Die Statoren der Geräte 16 und i-7 sind durch Leitungen 18, i9,
2o miteinander verbunden. Die Welle 211 verbindet den Rotor des Selsyngeräts .16
und den Kardanring 14 des Richtkreisels, so daß das Bezugsgerät und einer der Eingänge
des Differentials verbunden sind. Der Rotor des Selsyngeräts 16 wird, wie dargestellt,
aus einer geeigneten Wechselstromquelle erregt.
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Als Ausgang des Differentials wird ein Signal auf den Leitungen 22,
23 aus dem Rotor des Synchron- oder Selsyngeräts 17 gebildet. Der zweite Eingang
des Differentials besteht aus dem Rotor des Geräts 17, welcher dem Motor
24, mittels der Welle 25 nachfolgt. Der Motor 24, welcher eine Eigenverzögerung
besitzt, spricht auf den Ausgang des Differentials über die Leitungen 26, 27, Nachfolgeverstärker
28i und Leitungen 29, 3o an. Der Motor 24 ist ein Teil einer Motorgeneratorgruppe,
deren Generator mit 3ii bezeichnet und mit dem Motor durch eine Welle 32 verbunden
ist. Der Motor 24 und der Generator 3.i werden aus einer gemeinsamic,n Wechselstromquelle
durch Wicklungen 33 bzw. 34 erregt. Der Generator 31 liefert über Leitungen 36,
37 aus der Wicklung 35 ein Signal an den. Verstärker 28 zurück, um die Drehgeschwindigkeit
des Motors 24 proportional zu der Amplitude des Betriebssignals auf den Leitungen
22,23 zu machen. Der Nachfolgeverstärker 28 und die Motorgeneratorgruppe
24, 3 1 arbeiten so zusammen, daß der Rotor des Selsyngeräts 17 durch
seine Bewegung die Ausgangsgröße des Differentials annähernd auf Null bringt. Bei
einer stetigen Wendung, die der Führer durch Betätigung der Handsteuerung 12 für
das Ruder io veranlaßt, arbeitet der Nachfolgemotor 24 so, daß die Ausgangsgröße
des Differentials dauernd auf Null gehalten wird, so daß stetige Wendegeschwindigkeiten
zu keiner merklichen Ausgangsgröße des Differentials führen, welche die Eingangsgröße
für die Servomotoreinrichtun:g des Systems bildet, das die Steuerfläche oder das
Ruder i.o betätigt. Kurzperiodische Richtungsstörungen -des Fahrzeugs werden jedoch
auf d,-m Bezugsgerät angezeigt, um das Differential zu steuern, und diese Störungen
führen zu einem Ausgangssignal des Differentials, welches auf Grund der verzögertenArbeitsweise
des Motors 24, wie unten beschrieben, den Bletrieb des Servomotors steuert und somit
auf Blas Ruder lo Drehmomente zur Dämpfung der Fahrzeugbewegungen ausübt.
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Es sind Einrichtungen vorgesehen, um die Änderungsgeschwindigkeit
des Ausgangssignals des Differentials zu messen. Diese Einrichtungen sind schematisch
veranschaulicht als ein geeignetes verhältnisnehmendes Netzwerk 38, welches von
der Art sein kann, wie in der USA.-Patentschrift 2 446 567 beschrieben. Das Eingangssignal
für das Netzwerk 38 wird über die Leitungen 22, 23 zugeführt, während das Ausgangssignal
über die Leitungen 40, 41 einem Verstärker 39 zugeführt wird.
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Der Verstärker 39 liefert den Erregerstrom für eine Ward-Leonard-Motor-Generatorgruppe,
welche .den Erregerstrom für einen Motor42 liefert. Dieser ist über ein Getriebe
43, eine Trommel 44 und ein Seil 45 mit .dem Ruder io verbunden. Der Ankerkreis
des Motors 42 wird durch den Ausgang des Generators 46 .der Ward-Leonard-Motor-Generatorgruppe
gespeist, während die Feldwicklungen 47 des Generators durch den Ausgang des Verstärkers
39 gespeist werden. Der Generator 46 wird durch den mit konstanter Drehzahl laufenden
Motor48 .der Ward-Leonard-Gruppe mitkonstanter Geschwindigkeit angetrieben und ist
mit diesem durch eine Welle 49 verbunden. Leitungen 50, 51
verbinden .den
Generator 46 mit dem Motor 42.
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Bei dem beschriebenen System werden kurzperiodische Richtungsstörungen
des Fahrzeugs durch die vereinigte Anordnung des Bezugsgeräts und des Nachfolgemotors
angezeigt, woraus ein Signal gebildet wird, das der Eingangsgröße des verhältnisnehmenden
Netzwerkes 38 entspricht. Das Ausgangssignal .des Netzwerkes 38, welches der Änderungsgeschwindigkeit
-des Fehlersignals entspricht, wird über den Verstärker 39 d@er Antriebseinrichtung
zugeführt, um das Ruder io zu betätigen und die Störungen des Fahrzeugs um seine
Hochachse zu dämpfen.
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Wie dargestellt, enthält das System fernerMittel zur Erzeugung einer
Rückübertragungsspannung, welche die Verschiebung des Ruders io oder einer anderen
Steuerfläche .aus der Nullstellung mißt. Die dargestellte Anordnung zur Rückübertragung
der Verschiebung enthält ein Selsyngerät 52, welches als Verschiebungssignalgenerator
arbeitet, Wobei sein erregter Rotor mit dem Motor 42 über ein Getriebe 53 verbunden
ist. Der Stator des Geräts 52 ist durch Leitungen 54, 55 in die Leitung 40 der beiden
zu dem Verstärker 39 führenden Eingangsleitungen 40, 41 geschaltet. Das Selsyngerät
52 liefert eine Ausgangsgröße mit umgekehrtem Vorzeichen, das also von der Richtung,der
Abweichung des Ruders aus seiner Nullstellung abhängt. Die Amplitude des Signals
dieser Rückübertragung hängt von der Größe der Abweichung des Ruders aus seiner
Nullstellung ab. Das Rückübertragungssignal wirkt normalerweise dem Eingangssignal
entgegen, welches dem Verstärker 39 aus dem verhältnisnehmenden
Netzwerk
38 .zugeführt wird. Bei Fehlen eines von .der Wendung des Fahrzeugs abhängigen Ein:gangssteuersignals
betätigt das Rüekübertragungssignal den Motor 42 so, @daß das Ruder ro in,die Nullstellung
zurückgeführt wird.
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Das System enthält ferner eine Einrichtung zur Erzeugung eines Signals,
welches dem mit Verzögerung umgeformten Drebrnoment des Servomotors proportional
ist. Wie schematisch dargestellt, kann diese Einrichtung aus einem integrierenden
Netzwerk und einem Modulator 56 bestehen, der z. B. -durch ein Wi.derstands-Kapazitäts-Netzwerk,
.das über Leitungen 57, 58 an .den Ausgang des Generators 46 angeschlossen ist und
einen mit Wechselstrom erregten Modulator gebildet wird, dessen Ausgang, eine Wechselstromumformung
des Ausgangs aus dem Widerstands-Kapazitäts-Netzwerk, mit .dem Eingang des. Verstärkers
3,9 über Leitungen 59, 6o verbunden ist. Das Signal aus dem Netzwerk und Modulator
56 wird dem Eingang des Verstärkers 39 gegengeschaltet, welcher Eingang durch die
Leitungen 54 55 aus -der Einrichtung für die Verschiebungsmessung zugeführt wird.
Wenn der Führer das Fahrzeug durch die Pedale 12 manuell betätigt, erzeugt .die
Verschiebungsrückübertragung durch den Servomotor eine Gegenkraft, die sich wie
eine elektrische Feder .den Kräften des. Führers entgegensetzt. Wenn eindauerndes
Drehmoment manuell ausgeübt wird, tritt ein dauerndes Eingangssignal an dem Verstärker
39 auf, und dieser erregt somit den Generator 46, so daß ein dauerndes Eingangssignal
.dem Servomotor 42 und somit auch dem Netzwerk und Modulator 56 zugeführt wird und
dieser daher ein sich langsam entwickelndes Ausgangssignal erzeugt. Dieses wird
über die Leitungen 59, 6o als Eingangssignal dem Verstärker 39 entgegen dem durch
die Leitungen 54, 55 zugeführten Verschiebungsrückübertragungssignal zugeführt,
mit der Folge, daß das Versehiebungsrückübertragungssignal eine geringereWirkung
hat und der Führer leicht in der Lage ist, den Servomotor zu überwinden und das
Fahrzeug in der gewünschten Weise von Hand zu steuern.
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Die vereinigte Anordnung der handbetätigten Einrichtung r2, Verschiebungsrückübertragung
52, Servomotor 42, integrierendes Netzwerk und Modulator 56 bildet so eine Einrichtung
zur Erzeugung eines Signals in Abhängigkeit von der dauernden, in einer Richtung
erfolgenden Betätigung der von Hand bedienten Einrichtung, welche benutzt wird,
um die normale Kraft der Rückübertr.agungseinrichtung zu überwinden und die Antriebseinrichtung
zu betätigen, welche die Fläche in die Nullstellung zurückführt, und dadurch die
Handsteuzrung des Fahrzeugs zu erleichtern.
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Die Erfindung kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden und
ist nicht auf .das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere kann
das dargestellte Gerät zur Ableitung eines von der Wendung des. Fahrzeugs abhängigen
Steuersignals durch andere Geräte ersetzt werden. An Stelle des Richtkreisels 13,
Selsyngeräts 17, Verstärkers 28, Nachfolgemotorgenerators 24, 31 und verhältnisnehmenden
Netzwerks 38 kann ein Wendegeschwin.digkeitskreisel benutzt werden, der auf dem
Fahrzeug in an sich bekannter Weise so angebracht ist, daß der Rotorlagerrahmen
aus seiner normalen Lage entgegen einer zurückhaltenden Kraft abgelenkt wird, sobald
das Fahrzeug wendet, wobei eine geeignete Abnehmereinrichtung vorgesehen ist, um
eine Spannung zu erzeugen, die je nach der Richtung, in welcher .das Fahrzeug wendet,
indem einen oder anderen Sinn auftritt.
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Nach einer weiteren Abwandlung .der Erfindung kann eine Einrichtung
benutzt werden, welche das von der Wendung des Fahrzeugs abhängige Signal als Eingangsgröße
empfängt und eine Umformung dieses Signals erzeugt, die anfänglich diesem Signal
entspricht, aber nach einiger Zeit auf Null abklingt. Dieses letztere Signal- wird
in .der selbsttätigen Steuereinrichtung verwendet, um die Wirkung der Handsteuerung
zu beeinflussen, so daß das verwendete Signal eine schnelle Schwingung um die Hochachse
bei Handsteuerung dämpft, aber einer stetigen Wendung nicht entgegenwirkt.
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In einem Fall, wo das von der Wendung des Fahrzeugs abhängige Signal
eine Gleichspannung ist, kann .der Abklingkreis einenReihenkondensator enthalten,
der einen Widerstand speist, wobei die Spannung an diesem letzteren die benutzte
Spannung ist. Die Zeitkonstante dieser Kombination bestimmt dann, in welcher Weise
das Signal zeitlich abklingt. In dem Fall, wo das Signal ein Wechselstromsignal
ist, kann es erst durch einen phasenempfindlichen Gleichrichter in Gleichstrom umgeformt
und dann durch einen ähnlichen Abklingkreis geschickt und schließlich zurückverwandelt
werden.
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Das dargestellte System gemäß der Erfindung kann eine weitere Abwandlung
erfahren. Dabei wird in den Eingangskreis des Verstärkers 39, zusätzlich zu dem
von der Fahrzeugwendung abhängigen Steuersignal und zu dem Rückübertragungssignal
aus dem Selsyngerät 52, ein Steuersignal eingeführt, welches von der auf die Handsteuerung
ausgeübten Kraft bzw. dem Drehmoment abhängt. Zu diesem Zweck kann die Handsteuerung
in geringem Maße elastisch nachgiebig sein, so .daß, wenn auf sie eine Kraft oder
ein Drehmoment zur Betätigung der Steuerfläche oder einer anderen Richtungssteuereinrichtung
des Fahrzeugs ausgeübt wird, ein Teil der Handsteuerung in Bezug auf einen anderen
Teil in einem Ausmaß und in einer Richtung elastisch verschoben wird, welche von
der Größe und Richtung der Kraft oder des Drehmoments abhängen. In oder an der Handsteuerung
kann eine Abnehmereinrichtung zur Erzeugung eines Ausgangssignals angebracht werden,
welches zu der relativen Verschiebung der beiden Teile der Handsteuerung und damit
zu der auf die Handsteuerung ausgeübten Kraft bzw. DrehmomEnt proportional ist und
das Signal .darstellt, welches in :den Verstärker 39 eingeführt wird.
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Ein Steuersystem, welches eine etwas elastisch nachgiebige Handsteuerung
mit einer zugehörigen,
auf die Nachgiebigkeit ansprechenden Abnehmereinrichtung
der erwähnten Art verwendet, ist beschrieben und dargestellt in der USA.-Patentschrift
2 3'98 42i.
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In dem System, wo dieHandsteuerung diePedale 12 aufweist, kann jedes
Pedal elastisch nachgiebig sein und eine Abnehmereinrichtung der erwähnten Art tragen,
und die Ausgangssignale der beiden erfindungsgemäßen Einrichtungen können zur Erzeugung
eines einzigen Steuersignals jenem Signal gegengeschaltet werden, welches das auf
die Handsteuerung ausgeübte Drehmoment hervorruft.
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Bei dieser abgeänderten Ausführungsform der Erfindung veranlaßt das
Kraft- oder Drehrnomenteingangssignal ,des Verstärkers 39 den Servomotor zur Ausübung
von Drehmomenten auf das Ruder io, welche denjenigen. entsprechen, welche der Führer
durch die Handsteuerung .ausübt, jedoch größer sind als diese. Das System wirkt
so als ein Servohilfssystem für alle von dem Führer ausgeübten Drehmomente; es überlagert
diesen jedoch Drehmomente, welche dem von der Fahrzeugwendung abhängigen Steuersignal
entsprechen, das dem Netzwerk 38 oder einer anderen Quelle entnommen wird.