ES2248252T3 - Perfecionamientos en los dispositivos de servomando, en particular para accionador de mando de vuelo de aeronave. - Google Patents
Perfecionamientos en los dispositivos de servomando, en particular para accionador de mando de vuelo de aeronave.Info
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Abstract
Dispositivo de servomando que comprende por lo menos un circuito de condicionado que recibe de entrada una señal de control de condicionado y cuya salida actúa sobre un elemento a condicionar, comprendiendo este dispositivo unos medios para determinar un parámetro que caracteriza el esfuerzo real generado por el condicionado, caracterizado porque comprende también un circuito que incluye unos medios para determinar un error característico de la diferencia entre este parámetro que caracteriza el esfuerzo real y un parámetro que caracteriza un esfuerzo teórico admisible en función de la señal de control de condicionado, así como unos medios para corregir el tratamiento del circuito de condicionado en función de este error.
Description
Perfeccionamientos en los dispositivos de
servomando, en particular para accionador de mando de vuelo de
aeronave.
La presente invención se refiere a los
dispositivos de servomando, en particular para accionador de mando
de vuelo de aeronave.
La invención encuentra preferentemente aplicación
para unos dispositivos de servomando de posición.
La invención puede encontrar también
ventajosamente aplicación para dispositivos de servomando de
esfuerzos.
Clásicamente, un dispositivo de servomando de
posición para accionador de mando de vuelo de una aeronave comprende
un circuito de condicionado que integra unos medios de compensación
que están dispuestos en el circuito corriente arriba del sistema
servomandado y que aseguran un filtrado, en particular a las
frecuencias de resonancia, de los movimientos de la o de las piezas
mecánicas accionadas por dicho sistema.
Un problema encontrado con dicho dispositivo de
servomando se refiere a que no tiene en cuenta los esfuerzos que se
ejercen sobre las piezas mecánicas accionadas.
Ahora bien, estos esfuerzos pueden ser
particularmente importantes.
En diversos campos técnicos, en particular en
unos campos muy alejados de los accionadores de mando de vuelo de
aeronave, se han propuesto diferentes sistemas de condicionado que
permiten mejorar el control del esfuerzo ejercido sobre las piezas
mecánicas accionadas.
El documento EP 0 897 111 propone una máquina de
ensayos mecánicos que comprende un dispositivo de condicionado que
permite controlar una carga ejercida sobre una muestra de material
a ensayar. El dispositivo de condicionado comprende unos medios
para determinar un error característico de la diferencia entre el
esfuerzo teórico de consigna y una variable dependiente de los
esfuerzos reales máximo y mínimo aplicados.
El documento US 5 117 170 describe una máquina de
ejercicio que comprende un dispositivo motorizado condicionado que
permite simular una carga. En este dispositivo, la señal de mando
del motor depende de la posición del rotor y no puede sobrepasar un
valor máximo.
El documento US 5 136 227 propone un dispositivo
de condicionado que permite compensar el efecto de la gravedad sobre
el brazo de un robot. Este dispositivo comprende unos medios para
determinar un error característico de la diferencia entre el par
real aplicado y un par teórico debido a la gravedad.
El documento FR 2 660 705 describe un dispositivo
de condicionado del esfuerzo ejercido sobre el pistón de un gato
hidráulico. Este dispositivo comprende un circuito de condicionado
que tiene en cuenta un error característico de la diferencia entre
el esfuerzo real aplicado y un esfuerzo de consigna, y un circuito
suplementario que tiene en cuenta la velocidad del pistón.
Estos diferentes dispositivos no permiten tener
en cuenta la resistencia de las piezas mecánicas sobre las cuales
se ejercen los esfuerzos.
Se desea por consiguiente, para limitar la fatiga
de las piezas mecánicas e incrementar su tiempo de vida, poder
controlar mejor estos esfuerzos.
Un objetivo de la invención es proponer un
dispositivo de servomando de posición en este sentido que sea
particularmente simple y fiable.
A este fin, la invención propone un dispositivo
de servomando que comprende por lo menos un circuito de condicionado
que recibe de entrada una señal de control de condicionado y cuya
salida actúa sobre un elemento a condicionar, comprendiendo este
dispositivo unos medios para determinar un parámetro que caracteriza
el esfuerzo real generado por el condicionado, caracterizado porque
comprende también un circuito que incluye unos medios para
determinar un error característico de la diferencia entre este
parámetro que caracteriza el esfuerzo real y un parámetro que
caracteriza un esfuerzo teórico admisible función de la señal de
control de condicionado, así como unos medios para corregir el
tratamiento del circuito de condicionado en función de este
error.
Dicho dispositivo, que puede ser tanto un
dispositivo de servomando de posición, como un dispositivo de
servomando de esfuerzo, presenta la ventaja de permitir un control
de esfuerzo muy rendible.
Este dispositivo está ventajosamente completado
por las diferentes características siguientes tomadas solas o según
todas sus combinaciones técnicamente posibles:
- -
- los medios para determinar el error comprenden unos medios de determinación de un parámetro que caracteriza el esfuerzo teórico admisible a partir de un modelo de referencia;
- -
- siendo un accionador mandado por el circuito de condicionado de tipo hidráulico, el modelo de referencia es una función de transferencia Fuerza/señal de mando de caudal;
- -
- los medios de determinación comprenden unos medios para utilizar una función de transferencia que tiene el mismo carácter que una función de transferencia de determinación del parámetro que caracteriza el esfuerzo real, salvo en la proximidad de por lo menos una frecuencia de resonancia de dicho esfuerzo;
- -
- dicha función de transferencia es
\frac{F_{ref}}{Q_{ref}} =
\frac{ks}{\left(\frac{1}{2 \pi f_{0}}\right)^{2} s^{2} + 2x
\frac{\chi}{2 \pi f_{0}} s + 1}
B(s)
en la que s representa al
laplaciano y en la que f_{0} es igual a o está en la proximidad
de una frecuencia de resonancia, siendo \chi un factor de
atenuación de un orden de magnitud entre 0,7 y 1, siendo k un factor
de ganancia, siendo B(s) una función de
filtrado.
- -
- la función B(s) es igual a 1.
La invención se refiere ventajosamente también a
un dispositivo de servomando hidráulico, caracterizado porque está
constituido por un dispositivo del tipo citado.
La invención se refiere también a un dispositivo
de servomando para accionador de mando de vuelo o gato de prueba,
caracterizado porque está constituido por un dispositivo del tipo
citado.
Otras características y ventajas de la invención
resaltarán también de la descripción siguiente, la cual es puramente
ilustrativa y no limitativa y que debe ser leída con respecto a los
planos anexos, en los que:
- la figura 1 es una representación esquemática
que ilustra un dispositivo de acuerdo con un modo de realización
posible de la invención;
- la figura 2 es una representación esquemática
de un gato o accionador de servomando hidráulico;
- las figuras 3a a 3c son tres gráficos que
ilustran diferentes funciones de transferencia susceptibles de ser
utilizadas con un dispositivo del tipo de la figura 1.
El dispositivo representado en la figura 1
comprende un circuito de condicionado 1 que comprende un sistema
servomandado 3, así como unos medios de compensación 2 que están
dispuestos en el circuito corriente arriba de este sistema
servomandado 3.
Los medios de sustracción, que en la entrada del
circuito reciben una señal de mando C y le sustraen la señal
"y_{M}" a la salida del circuito, para generar una señal de
error, han sido referenciados por 4. (La señal "y_{M}" es una
señal que caracteriza la posición o el esfuerzo mandado, mientras
que la señal C es una señal de la misma naturaleza que caracteriza
la consigna de posición o de esfuerzo).
Se ha representado también en esta figura 1 un
filtro 5 que recibe en la entrada una señal de mando no filtrada y
que proporciona de salida la señal C.
Los medios de compensación 2 reciben la señal de
error de salida de los medios de sustracción 4 y realizan sobre ésta
un filtrado entre otros de unas frecuencias que son unas
frecuencias de resonancia para los movimientos de las piezas
mecánicas mandadas por el accionador (función de transferencia
C(s)).
Además de un accionador 3a que actúa
mecánicamente sobre la o las piezas que se quieren comandar (gato
hidráulico de mando de vuelo o de banco de prueba, por ejemplo), el
sistema servomandado 3 comprende un circuito 6 que calcula la
diferencia entre por una parte un esfuerzo real F_{p}
correspondiente a la señal y_{M} de salida del circuito 3 y por
otra parte un esfuerzo F_{M} autorizado determinado en función de
la señal Cr de salida de los medios de compensación 2.
En la figura 1, el módulo de determinación del
esfuerzo F_{M} autorizado ha sido referenciado por 7.
Utiliza una función de transferencia
P_{F}(s) que es una modelización del comportamiento de
esfuerzo esperado, en la forma por ejemplo de una representación
lineal de Laplace.
Esta modelización se elige para corresponder
sensiblemente al comportamiento real en esfuerzo del servomando en
ausencia del circuito 6, sensiblemente modificado para evitar o
limitar las resonancias mecánicas en esfuerzo.
En la figura 1, los medios de sustracción del
circuito 6 han sido referenciados por 9. La señal de salida de
estos medios de sustracción 9 constituye en caso necesario el
objeto de un tratamiento de compensación (módulo 10 cuya función de
transferencia C_{F}(s) puede por ejemplo ser una simple
función de ganancia), siendo la señal EPS_{r} de corrección de
salida de este tratamiento sumada a la señal Cr (medios 11).
La señal Q corregida así obtenida (en el caso de
un servomando hidráulico, Q es una señal de mando de caudal) es
inyectada a la entrada del accionador 3a.
El esfuerzo real F_{p} puede ser, en cuanto a
sí mismo, determinado por un captador de presión previsto a este
fin.
En una variante, como se ilustra en la figura 1,
el accionador 3a puede descomponerse en dos módulos que realizan dos
funciones de transferencia sucesivas F/Q, y después Y/F, siendo la
señal característica de la fuerza real F_{p} la de salida del
módulo correspondiente a la primera función de transferencia
F/Q.
El circuito 6 así realizado permite estabilizar
el comportamiento en esfuerzo generado por el servomando.
El mismo permite también hacer éste más
rendible.
Se describirán ahora, en la continuación del
texto, unos ejemplos de funciones de transferencia posibles en el
caso de un condicionado de posición, en particular para
P_{F}(s), F/Q y Y/F.
Un gato o un servomando puede esquematizarse como
se ilustra en la figura 2, por una rigidez hidráulica Rh, un
coeficiente de amortiguación hidráulica Cvh, una superficie S, un
caudal Q (por ejemplo mandado por medio de una entrada eléctrica),
unas presiones Pa y Pb en una y otra de las dos cámaras hidráulicas,
siendo el conjunto cargado por una masa M, por medio de un rigidez
Rm y de un coeficiente de amortiguación mecánica Cvm.
La ecuación de Laplace sobre la carga se escribe
entonces:
[1]mzs^{2} =
(R_{m} + C_{vm}s)(y - z) =
F
siendo el laplaciano anotado s,
siendo el desplazamiento del vástago del gato anotado y, siendo el
de la masa M anotado z, estando el esfuerzo generado por el gato
anotado
F.
Las ecuaciones que rigen la expresión de las
presiones en las cámaras de un gato simétrico lleno de fluido son a
su vez conocidas (ver por ejemplo "Commande et asservissement
hydraulique et électrohydrauliques" de Marcel Guillon, Editions
Tec&Doc 1992).
En particular, la ecuación de Laplace que liga el
caudal, el esfuerzo y el desplazamiento se escribe:
[2]\frac{Q}{S}
\left(1 + \frac{C_{vh}}{R_{h}} s\right) = s \left( y +
\frac{C_{vh}}{R_{h}} sy + \frac{1}{R_{h}}
F\right)
o
también
[3]F = (R_{h}
+ C_{vh}s) \left(\frac{Q}{Ss} -
y\right)
La compilación de estas tres ecuaciones da:
[4]y = F \cdot
\frac{R_{m} + C_{vm}s + Ms^{2}}{(R_{m} +
C_{vm}s)Ms^{2}}
La ecuación [2] puede entonces expresarse en
función de [4] por:
[5]\frac{F}{Q}
= \frac{R_{h} + C_{vh}s}{Ss\left(1 + \frac{R_{m} + C_{vm}s +
Ms^{2}}{(R_{m} + C_{vm}s)Ms^{2}} - (R_{h} +
C_{vh}s)\right)}
[6]\frac{F}{Q}
= \frac{(R_{h} + C_{vh}s)(R_{m} +
C_{vm}s)Ms^{2}}{Ss(C_{vh} + C_{vm})Ms^{3} +
(M(R_{h} + R_{m}) + (C_{vh}C_{vm})s^{2} + (R_{h}C_{vm} +
R_{m}(C_{vh})s +
R_{h}R_{m})}
[7]\frac{F}{Q}
= \frac{Ms(R_{h}R_{m} + (R_{h}C_{vm} + R_{m}C_{vh})s +
C_{vh}C_{vm}s^{2})}{S(R_{h}R_{m} + (R_{h}C_{vm} +
R_{m}C_{vh})s + (C_{vh}C_{vm} + M(R_{m} + R_{h}))s^{2} +
M(C_{vh} +
C_{vm})s^{3})}
La transferencia en posición o esfuerzo y/Q puede
por tanto descomponerse en una primera función de transferencia F/Q
dada en [7] seguida de una segunda ecuación y/F cuya transferencia
viene dada por [4], realizándose el condicionado de posición sobre
el sistema completo en y/Q.
Se observará que la expresión de F/Q pone en
evidencia un término en derivada en el numerador, y una resonancia
dada por los término preponderantes en el denominador de frecuencia
\frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{R_{h}R_{m}}{M(R_{h} +
R_{m})}}. El carácter de F/Q, verificado prácticamente, es por
tanto de la forma representada en la figura 3a.
La resonancia se traduce por consiguiente por
unos picos de esfuerzo muy importantes en particular en todos los
cambios de signo del mando.
La transferencia en posición y/F presenta en
cuanto a sí misma, como se ilustra en la figura 3b, una caída de
ganancia a la frecuencia F2 dada principalmente por
\frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{R_{m}}{M}} y no presenta ningún
problema de control particular. La relación entre las frecuencias
F1 y F2 es \sqrt{\frac{R_{h}}{R_{h} + R_{m}}} y F1 es siempre
inferior a F2.
Una modelización utilizada en el circuito 6 de
control de esfuerzo puede deducirse del conocimiento de la función
de transferencia lineal F/Q.
La función de transferencia P_{F}(s)
correspondiente a esta modelización puede elegirse de forma que
corresponda a F/Q a frecuencias muy bajas y para borrar mejor la
resonancia alrededor de F1.
En particular, utilizando para la función de
transferencia P_{F}(s) el mismo carácter que la función de
transferencia F/Q teórica salvo en la proximidad de F1, se obtienen
unos resultados muy robustos disminuyendo sensiblemente el esfuerzo
del servomando o del gato en las transiciones.
Un ejemplo de función de transferencia para esta
modelización de referencia puede ser el siguiente:
\frac{F_{ref}}{Q_{ref}} =
\frac{ks}{\left(\frac{1}{2 \pi f_{0}}\right)^{2} s^{2} + 2x
\frac{\chi}{2 \pi f_{0}} s + 1}
B(s)
Esta función de transferencia, representada en la
figura 3c con en superposición la función de transferencia de la
figura 3a (a trazos), ha sido obtenida por el conocimiento a
priori de la estructura de F/Q, a saber un término derivado
puro en el numerador, y un segundo orden de pulsación propio f0 (que
no es forzosamente rigurosamente igual a F1 (por ejemplo, un error
de 20% con respecto a F1 es totalmente admisible, con un factor de
amortiguación \chi que es por ejemplo de un orden de magnitud
comprendido entre 0,7 y 1 y que borra la sobretensión)). En la
ecuación anterior, B(s) representa un término de filtrado que
en una forma simplificada puede ser tomado igual a 1; k es un
término de ganancia que corresponde a la función de transferencia
C_{F}(s).
Desde luego, pueden ser utilizados otros tipos de
modelos de referencia. Sin embargo, los que acaban de ser descritos
presentan la ventaja de ser eficaces, simples de empleo y
robustos.
Se observará además que el modelo de referencia
presentado más arriba también puede ventajosamente ser utilizado en
el caso de un condicionado en esfuerzo.
También, se observará que los dispositivos
propuestos por la invención pueden ventajosamente ser utilizados en
unos dispositivos de servomando que comprenden varios circuitos de
condicionado en paralelo.
En particular, la invención se aplica fácilmente
sobre unos dispositivos de servomando clásicamente conocidos, cuyos
diferentes circuitos de condicionado están sincronizados por medio
de mediciones de esfuerzo.
Se observará también que una de las ventajas
importantes de la invención se refiere a que permite un
funcionamiento del circuito de condicionado principal (circuito 1
en la figura 1), incluso si el circuito de corrección destinado a
tener en cuenta el esfuerzo (circuito 6 en la figura 1) falla.
Claims (10)
1. Dispositivo de servomando que comprende por lo
menos un circuito de condicionado que recibe de entrada una señal de
control de condicionado y cuya salida actúa sobre un elemento a
condicionar, comprendiendo este dispositivo unos medios para
determinar un parámetro que caracteriza el esfuerzo real generado
por el condicionado, caracterizado porque comprende también
un circuito que incluye unos medios para determinar un error
característico de la diferencia entre este parámetro que
caracteriza el esfuerzo real y un parámetro que caracteriza un
esfuerzo teórico admisible en función de la señal de control de
condicionado, así como unos medios para corregir el tratamiento del
circuito de condicionado en función de este error.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios para determinar el error
comprenden unos medios de determinación de un parámetro que
caracteriza el esfuerzo teórico admisible a partir del modelo de
referencia.
3. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque, siendo un accionador mandado por el
circuito de condicionado de tipo hidráulico, el modelo de
referencia es una función de transferencia Fuerza/Señal de mando de
caudal.
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones
2 ó 3, caracterizado porque los medios de determinación
comprenden unos medios para utilizar una función de transferencia
que tiene el mismo carácter que una función de transferencia de
determinación del parámetro que caracteriza el esfuerzo real, salvo
en la proximidad de por lo menos una frecuencia de resonancia de
dicho esfuerzo.
5. Dispositivo según las reivindicaciones 3 y 4,
caracterizado porque dicha función de transferencia es
\frac{F_{ref}}{Q_{ref}} =
\frac{ks}{\left(\frac{1}{2 \pi f_{0}}\right)^{2} s^{2} + 2x
\frac{\chi}{2 \pi f_{0}} s + 1}
B(s)
en la que s representa al
laplaciano y en la que f_{0} es igual a o está en la proximidad
de una frecuencia de resonancia, siendo \chi un factor de
atenuación de un orden de magnitud entre 0,7 y 1, siendo k un
factor de ganancia, siendo B(s) una función de
filtrado.
6. Dispositivo según la reivindicación 5,
caracterizado porque la función B(s) es igual a
1.
7. Dispositivo de servomando de posición,
caracterizado porque está constituido por un dispositivo
según una de las reivindicaciones anteriores.
8. Dispositivo de servomando de esfuerzo,
caracterizado porque está constituido por un dispositivo
según una de las reivindicaciones 1 a 6.
9. Dispositivo de servomando hidráulico,
caracterizado porque está constituido por un dispositivo
según una de las reivindicaciones anteriores.
10. Dispositivo de servomando para accionador de
mando de vuelo o gato de prueba, caracterizado porque está
constituido por un dispositivo según una de las reivindicaciones
anteriores.
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