NL9201896A

NL9201896A - Bewegings-simulator.

Info

Publication number: NL9201896A
Application number: NL9201896A
Authority: NL
Original assignee: Fokker Aircraft
Priority date: 1992-10-30
Filing date: 1992-10-30
Publication date: 1994-05-16
Also published as: US5344316A; EP0605021A2; EP0605021A3

Description

BEWEGINGS-SIMULATOR

De uitvinding betreft een bewegings-simulator, omvattende: een vast op te stellen, bijvoorbeeld op de grond te plaatsen, gestel; een ten opzichte van dat gestel beweegbaar hulpgestel, bijvoorbeeld voor het dragen van een bedieningseenheid en een zitplaats voor een gebruiker; ten minste één hydraulische of pneumatische cilinder, die met het gestel is gekoppeld en het hulpgestel draagt, in welke cilinder een zuiger afdichtend schuifbaar is aangebracht, welke zuiger de cilinder in twee compartimenten verdeelt; een centrale besturingseenheid, die is verbonden met de of elke cilinder voor het besturen van de lengte daarvan; en een opnemereenheid voor ten minste één parameter die representatief is voor de mechanische toestand van het variabele element, welke opnemereenheid zijn voor de actuele waarde van de betreffende parameter representatieve uitgangssignalen toevoert aan de centrale besturingseenheid voor vergelijking daarvan met de instantane nominale waarde van de betreffende parameter en het bijregelen van het variabele element, totdat de actuele waarde en de nominale waarde van de parameter in hoofdzaak aan elkaar gelijk zijn; welke opnemereenheid een versnellingsopnemer omvat, die een versnellingssignaal afgeeft, dat representatief is voor de versnelling van het met het hulpgestel verbonden einde van de hydraulische of pneumatische cilinder, welke versnellingsopnemer omvat: twee drukopnemers die druksignalen afgeven, die representatief zijn voor de in de twee respectieve compartimenten heersende drukken; vermenigvuldigingsmiddelen voor het vermenigvuldigen van de druksignalen met de respectieve effectieve zuiger- oppervlakten voor het opwekken van respectieve krachtsignalen; eerste aftrekmiddelen die deze krachtsignalen van elkaar aftrekken voor het opwekken van een effectieve-krachtsignaal; middelen voor het mede uit dit effectieve-krachtsignaal afleiden van een actuele-versnellingssignaal? tweede aftrekmiddelen die dit actuele-versnellingssignaal en een nominale-versnellingssignaal van elkaar aftrekken voor het vormen van een bijregel-versnellingssignaal, (mede) op basis waarvan de cilinder wordt bestuurd.

Een dergelijke bewegings-simulator is bekend uit aanvraagsters Europese octrooiaanvrage EP-A-0 446 786. Deze octrooiaanvrage onthult een vluchtnabootser, met behulp waarvan een gebruiker tijdens een gesimuleerde vlucht op zeer realistische wijze wordt onderworpen aan het krachtenspel dat tijdens werkelijke vluchtomstandigheden ook optreedt. De bewegings-simulator volgens de uitvinding is niet beperkt tot vluchtnabootsers, maar bestrijkt ook andere toepassingen, waarbij men met grote nauwkeurigheid kracht, versnelling, snelheid en/of positie aan een beweeglijk hulpgestel wenst op te drukken. Bijvoorbeeld kan een bewegingssimulator ook de bewegingen van tanks, vrachtauto's, schepen of dergelijke simuleren.

De genoemde Europese octrooiaanvrage EP-A-0 446 786, die hierbij bij wijze van referentie wordt ingelast, heeft betrekking op een bewegings-simulator die gebruik maakt van één of meer hydraulische cilinders, die zodanig worden bestuurd, dat een door een centrale besturingseenheid voorgeschreven gewenste versnelling zo nauwkeurig mogelijk gevolgd wordt onder verschillende belastingen, dat wil zeggen massa's, op de hydraulische cilinders. Hiertoe wordt volgens deze stand der techniek de nominale versnelling vergeleken met een gemeten versnelling. De gemeten versnelling werd berekend door de gemeten drukverschillen in de twee compartimenten van de hydraulische cilinder te vermenigvuldigen met de bijbehorende zuigeroppervlakken, de aldus gemeten krachten van elkaar af te trekken en het verkregen verschil te delen door een door de computer berekende massa.

Gebleken is, dat er zich omstandigheden kunnen voordoen, waarin de berekende massa's een negatieve waarde konden verkrijgen. Inderdaad lijkt dit mathematisch en fysisch correct te zijn. Versnelling en kracht kunnen onder omstandigheden een tegengesteld teken bezitten.

Door de overgang van een positieve naar een negatieve massa en omgekeerd ontstaat evenwel een niet-gedefinieerde situatie, die wiskundig kan worden aangeduid als "delen door nul" in de berekening van de versnelling.

De uitvinding beoogt, dit probleem op te lossen en verschaft daartoe een bewegings-simulator van het beschreven type, die het kenmerk vertoont dat de versnellingsschakeling verder omvat een derde aftrekschakeling die het effectieve-krachtsignaal en een geschatte-krachtsignaal van elkaar aftrekt voor het vormen van een actuele-krachtsignaal; en instelbare versterkingsmiddelen voor het versterken van dit actuele-krachtsignaal met een gewenste factor, het uitgangssignaal van welke versterkingsmiddelen het actuele versnellingssignaal is.

Het verschil tussen de uitvinding en de genoemde stand der techniek is, dat de computer een geschatte kracht in plaats van een geschatte massa berekent. Deze geschatte kracht wordt vergeleken met de gemeten kracht die op de reeds beschreven wijze uit de gemeten drukverschillen wordt bepaald. De door de computer gegenereerde gewenste versnelling wordt gecorrigeerd met het verschil tussen de gemeten kracht en de berekende kracht. De simulator volgens de uitvinding maakt derhalve als het ware gebruik van een krachtlus, die wordt gestuurd door de geschatte kracht.

De uitvinding zal nu worden uitgelegd aan de hand van bijgaande tekening. Tevens wordt verwezen naar aanvraagsters oudere Europese octrooiaanvrage EP-A-0 446 786, waarin op zichzelf bekende nadere bijzonderheden van bewegings-simulatoren van het onderhavigè type zijn vermeld.

In de tekening tonen:

Figuur 1 een schematisch perspectivisch aanzicht van een bewegings-simulator volgens EP-A-0 446 786;

Figuur 2 een sterk vereenvoudigd regelschema volgens deze stand der techniek;

Figuur 3 een met figuur 2 corresponderend schema van een regelsysteem volgens deze stand der techniek;

Figuur 4 een regelsysteem in een verdere uitvoering volgens deze stand der techniek;

Figuur 5 een regelsysteem in een verdere uitvoering volgens deze stand der techniek;

Figuur 6 een regelsysteem in een verdere uitvoering volgens deze stand der techniek;

Figuur 7 een schakeling, die deel uitmaakt van het regelsysteem volgens figuur 6; en

Figuur 8 een met figuur 7 corresponderend aanzicht van een schakeling volgens de uitvinding.

Figuur 1 toont een bewegings-simulator. Deze omvat een op de grond geplaatst gestel 2 en een ten opzichte van dat gestel 2 beweegbaar hulpgestel 3, waarop bijvoorbeeld een cockpit met zitplaats voor een gebruiker kunnen worden bevestigd. Het hulpgestel 3 wordt beweegbaar door het gestel 2 gedragen door middel van zes hydraulische cilinders, die gemakshalve alle met 4 zijn aangeduid. Deze hydraulische cilinders zijn met een niet-getekende centrale besturingseenheid en een hydraulisch systeem verbonden, waarmee de lengte van de hydraulische cilinders naar wens kan worden gevarieerd, bijvoorbeeld onder programmabesturing vanuit een computer.

Figuur 2 toont het regelsysteem, waarin een hydraulische cilinder 4 is opgenomen. De hydraulische cilinder 4 omvat een cilinderhuis 5 en een met een zuiger 6 verbonden zuigerstang 7. De lengteverandering van de hydraulische cilinder 4 is gedefinieerd als het positieverschil tussen het cilinderhuis 5 en de zuigerstang 7, bijvoorbeeld het met het hulpgestel 3 scharnierend verbonden einde 8 daarvan. Een lineaire positie-opnemer 9 geeft een positiesignaal x af. Als positie-opnemer kan een "linear variable differential transformer" of LVDT worden toegepast. Bij grotere uitslagen is een LVDT echter niet volledig lineair meer. In dat geval kan bij voorkeur een "temposonic" opnemer of andere volledig lineaire opnemer worden toegepast.

Het genoemde positiesignaal x komt overeen met de gemeten of actuele positie en wordt daarom vanaf nu aangeduid met x(act).

Een computer 10 berekent op basis van ingangsgegevens 11, in een geheugen aanwezige gegevens en het in de computer vooraf ingebrachte besturingsprogramma een gewenste of nominale positie. In figuur 2 is het betreffende uitgangssignaal van de computer aangeduid met x(nom). Een verschilschakeling 12 bepaalt het verschil tussen x(nom) en x(act) en voert het verschilsignaal toe aan een besturingseenheid 13, die een besturingssignaal toevoert aan een regelklep 14, die de toevoer en afvoer van olie onder druk naar en van de cilinder 4 bestuurt. Bij een vaste x(nom) vindt op deze wijze door het beschreven regelsysteem een tegenkoppel-actie plaats, waardoor het verschil tussen x(nom) en x(act) geleidelijk wordt geëlimineerd, totdat de beide posities aan elkaar gelijk zijn.

Figuur 3 toont eenzelfde schema als in figuur 2, waarbij echter gebruik wordt gemaakt van een versnellings-opnemer 15, die een versnellingssignaal x" afgeeft. Dit correspondeert met de gemeten of actuele versnelling. Corresponderend met figuur 2 zijn in dit verband dan ook de aanduidingen x"(act) en x"(nom) opgenomen. De aanduiding x" betekent een dubbele differentiatie van de positie naar de tijd. De aanduiding x', die hierna nog zal volgen betekent een enkele differentiatie van de positie naar de tijd.

Zoals in figuur 3 met onderbroken lijnen is aangeduid, omvat de besturingseenheid 13 een met 1/s aangeduide integrator 16. Het aan de regelklep toe te voeren signaal correspondeert in dit geval dan niet meer met een versnelling maar met een snelheid en is daarom aangeduid met x'.

Figuur 4 toont een uitvoering, waarin de versnellings-opnemer 15 is vervangen door twee versnellingsopnemers 17, 18, die respectievelijk zijn aangebracht aan de zuigerstang 7 en het cilinderhuis 5. Zoals een streep-stippellijn 19 aanduidt, zijn de versnellingsopnemers 17, 18 nauwkeurig in lijn met elkaar geplaatst. De uitgangssignalen van de opnemers 17, 18 worden toegevoerd aan een verschilschakeling 19, het uitgangssignaal waarvan als x(act) wordt toegevoerd aan de inverterende ingang van de verschilschakeling 12. Met stippellijnen is een correctieschakeling 20 aangeduid, die door de computer 10 wordt bestuurd en dient voor het compenseren voor het verschil in centrifugale versnellingen van de opnemers 17 en 18, die immers verschillende armen ten opzichte van het scharnierpunt 21 met het gestel 2 bezitten.

Figuur 5 toont een uitvoering, waarin voor een groot deel van hetzelfde regelsysteem gebruik wordt gemaakt als in figuur 4 is getoond.

De uitvoering volgens figuur 5 omvat echter een besturingseenheid 22, die met een onderbroken kader is aangeduid en de eerste integrator 16, een tweede integrator 23, een verschilschakeling 24 en een sommeerschakeling 25 omvat. Het uitgangssignaal x' van de eerste integrator 16, wordt toegevoerd aan de tweede integrator 23. Het uitgangssignaal x daarvan wordt aan de niet-inverterende ingang van de verschilschakeling 24 toegevoerd. Aan de inverterende ingang daarvan wordt het uitgangssignaal x van de positie-opnemer 9 toegevoerd. Het uitgangssignaal van de verschilschakeling 24 wordt als positiefoutsignaal via een regelbare verzwakker 26 aan de sommeerschakeling 25 toegevoerd. Het uitgangssignaal x' van de eerste integrator 16 wordt als snelheidssignaal via een verzwakker 27 aan de sommeerschakeling 25 toegevoerd. Het uitgangssignaal x" van de verschilschakeling 12 wordt als versnellingsignaal via een instelbare verzwakker 28 aan de sommeerschakeling 25 toegevoerd.

Het uitgangssignaal x(act) van de correctie-schakeling 20 wordt tevens toegevoerd aan een vermenigvuldiger 30, die het betreffende versnellingssignaal vermenigvuldigt met een door de computer 10 berekende waarde van de actuele effectieve massa en het betreffende produktsignaal, derhalve een krachtsignaal, via een verzwakker 29 toevoert aan de sommeerschakeling 25.

Het uitgangssignaal van deze sommeerschakeling 25 wordt als besturingssignaal toegevoerd aan de regelklep 14.

Opgemerkt wordt, dat in de figuren het hydraulische systeem, dat de energie levert voor de verplaatsing van de zuiger 6 van de hydraulische cilinders 4, niet is getekend.

Dit is echter algemeen bekende techniek.

Figuur 6 toont schematisch een hydraulische cilinder 31, waarin de zuiger 32 de cilinder in twee compartimenten, respectievelijk 33, 34 verdeelt. In deze respectieve compartimenten 33, 34 zijn bijbehorende drukopnemers 35, 36 geplaatst, die druksignalen PI, P2 opwekken, die representatief zijn voor de in de respectieve compartimenten 33, 34 heersende hydraulische drukken. Deze druksignalen worden toegevoerd aan respectieve vermenigvuldigingsmiddelen 37, 38, waarin ze worden vermenigvuldigd met Al en A2, die respectievelijk de effectieve zuigeroppervlakten aan de zijden van de respectieve compartimenten 33, 34 representeren. De uitgangssignalen van de vermenigvuldigers 37, 38 worden van elkaar afgetrokken in een aftrekker 39, waarvan het uitgangssignaal wordt toegevoerd naar een deler 40 die het uitgangssignaal van de aftrekker 39 door M deelt, hetgeen de waarde is van de massa die aanwezig is aan het einde van de cilinder, dat het hulpgestel draagt. Aldus geeft de uitgang 41 het versnellingssignaal x'·. Dit signaal x'' kan verder worden verwerkt en gebruikt voor besturing als hiervoor beschreven.

Aangezien de waarde M geen constante is, kan hij worden berekend door een computer, waaraan vooraf relevante parameters zijn toegevoerd, zoals de massaverdeling van het hulpgestel, de effectieve rustlengte van de cilinder, de rusthoek tussen de cilinder-hartlijn en de corresponderende verplaatsing van het hulpgestel, enz. De computer voert een dergelijke berekening uit op basis van de momentane waarde van de positie van het hulpgestel voor alle graden van vrijheid, zowel translatie als rotatie.

Figuur 7 geeft de in figuur 6 getoonde schakeling nogmaals weer. Voor een goed begrip van de uitvinding is deze schakeling in iets groter verband geplaatst, zie ook figuur 5. Duidelijk is, dat de deler 40 het krachtsignaal P1A2 -P2A2 deelt door de berekende waarde van de massa M (calc).

Deze waarde kan onder bepaalde omstandigheden de waarde nul krijgen, waardoor een niet-gedefinieerde en derhalve ongewenste situatie ontstaat.

Figuur 8 toont een schakeling volgens de uitvinding, waarin dit probleem volgens de stand der techniek is opgelost.

Anders dan bij de bekende techniek genereert de computer 10 een berekende-krachtsignaal F (calc), dat wordt afgetrokken van het signaal P1A1 - P2A2. Daartoe wordt gebruik gemaakt van een aftrekker 51. Het uitgangssignaal van deze aftrekker wordt verzwakt door een regelbare verzwakker 52. De instelling van deze verzwakker is zodanig, dat op deze wijze een effectieve deling door een eenmaal ingestelde constante wordt uitgevoerd. Het aan de uitgang van de verzwakker 52 beschikbare signaal wordt toegevoerd aan een aftrekker 53, waarin van het resulterende actuele-versnellingssignaal x'' (act) het door de computer berekende gewenste-versnellingssignaal x·1 (nom) wordt afgetrokken. Aan de uitgang van de aftrekker 53 is een verschilsignaal beschikbaar dat overeenkomt met het bijregel-versnellingssignaal x'' (adj), dat aan de sommeerschakeling 25 wordt toegevoerd. Begrepen dient derhalve te worden, dat het verschil tussen de stand der techniek, zoals weergegeven in figuur 7 en de uitvinding, zoals weergegeven in figuur 8, gelegen is in de wijze, waarop het actuele-versnellingssignaal wordt gevormd. De uitvinding vermijdt singulariteiten die aanleiding tot ongedefinieerde situaties kunnen geven.

Claims

Bewegings-simulator, omvattende: een vast op te stellen, bijvoorbeeld op de grond te plaatsen, gestel? een ten opzichte van dat gestel beweegbaar hulpgestel, bijvoorbeeld voor het dragen van een bedieningseenheid en een zitplaats voor een gebruiker; ten minste één hydraulische of pneumatische cilinder, die met het gestel is gekoppeld en het hulpgestel draagt, in welke cilinder een zuiger afdichtend schuifbaar is aangebracht, welke zuiger de cilinder in twee compartimenten verdeelt; een centrale besturingseenheid, die is verbonden met de of elke cilinder voor het besturen van de lengte daarvan; en een opnemereenheid voor ten minste één parameter die representatief is voor de mechanische toestand van het variabele element, welke opnemereenheid zijn voor de actuele waarde van de betreffende parameter representatieve uitgangssignalen toevoert aan de centrale besturingseenheid voor vergelijking daarvan met de instantane nominale waarde van de betreffende parameter en het bijregelen van het variabele element, totdat de actuele waarde en de nominale waarde van de parameter in hoofdzaak aan elkaar gelijk zijn; welke opnemereenheid een versnellingsopnemer omvat, die een versnellingssignaal afgeeft, dat representatief is voor de versnelling van het met het hulpgestel verbonden einde van de hydraulische of pneumatische cilinder, welke versnellingsopnemer omvat: twee drukopnemers die druksignalen (PI, P2) afgeven, die representatief zijn voor de in de twee respectieve compartimenten heersende drukken; vermenigvuldigingsmiddelen voor het vermenigvuldigen van de druksignalen (PI, P2) met de respectieve effectieve zuiger-oppervlakten (Al, A2) voor het opwekken van respectieve krachtsignalen (P1A1, P2A2)? eerste aftrekmiddelen die deze krachtsignalen van elkaar aftrekken voor het opwekken van een effectieve-krachtsignaal (P1A1 - P2A2); middelen voor het mede uit dit effectieve-krachtsignaal afleiden van een actuele-versnellingssignaal; tweede aftrekmiddelen die dit actuele-versnellingssignaal en een nominale-versnellingssignaal van elkaar aftrekken voor het vormen van een bijregel-versnellingssignaal, (mede) op basis waarvan de cilinder wordt bestuurd; met het kenmerk, dat de versnellingsschakeling verder omvat een derde aftrekschakeling die het effectieve-krachtsignaal en een geschatte-krachtsignaal van elkaar aftrekt voor het vormen van een actuele-krachtsignaal; en instelbare versterkingsmiddelen voor het versterken van dit actuele-krachtsignaal met een gewenste factor, het uitgangssignaal van welke versterkingsmiddelen het actuele versnellingssignaal is.