SE509982C2 - Metod och anordning för faskompensering i ett fordons styrsystem - Google Patents

Description

15 20 25 30 2 , ning förstärker svängningarna. I sämsta fall blir dessa svängningar -divergerande vilket kan resultera i förlust av kontroll av flygplanets rörelser.

Den tidigare närnnda hastighetsbegränsningen är mer påfallande i flygplan som utgör ett så kallat instabilt system. I denna typ av flygplan påverkas flygplanets roder inte bara av signalerna från piloten utan också av stabiliseringssignaler som är genererade i styrsystemet och vilka är beroende av värden som erhållits från sensorer vid olika punkter i flygplanet.

Ett sätt att reducera ovan nämnda problem i styrsystem med hastighetsbegränsning är införande av faskompensering när hastighetsbegränsningen är aktiv. Sådan faskompensering måste uppfylla följ- ande krav: A. reducering av fasförskjutning i händelse av sinusforrnade insignaler; B. rninimering av den dynamiska fördröjningen för snabba ramper och steg; C. ge samma in- och utsignal när insignalema är tillräckligt långsarnma.

Olika metoder för att utföra faskompensering i styrsystem med hastighetsbegränsning finns tidigare beskrivna i Buchholz, JJ. (1993): ”Time delay induced by Control Surface Rate Saturation”, Zeit- schrift f. Flugwissenschaften und Weltraumforschung, Springer Verlag, Vol. 17, pp 287-293; A'harrah, R.C. (1992); ”Communique with DLR and others”, NASA HQ, Washington DC, July l4'h, 1992; och Chalk, C.R. (1992): ”Study of a Software Rate Lirnit Concept”, Calspan Flight Research Memorandum 635, Buffalo, NY. Dessa metoder använder logiska villkor (om-så-annars) för att fastställa om en faskompensering behöver utföras i styrsystemet. Dessa villkor kräver emel- lertid att hopp görs mellan åtminstone två olika dynamiska beteenden för de respektive metoderna.

Därför kan också insignaler förekomma vilka ger upphov till en oönskad utsignal. På grund av detta passar ingen av dessa metoder för implementering i ett styrsystem med hastighetsbegränsning.

En metod för utförande av faskompensering i ett styrsystem av den beskrivna typen som löser ovan nämnda problem finns i U.S. Patent 5 528 119.

Syftet med den nuvarande uppfinningen är att ta fram en metod och anordning för att utföra faskompensering i ett styrsystem med hastighetsbegränsning som ett altemativ till ovan nämnda äldre metoder. 10 15 20 25 30 s ' 5 0 9 9 8 2 içoRT BEsKRrvNmG Av UPPHNNmGEN Ett syfte med uppfinningen är att ta fram en metod för utförande av faskompensering i ett filter för sådana system som deñnierats i kraven genom att använda ett faskompenseringsfilter med olinjär återkoppling av utsignalen till insignalen. Mer specificerat, när det finns ett fel mellan en insignal och en utsignal till faskompenseringsfiltret så bildas en felsignal. Om det absoluta värdet på sagda felsignal överskrider ett förutbestämt värde så väljs en nivå k av den olinjära förstärkningen.

Insignalen lågpassfiltreras och deriveras, varpå den multipliceras med den olinjära förstärkningens nivå k för bildande av en produktsignal 8 som läggs till insignalen och leds till en konventionell hastighetsbegränsande anordning som på så sätt bildar faskompenseringsfiltrets slutliga utsignal. i Den utsignal som alstras i ñltret efter subtrahering av produktsignalen ö är i fas med insignalen som sänts till filteranordningen.

Nivån på faskompenseringen kan bestämmas som en funktion av insignalens derivata och felet mel- lan insignal och utsignal genom val av önskad filtrering och nivån på den olinjära förstärkningen k.

När den olinjära förstärkningens nivå k är noll eller när den deriverade insignalen är noll, fungerar faskompenseringsfiltret som en konventionell hastighetsbegränsningsanordning. En fördel med ett filter enligt den ovan presenterade aspekten av uppfinningen är att faskompenseringsfiltret är stabilt mot påverkan från ljud- och resonansstömingar på den dominerande insignalen.

En annan fördel med filtret enligt den ovan beskrivna aspekten av uppfinningen är att filtret på ingående stegformade signaler fungerar som en konventionell hastighetsbegränsningsanordning under ett tidsintervall när tidsfördröjningen mellan insignalen och utsignalen bör vara så kort som möjligt. Detta utgör en skillnad mellan denna uppfinning och metoden i US patent 5 528 119, där utsignalen har ett exponentiellt avklingande mot insignalen. Beroende på den specifika situation kan någon av de två metoderna vara fördelaktig.

En annan fördel med ett filter enligt uppfinningen är att filtret är aktivt bara när det behövs, vilket kan inträffa vid sällsynta tillfällen eller kanske aldrig.

Figur 1 visar ett exempel på effekten av ett faskompenseringsfilter enligt uppfinningen i form av en kurva y, utsignalen, (sammanhängande linje) som en respons från filtret till en insignal illustrerad av 10 15 20 25 30 509 982 4 kurva u (streckad linje) i figuren. En motsvarande signal som en respons från samma insignal när I en konventionell hastighetsbegränsande anordning används visas som en prickad kurva c.

Det kan noteras att responsen till stegfunktionen som den anges av kurvan för insignalen u snabbare följs av utsignalen y från filtret enligt uppfinningen jämfört med utsignalen från en konventionell hastighetsbegränsande anordning.

Uppfinningen är främst anpassad för användning i flygplansstyming men kan också användas i vil- ken som helst typ av fordonsstyrsystem.

Enligt en ytterligare aspekt på uppfinningen visas en anordning för att utföra metoden. Sagda i anordning finns beskriven i kraven och vidare i beskrivningen av utformningarna.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARN A Figur 1 visar insignalen (u) och utsignalen (y) från ett filter enligt uppfinningen och för jämförelse en kurva (prickad) som visar utsignalen från en konventionell hastighetsbegränsningsanordning.

Figur 2 visar schematiskt ett exemplar av ett faskompenseringsfilter i enlighet med uppfinningen.

UTFÖRANDEN Uppfinningen är främst avsedd för användning i styrning av flygplan som utgör ett så kallat instabilt system. Man skall emellertid vara medveten om att uppñnningens koncept också täcker styrsystem i andra typer av motordrivna fordon och kan appliceras på dessa.

Refererande till ritningama visas i Figur 2 en utforirming av en ñlteranordning i enlighet med uppfinningen. lnsignalen till filteranordningen anges med beteckningen u och utsignalen från anordningen med beteckningen y.

Insignalen u går in i en huvudgren på anordningen och passerar en första summerande funktion 2, till vilken första summerande funktion en produktsignal ö subtraheras. Efter subtraktionen av 10 15 20 25 30 - 5 0 9 9 8 2 5 produktsignal ö till insignalen u, bildas en resulterande signal x. Den resulterande signalen x vidarebefordras sedan till en konventionell hastighetsbegränsningsanordning 3, varvid utsignalen y genereras vid utgången av sagda hastighetsbegrånsningsanordning.

Insignalen u leds vidare in i en första parallell gren till ett lågpassfilter 4 av konventionell typ, tex ett filter med överföringsfunktionen: G(s) = KJ/(ts+1) där K representerar en förstärkningsfaktor på filter 4 och 1: är dess tidskonstant. Under normala för- hållanden förändras en insignal långsammare än den begränsning som är tillämplig på insignalens tidsderivata. I ett normalt fall aktiveras således varken hastighetsbegränsningsanordningen 3 eller i feedback-filtret4 i anordningen enligt uppfinningen.

I den första parallella avgreningen går signalen efter att ha passerat lågpassflltret in i ett deriverande block 5 där signalen deriveras varpå den går in i en multiplikator 6 i vilken multiplikator 6 den låg- passfiltrerade och deeriverade signalen multipliceras med en faktor k. Den signal som bildas efter multipliceringen av faktor k är den produktsignal 5 som hänvisas till ovan.

Den till anordningen sända insignalen u samt utsignalen y från filteranordningen vidarebefordras båda till en andra summeringsfunktion 7 i en andra parallell avgrening på anordningen. En andra felsignal s genereras i sagda andra summeringsfunktion 7. Den andra felsignalen s förstärks sedan i en olinjär förstärkare för att bilda sagda faktor k som är sänd till ovan nämnda multiplikator 6.

Funktionen av utförandet enligt Fig. 2 framgår av följ ande beskrivning.

Insignalen u till filter 1 sänds till den andra summeringsfunktionen 7 liksom utsignalen från filter 1.

Utsignalen y subtraheras från insignalen u i sagda andra summeringsfunktion 7 varefter en andra felsignal s bildas. Felsignalen s går till en olinjär förstärkare 8 där amplituden på den andra felsig- nalen s styr värdet på förstärknin gen och således bestämmer faktom k. Som exempel på en orien- terad utformning sätts värdet på k till -l om det absoluta värdet på den andra felsignalen s är större än 0.1 (|s| > 0.1). Annars sätts värdet på faktor k till noll.

Insignalen u sänds också till ett lågpassñlter där signalen lågpassfiltreras och sedan deriveras i deriveríngsblock 5 och slutligen går till multiplikator 6, där signalen multipliceras med ovan 10 15 20 30 509 982 6- näriinda faktor k för bildande av produktsignalen ö. Om faktorn k inte är lika med noll kommer ' produktsignalen 8 att ha ett tecken motsatt tecknet på den differentierade insignalen.

Produktsignalen 5 subtraheras från insignalen u in den första summeringsfunktionen 2 för bildande av summan av dessa två signaler som den resulterande signal x. Den resulterande signalen x är en signal som är i fas med insignalen u.

Slutligen hastighetsbegränsar den konventionella hastighetsbegränsningsanordningen 3 den resul- terande signalen x för bildande av utsignalen y från filteranordningen 1.

Den resulterande utsignalen y efter faskompensering visas som en heldragen kurva y i Fig.1. Den i streckade kurvan u representerar insignalen u vid en hastighet som är för hög för den hastighetsbe- gränsande anordnjngen. Figuren innehåller också en prickad kurva som representerar en utsignal från en konventionell hastighetsbegränsningsanordning, dvs den erhållna signalen utan faskomp- enseringen som används för korrigering av den insignal som utförts i enlighet med uppfinningen.

Som framgår av en jämförelse av kurvoma i Fig. 1, reduceras utsignalens amplitud av faskompense- ringen. Emellertid reduceras tydligt fasförskjutningen mellan ingång och utgång, vilket resulterar i en utsignal som i stort sett är i fas med insignalen. Som ett resultat upplever en förare eller pilot en mer omgående respons på ett kommando.

Som framgår av ovanstående har för enkelhetens skull filter l illustrerats som inkluderande ett lågpassfilter av första ordningen. För att uppnå goda resultat är det viktigt att sätta ñltrets para- metrar till lämpliga värden, vilket måste bestämmas för varje tillämpning.

Det är uppenbart och skall förstås att uppfinningens koncept inte kan ses som begränsat till den utformning som visas på ritningen eller till ovan beskrivna exempel utan kan varieras på många sätt inom ramen för uppfinningens syfte. Således, att ett lågpassñlter av första ordningen angivits i den föredragna utformningen, är det för enkelhetens skull och det skall vara helt klart att andra typer av asymptotiskt stabila filter också kan användas.

Claims (8)

10 15 20 25 509 982 PArENrKRAv

1. Ett fordons styrsystem har för att leverera en utsignal y en tidsderivata som är begränsad i förhållande till en tidsderivata för en insignal u om tidsderivatan för insignalen u överstiger ett förutbestämt värde och har en faskompensering av utsignalen y relativt insignalen u, kännetecknat av att styrsystemet innefattar ett andra felsignalsbildande organ (7) för att bilda en felsignal s mellan utsignalen y och insignalen u, ett förstärkningsorgan (8) som genererar en faktor k beroende av den andra felsignalens s amplitud, deriveringsorgan (5, 6) för derivering av insignalen u, en rnultiplikator (6) för att bilda en produktsignal ö som är produkten av den deriverade insignalen u och faktom k, ett första summeringsorgan (2) för subtrahering av produktsignalen 5 från insignalen u och för alstrande av en signal x sänd till ett hastighetsbegränsande organ (3) som skapar utsignalen y i fas med insignalen (u).

2. Ett styrsystem enligt krav 1, kännetecknat av att förstärkningsorganet (8) är en olinjär förstärkare som ger en utarnplitud för faktor k beroende på nivån av amplituden på den andra felsignalen s.

3. Ett styrsystem enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att ett lågpassfilter (4) är anslutet mellan insignalen u och deriveringsorganet (5).

4. Ett styrsystem enligt krav 3, kännetecknat av att sagda ñlter är ett asymptotiskt stabilt lågpassfilter. 10 15 20 25 30 509 982 *g

5. / En metod vid ett fordons styrsystem för att alstra en utsignal y som har en tidsderivata som - är begränsad relativt en tidsderivata för en insignal u om insignalens u tidsderivata överskrider ett förutbestämt värde och för faskompensering av utsignalen y relativt insignalen u, där metoden innefattar stegen för alstrande av en andra felsignal s ur utsignalen y och insignalen uz, generering av en faktor k beroende av arnplituden för sagda andra felsignal s, derivering av insignalen u, alstring av en produktsignal 5 som är produkten av den deriverade insignalen u och faktorn k, . subtrahering av sagda produktsignal ö från insignalen u för alstrande av en signal x sänd till ett hastighetsbegränsande organ (3) som alstrar utsignalen y.

6. En metod enligt krav 5, där metoden innefattar steget att bilda faktorn k i ett olinjärt förstärkarorgan (8).

7. En metod enligt krav 6, där metoden innefattar steget att sätta faktom k till ett negativt värde om absolutbeloppet på den andra felsignalen e är större än noll, i annat fall sätts värdet på k till noll.

8. En metod enligt krav 5, där metoden innefattar steget att lågpassflltrering av insignalen u i ett lågpassñlter utförs före differentiering av insignalen u. 11