DE2410751B2 - Regler - Google Patents

Description

\dc)dt")

schwindigkeit des Fehlcrsignals

d e/d I

oder dem Verhältnis /wischen der Anderungsgesehwinuigkeil des Ausgangssignals und dem Fehlersignal

dy./dt

oder dem Verhältnis /wischen einer linearen Kombination der Änderungsgeschwindigkeiien des Fehlcrsignals und des Ausgangssignals einerseits und dem Fehlersignal andererseits

a ■ di/di + dv/df

oder dem Verhältnis zwischen der Änderungsgc- jij schwindigkeil des Ausgangssignals und dem Fehlersignal

uy/dl

/ uy/di \

oder dem Verhältnis zwischen einer linearen Kombination der Änderungsgeschwindigkeiten des Fehlersignals und des Ausgangssignals einerseits und dem Fchlersigna! andererseits

a ■ di'/d/ -l· dy/ut

nach Patentanmeldung P 22 55 760.4, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die zweite Betriebsart wenigstens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Dänipfungscharakteristiken aufweist.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Funktion des Ausgangssignals bei einer Null-Dämpfung bzw. einer kleinen Dämpfung unstabil oder in den Randbereichen unstabil ist.

3. Regler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (ii)c\nc von drei verschiedenen linearen Funktionen aufweist, wobei die erste Funktion ein ungedämpftes .Schwingungssystem darstellt, die /weite Funktion ein kritisch gedämpftes System und die dritte Funktion ein übergedämpftes System.

Gegenstand der Hauptannieldiing P 22 55 760.4 ist ein Regler, bei dem eine schnelle Erniedrigung des Fehlers η einer ersten Betriebsart bewirkt und der Fehler nach :iner Umschaltung auf eine zweite Betriebsart in einem jedämpfte.i Ansprechen auf Null vermindert wird, vobci die Umschaltung in Abhängigkeit vom Fchlersi- ;nal erfolgt und die Umschaltung von der ersten Betriebsart auf die zweite Betriebsart bewirkt wird, in \bhiingigkeit von einem vorbestimmten Verhältnis ■wischen dem Fehlersignal und der Änderungsge-Ein solcher mit zwei Betriebsarten arbeitender Regler löst in besonders zweckmäßiger Weise die gestellte Aufgabe, auftretende Fehler so schnell als möglich zu verringern, wenn große Abweichungen vom Sollwert vorliegen, wobei die Rückstellung schneller einsetzt als bei bekannten adaptiven Systemen, welche mehrere Perioden benötigen, bevor eine gute Annäherung erreicht ist. Insbesondere in der Anwendung zur Lagesteuerung eines Flugzeuges eignet sich der Regler in besonderer Weise durch Einstellung der entsprechenden Steuerklappen oder Steuerschubstrahlen, die Lagcabweichung möglichst schnell zu beseitigen, was zur Vermeidung gefährlicher Flug/.uständc äußerst erwünscht ist.

Der Regler gemäß Hauptanmcldung spricht proportional auf alle zu erwartenden Größen des Eingangs an und es wird eine nützliche Proportionalität wieder hergestellt, die durch alle linear arbeilenden Systeme erhalten wi;cl und die durch die meisten nicht linearen Systeme verlorengegangen war. Es wird ein zufriedenstellendes Ansprechen bei großen Fehlern gewährleistet, aber auch bei kleinen Fehlern ist ein zuriedenstellendes Arbeiten möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Regler gemäß Hauptpatent im Hinblick auf die zweite Betriebsart zu verbessern, um eine noch bessere Annäherung an den Sollwert zu erhalten.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die zweite Betriebsart wenigstens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Dämpfungscharaklcristiken aufweist.

Es ist zwar aus der US-PS 35 42 048 bereits ein Regler bekannt, der mit verschiedenen Dämpfungscharakleristiken arbeitet. Hierbei handelt es sich jedoch um einen gattungsmäßig anderen Regler, bei dem nur eine Betriebsart vorhanden ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Funktion des Ausgangssignals bei einer Null-Dämpfung bzw. bei einer kleinen Dämpfung unstabil oder in den Randbereichen unstabil.

Das Ausgangssignal weist /wcckmäßigerwcisc eine von drei verschiedenen linearen Funktionen auf, wobei die erste Funktion ein ungedämpftes Schwingungssystem darstellt, die zweite Funktion ein kritisch gedämpftes System und die dritte Funktion ein übergedämpftes System. . Hierdurch ergibt sich eine besonders schnelle und günstige Annäherung an die Sollage.

Nachstehend weiden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. I eine elektrische Analogdarstellung eines Steuersystems gemäß der Erfindung zum Steuern einer Donpeliniegralanlage,

Fig. 2 ein Phasendiagramm, welches die verschiedenen Funktionen des Steuersignals bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 veranschaulicht,

F i g. 3 eine elektrische Analogschaltung einer weiteren AusführuMgsform der Erfindung,

F i g. 4 ein Phasendiagramm, welches die verschiedenen Funktionen des Steuersignals in dem System nach l'i g. 3 veranschaulicht,

F i g. 5 eine schemaiische Vorderansicht eines Flugzeuges, bei welchem die erfindungsgemäße Steuereinrichtung Anwendung findet.

Bei den folgenden Ausl'ühriingsbeispiclcn werden Hingangssignale nach dem Steuersystem in unabhängige positive und negative Komponenten aufgespalten, und jede Komponente wird in ein positives Signal umgewandelt. Das System, in welchem dies geschieht, wird hierbei als »posinomisches Steuersystem« bezeichnet.

In der Schallung gemäß F i g. 1 erscheinen an verschiedenen Punkten des Steuergeräies negative Spannungen, weil durch einen elektrischen Verstärker Vorzeichen umgewandelt werden. Das Prinzip einer posinomischen Steuerung bleibt jedoch erhalten.

Die Differenz zwischen einem Eingangssignal ν und dem Ausgang γ einer Anlage PL wird über einen d;:.s Vorzeichen ändernden Verstärker und einen Summierungsversiärker 2 erlangt, wodurch ein Fehlersignal ε geliefert wird. Das Fehlersignal ε wird über einen Differentiator 3, bestehend aus Widerstand 26, Kondensator 27, Widerstand 28 und Verstärker 29 mit hohem Verstärkungsgrad geleitet, und dann einem Filter 4 zugeführt, das aus Widerständen 30,31,32, Kondensatoren 33 und 35, einem Verstärker 34 mit hohem Verstärkungsgrad und einem Verstärker 36 besteht, um ein negatives Fehlergeschwindigkeitssignal — έ zu erhalten.

Das Filter 4 verhindert eine Rauscherzeugung und begrenzt den Wert von έ für sehr schnelle Änderungen des Fehlersignals f.

Das Fehlersignal ε und das Fehlergeschwindigkeitssignal — έ werden einem posinomischen Steuergerät PC zugeführt. Das Fehlersignal ε wird über einen das Vorzeichen ändernden Verstärker 5 einer Verstärker/ Diodenkombination 6 zugeführt, die den positiven Teil des Fehlersignals ε+ als Ausgang liefert. Das Fchlersignal ε wird außerdem direkt einer Verstärker/ Diodenkombination 7 zugeführt, die den negativen Teil des Fehlersignals als positiver Ausgang liefert (ε — ).

Das negative Fehlereingangssignal -έ von dem Filter 4 wird einer Vcrstärkcr/Diodenkombination 9 zugeführt, um den positiven Wert des Fchlergesehwindigkeitssignals ε+ zu liefern, und über einen das Vorzeichen ändernden Verstärker 8 wird das Signal einer Versiärkcr/Diodenkombination 10 zugeführt, um den negativen Teil des Fchlergesehwindigkeitssignals als positiven Ausgang έ- zu liefern.

Die Verstärker/Diodenkombination 6, 7, 9 und IO liefern im wesentlichen perfekte Diodencharakteristiken außer für die Vor/.cichenünderung, die dem Verstärker zugeordnet ist.

Die Signale f + und i — werden über eine Stufe 11. die die Verstärkung ändert, und eine Stufe 15, die tlas Vorzeichen ändert sowie eine Stufe 1·"), die die Verstärkung ändert, der ersten Summierungs-Verstärker/Diodenkombination 17 zugeführt, und das Signal ί — wird direkt der ersten Summierungs-Verstärker/ Diodeiikombination 17 zugeführt. Die drei Signale wirken zusammen und erzeugen den negativen Wert des Anlage-Eingangssieuersignals in Form eines negativen Ausgangs u —.

In gleicher Weise werden die Signale ι· — und έ + über die Verstärkungsänderungss'ufe 12 und den Vorzeichenwandler 16 sowie dem Verstärkungswandler 13 einer zweiten Sum micrungs-Verstärk er/Dioden kombination 18 zugeführt, während das Signal (■ + direkt nach der zweiten Sum mierungs-Verstärker/Dioden kombi na tion 18gelangt.

Die drei Signale wirken zusammen und erzeugen den positiven Teil des Anlage-Eingangssteuersignals in Gestalt eines negativen Ausgangs u + .

Die Sum micrungsverstärker/Diodenkombina tion 17 und 18 führen Summierungs- und Verstärkungsfiinktionen durch, und zwar zusätzlich zu einer im wesentlichen perfekten Diodencharakteristik und Vorzeichenänderung.

Der Ausgang der ersten Summierungs-Verstärker/ Diodenkombination 17 wird über einen Vorzcichenwandler 19 einem Summierungsverstärkcr 20 zusammen mit dem Ausgang von einer zweiten Summierungsverstärker/Diodenkombination 18 zugeführt. Der Ausgang des Summierungsverstärkcrs 20 bildet ein Anlagesteuersignal u, welches gleich der Differenz zwischen positivem und negativem Teil ha und u— ist. Das Signal u des Summierungsvcrstärkers 20 wird der Anlage PL zugeführt, welche als Doppelintegralanlage ausgebildet ist und zwei Verstärkungswandler 21 und 23 und 2 Integratoren 22 und 24 aufweist. Der Ausgang des Integrators 24 stellt das Ausgangssignal y der Anlage dar, welches dem Summierungs-Verstärker 2 zugeführt wird, um mit dem Eingangssignal χ des Systems verglichen zu werden, und das Fehlersignal zu liefern, wodurch sich ein System mit geschlossener Schleife ergibt.

Das Steuersignal u. das durch das posinomische Steuergerät erzeugt wird, besteht aus einer von drei verschiedenen linearen Funktionen von ί·: (Fehlersignal) und f- (Fehlergcschwindigkeitssignal) gemäß der Bedingung der Anlage und dies wird später unter Bezugnahme auf das Phasendiagramm beschrieben, d. h. gemäß der Beziehung zwischen ε und έ in F i g. 2.

Die Gleichung für (/ist:

wobei

folgt eindeutig, daß u + = 0 und wenn

u- = [(,-) + (b₂ ; - )] - Ui₂, + )
wenn

V -) + (b₂i -) < Uh ■' +) dann folgt wiederum, daß ti - = 0 .

Im folgenden wird mil Γ ig. 2 der Zeichnung Bezug genommen, die ein Phasendiagramm für Bedingungen zeigt, die auftreten können, je nach den Werten des Fehlersignals (■ und des l'ehlergesehwindigkeitssignals i--. Die I'ig. 2 stellt eine grafische Darstellung dieser beiden Signale dar, wobei eine lineare Funktion der beiden Signale ge/eigl ist. nämlich

4- b i = 0

(3)

Für ein vollständig symmetrisches posinomisches Steuergerät (dies ist der übliche Rill) werden die Konstanten in den Gleichungen (I) und (2) gleich:

(Z₁ = Cl₁ = ti ,

Daher definiert F i g. 2 drei Paare von Moden 1 - 3. in denen die Gleichungen (I) und (2) wie in der Figur veranschaulicht, ausgedrückt werden können. So ist es beispielsweise klar, daß im Modus I auf der linken Seite des Diagramms

außerdem liefern die Werte von ι und i-, wenn sie in die Funktion .»■+ be. eingesetzt werden, einen Wert dieser Funktion, der negativ ist. /.. B. <■«■ + bi- < 0.
Aus der Glciehung (1) ergibt sich

b i < ο ι —

und daher;/ + =0.

Aus der Gleichung (2) ergibt sich

deshalb u= —(<■ — ) = (■:.

Der Ausdruck in jeder der anderen Moden kann in gleicher Weise berechnet werden, und es zeigt sich, daß die Abszisse und Ordinate der Funktionslinie ne + be = 0 je eine Modcnänderungslinic bildet, die zwischen ihnen b Moden definiert, die infolge identischer Bedingungen drei Paare von den obigen Moden bilden. Fs zeigt sich, daß diese drei alternative Steuersignale liefern, die wie folgt erhalten werden:

Modus I) U = I ergibt ein ungedämpftes Schwingungssysteni;

Motlus 2) u — {\+a) ι-Y bi- ergibt ein kritisch gedämpftes System;

Modus J) u^ ι \ bi liefert ein iibcrgediimpftes System.

Bei einer praktischen Anwendung sind die Verstärkerkonslanten a\, M, ,·/2 und 1)2 in dem posinomischen Steuergerät so eingestellt, daß die erwünschte Ansprechcliiirakteristik des gesamten Systems erhallen wird.

Die Konstanten ;/ I, Λ Ι. ii 2, /) 2 Hagen beispielsweise eine Beziehung z. B. das Zehnfache, zur Finstellung tier Vei M.irkungswandlrr 12, Π, 11 und 14, und diese Verstärkung wird im einer Verslärker/Diodenkomhina-Hon 17, IH erlangt.

Die ,ihsoluleii Großen miii ,/ und /' bestimmen die Anteile der Dampliin;' in den gedäiuplleii Moden (je !.¹InIk¹I sie sind, desto .üiViIUt ist die Dämpfung), die ihrerseits den Anteil der Überdämplung steuern, daß das System in einem Siufenansprechen aufweist.

F i g. 3 zeigt eine andere Ausfülirungsform tier Frfindung. und die Schaltung isl exakt die gleiche wie jene nach Fig. 1, mit dem Unterschied, daß tier Ausgang der ersten Summierungs-Verstärker/Diodenkombination 17 dem Fingang der zweiten Summicrungs-Verstärker/Dioden kombination 18 zugeführt wird, und der Ausgang der zweiten Summierungs-Verstärker/Diodcnkombination 18 dem Fingang der ersten Verslärkcr/Diodcnkombinalion 17 zugeführt wird. Diese Rückkoppclung ist als gegenseitige Rückkopplungssperrung bekannt und vermeidet das gleich/eilige Auftreten von den beiden Ausgängen ii+ und u-. Hierdurch ergibt sich eine Verbesserung des Steuersystems und eine Vereinfachung der Finstellung. die zur Anpassung des Systems an verschiedene Anlagen erforderlich isl.

Bei diesen Ausführungsbeispielen ist die Gleichung für i/wie folgt:

Dabei ist

aber wenn

Ebenso wird

und wenn

dann wird
H- =0.

Wie bei dem vorigen Ausführungsbcispiel können die Konstanten a 1, öl. ;; 2 und b 2 der zehnfachen Finstellung der Verstiirkungswandler 12, 13, Il und 14 .gemäß F i g. 3 bestehen, wobei die ersten und zweiten Su mmierungs-Verstärk er/Dioden kombinationen 17 und 18 die Signale mit einem Faktor 10 verstärken, die durch diese Verstiirkungswandler hindurchlauien.

Die Bereiche, in der jede Gleichung wirksam ist, zeigt der Phasenplan nach F i g. 4.

Die drei Funktionen, die tlas Steuersignal i/ angibt, erzeugen die drei unterschiedlichen Arbeitsmethoden, wenn die Steuereinrichtung und die Anlage eine geschlossene Regelschleile biklen.

Motlus I) (J-I ergibt ein ungedämpftes Schwin gungssystem;

Motlus 2) ii=,« ! hi· liefert ein kritisch gedämpftes System;

Motlus I) ii-: ι I Iv- liefert ein überdämpfies.System. Diese sind in F i g. ·1 zusammengefaßt.
Bei der praktischen Anwendung werden die Veislar kiingskonslanicn .-/I, /'I, n 2 und /'2 in dein posinomisi'hen Slciicigeräl so eingestellt, daß die

erwünschte Ansprech-Charakterislik des Gesamtsystems erhalten wird.

l);is Verhältnis (I + ;i)/b entscheidet die Neigung der schrägen Modiisünderiingslinie in der Phasenebene und im allgemeinen kann gesagt werden, je steiler diese Linie ist. desto schneller spricht das System an.

Wie bei dem ersten Ausfiihrimgsbcispiel bestimmt die absolute Größe von ;/ und ftdic Größe der Dämpfung in den gedämpften Moden (je größer die Beträge sind, desto größer wird die Dämpfung), und diese Dämpfung steuert ihrerseits das Maß der Überdämpfung des Systems, die das System bei einem Stufenansprechen hat.

Γ i g. 5 zeigt ein posinomischcs Steuergerät, welches in Vergindung mit einem Luftsirahlsystcm benutzt wird, um die Lagesteuerung eines Vertikal-Start f'higzcugs zu übernehmen.

Die Luftstrahlen 41 werden mit Luft von einem Kompressor 42 über Kanäle 43 gespeist. Die Gesamiluftströmung isl konstant, aber das Verhältnis der Strömung zwischen den beiden Sirahldüsen 4i kann durch Klappenventil 44 geändert werden, die durch einen Antrieb 45 über ein Gestänge 46 bewegt werden. Ein Fühler 47 stellt Abweichungen der Lage des Flugzeugs gegenüber einer horizontalen Bezugslage dar, und erzeugt ein Fehlcrsignal proportional der Abweichung (-).

Dieses Fehlcrsignal wird einer Steuereinrichtung 48 zugeführt, die es differenziert und das sich hieraus ergebende Fehlergeschwindigkcitssignal mit dem Fehlcrsignal benutzt, um ein Steuersignal u mittels einer posinomischen Schaltung gemäß F i g. 1 zu erzeugen, die in der Einrichtung 48 enthalten ist.

Dieses Steuersignal wird dem Antrieb 45 zugeführt, der das Gestänge 46 proportional zur Größe des Steuersignals stellt. Diese Bewegung ändert die Stellungen der Klappenventile 44, was eine Änderung der relativen Luftströmung zwischen zwei Strahlen zur Folge hat, so daß ein Drehmoment erzeugt wird, welches auf das Flugzeug in der Weise einwirkt, daß die Abweichung Θ vermindert wird.

Vorstehend wurde ein Steuersystem beschrieben welches elektronische Schaltungselemente umfaßte. E: isl jedoch klar, daß das posinomische Steuersystem aticl mechanische Elemente oder Fluidics benutzen kann, im "ι eine einsprechende .Summierung von Signalen voiv.u nehmen.

Die beschriebenen Auslührungsbeispiele können al »posinomische stückweise lineare« Steuersysteme be zeichnet werden.

in Ein posinomischcs Steuersystem benutzt eine /ah von zusammenwirkenden positiven Signalen, um dii stückweise lineare Steuerung zu erhalten. Diesi positiven Signale werden von dem Eehlersignal bzw dem Fchlergesehwindigkeiissignal des Systems abgelei

fi let. in dem Dioden oder Äquivalente hiervon benutz werden. Das Zusammenwirken der positiven Signali bewirkt entweder ein teilweises Auslöschen oder eini Verstärkung des Gesamtsignals, das als Stcuercingangs signal für die Anlage benutzt wird. I3ie.se Abschwächuiij

2» oder Verstärkung findet gemäß dem Zustand de kompletten Systems stall und isl derart, daß da Ansprechen des Systems gegenüber Störungen de Eingangs stabilisiert wird.

Die stückweise lineare Steuereinrichtung benutz

j-, zwei verschiedene Arbcilsmodcn. jede dieser beidei Moden entspricht einer linearen Steuerung. Ein Modu hai ein schnelles Ansprechen, welches möglicherweis« unstabil ist, und ein weiteres muß schnellen Ändcrungei widerstehen, um ein gewisses Maß von Dämpfuiij

κι bezüglich Ausschlägen des Systems zu liefern. Dii Moden werden gemäß dem Status des Systems benutzt um ein schnelles Gesauitansprechen und eine erhöhti Stabilität zu erzeugen. Da posinomische Steuergerät fü eine Doppelintcgralanlage benutzt drei Moden, nämlicl

)■-, eine ungedämpfte schnelle und zwei gedämpfte, und dii Änderung von einem Modus nach dem andern geschieht, wenn gewisse der verschiedenen positivci Signale den Null-Punkt erreichen. Die Dioden verhin dem das Auftreten negativer Signale und somit eini

4(i Änderung des Modus. Das System weist dagegen keini Schalter auf.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Regler, bei dem eine schnelle Erniedrigung des Fehlers in einer ersten Betriebsart bewirkt und der Fehler nach einer Umschaltung auf eine /weite Betriebsart in einem gedämpften Ansprechen auf Null vermindert wird, wobei die Umschaltung in Abhängigkeit vom Fehlersignal erfolgt und die Umschaltung von der ersten Betriebsart auf die zweite Betriebsart bewirkt wird, in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Verhältnis /wischen dem Fehlersignal und der Änderungsgeschwindigkeit des Fehlersignals