DE1044626B - Servosteuervorrichtung, insbesondere fuer Flugzeugsteuerungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Servosteuervorrichtung, in welcher ein Servomotor ein gesteuertes Organ, beispielsweise eine Flugzeugsteuerfläche, betätigt.

Bei Steuervorrichtungen, welche von einem Servomotor unterstützt werden, verwendet man im allgemeinen Rückkopplungssteuerungen mit negativer Wirkung, um die gewünschte Übereinstimmung zwischen dem gegebenen Kommando und der sich daraus ergebenden Verschiebung des gesteuerten Organs zu erhalten.

Die Erfindung geht davon aus, daß unter gewissen Bedingungen die Wirkung einer Servosteuervorrichtung unerwartet verbessert werden kann, wenn man in die Steuerkette außer den bekannten Rückkopplungssignalen mit negativer Wirkung auf gleiche Weise ein Signal von positiver Wirkung einfügt. Man läßt einen entsprechenden Effekt für die Verschiebung des zu steuernden Organs auftreten, führt ihn jedoch derart ein, daß er das Anfangssignal unterstützt und sich in der Folge auf das Signal mit bekannter negativer (oder degenerativer Wirkung) einschränkt. Indem man der Steuerung einen gewissen Effekt von positiver Wirkung (oder regenerativer Wirkung) entsprechend abgestimmt mitgibt, kann man die Wirkungsweise der Servosteuervorrichtung besonders in den Fällen verbessern, wo in der von dem Servomotor angetriebenen mechanischen Vorrichtung nichtlineare Störeffekte (z. B. Flattern oder Spiel usw.) auftreten, welche eine Übereinstimmung zwischen den Verschiebungen des gesteuerten Organs und der Wirkung der Steuerung stören.

Das Vorhandensein einer positiven Reaktion (Mitkopplung) ist besonders bei einer Servosteuervorrichtung (z. B. automatische Flugsteuerung) von Vorteil, bei welcher einerseits zwischen dem Servomotor und dem gesteuerten Organ eine verhältnismäßig lange und komplizierte kinematische Verbindung besteht, die aus einem Zuggestänge mit Seilen oder aus anderen zwischengeschalteten geeigneten Vorrichtungen bestehen kann, welche die Quelle der obenerwähnten störenden Nebenerscheinungen sind, und in welcher andererseits die Steuerfläche von dem Servomotor gelöst werden kann, um von Hand gesteuert zu werden.

Dadurch wird trotz der durch die störenden Nebenerscheinungen hervorgerufenen Störung eine bessere Übereinstimmung zwischen den Verschiebungen der Steuerfläche und der Steuerung gewährleistet. Dabei muß das bekannte Rückkopplungssignal die tatsächlichen Verschiebungen des gesteuerten Organs und nicht die des Servomotors übertragen, und es ist zweckmäßig, dieses Signal mit Hilfe eines Generators, welcher direkt mit dem gesteuerten Organ verbunden ist, zu erzeugen.

Servosteuervorrichtung,
insbesondere für Flugzeugsteuerungen

Anmelder:

Bendix Aviation Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
V. St v. Amerika vom 21. April 1955

Christopher Alois Rafferty, Brooklyn, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Daneben spricht eine wichtige Erwägung für die obenerwähnte Auskupplung, die für eine direkte Verbindung zwischen dem Generator der Rückkopplungssignale und dem Servomotor sorgt. Es ist sehr wesentlich, daß im Zeitpunkt der Auskupplung und dem Übergang auf die Handsteuerung das Bezugssignal, welches das Flugzeug bei seinem automatischen Flug stabilisieren soll, weiter auf den Servomotor wirken muß, um ihn jederzeit, wenn sich das Flugzeug von seiner Lage oder Bezugslage entfernen sollte, anzutreiben. Ist in einem solchen Moment keine Rückkopplung vorhanden, kann die elektrische Verbindung eine ständige Gleichgewichtsstörung aufweisen, da das Bezugssignal nicht durch ein Rückkopplungssignal ausgeglichen wird. Wird die automatische Steuervorrichtung in einem Augenblick wieder eingeschaltet, wo ein solches Signal nicht im Gleichgewicht steht, so ruft der Servomotor in der Steuerfläche beim Kuppeln ein zu heftiges Einrücken hervor, welches gefährliche Folgen haben kann. Bei ausgekuppelter Steuerfläche muß daher bei einem ständig vorhandenen Rückkopplungssignal das dem Servomotor mitgeteilte Bezugssignal zuverlässig ausgeglichen und der Generator der Rückkopplungssignale demnach direkt mit dem Servomotor verbunden sein. Diese Bedingung, die manchmal als Synchronisation bezeichnet wird, ist bei zahlreichen Typen von bekannten automatischen Steuervorrichtungen verwirklicht und steht eigentlich im Gegensatz zu der obenerwähnten ersten Bedingung.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, diese beiden Bedingungen zu verbinden, um dadurch eine genaue Proportionalität zwischen der Auslenkung der Steuerfläche und der Größe der Steuerwirkung zu er-

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halten, die an den Servomotor angelegt wird, während gleichzeitig das Merkmal der »Synchronisation«, das jederzeit einen sicheren Übergang von der Handsteuerung zur automatischen Steuerung bewirkt, beibehalten wird.

In erster Linie bezweckt die Erfindung, eine verbesserte Servosteuervorrichtung zu schaffen, die neben den bekannten Rückkopplungssignalen negativer (oder degenerativer) Wirkung, welche einem Servomotor mitgeteilt werden, und die im Gegensatz zu den Steuer-Signalen stehen, ein anderes Signal von positiver Wirkung (oder regenerativer) Wirkung erzeugt und dadurch das Steuersignal unterstützt.

Ein weiterer Zweck der Erfindung ist eine verbesserte Steuervorrichtung, beispielsweise für eine automatische Flugzeugsteuerung, zu schaffen, in welcher das gesteuerte Organ, beispielsweise eine Steuerfläche, von seinem Servomotor getrennt werden kann, um von Hand betätigt zu werden. Dafür ist außer einem ersten mit dem Servomotor verbundenen Generator für das Rückkopplungssignal ein zweiter Generator für ein Rückkopplungssignal vorgesehen, welcher mit dem gesteuerten Organ verbunden ist. Weiterhin ist ein dritter Signalgenerator vorgesehen, der an die Verbindungsvorrichtung zwischen Motor und dem zu steuernden Organ gelegt ist, und zwar unterhalb der Kupplungsvorrichtung desselben und des Motors, wobei dieser dritte Generator im Gegensatz zu den beiden anderen ein positives Signal aussendet, welches demzufolge das Signal des ersten, mit dem Motor verbundenen Generators aufhebt, bis die Kupplung eingeschaltet ist, damit in diesem Moment nur das Rückkopplungssignal die wirklichen Verschiebungen des gesteuerten Organs überträgt.

Wenn die Kupplung im Hinblick auf die Handsteuervorrichtung ausgeschaltet ist, sind die zweiten und dritten Generatoren vorzugsweise nicht in Tätigkeit. Aus diesem Grunde können ihre beweglichen Teile über eine zwischengeschaltete Kupplung angetrieben werden, die zur gleichen Zeit wie die Verbindung zwischen dem Servomotor und dem gesteuerten Organ ein- oder ausgerückt werden kann; man kann auch drei elektromagnetische Kupplungen verwenden, deren Steuerwicklungen von einer gemeinsamen Quelle gespeist und durch die Wirkung eines gemeinsamen Unterbrechers betätigt werden.

In diesem Ausführungsbeispiel, welches auf eine elektrisch betätigte automatische Flugzeugsteuerung anwendbar ist, sind die Rückkopplungsgeneratoren elektromagnetische Generatoren, Drehtransformatoren oder autosynchrone Generatoren mit Ständer und Läufer.

Weiterhin können bekannterweise ein oder mehrere der Rückkopplungssignale (und besonders jenes, welches direkt mit dem Servomotor verbunden ist), eine geschwindigkeitsmessende Komponente der Stabilisierung aufweisen.

Im folgenden soll an Hand der Zeichnung ein Beispiel nach der Erfindung beschrieben werden.

Die Zeichnung zeigt ein Schaltschema für die Steuerverbindung einer Flugzeugsteuerfläche, das auf ein Höhenruder angewandt ist.

Das Höhenruder 33 wird mittels eines Servomotors 17, beispielsweise durch einen Zweiphasenelektromotor, über eine zwischengeschaltete Kupplung 30 und über eine mechanische Übertragung betätigt. Die mechanische Übertragung ist in der Zeichnung schematisch durch die zwei Blöcke 31 und 32 wiedergegeben, von denen der erste das Gestänge und der zweite die zur Steuerfläche führenden Zugseile versinnbildlichen soll.

Diese beiden Vorrichtungen sind die Quelle störender Nebenerscheinungen (z. B. Flattern oder Spiel), welche die Übereinstimmung zwischen Motor und Steuerfläche stören.

Wenn sich die Kupplung 30 nicht im Eingriff befindet, kann man die Steuerfläche 33 von Hand mittels eines Steuerknüppels 61, welcher direkt mit dem Zuggestänge 32 verbunden ist, betätigen.

Der Servomotor 17 empfängt über einen zwischengeschalteten Verstärker 16 die algebraische Summe mehrerer elektrischer Signale und liefert Wechselspannungen gleicher Frequenz, welche an den Klemmen der vier Widerstände 15, 19, 46 und 57 auftreten. Diese Widerstände sind in Reihe geschaltet und liegen in einer Leitung 23 zwischen der Eingangsseite des Verstärkers und der Erde. Zweckmäßigerweise werden diese Widerstände regelbar ausgeführt.

Der Widerstand 15 ist mit den Klemmen einer feststehenden Sekundärwicklung 14 verbunden, die zu einem autosynchronen Generator 13 gehört, dessen Primärwicklung 12 beweglich ist, von einer Wechselstromquelle gespeist und durch die Drehung eines Bezugsinstrumentes 10 (Lotkreisel) gesteuert wird. Dieses Bezugsinstrument kann durch einen Lotkreisel gebildet werden, dessen entsprechende Aufhängeachse den Läufer 12 des Generators trägt.

Der Widerstand 19 ist mit zwei hintereinandergeschalteten Wicklungen 22 a und 22 & parallel verbunden. Die eine dieser Wicklungen 22 a ist die feststehende Sekundärwicklung eines autosynchronen Generators 21, dessen Primärwicklung 20 durch den Servomotor 17 mittels einer entspechenden Reduziervorrichtung in Drehung versetzt werden kann. Die andere Wicklung 22 b ist die Ausgangswicklung eines geschwindigkeitsmessenden Generators 18, welcher durch den Motor 17 derart angetrieben ist, daß er eine Spannung liefert, die seiner Geschwindigkeit entspricht.

Der dritte Widerstand 46 ist mit einer feststehenden Sekundärwicklung45 eines autosynchronen Generators 40 verbunden, dessen bewegliche Primärwicklung 41 über eine zwischengeschaltete Kupplung 26 mit dem einen Ende oberhalb des Gestänges 31 drehbar verbunden ist.

Der vierte. Widerstand 57 ist mit der feststehenden Sekundärwicklung 56 eines autosynchronen Generators 50 verzweigt, dessen bewegliche Primärwicklung 55 über eine zwischengeschaltete. Kupplung 28 durch das Höhenruder selbst drehbar gesteuert wird.

Das an die Klemmen des Widerstandes 19 von dem Synchrongenerator 21 und dem geschwindigkeitsmessenden Generator 18 gelieferte Signal ist ein Rückkopplungssignal der Lage und der Geschwindigkeit. Die Anordnung ist derart, daß dieses Signal in die Signal verbindung mit entgegengesetzter Phase zu dem Bezugssignal, welches bei 15 auftritt, eingesendet wird; dieses ist ein Rückkopplungssignal oder ein Signal von negativer (degenerativer) Wirkung, welches sich gegenüber dem Bezugssignal einschränkt, um die Proportionalität zwischen den Verschiebungen des Motors 17 und der Größe des Bezugssignals zu gewährleisten und um außerdem die Drehung des Motors zu stabilisieren und um ein Flattern zu vermeiden.

Das an dem Widerstand 57 auftretende Signal wird auch in die Signalverbindung eingesendet und hat entgegengesetzte Phasenlage zu dem bei 15 auftretenden Bezugssignal und bildet ebenfalls ein Rückkopplungssignal.

Darüber hinaus wird das am Widerstand 46 auftretende Signal, welches durch den Generator 40, der

mit der Gestängevorrichtung verbunden ist, erzeugt wird, mit gleicher Phase gegenüber dem Bezugssignal bei 15 eingesendet und bildet so ein Mitkopplungssignal oder eines mit positiver (regenerativer) Wirkung.

Die drei Kupplungen 30, 26 und 28 können gleichzeitig ein- oder ausgerückt werden. Aus diesem Grunde sind die Ausrückvorrichtungen elektromagnetisch gesteuert und haben drei Steuerwicklungen, die parallel zueinander geordnet sind und ihre gemeinsame Erregung von einer Gleichstromquelle über ein und denselben Unterbrecher 25 erhalten.

Ist der Unterbrecher 25 geöffnet und sind die drei Kupplungen ausgerückt, so kann das Höhenruder von Hand mittels des Steuerknüppels 61 betätigt werden. Während dieser Zeit erhält der Servomotor 17 die algebraische Summe der Bezugssignale von 15, die in ihrem Phasenzustand und in ihrer Amplitude, ihrer Richtung und Größe nach den Abweichungen entsprechen, die das Flugzeug in seiner vorschriftsmäßigen Längslage ausführen kann, sowie ein Rückkopplungssignal über die Lage und die Motorgeschwindigkeit, welches bei 19 auftritt. Der Servomotor entspricht demnach während der Handsteuerung auch der jeweils anliegenden Abweichung des Flugzeuges zu seiner Bezugsstellung, und die elektrische Spannung bleibt am Eingang des Verstärkers ständig in der Nähe von Null. Somit kann das Einrücken der automatischen Flugzeugsteuerung jederzeit vorgenommen werden, ohne daß zu befürchten ist, daß die Steuerfläche zu jäh energisch eingekuppelt und somit das Gleichgewicht des Fluges gestört wird.

Will man nun den Unterbrecher 25 zur Wiedereinkupplung der automatischen Flugzeugsteuerung schließen, so werden die beiden Kupplungen 26 und 28 zur gleichen Zeit wie die Kupplung 30 zwischen dem Servomotor und der Steuerfläche in Eingriff gebracht. Von diesem Augenblick an ist das am Widerstand 19 auftretende Rückkopplungssignal des Motors (oder wenigstens die Lagekomponente dieses Signals) standig durch das Signal mit entgegengesetzter Phase, welches von dem Generator 40 an den Widerstandsklemmen 46 erzeugt wird, aufgehoben; das Rückkopplungssignal des Servomotors ist nun unwirksam oder wirkt nur noch mit seiner geschwindigkeitsmessenden, stabilisierenden Komponente. Zur gleichen Zeit tritt an dem Widerstand 57 ein Rückkopplungssignal für die Steuerfläche auf, welches eine genaue Proportionalität zwischen dem Bezugssignal und den Verschiebungen derselben gewährleistet, welche durch nichtlineare störende Nebenerscheinungen des Zuggestänges 31 oder der Seilvorrichtung 32 hervorgerufen sein können. Wie schon erwähnt, sollen die verschiedenen Widerstände vorzugsweise einstellbar sein, so daß die Verhältnisse zwischen den verschiedenen Signalen durch Hin- und Herschieben auf ihren günstigsten Wert gebracht werden können. Es läßt sich besonders der Relativwert des Signals der Mitkopplung, welches von dem Generator 40 erzeugt wird, einstellen. Es hat sich mitunter als vorteilhaft erwiesen, dieses Signal derart einzustellen, daß man eine gewisse Überkompensation des Rückkopplungssignals des Servomotors erreicht und so eine noch verbleibende Mitkopplungskomponente einspeist. Diese Komponente, welche den Verschiebungen des Servomotors proportional ist, folgt dem Rückkopplungssignal, welches von dem Generator 50 erzeugt wird, und ist den Verschiebungen der Steuerfläche proportional, was den Servomotor die verschiedenen passiven Widerstände, welche in der Übertragungsvorrichtung 31 und 32 vorhanden sind,

überwinden läßt, ohne daß die Endstellungen, welche von der Steuerfläche 33 hervorgerufen ist, geändert zu werden braucht, und die durch das Rückkopplungssignal, welches von dem Generator 50 geliefert wird, bestimmt bleibt.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Servosteuervorrichtung, insbesondere für Flugzeugsteuerungen, in welcher ein Servomotor ein gesteuertes Organ, beispielsweise eine Flugzeugsteuerfläche, in Übereinstimmung mit einem dem Servomotor mitgeteilten Steuersignal verschiebt, wobei das Steuersignal einer Steuerwirkung, beispielsweise dem Abweichen des Flugzeuges von einer Bezugslage, entspricht und wobei der Motor ein negatives Rückkopplungssignal erhält, welches im Gegensatz zu dem Steuersignal steht, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches positives Rückkopplungssignal, welches im Verhältnis zu den Verschiebungen des Servomotors oder des gesteuerten Organs entwickelt wird, verwendet und dem Servomotor zugeführt wird, um die Abhängigkeit zu dem Steuersignal zu unterstützen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das zu steuernde Organ bei Handbetätigung vom Servomotor getrennt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes negatives Rückkopplungssignal von einem Motor (17) vor einer Trennvorrichtung (30) und ein weiteres negatives Rückkopplungssignal von dem gesteuerten Organ (33) erzeugt wird und daß das positive Rückkopplungssignal direkt jenseits der Trennvorrichtungen erzeugt wird, so daß es normalerweise das erste Rückkopplungssignal aufhebt, wenn die Trennvorrichtungen im Eingriff stehen, und daß das verbleibende negative Rückkopplungssignal das zweite negative Rückkopplungssignal ist, welches den tatsächlichen Verschiebungen des gesteuerten Organs entspricht und deshalb eine Proportionalität gewährleistet ohne Rücksicht auf die nichtlinearen störenden Wirkungen, die durch Reibung und Spiel in der Übertragung zwischen den Trennvorrichtungen und dem gesteuerten Organ auftreten können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite negative Rückkopplungssignal und das positive Rückkopplungssignal von Signalgeneratoren (50, 40) erzeugt werden, welche so angeordnet sind, daß sie zu der gleichen Zeit, wenn das gesteuerte Organ (33) mit dem Servomotor (17) verbunden oder von diesem getrennt ist, in Betrieb gesetzt oder ausgeschaltet werden können.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Generatoren, beispielsweise Induktionsgeneratoren oder Drehtransformatoren, Läufer haben, welche über elektrisch betätigte Kupplungen (26,28) angetrieben werden, und daß die Vorrichtungen zur Trennung des gesteuerten Organs von dem Servomotor ebenfalls eine elektrisch betätigte Kupplung (30) ist und daß alle Kupplungen gleichzeitig durch einen gemeinsamen Schalter (25) ein- oder ausgerückt werden können.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der negativen Rückkopplungssignale und vorzugsweise das erste Signal zusätzlich zu der Komponente, welche der Lage des Servomotors entspricht, eine ge-

schwindigkeitsmessende Komponente aufweist, welche der Winkelgeschwindigkeit des Servomotors entspricht, und beispielsweise durch einen geschwindigkeitsmessenden Generator (18), der von einem Hilfsmotor angetrieben wird, erzeugt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale Wechselstrom-

signale einer gemeinsamen Frequenz sind und in Phase oder gegen Phase laufen und dem Servomotor in Serie mitgeteilt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie für eine automatische Flugzeugsteuerung verwendet und in einem oder mehreren der Steuerkanäle verwendet wird, welche die Steuerflächen eines Flugzeuges betätigen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen