Brevet FR2809373A1 — publié le 20011130

La présente invention concerne un système de commande électri- que pour une gouverne de direction d'aéronef. On sait que, actuellement, dans la plupart des aéronefs, la commande d'une gouverne de direction est obtenue par une liaison méca- nique interposée entre le palonnier actionné par le pilote et ladite gouverne de direction. Cependant, la commande électrique d'une telle gouverne de direction a déjà été envisagée, à l'image de ce qui se fait déjà pour les autres gouvernes, les volets, les ailerons, les spoilers, etc... Par ailleurs, on sait que le dimensionnement d'une telle gouverne de direction résulte de calculs de charges appliquées audit aéronef, lors de manoeuvres normalisées. Pour le roulis et le lacet, ces manoeuvres consis- tent à solliciter la gouverne de direction par des actions brusques sur le palonnier, jusqu'au plein débattement de ladite gouverne. L'objet de la présente invention a pour objet un système de commande électrique pour une gouverne de direction, grâce auquel il est possible de limiter les charges latérales appliquées en manoeuvre sur ladite gouverne et donc de réduire le dimensionnement et la masse de cette der- nière, sans pour autant réduire les qualités de vol de l'aéronef ou la sécu- rité de vol. A cette fin, selon l'invention, le système de commande électrique pour une gouverne de direction d'aéronef, ladite gouverne étant montée rotative autour d'un axe pour pouvoir prendre n'importe quelle position angulaire à l'intérieur d'une plage de débattement s'étendant de part et d'autre de la position neutre de la gouverne et limitée de chaque côté de cette position neutre par une valeur maximale de débattement, et ledit système comportant: - un palonnier actionné par le pilote et associé à un transducteur délivrant un ordre électrique de pilotage représentatif de l'action du pilote sur le- dit palonnier; et - un actionneur recevant un ordre de commande dérivé dudit ordre de pilotage et déplacçant ladite gouverne de direction autour dudit axe, est remarquable - en ce qu'il comporte, entre ledit palonnier et ledit actionneur, des moyens de filtrage du type passe-bas recevant ledit ordre de pilotage dudit transducteur et engendrant ledit ordre de commande pour ledit ac- tionneur; et - en ce que la constante de temps desdits moyens de filtrage est d'au- tant plus élevée que l'amplitude dudit ordre de pilotage correspond f une fraction plus grande de ladite valeur maximale de débattement. Ainsi, grâce à la présente invention, on introduit, dans les ordres de pilotage au palonnier, un filtrage non linéaire qui dépend du débatte- ment disponible pour la gouverne de direction, ce filtrage étant d'autant plus important que ladite gouverne de direction s'approche des butées li- mitant le débattement maximal, ce qui limite les charges appliquées à la- dite gouverne et permet donc de réduire le dimensionnement et la masse de cette dernière. Par ailleurs, on sait qu'il est usuel qu'un système de commande du type rappelé ci-dessus comporte de plus des moyens de stabilisation en lacet engendrant un ordre de stabilisation qui est ajouté à l'ordre de pilo- tage au palonnier. Dans ce cas, le niveau des charges maximales sur ladite gouverne de direction devient particulièrement critique, lorsque ces ordres sont de même signe. Aussi, selon une autre particularité de la présente invention, lors- que ledit système de commande comporte de plus des moyens de stabili- sation en lacet dudit aéronef engendrant un ordre de stabilisation en lacet et un premier additionneur effectuant la somme dudit ordre de stabilisation en lacet et dudit ordre de commande dudit actionneur, on prévoit des moyens aptes à déterminer si ledit ordre de pilotage et ledit ordre de stabi- lisation en lacet sont de même signe ou de signes opposés, et lesdits moyens de détermination agissent sur lesdits moyens de filtrage pour en augmenter la constante de temps lorsque ledit ordre de pilotage et ledit ordre de stabilisation sont de même signe. Ainsi, on réduit encore plus les charges appliquées à la gouverne de direction, en filtrant davantage l'ordre de pilotage au palonnier quand ladite gouverne est proche de sa position de débattement maximale et que cet ordre et l'ordre de stabilisation en lacet sont de même signe. Dans un mode de réalisation pratique, le système conforme à la présente invention comporte: - un limiteur recevant ledit ordre de pilotage et délivrant un signal de sor- tie qui est: soit ledit ordre de pilotage, lorsque l'amplitude de celuici correspond à une valeur de débattement inférieure à une limite égale à une frac- tion prédéterminée de ladite valeur maximale de débattement; soit une valeur limite correspondant à ladite limite, lorsque l'ampli- tude dudit ordre de pilotage est supérieure à cette valeur limite; - un premier filtre passe-bas présentant une première constante de temps et recevant ledit signal de sortie dudit limiteur; - un soustracteur effectuant la différence entre ledit ordre de pilotage et ledit signal de sortie dudit limiteur; - un deuxième filtre passe-bas présentant une deuxième constante de temps supérieure à ladite première constante de temps et recevant la- dite différence engendrée par ledit soustracteur; et - un second additionneur effectuant la somme des signaux de sortie en provenance desdits premier et deuxième filtres, pour engendrer un ordre de pilotage filtré pour ledit actionneur. Dans le cas o ce système est pourvu des moyens de stabilisation en lacet mentionnés ci-dessus, il peut comporter de plus: - un troisième filtre passe-bas présentant une troisième constante de temps supérieure à ladite deuxième constante de temps et recevant la- dite différence engendrée par ledit soustracteur; - un commutateur commandé, interposé entre lesdits deuxième et troisième filtres passe-bas, d'une part, et ledit second additionneur, d'autre part, pour pouvoir adresser audit second additionneur, soit le si- gnal de sortie provenant dudit deuxième filtre passe-bas, soit le signal de sortie provenant dudit troisième filtre passe-bas; et - des moyens de commande dudit commutateur tels que celui-ci 15. relie ledit deuxième filtre passe-bas audit second additionneur, lors- que ledit ordre de stabilisation en lacet et ledit ordre électrique de pi- lotage sont de signes opposés; ou relie ledit troisième filtre passe-bas audit second additionneur, lorsque ledit ordre de stabilisation en lacet et ledit ordre électrique de pilotage sont de même signe. De préférence, lesdits premier, deuxième et troisième filtres passe- bas sont de type premier ordre avec une fonction de transfert de la forme 1±, T étant la constante de temps respective T1, T2 ou T3 des premier, l+ Tp deuxième et troisième filtres et p la variable de LAPLACE. Les première (T1), deuxième (r2) et troisième (X3) constantes de temps peuvent présenter des valeurs respectivement comprises entre ms et 500 ms; 500 ms et 1 seconde; et 1 seconde et 2 secondes. Par ailleurs, ladite limite peut correspondre à environ 70% de ladite valeur maximale de débattement de ladite gouverne de direction. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre le schéma synoptique d'un exemple de réalisa- tion du système de commande électrique conforme à la présente inven- tion. La figure 2 est un diagramme illustrant, en vue en plan, les mou- vements de la gouverne de direction d'aéronef commandée par le système de la figure 1. Les figures 3, 4 et 5 illustrent le filtrage des ordres de commande de la gouverne de direction, respectivement pour trois amplitudes d'ordre différentes. Le système de commande électrique, conforme à la présente in- vention et représenté sur la figure 1, est destiné à l'actionnement d'une gouverne de direction 1 d'aéronef, montée rotative dans les deux sens autour d'un axe Z-Z, de la façon symbolisée par la double flèche 2. Comme cela est illustré par la vue en plan schématique de la figure 2, la gouverne i peut prendre n'importe quelle position angulaire autour dudit axe Z-Z à l'intérieur d'une plage de débattement 3, s'étendant de part et d'autre de la position aérodynamiquement neutre 4 de ladite gouverne 1. La plage de débattement 3 est limitée de chaque côté de la position neutre 4 par une position 5D ou 5G, correspondant à la valeur maximale de dé- battement M (à droite et à gauche) et matérialisée par des butées 6 pour la gouverne 1. Le système de commande électrique comporte un palonnier 7, à la disposition du pilote (non représenté), associé à un transducteur 8 déli- vrant un ordre électrique de pilotage en lacet y, ainsi qu'un actionneur 9 recevant, de la sortie d'un additionneur 10, un ordre de commande c apte à déplacer ladite gouverne 1 autour de l'axe Z-Z. Le système de commande électrique de la figure 1 comporte de plus des moyens de stabilisation en lacet 11 (calculateur de vol) engen- drant un ordre de stabilisation en lacet s adressé à l'une des entrées de l'additionneur 10. L'autre entrée dudit additionneur 10 reçoit un ordre yf, correspondant audit ordre de pilotage en lacet y après filtrage par un agencement 12, disposé entre le transducteur 8 et l'additionneur 10. L'ordre de commande c de l'actionneur 9 est donc la somme de l0 I'ordre filtré yf et de l'ordre de stabilisation en lacet s. L'agencement de filtrage 12 comporte un limiteur 13 recevant à son entrée 13E ledit ordre de pilotage en lacet y et apte à le limiter en amplitude à une valeur limite correspondant à une fraction prédéterminée L de la valeur maximale de débattement M. Par exemple, la limite L est égale à 70% de la valeur maximale M (voir la figure 2). Le limiteur 13 fonctionne de la façon suivante - si l'amplitude yl de l'ordre de pilotage y est inférieure à la valeur limite , c'est ledit signal y qui apparaît à la sortie 1 3S du limiteur 1 3; - en revanche, si l'amplitude y2 de l'ordre de pilotage y est supérieure à la valeur limite ú, c'est cette valeur limite ú qui est présente à ladite sor- tie 1 3S. Ledit agencement de filtrage 12 comporte de plus trois filtres passe-bas du premier ordre 14, 1 5 et 1 6, un soustracteur 1 7, un addition- neur 18, un commutateur commandé 19, un dispositif de commande 20 pour ledit commutateur et un multiplicateur 21. Ces différents éléments sont reliés de la façon suivante - I'entrée 14E et la sortie 14S du filtre 14 sont respectivement reliées à la sortie 13S du limiteur 13 et à l'une des entrées 18E1 de l'addition- neur 18 - l'entrée positive 17P et l'entrée négative 17N du soustracteur 17 sont respectivement reliées à la sortie du transducteur 8 et à la sortie 13S du limiteur 13, de sorte que ledit soustracteur 17 délivre à sa sortie 17S la différence entre l'ordre électrique de pilotage en lacet y et ce même ordre limité par le limiteur 13; - les entrées 1 5E et 1 6E des filtres 15 et 16 sont reliées en commun à la sortie 1 7S du soustracteur 1 7; - les sorties 1 5S et 1 6S des filtres 15 et 1 6 sont respectivement reliées aux deux entrées 1 9E1 et 1 9E2 du commutateur commandé 19; - la sortie 19S du commutateur commandé 19 est reliée à l'autre entrée i 8E2 de l'additionneur 18, de sorte que cette dernière reçoit soit le si- gnal filtré par le filtre 1 5, soit le signal filtré par le filtre 16, en fonction de la position du commutateur 19; - le dispositif de commande 20, actionnant le commutateur 19, est lui- même commandé par le multiplicateur 21 recevant, à la fois l'ordre de stabilisation en lacet s et l'ordre de pilotage en lacet y. Le fonctionnement du système selon l'invention est décrit ci-après, en référence aux diagrammes des figures 3, 4 et 5, sur lesquels on a re- présenté l'ordre de pilotage en lacet y en fonction du temps t, lesdits diagrammes portant de plus les valeurs limites ú et m, correspondant res- pectivement aux valeurs angulaires limites L et M. Sur la figure 3, on a représenté le cas dans lequel l'ordre commandé y se présente sous la forme d'un créneau 22, dont l'amplitude yl est inférieure à la limite e. Dans ce cas, le limiteur 13 laisse passer intégralement le créneau 22, qui apparaît à sa sortie 1 3S. Par suite: - le soustracteur 1 7 reçoit le même créneau 22 sur ses deux entrées 1 7P et 17N, de sorte qu'à sa sortie 17S, aucun signal n'est présent et qu'aucun des filtres 1 5 et 1 6 n'est actif - le filtre 14 reçoit le créneau 22 et le filtre en en arrondissant les fronts avant 22A et arrière 22R abrupts, de la façon représentée sur la figure 3. Le signal yf est donc dans ce cas entièrement constitué de ce cré- neau à fronts avant et arrière arrondis 22A et 22R. Si, maintenant, I'ordre commandé y se présente sous la forme d'un créneau 23, dont l'amplitude y2 est supérieure à la valeur limite ú (voir les figures 4 et 5), le limiteur 13 est actif et il délivre à sa sortie 13S, un créneau correspondant au créneau 23, mais limité à l'amplitude ú. Par suite: - le filtre 14 reçoit le créneau 23, amputé de son excédent 24 au-delà de l'amplitude ú; et - le soustracteur 17 délivre à sa sortie 17S ledit excédent 24 au-delà de l'amplitude Q, adressé aux entrées 15E et 16E des filtres 15 et 16. Le créneau 23, amputé de l'excédent 24, est filtré par le filtre 14, de la manière semblable à celle indiquée ci-dessus pour le créneau 22 (voir les fronts avant et arrière 23A et 23R). De plus, ledit excédent 24 est filtré soit par le filtre 15, soit par le filtre 16, en fonction des signes des ordres y et s. Si ces signes sont opposés, ce qui est détecté par le multiplicateur 21, le commutateur 19, commandé par le dispositif 20, relie la sortie 15S du filtre 15 à l'entrée 18E2 de l'additionneur 18, de sorte que cet excé- dent 24 est filtré par le filtre 15, plus fortement que le filtre 14 ne filtre le créneau 23 amputé, comme cela est indiqué par le segment courbe 25 sur la figure 4. Sur cette figure, à titre comparatif, on a représenté, en tirets, le prolongement du front avant arrondi 23A qui résulterait du filtrage par le filtre 14. En revanche, si les ordres y et s sont de même signe, le dispositif , sous la commande du multiplicateur 21, fait basculer le commutateur 19, de façon que la sortie 1 6S du filtre 16 soit maintenant reliée à l'entrée 18E2 de l'additionneur 18. L'excédent 24 est alors plus fortement filtré par le filtre 16 que par le filtre 15, comme cela est montré par le segment courbe 26 de la figure 5. Sur cette dernière figure, on a représenté, en tirets, à des fins de comparaison, les prolongements du front avant arrondi 23A, qui résulteraient respectivement du filtrage par les filtres 14 et 15. Dans les deux cas des figures 4 et 5, I'ordre filtré yf est alors constitué de la somme du créneau 23 amputé, filtré par le filtre 14, et de l'excédent 24, filtré soit par le filtre 15, soit par le filtre 16 (figure 4 ou figure 5). Les filtres passe-bas 14, 15 et 16 présentent des constantes de temps, par exemple respectivement comprises entre 100 ms et 500 ms 500 ms et 1 seconde; et 1 seconde et 2 secondes. Ainsi: - le filtrage procuré par le filtre 14 correspond à des critères de qualité de vol élevée; - le filtre 1 5 permet une réduction importante des charges appliquées à la gouverne, lorsque l'action du palonnier et l'action du stabilisateur de la- cet s'opposent; et - le filtre 16 permet une réduction importante desdites charges, même lorsque l'action du palonnier et l'action du stabilisateur de lacet s'ajou- tent. Une telle réduction des charges appliquées à la gouverne permet de réduire le dimensionnement, et donc la masse, de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Système de commande électrique pour une gouverne de direc- tion d'aéronef, ladite gouverne (1) étant montée rotative autour d'un axe (Z-Z) pour pouvoir prendre n'importe quelle position angulaire à l'intérieur d'une plage de débattement (3) s'étendant de part et d'autre de la posi- tion neutre (4) de la gouverne (1) et limitée de chaque côté de cette posi- tion neutre par une valeur maximale de débattement (M), et ledit système comportant: - un palonnier (7) actionné par le pilote et associé à un transducteur (8) délivrant un ordre électrique de pilotage (y) représentatif de l'action du pilote sur ledit palonnier (7); et - un actionneur (9) recevant un ordre de commande (c) dérivé dudit ordre de pilotage (y) et déplaçant ladite gouverne de direction (1) autour dudit axe (Z-Z), caractérisé: - en ce qu'il comporte, entre ledit palonnier (7) et ledit actionneur (9), des moyens de filtrage (12) du type passe-bas recevant ledit ordre de pilotage (y) dudit transducteur (8) et engendrant ledit ordre de commande (c) pour ledit actionneur (9); et - en ce que la constante de temps desdits moyens de filtrage (12) est d'autant plus élevée que l'amplitude dudit ordre de pilotage (y) corres- pond à une fraction plus grande de ladite valeur maximale de débatte- ment (M). 2. Système selon la revendication 1, comportant de plus des moyens de stabilisation en lacet (11) dudit aéronef engendrant un ordre de stabilisation en lacet (s) et un premier additionneur (10) effectuant la somme dudit ordre de stabilisation en lacet et dudit ordre de commande dudit actionneur, caractérisé: - en ce qu'il comporte de plus des moyens (20, 21) aptes à déterminer si ledit ordre de pilotage (y) et ledit ordre de stabilisation en lacet (s) sont de même signe ou de signes opposés; et - en ce que lesdits moyens de détermination (20, 21) agissent sur lesdits moyens de filtrage (12) pour en augmenter la constante de temps lors- que ledit ordre de pilotage et ledit ordre de stabilisation sont de même signe. 3. Système de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: - un limiteur (13) recevant ledit ordre de pilotage (y) et délivrant un signal de sortie qui est: soit ledit ordre de pilotage (y) , lorsque l'amplitude (yl) de celui-ci correspond à une valeur de débattement inférieure à une limite (L) égale à une fraction prédéterminée de ladite valeur maximale de dé- battement (M); soit une valeur limite ( ) correspondant à ladite limite (L), lorsque l'amplitude (y2) dudit ordre de pilotage (y) est supérieure à cette va- leur limite (); - un premier filtre passe-bas (14) présentant une première constante de temps et recevant ledit signal de sortie dudit limiteur; - un soustracteur (17) effectuant la différence entre ledit ordre de pilo- tage (y) et ledit signal de sortie dudit limiteur (13); - un deuxième filtre passe-bas (15) présentant une deuxième constante de temps supérieure à ladite première constante de temps et recevant ladite différence engendrée par ledit soustracteur (1 7); et - un second additionneur (18) effectuant la somme des signaux de sortie en provenance desdits premier et deuxième filtre (14, 15), pour engen- drer un ordre de pilotage filtré (yf) pour ledit actionneur (9). 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit premier filtre passe-bas (14) est de type pre- mier ordre. 5. Système selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite première constante de temps dudit premier filtre passe-bas (14) est comprise entre 100 ms et 500 ms. 6. Système selon l'une des revendications 3 à5, caractérisé en ce que ledit deuxième filtre passe-bas (15) est de type pre- mier ordre. 7. Système selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que ladite deuxième constante de temps dudit deuxième filtre passe-bas (15) est comprise entre 500 ms et 1 seconde. 8. Système selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que ladite limite (L) est égale à environ 70% de ladite valeur maximale de débattement (M). 9. Système selon la revendication 2 et l'une quelconque des re- vendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte de plus - un troisième filtre passe-bas (16) présentant une troisième constante de temps supérieure à ladite deuxième constante de temps et recevant la- dite différence engendrée par ledit soustracteur (17); - un commutateur commandé (19), interposé entre lesdits deuxième et troisième filtres passe-bas (15, 16), d'une part, et ledit second addi- tionneur (18), d'autre part, pour pouvoir adresser audit second addi- tionneur, soit le signal de sortie provenant dudit deuxième filtre passe- bas (15), soit le signal de sortie provenant dudit troisième filtre passe- bas (16); et - des moyens de commande dudit commutateur tels que celui-ci relie ledit deuxième filtre passe-bas (15) audit second additionneur (1 8) , lorsque ledit ordre de stabilisation en lacet (s) et ledit ordre électrique de pilotage (y) sont de signes opposés; ou relie ledit troisième filtre passe-bas (16) audit second additionneur (18), lorsque ledit ordre de stabilisation en lacet (s) et ledit ordre électrique de pilotage (y) sont de même signe. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit troisième filtre passe-bas (16) est de type pre- mier ordre. 11. Système selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que ladite troisième constante de temps dudit troisième filtre passe-bas (16) est comprise entre 1 seconde et 2 secondes.