DE2245166B2

DE2245166B2 - Automatische Anordnung zur dynamischen Einhaltung der Position und zum Steuern eines Wasser- oder Unterwasserfahrzeugs

Info

Publication number: DE2245166B2
Application number: DE2245166A
Authority: DE
Inventors: Franz Roffit-Gond-Tontougre Sernatinger
Original assignee: Ministere des Armees
Current assignee: Ministere des Armees
Priority date: 1971-09-21
Filing date: 1972-09-14
Publication date: 1981-05-27
Also published as: IT969333B; DE2245166A1; SE388582B; NO139242B; JPS4840191A; ES406271A1; US3844242A; GB1408636A; NL7212609A; FR2153689A5; DE2245166C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur dynamischen Einhaltung der Position und zum Steuern eines Wasser- oder Unterwasserfahrzeugs mit in wenigstens zwei Koordinatenrichtungen wirkenden Antriebselementen unter Verwendung von Positions- und Kursfühlern, die der Istposition bzw. dem Istkurs entsprechende Signale erzeugen, welche über Positionsregelkreise die Betätigung der Antriebselemente im Sinne einer Beseitigung der Abweichung von der Sollposition bzw. dem Sollkurs steuern.

Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der DE-OS 18 11 772 bekanntgeworden.

Die dynamische Einhaltung der Position besteht darin, ein Schilf in einer vorgegebenen Position oder auf einem vorgegebenen Kurs sowie im Fall eines Unterwasserfahrzeugs auf einer vorbestimmten Tauchtiefe ausschließlich mit Hilfe von Antriebselementen zu halten, deren Schubkraft nach Richtung und/oder Stärke so geregelt wird, daß sie der Einwirkung von äußeren Kräften entgegenwirken, welche das Fahrzeug aus der gewünschten Position zu entfernen suchen.

Die verwendeten Antriebssysteme enthalten wenigstens zwei Antriebselemente mit einstellbarer Schubkraftrichtung nach Art von Außenbordmotoren oder auch zwei Antriebselemente nach Art von Voith-Schneider-Propellern, von denen das eine Antriebselement am Bug und das andere am Heck des Schiffes liegen. Eine weitere angewendete Maßnahme besteht darin, Antriebselemente mit einstellbarer und umkehrbarer Schubkraft in Kanälen anzuordnen, die in der Nähe des Bugs und des Hecks quer durch das Schiff hindurchgehen und es ermöglichen, eine seitliche Schubkraft sowie bei entgegengesetzter Richtung der Schubkräfte am Bug und am Heck ein Drehmoment auszuüben. Die Schubkraft in der Längsrichtung wird in diesem Fall durch ein oder mehrere am Heck angeordnete Vortriebselemente erzeugt, wobei diese Vortriebselemente auch die Ortsveränderungen des Schiffs zwischen den verschiedenen Positionen ermöglichen.

Die Position in der Horizontalebene wird in bezug auf einen am Meeresboden definierten Festpunkt und in einem ortsfesten oder mit dem Fahrzeug verbundenen Bezugskoordinatensystem mit Hilfe eines Positionsfühlers festgestellt, beispielsweise eines Funksystems, dessen Baken oder Sender an der Küste angeordnet sind, eines akustischen Systems vom Sonartyp oder mit Ultraschallantwortbaken, oder eines Kabels, das zwischen dem Schiff und einem am Meeresgrund angeordneten Verankerungskörpers ausgespannt ist, und dessen Neigung in bezug auf die Vertikale gemessen wird.

Die Richtung des Fahrzeugs wird mit Hilfe eines

Magnetkompasses oder eines Kreiselkompasses gemessen.

Die Tiefe eines Unterwasserfahrzeugs wird in bezug -iuf den Meeresspiegel durch eine Druckmessung oder in bezug auf den Meeresboden mit einem Ultraschall-Echolot gemessen.

Die von diesen Fühlern gemessenen Werte werden mit eingestellten und in einem bestimmten Bezugssystem definierten Sollwerten verglichen, beispielsweise Werten xo, yo für die Position in der Horizontalebene, ι ο einem Wert θο für den Kurswinkel und einem Wert zo für die Tauchliefe.

Die Änderung dieser Sollwerte ergibt die entsprechende Ortsveränderung des Schiffes, wodurch eine Navigationsfunktion ausgeübt wird.

Die Steuerung der Antriebselemente auf Grund des Vergleichs zwischen den Sollwerten und den von den zuvor beschriebenen Positionsfühlern gemessenen Istwerten stellt eine Regelung dar, welche die automatische dynamische Positionshaltung in der definierten Weise ergibt

Die vorhandenen Regelanordnungen weisen eine bestimmte Anzahl von Nachteilen auf, die ihre Leistungen beschränken, insbesondere hinsichtlich der Genauigkeit der Einhaltung der Position sowie hinsieht-Hch der Anpassungsfähigkeit im Betrieb.

Der Hauptnachteil ist mit der Art der Positionsfühler verknüpft, insbesondere den auf der Anwendung von Ultraschallwellen beruhenden Positionsfühlern. Diese Fühler weisen nämlich eine sehr lange Ansprechzeit auf, die sich aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im Wasser ergibt, und sie können kurzzeitigeil Auslöschungen des Empfangssignals unterworfen sein. Ferner ist der Empfang mit Störungen behaftet, die insbesondere von den Antriebselementen und von den Bewegungen des Schiffes stammen.

Der Kompromiß, der dann für die Bestimmung der Korrekturnetzwerke (wie der Integrier- und Differenzierschaltungen) nach der klassischen Theorie der Regelanordnungen gesucht wird, hat ungewollte Befeh-Ie für die Antriebselemente zur Folge, welche die mechanische Abnutzung und den Brennstoffverbrauch erhöhen und dennoch nur mittelmäßige Leistungen im Einschwingverhalten ermöglichen.

Ferner können sich beträchtliche Änderungen im Verhalten des Schiffs auf die ausgeübten Kräfte aus verschiedenen Gründen ergeben: Änderungen der Masse und der Lage des Schwerpunktes in Abhängigkeit von der Belastung, veränderliche Auftriebskraft bei Unterwasserfahrzeugen in Abhängigkeit von der so Temperatur und dem Salzgehalt sowie von der Tauchzeit infolge des allmählichen Verschwindens der in den Aufbauten eingeschlossenen Luftblasen und in Abhängigkeit von der Tauchtiefe infolge der Änderung des Volumens in Abhängigkeit vom Druck, sowie hydrodynamische Abweichungen der Schubkraft der Antriebselemente in Abhängigkeit von der Strömung. Diese Änderung des Verhaltens des Schiffes erfordern zur Einhaltung normaler Stabilitätstoleranzen der Regelungen eine weitere Herabsetzung der Leistungen, oder es muß dem Personal überlassen bleiben, die erwähnten Einstellungen der Netzwerke vorzunehmen, wodurch die erforderliche Bedienung und die Fehlergefahren vergrößert werden.

Ferner wird durch dieses schlechte Verhalten im ^ Einschwingbereich die Steuerung sehr erschwert, d. h. die Änderung der zuvor definierten Sollposition.

Das Ziel der Erfindung ist daher eine Verbesserung der Genauigkeit der Positionshaltung, insbesondere bei Einschwingzuständen, die mit Störungen verknüpft sind.

Dieses Ergebnis soll insbesondere unabhängig von der Art der verwendeten Positionsfübler und trotz beträchtlicher Änderungen der Tonnage des Schiffs oder Fahrzeugs erhalten werden. Schließlich soll die Steuerung erleichtert werden.

Die Anordnung zur automatischen dynamischen Positionshaltung und Steuerung nach der Erfindung enthält zu diesem Zweck außer den bereits zuvor erwähnten Positionsfühlern Beschleunigungsmeßanordnungen. Drei lineare Beschleunigungsmesser liefern Signale, die der Längsbeschleunigung, der Querbeschleunigung und der Vertikalbeschleunigung proportional sind. Die Messung der Vertikalbeschleunigung ist natürlich im Fall eines Oberwasserfahrzeugs nicht unbedingt notwendig. Ein Winkelbeschleunigungsmesser bildet ein Signal, das der Kurswinkelbeschleunigung proportional ist

Im allgemeinen ist ein Schiff hydrodynamisch gegen Roll- und Stampfbewegungen stabil, und es enthält keine Regelung zur Durchführung von Manövern um die Längsachse bzw. die Querachse. Der Bereich der Erfindung ist jedoch dadurch nicht eingeschränkt, sondern diese kann, insbesondere im Fall von Unterwasserfahrzeugen, zusätzliche Beschleunigungsmesser enthalten, welche die Winkelbeschleunigungen der Roll- und Stampfbewegungen messen. Die von diesen Beschleunigungsmessern abgegebenen Signale werden zum Eingang des entsprechenden Regelkreises zurückgeführt, damit die Antriebselemente entsprechend gesteuert und dadurch eine Beschleunigungs-Gegenkopplung erzielt wird. Diese Gegenkopplung erzwingt eine Schubkraft der Antriebselemente, welche jede Beschleunigung zu Null zu machen sucht, d. h. jede Bewegung des Fahrzeugs zu verhindern sucht, wodurch die dynamische Positionshaltung erreicht wird.

Es ist jedoch bekannt, daß die Beschleunigungsmesser in der Praxis nicht absolut vollkommen sein können, und daß insbesondere die Messung von sehr kleinen Beschleunigungen mit einer unvermeidlichen Nullpunktsverschiebung des Geräts behaftet ist, die auch Abtrift genannt wird. Diese Abtrift hat eine langsame Verschiebung der mittleren Position des Fahrzeugs zur Folge. Die zuvor erwähnten Positionsfühler ermöglichen die Feststellung dieser Abweichung und deren Kompensation durch entsprechende Steuerung der Antriebselemente.

Die Vereinigung der Positionsfühler und der Beschleunigungsmesser ermöglicht es, den Beschleunigungsregelkeis mit großer Bandbreite auszubilden, so daß er also in der Lage ist, schnellen Störungen wirksam entgegenzutreten oder verzögerungsfrei Änderungen der Sollposition zu folgen, und gleichzeitig die Bandbreite des Positionsregelkreises so schmal zu bemessen, wie es notwendig ist, um die Signale der Positionsfühler wirksam auszufiltern, so daß dieser Kreis die genaue Einhaltung der mittleren Position und die Kompensation der sich langsam ändernden Störungen ermöglicht Ferner überdecken sich die Bandbreiten so, daß der Beschleunigungsregelkreis die Positionshaltung bei vorübergehendem Ausfall des Signals des Positionsfühlers ermöglicht also die Funktion einer Positionsspeicherung ausübt.

Eine Ausgestaltung im Rahmen der Erfindung enthält auch eine Vorwegnahmeschaltung, die deshalb so genannt wird, weil sie dem Stellkreis der Antriebselemente Signale zuführt, die gebildet werden, bevor die

Beschleunigungsmesser und Positionsfühler eine Bewegung des Fahrzeugs anzeigen können. Man kennt nämlich mit guter Annäherung entweder durch Rechnung oder auf Grund von Messungen, die am Modell in einem Schleppkanal und in einem Windkanal durchgeführt worden sind, die Schubkräfte und Drehmomente, die auf das Fahrzeug in Abhängigkeit von der Richtung, der Kraft des Windes, der Strömung bzw. des Seegangs ausgeübt werden. Derartige Fühler, wie Windmesser, Strömungsmesser, Seegangsmesser, liefern Signale, die der Kraft und der Richtung dieser Störursachen proportional sind. Diese Daten werden nach einem analogen oder digitalen Rechenverfahren so verarbeitet, daß elektrische Spannungen erhalten werden, die den Störungen proportional sind, die auf Grund von bekannten Gleichungen berechnet werden, und diese Spannungen werden der Steuerung der Antriebselemente zugeführt, damit die entsprechenden, aber entgegengesetzt gerichteten Schubkräfte geliefert werden. Da die Störungen auf diese Weise durch diese Vorwegnahmeschaltung kompensiert werden, brauchen die Beschleunigungsregelkreise und die Positionsregelkreise nur noch dem Unterschied zwischen den wirklichen Störungen und den berechneten Störungen entgegenzuwirken, da die beispielsweise aus den Schleppkanalversuchen abgeleiteten Formeln niemals streng genau der Wirklichkeit entsprechen. Nichtsdestoweniger werden die dynamischen und statischen Positionsfehler beträchtlich verringert

Eine weitere Ausgestaltung der Anordnung im Rahmen der Erfindung besteht darin, daß den Steuersignalen für die Antriebselemente ein Amplitudenverlauf erteilt wird, der invers zu der Schubkraftkennlinie der Antriebselemente ist, damit die resultierende Schubkraft dem angelegten Befehl proportional ist

Die Anordnung enthält gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung im Rahmen der Erfindung noch eine Anordnung zur automatischen Einstellung der Verstärkung und der Phase der Korrekturnetzwerke, die in dem Beschleunigungsregelkreis bzw. im Positionsregelkreis enthalten sind, damit den Stabilitäts- und Genauigkeitskriterien entsprechend der klassischen Theorie der Regelschaltungen Genüge getan wird. Zu diesem Zweck werden dem Stellkreis der Antriebselemente periodische Signale mit einer Amplitude zugeführt die so klein ist daß sie keine Störung bei der Verwendung der Anlage ergibt Die Beschleunigungsmesser können dennoch die sich daraus ergebenden Bewegungen des Fahrzeugs feststellen, und die Korrelation zwischen diesen gemessenen Signalen und den zugeführten Signalen ergibt eine Anzeige des Verhaltens der Fahrzeugmasse auf die Schubkraft

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt Darin zeigt

F i g. 1 die Anordnung der Antriebselemente bei einem Schiff, die sich als Beispiel für die Kräftezerlegung am bequemsten erweist

F i g. 2 das Prinzipschema der geometrischen Bildung der Schubkraftsteuersignale für die Antriebselemente in der Horizontalebene aus den gewünschten Kräften und Drehmomenten entsprechend den Hauptachsen des Fahrzeugs,

F i g. 3 das Obersichtsschema der Regelanordnung für die Längsrichtung, wobei die Regelanordnungen für die Querrichtung und die Drehbewegung ähnlich sind,

Fig.4 den Verlauf der Schubkraft der Antriebselemente als Funktion des Steuersignals,

F i g. 5 die Amplitudenkennlinie der Schaltung zur Linearisierung des Schubkraftsteuersignals,

Fig. 6 eine Anordnung der Beschleunigungsmesser auf einer Horizontalplattform,

Fig. 7 das Prinzipschema einer Anordnung zur Kompensation der Auswirkungen von Drehbewegungen auf die Linearbeschleunigungen,

F i g. 8 die Verteilung der Beschleunigungen in der Querebene bei einer Rollbewegung,
in F i g. 9 das Schema einer vereinfachten Ausführungsform der Anordnung zur Kompensation von Drehbewegungen,

Fig. 10 ein Schema des Selbstanpassungskreises,

Fig. 11 eine Ausführungsform der Vorwegnahme-H schaltung und

Fig. 12 das Prinzipschema einer Anordnung zur Regelung des Kurswinkels auf die Richtung der Störungen.

F i g. 1 zeigt die Draufsicht auf ein Schiff 1, das zwei Quertriebselemente 2 und 3 in der Nähe des Bugs bzw. des Hecks zusätzlich zu dem in der Längsrichtung wirkenden Vortriebselement 4 enthält Mit dem Schiff ist ein rechtwinkliges Achsensystem verbunden, dessen x-Achse die Längsachse, dessen /-Achse die Querachse und dessen Nullpunkt O der Schwerpunkt des Schiffes 1 sind.

Das Vortriebselement 4 liefert eine positive oder eine negative Längsschubkraft f_s in der Richtung der x-Achse. Die Schubkraft f_y χ des vorderen Quertriebelejo ments 2 liegt parallel zur y-Achse und ist nach rechts oder nach links gerichtet ebenso wie die Schubkraft f_y2 des hinteren Quertriebelements 3.

Diese Anordnung in der Horizontalebene läßt sich offensichtlich bei einem Unterwasserfahrzeug auch in j-) der Vertikalebene anwenden.

Die klassische Kräftezerlegung macht es möglich, die Schubkräfte der Triebwerke in Abhängigkeit von den Kräften auszudrücken, die auf das rechtwinklige Achsensystem bezogen sind, also der Kraft F_x in der Richtung der x-Achse, der Kraft F_x in der Richtung der /-Achse sowie des Drehmoments Cum die Z-Achse, die senkrecht zu der Ar-Achse und zu der y-Achse durch den Schwerpunkt Odes Schiffes geht:

« fs = F_x,

/rl =

/ι + h

/,2

(I₂F₁ .+ C),

^r+ Ο-

Darin ist /ι der Abstand des vorderen Quertriebelements 2 und k der Abstand des hinteren Quertriebelements 3 von dem Schwerpunkt O.

Fig.2 zeigt eine Schaltung, welche nach diesen Gleichungen die Triebwerkssteuersignale /», /, ι und f_y 2 f_y2, aus den die Kräftekomponenten F_x, F, und das bo gewünschte Drehmoment C darstellenden Signalen erzeugt Alle diese Signale sind in elektrischer Form mit einem geeigneten Maßstabsfaktor dargestellt.

Die Schaltung von F i g. 2 hat drei Eingänge, denen die Signale F„ F_y bzw. C zugeführt werden, sowie drei Ausgänge, an denen die Triebwerkssteuersignale f_x, f_y\ bzw. fy2 abgegeben werden. Der Eingang F_x ist direkt mit dem Ausgang f_x verbunden. Das Signal F_y wird den Eingängen von zwei Multiplizierschaltungen 5 und 6

zugeführt; die Multiplizierschaltung 5 multipliziert den Wert F, mit dem Wert /2, und die Multiplizierschaltung 6 multipliziert den Wert F, mit l\. Eine Addierschallung 7 bildet die Summe aus dem in der Schaltung 5 erhaltenen Ausdruck FyI₂ und dem Drehmoment C, wobei sie das Ergebnis mit einem Faktor multipliziert, der dem Wert V(l\ + h) analog ist, und eine Subtrahierschaltung 8 bildet die Differenz F,/|-Cund multipliziert diesen Ausdruck mit dem gleichen Faktor \/(l, +I₂).

Diese Zerlegung macht es möglich, die Regelanord- in nung für die Längsrichtung, für die Querrichtung und für das Drehmoment getrennt zu untersuchen. Jede dieser Regelanordnungen weist dann die gleiche Struktur auf, wie durch das Übersichtsschema von F i g. 3 dargestellt ist, die als Beispiel die Regelanordnung für die ii Längsrichtung, also die x-Achse zeigt.

Der Block 9 von F i g. 3 stellt das Schiff mit seiner Übertragungsfunktion dar, wobei die Ausgangsgröße die Position des Schiffes in der betreffenden Richtung ist und die Eingangsgröße durch die Resultierende der auf :o das Schiff einwirkenden Kräfte gebildet ist; diese Kräfte sind einerseits die Störkräfte F_xfh die vom Wind, von der Strömung und vom Seegang stammen, und andererseits die in der Richtung der x-Achse vom Antriebselement 10 erzeugten Schubkraft F_1n. 2 >

Der Block 13, der nicht körperlich realisiert ist, stellt symbolisch das physikalische System der Störkräfte und Störmomente in dem Prinzipschema dar.

Da bei den meisten Anwendungen dieser Art von Anlriebselementen, die im Handel erhältlich sind und u\ auf die daher nicht näher eingegangen werden soll, das Steuersignal S2 auf die Steigung der Schraube einwirkt, ist die Schubkraft dann dem Befehl nicht proportional, sondern sie folgt der Kurve 27 von Fig.4. Diese Nichtlinearität kann eine Störung in der Stabilität der r> Regelanordnung verursachen. Das Organ 11 von F i g. 3 linearisiert die Schubkraft durch Verstärkung des Steuersignals Si mit einem Amplitudenverlauf, wie er durch die Kurve 30 von F i g. 5 dargestellt ist, die invers zu der Kurve 27 ist. Die Schubkraft des entsprechenden jo Antriebselements ist dann dem Steuersignal Si proportional. Die Strecken 31 mit der Steigung Obei der Kurve 20 legen eine Begrenzung der Schubkraft auf einen vorgewählten Wert fest, der kleiner als die maximal zulässige Leistung ist. wie sie durch die Kurve 28 angegeben ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt diese Linearisierung mit Hufe eines analogen Funktionsgenerators

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann im Fall w der Verwendung eines digitalen Rechengeräts die Kurve 30-31 durch eine Tabelle von beispielsweise diskreten Werten näherungsweise dargestellt werden.

Das Organ 11 enthält außer dem zuvor erwähnten Funktionsgenerator einen linearen Verstärkerteil, dessen Verstärkung, wie später noch beschrieben wird, so eingestellt werden kann, daß die Steigung der linearisierten Kurve zwischen den Strecken 28 und 29 eingestellt wird. Da die Schubkraft des Antriebselements auf die träge Masse des Schiffes ausgeübt wird, bo folgt daraus, daß dessen Beschleunigung bei kleinen Bewegungen unterhalb der Begrenzungsschwelle dem Eingangssignal Si des direkten Kanals proportional ist der die zuvor definierten Elemente 9,10 und 11 enthält

Das Steuersignal Si resultiert seinerseits aus der Kombination der Signale, die durch die verschiedenen Kanäle gebildet werden, die in Fig.3 durch Pfeile angedeutet sind. Die Addierschaltung 12 bildet die Summe dieser Signale. Zur automatischen Einhaltung der Position enthält die Regelanordnung von Fig. 3 einen Positionsregelkreis mit einem Positionsfühler 17, der den Abstand des Schiffes 9 von einer festen Bezugsposition feststellt und ein diesem Abstand entsprechendes Ausgangssignal liefert. Dieses Signal wird in einer Addierschaltung mit einem Sollwertsignal verglichen, das mit Hilfe einer Einstellvorrichtung 19 fest eingestellt ist und den Sollabstand Ao darstellt. Das Ausgangssignal der Addierschaltung 18 stellt die Regelabweichung dar, also den Positionsfehler in der Meßrichtung des Positionsfühlers 17. Ein Koordinatentransformator 20 bekannter Art wird gegebenenfalls dazu verwendet, die Komponenten des Positionsfehlers in dem mit dem Schiff verbundenen Koordinatensystem zu erhalten, wenn das Bezugskoordinatensystem des Positionsfühlers 17 davon verschieden ist. Eine Korrekturschaltung 21 ermöglicht die Festlegung der Frequenzbandbreite des den Positionsfehler darstellenden Signals. Das dadurch erhaltene Regelabweichungssignal steuert über die Addierschaltung 12 und das Organ 11 das entsprechende Antriebselement 10 im Sinne einer Beseitigung des Positionsfehlers, wodurch der Positionsregelkreis geschlossen wird.

Zusätzlich zu dem Positionsregelkreis ist ein Beschleunigungsregelkreis vorgesehen, der eine Beschleunigungsmeßanordnung 14 und eine Korrekturschaltung 15 enthält und sich gleichfalls über die Addierschaltung 12, das Organ 11 und das Antriebselement 10 schließt. Die Beschleunigungsmeßanordnung 14 mißt die Beschleunigung des Schiffes 9 in der entsprechenden Richtung, im vorliegenden Fall in der ^-Richtung (Längsrichtung des Schiffes). Sie enthält insbesondere einen Linearbeschleunigungsmesser 33 (F i g. 6), der auf einer Plattform 32 montiert ist, die durch an sich bekannte Mittel horizontal gehalten wird. Die in F i g. 6 dargestellte bevorzugte Ausführungsform besteht darin, die Plattform mit dem inneren Kardanring eines Vertikalkreisels 36 zu verbinden. Die gleiche horizontale Plattform 32 trägt dann auch den in der y-Achse ausgerichteten Linearbeschleunigungsmesser 34 und den Winkelbeschleunigungsmesser 35, dessen empfindliche Achse parallel zu der z-Achse liegt und die Winkelbeschleunigung Q₇ mißt

Im allgemeinen kann diese Plattform nicht im Rotationszentrum, d. h. im »ruhenden Punkt« des Schiffes angeordnet werden. Daraus ergeben sich bei Roll- und Stampfbewegungen Tangentialbeschleunigungen der Plattform, deren Projektionen auf die x-Achse und auf die /-Achse von den Beschleunigungsmessern 33 bzw. 34 festgestellt werden. Durch Anbringung der Plattform im wesentlichen auf der Vertikalen durch den ruhenden Punkt in einem Abstand d über diesem Punkt werden jedoch die die Störungen ausdrückenden Gleichungen sehr vereinfacht

Eine Maßnahme zur Kompensation dieser Störungen, deren Prinzipschema in F i g. 7 dargestellt ist besteht darin, zwei zusätzliche Winkelbeschleunigungsmesser 39 und 40 vorzusehen, welche die Winkelbeschleunigungen Q_x der Rollbewegungen bzw. die Winkelbeschleunigungen Qy der Stampfbewegungen messen. Integratoren 41, 42 und 43 liefern aus den von den Winkelbeschleunigungsmessern 35,39 und 40 gemessenen Winkelbeschleunigungen die Winkelgeschwindigkeiten Q_x, Qy bzw. Q₇.

Multiplizierschaltungen 44, 45 und 46 bilden das Quadrat der Winkelgeschwindigkeiten Q_x und Q_y sowie das Produkt Q₁ ■ Q₇. Addierschaltungen 47, 48, 49, die

zugleich eine Multiplikation in Abhängigkeit von dem zuvor angegebenen Abstand d durchführen, liefern Signale, welche die folgenden Ausdrücke darstellen:

y_: = -(Ω\ + Ω]) el.

Diese Ausdrücke entsprechen den Projektionen der sich aus den Drehbewegungen ergebenden linearen Störbeschleunigungen auf die Achsen des mit dem Schiff verknüpften Koordinatensystems, wenn die Plattform in der zuvor angegebenen Weise montiert ist.

Diese Komponenten werden auf das mit der horizontalen Plattform 32 verknüpfte rechtwinklige Koordinatensystem durch die Resolver 37 und 38 projiziert, welche Signale bilden, die den Störbeschleunigungen proportional sind:

y_x = y_xcos T+ (y,.sin R + y.cos R) sin T, y_y = y_r cos R + V; sin R .

Diese Signale werden in Addierschaltungen 50 und 51 von den Werten abgezogen, die von den Beschleunigungsmessern 33 bzw. 34 gemessen werden. Die Ausgangssignale der Addierschaltungen 50 und 51 entsprechen somit den korrigierten Längs- bzw. Querbeschleunigungen, die in den Beschleunigungsregelkreisen für die x-Richtung bzw. die y-Richtung verwendet werden.

Es kann jedoch auch ein vereinfachtes Kompensationsverfahren angewendet werden.

Im allgemeinen ist nämlich das Produkt der Winkelgeschwindigkeiten klein gegen die Winkelbeschleunigung; ferner ist die Winkelgeschwindigkeit der Rollbewegung gegen den Querneigungswinkel um 90° phasenverschoben, ebenso wie die Winkelgeschwindigkeit der Stampfbewegung gegen den Längsneigungswinkel, wobei dieser einige Grade nicht überschreitet. Die Störbeschleunigungen können daher in folgender vereinfachter Form geschrieben werden:

Y_x" ■** ä_yd.

y_y" = -Q_xdcos R

wie in Fig.8 für die Rollbewegung dargestellt ist. Gemäß Fig.9 werden die von den Winkelbeschleunigungsmessen: 39 und 40 gelieferten Signale durch die Addierschaltungen 50 und 51 von den Signalen der Linearbeschleunigungsmesser 33 bzw. 34 abgezogen, mit einem Bewertungsfaktor, welcher der Multiplika tion mit dem Abstand d entspricht, wobei die Winkelbeschleunigung U_x außerdem noch durch den Resolver 37 geht, damit sie mit cos R multipliziert wird.

Das auf diese Weise erhaltene korrigierte Beschleunigungsmeßsignal wird in der Beschleunigungsregelschleife der Korrekturschaltung 15 vom Proportional-Integral-Typ zugeführt. Die Parameter der Korrekturschaltung 15 werden nach den klassischen Verfahren zur Berechnung von Regelschleifen bestimmt und hängen offensichtlich von der Übertragungsfunktion des Schiffes ab. Wenn die Verstärkung des aufgeschnittenen Beschleunigungsregelkreises mit G bezeichnet wird, lautet die bekannte Formel, welche die von der Masse des Schiffes unter dem Einfluß einer Störkraft F₁, angenommene Beschleunigung wiedergibt:

r =

F₁₁

H(X +G)

Die Beschleunigungsschleife hat also die Wirkung, daß bei kleinen Bewegungen und im Durchlaßbereich die Trägheit des Schiffes künstlich mit (1 + G) multipliziert wird, wodurch dessen Empfindlichkeit gegenüber Störungen entsprechend verringert wird. Ferner wird die Wirkung der Linearisierung der Schubkraft durch das Organ 11 durch die Beschleunigungsregelung ergänzt, damit die von dem Schiff angenommene Beschleunigung dem Befehl proportional gemacht wird, der einem der übrigen Eingänge der Addierschaltung 12 zugeführt wird.

Die Moglicnkeit der Einstellung der Korrekturschaltung 15 in der Beschleunigungsregelschleife ergibt ferner eine sshr große Freiheit für die Einstellung der Korrekturschaltung 21 im Positionsregelkreis, so daß eine optimale Anpassung an den verwendeten Fühler möglich ist. Insbesondere besteht eine vorteilhafte Ausbildung der Korrekturschaltung 21 in der Anwendung einer rekursiven Filterung, genannt Kaiman-Filterung. Das ausgefilterte Positionsfehlersignal wird der Addierschaltung 12 über einen Umschalter 22 zugeführt.

Wenn dieser Umschalter in dem Schema von F i g. 3 in die obere Stellung gebracht wird, ist die Positionsregelschleife offen, und die Regelanordnung empfängt das Ausgangssignal eines Potentiometers 23. Dieses Potentiometer wird von Hand mit Hilfe einer Handsteuerung 24 mit automatischer Nullrückstellung angetrieben, was die Einstellung der Schubkraft der Antriebselemente und die Steuerung des Fahrzeugs ermöglicht. Die Beschleunigungsgegenkopplung macht diese Steuerung besonders weich.

Um eine kontinuierliche Anpassung der Verstärkung und der Phase der Korrekturschaltung zur Kompensation von Änderungen der Ansprechkennlinie des Schiffes durchzuführen, wird das von der Beschleunigungsmeßanordnung 14 gebildete Signal auch einer Schaltungsanordnung 16 zugeführt, deren Ausgang mit einem weiteren Ausgang der Addierschaltung 12 verbunden ist, wodurch ein weiterer Regelkreis gebildet ist, der Selbstanpassungs-Regelkreis genannt wird. Ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung i6 ist in Fig. 10 im einzelnen dargestellt Ein Oszillator 52 erzeugt ein Wechselspannungssignal, von dem ein Bruchteil in die Addierschaltung 12 eingegeben wird, und dessen Frequeiiz nahe bei der Grenzfrequenz der Beschleunigungsregelschleife gewählt ist Die sich daraus ergebende Modulation der Schubkraft in der Größenordnung von einigen Prozent des Maximalwertes reicht aus, um eine Bewegung des Schiffes zu verursachen, die von den Beschleunigungsmessern feststellbar ist, ohne daß der Betrieb des Schiffes in irgendeiner Weise gestört wird. Die gemessene Beschleunigung wird Multiplizieranordnungen 53 und 54 zugeführt, die auch das Ausgangssignal des Oszillators 52 empfangen, und zwar einmal direkt und das andere Mal mit einer Phasenverschiebung von π/2. Nach Filterung der Ausgangssignale der Multiplizieran-Ordnungen 53 und 54 durch Tiefpaßfilter 55 und 56 erhält man die gleichphasige Komponente und die um 90° phasenverschobene Komponente ν der Bewegung des Schiffes. Dieses Detektorverfahren ergibt eine

Korrelation und ermöglicht die Beseitigung aller Signale, die nicht mit der angelegten Schwingung synchron sind, insbesondere der vom Seegang stammenden Signale. Eine aus dem Resolver 57, dem Motor 59 und seinem Regelverstärker 58 bestehende bekannte Anordnung liefertjiufjjrund der Komponenten ii und ν den Betrag A = ]fu² + v² und die Phase arc tg u/v der synchronen Beschleunigung. Diese Werte werden mit einer bei 60 voreingestellten Amplitude bzw. einer bei 61 voreingestellten Phase verglichen, und die Abweichungen werden in einem Verstärker 62 bzw. 63 verstärkt, damit die Verstärkung des linearen Verstärkerteils, der gemäß der vorstehenden Beschreibung im Organ 11 enthalten ist, sowie die Zeitkonstanten des Korrekturnetzwerkes 15 in geeigneter Richtung gesteuert werden.

Der Block 25 von F i g. 3 steht für die Gesamtheit der Fühler von an sich bekannter Art, v/elche die Kraft und Richtung des Windes, der Strömung und des Seegangs messen. Die von diesen Fühlern gelieferten Signale werden einer Schaltungsanordnung 26 zugeführt, welche das physikalische System 13 simuliert. Die Kräfte und Drehmomente, die sich aus dem Einfluß eines Windes der Geschwindigkeit Kund der Richtung φ,, ergeben, können nach den folgenden bekannten Formeln berechnet werden:

F_x, F_n.
C₁.

— />S₁. K₁.² C„sin ψ,..

— pS_rLK²C_lvs\n2ip,

Darin sind ρ die Dichte der Luft, S, eine Bezugsfläche des über Wasser liegenden Teils des Schiffes, L die Länge des Schiffes und C₁* C_)v, Q_v die aerodynamischen Koeffizienten, die an einem Modell im Windkanal gemessen worden sind. Ähnliche Formeln drücken die Wirkungen der Strömung auf den Unterwasserteil des Schiffes aus, wobei die hydrodynamischen Koeffizienten durch Modellversuche in einem Schleppkanal bestimmt werden.

Der Einfluß des Seegangs ist komplizierter, doch kann die mittlere Schubkraft näherungsweise durch Gleichungen gleicher Form bestimmt werden, die aus Schleppkanalversuchen abgeleitet werden.

Die Organe 25 und 26 bilden somit einen »Vorwegnahmekreis«, der Signale liefert, welche den Einfluß der Störkräfte vorwegnehmen, bevor dieser Einfluß von den Positionsfühlern und den Beschleunigungsmessern festgestellt wird.

F i g. 11 zeigt ein Ausführungsschema der Schaltungsanordnung 26. Diese analoge Simulierung zeigt sehr gut das Verfahren der Bildung der Vorwegnahmeglieder, doch ist sie nicht als Einschränkung anzusehen, sondern es ist auch beispielsweise eine digitale Berechnung dieser Glieder möglich.

Eine Multiplizierschaltung 64 bildet das Quadrat der Geschwindigkeit V_v mit einem Maßstabsfaktor, der die erhaltene Spannung in Übereinstimmung mit dem Wert

öS, V,²/2 bringt. Ein Resolver 65, der auf einem Winkel i/i, eingestellt wird, multipliziert diese Spannung einerseits mit cos ψ, und andererseits mit sin i/\. Das cos ψι-Glied wird seinerseits durch einen Resolver 66 mit sin ψ,, multipliziert, was eine Resultierende ergibt, die dem Wert sin 2 ψ, proportional ist. Multiplizierschaltungen 67, 68, 69 bilden dann das Produkt dieser drei Glieder mit den entsprechenden Koeffizienten C,,, C₁, bzw. Ch-. Nun sind aber bekanntlich diese Koeffizienten nicht vollkommen konstant, sondern sie ändern sich in Abhängigkeit von der Richtung ψ,. Sie werden deshalb in Abhängigkeit von dem Winkel φ, von analogen Funktionsgeneratoren 70,71 bzw. 72 gebildet, welche die aus Modellversuchen abgeleiteten Kurven wiedergeben.

Die gleichen Operationen werden von der Schaltungsgruppe 76 auf Grund der Parameter durchgeführt, welche die Strömung bzw. den Seegang betreffen. Die erhaltenen Spannungen werden von Addierschaltungen 73, 74, 75 addiert, wodurch die Erwartungssignale F'_xp, F'yp, Cp gebildet werden, die der Addierschaltung 12 der entsprechenden Regelanordnung zugeführt werden. Die auf diese Weise gesteuerten Antriebselemente wirken dann den auf das Schiff ausgeübten äquivalenten Störungen F_xp, F_yp bzw. C_p entgegen.

Die Berechnung der äußeren Störkräfte ermöglicht noch die Bestimmung der resultierenden Richtung dieser Kräfte in vorteilhafter Weise. Die Komponenten F\p und F'yp werden zu diesem Zweck dem Resolver 77 von Fig. 12 zugeführt, der seinerseits durch einen Verstärker 78 und einen Motor 79 entsprechend der bereits in Fig. 10 dargestellten bekannten Anordnung stellungsgeregelt wird. Der cos-Ausgang des Resolvers stellt den Betrag F_p der Gesamtstörung dar, während die Winkelstellung dem Winkel ψ_Ρ entspricht. Nun ist es bekannt, daß die vom Wind oder der Strömung ausgeübte Schubkraft am kleinsten ist, wenn das Schiff dem Wind bzw. der Strömung zugewandt ist. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn als Fehlersignal der Drehmomentregelanordnung nicht mehr die Abweichung in bezug auf den eingestellten Kurswinkel Θο verwendet wird, sondern das Ausgangssignal eines Resolvers 83, der auf den gleichen Winkel ip_p eingestellt wird. Diese Umschaltung erfolgt durch die Umschaltkontakte eines Relais 82, das durch eine Vergleichsschaltung 80 erregt wird, wenn der Betrag F_p der äußeren Störungen einen Schwellenwert überschreitet, der mit Hilfe eines Potentiometers 81 eingestellt wird.

Die beschriebene Anordnung kann in allen Fällen angewendet werden, in denen ein Schiff eine vorbestimmte Position allein mit Hilfe seiner Antriebselemente einhalten soll. Eine besonders interessante Anwendung betrifft die Schiffe zur Durchführung von Unterwasserbohrungen und von ozeanographischen Untersuchungen. Die Anordnung eignet sich auch für Unterwasserfahrzeuge, welche zum Auffinden von Wracks dienen oder Operationen an den Bohrlochköpfen durchführen, wobei die Vorteile der beschriebenen Anordnung sowohl bei der Einhaltung eines festen Punktes als auch bei diffizilen Annäherungs- und Kontaktaufnahmemanövern in Erscheinung treten. Diese Navigationseigenschaften sind femer auch für die Bewegungen und das Anlegen von großen Schiffen, insbesondere von Riesentankern vorteilhaft

Hierzu 6 Blatt Zeichnuncen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur dynamischen Einhaltung der Position und zum Steuern eines Wasser- oder Unterwasserfahrzeugs mit in wenigstens zwei Koordinatenrichtungen wirkenden Antriebselementen unter Verwendung von Positions- und Kursfühlern, die der Istposition bzw. dem Istkurs entsprechende Signale erzeugen, welche über Positionsregelkreise die Betätigung der Antriebselemente im Sinn einer Beseitigung der Abweichung von der Sollposition bzw. dem Sollkurs steuern, dadurch gekennzeichnet, daß Beschleunigungsmeßanordnungen vorgesehen sind, die auf die Linearbeschleunigungen in der Längs- und Querrichtung sowie auf die Winkelbeschleunigung um die vertikale Acb.se ansprechen, und daß jedem Fositionsi egelkreis ein Beschleunigungsgegenkopplungskreis großer Bandbreite zugeordnet ist

2. Anordnung nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine Vorwegnahmeschaltung, welche Signale erzeugt, die den auf Grund der herrschenden Wind-, Strömungs- und Seegangsverhältnissen zu erwartenden Kräften und Drehmomenten entsprechen, und daß diese Signale in die Regelanordnung derart eingeführt werden, daß sie die Antriebselemente zur Erzeugung entgegengesetzt wirkender Kräfte und Drehmomente steuern.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur automatischen Korrektur des Verhaltens des Schiffes mit einer Anordnung zur Einführung eines Wechselsignals in die Regelanordnung, einer Anordnung zur Korrelation des Wechselsignals mit den Ausgangssignalen der Beschleunigungsmeßanordnung und mit einer Anordnung zur Steuerung der Verstärkung und der Phase von in den Regelkreisen enthaltenen Korrekturschaltungen zur Aufrechterhaltung eines konstanten Gesamtverhaltens.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Linearisierung der Ansprechkennlinie jedes Antriebselements in die Regelkreise ein Organ eingefügt ist, dessen Amplitudenkennlinie invers zu der Ansprechkennlinie des zugeordneten Antriebselements ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Winkelbeschleunigungsmesser zur Messung der Winkelbeschleunigungen um die Längsachse und die Querachse des Fahrzeugs vorgesehen sind, und daß die Linearbeschleunigungsmeßanordnungen Anordnungen enthalten, welche die sich aus diesen Winkelbeschleunigungen ergebenden Störgrößen in der Längs- und Querrichtung berechnen und von den gemessenen Linearbeschleunigungen abziehen.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwegnahmeschaltung eine Anordnung enthält, welche aus der Messung des Windes, der Strömung und des Seegangs die resultierende Richtung der Störungen berechnet und die Drehbewegung des Schiffes derart regelt, daß das Schiff dieser Resultierenden zugewandt ist, wobei diese Regelung an die Stelle der Einhaltung eines Sollkurses tritt, wenn die berechnete Gesamtschubkraft einen bestimmten voreingestellten Wert überschreitet.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

gekennzeichnet durch eine Umschaltvorrichtung, welche den Positionsregelkreis vom Ausgang der Positionsfühler auf eine handbetätigte Vorrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals umschaltet

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung entsprechend den vorhandenen Regelanordnungen derart unterteilt ist, daß die Handsteuerung wahlweise in einer oder mehreren Regelanordnungen an die Stelle der automatischen Positionsregelung treten kann.