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Verfahren und Einrichtung zur Verminderung der statistischen Schwankungen der Stellgrösse bei elektrischen Nachlaufregelsystemen und Anwendung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verminderung der statistischen Schwan- kungen der Stellgrösse bei elektrischen Nachlaufregelsystemen und eine Anwendung des Verfahrens.
In Regelsystemen wird bekanntlich mit einem Mef3wertfUhler der Istwert der Regelgrösse gemessen.
Im Regler wird dieser gemessene Wert mit dem Sollwert verglichen und daraus die Stellgrösse abgeleitet.
Bei derartigen Regelungen bleibt der Sollwert der Regelgrösse im allgemeinen unverändert, wenn auch gelegentlich Verstellungen vorgenommen werden. Die Regelung hat dabei die Aufgabe, die EinflUsse einer Störgrösse auszugleichen. Neben diesen Regelungen gibt es eine weitere Art von Regelungen, bei denen sich der Sollwert stetig ändert und der Istwert diesem Sollwert nachgeführt werden muss, man spricht in diesem Falle von Nachlaufregelungen. Im englischen Sprachgebrauch hat sich dafür der Ausdruck "follow-up-servo"eingebürgert.
In beiden Regelungsarten kann oft festgestellt werden, dass die Regelgrösse und der Sollwert statistisch schwanken. Diese Schwankungen werden auf das Stellglied übertragen, wodurch bei einer Regelanlage oft das unerwünschte Pendeln des Istwertes um den Sollwert auftritt. Dies wird in vielen Fällen durch entsprechende Dämpfung vermindert, wodurch die Regelung träger wird.
Die Schwankungserscheinungen sollen nachfolgend an der Winkelnachlaufregelung eines ZielfolgeRadargerätes erläutert werden.
Bei einem Zielfolge-Radargerät mit konischer Abtastbewegung rotiert bekanntlich der Radar-Richtstrahl unter einem bestimmten Neigungswinkel zur Antennenachse, so dass sich im Raum eine konische Abtastfigur ergibt (conical scan). Aus der Modulation des Echosignals eines im Richtstrahl befindlichen Zieles kann die Lage desselben in bezug auf die Antennenachse festgestellt werden. Infolge des Einflusses verschiedener Störquellen wird das Ziel jedoch nicht genau verfolgt. Die Antennenachse führt be- zugleich des Zielmittelpunktes gewisse statistische Schwankungen durch, die die Bestimmung der genauen Lage des Zieles erschweren. Die Gründe dieser scheinbaren Zielbewegung sind unterschiedlich :
1.
Der Rückstrahlschwerpunkt eines fliegenden Zieles bewegt sich dauernd, durch die Veränderung des Anstrahlwinkels, innerhalb und zeitweise sogar ausserhalb der Ansichtsfläche des Zieles. In der Radarfachsprache bezeichnet man diese Erscheinung als "angle noise".
2. Bei gewissen Radar-Zielfolgesystemen, wie beispielsweise bei der konischen Abtastbewegung, beeinflusst die Schwankung der Echoamplitude, hervorgerufen durch laufende Veränderungen des Ruckstrahl- querschnittes, die Winkelfehlerspannung des Radarempfängers derart, dass die hieraus gewonnenen Regelspannungen Zielablagen vortäuschen, die in Wirklichkeit nicht vorhanden sind. Der für diese Erscheinung verwendete Fachausdruck heisst "amplitude noise".
3. Das im Radarempfänger entstehende Rauschen (receiver noise) erzeugt ebenfalls statistisch schwankende Fehlerspannungen.
4. Als letztes können durch Einstreuungen von Störspannungen im Servosystem und durch mechanisches Spiel in den Nachlaufgetrieben ebenfalls derartige Schwankungen entstehen. Diese sind unter dem Ausdruck "servo noise" bekannt.
Beim Bau eines Zielfolge-Radargerätes wird angestrebt, diese Schwankungen zu verkleinern, um die Genauigkeit der kontinuierlichen Vermessung der Winkelkoordinaten zu erhöhen.
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Ein naheliegender Weg zur Verkleinerung dieser Fehler durch Ausmittlung über ein längeres Zeitintervall ist vielfach nicht anwendbar, da die Zeitkonstante des Servosystems unzulässig erhöht wird und damit die dynamische Genauigkeit der Zielverfolgung nicht mehr genügt.
Der Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens'zur Verminderung dieser Störeinf1Usse. ohne die Zeitkonstante des Nachlaufsystems zu beeinflussen. Dies wird dadurch erreicht, dass durch mindestens zwei wenigstens teilweise voneinander unabhängige Messeinrichtungen, deren statistische Störungen in keiner Wechselbeziehung zueinander stehen. Fehlersignale erzeugt werden, und dass das jeweils betragsmässig kleinste Fehlersignal als Regelsignal zur Steuerung des Stellgliedes ausgewählt wird.
Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens beschränkt sich auf den Fall mit zwei Messeinrichtungen, wobei die Fehlersignale in Form von Gleichspannungen vorliegen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungen je einer Gleichrichter-Schaltung zugeführt werden, von deren Ausgangsspannungen in Amplituden-Diskriminator die betragsmässig kleinere auswählt.
Im vorgeschlagenen Verfahren, angewendet auf Zielfolge-Radargeräte, werden die Winkelkoordinaten, bezogen auf die Antennenachse, mit zwei voneinander unabhängigen Sende-Empfangskanälen, die für unterschiedliche Arbeitsirequenzen ausgerüstet sind, vermessen. Da bei voneinander unabhängigen Messungen der Winkelkoordinaten eines Zieles die statistischen Fehler der beiden Messungen in keiner Wechselbeziehung stehen, ist es möglich, die Antenne mit geringeren statistischen Fehlern dem mittleren Reflexionsschwerpunkt des Zieles nachzuführen.
Gegenüber den bekannten Methoden zur Verkleinerung der statistischen Schwankungen infolge von Störeinflüssen zeigt die Erfindung grosse Vorteile mit praktisch demselben Aufwand. Zwei bekannte Ausführungen seien kurz dargestellt :
Das Ziel wird mit zwei getrennten Zielverfolgungsradargeräten, die mit verschiedenen Arbeits-
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voneinander verfolgt. Aus den gemessenen Winkelablagen wird der Mittelwert der einzelnen Winkelkoordinaten gebildet, der dann eine kleinere Amplitude der statistischen. Schwankungen aufweisen wird, da einerseits die Rückstrahlschwerpjnkte des Zieles für beide Arbeitsfrequenzen nicht am gleichen Ort liegen und anderseits die mit Hilfe der konischen Abtastbewegung ermittelten Fehlersignale durch die Schwankung des Zielechos ungleich beeinflusst werden.
Eine derartige Lösung ist sehr aufwendig, da zwei vollständige Radargeräte benötigt werden.
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Kanäle auf die gleiche Antenne arbeiten und in beiden Empfangskanälen unabhängig voneinander die Winkelfehlerspannungen erzeugt werden. Die Steuerung des Nachlaufsystems der gemeinsamen Antenne kann in diesem Fall mit dem Mittelwert der beiden unabhängig ermittelten Fehlerspannungen erfolgen. Bei dieser Lösung wirkt sich vorteilhaft aus, dass sich die Rückstrahlschwerpunkte infolge der zwei verschiedenen Arbeitsfrequenzen verschieden bewegen. Die Zielecho-Fluktuationen sind trotz der Verwendung des gleichen Systems für die konische Abtastbcwegung bis zu einem gewissen Grad unabhängig voneinander. Es zeigt sich, dass mit einem solchen System wohl eine Reduktion der statistischen Winkelablagen erzielt werden kann.
Die damit erreichte Verbesserung steht jedoch immer noch in keinem Verhältnis zum Aufwand.
Ein weiterer Schritt führt auf das Verfahren gemäss der Erfindung, bei dem die Verarbeitung der Win-
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motoren wird dann die jeweils absolut kleinere Fehlerspannungskomponente verwendet. Auf diese Weise gelingt es, die früher unter l, 2 und 3 genannten statistischen Schwankungen erheblich zu reduzieren.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert, wobei die Fig. la und 1b mögliche Lagen momentaner Rückstrahlschwerpjnkte auf einem Flugzeug darstellen, Fig. 2 als Blockschema ein Radargerät zeigt und die Fig. 3 und 4 schematisch die erfindungsgemässe Einrichtung zeigen.
In den Fig. la und 1b wird das Ziel Z mit zwei Radarstrahlen verschiedener Arbeitsfrequenz angestrahlt. Der Durchdringungspunkt der Antennenachse mit der Zielebene liegt bei O. In einem ersten
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bei Pu'derjenigen der Arbeitsfrequenz 12 bei Rj. Die Zerlegung der Ablage der Reilexionspunkte, bezogen auf den Durchstosspunkt 0, sei für den Punkt P, mit CI und X bezeichnet, für den Punkt R. mit "2 und 4.
Für eine zweite mögliche Lage des Zieles in einem andern Zeitpunkt ge-
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Die Bezeichnung α gilt dabei für die Seitenwinkelkomponenten und die Bezeichnung X für die Höhenwinkelkomponenten der Winkelablage. Fig. la zeigt, dass bei der Zerlegung der Winkelfehlervektoren im ersten Fali die entsprechenden Komponenten entgegengesetzt polarisiert sind. Eine derartige Arord- nung der Rückstrahlschwerpunkte weist nicht auf eine Ablage des Zieles gegenüber der Antennenachse hin. Bei der kontinuierlichen Verfolgung sollte sich die Antenne daher ohne Positionskorrektur gleichförmig weiterbewegen. (Durchdringungspunkt 0 = O'.) Anders ist es in F ig. lb.
Hier sind die Komponenten paarweise gleichgerichtet, so dass auf eine Ablage des Zieles geschlossen werden kann. Erfindungsgemäss wird nun von diesen Komponenten jeder kleinere Wert ausgewählt. Für die in Fig. 1b gezeichnete Lage sind dies der Seitenwinkel al und der Höhenwinkel . Der Durchdringungspunkt der Antennenachse durch die Zielebene wird von 0 nach O' verschoben.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Radargerätes, bei dem das erfindungsgemässe Verfahren angewendet ist. Dabei ist die Antenne 1 durch den Höhenwinkelnachlaufmotor 3 und den Seitenwinkelnachlaufmotor 2 gesteuert. Die beiden Sende-Empfangs-Kanäle 4 und 5 arbeiten mit den Frequenzen fl und f2. jeder dieser Kanäle ist mit einem Sender 6 bzw. 7 und einem Empfänger 8 bzw. 9 ausgerüstet. Aus jedem Empfänger werden die Winkelfehlerspannungen gewonnen, aus dem Empfänger 8 die Seitenwinkelfehlerspannung 1α1 und die Höhenwinkelfehlerspannung #1, aus
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Empfängerse Winkelfehlerspannungen sind zweidrahtig geführt. Jede Ader führt in bezug auf ein Vergleichspotential symmetrische Spannungen. Die auf das Vergleichspotential bezogenen positiven Spannungen sind mit
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bzw. "2. "-znet.
In einer Seitenwinkelfehler-Vergleichsschaltung 10 und in einer Höhenwinkel-Vergleichsschal- tung 11 werden von diesen Fehlerspannungskomponenten die jeweils kleineren Komponenten ausgewählt. Die entstehenden Kombinationsfehlerspannungen (ak und Xk mit den Spannungskomponenten ctk, ak* und , \k') werden auf die entsprechenden Nachlaufmotoren 2 bzw. 3 geführt.
An Hand der Fig. 3 wird die Arbeitsweise einer Schaltungsanordnung erläutert, mit der aus zwei Gleichspannungen die jeweils absolut kleinere ausgewählt wird. Die Schaltungsanordnung besteht aus den zwei Gleichrichter-Schaltungen mit den Dioden 27,28, 37,38 bzw. 29,30, 39,40 und dem Amplituden-Diskriminator mit den Dioden 48-51 und den Widerständen 42-47. Die beiden Spannungsgeneratoren. 31 bzw. 32 geben zwei gegen Masse symmetrische Spannungen U1, U* bzw. U2, U2* ab. Ist die Polarität der Spannungen U1 bzw. Ul'" derart, dass der Leiter 33 positives Potential führt, so gelangt der Zweigpunkt 41 auf ein positives Potential und entsprechend der Zweigpunkt 57 auf ein negatives Potential gegen Masse. Bei entsprechender Polarität der Spannungen Ubzw.
IL* führt der Leiter 35 positives und der Leiter 36 negatives Potential. Der Zweigpunkt 54 kommt dabei
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;, tbzw. 36 positives Potential führen, werden die Zweigpunkte 41 bzw. 54 auf ein positives, die Zweigpunkte 57 bzw. 58 auf ein negatives Potential unabhängig von der Polarität der Generatoren 31 bzw.
32 gebracht.
Die Spannungen U1, U1*, U2 und U* haben in der folgenden Betrachtung gleiche Polarität. Die Leiter 33 und 35 führen positive Spannung, die Leiter 34 und 36 negative Spannung gegen Masse. Zur Erklärung der Arbeitsweise wird angenommen, U1 sei grösser als U ;. Es fliesst somit ein Strom
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den Generator 31 zurück. Der Widerstand 43 ist gegenüber den Durchlasswiderständen der Dioden 37 une 38 gross gewählt, so dass zwischen den Zweigpunkten 41 und 57 im wesentlichen die Generatorspannung liegt.
Aus Symmetriegründen liegt die Spannung des Generators 32 ebenfalls über den Zweigpunkten 54 und 58.
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der Annahme,tia-l als der Zweigpunkt 54. Folglich will ein Strom L über das Amplituden-Diskriminatornetzwerk vom Zweigpunkt 41 zum Zweigpunkt 54 fliessen. In dieser Stromrichtung sperrt die Diode 48 ; der Strom il fliesst daher nur über den Widerstand 42. Die Diode 49 liegt für den Strom i1 in Durchlassrichtung, sie ist also viel niederohmiger als der Parallelwiderstand 44 und der Serienwiderstand 42. Auf Grund dieser Impedanzverhältnisse kommen die Punkte 52, 53 und 55 auf das gleiche Potential wie der Zweigpunkt 54. Im unteren Netzwerk weist der Zweigpunkt 57 ein negativeres Potential auf als der Zweigpunkt 58.
Der Strom fliesst also durch die Diode 51 und durch den Widerstand 46. Am Punkt 56 stellt sich annähernd das gleiche Potential ein wie am Zweigpunkt 58.
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Die für den Steuervorgang erforderliche Polarität kann auf eine andere. Art und Weise gewonnen werden, beispielsweise mit polarisierten Relais.
Soll die Schaltungsanordnung neben der betragsmässig kleineren Spannung auch noch die Polarität
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den 27, 28, 37 und 38 bzw. mit den Dioden 29, 30, 39 und 40 müssen nur die Einweggleichrichterschaltungen mit den Dioden 37,38 bzw. 39, 40 verwendet werden. Je nach der Polarität dieser Dioden wird dann durch diese Schaltungsanordnung nur entweder die eine oder andere Polarität der Generatoren berücksichtigt. Insbesondere zeigt sich, dass dann, wenn nur ein Generator umgekehrt polarisiert ist, ebenfalls die betragsmässig kleinere Spannung an den Zweigpunkten 41, 57 bzw. 54 ; 58 ausgewählt wird, also Null Volt.
Um diese Schaltungsanordnung für beide Polaritäten zu verwenden, muss für jede Polarität eine derartige Schaltungsanordnung vorgesehen werden, die sich nur durch die Polarität der Dioden 37-40 und 48-51 voneinander unterscheiden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Aufbau für die Seitenwinkelfehler-Spannungsvergleichsschaltung 10
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Schaltungs-Fig. 4 die Anordnung der Fig. 3 zweimal verwendet wurde, jedoch sind die von den Eingängen abführenden Dioden bei gleichbezeichneten Eingängen ungleich gepolt. Die Dioden der ersten Vergleichsschaltung links sind mit 60 - 67 bezeichnet, diejenigen der zweiten Vergleichsschaltung rechts mit 68-75, die Widerstände der ersten Vergleichsschaltung mit 80-85, diejenigen der zweiten Vergleichsschaltung mit 86 - 91. Die Zusammenschaltung der Vergleichsschaltungen erfolgt über eine Widerstandsadditionsschaltung mit den Widerständen 100 - 103. Die Impedanzanpassung der Vergleichsschaltung an die nachfolgenden Geräte erfolgt durch die Doppeltriode 120, mit der auch die Spannungsverluste der Additionsschaltung ausgeglichen werden.
Die Arbeitwiderstände dieser Röhre sind mit 110 - 116 bezeichnet. Die Speisequellen sind + und-.
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negativ seien, dass ferner α2 kleiner als o, sei. Gemäss den Erläuterungen zu Fig. 3 erscheint die kleinere der beiden Spannungen zwischen den Punkten 130 und 131 (Fig. 4), während zwischen den Punkten 132 und 133 annähernd die Spannung Null Volt liegt. Da die Widerstände 100, 101, 102 und 103 gleich gross sind, liegt zwischen den beiden Punkten 140 und 141 die halbe Spannung der kleineren Fehlerspannung oqt und o. Die beiden Ausgänge 140 und 141 werden in der Röhre 120 verstärkt und auf die Ausgänge a. und αk* gefuhrt.
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Durch die Sperrwirkung der Dioden 66 und 67 für die Spannung c und "'und der Dioden 68 und 69 fUr die Spannung α1 und α1* ist dann an den Ausgängen der Vergleichsschaltungen 130, 131 und 132,133 die Spannung Null Volt. An den Ausgängen cxk und o* ist die Spannung ebenfalls Null Volt.
Sind beide Fehlerspannungskomponenten negativ, so ist die erste Vergleichsschaltung gesperrt und die zweite Vergleichsschaltung in Betrieb. Die Arbeitsweise der zweiten Vergleichsschaltung ist dieselbe wie diejenige der ersten Vergleichsschaltung, so dass nun am Ausgang 133 der negative Betrag, am Ausgang 132 der positive Betrag der kleineren der angelegten spannungen α1 - α1* und α2 - α2* steht, Über die Additionsschaltung mit den Widerständen 100 - 103 werden diese Spannungen auf die Röhre 120 und weiter auf die Ausgänge αk und αk* geführt.
Die Auswirkung dieser Schaltung auf die Fig. 1 ist nun die folgende: Für die beiden Punkte P. und P2 der Fig. la erfolgt keine Korrektur der Bewegung der Radarantenne. Hingegen wird nun, wie erwartet, die Antennenachse bei der Vermessung der Zielablage durch die Punkte P1 und Pz der Fig. 1b korrigiert. Der Servomotor 2 (Fig. 2) für die Seitenwinkelsteuerung erhält die Fehlerspannung α1 und der Servomotor 3 (Fig.2) für die Höhenwinkelsteuerung erhält die Fehlerspannung #2. Die Antennenachse bewegt sich somit in Richtung gegen den Punkt'0'.