Differenxierender Beschleunigungsmesser
Die vorliegende Erfindung betrifft einen diffe renzierenden Beschleunigungsmesser, insbesondere zur Stabilisierung von Servomechanismen. Bei vielen elektronischen Instrumenten und Systemen wird eine raumstabilisierte Plattform benötigt. Derartige Systeme enthalten oft automatische Radarsteuerungen, Trägheitssteuersysteme, Streckenmessgeräte für Flugkörper und dergleichen. Stabilisierte Elemente dieser Art werden beispielsweise für von Schiffen oder Flugzeugen ausgehende Waffen verwendet.
Die Mittel zur Bestimmung von räumlichen Verschiebungen bei derartigen elektronischen Mess Systemen besitzen oft die Form von Tachometergeneratoren. Theoretisch erzeugt dieser Generator dabei ein elektrisches Rückkopplungssignal in Abhängigkeit von der räumlichen Verschiebung. Die Verwendung von derartigen Tachometergeneratoren flir raumstabilisierte Systeme bedingt jedoch verfälschende, unveränderliche Fehler. Dies ist darauf zurückzuführen, dass zwischen der stabilisierten Plattform und dem Fahrzeug bzw. andern Trägermitteln eine Bewegung stattfindet, die durch Tachometergeneratoren erfasst werden und daher fehlerhafte Rückkopplungssignale dem Servosystem übermitteln.
Um bei raumstabilisierten Servomechanismen eine zuverlässige Gesamtverstärkung zu erhalten, sind daher Tachometergeneratoren zur Erzeugung des Rückkopplungssignals nicht geeignet.
Eine Vorrichtung, die in der Lage ist, eine räumliche Bewegung zu erfassen, ohne von der Bewegung des Trägers beeinflusst zu werden, ist somit für eine Verbesserung von elektronischen Instrumenten in raumstabilisierten Systemen unerlässlich. Das Erfordernis für einen Beschleunigungsmesser oder eine äquivalente Einrichtung, die in der Lage ist, ein Signal abzugeben, das die absolute Beschleunigung anzeigt, besteht insbesondere für Rückkopplungssteuersysteme, um diese Systeme hinreichend zu sta bilisieren,
Es ist daher ein Zweck der vorliegenden Erfindung, solche Mittel zur Stabilisierung von Servosystemen zu schaffen.
Insbesondere soll der Verstärkungsverlust, der bei den bisherigen Mitteln zur Gewinnung des Fehlersignals auftritt, vermieden werden, und zwar dadurch, dass ein differenzierender Beschleunigungsmesser geschaffen wird, der es ermöglicht, Bewegungen, beispielsweise einer zu stabilisierenden Plattform bezüglich der Raumkoordinaten, zu erfassen.
Zu diesem Zweck kann der Beschleunigungsmesser mit der Plattform fest verbunden und damit deren Geschwindigkeiten ausgesetzt sein; dann erfasst der Beschleunigungsmesser nicht eine Relativbewegung zwischen der Plattform und den diese Plattform tragenden Teilen, sondern nur die Absolutbewegung im Raum. Dies ermöglicht die Erzeugung eines Rückkopplungssignals, welches auf Relativbewegungen nicht anspricht.
Der Beschleunigungsmesser gemäss der vorliegenden Erfindung besitzt ein Gehäuse, eine bewegliche Masse sowie Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Spannung. Kennzeichnend ist hierbei, dass federnde Mittel vorgesehen sind, die die bewegliche Masse elastisch mit dem Gehäuse verbinden und eine Kraft bewirken, die einer Bewegung der Masse bezüglich des Gehäuses entgegenwirkt, und dass Dämpfungsmittel vorgesehen sind, die auf die bewegliche Masse einwirken und deren Bewegungen abschwächen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die bewegliche Masse als gedämpftes Drehpendel ausgebildet, welches bei konstanter Beschleunigung eine konstante Kraft erzeugt, wobei unterhalb der Resonanzfrequenz der Einrichtung eine elektrische Spannung erzeugt wird, die proportional zu der Änderung der Beschleunigung ist und oberhalb der Resonanzfrequenz eine Rückkopplungsspannung gewonnen wird, die proportional zu der Geschwindigkeit der beweglichen Masse ist. Durch die Verwendung von beiden Signalen ist eine optimale Stabilisierung von raumstabilisierten Servomechanismen möglich.
Die Erfindung soll anschliessend anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise näher erläutert werden, wobei darstellen:
Fig. 1 ein differenzierendes Beschleunigungsmessgerät mit viskosen Dämpfungsmitteln,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines differenzierenden Beschleunigungsmessers mit elektromagnetischen Dämpfungsmitteln und
Fig. 3 eine graphische Darstellung der inversen Übertragungsfunktion eines Differentialbeschleunigungsmessers.
In Fig. 1 ist mit 1 ein differenzierender Beschleunigungsmesser bezeichnet. Der Beschleunigungsmesser 1 enthält ein Gehäuse 2 aus Metall oder einem ähnlich massiven Material. Das Gehäuse 2 ist mittels Schrauben 4 oder andern geeigneten Befestigungsmitteln mit der Plattform 3 fest verbunden.
Bei der Plattform 3 handelt es sich um eine stabilisierte Plattform, die beispielsweise in von Flugzeugen ausgehenden Waffen angeordnet ist. Wie ausgeführt, ist der gesamte Beschleunigungsmesser somit der Nenngeschwindigkeit ausgesetzt.
Tn dem Gehäuse 2 befindet sich ein Trägheitsrad 5. Dieses Rad 5 ist genau in eine ringförmige Kammer 6 eingepasst, die sich zentral in dem Gehäuse befindet. Die obere und die untere horizontale Begrenzungsfläche des Trägheits- bzw. Schwungrades 5 sind von den einander gegenüberliegenden flachen Flächen der ringförmigen Kammer um einen genau vorgegebenen Abstand getrennt.
Unmittelbar über der ringförmigen Kammer 6 befindet sich eine zweite ringförmige Kammer 7, die mit der ersten Kammer verbunden ist. Die obere Abschlusswand der Kammer 7 und die obere Hori zontalfläche des Rades 5 sind durch einen Torsionsstab 8 mit einer genau gegebenen Federkonstanten miteinander elastisch verbunden. Der Raum ausserhalb des Trägheitsrades 5 innerhalb der ringförmigen Kammern 6 und 7 ist mit einer Dämpfungsflüssigkeit 9 genau gegenüber Viskosität gefüllt. Diese Flüssigkeit dient zur Abschwächung der Bewegung.
Das Erfordernis für eine genaue Beziehung zwischen der Federkonstanten der Feder 8 und derDämpfungswirkung der Flüssigkeit 9 wird durch die nachfolgende Erläuterung verständlich, die auch die ver schiedenen Koeffizienten in dem Gleichungssystem beschreiben.
Zu Fig. 1 wurde bereits ausgeführt, dass das Trägheitsrad 5 so angeordnet ist, dass seine Aussenflächen mit der viskosen Flüssigkeit 9 in Kontakt stehen. Das Rad 5 ist an seiner Unterseite weiterhin mit einer Welle 10 verbunden, die in einem Kugellager 11 drehbar gelagert ist. Selbstverständlich können auch andere Lager mit geringer oder praktisch keiner Reibung zur Lagerung der Welle 10 verwendet werden.
So können beispielsweise gegenläufige Federn oder Torsionsstäbe zur Lagerung des Trägheitsrades verwendet werden. Um zu verhindern, dass die viskose Dämpfungsflüssigkeit aus dem Beschleunigungsmesser ausfliesst, ist ein Dichtungsring 12 unmittelbar über dem Kugellager 11 vorgesehen. Der Teil der Welle 10, der sich durch das Kugellager 11 hindurch erstreckt, ist mit einem Tachometergenerator verbunden, der das Bezugszeichen 13 trägt.
Der Tachometergenerator 13 kann eine gewöhnliche d'Arsonval-Galvanometerspule zur Erfassung von Bewegungen enthalten.
Der Generator 13 enthält somit beispielsweise eine bewegliche Spule 1 3a mit mehreren Drahtwindungen 13b, wie dies aus dem untern Teil von Fig. 1 ersehen werden kann.
Im Bedarfsfall kann das Trägheitsmoment der beweglichen Spule sowie die mit dieser fest verbundenen Masse erhöht werden, so dass das Trägheitsrad 5 nicht mehr erforderlich ist.
Die Drahtwindungen der Spule 1 3a befinden sich in einem magnetischen Feld, das von den beiden Polen 14 und 15 ausgeht, die sich links und rechts von der beweglichen Spule 1 3a befinden. Wie aus der Figur ersehen werden kann, befinden sich die Feldpole 14 und 15 im untern Teil des Gehäuses 2 und können hier auf beliebige Weise befestigt werden. Es sei erwähnt, dass sowohl Permanentmagnete als auch Elektromagnete zur Erzeugung des magnetischen Flusses für den Tachometergenerator 13 verwendet werden können. Da sich das Trägheitsrad und die mit ihm verbundenen Teile um einen bestimmten Winkelbetrag auslenken lassen, erzeugt der Tachometergenerator an den Anschlussleitungen 16 direkt ein Signal, ohne Benützung von Bürsten oder andern Elementen zur Übertragung.
Es ist möglich, lediglich eine einzige Wicklung anzubringen, die nur aus einer Windung besteht.
Während des Betriebes erzeugen Winkelbeschleunigungen, die dem Gehäuse 2 zuteil werden, eine Auslenkung des Trägheitsrades bezüglich dieses Gehäuses. Der Auslenkungswinkel zwischen dem Gehäuse und dem Trägheitsrad ist konstant, solange die Beschleunigung konstant bleibt. Beschleunigungs änderungen verändern jedoch den Auslenkwinkel des Rades und somit auch den der Tachometersnule in dem magnetischen Feld, so dass an den Leitern 16 eine Ausgangsspannung erscheint. Ein Merkmal die ser AusgangssDannunC ist dabei dass ihre Höhe nro- nortional zu der Änderungsgeschwindigkeit der Win kelbeschleunilng ist.
Die Anwendung dieser Span- nuna zur Stabilisieruna von Servosvstemen, wie beisPielsweise von direkt angetriebenen Servomotoren, geht aus der weiter unten erläuterten Theorie der Wirkungsweise des gezeigten Beschleunigungsmes sers hervor.
Fig. 2 zeigt einen weiteren Beschleunigungsmesser ähnlicher Bauart, wobei jedoch auch elektromagne tische Dämpfungsmittel vorgesehen sind. Im übrigen sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wie in Fig. 1.
Das Bezugszeichen 2 bezeichnet wiederum ein Gehäuse mit einer ringförmigen Kammer 7. Auch in diesem Fall ist ein d'Arsonval-Galvanometer 13 vorgesehen. Das Galvanometer 13 besteht aus einer beweglichen Spule 13a, die ein von den Polen 14 und 15 erzeugter magnetischer Fluss durchsetzt. Die bewegliche Spule 13a kann selbst eine so grosse Trägheit besitzen, dass ein separates Trägheitsrad nicht mehr erforderlich ist, wie dies bereits anhand von Fig. 1 erläutert worden ist. Der Drehbewegung zwischen der Spule 1 3a und dem Gehäuse 2 wirkt ein Torsionsstab 8 entgegen, der sich in dem obern Teil der Kammer 7 befindet. Der erwähnten Drehbewegung wirkt darüber hinaus eine Wirbelstrombremse als Dämpfvorrichtung entgegen. Die Wirbeistrom- bremse besteht aus den beiden Feldpolen 17 und einem Rotor 18.
Die Pole 17 können bei dem Beispiel gemäss Fig. 2 Permanentmagnete oder Elektromagnete sein. Wenn eine elektromagnetische Erregung der Feldpole 14 und 15 vorgesehen ist, können die Pole 17 von der gleichen Stromquelle erregt werden.
Der Rotor 18 liegt räumlich zwischen den Polen 17 und durchsetzt somit den von diesen Polen ausgehenden magnetischen Fluss. Der Rotor 18 kann aus einem elektrisch leitenden, aber nichtmagnetischen Material bestehen, wie beispielsweise aus Kupfer, nichtrostendem Stahl usw. Wie allgemein bekannt ist, induziert das durch die Pole 17 erzeugte Feld bei einer Winkelauslenkung einen Stromfluss in dem Rotor. Die magnetischen Felder, die von diesen Strömen hervorgerufen werden, sind nach dem Lenzschen Gesetz dem auslösenden Feld entgegengesetzt und erzeugen somit ein Gegendrehmoment.
Die somit durch den Rotor und die Feldpole (Fig. 2) erzeugte Bremswirkung ist analog der Bremswirkung, die durch die viskose Dämpfflüssigkeit bei dem Beispiel der Fig. 1 hervorgerufen wird und die eine Bremsung in gleicher Richtung bewirkt wie der Torsionsstab 8. Es sei noch erwähnt, dass das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 mit praktisch reibungsfreien Lagermitteln, wie beispielsweise dem Kugellager 11, versehen ist. Schliesslich sind bei diesem Beispiel Abdichtungsmittel 12 vorgesehen, welche die Aufgabe erfüllen, atmosphärische Verunreinigungen von dem Innern des Beschleunigungsmessers entfernt zu halten.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der beschriebenen Beschleunigungsmesser sei auf die inverse Übertragungsfunktion hingewiesen, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Bedeutung der Vorteile, die durch die gezeigten Beschleunigungsmesser bei der Stabilisierung von Servomechanismen erlangt werden, sind durch Fig. 3 verständlich. Zunächst seien die Ausdrücke eingeführt, die bei der nachfolgenden Ableitung erforderlich sind:
1. a = Drehwinkel des Trägheitsrades in bezug auf das Gehäuse.
0 = Drehwinkel zu dem Koordinatenraum (gibt die Lage des Gehäuses im Raum an).
J = Trägheitsmoment des Trägheitsrades oder des Rotors.
B = Dämpfungskonstante (sowohl bei der
Dämpfung durch viskose Flüssigkeiten als auch elektromagnetische Mittel).
K = Federkonstante des Torsionsstabes.
E = die an den Leitern 16 erscheinende
Ausgangsspannung des Tachometers.
KT = Spannungskonstante des Tachometers. d
P = Differentialsymbol dt.
Wenn die folgenden Beziehungen gelten:
2. Jp2 (Ü--a) = Bpa + Ka,
3. als29 = (JIK) I [(JIK)p2 + (BIK)p + 1], 4. E = K, rpa, dann ist
5. (9 = psK, (JIK) I [(JjK)p2 + (B/K)p + 1]
Um die Schreibweise zu vereinfachen, und um den Gleichungen des Servomechanismus das charakteristische Aussehen zu verleihen, werden die folgenden Substitutionen vorgenommen:
6. C für KT(JJK) T für (JIK) 1/2 2ZT für (BIK) und Z für BJJ als Dämpfungsfaktor.
Die inverse Übertragungsfunktion von beiden gezeigten differenzierenden Beschleunigungsmessern ist somit durch folgende Beziehung gegeben:
7. ElE = psC I [T2P2 + 2ZTp + 1]
Es ist zu ersehen, dass der Nenner die charakteristische Gleichung zweiter Ordnung für ein System ist, welches ungedämpft, überdämpft oder kritisch gedämpft ist, in Abhängigkeit von den Wurzeln der Gleichung.
Die Gleichung 7 der inversen Übertragungsfunktion ist in Fig. 3 graphisch dargestellt. Unterhalb der Resonanzfrequenz oj0 des Beschleunigungsmessers ist die Ausgangsspannung des Beschleunigungsmessers proportional zu dem Ausmass der Beschleunigung. Anderseits ist die Ausgangsspannung oberhalb der Resonanzfrequenz proportional zu der Geschwindigkeit. Die Neigung der inversen tÇbertragungs- funktion beträgt somit 18 Decibel pro Oktave unterhalb der Resonanzfrequenz und 6 Decibel pro Oktave über diesem Wert. Zur Stabilisierung von Servosystemen bei rückgekoppelten Steuersystemen ist die letzterwähnte Neigung jedoch erwünscht.
Eine Reihe von Servomechanismen können so mit durch die gezeigten Beschleunigungsmesser stabi ligiert werden. So kann beispielsweise der be schriebene Beschleunigungsmesser die gewöhnlichen Wechselstromrückkopplungstachometer, die mit zwei Widerstands-Kondensatorstromkreisen arbeiten, ersetzen. Bei diesen Wechselstromtachometeranordnungen ist die Neigung der inversen Ubertragungs- funktion unter der Resonanzfrequenz 12 Decibel pro Oktave, was zur Folge hat, dass die Verstärkung bei niedrigen Frequenzen zu gering ist. Oberhalb der Resonanzfrequenz beträgt die Neigung 0 Decibel pro Oktave, was die Grenze der Anwendbarkeit des Systems darstellt.
Die Ausgangsspannung des Wechselstromtachometergenerators bei solchen Systemen erscheint an einem ersten RC-Glied, dessen Zeitkonstante T1 sei.
Die Spannungskonstante des Wechselstromtachometers sei KT.
Die an dem Widerstand des ersten RC-Gliedes erscheinende Spannung gelangt zu einem zweiten RC-Glied, dessen Impedanzwerte so gewählt sind, dass es eine Zeitkonstante von T1 besitzt. Ein derartiges Wechselstromtachometersystem wird gewöhnlich dazu verwendet, Schwingungen bei einem Servomechanismus zu verhindern, wobei die inverse Über- tragungsfunktion sich wie folgt darstellen lässt:
8. ElE = p3KT T12 (1 + pol) 2 oder
9. ElF = psK, T12 t [T12p2 + 2pT1 + 1]
Die Bedeutung von Gleichung 9 liegt in ihrer Ähnlichkeit mit Gleichung 7, die die äquivalente Funktion der gezeigten Beschleunigungsmesser mit Torsionsfedern angibt.
Da der Koeffizient Z (Dämpfungsfaktor) in Gleichung 7 bei einem gegebenen Beschleunigungsmesser frei gewählt und somit auch gleich 1 gesetzt werden kann, ist die Gleichung für die gezeigten Beschleunigungsmesser mathematisch analog der Gleichung des Wechselstromtachometers mit mehreren Stromkreisen, jedoch erzeugen die beiden gezeigten Tachometer anstelle der unbefriedigenden Neigungen von 12 bzw. 0 Decibel zur Stabilisierung die Neigungen von 18 und 6 Decibel pro Oktave. Anhand von Fig. 3 sei noch darauf hingewiesen, dass bei den gezeigten Beschleunigungsmessern die bewegliche Masse so bemessen werden kann, dass die Phasenwinkelreflexionen herabgesetzt sind, die bei der Frequenz (so1 des 0-Durchganges auftreten.
Wenn die Resonanzfrequenz so verlegt wird, dass sie in der Nähe der Uberschneidungsstelle liegt, wird die Verstärkung des Beschleunigungsmessers bei niedrigen Frequenzen erheblich vergrössert. Sowohl der Dämpfungsfaktor und die Resonanzfrequenz können somit bei den gezeigten Beschleunigungsmessern so gewählt werden, dass die Bedürfnisse zur Stabilisierung von speziellen Beschleunigungsmessern erfüllt werden können.