CH651923A5

CH651923A5 - Einrichtung zur vergroesserung der verfolgungsgenauigkeit einer zielvorrichtung sowie zielvorrichtung mit derselben.

Info

Publication number: CH651923A5
Application number: CH7369/80A
Authority: CH
Inventors: Lennart Bjurstroem
Original assignee: Bofors Ab
Priority date: 1979-10-02
Filing date: 1980-10-02
Publication date: 1985-10-15
Also published as: SE434190B; DE3037337C2; IT1128573B; DE3037337A1; FR2466741B1; GB2060839A; IT8049802A0; FR2466741A1; GB2060839B; US4387624A; SE7908148L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Zielvorrichtung mit einer Einrichtung nach Anspruch 1.

Eine Zielvorrichtung bzw. ein Steuersystem für ein Geschütz enthält normalerweise Vergleichungsmittel in Form von Syn-chros, welche das Eingangssignal, den Führungswinkel in horizontaler Richtung oder den Winkel in vertikaler Richtung mit dem wirklichen Winkel in horizontaler Richtung oder mit dem Winkel in vertikaler Richtung des Geschützes vergleichen. Die Synchros geben Fehlsignale ab, welche der Differenz zwischen dem Führungswinkel und dem wirklichen Winkel des Geschützes entsprechen, d. h. den Winkelfehler. Mit Hilfe von Mitteln zur Behandlung von Signalen erhalten die Fehlersignale die geeignete Form und sie werden den Steuermitteln und dem Drehmomentwandler des Geschützes zugefügt. Der Drehmomentwandler treibt dann das Geschütz und die Synchros der Steuertransformatoren über Getriebe an, bis der Winkelfehler 0 beträgt.

Die Mittel zur Behandlung von Signalen wandeln die Signale betreffend den Winkelfehler aus den Synchros in eine geeignete Spannung und geben diesen eine geeignete Form in speziellen Filtern, die derartige Eigenschaften haben, dass eine schnelle Ausrichtung auf das Zielobjekt erfolgt und ein stabiles und genaues Steuersystem vorliegt. Die genannten Signale werden dann weitergeleitet und in zwei Gleichströme in den Mündungen des Pilotmagneten umgewandelt.

Die Form und das Vorzeichen des Winkelfehlers, d. h. der Differenz zwischen dem Führungswinkel aus der Schiesssteueranordnung und dem Winkel des Geschützes, wird dann in den Mitteln zur Behandlung von Signalen in zwei Gleichströme umgewandelt, wobei die Differenz zwischen diesen die Bewegungsrichtung der Beschleunigung des Geschützes bestimmt.

Die Geschützsteuerung enthält normalerweise zwei Phasen. Die erste Phase betrifft das Ausfindigmachen des Zielobjektes und die zweite Phase betrifft die Verfolgung des Zielobjektes. Während der Verfolgungsphase wird eine genaue Verfolgung eines Zielobjektes mit kleinen Winkelabweichungen gewünscht.

Wenn man die Verfolgungsgenauigkeit berechnet, sind nur die Prozesse von niedriger Frequenz interessant. Die niederfrequenten Variationen des Führungswinkels können bewirkt werden durch die Bewegungen des Zielobjektes und auch durch die Bewegungen der Basis, beispielsweise durch die Rollbewegungen eines Schiffes, falls es sich um eine Marinekanone handelt, durch Bewegungen eines Fahrzeuges, welches sich auf dem Boden fortbewegt, wenn es sich um ein Geschütz handelt, das auf dem Fahrzeug angeordnet ist. Bei einem Marinegeschütz scheinen die Zielobjektbewegungen mit einer Frequenz bis ungefähr 0,5 Hz zweckmässig zu sein, während die Basisbewegungen Frequenzen bis 0,2 bis 0,3 Hz betragen. Für ein System zweiter Ordnung kann gezeigt werden, dass bei den Bewegungen von

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Zielobjekt und Basis die Verfolgungsgenauigkeit ungefähr durch die folgende Gleichung bestimmt werden kann:

in welcher x = Winkel, der durch die Schiesssteueranordnung vorbestimmt wird,

y = Geschützwinkel,

Ka = die sogenannte Beschleunigungskonstante, welche ein Mass der Verstärkung in der Schaltung bestimmt, und urx = die befohlene Winkelbeschleunigung.

Aus der Gleichung dürfte ersichtlich sein, dass eine hohe Beschleunigungskonstante Ka aus der Sicht der Genauigkeit gewünscht wird. Die Anforderungen an die Stabilität der Anlage setzen der Ka jedoch eine obere Grenze. Beispielsweise kann erwähnt werden, dass für die früher bekannten Geschütze die Beschleunigungskonstante Ka = 250 sek."2 erreichen kann. Wenn beispielsweise das Schiffsrollen 0,2 Hz und 7° Amplitude aufweist, wird das Höhenrichtmass des Geschützes während der Verfolgung in Richtung Steuerbord oder Backbord mit einer Winkeländerung von ± 7° und mit einer Frequenz von 0,2 Hz befohlen. Die oben erwähnte Gleichung ergibt dann einen maximalen Verfolgungsfehler von x - y = 0,8 mrad.

Für ein Geschütz, das auf einem Fahrzeug, beispielsweise auf einem Tank montiert ist, der sich auf dem Boden bewegt, scheinen die Bewegungen der Basis mit einer Frequenz grösser als ungefähr 1 Hz und mit Amplituden bis 10° als begründet.

Um die Verfolgungsgenauigkeit des Zielobjektes zu vergrös-sern, die für sich genommen wird, sollte das System breitbandig ausgeführt sein, und zwar mit einer hohen Beschleunigungskonstante und mit einem ausreichenden Phasensupplement. Dies ist jedoch in der Praxis nicht geeignet, weil die Empfindlichkeit des Geschützes auf Störungen in entsprechendem Mass zunimmt bei einer derartigen Dimensionierung würde es unerlässlich, die Grenze für das Niveau der maximal zulässigen Störung in den Schiesssteuersignalen bis auf unannehmbare Werte herabzusetzen. Unter den Störungen der Feuersteuerung versteht man normalerweise den hochfrequenten Teil des Winkels, welcher durch die Schiesssteueranlage befohlen wird, wobei dieser aus der Sicht der Zielobjektverfolgung uninteressant ist. Die Störungen werden in Winkelbeschleunigung angegeben, mrad/s2, denn dies ist bereits die Beschleunigung des Geschützes, das gesteuert wird.

Der Störungspegel muss aus mehreren Gründen begrenzt werden:

1. Die Verfolgungsgenauigkeit nimmt wegen der Übermodu-lierung der Verstärker und der hydraulischen Teile ab.

2. Vibrationen bewirken eine vergrösserte Abnutzung der Servomotoren und Getriebe.

3. Ruckartige Bewegungen und Schüttelbewegungen irritieren die Geschütz bedienende Mannschaft sehr.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Einrichtung der genannten Art zu erreichen, in der die Systemverstärkung wesentlich vergrössert werden kann, ohne dabei die Stabilität des Systems bei hohen Frequenzen zu beeinträchtigen und ohne die Notwendigkeit, die Grenze für den maximalen Pegel der zulässigen Störungen in den Schiesssteuersignalen niedriger machen zu müssen.

Dies wird durch eine Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 erreicht.

Ferner wird eine Zielvorrichtung nach Anspruch 7 gezeigt.

Im Nachstehenden werden weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, und dies erfolgt als ein Beispiel einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung im Rahmen einer Zielvorrichtung, welche eine Marinekanone enthält.

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Es zeigen:

Fig. 1 schematische Ansicht des Geschützservos;

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Schaltungsanordnung zur Verstärkung und Behandlung der Signale;

Fig. 3 die Übertragungsfunktion des die Genauigkeit vergrössernden Filters, wobei dies anhand eines Bodediagramms erfolgt, und

Fig. 4 die Übertragungsfunktion des ganzen Zielsystems mit und ohne das die Genauigkeit vergrössernde Filter.

Eine Zielvorrichtung bzw. ein Steuersystem für ein Geschütz enthält normalerweise ein Gewehrrichtsystem und ein Höhen-richtsystem. Die beiden Systeme arbeiten in analoger Weise und zwar völlig getrennt voneinander. Infolgedessen wird im Nachstehenden nur eines der Zielsysteme beschrieben, und zwar das Gewehrrichtsystem. Die Richtung des Geschützes wird durch Winkel in Quer- und Höhenrichtung bestimmt, welche durch eine Schiesssteueranlage bestimmt wird. Die Einrichtung kann jedoch auch angewendet werden, wenn die Steuerung von einer im Geschütz eingebauten Steuereinrichtung erfolgt.

Fig. 1 zeigt schematisch, wie das Querrichtsystem und das Geschützservo eines Geschützes 1 angeordnet sind, wobei dieses Geschütz z. B. eine auf einem Schiff angeordnete Marinekanone sein kann. Aus einer Schiesssteueranordnung (nicht dargestellt) kommen zwei Eingangssignale auf eine bekannte Weise, und zwar die gewünschte Grobeinstellung und der feine Winkel in Querrichtung x. Das Feinsystem enthält einen Drehmelder 2, der als ein Transformator mit beweglichen Wicklungen ausgeführt ist, während das Grobsignalsystem einen Drehmelder 3 enthält, wobei die Rotoreinstellungen des letzteren in einer bekannten Weise über Getriebe durch die wirklichen Winkeleinstellungen in der Querrichtung y des Geschützes bestimmt sind. Aus diesen Drehmeldern erhält man den Winkelfehler, d. h. die Fehlersignale, welche dem Unterschied zwischen dem befohlenen Winkel in Querrichtung und dem Winkel des Geschützes entsprechen. In bekannter Weise ist ein Grob- und ein Feineinstellsystem verwendet worden, in welchen der Drehmelder 3 des Grobeinstellsystems das Verhältnis von 1:1 und der Drehmelder 2 des Feineinstellsystems n: 1 in bezug auf den wirklichen Winkel des Geschützes aufweisen. Das Grobeinstellsystem besorgt die Steuerung in einem Bereich, der weit von der Koinzidenzlage liegt, während das Feineinstellsystem automatisch wirksam wird, wenn der Winkelfehler kleiner wird.

Die Fehlersignale (der Winkelfehler) aus den Drehmeldern 2 und 3 werden einem Verstärker 4 zugeführt, wo die Signale eine geeignete Form und Grösse erhalten. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, wird eine Referenzspannung dem Verstärker ebenfalls zugeführt.

Der Verstärker 4 liefert ein Gruppenleitsignal zu den Steuermitteln 5 des Geschützes und zum Drehmomentwandler 6, welcher an einem elektrischen Motor 7 angeschlossen ist. Die Ausgangswelle des Drehmomentwandlers weist eine Drehbewegung auf, welche durch den Winkelfehler bestimmt ist, und welche über Getriebe 8 und 9 das Geschütz und die Steuerüber-tragungssynchros 2 und 3 dreht, bis der Winkelfehler 0 beträgt.

In Fig. 2 wird anhand eines Blockdiagrammes die Beschaltung des Verstärkers 4 dargestellt. Der Verstärker enthält 2 getrennte Signalkanäle, von welchen der erstere für das Grobeinstellsignal und der andere für das Feineinstellsignal bestimmt ist. Die Signale entsprechend dem Winkelfehler aus dem Grobeinstell-und dem Feineinstellsynchro 3 und 2 werden in einen geeigneten Spannungspegel umgewandelt, und zwar in Adaptereinheiten 10 und 11. Der genannte Signalkanal wird durch die Pegelsensoren 12 und 13 bestimmt, die an den Ausgang der Adaptereinheiten 10 und 11 angeschlossen sind, und zwar zusammen mit einer Steuerlogik 14 durch Umschaltschalter 15 und 16. Sowohl in den Grobeinstell- als auch in den Feineinstellkanälen befinden sich Mittel 17 und 18 zur Demodulierung und Filterung der Signale. Die Signale werden dann in einem Servonetzwerk 19 behandelt

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(der Grobeinstellkanal) sowie in einem stabilisierenden und die Genauigkeit vergrössernden Netzwerk (der Feineinstellkanal). Das Servonetzwerk 19 hat eine stabilisierende Funktion, und es ist derart entworfen, dass das Geschütz schnell gebremst werden kann. Das stabilisierende und die Genauigkeit vergrössernde Netzwerk 20 wird im einzelnen nachstehend beschrieben sein. Durch den Umschaltschalter 16 wird eines der Signale einem die Last-kompensierenden Netzwerk 21 und einem Erreger 22 zugeführt, und es wird als ein Gruppenleitsignal in Form von zwei Gleichströmen an einen Gruppenleitmagneten 5 des Geschützes angelegt.

Im Prinzip arbeitet der Verstärker 4 in folgender Weise. Während der Suche nach dem Zielobjekt wird das Geschütz durch den Grobeinstellkanal gesteuert, d.h. dass die Steuerlogik 14 die Umschaltschalter 15 und 16 in eine derartige Stellung verlegt hat, dass das Signal die Adaptereinheit 10, die Mittel 17 und das Servonetzwerk 19 passiert. Wenn das Grobeinstellsignal einen bestimmten Wert erreicht, beispielsweise 30 mrad, nimmt der Umschaltschalter eine derartige Stellung, dass das Fehlersignal stattdessen aus dem Feinsynchro 2 entnommen wird, aber die Steuerung über das Servonetzwerk 19 immer noch erfolgt, d. h. dass das Signal die Adaptereinheit 11, die Mittel 18 und ferner die Adaptereinheit 23 und das Servonetzwerk passiert. Falls das feine Fehlersignal unter einen neuen Wert absinkt, beispielsweise 10 mrad, wird eine zeitliche Nacheilung gestartet, welche nach t Sekunden das stabilisierende und die Genauigkeit vergrössernde Netzwerk 20 in den Feineinstellkanal anstelle des Servonetzwerkes 19 einschaltet. Falls dann das Fehlersignal den Wert (10 mrad) übertrifft, wird das Netzwerk 20 wieder ausgeschaltet, und zwar ohne jegliche Verzögerung.

Im folgenden wird die das Zielobjekt suchende Phase nicht mehr betrachtet, und anstatt dessen werden wir näher analysieren, was bei der genauen Verfolgung eines Zielobjektes geschieht, d. h. wenn der Winkelfehler x-y klein ist.

Aus den steuertechnischen Analysen des Systems, die den Fachleuten bekannt sind, beispielsweise anhand eines Bodedia-grammes, ist es bekannt, dass eine hohe Verstärkung im elektrischen Schaltkreis erforderlich ist, um eine gute Verfolgungsgenauigkeit im System zu erreichen. Zugleich setzt jedoch die Anforderung auf die Stabilität praktisch die obere Grenze für die Verstärkung. Damit wir die Verstärkung des Schaltkreises ver-grössern können, ohne dabei zugleich die Stabilität bei hohen Frequenzen zu beeinträchtigen, ist ein spezielles stabilisierendes und die Genauigkeit vergrösserndes Netzwerk 20 verwendet worden, und zwar im Kanal der Feineinstellung. Dieses besteht aus einem stabilisierenden Filternetzwerk 24, einem integrierenden Filter 25, der zweiten Ordnung und aus einem die Last- und die Phase-kompensierenden Netzwerk 26.

Das stabilisierende Filternetzwerk 24 hat eine Übertragungsfunktion Gd, welche mit Hilfe der Laplace-Transformation wie folgt hergestellt werden kann:

1 + sTd D 1 + sTf in welcher Td und Tf Konstanten sind und s die komplexe Variable der Laplace-Transformation ist. Das Filternetzwerk 24 gibt den grundlegenden Beitrag zum Phasensupplement, welches für die Stabilität des Systems notwendig ist.

Das integrierende Filter 25 der zweiten Ordnung hat eine Übertragungsfunktion GR, welche mit Hilfe der Laplace-Transformation wie folgt geschrieben werden kann:

1 + 20. + -~

^1 Lü ^

gr - r in welcher coj und co2 gerade oberhalb der erwarteten Frequenz der Basisbewegungen, beispielsweise der Rollfrequenz eines Schiffes, liegen, und/oder der Bewegung des Zielobjektes, und in welcher Qi und q2 aus Konstanten bestehen, sogenannten Dämpfungsfaktoren. Die Dämpfungsfaktoren zusammen mit CD) und co2 werden in derartigerWeise ausgewählt, dass die Übertragungsfunktion Gr eine geeignete Phase und Amplitude erhält.

Fig. 2 zeigt ebenfalls ein integrierendes Filter 25 zweiter Ordnung. Allerdings können ein oder eine Anzahl von weiteren Filtern von demselben Typ in Serie mit dem Netzwerk oder ein Netzwerk mit einer Übertragungsfunktion eingeschaltet werden, die anders ist als GR, das jedoch eine ähnliche Phase und Amplitude aufweist.

Die Übertragungsfunktion des Filters 25 kann mit Hilfe eines Bodediagramms dargestellt werden, siehe Fig. 3, in welchem die Amplitude und der Phasenwinkel als Funktion von (Oj und in welchem die Grenzfrequenzen W] und co2 angedeutet sind.

Fig. 4zeigt, ebenfalls anhand eines Bodediagramms, wie die Übertragungsfunktion des gesamten Zielsystems durch die Einfügung des Filters 25 verbessert werden kann. Die vollen Linien geben die Amplitude A ohne GR und mit GR an, während die strichlinierten Linien das Phasensupplement angeben, ohne GR und mit GR. Während im wesentlichen dieselbe Amplitude und Phase bei hoher Frequenz aufrechterhalten werden, kann durch die Einführung von GR eine mehrmals grössere Schaltungsverstärkung verwendet werden, beispielsweise um einen Wert Ka höher, wodurch eine entsprechende Vergrösserung der Verfolgungsgenauigkeit erreicht wird.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, hat der «Höcker» in GR bei der Grenzfrequenz co2 die Genauigkeit im System im Bereich um diese Frequenz herum weiter wesentlich vergrössert. Dieser Frequenzbereich ist normalerweise die am meisten kritische Frequenz. Aus den Kurven ist ebenfalls ersichtlich, dass eine sogenannte bedingte Stabilität bei der Frequenz cov entsteht. Bei dieser Frequenz muss das Verstärkungssupplement so gross sein, dass die Nichtlinearität im System keine natürlichen Frequenzen von merkbarer Amplitude ergibt. Die Einführung des Filters 26 wird daher viel strengere Anforderungen an die Linearität der Komponenten beinhalten, welche im Zielsystem enthalten sind.

Das die Last- und die Phase-kompensierende Netzwerk hat dieselbe Ausführung wie das Filter 25, wobei die Grenzfrequenzen in der Nähe der Übergangsfrequenz liegen, bei welcher der Amplitudenverlauf die 0 db Linie schneidet. Auch das die Last kompensierende Netzwerk 21 hat dieselbe Konfiguration wie das Netzwerk 25 und 26, aber die Grenzfrequenzen liegen in der Nähe der Resonanzfrequenz des Systems. Die Netzwerke 21 und 26 sind vom differenzierenden Typ, wobei deren Phase und Amplitude dem Umgekehrten des Netzwerkes 25 im wesentlichen ähnlich sind.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Einrichtung zur Vergrösserung der Verfolgungsgenauigkeit einer Zielvorrichtung für ein Geschütz mit einem Geschützservo zum Zielen des Geschützes auf das Zielobjekt, dadurch gekennzeichnet, dass das Geschützservo ein stabilisierendes und die Genauigkeit vergrösserndes Netzwerk (20) enthält, dass dieses wenigstens ein integrierendes Filter (25) der zweiten Ordnung enthält, dessen Übertragungsfunktion GR derart ist, dass die Amplitude als Funktion der Frequenz ihr Maximum im Bereich der erwartbaren Frequenz der Grundbewegung des Geschützes und/oder der Bewegung des Zielobjektes hat, so dass die Vorrichtung eine hohe Verstärkung im Bereich der genannten Frequenz und unterhalb derselben haben kann.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Übertragungsfunktion Gr des integrierenden Filters (25) der zweiten Ordnung sich durch die folgende Formel zum Ausdruck bringen lässt:

1 + 2p -

^ lü 9 ÜJ

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in der Qi und o2 Dämpfungsfaktoren sind, und in der coi und (o2 nahe an den erwarteten Frequenzgrenzen der Grundbewegungen des Geschützes und/oder der Bewegungen des Zielobjektes liegen und s eine komplexe Variable ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass das Geschützservo Mittel (15,16) zur Aktivierung des stabilisierenden und die Genauigkeit vergrössernden Netzwerkes (20) enthält, die nur dann tätig sind, wenn das Fehlersignal x-y des Geschützservos unter einem bestimmten Wert liegt.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass das Netzwerk (20) neben dem integrierenden Filter (25) ein Filternetzwerk (24) enthält, dessen Übertragungsfunktion GD sich wie folgt zum Ausdruck bringen lässt:

„ 1 + sTd d " : i-

1 + sTf wobei T<] und Tf Konstanten sind und s eine komplexe Variable ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

dass das stabilisierende und die Genauigkeit vergrössernde Netzwerk (20) auch ein Last- und Phasen-kompensierendes Netzwerk (26) enthält, dass dieses Netzwerk dieselbe Beschaffenheithat wie das integrierende Filter (25) der zweiten Ordnung, wobei dieses Netzwerk (26) allerdings differenzierend ist und wobei dessen Grenzfrequenzen in der Nähe der Übergangsfrequenz liegen, bei welcher die Dämpfung 0 db beträgt.
6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass zusätzlich zu dem stabilisierenden und die Genauigkeit vergrössernden Netzwerk (20) das Geschützservo ein die Last kompensierendes Netzwerk (21) enthält, das dieselbe Beschaffenheit wie das integrierende Filter (25) der zweiten Ordnung hat, wobei dieses Netzwerk (21) differenzierend ist und wobei die Grenzfrequenz desselben in der Nähe der Resonanzfrequenz der Zielvorrichtung liegt.
7. Zielvorrichtung für ein Geschütz mit einer die Verfolgungsgenauigkeit vergrössernden Einrichtung nach Anspruch 1.
8. Zielvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielvorrichtung für ein an Bord eines Schiffes befindliches Marinegeschütz ausgestaltet ist und eine Radaranlage und eine optische oder optoelektronische Visiervorrichtung umfasst, wobei die Frequenzen <*>[ und co2 in der Nähe der Rollfrequenz des Schiffes liegen.
9. Zielvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielvorrichtung ein auf einem Fahrzeug befindliches Geschütz, eine Radaranlage und eine optische oder optoelektronische Visiervorrichtung aufweist, wobei die Frequenzen oû! und Ob in der Nähe der Rollfrequenz des Fahrzeuges liegen, wenn es sich auf dem festen Boden bewegt.
10. Zielvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielvorrichtung eine auf dem Boden stationierte Zielvorrichtung ist, wobei die Frequenzen (ûj und oh in der Nähe der erwarteten Bewegungsfrequenz des Zielobjektes liegen.