DE102010044528A1

DE102010044528A1 - Regelungsverfahren zur Stabilisierung einer, auf einer vorzugsweise bewegbaren Unterlage, angeordneten Waffe

Info

Publication number: DE102010044528A1
Application number: DE201010044528
Authority: DE
Inventors: Bernhard Stehlin; Lazuardi Anggono; Jens Becker
Original assignee: Moog GmbH
Current assignee: Moog GmbH
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zur Stabilisierung einer auf einer (vorzugsweise bewegbaren) Unterlage angeordneten Waffe unter Verwendung eines Antriebsmotors, welcher zur Richtungsänderung der Waffe mit dieser derart in Form eines Antriebsstrangs in Wirkverbindung steht, dass das Antriebsmoment des Antriebsmotors eine Bewegung der Waffe bewirkt, und eines ersten Reglers, dem die erfasste Abweichung zwischen der gewünschten Bewegung und der tatsächlichen Bewegung der Waffe als Regelabweichung zugeführt wird, und eines unterlagerten zweiten Reglers, dem das Ausgangssignal des ersten Reglers zugeführt wird, gekennzeichnet durch einen ersten Positionsmessgeber, welcher eine erste, der Waffe zugeordnete Lageposition im Antriebsstrang ermittelt und einen zweiten Positionsmessgeber, der eine zweite, dem Antriebsmotor zugeordnete Lageposition im Antriebsstrang ermittelt, wobei eine Lagedifferenz aus der ersten Lageposition und der zweiten Lageposition ermittelt wird und diese Lagedifferenz als Regelgröße dem unterlagerten zweiten Regler zugeführt wird, und das Ausgangssignal des unterlagerten zweiten Reglers das Drehmoment des Antriebsmotors beeinflusst. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein dieses Regelungsverfahren einsetzendes Waffensystem sowie auf eine zugehörige Regelungsvorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zur Stabilisierung einer, auf einer vorzugsweise bewegbaren Unterlage angeordneten Waffe unter Verwendung eines Antriebsmotors, welcher zur Richtungsänderung der Waffe mit dieser derart in Form eines Antriebsstrangs in Wirkverbindung steht, dass das Antriebsmoment des Antriebsmotors eine Bewegung der Waffe bewirkt, und eines ersten Reglers, dem die erfasste Abweichung zwischen der gewünschten Bewegung und der tatsächlichen Bewegung der Waffe als Regelabweichung zugeführt wird, und eines unterlagerten zweiten Reglers, dem das Ausgangssignal des ersten Reglers zugeführt wird.
Ein solches Verfahren ist z. B. aus der DE 4317935 C2 bekannt. Dort werden unter Verwendung von Stromregelkreisen zur Ansteuerung der Elektromotoren eines Höhenricht- und/oder eines Seitenrichtantriebes (Elevations- bzw. Azimutantrieb) Drehmomente zur Bewegung der jeweiligen Achsen der Waffe erzeugt. Dem Stromregelkreis überlagert ist ein Drehzahlregelkreis, der einen die Drehzahl am Motor erfassenden Drehzahlsensor beinhaltet. Dem Drehzahlregelkreis wiederum ist ein Drehmomentregelkreis überlagert, dem an der Spindel oder dem Ausgang des Getriebes ein Kraftsensor zugeordnet ist. Dem Ganzen ist ein Geschwindigkeitsregelkreis überlagert, der als Bestandteil einen Waffenkreisel umfasst zur Ermittlung der inertialen Waffengeschwindigkeit. Eine Waffenricht- und -sabilisierungsanlage soll die Waffe als Last abhängig von der gewählten Betriebsart entweder der Visierlinie eines führenden Zielgerätes nachführen oder diese eigenständig mittels eines Richtgriffes in bestimmte Richtpositionen fahren. Hierzu ist dem Ganzen ein Nachführregelkreis überlagert, der ein entsprechend gewünschtes Nachführsignal vorgibt. Für jede Achse der Waffe (z. B. die Turmachse und die Höhenachse der Waffe) ist eine eigene verschachtelte Regelungsanordnung zur Ansteuerung des jeweils zugehörigen Elektromotors vorgesehen. Störbewegungen, die über die Unterlage auf die Waffe einwirken, müssen so ausgeglichen werden, dass die Waffe stabilisiert bleibt. Hierbei dienen zum Antrieb der Richtantriebe geregelte Elektromotoren, die über ein Getriebe mit der Waffe gekoppelt sind. Bevorzugt kommen hierbei entweder konventionelle bürstenbehaftete Gleichstrommotoren oder auch bürstenlose Drehstrommotoren zur Anwendung. Die Speisung der Motoren erfolgt über transistorische Leistungsverstärker aus dem Fahrzeugbordnetz. Die Ansteuerung der Motoren geschieht mit einer Steuer- und Regelelektronik. Die bekannte Vorrichtung weist weiter einen an der Waffe angeordneten Beschleunigungssensor auf, dessen Signal dem Drehmomentregler zugeführt wird. Das bekannte Verfahren hat sich zur Stabilisierung einer Waffe mit hoher Unbalance als vorteilhaft erwiesen weil der Antriebsstrang durch die Vorbelastung der Unbalance eine sehr starke Vorspannung erfährt und damit die Getriebereibung im Antriebsstrang dämpfend auf den Motor und Getriebeteile wirkt. Durch die Verwendung eines Drehmomentsensors werden Störmomente erkannt, wodurch eine Verbesserung der Stabilisierungsgüte bei diesen unwuchtbehafteten Waffen erzielt wird. Hierzu wirken die für die Stabilisierungsgüte optimierten Regler einem auftretenden Störmoment entgegen. Die Drehmomentregelung muss von einer Drehzahlregelung des Motors unterlagert werden, weil ansonsten sich ein instabiles Aufschaukeln des Motors einstellen könnte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelungsverfahren zur Stabilisierung auf einer, vorzugsweise bewegbaren Unterlage angeordneten Waffe bereitzustellen, das auch bei Waffen mit niedriger oder überhaupt keiner Unbalance zu einer Verbesserung der Stabilisierungsgüte führt.
Hierzu ist bei einem gattungsgemäßen Regelungsverfahren ergänzend ein erster Positionsmessgeber vorgesehen, welcher eine erste, der Waffe zugeordnete Lageposition im Antriebsstrang ermittelt, und ein zweiter Positionsmessgeber vorgesehen, der eine zweite, dem Antriebsmotor zugeordnete Lageposition im Antriebsstrang ermittelt, wobei eine Lagedifferenz aus der ersten Lageposition und der zweiten Lageposition ermittelt wird und diese Lagedifferenz als Regelgröße dem unterlagerten zweiten Regler zugeführt wird, und das Ausgangssignal des unterlagerten zweiten Reglers das Drehmoment des Antriebsmotors beeinflusst.
Die Erfinder haben festgestellt, dass bei dem bekannten Regelungsverfahren die Motordrehzahl immer eine auf die Unterlage bezogene Größe ist und die Messgeber für die Richtungsänderung der Waffe (im allgemeinen ein Kreisel) eine nicht auf die Unterlage bezogene inertiale Größe oder eine abgeleitete inertiale Größe ist. Hierdurch neigt diese Regelung zu inneren Grenzzyklen (Dauerschwingungen), welche nur über die Reibung des Systems zu dämpfen sind. Die Methode wird deshalb auch nur bei stark unwuchtbehafteten Systemen eingesetzt, welche wegen der Vorbelastung der Antriebsmechanik eine größere Reibung aufweisen als nicht belastete Antriebe. Die zur Drehmomentregelung unterlagerte Regelung der Motordrehzahl bewirkt außerdem Störmomente, die die Waffe aus der inertialen Lage herausbewegen, was von den überlagerten Regelkreisen zu korrigieren ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt oder ausschließlich Größen für dieses Regelungsverfahren verwendet, die nicht mit einer eventuellen Bewegung der Unterlage zusammenhängen. Es ist daher unerheblich, ob sich, wie bei einer Waffenstabilisierungsanlage meist der Fall ist, die Unterlage bewegt oder nicht. Die inneren Grenzzyklen (Dauerschwingungen) werden damit vermieden und bei bewegter Unterlage wird eine bessere Richtungsstabilität der Waffe ermöglicht, weil auf eine unterlagerte Motordrehzahlregelung verzichtet werden kann, die gegen die Waffenstabilisierungsregelung mit einem unterschiedlichen Bezug regelt. Des Weiteren geht die Lagedifferenz sogar in bestimmten Bereichen über die Drehmomentregelung hinaus, weil in Abhängigkeit der Positionen der Positionsmessgeber nicht nur das an der Waffe anliegende Drehmoment erfasst wird, sondern auch die im Antriebsstrang vorhandene Reibung berücksichtigt ist. Als Unterlage können sowohl bewegte als auch nicht bewegte Unterlagen Anwendung finden. Am Besten eignet sich das Regelungsverfahren jedoch für bewegte Unterlagen, wie z. B. Fahrzeuge, Flugzeuge, einschließlich Helikopter und Schiffe.
Als Positionsmessgeber können z. B. Encoder verwendet werden. Die Positionsmessgeber sind im Antriebsstrang bevorzugt weit voneinander entfernt angeordnet, um die Abweichung von der Entstehung des Antriebsmoments zum eigentlichen an der Waffe wirkenden Richtmoment zu erfassen. Günstigerweise erfolgt die Messung durch den ersten Positionsmessgeber an der Waffenachse und die Messung des zweiten Positionsmessgebers an der Motorachse. Gegebenenfalls kann auch die Waffe eine Antriebsmechanik aufweisen, die dann als Bestandteil des Antriebsstrangs anzusehen ist und deren Wirkung durch entsprechende Positionierung der Positionsmessgeber berücksichtigt werden kann. Die Zuführung des Ausgangssignals des ersten Reglers zum unterlagerten zweiten Regler muss nicht direkt erfolgen; vielmehr sollen zwischengeschaltete Regelkreise mitumfasst sein. Solange das Ausgangssignal Einfluss auf die dem unterlagerten zweiten Regler zugeführte Sollgröße hat, reicht dies zur Verwirklichung der Erfindung aus. Gleiches gilt für das Ausgangssignal des unterlagerten zweiten Reglers, welches Einfluss auf das Drehmoment des Antriebsmotors nimmt. Auch hier können weitere Regelkreise unterlagert sein. Üblicherweise wird zumindest der Stromregelkreis für den Elektromotor vorhanden sein. Sofern die Sollgröße für einen solchen Stromregelkreis des Antriebsmotors von dem Ausgangssignal des unterlagerten zweiten Reglers beeinflusst wird, soll die Erfindung erfüllt sein. Eine erste der Waffe zugeordnete Lageposition im Antriebsstrang soll jede Lageposition im Antriebsstrang sein, die näher in Bezug auf die oder an der Waffe ermittelt wird, als die zweite, dem Antriebsmotor zugeordnete Lageposition im Antriebsstrang. Umgekehrt gilt für diese zweite, dem Antriebsmotor zugeordnete Lageposition im Antriebsstrang, dass jede Lageposition im Antriebsstrang gemeint ist, die näher am oder am Antriebsmotor ermittelt wird, als die erste, der Waffe zugeordnete Lageposition im Antriebsstrang. Unter den Begriff Waffe ist zumindest die zu stabilisierende Last der Waffenvorrichtung, z. B. das Waffenrohr gemeint. Je nach Ausführungsform werden aber noch andere Bauteile und Elemente der Waffe zugerechnet, die mit stabilisiert werden müssen. Die Regler können einzeln in Gruppen oder in einer Einheit untergebracht sein und müssen baulich nicht eine klare Trennung aufweisen, solange die Funktionsweisen gewahrt werden.
Des Weiteren kann im Antriebsstrang zwischen Antriebsmotor und Waffe ein Übersetzungsmechanismus angeordnet sein, wobei eine um ein Übersetzungsverhältnis des Übersetzungsmechanismus korrigierte Lagedifferenz als Regelgröße vom zweiten Regler verwendet wird. Üblicherweise ist zwischen Antriebsmotor und Waffe noch ein Getriebe zwischengefügt. Der erste Positionsmessgeber könnte z. B. an der Abtriebswelle des Getriebes und der zweite Positionsmessgeber an der Eingangswelle des Getriebes angeordnet sein. Da Getriebe üblicherweise ein Übersetzungsverhältnis bereitstellen, muss zur Bildung einer Lagedifferenz dieses Übersetzungsverhältnis selbstverständlich Berücksichtigung finden, um die Positionswerte überhaupt zur Bildung einer Lagedifferenz miteinander vergleichen zu können. Gleiches gilt auch für eine Waffenmechanik, die ebenfalls eine Übersetzung beinhalten kann.
Bevorzugt ist der zweite Regler als frequenzabhängiger Verstärker wirkend ausgestaltet, damit auf die verschiedenen Frequenzbereiche eines Signals auch unterschiedlich Einfluss genommen werden kann. Die Erfinder berücksichtigen hierbei, dass zur Bekämpfung von Biegeschwingungen andere frequenzabhängige Verstärkungen vorteilhaft sind als die zur Verbesserung der Stabilisierungsgüte dienenden Verstärkungen wie sie bislang im Stand der Technik verwendet wurden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein Drehmomentsensor verwendet wird, der im Antriebsstrang bevorzugt zwischen Antriebsmotor und Waffe und/oder Übersetzungsmechanismus und Waffe ein Drehmoment ermittelt und ein Drehmomentsignal erzeugt, das zusammen mit der Lagedifferenz das Drehmoment des Antriebsmotors beeinflusst. Diese Ausführungsform setzt also auf ein Zusammenspiel von Drehmomentmessung und Positionsdifferenzmessung. Bei Verwendung eines geeigneten frequenzabhängigen Verstärkers als zweiten Regler können beide Signale auch gemeinsam von dem zweiten Regler verstärkt werden. Die gleichzeitige Verarbeitung lässt grundsätzlich auch eine unterschiedliche Verstärkung dieser Signale bei unterschiedlichen Frequenzbereichen zu, weshalb auch auf unterschiedliche Störgrößen an der Waffe gezielt eingegangen werden kann (z. B. zum einen die Waffenbiegeschwingungen und zum anderen von außen kommende Störgrößen).
Von besonderem Vorteil ist eine Ausgestaltung, bei der aus Lagedifferenz und Drehmomentsignal ein Differenzsignal gebildet wird, das zusammen mit der Lagedifferenz das Drehmoment des Antriebsmotors beeinflusst. Dieses Differenzsignal spiegelt nämlich die Reibung wider, die im Antriebsstrang zwischen erstem und zweitem Positionsmessgeber vorliegt. Z. B. könnte also bei entsprechender Anordnung der Positionsmessgeber die Reibung im Getriebe ermittelt werden. Der Vorteil der Lagedifferenz gegenüber einer reinen Drehmomentmessung, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, besteht darin, dass Motorschwingungen trotz der Reibung im Getriebe noch in vollem Umfang am ersten Positionsmessgeber erfasst werden können, wohingegen die Reibung im Antriebsstrang dies bei einer reinen Drehmomentmessung nicht zulässt. Die reine Messung der Lagedifferenz hat jedoch auch gegenüber der reinen Drehmomentmessung einen Nachteil. Bei großer Reibung ist die Verdrehung im Antriebsstrang kleiner und es wird ein um das Reibmoment kleineres Signal zurückgemeldet. Dieser Nachteil wird teilweise kompensiert, weil die Reibung selbst das vom Antriebsmotor gebildete Antriebsmoment an die Waffe weiterleitet. Dieser Nachteil wird durch die zusätzliche Drehmomentmessung ausgeglichen. Gemäß dieser Ausführungsform steht eine der Reibung proportionale Größe zur Verfügung, so dass auch zusätzliche Reibung, die bei dieser Methode nicht erfasst wird, z. B. am Lager der Waffe auftritt, durch entsprechende Verstärkung des Signals teilweise oder bei gleichem Verlauf der Reibung über der Bewegung weitgehend direkt kompensiert wird. In den meisten Fällen wird das Drehmoment zwischen dem Getriebe und der Waffe erfasst. In Sonderfällen ist jedoch auch eine Drehmomentmessung an der Abstützung des Antriebsmotors denkbar.
Von Vorteil ist es, wenn der zweite Regler für den obigen Fall ein PID-Regler (Proportional-Integral-Differenzial-Regler) ist. Dieser ermöglicht die gleichzeitige Verstärkung des Drehmomentdifferenzsignals und der Lagedifferenz und eine unterschiedliche Verstärkung dieser Signale im hohen und niedrigen Frequenzbereich.
Eine etwas teurere; jedoch noch präzisere Ausführungsform sieht vor, dass die Lagedifferenz dem zweiten Regler und das Drehmomentsignal einem dritten, ebenfalls dem ersten Regler unterlagerten Regler zugeführt wird, wobei die Ausgangssignale des zweiten Reglers und des dritten Reglers zusammen das Drehmoment des Antriebsmotors beeinflussen. Dies hat zum Vorteil, dass für jedes dieser Signale ein möglichst bestgeeigneter Regler zur Anwendung kommen kann und die Signale dann anschließend gemeinsam das Drehmoment des Antriebsmotors beeinflussen.
Als günstig hat es sich hierbei gemäß einer Variante herausgestellt, wenn der zweite Regler ein PD-Regler und der dritte Regel ein PI-Regel ist. Die Ausgangsgrößen dieser Regler können dann addiert werden. In beiden Reglern können dann die Signale in unterschiedlichen Frequenzbereichen verstärkt und/oder abgeschwächt werden, um einerseits die Schwingneigung des Antriebsmotors zu dämpfen und andererseits das Richtverhalten der Waffe zu verbessern.
Des Weiteren kann ein Bewegungssensor zur Erfassung einer Bewegung der Unterlage vorgesehen sein, dessen Bewegungssignal in vorbestimmter Frequenzabhängigkeit zum einen dem zweiten Regler und zum anderen dem dritten Regler zugeführt wird. Z. B. könnte ein Beschleunigungsmesser zur Anwendung kommen, der gemäß einer Ausführungsform die Hub- bzw. die Querbeschleunigung der Unterlage misst. Die Messung der Beschleunigung erfolgt vorzugsweise im rechten Winkel zur Verbindung des Schwerpunktabstands der Waffe mit ihrer Lagerung. Diese lineare Beschleunigung bewirkt ein Drehmoment, welches durch das Produkt – Wert der Beschleunigung multipliziert mit der drehbar gelagerten Masse (im Schwerpunkt) der Waffe und multipliziert mit dem Abstand zum Schwerpunkt – definiert ist. Dieses durch die Hubbeschleunigung der Unterlage hervorgerufene Drehmoment bewirkt, dass die Waffe aus einer durch die Regelung stabilisierten vorgegebenen Richtung herausgedreht und das Stabilisierungsergebnis verschlechtert wird. Um das an der Waffe angreifende Drehmoment (Störmoment) zu kompensieren, wird die Bewegung der Unterlage durch den Bewegungssensor erfasst und das dem Drehmoment proportionale Signal so in die Regelung eingespeist, dass es am Antriebsmotor ein Drehmoment erzeugt, welches dem störenden Drehmoment an der Waffe entgegenwirkt. Die höheren Frequenzanteile dieser linearen Beschleunigung und damit des Drehmomentes können außerdem die Biegeeigenschwingungen der Waffe anregen, welche das Treffergebnis der Waffe verschlechtern.
Hierzu kann zusätzlich vorgesehen sein, dass dem zweiten Regler hauptsächlich oder ausschließlich der Frequenzbereich oder die Frequenzbereiche des Bewegungssignals zugeführt wird bzw. werden, welcher bzw. welche keine oder nur geringe Frequenzanteile enthalten, die Biegeeigenschwingungen der Waffe anregen können. Günstigerweise wird bzw. werden hierzu ein Frequenzanteil oder Frequenzanteile höherer Frequenzen des Bewegungssignals herausgefiltert und das gefilterte Restsignal dem zweiten Regler zugeführt. In diesem Zusammenhang muss eine Abwägung hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften von realen Filtern getroffen werden. Es ist zwar gewünscht, sämtliche Frequenzanteile herauszufiltern, die Biegeschwingungen der Waffe anregen können, eine vernünftige und wirtschaftlich sinnvolle Filterung wird aber nie eine totale Unterdrückung von nicht gewünschten Frequenzanteilen ermöglichen. Sinnvoll ist z. B. eine Unterdrückung dieser Frequenzanteile auf ≤ 5% bezogen auf das zugeführte Bewegungssignal.
Um noch besser auf die Biegeeigenschwingungen der Waffe einzugehen, kann gemäß einer Variante vorgesehen werden, dass dem dritten Regler hauptsächlich oder ausschließlich der Frequenzbereich oder die Frequenzbereiche des Bewegungssignals zugeführt wird bzw. werden, welche bzw. welcher Frequenzanteile enthalten, die Biegeeigenschwingungen der Waffe hervorrufen können. Unter Frequenzbereich oder Frequenzbereiche soll keinesfalls der gesamte Bereich des Bewegungssignals, sondern immer nur ein Anteil dieses Signals gemeint sein.
Vorteilhafterweise wird bzw. werden ein tieferer Frequenzbereich oder tiefere Frequenzbereiche des Bewegungssignals herausgefiltert und das gefilterte Restsignal dem dritten Regler zugeführt. Eine getrennte Verarbeitung dieser Frequenzbereiche durch den zweiten und dritten Regler führt zu einer optimierten Stabilisierung und Dämpfung und somit zu einer Verbesserung der Trefferquote.
Eine Dämpfung lässt sich insbesondere dadurch bewirken, dass gemäß einer Variante das dem zweiten Regler zugeführte gefilterte Restsignal derart eingespeist wird, um ein dem Antriebsmotor mitdrehendes, d. h. nachgebendes Drehmoment zu bewirken und/oder das dem dritten Regler zugeführte gefilterte Restsignal derart eingespeist wird, um ein dem Antriebsmotor gegendrehendes, d. h. gegenwirkendes Drehmoment zu bewirken. Der zweite Regler führt somit zu einer Dämpfung durch Bereitstellen einer gewissen Nachgiebigkeit und der dritte Regler zu einer Verbesserung der Richtgüte durch ein versteifendes Verhalten.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Waffensystem mit einer auf einer vorzugsweise bewegbaren Unterlage angeordneten Waffe, einem Antriebsmotor, welcher zur Richtungsänderung der Waffe mit dieser derart in Form eines Antriebsstrangs in Wirkbeziehung steht, dass das Antriebsmoment des Antriebsmotors eine Bewegung der Waffe bewirkt, und einer Stabilisierungsregelung, dem einen ersten Regler umfasst, die die erfasste Abweichung zwischen einer gewünschten Bewegung und einer tatsächlichen Bewegung der Waffe als Regelabweichung zuführbar ist, einen unterlagerten zweiten Regler umfasst, dem das Ausgangssignal des ersten Reglers zuführbar ist, wobei ein erster Positionsmessgeber vorgesehen ist, der eine erste der Waffe zugeordnet Lageposition im Antriebsstrang ermittelnd ausgestaltet ist, ein zweiter Positionsmessgeber vorgesehen ist, der eine zweite dem Antriebsmotor zugeordnete Lageposition im Antriebsstrang ermittelnd ausgestaltet ist, und ein Vergleicher (Summierer) vorgesehen ist, der eine Lagedifferenz aus der ersten Lageposition und der zweiten Lageposition ermittelnd ausgestaltet ist, wobei der Summierer und der zweite Regler derart in Verbindung stehen, dass diese Lagedifferenz als Regelgröße dem zweiten Regler zuführbar ist, und der zweite Regler ein Ausgangssignal bereitstellbar ausgestaltet ist, welches das Drehmoment des Antriebsmotors beeinflusst.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Regelungsvorrichtung zur Stabilisierung eines Waffensystems nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Regler vorgesehen ist, dem die erfasste Abweichung zwischen einer gewünschten Bewegung und einer tatsächlichen Bewegung der Waffe als Regelabweichung zuführbar ist, ein unterlagerter zweiter Regler vorgesehen ist, dem das Ausgangssignal des ersten Reglers zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Positionsmessgeber vorgesehen ist, der eine erste, einer Waffe zugeordnete Lageposition in einem Antriebsstrang ermittelnd ausgestaltet ist, ein zweiter Positionsmessgeber vorgesehen ist, der eine zweite, einem Antriebsmotor zugeordnete Lageposition in dem Antriebsstrang ermittelnd ausgestaltet ist, und ein Differenzierer vorgesehen ist, der eine Lagedifferenz aus der ersten Lageposition und der zweiten Lageposition ermittelnd ausgestaltet ist, wobei der Differenzierer und der zweite Regler derart in Verbindung stehen, dass diese Lagedifferenz als Regelgröße dem zweiten Regler zuführbar ist, und der zweite Regler ein Ausgangssignal bereitstellbar ausgestaltet ist, welches das Drehmoment des Antriebsmotors beeinflusst.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Waffensystems mit erfindungsgemäßer Regelungsvorrichtung,
2 ein schematisches Blockdiagramm, das allgemein die physikalischen Zusammenhänge bei einem Waffensystem wiedergibt,
3 ein schematisches Blockdiagramm, das in aller Einfachheit den Regelungszusammenhang gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
4 ein schematisches Blockdiagramm, das die wesentlichen Zusammenhänge des Regelungsverfahrens und der Vorrichtung der ersten Ausführungsform wiedergibt,
5 ein schematisches Blockdiagramm, das eine zweite Ausführungsform der Erfindung in aller Einfachheit wiedergibt,
6 ein schematisches Blockdiagramm, das die wesentlichen Zusammenhänge des Regelungsverfahrens und der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform wiedergibt,
7 ein schematisches Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens und der zugehörigen Regelungsvorrichtung und
8 ein schematisches Blockdiagramm einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens und der zugehörigen Regelungsvorrichtung.
In 1 ist in schematischer Weise eine Waffenvorrichtung in Form eines Waffenturms 1 dargestellt. Der Waffenturm 1 weist eine Turmplattform 2 und einen darauf angeordneten Turmaufbau 3 auf. Normalerweise ist der Waffenturm 1 drehbar auf einer nicht näher dargestellten, bevorzugt bewegbaren Unterlage wie einem Fahrzeug, Flugzeug einschließlich Helikopter oder Schiff angeordnet. Aus Vereinfachungsgründen wird auf die Darstellung und Beschreibung der Bewegung um eine Turmhochachse nicht näher eingegangen. Für diese lässt sich jedoch auch in gleichartiger Weise ein entsprechender Regelkreis verwenden.
Am Turmaufbau 3 ist um eine horizontale Achse H_S schwenkbar gelagert eine Waffe in Form eines Waffenrohrs 4 angeordnet. Hierzu ist das Waffenrohr 4 mit einer koaxial zur Achse H_S verlaufenden Schwenkachse 5 versehen. Die Bewegung des Waffenrohrs 4 erfolgt mittels eines elektrischen Antriebsmotors 6, einem daran angeflanschten Planetengetriebe 7 und der mit dem Abgangszahnrad 7.1 des Planetengetriebes 7 in Wirkverbindung stehenden Waffenmechanik 8, die mit der Schwenkachse 5 fest verbunden ist. Bei der Waffenmechanik 8 handelt es sich in aller Regel um eine Zahnstange in Kreisbogenausführung.
Die Übertragungsmechanik kann jedoch auch durch lineare Stellelemente wie z. B. Bewegungsspindeln oder gelagerte gerade Zahnstangen erreicht werden.
Der Antriebsmotor ist mit einem Stator 9, einem Rotor 10 und einer Motorwelle 11 versehen. Auf der Motorwelle 11 sitzt das Sonnenrad 12 des Planetengetriebes 7, um das sich die Planetenräder 13 innerhalb eines Hohlrades 14 drehen. Die Planetenräder 13 sind über einen Planetenträger 15 mit dem Abtriebsrad 7.1 des Planetengetriebes 7 verbunden.
Auf der Turmplattform 2 ist ein Turmkreisel 16 und an der Schwenkachse 5 ein Waffenkreisel 17 angeordnet. Der Turmkreisel erkennt, wenn bei bewegter Unterlage Nickbewegungen ausgeführt werden. Mittels des Turmkreisels 16 können direkt die notwendigen Ausgleichsbewegungen des Antriebsmotors 6 berechnet werden, um das Waffenrohr 4 in seiner Position zu halten. Der Waffenkreisel 17 erkennt, wenn das Waffenrohr 4 aus der vorgegebenen Lage abweicht und bewirkt die Korrekturbewegung mittels des Antriebsmotors 6. Zwischen dem Planetengetriebe 7 und dem Turmaufbau 3 ist ein Drehmomentsensor 18 angeordnet. Der Drehmomentsensor 18 wirkt beim Stabilisieren ähnlich wie der Turmkreisel 16. Dieser erkennt die Bewegung der Unterlage am Drehmoment und kann deshalb den Antriebsmotor 6 zu einer Ausgleichsbewegung ansteuern. Das Stabilisierungsergebnis wird verbessert. Am Waffenrohr 4 ist ein Beschleunigungsmesser 19 vorgesehen. Dieser Beschleunigungsmesser 19 erkennt, wenn sich das Waffenrohr 4 vertikal bewegt. Bei unwuchtigen Waffen oder bei Anordnung des Beschleunigungsmessers 19 entfernt vom Schwerpunkt der Waffe entsteht ein Störmoment, ein entsprechend berechnetes Gegenmoment kann vom Antriebsmotor 6 aufgebracht werden. An der Schwenkachse 5 ist ein erster Positionsmessgeber 20 vorgesehen, der die Position des Waffenrohres 4 widerspiegelt. Entsprechend ist an der Motorwelle 11 ein zweiter Positionsmessgeber 21 vorgesehen, der die Position des Antriebsmotors 6 widerspiegelt. Über nicht näher bezeichnete Signalleitungen stehen der Turmkreisel 16, der Waffenkreisel 17, der Drehmomentsensor 18, der Beschleunigungsmesser 19, der erste Positionsmessgeber 20 und der zweite Positionsmessgeber 21 mit einer Regelungseinheit 22 in Verbindung. Von der Regelungseinheit 22 geregelt, wird auch über eine Leistungsleitung 23 dem Antriebsmotor 6 der Motorstrom zugeführt.
Anhand der 2 werden nunmehr die allgemeinen Prinzipien der Regelung und die Zusammenhänge wichtiger physikalischer Größen mittels Blockdiagramm wiedergegeben, ohne dass die erfindungsgemäße Lösung bereits Anwendung findet.
Das Eingangssignal 24, welches die gewünschte Bewegung (z. B. Nachführbewegung) der Waffe vorgibt, wird in diesem Beispiel mit einem Bewegungssignal 25 des Antriebsmotors 6 verglichen. Das Eingangssignal 24 kann dabei rein manuell, z. B. mit einem Joystick gebildet werden oder von einem übergeordneten Regler kommen.
Das Differenzsignal 26 wird in einem Motorregler 27 vorzugsweise frequenzabhängig verstärkt und der Ausgang 28 des Motorreglers 27 der Motorstromreglung 29 als Sollwert für das Motordrehmoment angeboten. Das Ergebnis der Motorstromregelung ist zusammen mit den magnetischen Eigenschaften des Antriebsmotors 6 ein Antriebsmoment 30.
Dem Antriebsmoment 30 wirkt das Drehmoment 31 entgegen, welches zum Antreiben der mit der Motorwelle 11 verbundenen Trägheiten und Lasten erforderlich ist, ergänzt um das von außen auf das Waffenrohr 4 einwirkende Drehmoment 32. Die Differenz 33 der beiden Drehmomente 30, 31 bewirkt eine Beschleunigung oder ein Abbremsen der Motorwelle 11. Das Ergebnis ist eine veränderliche Motordrehzahl 34, welche z. B. über einen Drehzahlsensor 35 gemessen werden kann. Die Drehzahl 34 des Antriebsmotors 6 wird von der mit dem Antriebsmotor 6 verbundenen Antriebsmechanik 35 (z. B. eines Getriebes) über die Zeit integriert und als Drehwinkel 36 mit der um das Übersetzungsverhältnis korrigierten Waffenposition 37 physikalisch verglichen.
Die Differenz 38 zwischen Waffenposition 37 und Motorposition 36 bildet über die elastischen Eigenschaften der Antriebsmechanik, die hier als mechanische Steife 39 der Antriebsmechanik bezeichnet wird, das Drehmoment 40, welches das Waffenrohr 4 antriebt, wobei als Ergebnis der Bewegung die Waffenposition 37 verändert wird.
Der Nachteil dieser Regelung ist der, dass Störmomente 32 zwar physikalisch über das Drehmoment 31 auf das Antriebsmoment 30 zurückwirken, aber die träge Masse der Antriebsmechanik 35 das schnelle Nachgeben des Antriebsmotors 6 verhindert.
Das Ergebnis ist, dass sich Drehmomentimpulse, die auf das Waffenrohr 4 durch eine Bewegung der Unterlage wirken, nicht sofort in eine Drehung des Antriebsmotors 6 umgesetzt werden und der Sensor 35, der die Drehung des Antriebsmotors 6 erfasst, bemerkt diese Störung nicht oder zu spät, um ein Aufschwingen des Waffenrohrs 4 zu verhindern und die Bewegung ausregeln zu können. Aufgrund der Tatsache, dass das Waffenrohr ungeregelt auf den trägen Teilen der Antriebsmechanik schwingt und sich im Übrigen auch auf der Reibung der Antriebsmechanik abstützen kann, kommt es zu Ungenauigkeiten in der Stabilisierungsgüte. Dieses Zusammenhänge sind nicht anders, wenn anstelle oder ergänzend zur Motordrehzahl ein anderes Bewegungssignal, z. B. die Waffengeschwindigkeit oder die Waffenposition gemessen und im Motorregelkreis überlagert geregelt wird.
Anhand der 3 und 4 wird nun eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens näher erläutert. Die Regelung läuft in der Regelungseinheit 22 gezeigt in 1 ab. Gemäß 3 wird dem Regelkreis ein Eingangssignal 24 (z. B. Stabilisierungssignal) zugeführt, das die gewünschte Nachführung der Waffe vorgibt. Mittels des zweiten Positionsmessgebers 21 wird eine Motorposition, entsprechend eines Drehwinkels α_M ermittelt. Mittels des Positionsmessgebers 20 wird für die Schwenkachse 5 des Waffenrohrs 4 ein Drehwinkel α_W ermittelt. Aus der Waffenposition α_W und der Motorposition α_M wird eine Lagedifferenz 41 ermittelt, die dem Ausgangssignal 24 zugeführt wird und so Einfluss auf die Regelung des Antriebsmomentes nimmt. Die einzelnen Zusammenhänge sind anhand der 4 in größerem Detail dargestellt und im Folgenden beschrieben.
Die 4 zeigt den inneren Regelkreis einer Waffenrichtanlage. Das Eingangssignal 24, das in den dargestellten inneren Regelkreis eingeleitet wird, kommt von einem Regler, der die Richtung der Waffe regelt, und ist ein Sollwert für das Drehmoment, mit dem das Waffenrohr 4 um seine Lagerung der Schwenkachse 5 gedreht werden soll. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine im inertialen Raum stabilisierte Waffe, welche auf äußere Kreiselsignale von einem Kreisel der auf der Waffe positioniert ist, oder Nachführsignale die von einem bereits stabilisierten Zielgerät stammen regelt. Prinzipiell ist es aber für die Erfindung unerheblich, welche physikalische Größe in den äußeren Regelkreisen zur Regelung herangezogen werden. Es ist auch unerheblich, ob es sich um eine im inertialen Raum stabilisierte Waffe handelt, welche auf Kreiselsignale regelt, oder auf andere bereits stabilisierte Geräte nachgeführt ist.
Das Eingangssignal 24 wird mit der Lagedifferenz 41, die negativ zum positiv eingespeisten Eingangssignal 24 zugeführt wird, verglichen. Die Lagedifferenz 41 wird mittels eines Summierers 48 aus den zwei Winkelsignalen α_W abzüglich dem α_M gebildet, die an unterschiedlichen Stellen zum einen am Antriebsmotors 6 und zum anderen an dem Waffenrohr 4 ermittelt werden. Im gezeigten Beispiel ergibt sich die Lagedifferenz aus auf dem die Unterlage bezogenen Winkel α_M des Antriebsmotors 6 abzüglich des auf die Unterlage bezogenen Winkels α_W des Waffenrohrs 4 (entsprechend um das Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes 7 korrigiert).
Das Differenzsignal 26 dieser beiden Signale 24 und 41 wird vorzugsweise in einem PID-Regler 42 frequenzabhängig verstärkt und als Antriebsmomentsollwert 28 (I_M) in den Motorstromregelkreis 29 eingespeist. Ergebnis der Motorstromregelung ist das Antriebsmoment 30 (T_M). Dem Antriebsmoment 30 wirkt das zum Antreiben des Waffenrohrs 4 erforderliche Drehmoment 31 entgegen. Aus der Differenz und der Bauweise des Antriebsmotors 6 (insbesondere der Motorträgheit) ergibt sich die Motordrehzahl 34 (ω_M), die dann entsprechend beschleunigt oder abgebremst wird. Die Motordrehzahl 34 bewirkt einen Drehwinkel, wenn die physikalische Größe Drehzahl über der Zeit integriert wird was im der 4 als Intergrierer 43 dargestellt ist. Damit wird aus der Motordrehzahl 34 ein Motorwinkel α_M, der mittels des Positionsmessgebers 21 gemessen wird. Die Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors 6 verursacht richtungsabhängig und drehzahlabhängig ein Reibungsmoment 45 (G_F) in der Übertragungsmechanik (insbesondere Planetengetriebe 7 und gegebenenfalls Waffenmechanik 8), um dass das Antriebsmoment 30 des Antriebsmotors 6 in Bezug auf die Verdrehung des Waffenrohres 4 zu reduzieren ist, wodurch sich das zum Antreiben der Übertragungsmechanik und des Waffenrohrs 4 zur Verfügung stehende Drehmoment 40 (T_GW) ergibt.
Der Drehwinkel α_M des Antriebsmotors 6 bewirkt eine Verdrehung der Übertragungsmechanik, welche um die Elastizität 46 der Übertragungsmechanik reduziert wird, die die Verdrehung des Waffenrohrs 4 erzeugt. Das Maß der Verdrehung ist dabei abhängig von den, dem Drehmoment 40 entgegenwirkenden äußeren Lastmomenten 32 (T_A) und von den Drehmomenten, die zur Beschleunigung der Waffenträgheit und der Übertragungsmechanik erforderlich sind (Bezugsziffer 47).
Eine Besonderheit dieser Regelung besteht darin, dass dem PID-Regler mit der Lagedifferenz 41 sowohl ein abgeleitetes Drehmoment zur Verfügung steht, weil die Differenz der beiden Winkel α_W und α_M eine vom Drehmoment abhängige Größe ist, andererseits in der Lagedifferenz 41 auch die Information enthalten ist, die die Winkelbewegung des Waffenrohrs 4 und des Antriebsmotors 6 anzeigt. Damit kann durch eine geeignete frequenzabhängige Verstärkung des Differenzsignals 26 im PID-Regler 42 der Antriebsmotor 6 und das Waffenrohr 4 gedämpft und die Stabilität verbessert werden.
Der Vorteil, der mit der gemäß der 3 und 4 dargestellten Regelung im Vergleich zu einer Regelung aufweist, die das Drehmoment an einer bestimmten Stelle misst, hat auch einen Nachteil. Bei großer Reibung 45 ist die Verdrehung der Übertragungsmechanik kleiner und es wird ein um das Reibmoment kleineres Signal zurückgemeldet. Dieser Nachteil wird teilweise kompensiert, weil die Reibung selbst das vom Antriebsmotor 6 gebildete Drehmoment an das Waffenrohr 4 weiterleitet.
Dieser Nachteil kann durch zusätzliche direkte Messungen des Drehmoments an einer bestimmten Stelle in der Übertragungsmechanik ausgeglichen werden, wie dies in den 5 und 6 anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt ist. Zwischen dem Planetengetriebe 7 und dem Waffenrohr 4 ist ein Drehmomentsensor 18 angeordnet. Hierdurch wird am Ausgang des Planetengetriebes 7 das Drehmoment 40 (T_GW) erfasst und über einen weiteren Vergleicher 49 wird die Lagedifferenz 41 mit dem Drehmoment 40 (T_GW) verglichen. Das Ergebnis 50 ist eine dem Reibmoment 45 (G_F) proportionale Größe, welche zwischen dem Drehwinkel α_M und der Messstelle des Drehmomentes 40 (T_GW) entsteht.
Diese von dem Ergebnis 49 verkörperte Größe kann direkt zur Kompensation der Störung im PID-Regler 42 verwendet werden, wie das z. B. in 6 dargestellt ist. Da bei dieser Ausführung eine der Reibung G_F proportionale Größe (Ergebnis 49) zur Verfügung steht, kann zusätzliche Reibung, die bei diesem Verfahren nicht erfasst wird, und z. B. am Lager des Waffenrohres 4 auftritt, durch entsprechende Verstärkung des Signals teilweise oder bei gleichem Verlauf der Reibung über der Bewegung weitgehend direkt kompensiert werden.
Die 6 unterscheidet sich von der 4 lediglich durch die zusätzliche Drehmomentmessung, weshalb für identische und wirkungsgleiche Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet werden und hinsichtlich deren Wirkung auf die obige Beschreibung verwiesen wird. Das Ergebnis 50 wird in den Regelkreis zusätzlich zu dem Eingangsignal 24 und der Lagedifferenz 41 eingespeist und das Differenzsignal 26 im PID-Regler frequenzabhängig verstärkt.
Im Folgenden wird anhand der 7 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Diese Ausführungsform baut auf der Ausführungsform gemäß 6 auf, weshalb unter Verwendung von gleichen Bezugsziffern ergänzend auf gleiche und wirkungsgleiche Elemente der obigen Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll nur auf den wesentlichen Unterschied eingegangen werden.
Zwar kann bei der Ausführungsform gemäß 6 ein PID-Regler 42 unterschiedliche Frequenzbereiche unterschiedlich verstärken und damit auf die Eigenschaften der Regelungen sehr gut Einfluss nehmen. Jedoch lässt sich die Regelgüte noch einmal verbessern, wenn die Lagedifferenz 41 und das Drehmoment 40 (T_GW) zuerst einmal getrennt voneinander einen geeigneten Regler durchlaufen, der auf den entsprechend zu verstärkenden Frequenzbereich oder die zu verstärkenden Frequenzbereich noch besser abgestimmt ist. Hierzu wird das Eingangssignal 24 zum einen mit der negativ eingespeisten Lagedifferenz 41 verglichen, und somit ein Differenzsignal 26.1 erzeugt, das einem PD-Regler 42.1 zugeführt wird. Zum anderen wird das Eingangssignal 24 mit dem durch den Drehmomentsensor 18 ermittelten Drehmoment 40 (T_GW), das negativ eingespeist wird, verglichen und somit ein Differenzsignal 26.2 erhalten, das einem PI-Regler 42.2 zugeführt wird. Die Ausgangsgrößen dieser beiden Regler 42.1 und 42.2 werden addiert und die Weiterverarbeitung der Signale erfolgt wie in der Ausführungsform gemäß 6. In den beiden Reglern 42.1 und 42.2 können dabei die Signale in unterschiedlichen Frequenzbereichen verstärkt oder abgeschwächt werden, um einerseits die Schwingneigung des Antriebsmotors 6 zu dämpfen und andererseits das Regelverhalten des Waffenrohrs 4 zu verbessern.
Aufbauend auf der Ausführungsform der 7 wird nunmehr anhand der 8 eine weitere Ausführungsform näher erläutert. In den Regelkreis wird nunmehr auch noch das Bewegungssignal 51 des Beschleunigungsmessers 19 eingespeist. Bei dem Signal 51 handelt es sich um ein lineares Bewegungssignal der Unterlage, vorzugsweise der Hubbeschleunigung. Die Messung der Beschleunigung erfolgt vorzugsweise im rechten Winkel zur Verbindung des Schwerpunktabstandes des Waffenrohrs 4 mit seiner Lagerung. Diese lineare Beschleunigung bewirkt ein Drehmoment, welches durch das Produkt – Wert der Beschleunigung multipliziert mit der drehbar gelagerten Masse (im Schwerpunkt) des Waffenrohrs 4 und multipliziert mit dem Abstand zwischen dem Beschleunigungsmesser 19 und dem Schwerpunkt definiert ist.
Dieses durch die Hubbeschleunigung der Unterlage hervorgerufene Drehmoment bewirkt, dass das Waffenrohr 4 aus seiner durch die Regelung stabilisierten vorgegebenen Richtung herausgedreht und so das Stabilisierungsergebnis verschlechtert wird.
Aufgrund der Tatsache, dass die höheren Frequenzanteile dieser linearen Beschleunigung und damit des Drehmoments die Biegeeigenschwingungen des Waffenrohrs 4 anregen, welche das Treffergebnis verschlechtert, wird eine getrennte Bewertung des Bewegungssignals 51 durchgeführt. Das Bewegungssignal 51 wird zum einen einem ersten Filter 52 zugeführt, welches vorzugsweise die Frequenzen im unteren Bereich der Beschleunigung herausfiltern. Das Ergebnis wird vorzugsweise negativ in den Regelkreis mit dem PI-Regler 42.2 eingespeist. Es werden also die Anteile des Bewegungssignals 51 vom PI-Regler 42.2 verarbeitet, die Einfluss auf die Biegeeigenschwingungen des Waffenrohrs 4 haben. Die negative Einspeisung erfolgt deshalb, weil am Antriebsmotor 6 ein nachgebendes Drehmoments geregelt werden soll. Zum anderen wird das Bewegungssignal 51 durch einen zweiten Filter 53 geleitet, welches vorzugsweise die höheren Frequenzanteile des Bewegungssignals 51 herausfiltert. Das Ergebnis wird dann getrennt zusammen mit der Lagedifferenz 41 und dem Eingangssignal 24 mit positiven Vorzeichen eingespeist. Das bedeutet, dass das Signal am Antriebsmotor 6 ein Drehmoment bewirkt, welches ein mitdrehendes Drehmoment bewirkt. Durch diese Regelung werden die Biegeeigenschwingungen der Waffe gedämpft und die Treffer im Ziel verbessert.
Simulationsergebnisse und Testergebnisse zeigen klare Vorteile dieser Regelung, die wie folgt zusammengefasst werden können:
Die Bewegung des Antriebsmotors 6 kann bei der Lagedifferenzregelung voll erfasst und deshalb durch geeignete Konfiguration des Reglers gedämpft werden. Dies ist zum Beispiel bei einer alleinigen Drehmomentmessung nicht möglich. Die alleinige Drehmomentmessung erfasst nicht die gesamte Bewegung des Antriebsmotors 6, weil die Reibung 45 (G_F) verhindert, dass die gesamte Bewegung des Antriebsmotors 6 an die Stelle der Drehmomentmessung weitergeleitet wird. Damit kann der Antriebsmotor 6 auf der Elastizität 46 der Antriebsmechanik schwingen und instabil werden. Bei bekannten Lösungen wird zur Dämpfung des Antriebsmotors eine der Drehmomentregelung unterlagerte Drehzahlregelung verwendet. Die Motordrehzahl ist jedoch eine auf die bewegbare Unterlage bezogene Größe und nicht wie das Signal der Drehmomentmessung oder das Messsignal des Kreisels ein inertiale, d. h. eine von der Unterlage unabhängige Größe. Daher erzeugt das Drehzahlmesssignal eine Störgröße auf den Regelkreis, wenn die Unterlage, auf der die stabilisierte Waffe geregelt ist, sich um die Lagerung der stabilisierten Waffe bewegt. Eine solche Störgröße ist bei der erfindungsgemäßen Regelung nicht gegeben, weil prinzipiell auf die unterlagerte Drehzahlmessung verzichtet werden kann. Es werden also möglichst keine Signale in der Regelung verwendet, die sich auf die bewegbare Unterlage beziehen.
Gemäß einer Ausführungsform kann bei zusätzlichem Einsatz der Drehmomentmessung direkt eine Größe für die Getriebereibung als Signal erfasst werden, welche direkt als Drehmomentsollwert der Getriebereibung entgegengerichtet werden kann zur Kompensation der Reibung.
Die Lagedifferenzregelung ist einfacher einzustellen, da üblicherweise eine Regelschleife, nämlich die unterlagerte Motordrehzahlregelung entfällt.
Eine Regelung, wie sie aus der DE 43 17 935 C2 bekannt ist, neigt wegen der unterschiedlichen Bezugsgrößen – inertialer Bezug für die Drehmomentmessung und das Kreiselsignal einerseits und fahrzeugbezogener Bezug für das Motordrehzahlsignal andererseits – zu Dauerschwingungen (limit cycles), was bei der erfindungsgemäßen Regelung ohne Verwendung der Drehzahlregelung nicht gegeben ist.
Die erfindungsgemäße Regelung erreicht bei sonst gleichen Werten für die Regelstrecke eine bessere Bandbreite im inneren Regelkreis und eine insgesamt bessere Dämpfung.
Die erfindungsgemäße Lagedifferenzregelung kann sowohl mit als auch ohne direkte Drehmomentmessung eingesetzt werden. Die direkte Drehmomentmessung ist nur dann eine zusätzliche Verbesserung, wenn die Reibung gegenüber der Störung durch die fahrzeugbezogenen Antriebsmassen und die Verluste der Regelbandbreite durch die Getriebeelastizität einen dominanten Einfluss hat.
Wenn, wie gemäß 5 gezeigt, mit einem zusätzlichen Drehmomentsensor das Drehmoment an einer Stelle in der Antriebsmechanik gemessen wird, kann direkt die Getriebereibung zwischen dem Motor und dem Getriebe gemessen werden. Die Kompensation der Reibung kann deshalb unabhängig von den anderen Größen im Regelkreis durch geeignete Filter kompensiert werden, wenn zwischen der Last und der Stelle, an der ein Drehmomentsensor eingesetzt wird, zusätzliche Reibung auftritt, kann diese durch Anpassung der Verstärkung dieser abgeleiteten Messgröße zusätzlich kompensiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4317935 C2 [0002, 0061]

Claims

Regelungsverfahren zur Stabilisierung einer auf einer vorzugsweise bewegbaren Unterlage angeordneten Waffe unter Verwendung eines Antriebsmotors (6), welcher zur Richtungsänderung der Waffe mit dieser derart in Form eines Antriebsstrangs in Wirkverbindung steht, dass das Antriebsmoment (T_M) des Antriebsmotors (6) eine Bewegung der Waffe bewirkt, und eines ersten Reglers, dem die erfasste Abweichung zwischen der gewünschten Bewegung und der tatsächlichen Bewegung der Waffe als Regelabweichung zugeführt wird, und eines unterlagerten zweiten Reglers (42), dem das Ausgangssignal (24) des ersten Reglers zugeführt wird, gekennzeichnet durch einen ersten Positionsmessgeber (20), welcher eine erste, der Waffe zugeordnete Lageposition (α_W) in dem Antriebsstrang ermittelt, und einen zweiten Positionsmessgeber (21), der eine zweite dem Antriebsmotor (6) zugeordnete Lageposition (α_M) in dem Antriebsstrang ermittelt, wobei eine Lagedifferenz (41) aus der ersten Lageposition (α_W) und der zweiten Lageposition (α_M) ermittelt wird und diese Lagedifferenz (41) als Regelgröße dem unterlagerten zweiten Regler (42) zugeführt wird, und das Ausgangssignal (28) des unterlagerten zweiten Reglers (42) das Drehmoment des Antriebsmotors (6) beeinflusst.
Regelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang zwischen Antriebsmotor (6) und Waffe ein Übersetzungsmechanismus (7) angeordnet ist und eine um ein Übersetzungsverhältnis des Übersetzungsmechanismus (7) korrigierte Lagedifferenz (41) als Regelgröße vom zweiten Regler (42) verwendet wird.
Regelungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Regler (42) als frequenzabhängiger Verstärker wirkt.
Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehmomentsensor (18) vorgesehen ist, der im Antriebsstrang bevorzugt zwischen Antriebsmotor (6) und Waffe und/oder Übersetzungsmechanismus (7) und Waffe ein Drehmoment ermittelt und ein Drehmomentsignal (40) erzeugt, das zusammen mit der Lagedifferenz (41) das Drehmoment des Motors (6) beeinflusst.
Regelungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus Lagedifferenz (41) und Drehmomentsignal (40) ein Differenzsignal (50) gebildet wird, das zusammen mit der Lagedifferenz (41) das Drehmoment des Motors (6) beeinflusst.
Regelungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Regler (42) ein PID-Regler ist.
Regelungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagedifferenz (41) dem zweiten Regler (42.1) und das Drehmomentsignal (40) einem dritten, ebenfalls dem ersten Regler unterlagerten Regler (42.2) zugeführt wird, wobei die Ausgangssignale des zweiten Reglers (42.1) und des dritten Reglers (42.2) zusammen das Drehmoment des Antriebsmotors (6) beeinflussen.
Regelungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Regler (42.1) ein PD-Regler und der dritte Regler (42.2) ein PI-Regler ist.
Regelungsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bewegungssensor (9) zur Erfassung einer Bewegung der Unterlage vorgesehen ist, dessen Bewegungssignal (51) in vorbestimmter Frequenzabhängigkeit zum einen dem zweiten Regler (42.1) und zum anderen dem dritten Regler (42.2) zugeführt wird.
Regelungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Regler (42.1) hauptsächlich oder ausschließlich der Frequenzbereich oder die Frequenzbereiche des Bewegungssignals (51) zugeführt wird bzw. werden, welcher bzw. welche keine oder nur geringe Frequenzanteile enthalten, die Biegeeigenschwingungen der Waffe anregen können.
Regelungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein höherer Frequenzbereich oder höhere Frequenzbereiche des Bewegungssignals (51) herausgefiltert wird bzw. werden und das gefilterte Restsignal dem zweiten Regler (42.1) zugeführt wird.
Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem dritten Regler (42.2) hauptsächlich oder ausschließlich der Frequenzbereich oder die Frequenzbereiche des Bewegungssignals (51) zugeführt werden, welcher bzw. welche Frequenzanteile enthalten, die Biegeeigenschwingungen der Waffe hervorrufen können.
Regelungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein tieferer Frequenzbereich oder tiefere Frequenzbereiche des Bewegungssignals (51) herausgefiltert wird bzw. werden und das gefilterte Restsignal dem dritten Regler (42.2) zugeführt wird.
Regelungsverfahren nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das dem zweiten Regler (42.1) zugeführte gefilterte Restsignal derart eingespeist wird, um ein dem Antriebsmotor (6) mitdrehendes, d. h. nachgebendes Drehmoment zu bewirken und/oder das dem dritten Regler (42.2.) zugeführte gefilterte Restsignal derart eingespeist wird, um ein dem Antriebsmotor (6) entgegendrehendes, d. h. entgegenwirkendes Drehmoment zu bewirken.
Waffensystem mit einer auf einer vorzugsweise bewegbaren Unterlage angeordneten Waffe, einem Antriebsmotor (6), welcher zu Richtungsänderung der Waffe mit dieser derart in Form eines Antriebsstrangs in Wirkbeziehung steht, dass das Antriebsmoment (T_M) des Antriebsmotors (6) eine Bewegung der Waffe bewirkt, und einer Stabilisierungsregelung, die einen ersten Regler umfasst, dem die erfasste Abweichung zwischen einer gewünschten Bewegung und einer tatsächlichen Bewegung der Waffe als Regelabweichung zuführbar ist, einen unterlagerten zweiten Regler (42) umfasst, dem das Ausgangssignal (24) des ersten Reglers zuführbar ist, einen ersten Positionsmessgeber (20) umfasst, der eine erste, der Waffe zugeordnete Lageposition (α_W) im Antriebsstrang ermittelnd ausgestaltet ist, einen zweiten Positionsmessgeber (21) umfasst, der eine zweite, dem Antriebsmotor (6) zugeordnete Lageposition (α_M) im Antriebsstrang ermittelnd ausgestaltet, und einen Vergleicher (Summierer) (48) umfasst, der eine Lagedifferenz (41) aus der ersten Lageposition (α_W) und der zweiten Lageposition (α_M) ermittelnd ausgestaltet ist, wobei der Summierer (48) und der zweite Regler (42) derart in Verbindung stehen, dass diese Lagedifferenz (41) als Regelgröße dem zweiten Regler (42.2) zuführbar ist, und der zweite Regler (42.1) ein Ausgangssignal (28) bereitstellbar ausgestaltet ist, welches das Drehmoment des Antriebsmotors (6) beeinflusst.
Regelungsvorrichtung zur Stabilisierung eines Waffensystems nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Regler vorgesehen ist, dem die erfasste Abweichung zwischen einer gewünschten Bewegung und einer tatsächlichen Bewegung der Waffe als Regelabweichung zuführbar ist, ein unterlagerter zweiter Regler (42) vorgesehen ist, dem das Ausgangssignal (24) des ersten Reglers zuführbar ist, ein erster Positionsmessgeber (20) vorgesehen ist, der eine erste, einer Waffe zugeordnete Lageposition (α_W) in einem Antriebsstrang ermittelnd ausgestaltet ist, ein zweiter Positionsmessgeber (21) vorgesehen ist, der eine zweite, einem Antriebsmotor (6) zugeordnete Lageposition (α_M) in dem Antriebsstrang ermittelnd ausgestaltet ist, und ein Differenzierer (48) vorgesehen ist, der eine Lagedifferenz (41) aus der ersten Lageposition (α_W) und der zweiten Lageposition (α_M) ermittelnd ausgestaltet ist, wobei der Differenzierer (48) und der zweite Regler (42) derart in Verbindung stehen, dass diese Lagedifferenz (41) als Regelgröße dem zweiten Regler (42) zuführbar ist, und der zweite Regler (42) ein Ausgangssignal (28) bereitstellbar ausgestaltet ist, welches das Drehmoment des Antriebsmotors (6) beeinflusst.