DE102016006933B3 - Verfahren zur Kompensation der Blockade eines Ruderblattes in einem X-Ruder - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Blockade eines Ruderblattes in einem X-Ruder und somit der Aufrechterhaltung der Manovrierfähigkeit des Unterseebootes mit einem X-Ruder.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Blockade eines Ruderblattes in einer X-Ruderanlage (im folgenden X-Ruder) und somit der Aufrechterhaltung der Manövrierfähigkeit des Unterseebootes mit einem solchen X-Ruder.
• Moderne Unterseeboote, beispielsweise die deutsche Klasse 212a oder die israelische Dolphin-Klasse, haben anstelle des konventionellen Kreuzruders ein sogenanntes X-Ruder, bei welchem die vier Ruderblätter jeweils diagonal zur Horizontalen bzw. Vertikalen bei Normallage des Unterseeboots angeordnet sind.
• Bei einem X-Ruder werden die Ruderblätter aus Sicht von hinten wie folgt nummeriert. Ruderblatt 1 ist rechts oben (Steuerbord, oben), Ruderblatt 2 ist links oben (Backbord, oben), Ruderblatt 3 rechts unten ((Steuerbord, unten) und Ruderblatt 4 ist links unten (Backbord, unten) angeordnet. Somit liegen Ruderblatt 1 und Ruderblatt 4 sowie Ruderblatt 2 und Ruderblatt 3 sich jeweils gegenüber.
• Durch die Verwendung eines X-Ruders sind neben der Verwendung entsprechend als virtuelles Seitenruder oder virtuelles Tiefenruder zwei weitere Stellungen möglich. Das virtuelle Seitenruder oder virtuelle Tiefenruder entspricht dem Seitenruder oder dem Tiefenruder bei einer konventionellen Anordnung der Ruder in Kreuzform. Beim virtuellen Rollruder wirken die Ruderblätter derart zusammen, dass das Unterseeboot um seine Längsachse gedreht wird ohne eine weitere Änderung der Bewegungsrichtung des Unterseeboots zu bewirken, quasi eine schraubenförmige Bewegung vollzieht. Beim virtuellen Bremsruder sind die Ruderblätter so gestellt, dass die Bewegungsrichtung des Unterseeboots nicht verändert wird, die Ruderblätter jedoch einen Strömungswiderstand darstellen und so eine Bremswirkung aufweisen.
• Die Steuerung erfolgt aus praktischen Gründen auch bei einem X-Ruder durch die Vorgabe einer Wirkung entsprechend einem virtuellen Seitenruders und virtuellen Tiefenruders, wobei zusätzlich auch Rollruder und Bremsruder vorgegeben werden. Die Umrechnung zwischen diesen vorgegebenen Werten und den an den Ruderblättern einzustellenden Winkeln ergibt sich zu:

  

  mit:

δ_r

Steuerwinkel des virtuellen Seitenruders (engl.: rudder)

δ_s

Steuerwinkel des virtuellen Tiefenruders (engl.: sternplane)

δ_p

Steuerwinkel des virtuellen Rollruders (engl.: roll rudder)

δ_u

Steuerwinkel des virtuellen Bremsruders (engl.: brake rudder)

δ₁

Steuerwinkel des 1. Ruderblattes

δ₂

Steuerwinkel des 2. Ruderblattes

δ₃

Steuerwinkel des 3. Ruderblattes

δ₄

Steuerwinkel des 4. Ruderblattes

• Positive Werte für δ₁, δ₂, δ₃ und δ₄ sowie δ_s gehen nach unten, positive Werte für δ_r gehen nach backbord.
• δ₁, δ₂, δ₃ und δ₄ sind die Steuerwinkel.
• Bei Vorgabe des virtuellen Seitenruders und des virtuellen Tiefenruders ergeben sich die Steuerwinkel der Ruderblätter durch Auflösen von Formel 1 entsprechend:

  
• Als 0° Steuerwinkel wird die Mittelstellung des Ruders betrachtet. Befinden sich alle Ruder in Mittelstellung wirkt keine fahrtrichtungsändernde Kraft auf das Ruder.
• Aufgrund des vergleichsweise komplexen Aufbaus des X-Ruders hat ein blockiertes Ruderblatt automatisch Auswirkung sowohl auf das virtuelle Seitenruder als auch auf das virtuelle Tiefenruder.
• Aus der DE 10 2012 222 812 A1 ist ein Verfahren zur Regelung eines Zustand eines Fahrzeugs, insbesondere eines Unterwasserfahrzeugs bekannt. Das Verfahren kann insbesondere auch für X-Ruder verwendet werden. Es werden optimale Steuersignale ermittelt und hierbei Störgrößen berücksichtigt, wobei es sich um die Blockade eines Ruders handeln kann.
• Aus der JP 2016-88 348 A ist ein Controller für eine Ruderanlage für ein X-Ruder bekannt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Manövrierfähigkeit des Unterseeboots auch mit einem blockierten Ruderblatt ermöglicht.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation der Blockade eines Ruderblattes in einem X-Ruder weist die folgenden Schritte auf:
• a) Prüfen, ob ein Ruderblatt blockiert ist,
• b) Feststellen, welches Ruderblatt blockiert ist,
• c) Feststellen in welchem Winkel das blockierte Ruderblatt blockiert ist,
• d) Kompensieren der Steuerwinkel für die verbleibenden drei Ruderblätter,
• m) Ansteuern der Ruderblätter.
• Vorteil des Verfahrens ist es, dass das Unterseeboot auch nach Beschädigung noch manövrierfähig bleibt. Durch das Verfahren werden unkontrollierte Lage- und Richtungsänderungen vermieden. Kommt es während eines Gefechtseinsatzes oder bei einer Aufklärungsfahrt zu einem blockierten Ruderblatt kann insbesondere ein Auftauchen des Unterseebootes vermieden werden, was die Position und Anwesenheit des Unterseeboots verraten würde.
• Ist ein Ruderblatt blockiert, so ist der Steuerwinkel durch die blockierte Stellung vorgegeben und kann nicht mehr variiert werden. Es ergibt sich somit mit einem vorgegebenem virtuellen Seitenruder und einem vorgegebenem virtuellen Tiefenruder aus Formel 2:

  

  mit:

δ_1,jam

Steuerwinkel des blockierten 1. Ruderblattes

δ_2,jam

Steuerwinkel des blockierten 2. Ruderblattes

δ_3,jam

Steuerwinkel des blockierten 3. Ruderblattes

δ_4,jam

Steuerwinkel des blockierten 4. Ruderblattes

δ_r,com

Steuerwinkel des virtuellen Seitenruders, vorgegeben

δ_s,com

Steuerwinkel des virtuellen Tiefenruders, vorgegeben

• Da das Rollen eines Unterseeboots eine sehr ungünstige Bedingung ist, wird das Rollruder zunächst in der Neutrallage festgehalten: δ_p = δ_p,neut = 0° Formel 4
• Somit ist die Kompensation in Schritt d) gegeben als:
  Für blockiertes 1. Ruderblatt:

  
• Für blockiertes 2. Ruderblatt:

  
• Für blockiertes 3. Ruderblatt:

  
• Für blockiertes 4. Ruderblatt:

  
• In allen Fällen wird das Bremsruder als Variable frei gegeben, es wird also die Bremswirkung durch das Ruder in Kauf genommen, um die Steuerfähigkeit des Bootes aufrecht zu erhalten. Dieses bedeutet die geringste Veränderung des Steuerverhaltens des Unterseebootes.
• Es kann bei der Kompensation jedoch auftreten, dass der maximal mögliche Steuerwinkel eines Ruderblattes überschritten wird. Um dieses Problem zu lösen, werden nach Schritt d) folgende Schritte ausgeführt:
• e) Prüfen, ob einer der kompensierenden Steuerwinkel größer als der maximal zulässige Steuerwinkel ist,
• f) Wenn e) positiv, dann Feststellen welcher kompensierenden Steuerwinkel der größte Steuerwinkel ist,
• g) Skalieren der kompensierenden Steuerwinkel,
• m) Wenn e) negativ oder nach g) Ansteuern der Ruderblätter.
• Hierbei ist der maximal zulässige Steuerwinkel nicht nur abhängig von der Bauart. Beispielsweise kann ein Ruderblatt im Bereich von –45° bis 45° bewegbar sein. Zusätzlich ist der maximal zulässige Steuerwinkel auch von der Geschwindigkeit des Unterseebootes abhängig. Während bei Stillstand (0 kn) ein Steuerwinkel im vorgenannten Fall von –45° bis 45° möglich ist, kann aufgrund des Wasserdrucks, der durch die Strömung auf das Ruderblatt wirkt, bei schneller Fahrt, beispielsweise 20 kn, der Steuerwinkel beispielsweise auf –30° bis 30° beschränkt sein, da das Drehmoment der Rudermaschine und somit die maximal zur Verfügung stehende Kraft begrenzt ist.
• Die Skalierung ändert zwar quantitativ das Steuerverhalten, qualitativ bleiben die Eigenschaften jedoch erhalten. Besonders bevorzugt bleibt das Verhältnis von Tiefenruder zu Seitenruder konstant.
• Es wird a definiert zu δ_r,com = a·δ_s,com Formel 9
• Beispielsweise kann das Unterseeboot auch nach der Skalierung eine definierte Kurve, zum Beispiel nach Steuerbord, fahren, ohne dass es zu einer erheblichen Veränderung der Tauchtiefe kommt, es wird lediglich der Kurvenradius bei extremen Manövern vergrößert. So bleibt das Steuerverhalten auch unter diesen Bedingungen für die Besatzung vorhersagbar. Eine Verringerung der Genauigkeit der Beibehaltung der Tiefe muss gegeben falls in Kauf genommen werden.
• Die Skalierung erfolgt derart, dass der Steuerwinkel des Ruderblattes, welcher der höchste Steuerwinkel ist auf den maximalen Wert gesetzt wird und der verbleibenden Steuerwinkel der verbleibenden beiden Ruderblätter entsprechend skaliert werden.
• Der Index sc beim Steuerwinkel δ_n,sc mit n ausgewählt aus der Gruppe 1, 2, 3 oder 4 bedeutet, dass der Steuerwinkel des Ruders n auf den maximalen Wert skaliert ist.
• Ist nun das 1. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximalem Steuerwinkel des 2. Ruderblattes aus Formel 5 und Formel 9: δ_r,com,sc = 1 / 2(δ_2,sc – δ_1,jam) Formel 10 δ_s,com,sc = 1 / 2a(δ_2,sc – δ_1,jam) Formel 11
• Ist nun das 1. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximalem Steuerwinkel des 3. Ruderblattes aus Formel 5 und Formel 9: δ_s,com,sc = 1 / 2(δ_3,sc + δ_1,jam) Formel 12 δ_r,com,sc = 1 / 2a(δ_3,sc + δ_1,jam) Formel 13
• Ist nun das 1. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximalem Steuerwinkel des 4. Ruderblattes aus Formel 5 und Formel 9:

  
• Ist nun das 2. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximalem Steuerwinkel des 1. Ruderblattes aus Formel 6 und Formel 9: δ_r,com,sc = 1 / 2(δ_2,jam – δ_1,sc) Formel 16 δ_s,com,sc = 1 / 2a(δ_2,jam – δ_1,sc) Formel 17
• Ist nun das 2. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximalem Steuerwinkel des 3. Ruderblattes aus Formel 6 und Formel 9:

  
• Ist nun das 2. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximalem Steuerwinkel des 4. Ruderblattes aus Formel 6 und Formel 9: δ_s,com,sc = 1 / 2(δ_2,jam + δ_4,sc) Formel 20 δ_r,com,sc = 1 / 2a(δ_2,jam + δ_4,sc) Formel 21
• Ist nun das 3. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximalem Steuerwinkel des 1. Ruderblattes aus Formel 7 und Formel 9: δ_s,com,sc = (δ_3,jam + δ_1,sc) Formel 22 δ_r,com,sc = 1 / 2a(δ_3,jam + δ_1,sc) Formel 23
• Ist nun das 3. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximalem Steuerwinkel des 2. Ruderblattes aus Formel 7 und Formel 9:

  
• Ist nun das 3. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximalem Steuerwinkel des 4. Ruderblattes aus Formel 7 und Formel 9: δ_r,com,sc = 1 / 2(δ_3,jam – δ_4,sc) Formel 26 δ_s,com,sc = 1 / 2a(δ_3,jam – δ_4,sc) Formel 27
• Ist nun das 4. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximalem Steuerwinkel des 1. Ruderblattes aus Formel 8 und Formel 9:

  
• Ist nun das 4. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximalem Steuerwinkel des 2. Ruderblattes aus Formel 8 und Formel 9: δ_s,com,sc = δ_2,sc + δ_4,jam) Formel 30 δ_r,com,sc = 1 / 2a(δ_2,sc + δ_4,jam) Formel 31
• Ist nun das 4. Ruderblatt blockiert, so ergibt sich bei maximalem Steuerwinkel des 3. Ruderblattes aus Formel 8 und Formel 9: δ_r,com,sc = 1 / 2(δ_3,sc – δ_4,jam) Formel 32 δ_s,com,sc = 1 / 2a(δ_3,sc – δ_4,jam) Formel 33
• Mit dem skalierten virtuellen Steuerwinkeln δ_r,com,sc und δ_s,com,sc aus den Formeln 10 bis 37 und den Formeln 5 bis 8 ergeben sich die Steuerwinkel zu:
  Für blockiertes 1. Ruderblatt ergibt sich:

  
• Für blockiertes 2. Ruderblatt ergibt sich:

  
• Für blockiertes 3. Ruderblatt ergibt sich:

  
• Für blockiertes 4. Ruderblatt ergibt sich:

  
• Leider ist es auch damit nicht möglich, alle Richtung anzusteuern, wenn ein Ruder in der Maximalstellung, beispielsweise ±45° blockiert ist. Um in solchen Fällen dennoch die Manövrierfähigkeit zu verbessern, kann es notwendig sein, das virtuelle Rollruder freizugeben und eine Drehung um die Längsachse zuzulassen.
• Im Folgenden bezeichnen δ_r,ord das erneut skalierte Seitenruder und δ_p,ord das erneut skalierte Rollruder, wobei es sich hierbei nicht um vollständig korrekt skalierte Werte handelt. Die Werte werden derart bestimmt, dass δ_s,com erreicht werden kann. δ_r,com kann hingegen nicht mehr eingehalten werden, da δ_p als weiterer Freiheitsgrad freigegeben ist. Die Variation wird hierbei so gewählt, dass δ_r,ord minimal ist.
• Für blockiertes 1. Ruderblatt ergibt sich: δ_r,ord = 1 / 2(–δ_1,jam – δ₄ + 2δ_s,com) Formel 38 δ_p,ord = 1 / 2(δ₂ – δ_1,jam – 2δ_r,ord), wenn |δ_1,jam – 2_δr,ord| > 45° Formel 39 δ_p,ord = 1 / 2(–δ₃ – δ_1,jam + 2δ_s,com), wenn |δ_1,jam + 2δ_s,com| > 45° Formel 40
• Für blockiertes 2. Ruderblatt ergibt sich: δ_r,ord = 1 / 2(δ_2,jam + δ₃ – 2δ_s,com) Formel 41 δ_p,ord = 1 / 2(–δ₁ + δ_2,jam – 2δ_r,ord), wenn |δ_2,jam – 2δ_r,ord| > 45° Formel 42 δ_p,ord = 1 / 2(δ₄ + δ_2,jam – 2δ_s,com), wenn |δ_2,jam – 2δ_s,com| > 45° Formel 43
• Für blockiertes 3. Ruderblatt ergibt sich: δ_r,ord = 1 / 2(δ_3,jam + δ₂ – 2δ_s,com) Formel 44 δ_p,ord = 1 / 2(δ₄ – δ_3,jam + 2δ_r,ord), wenn |δ_3,jam + 2δ_r,ord| > 45° Formel 45 δ_p,ord = 1 / 2(–δ₁ – δ_3,jam + 2δ_s,com), wenn |δ_3,jam + δ_s,com| > 45° Formel 46
• Für blockiertes 4. Ruderblatt ergibt sich: δ_r,ord = 1 / 2(δ_4,jam – δ₁ + 2δ_s,com) Formel 47 δ_p,ord = 1 / 2(δ₃ + δ_4,jam + 2δ_r,ord), wenn |δ_4,jam + 2δ_r,ord| > 45° Formel 48 δ_p,ord = 1 / 2(δ₂ + δ_4,jam – 2δ_s,com), wenn |δ_4,jam – 2δ_s,com| > 45° Formel 49
• Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• 1 Ablaufdiagramm
• 2 Ruderanordnung
• In 1 ist ein Ablaufdiagramm für die Ansteuerung von Ruderblättern eines X-Ruders gezeigt.
• In Schritt A wird der Wert für das Seitenruder δ_r,com und der Wert für das Tiefenruder δ_s,com vorgegeben.
• In Schritt B werden die Werte in die Steuerwinkel δ_i der vier Ruderblätter entsprechend Formel 2 umgerechnet.
• In Schritt C wird geprüft, ob ein Ruderblatt blockiert ist. Ist kein Ruderblatt blockiert, wird mit Schritt N fortgefahren, ist ein Ruderblatt blockiert, so wird mit Schritt D fortgefahren.
• In Schritt N wird geprüft, ob einer der Steuerwinkel δ_i der vier Ruderblätter größer als der maximale Steuerwinkel ist. Ist dieses der Fall, so wird mit Schritt O fortgefahren, ist dieses nicht der Fall, so wird mit Schritt K fortgefahren.
• In Schritt O werden die Steuerwinkel δ_i der vier Ruderblätter so skaliert, dass der höchste Wert der Steuerwinkel δ_i der vier Ruderblätter den Wert des maximalen Steuerwinkel annimmt. Anschließend wird mit Schritt K fortgefahren.
• In Schritt D wird geprüft, welches Ruderblatt blockiert ist und in welchem Winkel δ_i das blockierte Ruderblatt blockiert ist.
• In Schritt E werden die Steuerwinkel für die verbleibenden drei Ruderblätter berechnet, um das blockierte Ruderblatt zu kompensieren. Die Berechnung erfolgt entsprechend der Formeln 5 bis 8.
• In Schritt F wird geprüft, ob einer der Steuerwinkel δ_i der vier Ruderblätter größer als der maximale Steuerwinkel ist. Ist dieses der Fall, so wird mit Schritt G fortgefahren, ist dieses nicht der Fall, so wird mit Schritt K fortgefahren.
• In Schritt G wird ermittelt, welches Ruderblatt den größten kompensierenden Steuerwinkel aufweist.
• In Schritt H werden die Steuerwinkel skaliert, um den größten kompensierenden Steuerwinkel auf den maximalen Steuerwinkel zu reduzieren. Die Skalierung erfolgt mittels der Formeln 10 bis 33.
• In Schritt I wird geprüft, ob der Betrag des vorgegebenen Tiefenruders größer gleich 1 ist und ob der Betrag des skalierten Tiefenruders kleiner 1 ist. Ist dieses der Fall, so wird mit Schritt L fortgefahren, ist dieses nicht der Fall, dann wird mit Schritt J fortgefahren.
• In Schritt J werden die Einzelruderlagen für die in Schritt H skalierten Steuerwinkel berechnet. Die Berechnung erfolgt entsprechend der Formeln 34 bis 37.
• In Schritt L werden die Steuerwinkel mit variablem Rollruder mittels der Formeln 38 bis 49 berechnet.
• In Schritt M werden die Einzelruderlagen für die skalierten Steuergrößen nach den Formeln 5 bis 8 bzw. nach den Formeln 34 bis 37 berechnet.
• In Schritt K werden die Ruderblätter angesteuert.
• In 2 sind die vier Ruderblätter sowie das virtuelle Seitenruder und das virtuelle Tiefenruder gezeigt, wobei hier in Fahrtrichtung von hinten auf das Unterseeboot gesehen wird.

Claims (1)

1. Verfahren zur Kompensation der Blockade eines Ruderblattes in einem X-Ruder, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Prüfen, ob ein Ruderblatt blockiert ist, b) Feststellen, welches Ruderblatt blockiert ist, c) Feststellen in welchem Winkel das blockierte Ruderblatt blockiert ist, d) Kompensieren der Steuerwinkel für die verbleibenden drei Ruderblätter, m) Ansteuern der Ruderblätter dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) folgende Schritte ausgeführt werden: e) Prüfen, ob einer der kompensierenden Steuerwinkel größer als der maximal zulässige Steuerwinkel ist, f) Wenn e) positiv, dann Feststellen welcher kompensierende-Steuerwinkel der größte Steuerwinkel ist, g) Skalieren der kompensierenden Steuerwinkel, m) Wenn e) negativ oder nach g) Ansteuern der Ruderblätter.

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