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Regeleinrichtung für Schwingbewegung ausführende Teile Bei einem fahrenden
Schiff treten insbesondere bei starkem Seegang Schwingungen auf, die sehr störend
empfunden werden und deren Beseitigung auf verschiedene Weise erreicht werden sollte.
Um solche Schwingungen zu verringern oder zu dämpfen, hat man Stabilisierungseinrichtungen
in sehr verschiedenen Ausführungsformen vorgesehen, wobei durch eine Regelung eine
dem jeweiligen Schwingungsverlauf angepaßte Betätigung erreicht werden soll. Im
Zusammenhang mit der Lösung dieser Aufgaben ist auch schon darauf hingewiesen worden,
daß die Schiffsbewegungen in der Regel nicht Sinusschwingungen entsprechen und daß
die Abweichung der Schiffsbewegung von einem sinusförmigen Verlauf meßbar ist. Dies
erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines Vergleichs der Winkelgeschwindigkeit mit
der Winkelbeschleunigung. Die Stabilisierung erfolgt dann unter Zugrundelegung der
Augenblickrneßwerte von- Winkelbeschleunigung und Winkelgeschwindigkeit einerseits
und des sinusförmigen Verlaufs der dem Meßwert entsprechenden Schiffsschwingung
andererseits.
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Die bekannten StabilisieTungseinrichtungen bewirken entweder eine
entsprechende Verlagerung von Massen oder aber eine Verstellung von seitlich am
Schiffsrumpf angeordneten Flossen, deren Schräglage derart verändert wird, daß sich
den Schwingungen entgegenwirkende Momente ergeben.
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Nach der Erfindung kann eine Regeleinrichtung für Schwingbewegungen
ausführende Teile, insbesondere zur Dämpfung bzw. Verringerung von durch äußere
Einflüsse aufgedrückten Bewegungen, die unter Berücksichtigung sowohl der Größe
der Winkelgeschwindigkeit wie der Größe der Winkelbeschleunigung arbeitet, dadurch
verbessert werden, daß die Regelung bei starken Schwingungen überwiegend von der
Winkelgeschwindigkeit, bei schwachen Schwingungen dagegen überwiegend von der Winkelbeschleunigung
abhängig ist.
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Eine derartige Ausbildung hat den Vorteil, daß je-
weils eine
den gegebenen Voraussetzungen optimal angepaßte Regelung erreicht werden kann. Bei
Schwingungen großer Amplituden wird eine Verringerung der Amplituden durch eine
Verstärkung der Eigendämpfung und damit eine Beruhigung bewirkt. Wenn hingegen auf
den Körper, solange er Schwingungen mit geringen Amplituden ausführt oder praktisch
noch in Ruhe ist, Schwingungsanregungen einzuwirhii beginnen, wird infolge der Aufschaltung
der Winkelbeschleunigung auf die Regelung das Trägheitsmoment künstlich vergrößert.
Dadurch werden die Störmomente unmittelbar abgefangen, ohne daß überhaupt erst nennenswerte
Schwingbewegungen entstehen. Es wird also der dem Regler zugeführte Sollwert in
Gegenph-ase zu d w/d t gehalten. Wenn auf dieser Grundlage eine Steuerung
von Gegenmonienten erfolgt, kann das Entstehen der Schwingungen praktisch überhaupt
verhindert werden.
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In vielen Fällen ist es aber nicht wirtschaftlich oder - z.
B. bei Schiffen im Hafen - nicht möglich, eine derartige Regelung in Betrieb
zu halten. Die den Schwingungen entgegenwirkenden Einrichtungen werden daher in
der Regel erst dann eingeschaltet, wenn die Schwingungen einen bestimmten Grad erreicht
haben. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die bisher üblichen Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung
mit der neuen winkelbeschleunigungsabhängigen Beeinflussung zu kombinieren, und
zwar in dem Sinne, daß zunächst - nach dem Einschalten und solange nennenswerte
Schwingungsamplituden auftreten -
eine winkelgeschwindigkeitsabhängige Regelung
vorgenommen wird, die dann - zweckmäßig in Abhängigkeit von der sich verringernden
Größe der auftretenden Amplituden - allmählich, zügig oder stufenweise in
die beschleunigungsabhängige Regelung übergeführt wird. Es ist hierbei denkbar,
für die beiden Regelungen besondere Einrichtungen, also bei Schiffen beispielsweise
je einen besonderen Flossensatz vorzusehen. Man kann aber auch dieselben
Ele-
mente verwenden und die Beaufschlagung des Reglers entsprechend überlagern.
Diese Umschaltung kann hierbei von Hand oder auch selbsttätig in Abhängigkeit von
den Amplituden durchgefülirt werden. Wenn man den Verlauf einer periodischen Schwingung
verfolgt, so liegt die Phase des jeweiligen Winkels um 900 gegenüber der
Phase der Winkelgeschwindigkeit nacheilend versetzt, während die Phase der Winkelbeschleunigung
gegenüber dieser um 90' voreilend versetzt ist, also gegenüber dem Winkel
in Gegenphase erscheint.
Da es sich praktisch immer um Schwingungen
handelt, die entweder harmonische Schwingungen sind öder aus der überlagerung mehrerer
harmonischer Schwingungen verschiedener Frequenz zusammengesetzt sind, muß auch
die Win-kelgeschwindigkeit beim Nulldurchgang bei größerer Amplitude größer sein.
Man kann deshalb auch die erste Ab-
leitung des Winkels (p als Einflußgröße
für die Steuerung ausnutzen.
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Der Übergang von einer Regelung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
in eine solche in Abhängigkeit von der Beschleunigung kann dadurch erreicht werden,
daß der dem Regler zugeführte Sollwert einen mit abnehmend-er Schwingungsamplitude
größeren Vorhalt bekommt.
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Die Regelung kann auch noch unter einen zusätzlichen Einfluß in Abhängigkeit
von Abweichungen von der Querlage gestellt werden. Man kann dann mit den gleichen,
die Ausgleichsmomente erzeugenden Mitteln, z. B. Flossen, solche Quemeigungen ausgleichen,
die bei Schwingungen als deren Mittenversatz und nach deren Dämpfung als bleibende
sogenannte Krängung auftreten, indem die Flossen dann nicht mehr symmetrisch um
ihre Mittellage bewegt werden.
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Das Blockschaltbild einer Flossenregelung für ein Schiff nach der
Erfindung ist in F i g. 1 der Zeichnung dargestellt. Zur Sollwertvorgabe
sind hierbei drei Einflußgrößen, nämlich der Winkel der Querlage (p, die Winkelgeschwindigkeit
(#, sowie die Winkelbeschleunit'ung #j, berücksichtigt. Dementsprechend sind in
den drei mit den entsprechend bezeichneten Blöcken 1
bis 3 Einrichtungen
angedeutet, die diese Größen, Winkel, Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeeschleunigung,
erfassen und in Meßwerte umsetzen, die einem Vergleicher X, zugeführt werden. über
einen Verstärker Vi wird der vom Additionsglied Xi kommende Summenmeßwert einem
Vergleicher X2 zugeführt, der außerdem noch über einen Funktionsrechner F unter
dem negativen Einfluß eines dem Istwert der Regelung entsprechenden Rückführmeßwertes
steht, der beispielsweise von dem Flossenwinkel ip abhängig ist, wobei seine Größe
im Funktionsrechner F in Abhängigkei#t von der Fahrgeschwindigkeit v verändert wird.
über einen weiteren Verstärker V, wird ein MotorM, gesteuert, der dann seinerseits
die Flossen FI in die entsprechende Lage bringt.
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Die nach der Erfindung vorgenommenen amplitudenabhängige Phasenverdrehung
des dem Sollwert der Regelung entsprechenden Summenmeßwertes wird in einfachster
Weise durch eine Begrenzungseinrichtung B, erzielt, die den Meßwert der Winkelbeschleunigung
nicht nennenswert über einen wählbaren Grenzwert ansteigen läßt. Bei kleinen Amprituden
treten auch kleine Meßwerte aller Bewegungsdimensionen auf, wobei die Begrenzung
nicht wirkt; dann hat der in F i g. 2 vektoriell dargestellte Summenmeßwert
R beispielsweise den aus den Einzelkoeffizienten der Messung sich ergebenden Phasenvorhalt.
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Bei großen Amplituden treten entsprechende größere Meßwerte auf, wobei
der Meßwert der Winkelbeschleunigung durch die Begrenzung relativ verkleinert wird.
Das bewirkt eine Phasenverdrehung des Summenvektors R, dessen Endpunkt beispielsweise
entlang der stark gestrichelten Kurve in F i g. 3
wandert.
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Eine so erhebliche Phasenverdrehung des Summenvektors R kann unter
Umständen eine Gefährdung der Stabilität der Regelung mit sich bringen. Falls
je-
doch die Parameter derRegelstrecke und des Reglers eine solche erfordern,
wird als zusätzliche Verbesserung vorgeschlagen, an einer anderen Stelle des Regelkreises,
beispielsweise in der den Regelkreis schließenden Istwertleitung, 'die die Flossenstellung
ip über den Funktionsrechner F an den Vergleicher X 2 meldet, ebenfalls eine von
den Schwingungsamplituden abhängige Veränderung vorzunehmen. Wenn der Summenmeßwert
bei kleinen Amplituden den erwünschten stärkeren Phasenvorhalt aufweist, empfiehlt
es sich, dem Rückführmeßwert ebenfalls einen im Sinne von dWIdt auftretenden größeren
Vorhalt zu geben. Dies kann beispielsweise durch ein differenzierendes Netzwerk
im Funktionsrechner F durchgeführt werden.
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Eine andere Lösung besteht darin, daß ein zusätzlicher Tachogenerator
vorgesehen wird, der mit dem Flossenmotor gekuppelt ist. Diese Lösung ist in F i
g. 1 in der rechten Hälfte mit gestricheltem Linienzug angedeutet, wo oberhalb
des Flossenmotors M, noch eine Tachomaschine T gezeigt ist, die über einen zusätzlichen
Begrenzer B 2 auf den Funktionsrechner F arbeitet. Die Umschaltung bzw. Phasendrehung
des Rückführineßwertes kann von Hand gleichzeitig mit der Änderung der Koeffizienten
der Meßwerte erfolgen, wenn auch diese von Hand verändert werden. Man kann diese
Zuordnung aber auch selbsttätig vornehmen, wenn die Begrenzungseinrichtung B, in
Tätigkeit tritt, wobei die Differenz zwischen der vom Meßgerät 3 gelieferten
Spannung und dem vorgegebenen, z. B. durch eine Zenerdiodenschaltung definierten
Grenzwert einen differenzierenden Nebenschlußkreis im Funktionsrechner im gewünschten
Sinne steuert.
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Führt man außer dein Flossenwinkel ii, auch die Flossenwinkelgeschwindigkeit
7;" zurück, so genügt es meist, diesen zweiten Wert ebenfalls über ein einfaches
Begrenzungsglied B, zu leiten, um die gewünschte Zuordnung der Phasen sicherzustellen
und die Stabilität des Regelkreises bei allen Amplituden zu erhalten.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Phasendrehung der Soll- und Istwertmessung
ist in F i g. 4 dargestellt. Bei diesem sind zusätzlich noch Einrichtungen
4 und 5
vorgesehen, die von dem Flossenwinkel bzw. der Anderung dieses Winkels
nach der Zeit abhängige Spannungen abgeben.
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Die Meßspannungen von 2 und 3 sind hierbei auf zwei Spannungsteiler
6 und 7, die Meßspannungen von 4 und 5 auf zwei Spannungsteiler
8 und 9 geschaltet.
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Die Abgriffe dieser Spannungsteiler sind mit Hilfe einer über Rollen
10 geführten Kette 11 in gegenläufigem Sinne verstellbar und werden
hierzu von einem Motor M2 angetrieben, der in Abhängigkeit von einer Spannung gespeist
wird, die von einem Vergleicher X" geliefert wird und über einen Verstärker V" geht.
Es ist ersichtlich, daß bei einer Bewegung der Kette im Uhrzeigersinn die abgegriffenen
Anteile der zu #5 und i# gehörenden Spannungen wachsen, während die Anteile von
q# und y abnehmen. Dabei werden also sowohl der Phasenvorhalt des dem Sollwert
entsprechenden Summenmeßwertes wie der Phasenvorhalt des dem Istwert entsprechenden
Rückführmeßwertes in gleichem oder ähnlichem Maße verändert.
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Die Spannungen an den Abgriffen der Potentiometer 6 und
7 werden wie die Meßspannungen der Einrichtungen 1 bis 3 in
F i g. 1 einem Additionsglied X, zugeleitet und über einen Verstärker V,
einem
Vergleicher X2 zugeführt, mit dem außerdem die Abgriffe der Potentiometer
8 und 9 in Verbindung stehen. Der der Regelabweichung entsprechende
Ausgangswert des Vergleichers X, arbeitet über einen Verstärker V, auf den Motor
Mp der die Flosse Fl in die gewünschte Lage bringt.
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Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ist vorausgesetzt, daß
der Meßwert von (p im Geber 1 als Wechselspannung gewonnen wird. Dieser Geber
steht über einen Gleichrichter 21 mit einem RC-Glied, bestehend aus einem Kondensator
22 und einem hohen Widerstand 23 in Verbindung, dessen Spannung im Vergleicher
X, verglichen wird mit einer am Spannungsteiler 13 abgegriffenen Spannung
der Spannungsquelle 12. Da der Abgriff des Spannungsteilers 13 mit dem Motor
M, gekuppelt ist, wird der Abgriff von 13
wenn die Schwingungsamplitude Null
ist und der Kondensator 22 daher entladen bleibt, so lange im Uhrzeigersinne gedreht,
bis auch hier die Spannung Null abgegriffen wird. Dabei läuft auch die Kette
11
in eine Endlage, bei der große Anteile von (# und 1) und kleine Anteile
von o# und y der Regelung zugeführt werden: Bei kleinen Amplituden weist
der Summenmeßwert (Sollwert) einen großen Vorhalt auf, er folgt im wesentlichen
der Phase der Winkelbeschleunigung, und der Rückführmeßwert (Istwert) erhält eine
ähnliche Phasenlage.
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Wächst die Schwingungsamplitude und die aus dem Geber 1 kommende
Wechselspannung, so nimmt die Spannung am Kondensator zu und der Motor M, sucht
das neue Brückengleichgewicht, indem der Ab-
griff des Spannungsteilers
13 entsprechend nach oben verstellt wird. Dabei läuft die Kette
11 in eine Stellung, bei der die Anteile von # und V,' verringert, die Anteile
von q# und V vergrößert werden, wodurch der Vorhalt von Soll- und Istwert verschwindet
und die Regelung im wesentlichen der Winkelgeschwindigkeit folgt.
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Der Kondensator 22 und Widerstand 23 sind so gewählt, daß eine
genügend lange Zeitkonstante entsteht, damit nicht eine der Augenblicksamplitude
entsprechende Spannung, sondern ein Mittelwert über mehrere volle SchWingungsperioden
dem Vergleicher X#, zugeführt wird. Man wählt zweckmäßig die Zeitkonstanten des
RC-Gliedes 22, 23 zwischen drei und fünf Perioden der natürlichen Schlingerbewegung
des Schiffes.
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Es ist unter Umständen vorteilhaft, den Vorhalt der Soll- und Istwerte
anderer Regelungen in der gleichen Weise mit abnehmenden Schwingungsamplituden der
Regelabweichung zu vergrößern. Besonders für solche Regelungen, die periodischen
oder quasiperiodischen Störungen unterworfen werden, ist eine Veränderung des Regelgesetzes
in der beschriebenen Weise von Vorteil, weil dadurch die Möglichkeit erschlossen
wird, bei kleinen Schwingungsamplituden bzw. nach Abklingen größerer Amplituden
für die Regelung neue Störungen früher zu erfassen und ihnen durch rechtzeitige
Gegenmaßnahmen des Stellgliedes so schnell zu begegnen, daß die entstehenden Regelabweichungen
viel kleiner bleiben, als es ohne den Einsatz der erfindungsgemäßen phasendrehenden
Mittel möglich wäre.