DE1588219A1

DE1588219A1 - Stabilisationsregelsystem

Info

Publication number: DE1588219A1
Application number: DE1967G0049029
Authority: DE
Inventors: Clark Albert Arnold; Craig Allen George; Benjamin Wilbur
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-01-21
Filing date: 1967-01-19
Publication date: 1971-02-18
Also published as: BE692937A; JPS5012559B1; NL157998B; GB1170585A; FR1514417A; SE340541B; DE1588219B2; NL6616110A; DE1588219C3; CH475594A; US3456511A

Description

1588?19

Dr.-Ing. WILHELM REICHEL PATENTANWALT Telefon: Frankfurt 06Il /5591 65 β FRANKFURT/MAIN I Telegramm: Frankfurt Pattntroa PARKSTRASSE Postscheck: Pfm. 468 30

dta.

4952

General Electric Gompany, Schenectady, N.Y., U.S.A.

Stabilisationsregelsystem

Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein servomechanisches Hegelsystem und im besonderen bezieht sie sich, auf ein elektrisches servomechanisches System, um eine !Trägheitsmasse in irgendeiner bestimmten Trägheitslage automatisch festzuhalten. Im speziellen bezieht sich die Erfindung auf eine elektrische servomechanische Regelung hoher Leistung, in der eine bewegliche Plattform hoher Trägheit durch mit ihr verbundene Rückkopplungselemente gegen Auswandern stabilisiert wird.

In bekannten Regelsystem dieser Art wird eine Masse hoher Trägheit durch ein eine geschlossene Rückkopplungsschleife enthaltendes System im Raum stabilisiert, wobei ein mit der Masse verbundener Servomotor den auf die Masse einwirkenden Störbewegungen entgegenwirkt. Ein umschaltbarer Gleichstrommotor dient als Hauptantrieb für die Trägheitsmasse und wird mit einer elektrischen Spannung versorgt, deren Polarität und Amplitude von einem ]?ehlersignal abhängt, das durch Vergleich eines Lage-Eingangssignals mit einem Lage-Rückkopp lungs signal im Servoverstärker erzeugt wird. Andere

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von diesem Fehlersignal verschiedene Fehlersignale werden im allgemeinen von der Hauptachse der beweglich aufgehängten Plattform mit einer oder mehreren Fühleinrichtungen abgeleitet, die zur Erfassung der Bewegung im Raum bei bekannten Systemen direkt mit der Plattform verbunden sind. Bei früheren Regelsystemen ist die Plattform mit dem Servomotor über eine Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit verbunden, welche im allgemeinen ein Reduzier-Zahnradvorgelege ist, das das benötigte Drehmoment liefert. Die mechanische Kraft wird von einem herkömmlichen hochtourigen Motor abgeleitet, der auf im Bereich von 300 : 1 bis 1000 : ' liegende Geschwindigkeitsübersetzungsverhältnisse herunterübersetzt ist, wodurch viele unerwünschte Einflüsse auf die Hochleistungs-Servoregelung eingeführt werden. Diese Einflüsse umfassen eine zusätzliche Trägheit, die manchmal größer als die der Plattform ist, sowie Schlupf, Federung und Reibung wie auch mechanische Resonanzen im Vorgelege.

Die Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit in Servoantrieben wurde bereits durch die Verwendung eines direkt antreibenden Systems beseitigt. In diesem System steuert ein Servokraftantrieb einen langsam um! auf enden Elektromotor, der mit der Last über ein durchgehend massives im wesentlichen starres Element verbunden ist.

Es wurde nun herausgefunden, daß, obwohl Einrichtungen zum Reduzieren der Geschwindigkeit verwendet werden, Leistungsgewinne zu erhalten sind, die bisher als charakteristisch für das direkt angetriebene Servosystem angesehen wurden. Zusätzlich können gewisse, bei einem Antrieb mit Geschwindigkeitsreduzierung gegebene wünschenswerte Verhaltensmerkmale einschließlich geringerem Gewicht und geringerer Größe

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im Vergleich zu direkt antreibenden Hauptantrieben beibehalten werden. Mit dieser Lösung können Vorteile erzielt werden, die beiden System eigen sind.

Die Erfindung erfaßt ein Servosystem mit geschlossenem Hegelkreis und verwendet einen umschaltbaren Gleichstrommotor, der mit der Plattform über eine Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit verbunden ist. Diese Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die vom Motor und der Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit gebildeten Trägheiten nur einen· geringen prozentualen Anteil der Trägheit des gesamten Systems ausmachen. Die Begrenzung der Trägheit wird mit einem Minimum an drehmomentsvermehrenden Elementen erzielt, soweit das mit den Drehmomentsanforderun gen für die Plattformßtabilisation zu vereinbaren ist. Auf diese Weise wird die Trägheit der gesamten Antriebsstrecke unterhalb eines einen beträchtlichen Energieaufwand zum Beschleunigen der Trägheitsmasse des Motors und der diesem zugeordneten Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit erfordernden Wertes gehalten, um eine Bewegung der tr&gneits stabiiisierten Plattform zu verändern. Die Plattform wird dadurch von dem schädlichen Einfluß isoliert, welcher Grundbewegungen durch die Antriebsstrecke übertragen kann.

Ganz allgemein kann das Wesen der vorliegenden Erfindung durch Bezugnahme auf eine mathematische Beziehung, welche die durch eine Antriebsstrecke reflektierte Trägheit definiert, wie folgt erläutert werden:

worin J*. die Trägheit des Motors und der Einrichtung zue. Reduzieren der Geschwindigkeit bezogen auf die Masse

ist (Masse χ Abstand );

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Jg die Trägheit des Motors und der Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit am Motor ißt (Masse

ο
χ Abstand );

i* das Übersetzungsverhältnis des Getriebes ist.

Die gesamte Trägheit des Systems kann somit durch folgende mathematische Gleichung dargestellt werden:

J₁ - J_L + J_M (2)

worin J_m die gesamte Trägheit des Systems ist

2
(Masse χ Abstand )

Jt die Trägheit der Plattformlast ist (Masse χ Abstand )

Jj- die Trägheit des Motors und der Einrichtung zum' Reduzieren der Geschwindigkeit bezogen auf die Masse ist (Masse χ Abstand )j

Wenn das Verhältnis Jfj/Jfji einen errechneten prozentualen Wert von weniger als 15# hat, dann ist der auf die Plattforastabllisation entsprechend der von der Antriebsstrecke reflektierten Trägheit nachteilig einwirkende Einfluß kaum bemerkbar. Eine genaue Stabilisation wurde mit einem System erzielt, das bei Verhältnissen von 0,05% bis 5# untersucht wurde. Das Reduktionsverhältnis für die Geschwindigkeit,mit dem diese Ergebnisse erzielt werden, hängt sowohl von der Motorträgheitscharakteristik und den Drehmomentsanforderungen des Systems als auch von weiteren Parametern für den speziellen Anwendungsfall ab. Deshalb ist es nicht möglich, eine ausreichende vollständige Verallgemeinerung hinsichtlich des Reduktionsverhältnisses für die Geschwindigkeit

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für alle Systeme anzugeben. Nur zur weiteren Veranschaulichung sei angegeben, daß Übersetzungsverhältnisse im Bereich von 40 : 1 zu 4 : 1 die gewünschten Ergebnisse in einem System mit einem langsam und stark gedrosselten Drehmoment laufenden Servomotor geliefert haben, wobei eine geringere reflektierte Trägheit bei niedrigeren Übersetzungsverhältnissen erzeugt worden ist. Ein Ansteigen der Plattformmasse erlaubt höhere Übersetzungsverhältnisse um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, was die Gefährlichkeit noch weiter verringert, wenn die Übersetzungsverhältnisse von den oben angegebenen allgemeinen Grundsätzen abweichen. Die oben allgemein beschriebene Antriebsstrecke ist für eine genaue Stabilisation der Plattform mit Einrichtungen zum Ermitteln der Bewegung im Raum und Servoeinrichtungen zur Steuerung des Motors verbunden. Die Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit für die Antriebsstrecke kann aus Getrieben oder anderen mechanischen Verbindungen bestehen, die Kurbel- und Hebelkombinationen oder dgl. einschließen.

In seinem grundsätetlichen Aufbau ist im vorliegenden Servo-Regelsystem die mit gering reflektierter Trägheit aufgebaute Antriebsstrecke mit der Plattform verbunden. Die Einrichtungen zum Ermitteln einer Bewegung im Raum liefern ein Signal, das kennzeichnend für die Plattformbewegung ist. Dieses Signal wird vom elektrischen Servoteil des Systems umgeformt und liefert ein der Stabilisierung dienendes Rückkopplungssignal für den Motor der Antriebsstrecke. Die elektrischen Komponenten und die Schaltung, welche die Rückkopplungsschleife des Servoteils des Regelsystems bilden, sind so konstruiert und miteinander verbunden, daß die Platt-

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form über einen relativ breiten Frequenzbereich hinsichtlich der eingangsseitig wirksamen Grundbewegung stabilisiert ist. Das die Bewegung im Raum kennzeichnende Signal wird in einem Servoverstärker leicht verstärkt, welcher ein Fehlersignal für einen getasteten Kraftverstärker liefert, von dem das Steuersignal für den Motor abgeleitet wird. Dieser besondere Kraftverstärker, der im folgenden noch genauer beschrieben wird, erlaubt für den Servovorgang eine große Bandbreite durch die Verwendung einer Schaltfrequenz, die bedeutend über der des gewünschten Servobandpasses liegt. Zusätzliche elektrische Rückkopplungen können in den Servoteil des Systems zur Verbesserung der Leistung eingeführt werden. Ein Stromrückkopplungssignal im Servo verbessert die Isolierung zwischen der Motormasse und der Plattformmasse bei hohen Frequenzen und bewirkt geringere Fehler bei der Servotätigkeit. Das Servoregelsystem kann mit weiteren zusätzlichen Merkmalen ausgestattet sein, welche noch weitere betriebliche Vorteile liefern. Ein integrierter Schaltkreis für den Servoverstärker kann als Lagegedächtnis für das System vorgesehen sein, welches die Plattform in eine bestimmte räumliche Lage zurückführt, nachdem vorübergehend auftretende Störmomente, die die Drehmomentsleistung des Systems übersteigen, beseitigt sind. In ähnlicher Weise kann auch eine Maximalstrombegrenzung in die Schaltung für den Servoteil des Systems eingefügt werden, um eine Überlastung des Motors oder des Kraftverstärkers zu verhindern. Die Haupteinrichtungen zum Ermitteln der räumlichen Bewegung der Plattform können ein Beschleunigungsmesser, ein Kreisel oder ähnliche Einrichtungen sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wird im Servoregelteil des Systems ein Fehlersignal von der Lage

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der Plattform abgeleitet. Eine Beschleunigung der Plattform längs ihrer Höhen- und Querachse wird mit einem oder mehreren mit ihr verbundenen Kreisel gemessen. Solange die Geschwindigkeit der Bewegung im Raum, wie sie mit einem oder mehreren Kreiseln gemessen wird, mit dem Servoregelteil des Systems auf Mull gehalten wird, verbleibt die Plattform in einer stationären Lage im Raum. Um die Plattform in eine andere räumliche Lage zu bewegen, kann ein Sollwert-Signal in den Servokreis eingespeist werden, welches die Plattform so lange verstellt, bis die von einem oder mehreren Kreiseln gemessene Geschwindigkeit mit dem Geschwindigkeit ssollwert übereinstimmt. Das Kreiselsignal wird an einen Servoverstärker angelegt, der ebenfalls die üblichen Eingangesignale zusammen alt Sollwert-Signalen erhält. Ein Rückkopplungsverstärker zusammen mit den zugeordneten Schaltkreisen ist als Rückkopplung zwischen den Gleichstrommotor und den Servoverstärker geschaltet, um die Plattform zur verbesserten Stabilisierung gegen Störbewegungen der Basis zu isolieren. Im Motorschaltkreis ist vorteilhafterweise ein Shunt vorgesehen, der einen Strom proportional dem Strom des Motors liefert,, und damit das System mit einem weiteren Rückkopplungssignal versorgt. Der mit dem Stromrückkopplingeverstärker verbundene Schaltkreis begrenzt den dem Gleichstrommotor sugeführten Spitzenstrom. Die Geschwindigkeitsrückkopplingssignale des Steuerkreisels, die Stromrückkopplungsund die Stroabegrenzungssignale werden alle in einer später im einzelnen beschriebenen Veise zusammengeführt, um ein kompensiertes und richtig begrenztes Fehlersignal für einen Gleichstrom-Kraftverstärker zu liefern, der zwischen den Servoverstärker und den Servomotor geschaltet ist. Dieser Kraftverstärker liefert eine nach Polarität und Amplitude

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dem Steuerbefehl des Servoverstärkers entsprechende Spannung. Die Verwendung eines in Festkörpertechnik aufgebauten, getasteten Kraftverstärkers liefert eine kurze Zeitkonstante, welche zusammen mit der verhältnismäßig kurzen Zeitkonstante der Übertragungskette des Systems eine genaue Gesamtregelung sicherstellt.

Die intriebsstrecke in dem oben beschriebenen, einen Bandpass enthaltenden servomechanischen Regelsystems umfaßt einen unschaltbaren Gleichstrommotor, der mit einem Reduzier-Vorgelege verbunden ist. Diese Kombination liefert das erforderliche Drehmoment für die Stabilisationsbewegungen der Plattform bei dem relativ niedrigen, vorausgehend erklärten Trägheitsverhältnia J^/J^. Die üblichen hochtourigen Servomotoren, welche mit ungefähr 1ΘΟΟ Umdrehungen pro Minute und mehr umlaufen, können wegen der sehr hohen Rotorträgheit keine Verwendung finden. Um die den verfügbaren, umschaltbaren Gleichstrommotoren von Natur aus anhaftende hohe Rotorträgheit zu überwinden ist es notwendig, einen Motor zu verwenden, welcher ein hohes Drehmoment bei einer viel geringeren Geschwindigkeit von ungefähr 300 Umdrehungen pro Hinute liefert. Die vom Motor selbst beigesteuerte, durch die Bezeichnung J_H dargestellte Trägheit kann dabei auf einem vergleichsweise niederen Wert gehalten werden. Das Reduzieren der Motorgeschwindigkeit verkleinert auch das Übersetzungsverhältnis der ausgewählten Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit, welches angenehmerweise die Schlupf- und Reibungsverluste bei der Servoreaktion verringert. Die spezielle Kombination eines niedertourigen Motors mit einer Geschwindigkeitsreduktion im Bereich von ungefähr 4- : 1 zu 40 ; 1 führt zu solch relativ niedrigen J^-Werten. Es gibt noch weitere im

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Vergleich mit herkömmlich übersetzten Antrieben hinsichtlich der Servoleistung erzielbare Vorteile, die von niedrigen J,v-Werten hergeleitet werden können. Insbesondere ist eine höhere als mit herkömmlichem Antrieb mögliche mechanische Resonanzfrequenz als zusätzlicher Gewinn eines niedrigen J„-Wertes erzielbar, obwohl die Steifigkeit des Vorgeleges nicht größer ist. Dieser Gewinn tritt sichtbar zutage bei der Betrachtung der Beziehung für die Energie-Übertragungsfunktion in einem Lage-Servosystem. Die Resonanzfrequenz eines Motors, der mit der Last über ein Vorgelege verbunden ist, ist gegeben durch:

^tfn - (^JM + ³I? *S

worin W die ungedämpfte Resonanzfrequenz ist (fiadius/Sek.)j

Jj, die Trägheit des Motors und der Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit bezogen auf die Masse ist (Masse χ Abstand )j

J, die Trägheit der Plattformmasse ist (Masse χ Abstand );

Kn die Federkonstante des Vorgeleges ist (Gewicht χ Abstand/Radius).

Somit wird bei einer gegebenen Steifigkeit (K_&) und einer Trägheitsmasse (Jt) aus der Gleichung (J) abgeleitet, daß die Resonanzfrequenz mit dem Kleinerwex'den von J„ ansteigt. Auf diese Weise können Servosysteme mit größerer Bandbreite als mit den bisher zur Verfügung stehenden Hochgeschwindigkeitsmotoren _k erhalten werden, wodurch die vorliegende Erfindung im weitesten Maße für di.e verschiedensten Anwendungsgebiete verwendet werden kann.

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Es wird nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung durch die spezielle Kombination eines niedertourigen Motors und den oben erwähnten Verhältnissen für die Geschwindigkeitsreduktion zu begrenzen. Sa eine Verbesserung der Servoleistung im Vergleich mit herkömmlichen Antrieben zum Verringern der Geschwindigkeit mit verhältnismäßig niedrigen J„-Werten erzielt wird, wird es offenbar, daß auch eine andere Einrichtung existiert, um diese Ergebnisse zu erhalten. Durch das Beseitigen der herkömmlich hochtourige Servomotoren charakterisierenden .hohen Rotorträgheit wird es möglich, höhere Übersetzungsverhältnisse für die Geschwindigkeitsreduktion ohne Ansteigen des J_M-Wertes zu verwenden. Während bei höheren Übersetzungsverhältnissen das Anwachsen der Reibung und des Schlupfes in den Servosystemen erwartet wird, konnten bei einer besonderen Anwendung alle Nachteile durch ein niedrigeres, für den Motor erforderliches Drehmoment und einen verbesserten Wirkungsgrad wegen der höheren Motorgeschwindigkeit wettgemacht werden. Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, daß die Erfordernisse der Erfindung für die Antriebsstrecke so lange erfüllt werden, als die addierten Werte der Motorträgheit und der Trägheit für die Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit bei einigen Prozenten der Systemträgheit gehalten werden, die durch die Plattform und ihre Belastung gegeben ist. In Zukunft zu r Verfügung stehende hochtourige, umschaltbare Gleichstrommotoren, die durch eine niedrige Rotorträgheit gekennzeichnet sind, und welche bei höheren Geschwindigkeiten ein bedeutendes Ausgangsdrehmoment abgeben, machen sich bisher ausschließende Kombinationen möglich. Daher zieht die Erfindung im weitesten Sinne geschwindigkeitsreduzierende Antriebs-Servosysteme in Betracht, bei denen der J„-Wert immer klein ist im Vergleich zu dem J^-Betrag, was überrascht im Hinblick auf den beim Entwickeln von Servoanlagen gültigen Grundsatz, daß die Systemleistung immer ein

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Kompromiss hinsichtlich der verwendeten Einrichtung »um Reduzieren der Geschwindigkeit darstellt.

Ein Ausführungsbeiepiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt: Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschema eines elektromechanischen Servosystems gemäß der Erfindung zum Stabilisieren der' Plattformbewegung längs einer Ichs·}

Fig. 2 ein Blockschema für einen Servoverstärker gemäß Figur 1}

Fig. 3 ein ausführlichee Blockschema, das die prinzipiellen Elemente der Servoeinrichtung zeigt, aus welchen das Regelsystem gemäß Fig. 1 besteht;

Fig. 4 ein Blockschema für ein Zweiachsen-Regeleystem gemäß der Erfindung.

In der Zeichnung werden in allen figuren für gleiche Elemente Jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet.

In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung für die Anwendung mit hohen Stördrehmomenten beschrieben, bei der ein Kreisel mit einem Freiheitsgr&d Betrag und Geschwindigkeit der Bewegung mißt, wobei seine empfindliche Achse entweder auf dieHihen- oder Querachse der Plattform ausgerichtet ist. Vorzugsweise wird ein zweiter Creschwindigkeitskreisel mit seiner empfindlichen Achse rechtwinklig zu der Achse des ersten Kreisels ausgerichtet. Die beschriebene Kreiselanordnung wird allgemein für Zweiachsen-Stabilisation der Plattform benutzt, wobei getrennte, von der Höhen- und der Querachse abgeleitete FehlerSignale individuelle Antriebsstrecken in einer später beschriebenen Weise antreiben. Da im wesent- -

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lichen dieselben Servoelemente für diesen Zweck in Jeder stabilisierten Achse benutzt werden, braucht nur die Anordnung einer einzigen Achse betrachtet werden. Demgemäß wird die Lage der Plattform 10 hinsichtlich der Höhenachse durch einen umschaltbaren, niedertourigen Gleichstrommotor 12 festgehalten, welcher mit der Plattform durch ein Reduktionsvorgelege 14- verbunden ist, um die Plattform im Vergleich zu der zu stabilisierenden Hasse mit einer kleinen Motor- und Getriebeträgheit anzutreiben. Ein Einachsen-Geschwindigkeitskreisel 16 ist starr an der Plattform befestigt, und liefert ein Geschwindigkeitssignal, das der Bewegung der Plattform im Baum proportional ist. Der Geschwindigkeitskreisel hat vorzugsweise integrierende Eigenschaften, um eine größere Genauigkeit im Vergleich zu konventionellen Geschwindigkeitskreiseln zu erzielen. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die Lagestabilisation dadurch erzielt, daß die Geschwindigkeitseignale wie sie von den beiden Kreiseln gemessen werden; durch entsprechende Servoelemente auf Hull gehalten werden, wodurch die Plattform in irgendeiner vorher festgelegten räumlichen Lage gehalten wird. Dies wird durch den Vergleich von an den Kreiseln abgenommenen Signalen erzielt, wobei solange Drehmomente um die verschiedenen Kreiselachsen erzeugt werden, Us alle Signalableitungen im wesentlichen verschwinden. In Figur 1 ist im Interesse der größeren Klarheit nur die Servoschleife für die Höhenachse dargestellt, Jedoch folgt, daß eine gleiche Anordnung für die Querachsenstabilisation verwendet werden kann. Je nach den anzuwendenden Leistungskriterien können zum Stabilisieren der speziellen Achsen verschiedene Einrichtungen zum Reduzieren der Geschwindigkeit in der Antriebsstrecke verwendet werden. So z.B. liefert eine Kurbel und ein Hebelgestänge, das mit einem Servomotor verbunden ist, eine geeignete Geschwindigkeitsverringerung längs einer Achse, an welcher nur eine begrenzte Bewegung auftritt.

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Eine Steuerstufe 18 stellt einen Vereinigungspunkt in der Servoregelschleife zum Zuführen der Steuersignale für den Fall dar, daß die Plattform aus ihrer trägheitsstäbilisierten Lage in eine andere räumliche Orientierung gebracht werden soll. Die Gleichstromlagesignale werden einem Servoverstärker 20 zugeführt, welcher aus dem Lagesignal, dem vom Kreisel gelieferten Signal und der Stromrückkopplung ein zusammengesetztes Fehlersignal für den Kraftverstärker 22 liefert. Solange kein Lageeingangssignal an den Servoverstärker angelegt wird, besteht dessen Ausgang aus einem irgendwelchen Störbewegungen der Plattform entgegenwirkenden Stabilisierungssignal. Der umlaufende Kreisel mißt ununterbrochen die Abweichungen der Kreiseldrehachse von ihrer Nullage. Die Antriebsstrecke bewegt die Plattform bis die Geschwindigkeitssignale vom Kreisel und das Lageeingangssignal gleich sind. Eine Stromrückkopplungsschleife 24 leitet ein kontinuierliches Signal von einem Shunt in der Servomotor schaltung ab, welches dem Motorstrom proportional ist. Das Stromrückkopplungssignal wird in einem Verstärker 26 verstärkt, der mit einem Netzwerk zur Begrenzung des dem Servomotor zugeführten Maacimalstroms versehen ist, und eine Nachführung für die Motorgeschwindigkeit im Interesse einer schnellen Servoreaktlon liefert.

Im Betrieb wird das Kreiselgeschwindigkeitssignal und das eingestellte Stromrückkopplungssignal im Servoverstärker zusammengeführt, um ein Ausgangsfehlersignal zu liefern, das direkt zur Steuerung des Servomotors dem Kraftverstärker zugeführt wird. Dies stellt eine Vereinfachung bekannter Servosysteme dar, die eine vereinigte Kreisel- und Stromrückkopplung verwenden, wobei das Kreiselgeschwindigkeitssignal differenziert wird, bevor es mit dem Stromrückkopplungssignal zusammengeschaltet wird. Die Zusammensetzung der Signale, wie

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es das Ausfiihrungsbeispiel »eigt, bringt beträchtliche Vorteile hinsichtlich der Leistung und insbesondere hinsichtlich der Drehmomentereaktion, wobei damit kein oder nur ein geringer Kostenanetieg in Bezug auf das Gesamtsystem verbunden ist. Wenn man einen integrierenden Schaltkreis als unterste erste Stufe für den öervoverstärker vorsieht erhält man als zusätzlichen Vorteil ein Lagegedächtnis und eine hohe Verstärkung bei niedriger Bewegungsfrequenz .

In Figur 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Servoverstärkers gemäß Figur 1 dargestellt. Der Verstärker 20 verkettet das Eingangslagesignal (Sollwert), das Geschwindigkeitssignal des Kreisels, das Stromrückkopplungssignal mit einem Signal zur Strombegrenzung und beaufschlagt den Kraftverstärker mit einem stabilisierten und kompensierten und in geeigneter Weise begrenzten Signal. Integrierende Schaltkreismerkmale im Servoverstärker liefern ein Lagegedächtnis zur automatischen Zurückführung in eine Sollwert-Lage für den Fall, daß Stördrehmomente die ftir den Servomotor gültigen Nennwerte übersteigen. Dementsprechend werden das Lageeingangssignal und das Geschwindigkeitssignal des Kreisele direkt an einen Vorverstärker 28 gelegt, mit dem eine Hückkopplungsschleife 350 für hohe Verstärkung bei niedriger Frequenz verbunden ist. Dadurch bleiben Fehler infolge eines Hassen- oder äußeren Drehmoments, der Grundbewegung und der Drift des Servoverstärkers klein. Ein Lagegrenzsignal, welches in konventioneller Weise von einem nicht dargestellten Tachometer und Potentiometer, die mit dem Servomotor verbunden sind, abgeleitet wird, wird über einen Widerstand 32 dem Gleichstromverstärker 3W- zugeführt, wobei das Ausgangssignal des Verstärkers in Form einer Gleich-

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spannung die Lage und Geschwindigkeit der Plattform in Bezug auf irgendeine bestimmte Grenzlage anzeigt. Das Ausgang*«ignal des Verstärkers wird zwei Zenerdioden 36 und 38 zugeführt, die so zusamaengeschaltet sind, daß sie einen Unempfindlichkeitsbereich aufweisen, um den Wert des Spannungssignals am Verbindungspunkt 40 zu begrenzen. Das Spannungssignal in diesem Punkt wird dadurch proportional entsprechend der Annäherung der Plattform an die Grenzlagen verringert, um dort die Flattformgeschwindigkeit su verringern. Ein Stromrückkopplungssignal vom nicht dargestellten Servomotorschaltkreis wird im Gleichstromverstärker 42 verstärkt, dessen Ausgangssignal an ein Netzwerk 44 angelegt ist. Das

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Netzwerk dient der Filterung des Signals durch eine/ Serienschaltung aus einer Kapazität 46 und einem Widerstand 48 aufweisende Voreilschaltung, womit die Trägheitszeitkonetante des Servomotors festgelegt wird. Auf diese Weise hilft das Stromrückkopplungssignal die Übergangsfunktion zur Stabilisierung des Servo zu formen. Eine Maxijud strombegrenzung für den Servomotor wird dadurch erhalten, daß das Stromrückkopplungssi gnal über zwei weiter· Zenerdioden 50 und 52 vom Gleichstromverstärker 42 in Parallelschaltung dem Punkt 54 zugeführt wird. Biese Dioden sind wiederum derart miteinander verbunden, daß sie einen Unempfindlichkeitsbereich aufweisen und den Signalwert am Punkt 54 begrenzen. Somit werden die vom Servoverstärker kommenden Signale für Strom und Spannung so einreguliert, daß das Anlegen eines ungeeigneten Drehmoments oder ungeeigneter elektrischer Befehle an den Servomotor verhindert wird. Am Punkt 40 werden das integrierte Geschwindigkeitssignal des Kreisels und das Lageeingangssignal mit dem Lagegrenzsignal verbunden, und über einen Widerstand 56 einem GIeichstrom-Summierungsverstärker 58 zugeführt. Sin weiteres Eingangssignal für den Summierungsver-

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verstärker bildet das abgeglichene Stromrückkopplungssignal, das vom Voreilnetzwerk 44 abgeleitet ist. Das Ausgangssignal des Summierungsverstarkers wird über Widerstände 60 und 62 an den Kraftverstärker 22 weitergeleitet, und liefert ein geeignet begrenztes Eingangsfehlersignal.

Für den Betrieb ist der Servoverstärker mit einem Gedächtnis versehen, welches die automatische Rückführung der Plattform in irgendeine vorher befohlene Lage erlaubt, nachdem die Plattform in eine Extremlage verschoben worden war. Sobald die Bedingungen, die durch das Erreichen einer Grenzlage verursacht werden verschwinden, kehrt die Plattform automatisch in die befohlene Lage zurück. Die der Begrenzung des Signals dienenden Merkmale des ServoVerstärkers verhindern den Bedarf hoher Drehmomente und Ströme, wenn die Plattform eine ' Extremlage erreicht hat.

In Figur 3 sind in ei-nem detaillierten Blockschema die wesentlichen Elemente für den Servoteil eines Regelsystems gemäß Figur 1 dargestellt. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 ist der Gleichstrom-Summierungsverstärker 58 in zwei Teile 58 und 58a aufgeteilt, wodurch ein Strombegrenzungssignal diesem Verstärker bei einem bekannten Impedanzwert zugeführt werden kann. Ein weiteres Merkmal des Verstärkerteils 58a besteht in dem mit ihm verbundenen Voreilnetzwerk, um die Ausgangssignalverstärkung bei verschiedenen Frequenzen einzustellen. Die Voreilnetzwerke dienen bei dem Ausführungsbeispiel der Reduzierung mechanischer Resonanzen in dem Servoteil, in dem die Servoschleifenverstärkung bei Frequenzen, die den mechanischen Resonanzen zugeordnet sind, verringert wird. Demgemäß wird ein Eingangslagesignal zusammen mit dem Geschwindigkeitssignal des Kreisels und dem Signal zur NuIl-

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einstellung an die Vorverstärkerstufe 28 des Servoverstärkers 20 angelegt. Diese Vorverstärkerstufe enthält ein Voreilnetzwerk 30 zur Erzeugung hoher Signalverstärkung bei niedriger .Frequenz. Ein im Vorverstärker angeordnetes Filter^ 64 hindert die Weitergabe des verstärkten Signals bei unerwünschten Frequenzen. Das gefilterte Ausgangssignal wird dem einen Teil des Summierungsverstärkers 58 zugeführt und dort mit dem Stromrückkopplungssignal , wie bereits beschrieben, vereinigt. Das Stromrückkopplungssignal wird im Gleichstromverstärker 42 zuvor verstärkt und über das Voreilnetzwerk 44 auf den Summierungsverstärker gegeben. Das Strombegrenzungssignal wird vom verstärkten Stromrückkopplungssignal über eine Yerbindungsleitrung von der Ausgangsseite des Stromrückkopplungsverstärkers sum Verbindungspunkt 66 geleitet, der die beiden Teile 58 und 58a des Summierungsverstärkers verbindet. Zwei Zenerdioden 50 und 52 im Strombegrenzungsweg verhindern, daß der Signalwert am Verbindungspunkt 66 einen durch die maximale Zenerspannung bestimmten Wert überschreitet. Im Betrieb kann das Netzwerk 42 eine weitere Schaltung mit einem nicht dargestellten Differentialverstärker enthalten, um ein Fehlersignal zwischen dem verstärkten Stromsignal und dem Ausgangssignal des Teils 58a des Summierungsverstärkers abzuleiten. Der veränderte Aufbau bewirkt sogar eine größere Genauigkeit der Servofunktion. Das Geschwindigkeitsrückkopplungssignal des Kreisels für die Vorverstärkerstufe 28 wird durch elektrische Anzeigen vom Abgriffselement und dem Drehmomentsmotor (Stützmotor) eines herkömmlichen integrierenden Geschwindigkeitskreisel 16 erzeugt. Die nicht dargestellten Abgriffselemente liefern eine Geschwiij-'i xgKeits- und Lageinformanion in Bezug auf die Plattform, wie schematisch im Auslührungsbeispiel durch die gestrichelte Linie 68 dargestelic ist. Die abgegriffene Größe rtellt ein Wechselstromsignai .ur. welches im Kreisel-Ausgangs vor stärker ?0 verstärkt: vf.-t, mid dai.u in e.iiem

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empfindlichen Demodulator 72 demoduliert wird, um ein Gleichstromgeschwindigkeitssignal zu erzeugen. Das Gleichstromgeschwindigkeitssignal wird einem Gleichstromverstärker 7^ zugeführt und darauf mit dem Signal des Stützmotors des Kreisels in die Vorverstärkerstufe 28 eingespeist. Die beschriebene integrierende Geschwindigkeitskreiselanordnung stellt die Hauptrückkopplung des servomechanischen Regelsystems dar, und dient der automatischen Stabilisierung der Plattform gegen Stördrehmomente und Grundbewegungen.

Das zusammengesetzte Fehlersignal, welches im Teil 58 des Summierungsverstärkers erzeugt wird, ist am Verbindungspunkt 66 zur weiteren Verstärkung im Teil 58a des Servoverstärkers richtig begrenzt. Das entgültige Ausgangssignal des Servoverstärkers bildet ein stabilisiertes, kompensiertes und richtig begrenztes Fehlersignal, das den Kraftverstärker ,22 ansteuert. Um eine breite Servobandbreite im System zusammen mit einer guten elektrischen Empfindlichkeit zu erreichen, wird ein in Festkörpertechnik aufgebauter, tastbarer Kraftverstärker verwandet. Die breite Bandbreite wird durch die Benutzung einer A--"!tfrequenz erzielt, die im wesentlichen über dem Frequenzbereich des gewünschten Servobandpasses liegt. Die dur^hschnitüiiche an den Servomotor 12 vom Kraftverstärker 22 angelegt 3 Spannung wird durch das Verhältnis der Einschaltzeit zur gesamten Tastperiode bestimmt. Um den Servomotor zu veranlassen sich in einer Richtung zu drehen, werden bestimmte Schalter im Kraftverstärker bei einigen Tastfrequenzen geschlossen. Ein Frequenzbezugssi>-nai 76 wird zum Eingangsfehlersignal als Mirtel zur Steuerung des Kraftverstärkers addiert.

Im Betrieb summiert der jleichseromservoverstärker das Greschwindigkeitssignai Ie-- Kreisels ind das Istwert-Signal und

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verbindet es mit dem Stromrückkopplungssignal zur Erzeugung eines Fehlersignals, welches den tastbaren Kraftverstärker steuert. Die Rückkopplungseinrichtungen des Kreisels enthalten einen Gleichstromverstärker, welcher den Kreiselausgangsverstärker antreibt. Das Fehler signal vom Servoverstärker wird mit einem Frequenzbezugssignal verbunden, um den Kraftverstärker so zu betreiben, daß die Ausgangsspannung zum Servomotor mit der Einschaltzeit variiert. Die Drehrichtung des umschaltbaren Gleichstrommotors wird durch die Auswahl der geschlossenen Schalter im Kraftverstärker gesteuert. Beim Nullfehler-Slgnal sind die Schalter des Verstärker s offen. Der Servomotor ist an die Plattform 10 über ein Reduziervorgölege 14- derart gekoppelt, daß die zusammengefaßten Trägheitsmassen des Motors und des Getriebes klein sind im Verhältnis zur Trägheitsmasse der Plattform Die automatische Plattformstabilisation wird in der ausgeführten Konstruktion mit großer Genauigkeit durchgeführt, wie auch eine genaue Höhen- und Seitenstabilisation der Plattform möglich ist.

In Figur 4- ist das Servoblockschema eines erfindungegemäßen zweiachsen-servomechanischen Regelsystems dargestellt. Es wurde nur der Teil der Stabilisation mit dem Geschwindigkeitskreisel gezeigt, damit die allgemeinen elektrischen Verbindungen zwischen dem Höhen- und Querservoantrieb leichter zu verstehen sind. Grundsätzlich enthält die Darstellung ein elektrisches Schaltkreisschema für zusammengeschaltete Geschwindigkeitskreisel, die zur Trägheitsstabilisation und zum Antrieb der damit verbundenen Plattform längs der Höhen- und Querachsen verwendet werden. Um das erforderliche Geschwindigkeitssignal zu erhalten sind ein Paar integrierender Geschwindigkeitskreisel längs ihrer entsprechenden Kreisel-

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drehachsen zueinander senkrecht ausgerichtet und in einem Kreiselblock mechanisch an die Plattform gekoppelt. In der Darstellung sind die in den einzelnen Antriebseinheiten des zusammengesetzten Systems verwendeten gleichen Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Antriebseinheit für das Höhenservoteil 76 umfaßt einen integrierenden Geschwindigkeitskreisel 16, der mit Servoelementen so zusammengeschaltet ist, daß er die Lage der nicht dargestellten Plattform regelt. Der Kreisel entwickelt ein Signal das proportional der Lage seiner Achse im Raum ist, welches in Verbindung mit dem Kreiselstützmotor und damit verbundenen Servoelementen ein Drehmoment um die Kreiselausgangsachse hervorruft, um den Kreisel im Raum um seine Eingangsachse zu drehen oder diese auszurichten. Sobald die Plattform die gewünschte Lage erreicht, wird diese Lage automatisch durch Kreiselstabilisation beibehalten.. Der Kreiselbezugsgenerator 79 treibt den nicht dargestellten Kreiselantrieb. Das Höheneingangssignal wird mit dem Kreiselrückkopplungssignal im ServoVerstärker 20 verkettet. Ein Umsetzer 80 reguliert die Gleichstromversorgung für alle Verstärker in der Servoeinheit. Daß zusammengesetzte Fehlersignal von den Servoverstärkern steuert den tastbaren Kraftverstärker 22, welcher den Servomotor 12 antreibt. Der Kreiselrückkopplungskreis umfaßt den integrierenden Geschwindigkeitskreisel 16, der mit einem Kreiselausgangsveretärker 70, einem phasenempfindlichen Demodulator 72 und einem Gleichstromverstärker 74 derart verbunden ist, daß ein der Geschwindigkeit im Trägheitsraum proportionales Signal erzeugt wird. Das Geschwindigkeitssignal stellt einen Ausgang zusammengesetzter Signale dar, die von nicht dargestellten integrierenden Abgriffselementen und dem Stützmotor des

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Kreisels hervorgerufen werden. Ein Wechselstrom-Abgriffssignal wird im Kreiselausgangsverstärker 70 verstärkt, sodann im phasenempfindlichen Demodulator 72 demoduliert, der die Polarität und Amplitude des Eingangssignals feststellt, und darauf wird das demodulierte Signal in den Gleichstromverstärker eingespeist. Das resultierende Gleichstromsignal wird mit dem Ausgangssignal des Stützmotors vereinigt, und liefert das Geschwindigkeitsfehlersignal für den Servoverstärker 20. Der Kreiselbezugsgenerator 79 liefert bei der ausgeführten Konstruktion eine Bezugsfrequenz für den Demodulator.

In gleicher Weise sind die Servoelemente für die Querachsensteuerung 82 zusammengeschaltet. Die Elemente der Querachsen-Steuerung, die mit denen der Höhenachsensteuerung übereinstimmen, sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet, jedoch mit einem zusätzlichen Strich versehen. So ist der Kreisel 16 in der Einheit für die Servosteuerung um die Höheriachse in der Servosteuerung um die Querachse mit Kreisel 16' bezeichnet, um anzudeuten, daß es sich um eine im wesentlichen gleiche Komponente handelt. Der Stromlauf für die Servosteuerung um die Querachse entspricht ebenfalls dem Stromlauf für die Servosteuerung um die Höhenachse, so daß eine spezielle Beschreibung dieses Teils nicht nötig ist. Die verbleibenden gemeinsamen Verbindungen der beiden Einheiten dienen dazu, Komponenten, die hinsichtlich ihrer Wirkungsweise voneinander unabhängig sind, mit Signalen vom gleichen Wert zu versorgen. Der gemeinsame Schaltkreis gent vom Kreiselbezugsgenerator 79 aus, welcher die Stützziiofcoren für die Kreisel antreibt, und ein Frequenzbezugssiferial den Demodulatoren zuführt. Zur Vereinfachung der Daruteilurig wurde dieser Kreiseibezugsgenerat;or lediglich, durch

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einen Block dargestellt, wobei der Generator in bekannter Weise aus einem LG-Oszillator, einem Phasenteiler und Verstärker mit transformatorgekoppelten Ausgängen bestehen kann. Die Signale werden den Demodulatoren über eine ljeituxif?; 84 zugeführt, während die Signale zu den Kreiselstützmotoren über die Leitung 86 angelegt werden. Dabei wird jeder Kreisel und jeder Demodulator völlig unabhängig von seinem Gegenstück betrieben.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

ι. Syrvoregelsystem zur .Stabilisierung einer Trägheitsmasse i:: e.:;.'ir bestimmten Träßheitslat^e, die eine frei bewegliche i-In si. form enthält, dadurch gekennzeichnet, daß Gin uias ehalt bar er Gleichstrommotor mit der Plattform über eine Einrichtung zum Heduzioren der Geschwindigkeit derart gekoppelt ist, daß die Trägheit des Motors und der Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit klein im Vergleich zur Trägheitsmasse ist, daß ein Detektor vorgesehen ist, der ein Signal liefert, das das Auswandern der Plattform aus einer bestimmten Lage anzeigt, und daß eine elektrische Servoeinrichtung vorgesehen ist, welche das die Auswanderung der Plattform charakterisierende Signal für die Steuerung des Motors umformt, wobei die Servoeinriohzung· einen tastbaren Verstärker enthält, der vom Stabilisierungssignal angeäBuert ist.

2. Servoregelsystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e n η ζ ei c h η e t, daß die elektrische Servoeinrichtung einen Servoverstärker enthält, der aus dem die Plattform verschiebenden Signal ein Stabilisierungssignal erzeugt.

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J. Servoregelsystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein Geschwindigkeit ssignal zum Erzeugen eines der Verschiebung der Plattform im Raum proportionalen Stabilisierungssignals liefert und dem tastbaren zwischen den Servoverstärker und den Motor geschalteten Verstärker zuführt.

4. Servoregelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit ein zwischen die Plattform und den Motor geschaltetes Reduktionsgetriebe enthält, daß der Detektor mit einer Kreiselrückkopplung versehen ist, und daß die elektrische Servoeinrichtung weiterhin eine Stromrückkopplung enthält, um das Stabilisierungssignal in Verbindung mit dem Geschwindigkeitssignal des Kreisels zu erzeugen.

5. Servoregelsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrückkopplung den Servoverstär- ker mit einem dem Motorstrom proportionalen Signal und mit einem Strombegrenzungssignal versorgt, und daß der Servoverstärker ein begrenztes Stabilisierungssignal durch die Kombination des Geschwindigkeitssignals des Kreisels mit dem Strom-Biickkopplungssignal und dem Strombegrenzungssignal erzeugt.

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6. Servoregelsystem nach, einem oder mehreren der Ansprüche

der 1 "bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß/Servoverstärker auf Sollwert-Signale anspricht, um die Plattform in eine gewünschte Lage zu verschieben.

7. Servoregelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Servoverstärker ein Lagebegrenzungssigsnal liefert, welches die Lage der Plattform in Bezug auf eine bestimmte Grenzlage anzeigt.

8. Servoregelsystem nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Sollwert-Signal mit dem Geschwindigkeit ssignal des Kreisels in einem Teil des Servoverstärkers zur Ableitung eines ersten Fehlersignals verknüpft wird, daß dieses erste Fehlersignal mit dem Stromrückkopplungssignal, dem Lagebegrenzungssignal und dem Strombegrenzungssignal in einem anderen Teil des Servoverstärkers verknüpft wird, um ein begrenztes Ausgangsfehlersignal zu erzeugen, und daß der tastbare Verstärker eine Umschaltfrequenz benutzt, die oberhalb der mechanischen Resonanzen des Systems liegt und von dem Ausgangsfehlersignal zur Steuerung des Motors angesteuert wird.

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9. Servoregelsystem nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der tastbare Verstärker eine Ausgangsspannung erzeugt, die von dem Verhältnis der Einschaltzeit zur gesamten Schaltperiode bestimmt ist.

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