DE1798180A1 - Schiffssteueranlage - Google Patents

Description

Dansk Automatisk Ror-Kontrol A/S, üopenharen, MV, Dänemark T_he*lave_d 46 _{Scllimsteueranl}J! A. 5 2 6 4 2 4 * " 5. 9. 68

Es ist· wohlbekannt, dass die Steuereigenschaften eines Schiffes im allgemeinen nur in einem grö'sseren oder kleineren Bereich niedriger Drehgeschwindigkeit des Schiffes linear sind.

Ferner sind einige Schiffe so genannt "dynamisch unstabil", was eine Eigenschaft ist, die mit den Uebersteuerungseigenschaften gewisser Kraftwagen eine gewisse Aehnlichkeit hat. ^

Die dynamische Unstabilität tritt im allgemeinen bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten auf und vermindert sich dann, um beim Ueberschreiten eines gewissen Grenzwertes der Drehgeschwindigkeit ganz zu verschwinden.

Wegen der geschilderten Umstände kann die manuelle Steuerung eines Schiffes Schwierigkeiten bieten. Dasselbe trifft zu, wenn ein Schiff mittels eines Autopilots gesteuert wird, der manuelle Steuerung simuliert.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, dem erwähnten Nachteil abzuhelfen, so dass ein beliebiges Schiff dazu gebracht werden kann, sich vom Gesichtspunkt des Ru- λ

dergastes bzw. des Autopilots aus wie ein normales, bequem zu steuerndes Schiff zu benehmen .

Erfindungsgemäss ist bei einer Schiffssteueranlage mit einem Steuersignalgeber und einer Rudersrei!vorrichtung zwischen diese ein Uebertragungsstromkreis eingeschaltet, worin aus dem Steuersignal, einem von der Drehgeschwindigkeit des Schiffes abhängigen Signa! und einem aus dem letzteren mittels eines Funktionsgenerators in Uebereinstimmung mit der Steuerkenniinio des Schiffes abgeleiteten Signal ein Kombinationssignal erzeugt wird, «Jas der Ruderstell Vorrichtung als Eingangssignal aufgcdri/ckt wird.

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Wie unten erläutert werden soll, ist es dadurch möglich, einem Schiff ideale lineare Steuereigenschaffen beizubringen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung notier beschrieben werden.

Fig. 1 ist eine /ufere I lung von mathematischen Gleichungen, Fig. 2 stellt verschiedene Gattungen von Steuerkennlinien dar, und

Fig. 3 zeigt ein Stromkreisdiagramm einer Ausführungsform einer erflndungsgemässen Steueranlage.

Das durch die oben gekennzeichnete Steueranlage erhaltene kombinierte Ruderstellsignal, das dem einzustellenden Ruderwinkel entspricht, ergibt sich aus Gleichung I in Fig. 1, wo die Zeichen die folgende Bedeutung haben:

δ = Ruderstellsignal, das den Ruderwinkel festlegt,

6c = der vom Rudergast bzw. Autopilot verlangte Ruderwinkel, entsprechend dem oben genannten Steuersignal,

Η(ψ) = die Steuerkennlinie eines Schiffes definiert als der för die Aufrechterhaltung einer gewissen Drehgeschwindigkeit ψ erforderliche Ruder winkel δ als Funktion von ψ ,

a = eine Konstante.

Einige typische Beispiele von Steuerkennlinien sind in Fig. 2 gezeigt. Die Kurve 2A entspricht einem gewöhnlichen unstabilen Schiff, Steuerbarkeit: schlecht, die Kurve 2B einem marginal stabilen Schiff, Steuerbarkeit: angängig, die Kurve 2C einem stabilen Schiff, Steuerbarkeit: gut, die Kurve 2D einem überstabilen Schiff, Steuerbarkeit: gut oder angängig, die Kurve 2E einem unendlich stabilen Schiff, Steverbarkeit: schlecht.

Untersuchungen haben gezeigt, dass die S teuerfunk tion eines Schiffes mit guter Annäherung durch die Gleichung II, Fig. 1, ausgedruckt werden kann, vorausgesetzt dass das Schiff mit konstanter Geschwindigkeit fährt. Die in Gleichung Ii verwendeten Zeichen,

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die noch nicht oben definiert wurden, haben die folgende Bedeutung:

ψ = der Kurswinkel des Schiffes, M= die Masse des Schiffes,

Iz = das Inertiemoment des Schiffes um eine senkrechte Achse durch den Schwerpunkt,

a - eine Konstante für jedes Schiff,

Yr)

j. / = hydrodynamische Derivate wie in "Nomenclature for treating the

N δ) motion of a submerged body through a fluid", The Society of Naval Architects and Marine Engineers, Technical and Research Bulletin Nos. 1-5, April 1952, und F.H. lmloy: "A nomenclature for stability and control", David Taylor Model Basin Report No. 1319, Mai 1959, definiert.

Wenn der Wert von δ gemäss Gleichung I in Gleichung Il eingesetzt wird, nimmt diese die Form von Gleichung III an, die sich wiederum zu der in Gleichung IV angegebenen Form reduzieren lässt. Es kann bewiesen werden, dass A, B und C in Gleichung IV mit sehr guter Annäherung Konstanten sind.

Bei den normalerweise in Schiffen in Frage kommenden niedrigen Rudergeschwin digkeiten kann δ mit guter Annäherung gleich öc gesetzt werden. Durch Einsetzung dieses Wertes in Gleichung IV nimmt diese die Form von Gleichung V an.

Diese ist eine lineare Differentialgleichung mit konstanten Koeffizienten, und diese Gleichung entspricht einem Schiff mit idealen linearen Steuereigenschaften über seinen ganzen Steuerbereich.

Die Konstante α stellt das Verhältnis zwischen dem ursprünglichen Steuersignal (z.B. dem Steuerrodwinkel) und der resultierenden Drehgeschwindigkeit ψ dar.

In Fig. 3 ist 1 ein Steuerrad, das in Uebereinsrimmung mit der manuellen Steuerung des Rudergastes ein Steuersigna! <5c erzeugt, das über einen Schalter 5 in

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dessen unterer Lage einer Summiervorrichtung 6 aufgedruckt wird.

Ein Drehgeschwindigkeitsmessgyro misst die Drehgeschwindigkeit ψ des Schiffes und überträgt ein entsprechendes Signal auf einen Funktionsgenerator 3 sowie auf einen SignaIumwandIer 4, der das Signal mit der Konstante -a multipliziert.

Die dadurch entstehenden Signale η (ψ) und -_βψ werden ebenfalls der Summiervorrichtung 6 aufgedruckt, die nunmehr das gewünschte Kombinationssignal £ erzeugt, das auf übliche Weise zur Festlegung des Ruderwinkels verwertet wird.

Anstatt vom Steuerrad kann das Signal 6c von einem Autopilot 7, 8, 9, Io üblicher Art geliefert werden, wenn der Schalter 5 sich in seiner oberen Lage befindet.

Da die Funktion H (ψ) far ein bestimmtes Schiff sowohl von der Geschwindigkeit und von der Last des Schiffes abhängt, kann der Funktionsgenerator 3 so ausgefCfhrt sein, dass sowohl die Geschwindigkeit des Schiffes, z.B. automatisch vom Log, und Auskunft über die Last des Schiffes, z.B. durch manuelle Einstellung, darin eingerechnet werden können.

Selbst wenn fr^)nicht auf diese Weise genau eingestellt wicd, werden aber die Steuereigenschaften eines schwierigen Schiffes wesentlich verbessert. GewüYischtenfalls können auch Faktoren ausserhalb des Schiffes, die auch auf η (ψ) einen gewissen Einfluss haben, wie z.B. die Wassertiefe, der Kanaleffekt und Einwirkungen von anderen Schiffen In der unmittelbaren Nähe, in den Funktionsgenerator eingerechnet werden.

Die Konstante a, die der abgeänderten Steuerkennlimo des Schiffes darstellt, kann auf einfache Weise nach Wunsch eingestellt werden.

Funktionsgeneratoren als solche sind wohlbekannt. Als ein Beispiel kann auf "Handbook of Automation, Computation, and Control¹*, Band 2, ausgegeben von Thompson Ramo Woolridge Inc., Los Angeles, California, U.S.A., hingewiesen werden.

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Was die Steuereigenschaften von Schiffen und die Bestimmung dieser Eigenschaften betrifft, wird auf "Hydro- and Aerodynamics Laboratory, Lyngby, Dänemark, Report No. Hy-Io", Mai 1967 hingewiesen.

Autopiloten, die die manuelle Steuerung simulieren, sind in vielen Ausftfhrungsformen bekannt, die entweder auf Gyrokompassen oder magnetischen Kompassen basiert sind. Es kann beispielsweise auf die britische Patentschrift Nr. 627 974 hingewiesen
werden.

Wenn eine erfindungsgemässe Steueranlage in einem Schiff installiert werden soll, dessen Steuerkennfinie nicht bekannt ist, wird die ganze Installation fertiggestellt, bevor mit dem Schiff eine Probefahrt gemacht wird. Während dieser Probefahrt wird die Steuerkennlinie des Schiffes, z.B. durch die Spiralmethode bzw. die umgekehrte Spiralmethode, vgl. den oben genannten "Hydro- and Aerodynamics Laboratory Report",
bestimmt. Der Funktionsgenerator wird dann in Uebereinstimmung mit der so bestimmten Steuerkennlinie eingestellt.

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Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schiffssteueranlage mit einem Steuersignalgeber und einer Ruderstellvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen diese ein Uebertragungssfromkreis eingeschaltet ist, worin aus dem Steuersignal, einem von der Drehgeschwindigkeit des Schiffes abhängigen Signal und einem aus dem letzteren mittels eines Funktionsgenerators in Uebereinstimmung mit der Steuerkennlinie des Schiffes abgeleiteten Signal ein Kombinationssignal erzeugt wird, das der Ruders te 11 vorrichtung als Eingangssigna! aufgedruckt wird.

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