DE1804276A1 - Selbststeuervorrichtung - Google Patents
SelbststeuervorrichtungInfo
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Description
Association des ouvriers en Instruments de Precision, Paris
(Frankreich)
Die Erfindung betrifft eine Selbststeuervorrichtung, bei welcher die Abweichung des momentanen Kurses eines Fahrzeuges von
dem eingestellten Kurs (Kursabweichung) in ein Signal zur Steuerung der Fahrtrichtung dieses Fahrzeuges umgeformt wird, insbesondere
für Fahrzeuge, die langsam oder verhältnismäßig langsam auf eine Richtungssteuerung ansprechen. Dies ist insbesondere
bei Schiffen oder anderen Wasser- oder Unterwasserfahrzeugen der Fall.
Die Erfindung ist jedoch auch bei langsamen Luftfahrzeugen, wie
Hubschraubern oder Luftschiffen, und selbst bei geländegängigen Landfahrzeugen anwendbar.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung der Einfachheit halber nur für die Verwendung auf einem Schiff beschrieben und die Vorrichtung zur Richtungssteuerung
wird Ruder genannt. Eine derartige Vorrichtung ist jedoch auch für alle anderen Fahrzeuge und ihren Vorrichtungen zur
Richtungssteuerung anwendbar.
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Es sind bereits Selbststeuervorrichtungen bekannt, die den Winkel
der Abweichung des gegenwärtigen Kurses des Schiffes von dem auf dem Kompaß eingestellten Kurs in ein Signal umformen, .
das eine Änderung der Huderlage ("Huderwinkel1·) bewirkt, durch
welche die Kursabweichung korrigiert wird« Man nimmt an, daß der zum Einhalten des Kurses, d.h. zum Ausgleich der verhältnismäßig
geringen Abweichungen von dem zu verfolgenden Kurs eingestellte Huderwinkel zu dem Winkel der Kursabweichung proportional
ist. Der Proportionalitätskoeffizient dieses Verhältnisses
wird "RudergrößeH genannt·
Koppelt man den Winkel der Kursabweichung mit dem Huderwinkel, P so erhält man einen Hegelkreis, der aus Kompaß, Selbststeuergerät,
Rudermotor, Ruder, Meer und Schiff besteht. Der Ruderwinkel
strebt über diesen Regelkreis zu einem Ausgleich des Winkels der Kursabweichung und damit rückläufig zur Rückführung
des Ruders in seine Ausgangsstellung,
Bekanntlich kann jedoch ein Schiff außer unter ganz besonderen
Umständen seinen Kurs nicht einhalten, wenn sich das Huder genau in Mittschiffslage befindet. Der Wind, die Krängung des
Schiffes, der Seegang machen es nämlich meistens erforderlich,
daß sich die mittlere Ruderlage außerhalb der Mittschiffslage befindet, d.h., daß das Ruder eine gewisse korrigierende Aus»
. gangswinkelstellung einnimmt, die im Folgenden "Korrekturwinkel"
genannt wird.
Das Auftreten eines sochen Winkels machte bei den bekannten
Selbststeuervorrichtungen einen ziemlich komplizierten Aufbau erfo^rderlich, da dadurch ein direkter Vergleich des Winkels der Kursabweichung mit dem Ruderwinkel unter Berücksichtigung
der Rudergröße unmöglich ist.
Abgesehen davon, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung diese
Nachteile nicht aufweist, besitzt sie eine Reihe weiterer Vor-
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teile: Insbesondere kann die erfindungsgemäße SelbstSteuervorrichtung zur manuellen Betätigung des Ruders über die mit ihr
verbundenen Servomotore verwendet werden« Ferner kann mit der erfindungsgemäSen Vorrichtung eine hohe Genauigkeit erreicht
werden. Die Erfindung gestattet auf. bequeme Weise trots der
hohen Werte der Zeitkonetanten, die auf die hohen Trägheitskräfte von Schiffen zurückzuführen sind, die Einstellung auf
den kritischen Wert der Reaktion des Schiffes auf die Kurskor» rektur. Schließlich besitzt die erfindungsgemäße Selbststeuer
vorrichtung einen äußerst symmetrischen Aufbau, wodurch sie
leichter abgeglichen werden und mit höherer Genauigkeit arbeiten kann.
Eine Seibetsteuervorrichtung, bei welcher die Abweichung des gegenwärtigen Kurses (Kursabweichung) eines Fahrzeuges von den
eingestellten Kurs in ein Signal zur Steuerung der Fahrtrichtung dieses Fahrzeuges umgeformt wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Kursabweichung proportionale,
an einem durch ein Gleichstrompotential gespeisten Potentiometer abgenommene Spannung an einen der beiden Eingänge eines symmetrischen DifferentialVerstärkers angelegt ist, dessen anderen
Eingang die algebraische Summe von zwei Gleichspannungen zugeführt ist, deren eine der gegenwärtigen Stellung des Ruders gegenüber
der Mittschiffslage (Ruderwinkel) und deren andere einem Winkel zur Korrektur der Ruderlage (Korrekturwinkel) entspricht und die
an zwei an ihren Enden miteinander verbundenen Potentiometern abgegriffen sind, die mit demselben Gleiohstrompotential über
zwei gleichgroße, zwischen den Polen dieses Potentials und den Verbindungen dieser Potentiometer befindlichen Regelwiderständen gespeist sind, und daß jeder der Ausgänge des symmetrischen
Verstärkers auf ein Relais zur Speisung eines Motors einwirkt, der das Ruder in der einen oder der anderen Drehrichtung betätigt.
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Hierbei "bewirkt eine gleichzeitige Änderung der beiden gleichgroßen, die beiden zuletztgenannten Potentiometer mit den Polen
des Gleichstrompotentials verbindenden Widerstände eine proportionale Änderung der an diesen Potentiometern abgenommenen Span-■
nungen, welche dem Ruderwinkel und dem Korrekturwinkel entsprechen·
Durch die Größe dieser Widerstände wird also die Rudergröße, d.h., der Proportionalitätskoeffizient des Verhältnisses des
Winkels der Kursabweichung zu dem Ruderwinkel einerseits und dem Korrekturwinkel andererseits bestimmt.
Auf diese Weise kann die Addition des Ruderwinkels und des Korrekturwinkels
und ihr Vergleich mit dem Winkel der Kursabweichung P direkt durchgeführt werden, wobei lediglich einerseits der Korrekturwinkel
(feststehend) und andererseits ein Koeffizient ein-, gestellt werden muß, der gleich dem reziproken Wert der zur jeweiligen
Navigation gewählten Rudergröße ist.
Vorzugsweise besteht der symmetrische Differentialverstärker aus zwei ähnlichen, parallelgeschalteten Ketten von kaskadenförmig
geschalteten Transistoren, deren Ausgänge jeweils zu einem Relais führen, welches die Ausschaltung bzw, die Einschaltung des
Rudermotors zu dessen Betrieb in der einen oder der anderen Richtung bewirkt.
Durch die Wahl der gemeinsamen Polarisation der Eingangselek-"
troden einer Stufe dieser beiden Ketten kann erreicht werden, daß diese erst ab einer bestimmten Schwelle wirksam werden, d.h.,
daß eine bestimmte Kursabweichung oder ein "Ausscheren" des
Schiffes zugelassen wird, bevor die Selbststeuervorrichtung in Betrieb tritt. Es ist klar, daß sich der verfolgte Kurs umso
mehr dem idealen Kurs nähert, je geringer das zugelassene Ausscheren ist. Wenn das Scheren jedoch zu gering wird, kann es zu
Instabilitätserscheinungen kommen.
Zur algebraischen Addierung der an den beiden zuletzt genannten
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Potentiometern abgenommenen Spannungen werden diese vorteilhafterweise
über zwei hohe Widerstände abgenommen, welche Ohmsohe Spannungsteiler darstellen; an dem Verbindungspunkt dieser
beiden Widerstände wird die Summe dieser Spannungen abgenommen. Auf diese Weise kann die Addition mit großer Genauigkeit
durchgeführt werden.
Die Eingangsimpedanz des symmetrischen, aus Transistoren bestehenden
Verstärkers muß jedoch gering sein, während die Parallelschaltung dieser beiden starken Widerstände eine hohe Impedanz
besitzt. Diese Impedanz muß deshalb an die Impedanz des entsprechenden Eingangs des symmetrischen Verstärkers angepaßt
werden. '
Erfindungsgemäß wird die Summe der auf diese Weise abgenommenen
Spannungen der entsprechenden Seite des DifferentialVerstärkers
über einen Impedanzanpassungsverstärker zugeführt; auf der anderen
Seite dieses Differentialverstärkers wird die der Kursabweichung entsprechende Spannung ebenfalls über einen starken
Widerstand abgenommen und über einen ähnlichen Impedanzanpassungsverstärker zugeführt.
Die ImpedanzanpassungsVerstärker sind vorteilhafterweise durch
eine kaskadenförmige Schaltung zweier Transistoren entgegengesetzten
Typs gebildet, die aus demselben Ausgangsstoff (bei- , , spielsweise Silizium) bestehen und bei denen der Kollektor des
zweiten Transistors mit dem Emitter des ersten über eine Diode aus demselben Ausgangsstoff verbunden ist. Eine derartige, an
sich bekannte Schaltung besitzt bekanntlich eine hohe Stabilität.
Der große Widerstand zur Übertragung der dem ersten Potentiometer
entnommenen Spannung besteht zweckmäßigerweise aus dem Wi-
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derstand eines R-G-Tiefpaßfliters mit einem parallelgeschalteten
Kondensator, wodurch kurzzeitige Übertragungen schneller Änderungen in der der Kursabweichung entgegengesetzten Richtung
vermieden werden können, was übrigens die Wirkung des Huderservomotors verzögert und dämpft. Da der Kondensator dieses
Filters auch bei Nichtvorhandensein von Störungen dämpfende
Wirkung hat, kann dieses ausgeschaltet werden; der Filter wird also nur verwendet, wenn es tatsächlich notwendig ist (kurzer
Seegang).
Erfindungsgemäß ist der große Widerstand dieses Filters in
zwei Teile geteilt, deren Verbindungspunkt mit einem regelba-P ren Potentialbegrenzer verbunden ist, welcher somit die Größe
der auf den Verstärker übertragbaren Kursabweichung verringert und damit die Reaktion des Ruders auf einen zulässigen
Wert herabsetzt.
Auf diese Weise kann vermieden werden, daß eine zufällig auftretende,
starke Kursstörung zu schnell duroh eine plötzliche, starke Änderung des Ruderwinkels korrigiert wird.
Ein derartiger, an sich bekannter Begrenzer besteht zweckmäßige
rwei se aus zwei Transistoren entgegengesetzten Typs, deren
Emitter miteinander und mit dem Knotenpunkt zwischen den bei- ^ den Widerstandsteilen verbunden sind, deren Kollektoren jeweils
mit den Anschlüssen einer Stromquelle verbunden sind und deren Basen so polarisiert sind, daß diese Transistoren normalerweise
blockiert sind.
Das den beiden Emittern gemeinsame Potential kann somit zwei durch die beiden Polarisationspotentiale der Basen bestimmte
Grenzen, eine obere und eine untere, nicht über- bzw. unterschreiten; ein Potential außerhalb dieser Grenzen kann nicht
auf dem symmetrischen Verstärker übertragen werden.
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Die Übertragung der der Kursabweichung entsprechenden Spannung am Ausgang des Impedanzanpassungsorgans auf die entsprechende
Seite des symmetrischen Verstärkers wird zweckmäßigerweise über ein H-G-Hoohpaßfilter durchgeführt, dessen Kondensator durch
einen Widerstand nebenge schlossen ist. Dadurch wird die die
Übertragung der Gleichstromkomponente und sehr niedriger Frequenzen gestattet.
Das Verhältnis der Widerstände dieses Filters gestattet trotz
der Einstellung der Charakteristiken dieses Filters beispielsweise auf die Belastung des Schiffes eine konstante Gleichspannung und die Basis der Widerstandskette ist mit einem Funkt mit
konstantem Potential verbunden. Dadurch kann eine konstante Dämpfung der Reaktion auf diese niedrigen Frequenzen erreicht
werden·
Dieser Filter, der den Einfluß vorübergehender Ströme korrigiert, dient zur Stabilisierung des Schiffes in der Gleichgewichtslage
und zum Erreichen einer der kritischen Dämpfung nahekommenden Reaktion in dem Regelkreis.
Der Bereich der Grenzfrequenzen des Hochpaßfilters entspricht
vorzugsweise der Reaktionszeit des Schiffes, d.h., der Eigenschwingungsperiode des Systems, das von diesem Schiff mit dem
mit der Selbststeuervorrlohtung versehenen Regelkreis gebildet wird.
Auf diese Weise kann ein Gegenrudereffekt erzeugt werden, d.h., kann die Fahrtrichtung bei der Korrektur einer Kursabweichung
in kürzester Zeit wieder mit dem eingestellten Kurs in Übereinstimmung gebracht werden, ohne daß eine Überschwingung auftritt,
d.h., ohne daß die Gleichgewichtsstellung in der der zu ' korrigierenden Kursabweichung entgegengesetzten Richtung verlassen
wird.
Damit dieser Stabilitätsfilter voll wirksam werden kann, muß
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sich die Grenzfrequenz des zur Dämpfung dienenden Tiefpaßfilters
jenseits der maximalen Grenzfrequenz des Hochpaßfilters befinden und beispielsweise mindestens das Vierfache betragen
oder, mit anderen Worten, sich zwei Oktaven über dieser befinden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das auf der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist. Auf dieser Zeichnung
zeigt:
Fig. 1 ein Blockschema einer erfindungsgemäßen Selbststeuervorrichtung;
W Fig. 2 ein Schaltbild der Selbststeuervorrichtung, wobei verschiedene
Organe schematisch dargestellt sind; Fig. 3» ^ und 5 Ausführungsbeispiele von Schaltungen verschiedener
Stufen der Selbststeuervorrichtung gemäß Fig. 2; Fig. 6 ein Diagramm, auf dem die Wirkung der Filter auf das
Kursabweichungssignal dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt ein Schiff 1, das ein durch, einen Rudermotor 3 betätigtes Ruder 2, einen Kreisel- oder Magnetkompaß 4 und
eine Selbststeuervorrichtung besitzt, deren Teil 5 mit den wesentlichen Einzelheiten auf Fig. 2 dargestellt sind.
Der Kompaß k wirkt auf an sich bekannte Weise über ein mecha-"
nisches Verbindungsglied 4a auf den Schieber einer Potentiometereinheit
6 ein, der eine der Kursabweichung entsprechende Spannung abgreift.
Eine zweite, von einem Steuerpult aus bedienbare Potentiometereinheit
7 kann Spannungen in einem entsprechenden Bereich liefern, mittels welchen das Schiff nach Belieben steuerbar ist.
Wie später noch beschrieben werden soll, besitzt das Potentiometer dieser Einheit im Inneren der auf Fig. 2 ausführlich dar-
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gestellten Schaltung 10 ein Gegenstück, welches nötigenfalls
das Potentiometer 7 ersetzen kann.
Durch einen Mehrfachumschalter mit drei Stellungen 11a, 11b
und lic kann die Schaltung 10 abgetrennt werden, wenn die Schaltarme an den Kontakten V (Wache) liegen; die Schaltung
10 kann zum automatischen Betrieb der Selbststeuervorrichtung verwendet werden, wenn die Schaltarme an den Kontakten A liegen,
und zur manuellen Betätigung des Ruders, wenn sie an den Kontakten M liegen.
Im zweiten und dritten Fall wirkt der Ausgang der Schaltung
10 auf ein Leistungsorgan 12 ein, welches den Hudermotor 3 in der betreffenden Richtung speist.
Die Ruderlage wird über das an sioh bekannte, gegebenenfalls mit einem Zahnraduntersetzungsgetriebe versehene, mechanische
Verbindungsorgan 3& auf den Schieber eines Ruderpotentiometers
13 übertragen, dessen Spannung zum Vergleich mit der an dem Potentiometer 6 oder dem Potentiometer 7 zur Steuerung des
Schiffes abgegriffenen Spannung zurückgeleitet wird.
Wenn nun beispielsweise der eingestellte Kurs die Richtung Ik
und der gegenwärtige Kurs des Schiffes die Richtung 15 hat,
d.h., wenn die Kursabweichung den Winkel A θ hat, so wird das
Ruder in beiden Fällen in Bezug auf die Schiffsachse in einen Winkel ΘΒ gebracht, so daß der momentane Kurs des Schiffes mit
dem eingestellten Kurs zur Deckung kommt.
Bei einer derartigen Anordnung sind also zwei Regelkreise vorhanden,
von denen je nach Fall der eine oder der andere wirksam
ist: ein großer Regelkreis, der bei automatischem Betriebe in Wirkung tritt und aus Kompaß, Selbststeuervorrichtung, Motor
3, Ruder und Schiff besteht und durch den Kompaß geschlos-
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sen wird, und ein kleiner Regelkreis, der bei Handbetrieb
wirksam ist und in dem über das Ruder und seinen Motor die von den Potentiometern 7 und 13 gelieferten Informationen
verglichen werden, bis sie gleich sind.
Aus Gründen der mechanischen Unsymmetrie ist es jedoch möglich, daß das Schiff nur dann seinen Kurs einhalten kann, wenn
sich das Ruder 2 beispielsweise in Stellung 2a befindet^ d^h«,
gegen die Achse des Schiffes um einen Korrekturwinkel 6C geneigt ist·
Zur Wiedereinnahme seiner Gleichgewichtsstellung muß das Ruder
dabei also um den Winkel ΘΒ + ©C gedreht werden.
Bekanntlich steht der Winkel, um den das Ruder zur Korrektur
eines Kursabweichungswinkels A ö geneigt werden muß zu diesem
Kursabweichungswinkel in einem Verhältnis, das durch einen Proportionalitätsfaktor, der sog. Rudergröße, bestimmt wird}
dieser Paktor, weloher die Ruderwirkung und die Steuerfähigkeit
des Schiffes berücksichtigt, kann in der Praxis zwischen 1 und 3 liegen.
Erfindungsgemäß werden die den Ruderwinkel und den Korrekturwinkel
darstellenden Signale an ähnlichen und unter Berücksichtigung der Rudergröße ähnlich gespeisten Potentiometern abgenommen,
addiert und direkt mit dem die Kursabweichung darstellenden Signal vergliohenj mit anderen Worten, es wird die folgende
Gleichung ausgeführt:
θβ + ec
QB · Δ Θ- = aB + SC } oder = Δ Θ" j
Dies kann insbesondere mit der Selbststeuervorrichtung 10 erreicht
werden, deren Schaltschema auf Fig. 2 dargestellt ist.
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Die Schaltung dieser Vorrichtung wird zwischen den Polen 16
durch ein stabilisiertes Gleichstrompotential +E gespeist.
Auf dem Potentiometer 17 der Einheit 6, welche die der Kursabweichung
entsprechende Spannung liefert, bewegt sich ein Schieber 18, der gegenüber dem beweglichen Zeiger 19 gegebenenfalls
über ein Übersetzungsgetriebe gegen Drehung blockiert ist. Die Winkelstellung dieses Zeigers gegenüber dem Teilkreis
20 kann zur Einstellung des gewünschten Kurses von Hand verstellt werden.
Der Teilkreis 20, der Zeiger 19 und der Schieber 18, die mit der Rose des Kreiselkompasses fest verbunden sind, werden von
diesem bei dem Manöver, durch das das Schiff auf diesen Kurs gebracht wird, gleichzeitig mitgenommen. Wenn der Kurs eingehalten
wird, befindet sich der bewegliche Zeiger 19 gegenüber dem feststehenden, mit dem Schiff fest verbundenen Zeiger
Dem Potentiometer 17 wird über die gleichgroßen Widerstände 22., und 22„ Spannung zugeführt, so daß die Potentiometermitte,
E d.h., die Spannung der Nullinformation -p ist.
Diesselbe Spannung E wird auch über die gleichgroßen Regelwiderstände
Q1 und Q den beiden Potentiometern 13 und 23 zugeführt,
deren letzterer ein Äquivalent des Potentiometers 7 darstellt, was noch erläutert werden soll.
Gegebenenfalls kann mittels der Kontaktarme lib (in unterbrochenen
Linien dargestellt) das Potentiometer 23 der Einheit abgetrennt und stattdessen das Potentiometer 7 eingeschaltet
werden.
Der auf dem Potentiometer 23 verschiebbare Schieber Z^ kann
zur Wahl des Korrekturwinkels &C manuell betätigt werden.
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Die Stellung des Schiebers 25 ist von der Ruderlage abhängig.
An ihm kann die Spannung, welche die Ruderlage angibt, abgenommen werden.
Die Schieber aller Potentiometer (17, 13, 23)» cLie über den
jeweiligen Schieber eine Information über die Winkelstellung eines sich drehenden Körpers in Form von Spannung liefern,
sind mit diesem Körper auf an sich bekannte Weise über ein Übersetzungsgetriebe verbunden, so daß schon eine geringe
Winkelbewegung dieses Körpers eine beträchtliche Schieberbewegung
zur Folge hat. In diesem Fall können die Potentiometer in Form einer Wendel mit mehreren Windungen ausgebildet sein.
Die Widerstände Q. und Q„ sind so ausgebildet, daß sie genau
gleich groß sind. Vorzugsweise bestehen sie jeweils aus einer Reihe von Widerständen, die jeweils mit der Widerstandsreihe
des anderen Widerstands übereinstimmt. Diese Widerstände sind an einem Ende parallel geschaltet und können nacheinander durch
einen Schalter eingeschaltet werden. Bei gleicher Bewegung der Schieber der Potentiometer 13' und 23 aus der Potentiometermitte
heraus ist die dadurch bewirkte Spannungsänderung umso größer, je kleiner die Widerstände Q1 und Q2 sind und umgekehrt.
Wenn die Enden der Potentiometer 13 und 17 an gleichgroßen Spannungen liegen und die Bewegungen ihrer Schieber bei gleichen
Winkeln ΑΘ· und ΘΒ gleich groß sind, so ist die Rudergröße
gleich 1. Die Rudergröße wird größer als 1, wenn die Widerstände Q., Q2 erhöht werden. Umgekehrt wird die Rudergröße
kleiner als 1, wenn die Widerstände Q und Q? Null sind oder
andere entsprechende Werte haben.
Auf diese Weise kann mit geeigneten Potentiometern durch die Wahl der Widerstände Q und Q2 der Wert der Rudergröße QB in
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dem normalen Bereich festgelegt werden.
Die Widerstände Q. und Q2 speisen ferner die in Reihe geschalteten
Potentiometer 26 und 27, deren Sohieber 28 und 29 die Polarisationsspannungen einer Begrenzerstufe 30 liefern, die
auf Fig. 5 in ihren Einzelheiten dargestellt ist und nooh beschrieben
werden soll.
Die Addition der.an den Schiebern 24 und 25 abgegriffenen
Spannungen wird mittels zwei gleichgroßen, starken Widerständen P1 und P2, die in 31 zusammengeschlossen sind, durchgeführt.
Am Verbindungspunkt 31 erhält man also eine resultierende Spannung,
die angesichts der Größe der Widerstände P. und P2-gegenüber
dem Widerstand der Potentiometer 13 und 23 durch den Spannungsabfall in diesen Widerständen nicht beeinträchtigt wird
und nur von den Spannungen der Schieber Z^ und 25 abhängt.
Die am Verbindungspunkt 31 erhaltene Spannung wird über den Leiter 32 der Impedanzanpassungsstufe S. zugeführt, deren
Schaltung auf Fig. 4 dargestellt ist.
In diefer Stufe ist der Leiter 32 mit der Basis eines npn-Transistors
33 verbunden, dessen Kollektor mit der Basis eines npn-Tranristors
3^ verbunden ist. Die Ausgangsspannung wird von
dem Leiter 35 über den im Kollektorkreis des Transistors 3fl·
befindlichen Lastwiderstand 37 abgenommen. Dieser Kreis ist mit dem Emitter des Transistors 33 über die Diode 36 verbunden,
welche die Gleiohstromabfälle In dem Transistor 33 ausgleicht.
Bei einer derartigen kaskadenförmigen Verstärkerschaltung ist
die Impedanz vom Ausgang her gesehen von der Größenordnung der (im wesentlichen durch die starken Widerstände P^ und P2
bestimmten) Eingangsimpedanz dividiert durch den Verstärkungs-
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faktor, der gleich dem Produkt der Verstärkungsfaktoren der
beiden Transistoren 33 und 34 ist.
Der Ausgangsleiter 35 des Impedanzanpassungsorgans S führt
zu dem Ohmschen Spannungsleiter 371 38, dessen zweiter Teil
regelbar ist» Per Knotenpunkt 39 dieses Spannungsteilers ist über den Leiter 4i mit dem symmetrischen Differentialverstärker
40 verbunden, von dem eine der möglichen Schaltungen auf Fig. 3 dargestellt ist. Auf diese Weise kann durch Einstellung
des Teils 38 des Spannungsteilers die relative Tarierung der
Verstärkungsfaktoren der beiden an den Eingängen 4l und 42 endenden Ketten durchgeführt werden.
Die von dem Schieber 18 auf dem Potentiometer 17 abgegriffene Spannung wird über den Filter F., die Trennstufe S„, die genauso
wie S ausgebildet ist, und den Filter F dem Leiter 42
zugeführt, der symmetrisch zu dem Leiter 4l an den Verstärker 40 angeschlossen ist·
In der Eingangsstufe des Verstärkers 40 (Fig„ 3) sind symmetrische Transistoren 43a und 43b vorgesehen^ die von dem Transistor
44 so gespeist sind, daß sie ständig leitend sind. Dieser Transistor 44 gewährleistet eine Speisung mit konstantem
Strom. Hierzu wird dieser von dem Spannungsteiler entsprechend polarisiert.
Die Ausgänge der Transistoren der ersten Stufe sind mit den
Basen der Transistoren 46a und 46b einer zweiten Verstärker«
stufe verbunden, die von zu den Transistoren der ersten Stufe komplementären Transistoren gebildet wird.
Diese Transistoren sind ihrerseits mit einer dritten Stufe verbunden,
die aus Transistoren 47a und 47b besteht. Die Emitterspannung
dieser Transistoren ist jedoch durch die an dem Potentiometer 49 abgenommene Polarisation der Basis eines Tran-
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sistors 48 bestimmt.
Der Transistor 48 dient zur Vermeidung einer Änderung der Polarisation
der Emitter der Transistoren 47a und 47b in Abhängigkeit von dem in dem Potentiometer 49 fließenden Strom
je nach der Stromstärke in diesen Transistoren 47a und 47b.
Indem man also die erste Stufe des symmetrischen Verstärkers 40 ständig leitend hält, kann der Leitzustand einer höheren
Stufe dieses Verstärkers gesteuert werden, wobei der Schwellwert durch das Potentiometer definiert ist. Dieser Schwellwert
bestimmt die kleinste Spannung, deren Wirkung auf die Ausgänge 51 und 52 übertragen wird, d.h., die geringste Kursänderung,
die eine Korrekturreaktion der Selbststeuervorrichtung bewirkt. Dadurch wird die Grenze des zulässigen Ausscherens
des Schiffes bestimmt und wird vermieden, daß der Rudermotor ständig beansprucht ist.
Der Tiefpaßfilter F., der die am Potentiometer 17 abgegriffene
Spannung zu der Trennstufe S leitet, besteht aus den in Reihe geschalteten Widerständen 54 und 55 und dem parallelgeschalteten
Kondensator 56, der durch einen Unterbrecher 57 abgetrennt
werden kann.
Die in Reihe geschalteten Widerstände 54 und 55 stellen impedanzmäßig
Äquivalente der parallelgeschalteten Widerstände P. und P2 dar. Sie übertragen die langsamen Änderungen der von dem
Schieber 18 abgegriffenen Spannung mit einer vernachlässigbaren Dämpfung auf die Trennstufe S . Die abwechselnden, schnellen
Spannungsänderungen werden durch den Kondensator 56 kurzgeschlossen.
Der Knotenpunkt 58 der Widerstände 54 und 55 ist mit der Verbindung
zwischen den Emittern der Transistoren 59 und 60 entgegengesetzten Typs, die zwischen den Anschlüssen 16 in Reihe
- l6 909819/0860
geschaltet sind, verbunden (Fig. 5). Die Spannung am
Punkt 58 kann also weder die Spannung des Schiebers 28 überschreiten noch die Spannung des Schiebers 29
unterschreiten. Im ersten Fall wird der Transistor 60 leitend und der Spannungsüberschuß wird direkt im Kurzschluß
zum Nullpotential abgeleitet. Im zweiten Fall wird der Transistor 59 leitend und die Spannung wird im Kurzschluß
zum maximalen Potential (+E) abgeleitet.
Die übertragene Spannung kann also nicht die der von vornherein durch die Stellungen der Schieber 28 und 29 gewählten
Kursabweichung Δ θ entsprechende Spannung überschreiten. Diese Abweichung kann beispielshalber innerhalb eines Bereiches
von 10 bis 25° liegen. Der Filter F2, der den Ausgang
der Trennstufe S« mit dem Verstärker verbindet, besteht
aus einem Kondensator C1 und in Reihe geschüateten
Widerständen Rj, R«, R-, deren erster mit dem Kondensator C1
parallel geschaltet ist.
Ein derartiger Filter gestattet den Durchgang der Gleichstromkomponente
oder der Komponente geringer Frequenz mit einer konstanten Dlbpfung, die dem Wert der Widerstände R1,
Rg und R- entspricht. Dieser Filter begünstigt durch den
von seinem Kondensator gebildeten Nebenschluß den Durchgang von Signalen, deren Dauer einer hohen Frequenz entspricht.
Bekanntlich sind die der oberen und unteren Grenzfrequenz eines derartigen Filters entsprechenden Schwingungen W1 und
Co 2 durch die folgende Gleichung gegeben:
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R1 (R2 +
wobei Ri1
wobei Ri1
R1 + (R2 + R3)
Diese Frequenzen stehen in einem Verhältnis zu der Zeit, in der das Schiff auf die Wirkung des Ruders anspricht.
Zur Durchführung der erforderlichen Änderungen von ^1 und
00 - kann der Kondensator C1 aus einer Batterie von Kondensatoren
abgestufter Kapazität durch Umschalten gewählt werden. Ebenso können die Widerstände R1 und R2+R3 regelbar
oder vorzugsweise stufenweise schaltbar sein.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung kann durch die entsprechende
Wahl der Widerstände R2 und R~ erreicht werden, daß bei
der Frequenz Null oder bei einer sehr niedrigen Frequenz derselben Kursabweichung Δ β stets dieselbe auf den Verstärker
^O übertragene Spannungsänderung entspricht. Zufi
diesem Zweck wird das Verhältnis der Widerstände 3 *
1 + R2 + R3
in allen Stellungen des gemeinsamen Regelorgans 60 dieser Widerstände konstant gehalten.
Mittels des Spannungsteilers 61,62 niedriger Impedanz kann
das Potential an einem der Eingänge des Verstärkers lk>
auf das Gleichgewicht eingestellt werden. Am anderen Eingang wird die relative Verstärkung durch den Spannungsteiler 37,38
geregelt. Auf diese Weise kann die Schaltung ausbalanciert werden und können kleine Unterschiede ihrer elektronischen
Bauteile ausgeglichen werden.
Auf Fig. 6 wird mit der Linie 65 die Wirkung des Filters F. mit eingeschaltetem Kondensator 56 dargestellt. Man erhält
zunächst eine konstante Abschwächung und dann ab der Frequenz F_ eine Verstärkung dieser Abschwächung.
- 18 909819/0860
Der Filter F2 (Linie 66) bewirkt dagegen bei niedrigen
Frequenzen eine ziemlich starke konstante Abschwächung, anschließend bei der unteren Grenzfrequenz f. verringert
sich diese Abwchwächung bis zur oberen Grenzfrequenz f2j
oberhalb dieser Frequenz wird der Durchgang hoher Frequenzen begünstigt.
Die Frequenz f» beträgt vorzugsweise mindestens das Vierfache der Frequenz f2, oder mit anderen Worten, f~ ist
mindestens zwei Oktaven höher als fo·
fc Die R-G-Filter F1 und F2 bewirken zwischen ihren Grenzfrequenzen in bekannter Weise eine Dämpfungsänderung von
6dbp?o Oktave.
Die Frequenzen bei diesen Filtern sind sehr n%drig. Die
höchste Frequenz f ~ ist beispielsweise so hoch, daß ^ * 2^f_
ungefähr 0,2 bis 1 rad./see. beträgt, und die niedrigste
Frequenz f. ist so hooh, daß ^1 zwischen 0,05 und 0,2 rad./see.
schwankt·
Es ist deshalb erforderlich, hohe Widerstände und Kondensatoren von sehr großer Kapazität zu verwenden, die zur
Vermeidung von zu großem Flatzbedarf polarisiert sein müssen»
Die Polarität an den Anschlüssen der Kondensatoren 56 und C.
darf sich jedoch trotz der Spannung«Schwankungen nicht umkehren·
Dies ist durch die Schaltung des Kondensators 56 gewährleistet. Bei dem Kondensator CL wird dies, wie bereits
erwähnt wurde, dadurch erreicht, daß die Reihe der Widerstände R1, R2 und R„ in leitendem Zustand gehalten wird.
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Ferner können bei Betrieb die Störungen, die die Umschaltung der Kondensatoren bei der Einstellung der Vorrichtung mit
sich bringt, dadurch vermieden werden, daß diese Kondensatoren mittels starken Widerständen ständig belastet werden.
Die oben beschriebenen Schaltung ist bezüglich der Impedanzen
und der Spannungsabfälle so symmetisch wie möglich aufgebaut.
Die Widerstände P. und P2 einerseits und 5h und 55
andererseits bewirken nämlich keine Gleichspannungsabfälle und die ähnlich ausgebildeten Trennstufen S. und S2
arbeiten unter ähnlichen Impedanzenund Spannungebedingungen· Die Übertragungen auf die Eingänge des Verstärkers 4o
werden auf jeder Seite im wesentlichen über ähnliche Widerstandswege durchgeführt, deren Betriebspotentiale durch
die Spannungsteiler 37,38 und 6l,62 eingestellt werden können.
Die symmetrischen Ausgänge 51 und 52 des Versttbkers ko sind
bei den Stellungen A und M der Umschaltarme lic mit den Relais BB und ET verbunden, die über ihre Kontakte Ba bzw.
Tr den Rudermotor in der Richtung einer Kursänderung nach Backbord bzw. nach Steuerbord speisen.
Die Differenzen zwischen den beiden verstärkten Eingangsspannungen werden nämlich von dem Differentialverstärker *k>
je nach ih«r Richtung (oder Vorzeichen) dem Relais HB
oder dem Relais RT zugeführt und üben auf der entsprechenden Seite des Ruders eine Wirkung aus, solange eine
derartige Differenz besteht. Damit das Ruder eine ähnliche Wirkung nach rechts wie nach links hat, muß die Schaltung,
also die Kursabweichung und die gegenwärtige Reaktion des Ruders symmetrisch übertragen.
- 21 903819/0860
- at -
to
In der Stellung V (wie auch in der Stellung M) der Umschaltarrae
lla,b,c ... wird an den Eingang des Verstärkers S2
mittels der gleichgroßen Widerstände 66 und 67 (Fig· 2)
E
eine Spannung mit dem Wert g angelegt. In dieser Stellung ist der Faktor Δ θ auch von dem Ausgang abgetrennt. Mittels des Potentiometers 23, das zum Abgleichen dient, kann nunmehr die Bogeneinstellung der Vorrichtung vorgenommen werden, d.h. kann die Differenz der Spannungen am Eingang des Verstärkere ^o beseitigt und damit bewirkt werden, daß an den beiden Ausgängen dieses Verstärkers kein Strom fließt.
eine Spannung mit dem Wert g angelegt. In dieser Stellung ist der Faktor Δ θ auch von dem Ausgang abgetrennt. Mittels des Potentiometers 23, das zum Abgleichen dient, kann nunmehr die Bogeneinstellung der Vorrichtung vorgenommen werden, d.h. kann die Differenz der Spannungen am Eingang des Verstärkere ^o beseitigt und damit bewirkt werden, daß an den beiden Ausgängen dieses Verstärkers kein Strom fließt.
In der Stellung A der Umschaltarme werden zu jedem Zeitpunkt
die von dem Potentiometer 17 (Kursabweichung bzw. dem Potentiometer 13 kommenden Potentiometerinformationen
miteinander verglichen. Die Stellung des Schiebers Zk auf dem Potentiometer 23 kann je nach dem Seegang, den
Wind- und Belastungsverhältnissen und dem Verhalten des
Schiffes neu eingestellt werden, wenn eine der beiden Seiten des Huders wesentlich häufiger und länger beansprucht zu
sein scheint als die andere; dies kann mittels Signalleuchten, die in jeden der Ausgangskreise des Differentialverstärkers
eingeschaltet sind, festgestellt werden.
Bei automatischem Betrieb werden auch die Stärke des Scherens w (Potentiometer ^9), die Rudergröße (Q1,Q2) und die Charakteristiken
der Filter P. und F2 eingestellt.
Da durch den Filter F1, d.h. durch das Vorhandensein und
die Größe des parallel geschalteten Kondensators 59, die Dämpfung bestimmt wird, steht diese Einstellung im Wechselverhältnis
zur Einstellung des Ausscherens; durch sie soll
ein zu häufiges Ingangtreten der Relais RB, RT und damtjji
des Rudermotors vermieden werden. Aus den bereits erwähnten Gründen ist es zweckmäßig, die Dämpfung möglichst klein
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- ar -
zu. wählen.
Die Einstellung des Filters P2 besteht in der Einstellung
der Größe des Kondensators C., wodurch die Frequenz f.
und fp bestimmt werden, und in der Einstellung der Werte
von R1, R2 und R~, wodurch die Verstärkung des übertragenen
Signale oberhalb der Frequenz f2 bestimmt wird. Diese Einstellungen
werden so vorgenommen, daß das Schiff nach einer Kursabweichung möglichst schnell wieder in den festen
Kur8 zurückgekehrt, ohne diesen zu überschreiten.
Bei der Stellung M der Umsohaltkontakte, empfängt der Verstärker
4o einerseits die konstante Spannung * und- andererseits
die Resultierende der an den Potentiometern 13 und 23 abgegriffenen Spannungen.
Wenn also die Stellung des Shiebers Zk auf dem Potentiometer
23 von Hand geändert wird, bewirkt die daraus sich ergebende Unsymmetrie ein Ingangtreten der Relais RB und RO?
und dadurch eine Beweung des Ruders und des Schiebers 25 des Ruderpotentiometers in der Richtung, in welcher diese
Unsymmetrie aufgehoben werden kann.
Die Ruderbewegung wird nunmehr durch die Bewegung des Schiebers
Zk gesteuert. Wie bereits erwähnt wurde, kann das Potentiemeter
23 durch das außerhalb der Vorrichtung befindliche
Potentiometer 7 ersetzt werden, das an einem gebräuchlichen Organzur manuellen Betätigung des Ruders vorgesehen ist.
Die Erfindung ist nicht auf das hieijbesohriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern läßt zahlreiche Änderungen insbesondere
durch Verwendung anderer gleichwertiger technischer Mittel zu.
- 23 909819/0860
Claims (1)
- P a t e η t a ns ρ r ü c h e1. Selbststeuervorrichtung, bei welcher die Abweichung des momentanen Kurses eines Fahrzeuges von dem eingestellten Kurs (Kursabweichung) in ein Signal zur Steuerung der Fahrtrichtung dieses Fahrzeuges umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Kursabweichung proportionale, an einem durch ein Gleiohstrompotential (E) gespeisten Potentiometer (1?) abgenommene Spannung an einen der beiden Eingänge eines symmetrischen Differentialverstärkers (40) angelegt ist, dessen anderem Eingang die algebraische Summe von zwei Gleichspannungen zugeführt ist, deren eine der gegenwärtigen Stellung des Ruders gegenüber der Mittschiffslage (Huderwinkel) und deren andere einem Winkel zur Korrektur der Ruderlage (Korrekturwinkel) entspricht und die an zwei an ihren Enden miteinander verbundenen Potentiometern (13, 23) abgegriffen sind, die mit demselben Gleichstrompotential (E) über zwei gleichgroße, zwischen den Polen dieses Potentials und den Verbindungen dieser Potentiometer befindlichen Hegelwiderständen (Q1,Q9) gespeist sind, und daß jeder der Ausgänge des symmetrischen Verstärkers (40) auf ein Relais (RD, RT) zur Speisung eines Motors einwirkt, der das Ruder in der einen oder der anderen Drehrichtung betätigt.909819/08602. Selbststeuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der symmetrische Differentialverstärker (40) aus zwei ähnlichen, parallelgeschalteten Ketten von kaskadenförmig geschalteten Transistoren (43a, 46a, 47a- 43b, 46b, 47b) besteht, deren Ausgänge (51, 52) jeweils zu einem Relais (HB, RT) führen, welches die Ausschaltung bzw. die Einschaltung des Rudermotors zur Drehung in einen oder der anderen Richtung bewirkt.3. Selbststeuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungen an jedem der beiden Potentiometer (13, 23) über einen Ohmschen Spannungsteiler (P1, P«) abgegriffen sind und ihre Summe an der Verbindung (3D dieser beiden Spannungsteiler abgenommen ist.4. Selbststeuervorrichtung nach Anspruoh 3» dadurch gekennzeichnet , daß die resultierende Spannung einer der Seiten des Differentialverstärkers (40) über ein Impedanzanpassungsorgan (S1) zugeführt ist und daß die der Kursabweichung entsprechende Spannung ebenfalls über einen Ohmschen Spannungsteiler (54, 55) abgenommen ist und auf die andere Seite des Differentialverstärkers über ein ähnliches Impedanzanpassungsorgan (S2) übertragen ist.5. Selbststeuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Impedanzanpassungsorgane (S1, Sg) Verstärker sind, die durch die kaskadenförmige Schaltung von zwei Transistoren (33» 34) entgegengesetzten Typs gebildet sind, die aus demselben Ausgangsstoff bestehen und bei denen der Kollektor des zweiten Transistors mit dem Emitter des ersten über eine ebenfalls aus demselben Ausgangsstoff bestehende Diode (36) verbunden ist.909819/0860 -25-6. Selbststeuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Ohmsche Spannungsteiler (54, 55) aus den in Reihe geschalteten Widerständen eines H-C-Tiefpaßfilters mit einem parallel geschalteten Kondensator (56) besteht.7. Selbststeuervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Kondensator (56) einer der einzeln einschaltbaren, polarisierten Kondensatoren einer Kondensatorbatterie ist.8. Selbststeuervorrichtung nach Anspruch 6, da-)' durch gekennzeichnet , daß ein Funkt (58) zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen (5^> 55) mit einem regelbaren Potentialbegrenzer (Fig. 5) verbunden ist.9. Selbststeuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Potentialbegrenzer aus zwei Transistoren (59, 60) entgegengesetzten Typs besteht, deren Emitter mitteinander und mit dem Punkt (58) zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen {5k, 55) verbunden sind, deren Kollektoren jeweils mit den Polen einer Stromquelle (0, E) verbunden sind und deren Basen (28, 29) so polarisiert sind, daß diese Transistoren normalerweise blockiert sind.10. Selbststeuervorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang des das Signal der Kursabweichung übertragenden Impedanzanpassungsergans (Sp) mit dem Differentialverstärker (40) über einen R-C-Hochpaßfilter (61,R2,R^) verbunden ist, dessen Kapazität durch einen Widerstand (R.) nebengeschlossen ist.-26-909819/086035"11. Selbststeuervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Widerstand (R2I Ro) des Hochpaßfilters in zwei Teile geteilt ist und daS der zwischen diesen Teilen befindliche Punkt (Jj-2) mit dem Eingang des Differentialverstärkers (40) und das Ende dieses Widerstandes mit einem Punkt mit konstantem, regelbarem Potential (62) verbunden ist·12. Selbststeuervorrichtung nach Anspruch 2 und10, dadurch gekennzeichnet , daß die Kapazität (61) aus einem der polarisierten, abwechselnd einschaltbaren Kondensatoren einer Kondensatorbatterie besteht und daß die Eingangsstufe (*Oa, *K3b) des Differentialverstärkers (40) ständig leitend ist.13· Selbststeuervorrichtung nach Anspruch 10 und11, dadurch gekennzeichnet , daß der Nebenschlußwiderstand (R1) und die beiden Widerstandsteile (R2, Ro) einzeln regelbar sind, wobei das Verhältnis des Widerstandes (R.,) zwischen dem mittleren Punkt (^2) und dem Punkt mit konstantem Potential zu der Summe dieser Widerstände (Rj+Rg+R«) konstant bleibt.l*l·. Selbststeuervorrichtung nach Anspruch 6 und 1 Q dadurch gekennzeichnet , daß die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters (5^> 55» 56) mindestens das Vierfache der oberen Grenzfrequenz des Hochpaßfilters (61, R2, Ro) beträgt.15. Selbststeuervorrichtung nach Anspruch 6 und 10, dadurch gekennzeichnet , daß zur Handsteuerung des Ruders an der Seite des Differentialverstärkers (*JO), welche das Signal der Kursabweichung empfängt, eine konstante Spannung angelegt ist und daß der Schieber des der Korrektur der Ruderlage entsprechenden Potentiometers durch ein Organ zur manuellen Betätigung des Ruders betätigbar ist.9098 19/0860OFWetNAL
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