DE1804276A1 - Selbststeuervorrichtung - Google Patents

Description

Association des ouvriers en Instruments de Precision, Paris

(Frankreich)

Selbststeuervorrichtung

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.

903819/08G0

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 "Rudergröße^H 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-

909819/0860 - ³ -

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.

900819/0860

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

909819/0860

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-

- 6 909819/0860

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.

909819/0860

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

909819/0860 - ⁸ -

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-

- 9 -909819/0860

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-

- 10 909819/0860

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.

- 11 -

9098 19/0860

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.

- 12 909819/0860

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

909819/0860

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-

909819/0880

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-

- 15 -909819/0860

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:

Cü\ . R₁ . C₁ = 1 und (W₂ . R^ . C₁

909819/0860

R₁ (R₂ +
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. Zu_fi 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.

909819/0860 ' ¹⁹ "

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.

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

909819/0860 -22-

- 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)

1. P a t e η t a ns ρ r ü c h e

   1. 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.

   909819/0860

   2. 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-

   909819/0860

   35"

   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 und

   10, 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 und

   11, 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 19/0860

   OFWetNAL