DE1943626C - Korrektureinrichtung fur den elektro nischen Kursregler eines Schiffes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Korrektureinrichtung für den elektronischen Kursregler eines Schiffes, dessen den Rudermotor steuernde Schaltstufe über ein PID-Netzwerk gesteuert ist, dem ein Kursfehlersignal zuführbar ist, wobei die Schaltstufe zusätzlich, zu dem PID-Netzwerk· in Abhängigkeit von dem jeweiligen Schiffstyp und den Beladungszuständen über eine Additionsschaltung, an deren Eingang das Kursfehlersignal anliegt, beeinflußbar ist.

Bei einer bekannten Korrektureinrichtung dieser Art ist das Ausgangssignal der Additions;;chaltuing nichtlinear von der Größe des Kursfehlersignals abhängig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Drehmoment auszugleichen, das die Kursinstabilität verursacht. Diese Erscheinung tritt insbesondere bei sehr großen Schiffen auf. Sie zeigt sich darin, daß das Schiff bei Mittschiffs-Ruderlage aus dem Kurs auszubrechen und auf eine Kreisbahn einzuschwenken sucht. Dieses Bestreben wirkt sich zwar günstig auf die Manövrierfähigkeit aus, weil sie auch bei großer Schiffslänge kleine Drehkreise ermöglicht. Diesem Vorteil steht aber der Nachteil gegenüber, daß das Instabilitätämoment die Kurshaltung sehr erschwert und bei Verwendung normaler Kursregler regelmäßige Kursschwiiigungen verursacht, deren Amplituden mtti-rere Grad erreichen können. Diese Kursschwingunge.i führen erhebliche Vortriebsverluste herbei.

Erzeugt wird das Kursinstabilitätsmoment., das um die Hochachse auf das Schiff einwirkt, durch die Wasserkräfte. F?hrt das Schiff genau geradeaus, dann beläuft sich dieses Instabilitätsmoment auf Null. Nimmt die Winkelgeschwindigkeit des Komoaßkurses zu, so wächst auch das Instabilitätsmoment. Es ist so gerichtet, daß es wiederum die Winkelgeschwindigkeit erhöht, so daß das Schiff ohne eine Mitwirkung des Ruders aus dem Kurs ausbricht, wobei die Richtung des Ausbrechen von beliebig kleinen Störungen vor

ίο Beginn einer Drehung abhängt. Das Instabilitätsmoment, das mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit zunächst ansteigt, fällt dann wieder ab.

Erfindungsgemäß ist die vorstehend geschilderte Aufgabe dadurch gelöst, daß das Ausgangssignal der

Additionsschaltung nichtünear von der Änderungsgeschwindigkeit des Kursfehlersignals abhängt, also nicht, wie bei der bekannten Korrektureinrichtung, von der Größe des Kursfehlersignals.

Das PID-Netzwerk des Kursreglers bewirkt die

so Einstellung des Ruders auf einen Winkel, der den Kursfehler, seinem Differentialquotienten und seinen Zeitintegra! verhältnisgleich ist. Die zusätzlich zu dem PID-Netzwerk vorgesehene Additionsschaltung bewirkt die Verschwenkung des Ruders um einen msätzlichen Winkel, der so bemessen ist, daß das Ruder um die Hochachse des Schiffes ein Moment ausübt, welches dem Instabilitätsmoment entgegengerichtet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Additionsschaltung zwei Rechenver-

stärker, deren erster eine nach Größe und Vorzeichen dem Differentialquotienten des Kursfehlersignals entsprechende Ausgangsspannung und deren zweiter eine nur der Größe des Differe- tialquotienten entsprechende Hilfsausgangsspannung liefert und außer-

dem ein Transistornetzwerk enthält, dessen Eingänge mit den Ausgängen der beiden Rechenverstärker verbunden sind und dessen Ausgang das Ausgangssigna' liefert.

Jedoch kann die Additionsschaltung auch anders ausgestaltet sein.

Die Erfindung sei nunmehr an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert, in denen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigt F i g. 1 das erfindungsgemäß vorgesehene elektronische Rechenwerk,

F i g. 2 die das Verhalten dieses Rechenwerkes darstellende Kennlinie,

F i g. 3 die Schaltung eines elektrischen Kursreglers, dessen den Rudermotor steuernde Schaltstufe über ein PID-Netzwerk durch eine Gleichspannung gesteuert ist, und die Einfügung des zusätzlichen elektronischen Rechenwerkes in diesen Kursregler,

F i g. 4 eine andere An der Zusammenschaltung des Kursreglers mit dem zusätzlich vorgesehenen elektronischen Rechenwerk und

F i g. 5 eine andere als die mit Bezug auf F i g. 1 beschriebene Ausgestaltung des zusätzlich vorgesehenen elektronischen Rechenwerks.

Meßwerk und Sollwertgeber des Kursreglers erzeugen eine Gleichspannung U₁, die dem Kursfehler proportional ist. Diese Spannung wird über einen Kondensator 1 einem Rechen verstärker 3 mit Rückführungswiderstand 2 zugeführt. Dadurch wird eine_Ausgangsspannung t/₂ erzeugt, die angenähert der Änderungsgeschwindigkeit der Spannung U₁ verhältnisgleich ist. Aus der Spannung U₂ wird mittels der Schaltelemente 4 bis 9 und eines Rechenverstärkers 10 eine Hilfsspannung U₃ erzeugt. Die Schaltelemente 4 und 5

stellen Gleichrichter und die Schaltelemente 6. 7, 8 und 9 Widerstände dar. die miteinander in der in F i g. 1 dargestellten Weise verbunden sind.

Die Hilfsspannung U₃ liegt an einem aus Widerständen 11 und 12 bestehenden Spannungsteiler, an den ein Transistor 13 derart angeschlossen ist, daß er leitend wird, wenn die Spannung <7₃ einen bestimmten Wert überschreitet. Der Transistor 13 ist über einen Widerstand 14 an den Ausgang des Rechenverstärkers 3 angeschlossen, und zwischen dem Transistor und dem Widerstand 14 wird die Ausgangsspannung U₄ abgenommen. Wächst die Anderungsgeschwindigkeit der Spannung U₁, dann nimmt die Ausgangsspannung U_x deshalb zunächst zu. Überschreitet die Anderungsgeschwindigkeit der Spannung U₁ indessen einen bestimmten Wert, dann nimmt die Spannung U_x wieder ab. Diese Abhängigkeit ist durch die Kennlilie der F i g. 2 dargestellt.

In F i g. 3 ist die Schaltung des PID-Netzwerkes des elektronischen Kursreglers dargestellt. Dieses Netzwerk besteht aus einem Rechenverstärker 22, dessen Eingang mit einem Widerstand 18 und einem dazu parallelgeschalteten Kondensator 17 beschaltet ist und der durch einen Widerstand 19 gegengekoppelt ist und dessen Eingang ferner mit einem Kondensator 21 und einem Widerstand 20, die in Reihe geschaltet sind, vorgeschaltet ist. Den letztgenannten Schaltelementen ist ein weiterer Rechenverstärker 24 vorgeschaltet, der durch einen Widerstand 23 gegengekoppelt ist und dem ein Widerstand 25 vorgeschaltet ist. Der Ausgang des Rechenverstärkers 22 steuert einen Doppel-Trigger 26, der den Rudermotor 27 beeinflußt, wodurch das Ruder verstellt wird. Das Potentiometer 28 wird durch den Rudermotor verstellt. Die vom Potentiometer abgegebene Spannung dient der Rückmeldung des Ruderwinkels und wird auf den Widerstand 25 geleitet. Die den Kursfehler angebende Spannung CZ₁ wird über den Widerstand 18 und den Kondensator 17 auf den Rechenverstärker 22 geleitet. Der Trijger 26 steuert den Rudermotor 27 derart an, daß sich der Ruderwinkel aus drei Komponenten zusammensetzt:

1. aus einer zur Spannung U₁ proportionalen Komponente P,

2. Hus einer zum Integral der Spannung U₁ verhältnisgleichen Komponente /,

3. aus einer zum Differentialquotienten der Spannung U₁ verhältnisgleichen Komponente D.

Dieser elektronische Kursregler ist nun zum Ausgleich des Kursinstabilitätsmomentes durch das elektronische Rechenwerk 15 ergänzt, das in F i g. I dargestellt ist. Dieses ist durch einen Schalter 29 an den Eingang des Kursreglers angeschlossen und kann daher durch öffnen dieses Schalters jederzeit abgeschaltet werden. Wenn das geschieht, arbeitet der F jgler als gewöhnlicher PID-Kursregler. Ist der Schalter 29 geschlossen, dann liefert das elektronische Rechenwerk 15 an seinem Ausgang dem Eingang des Rechenverstärkers 24 über einen Widerstand 16 die Spannung U_x. Das bewirkt, daß bei sehr kleinen Änderungsgeschwindigkeiten des Kursfehlers das Ruder um einen zusätzlichen Ruderwinkel verschwenkt wird, welcher der Spannung U₄ proportional ist. Der Proportionalitätsfaktor kann durch Verändern des Widerstandes 16 verstellt und dem Instabilitätsmoment angepaßt werden. Bei manchen Schiffen fällt das Instabilitätsmoment fort, wenn das Schiff einen bestimmten Beladungszustand aufweist. In diesem Falle kann man den Schalter 29 öffnen.

Es gibt mehrere Möglichsten, das elektronische Rechenwerk 15 in den PlD-lCursregler einzufügen. Eine andere Möglichkeit ist in Fig. 4 dargestellt. Dort ist der Ausgang des zusätzlichen elektronischen Rechenwerks 15 über den verstellbaren Widerstand 16. eit.cn Rechenverstärker 30 und einen Widerstand 32 an den Summenpunkt des Rechenverstärkers 22 angeschlossen. Dabei ist der Rechenverstärker 30 durch einen Widerstand 31 gegengekoppelt. Die vom Potentiometer 28 zurückgemeldete, dem Ruderwinkel entsprechende Spannung wird dem Summenpunkt des Rechenverstärkers 22 über einen Kondensator 21 und einen Verstellwiderstand 20 zugeführt. Ist die Zeitkonstante R 20 · C 21 sehr groß, dann ist der zusätzliche Ruderwinkel praktisch proportional der Spannung U₄.

Die beiden in F i g. 3 und 4 gezeigten Schaltungen stimmen darin überein, daß das Ausgangssignal des elektronischen Rechenwerkes vor dem Rechenverstärker 22 zugeführt wird. Indessen kann dieses Signal auch mit Hilfe eines Rechenverstärkers zwischen dem Rechenverstärker 22 und der Schaltstufe 26 zugeführt

werden.

In F i g. 5 ist eine andere Ausgestaltung des elektronischen Rechenwerks wiedergegeben, das zusätzlich zu dem PID-Netzwerk vorgesehen ist. Dieses elektronische Rechenwerk stimmt hinsichtlich der Elemente 1 bis 3 mit der in F i g. 1 dargestellten Schaltung überein. Doch wird die der Änderungsgeschwindigkeit des Kursfehiers proportionale Spannung U₂ einem Servoverstärker 33 zugeführt, der einen Servomotor 34 steuert. Dieser verstellt ein Potentiometer 35, dessen Ausgangsspannung zum Eingang des Verstärkers zurückgemeldet wird. Ferner verstellt der Servomotor 34 einen Geber 36. dessen Ausgangsspannung der Kennlinie der F i g. 2 entspricht und die Spannung U₁ darstellt. Bei dem Geber 36 kann es sich um ein nicht linear wirkendes Potentiometer handeln, das die entsprechenden Anzapfungen hat. Das Potentiometer hingegen wirkt linear.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Korrektureinrichtung für den elektronischen Kursregler eines Schiffes, dessen den Rudermotor steuernde Schaltstufe über ein PID-Netzwerk gesteuert ist, dem ein Kursfehlersignal zuführbar ist, wobei die Schaltstufe zusätzlich zu dem PID-Netzwerk in Abhängigkeit von dem jeweiligen Schiffstyp und den BeL„jngszuständen über eine Additionsschaltung, an deren Eingang das Kursfehlersigr<al anliegt, beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssig'.a! der Additionsschaltung nichtlinear von der Änderungsgeschwindigkrt des Kursfehlersignals abhängt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Additionsschaltung zwei Rechenverstärker (1, 2, 3 und 4 bis 10), deren erster eine nach Größe und Vorzeichen dem Differentialquotienten des Kursfehlersignals entsprechende Ausgangsspannimg und deren zweiter eine nur der Größe des Differentialquotienten entsprechende Hilfsausgangsspannung liefert, und außerdem ein Transistornetzwerk (1) bis 14) enthält, dessen Eingänge mit den Ausgängen der beiden Rechenverstärker verbunden sine¹ und dessen Ausgang das Ausgangssignal liefert.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Addk jnsschaltung ein verstellbarer Widerstand (16) nachgeschaltet ist, durch dessen Einstellung der das Ausgleichsmoment erzeugende Ruderwinkel dem Instabilitätsmoment des Schiffes anpaßbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Additionsschaltung durch einen Schalter (29) abschaltbar ist.