DE2107662C3 - PJD-Kursregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen PlD-Kursre-gkr für Schiffe.

Bei einem solchen Kursregler wird die Abweichung des momentanen Kurses des Schiffes vom eingestellten Kurs ermittelt und dieses Fehlersignal einem P-{ Proportional·), l-(integral·) und D-( Differential· I-Teil zugeführt und hieraus ein Signal zur Kurssteuerung gewonnen.

Bei der Einstellung eines solchen Kursregler·* muli vor allem die Gefahr ausgeschlossen werden, daß der Schiffskurs bei bestimmten äußeren Störungen instabil wird. Wie sich zeigen laut, besteht diese Gefahr besonders bei einer Fehleinstellung der !niearultunktion. Aus diesem Grunde müssen die bekannten Pi D-Kursregler durch einen Fachmann jeweils genau justiert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde unter Vermeidung dieses Nachteils einen PID-Kurs reuler so auszubilden, daß die Justierung des Kurs retjlers aui dem Schiff wesentlich erleichtert und eine einwandfreie Integralfunktion auch bei einer nichi optimalen Einstellung gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemiß dadurch «döst, daß die Zeitkonstanten des Integralteils unc des Differentialteils durch gleichzeitige Änderung von Einstellelementen beider Teile im gleichen Sinr änderbar sind.

Wie an Hand der Beschreibung der Ausführungs beispiele noch im einzelnen erläutert wird, gestatte! eine solche Ausbildung des PID-Kursreglers eint einfache, auch von einer"weniger geübten Bedienungs person ohne Schwierigkeit durchzuführende Einstel lune des Kursregler; auf dem Schiff, ohne daß dabe die "Gefahr einer Instabilität der Kursregelung ent steht, wenn die Einstellung des Reglers nicht optima vorgenommen wird.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbildeines PID-Kursreglers F i a. 2 bis 4 Bode-Diagramme,

F i s. 5 bis 7 Schemadarstellungen von Aus.flihrungsbeispielen des erfindungsgemäßen PID-K ursreglers.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei zunächst an Hand von Fig. 1 ein bekannter PID-Kursregler erläutert. Ein Kompaßkurssignal Φ eines SchiffesΓ12, das von einem darauf befindlichen Kompaß 13 gesteuert werden soll, wird einer Addierstufe 1 zugeführt. Diese Addierstufe 1 erhält außerdem ein "Einstellktirssignal Φ,. In der Addierstufe werden die beiden Signale Φ und Φ, miteinander verglichen. Besteht zwischen beiden Signalen eine Abweichung, so liefert die Addierstufe 1 ein entsprechendes Fehkrsignal Φ_€. Es wird einem Rechner Ii zugeführt, das einen integralteil 2, einen Proportionalteil 3. einea Differentiaiteii 4 und einen Filterteil £ enthält. Die Ausgangssignale des Integralteils 2, des Propertionalteüs".? und des Filterteils S werden einei Acidierstufe 6 zugeführt.

Wie bekannt liefert der Differentialteil 4 ein Signal proportional der Drehgeschwindigkeit des Schiffes Der Kursregler enlihält ferner im Rechner den Integralteil 2 zur Steuerung des Ruderwinkels, um den Schiffskurs in Übereinstimmung mit dem Einstellkurs Φ_; zu haltea, wenn ständige Störungen, wi« Wind. Gezeiten u. dgl., vorhanden sind oder wenn das Fahrzeug eiae unsymmetrische Besonderheit im Fahrverhalten asfweist. Die von den genannten Schaltkreisen gewonnenen Signale werden in der Addierstufe 6 komfciiniert. Das von der Addierstufe 6 gelieferte Signal )„ wird über eine Addierstufe 8, einen Verstärker 9 und einen Relaiskreis 7 einer LeisCungsstufe 10 zugeführt. Sie steuert em Ruder 14 des Schiffes 12 über ein Steuergetriebe U. Ein von der Leistuagsstufe IO gesteuerter Rückkopplungssignalgene· rutor 15 liefert ein Signal proportional dert Ruder winkel. Das A.usgungssignaJ Ύ des Rückkoppiungssignal generators 15 wird der Addierstufe 8 zugeführt welches die Signale ■>„ und >>' vergleicht und ein etwaiges Differenzsignai wieder dem Eingang des Verstärkers 9 zuführt. Das Ruder 14 wird also genau entsprschead dem Signal ■>,, gesteuert über eine klein« Regdsehieife. die aus der Addierstufe 8. dem Ver stärker 9. dem R<;laiskreis 7, der Leirungssture 1(1 und dem Rückkcpplungsgenerator 15 besteht.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten bekannten Kursregler sind der Integralteil 2, der Proportionalteil 3, der Differeiitialteil 4 und der Filterteil 5 in den veranschaulichten Weisen parallel geschaltet. Im folgenden wird dieses System (gemäß Fig. 1) näher erläutert. In der Praxis gibt es jedoch auch verschiedene andere PID-Kursregler, bei denen beispielsweise der Proportionalteil 3, der Differentialteil 4 und der Filterteil 5 in einem Block angeordnet sind oder bei denen der Integralteil 2, der Proportionalteil 3, der Differentialteil 4 und der Filterteil 5 in einem Block enthalten sind oder bei denen, wenn der Kompaß 13 ein Kreiselkompaß mit eingebautem Tachometer ist, ein Differentialsignal vom Tachometer gewonnen wird oder bei denen der Integralteil 2 und der Differentialteii 4 in der Rückkopplungsschleife des Ruderwinkels angeordnet sind. Die Erfindung eignet sich für alle diese bekannten PI D-Kursregler, ohne daß eine Änderung erforderlich ist.

Im folgenden sei die Regelschletfe, die das Schiff 12 enthält, näher diskutiert. Das Ansprechverhalten des Schiffes gegenüber der Ruderbetätigung nimmt üblicherweise die Form einer Näherung erster Ordnung an; die Drehwinkelgeschwindigkeit 'Φ des Schiffes in Abhängigkeit vom Ruderwinkel ist in Form einer Transferfunktion bekanntlich wie folgt:

TsTT

Die Drehgeschwindigkeit (Wendewinkelgeschwindigkeit) des Schiffes wird durch den Kompaß integriert und in Form des Schiffs-Kompaßkurssignals Φ ermittelt, wie zuvor an Hand von F i g. 1 erwähnt. Die Transferfunktion des Schiffes unter Einbeziehung des Kompasses ist somit gegeben durch

S(TS + 1)

In den Gleichungen (1) und (2) sind K und T Konstante des Schiffes und werden als Manövrierbarkeitsindizes des Schiffes bezeichnet; sie kennzeichnen also das Steuerverhalten des Schiffes. S ist der Laplace-Operator.

Die F i g. 2 und 3 zeigen die bekannten Bode-Diagramme zur leichteren Analyse der Regeleigenschaften; in der Abszisse ist die Winkelgeschwindigkeit (D in logarithmischem Maßstab aufgetragen. In der Ordinate sind die Verstärkung G in dB und die Phase in Grad aufgetragen. In F i g. 2 zeigt die gestrichelte Linie α ein Bode-Diagiamm der Transferfunktion eines Schiffes Nr. 1 (Super-Tanker). Eine Kurve b ist ein Bode-Diagramm eines PID-Kursreglers. Das Bezugszeichen T₁ kennzeichnet die sogenannte DifTerentialzeit zur Herbeiführung einer Phasenvoreilung zwecks Stabilisierung des Regelsystems; T₂ und T₃ sind Zeitkonstante des Filterteils 5, welche die Verstärkung für die Phasenkompensation, ansteigend bei T₁, unterdrücken oder verringern, so daß sich in einem hohen Winkelgeschwindigkeitsbereich keine weitere Vergrößerung ergibt und ein übermäßiges Ansprechen der Leistungsstufe bei äußeren Störungen vermieden wird. Eine solche äußere Störung ist ein durch Wind, Wellen u. dgl. bewirktes Aus-dem-Kurs-Laufen des Schiffes. Eine übermäßige Beanspruchung der Leistungsstufe und des Steuergetriebes ist unvermeidlich, wenn man versucht, das Schiff in Abhängigkeit von der äußeren Störungsfrequenz zu steuern; diese Frequenz ist nämlich so hoch, daß der Schiffskörper jeder Steuerbewegung nicht folgen kann. Steuerbewegungen mit einer solchen Frequenz sind nutzlos und demgemäß nicht erforderlich. Die Zeitkonstanten T₂ und T₃ werden daher benutzt, um die Spitzen des Differentialsignals

ίο auszufiltern und auf diese Weise nur wirksame Steuervorgänge zu gestatten.

Ein Kompensationskreis, der die in F i g. 2 durch die Kurve b angedeutete Wirkung erfüllt, um die Integralwirkung in die Regelschleife einzuführen,

besitzt eine Charakteristik mit einer Integralkonstante T₄. In dieser Zeichnung ist die Verstärkung gleich 1 (O dB) angenommen. Die Verstärkungskurve a + b und die Phasenkurve c zeigen ein Bode-Diagramm der Transferfunktion der vom Schiff und vom Kursregler gebildeten Regelschleife.

F i g. 3 ist ein Bode-Diagramm ähnlich F i g. 2 für ein Schiff Nr. 2 (ein Frachtboot), das kleiner als Schiff Nr. 1 ist. Eine gestrichelte Linie a' stellt die Verstärkungskurve im Bode-Diagramm der Trars-

ferfunktion des Schiffes Nr. 2 dar, eine Kurve b' die des Kursreglers. Die Kurve a' + b' ist die Verstärkungskurve im Bode-Diagramm der Transferfunktion der von Kursregler und Schiff gebildeten Regelschleife, c' ist die Phasenkurve.

Zur Ausführung der durch die Kurven in den F i g. 2 und 3 veranschaulichten Operationen finden zwei Filter mit den Zeitkonstanten T₂ und T₃ Verwendung, die einen erhöhten Filtereffekt ergeben; es gibt jedoch Fälle, in denen nur ein Filter mit der Zeitkonstante T₂ benutzt wird oder drei Filter Verwendung finden, davon einer für eine höhere Frequenz. Zum Vergleich der F1 g. 2 und 3 sind die Kurven b und b' in F i g. 4 aufgetragen. Wie man leicht erkennt, stimmt die Kurve b bei Parallelver-Schiebung zur Abszisse mit der Kurve b' überein; dasselbe gilt für das Verhältnis zwischen den Zeitkonstanten T₄, T₁, T₂, T₃ und Ti, T₁', T{ und T₃'. Wenn sich also die Faktoren oder Konstanten K und T der Transferfunktion des Schiffes geändert haben, kann der Kursregler dadurch auf eine stabile Schiffssteuerung eingestellt werden, daß die Zeitkonstanten entsprechend geändert werden. Geht man davon aus, daß die Zeitkonstanten T₁, T₂, T₃ und T₄ gemäß F i g. 2 optimal eingestellt sind, so ist es zur Gewinnung einer optimalen Einstellung des Kursreglers für das Frachtboot Nr. 2 (mittlerer Größe) erforderlich, die Differentialzeitkonstante T₁ und T₁' zu verringern, da die Ansprechzeitkonstante T des Schiffes auf T' (beim Frachtboot) verkleinert wird. Mit der Verringerung der Differentialzeitkonstante T₁ verschiebt sich der Frequenzbereich für die Kompensation der Phasenvoreilung in Richtung auf einen höheren Frequenzbereich. Die Integralzeitkonstante T₄ mit ihrer Eigenschaft der Phasennacheilung wird auf T₄ verringert, was keinen ungünstigen Einfluß auf die Phasenkompensation ausübt. Je kleinei die Integralzeitkonstante Ti ist, um so raschel erscheint der Integraleffekt. Vorzugsweise verringen man also die Integralzeitkonstante T₄ in einem sol chen Maße, daß die Stabilität der Regelung nich gestört wird. Der Kursregler wird demgemäß so aus gelegt, daß sich die Zeitkonstanten T₁ und T₄ gleich zeitig miteinander ändern. Um zu verhindern, dai

a, . -ψ

In entsprechender Weise wird vom Differentialteil 4 ein Differentialsignal E_d gemäß folgender Gleichung gewonnen:

Αφ

E_d = -R₄C₄-" = -7,0„S.

Die Zeitkonstanten T₄ und T₁ können daher durch Änderung der Kapazität C₂, C₄ des Integralteils 2 bzw. des Differentialteils 4 geändert werden. Gemäß F i g. 5 sind die Kondensatoren C₂ und C₄ zwecks gemeinsamer Verstellung gekoppelt.

Auch in F i g. 6 werden die Zeitkonstanten T₄ und T₁ des Inlegralteils 2 und des Differentialteils 4 gemeinsam im gleichen Sinne geändert; zu diesem Zweck sind die Widerstände R₂ und R₄ gemeinsam verstellbar.

F i g. 7 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Parameter für die Proportional-, Integral- und Differential-Wirkung gleichzeitig eingestellt und die Filterzeitkonstanten gemeinsam im gleichen Sinne geändert werden. Es sind in F i g. 7 für dieselben Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. In Fig. 1 werden die Proportional-, Integral- und Differential-Wirkung durch gesonderte Parallelkreise erzielt; ihre Ausgangssignale werden miteinander addiert. Gemäß F i g. 7 erfüllt dagegen der Schaltungsteil 4' drei Funktionen, nämlich die Proportional-, Differential- und Filterfunktion. Der Schaltungsteil 4' enthält einen Operationsverstärker A₂, einen Rückkopplungskondensator C₂. einen Rückkopplungswiderstand R₃ des Operationsverstärkers A₂ und eine Eingangsschaltung für den Operationsverstärker A₂. die einen Widerstand R₁, einen Kondensator C₁ und einen veränderlichen Widerstand VR₃ enthält. Ein gewählter Widerstandswert des veränderlichen Widerstands VR₃ ist mit R₂ bezeichnet. KR₂ ist ein Potentiometer zur Teilung der Eingangsspannung; der Abgriff ist

sich die Zeitkonstanten T₁ und T₄ einander zu sehr nähern oder daß eine Fehleinstellung wie T₁ > zu einer Instabilität in der Regelschleife führt, was eine Gefahr für das Schiff darstellen könnte, werden die Zeitkonstanten T₁ und T₄ in gleichem Sinne geändert, d. h. gemeinsam vergrößert oder verkleinert.

Die Beziehung zwischen den Kurven b, b' (F i g. 4) besteht also darin, daß die Zeitkonstanten T₂. T, und T₂, Tl, welche als Filterzeitkonstanten für die erwähnten äußeren Störungen dienen, sich in gleicher Weise wie die Differential- und Integralzeitkonstanten T₁ und T₄ ändern.

Die F i g. 5 und 6 veranschaulichen Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung, die obenerwähnten Effekt verwirklichen, wobei die Differential- und Integralteile 4, 2 je einen Operationsverstärker A enthalten. In den F i g. 5 und 6 sind Tür identische Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 gewählt.

In F i g. 5 wird die Integrationszeitkonstante des Integralteils 2 durch einen Eingangswiderstand R₂ und einen Rückkopplungswiderstand C₂ des Operationsverstärkers A bestimmt. Ist die Verstärkung des Operationsverstärkers A unendlich groß, so ergibt sich ein Integralsignal E_x gemäß folgender Gleichung:

mit dem Kondensator C₁ verbunden. Ein Potentiometer KR₄ teilt die Ausgangsspannung e₂ des Verstärkers A₂ und Tührt sie dem Rückkopplungskondensator C₂ zu. Werden die Spannungsteilerverhältnisse der Potentiometer KR₂ und VR^ als /i bzw. ;· bezeichnet, so besteht Tür das Ausgangssignal e₂ folgende Beziehung:

R₂C₁S + 1

/R₃C₂S +1 ' "

t₂s

-L

T.s + ι

In der obigen Gleichung (5) sind die Differentialzeit T₁ und die Filterzeitkonstanten T₁ und T₃ wie folgt ausgedrückt:

T₁ = ft

T₂ = R₂Ci T₃ = -/

ι	1	— _	Γ J.	$}'''>■ ((S
1 R Il	AC2S		Ά
obigen		ist	die	Integralzcit
Gleichung

T₁, T₃ und T₂ können daher durch Einstellen der Potentiometer VR₂, VR₄. und des veränderlichen Widerstands VR₃ geändert werden. Es ist ferner ein Potentiometer VR_{ im Integralteil 2 vorgesehen; das Fehlersignal <P_e wird dem Operationsverstärker A_x über das Potentiometer VR_x und einen Widerstand R₄ zugeführt. C₂ ist ein Rückkopplungskondensator des Verstärkers A₁. Wird das Spannungsteilerverhältnis des Potentiometers VRi mit « bezeichnet, so ergibt sich das Ausgangssignal c, des Verstärkers A₁ aus folgender Gleichung (6):

In der
T₄ = — R₄C₂: die Zeitkonslante T₄ kann durch

Einstellung des Potentiometers VR₁ geändert werden. Infolgedessen kann man durch Veränderung der Potentiometer VR_x, VR₂ und VR₄ sowie des veränderlichen Widerstands VR₃ (in gekoppelter Beziehung) T₁, T₂, T₃ und T₄ gemeinsam einstellen.

Wenngleich bei der Ausführung gemäß F i g. 7 Potentiometer und ein veränderlicher Widerstand verwendet sind, so können sie doch durch feste Widerstände unterschiedlicher Widerstandswertc ersetzt werden, die mittels Schalter zwecks Einstellung des Änderungsverhältnisses der eingestellten Werte umgeschaltet werden.

Die Addierstufe 6 besteht aus Eingangswiderständen R₅, R₆, einem Rückkopplungswiderstand R- und einem Operationsverstärker ,4₃; sie wird mit den Ausgangssignalen e, und e₂ des Integralteils 2 unc des Schaltungsteils 4' versorgt.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig" ist es selbstverständlich möglich, nur T₁ und T₄ zi korrelieren (wie bei den Ausführungen der F i g. ί und 6). um die Einsteilung zu vereinfachen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. PID-Kursregler für Schiffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstanten (Y₄, T₁) des Intcgralteils (2) und des Differentiaheils (4) durch gleichzeitige Änderung von Einsielleleir.cnten (C,, K,. VR₁ bzw. C₄, K₄, VR₂) beider Teile im gleichen Sinne änderbar sind.

2. Kursregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante (T₁) des Differentialteils (4), die Zeitkonstante (7₄) des Integralteils (2) und die Zeitkonstante (T,. T,) eines Fillerteils (5) im gleichen Sinne änderbar sind.

3 Kursregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integralteil (2) einen Operationsverstärker (.4) mit einem Eingangswiderstand (R₂) und einem Rückkopplungskondensator (C_:i und der Differentialteil \4) einen Operationsverstärker (A) mit einem Eingangswiderstand (C₄) und einem Rüekkopplungswiderstand (R₄) enthalt.

4. Kursregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungswiderstand (T;) des Integralteils (2) und der Fingangskondensator (C₄) des Differentialteiis(4) gemeinsam verstellbar sind (F i g. 5).

5. Kursregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangswiderstand (R*) des Integralteils (2) und der Rückkopplungswiderstand (R₄) des Differentialteils (4) gemeinsam verstellbar sind (F i g. OL

6. Kursregler nach den Ansprüchen I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Erfüllung einer Proportional-, einer Differential- und einer Filterfunktion bestimmter Schaltungsteil(4) vorgesehen ist, enthaltend einen Operationsverstärker (.4, V einen Rückkopplungskondensator (C₂K einen Rückkopplungswiderstand (K₁), einen festen Eingangswiderstand (R₁V einen veränderlichen Eingangs widerstand (V'Rjk einen Eingangskondensator (C₁), ein Potentiometer (VR,) zur Teilung der Eingangsspannung sowie ein Potentiometer (KK₄) zur Teilung der Ausgangsspannung, wobei drei Schaltungselemente (V R₂, VR_}. KR₄) dieses Schaltunyiteils (4') und ein Eingangspotentiometer (VR₁)des Integralteils (2) gemeinsam verstellbar sind (Fig. 7).