DE2109945C2

DE2109945C2 - Kursregler für Wasserfahrzeuge

Info

Publication number: DE2109945C2
Application number: DE2109945A
Authority: DE
Inventors: Charles Rufus Crozet Va. Wesner
Original assignee: Sperry Corp 10104 New York NY; Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1970-03-02
Filing date: 1971-03-02
Publication date: 1982-08-12
Also published as: DE2109945A1; NL7102746A; CA927497A; US3604907A; FR2084011A5; NL171635B; GB1293780A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kursregler für Wasserfahrzeuge mit Signalgeneratoreinrichtungen zur

to Lieferung eines Steuerkursfehlersignals und mit mit den Signalgeneratoreinrichtungen gekoppelten einstellbaren Schwellwerteinrichtungen.

Wasserfahrzeuge werden in vielen Fällen mit automatischen Kursreglern ausgerüstet, die ein Steuer befehlssignal in Abhängigkeit von einem Kursfehlersi gnal liefern, das von einem Richtungsbezugssystem des Schiffes erzeugt wird. Das Steuerbefehlssignal kann beispielsweise ein an. die Ruderstellservoeinrichtungen des Schiffes angelegtes Ruderbefehlssignal zur Steuere rung des Schiffes sein.

Bei ruhiger See kann die Steuervorrichtung des Schiffes einen stetigen Steuerkurs entsprechend einem befohlenen Kurs einhalten. Bei stürmischer See, wie sie z. B. durch schlechtes Wetter hervorgerufen werden kann, kann das Schiff eine schwingende Gierbewegung durch einen von der Stärke der Wellen abhängigen Winkel ausführen. Als Ergebnis ändert sich das Steuerkurssignal vom Richtungs-Bezugssystem des Schiffes in entsprechender Weise in der Amplitude. Weil der Schiffs-Ruderstellservo auf das Steuerkursfehlersi gnal anspricht, wird das Ruder in einer oszillierenden

Weise entsprechend der Gierbewegung des Schiffes

angesteuert

Die Gierbewegung tritt bei den meisten Schiffen mit

Frequenzen auf, bei denen die entsprechende Ruderbewegung für die Steuerung des Schiffes unwirksam ist Somit bewirkt die übermäßige, unter den beschriebenen Bedingungen auftretende Ruderbewegung in der Hauptsache eine Verkürzung der Lebensdauer der

Bestandteile des Ruder-Servomechanismus aufgrund der übermäßigen Abnutzung und eine Vergrößerung des Schiffswiderstandes, was unerwünschte Auswirkungen auf den Treibstoffverbrauch hat und somit die Betriebskosten des Schiffes erhöht

Bei einem bekannten Kursregler der eingangs genannten Art (DE-AS 15 88 386) wird zur Beseitigung dieses Problems ein Totbereich vorgesehen, der dadurch erzielt wird, daß die Schwellwerteinrichtung lediglich dann ein Ausgangssignal liefert, wenn ihr

so Schwellwert überschritten wird. Der Schwellwert wird hierbei in Abhängigkeit von der Anzahl der Ansprechvorgänge geändert, wobei bei jedem Überschreiten des Schwellwertes die Rudermaschine eingeschaltet wird. Wenn das Schiff bei Verwendung dieses Kursreglers eine Gierbewegung innerhalb von den Schwellwerten entsprechenden Winkeln ausführt, wird das Ruder in einer festen Stellung gehalten. Auf diese Weise ist es jedoch nicht möglich, den Kurs genau zu halten, weil der Kurs innerhalb des Gierwinkelbereiches schwanken kann. Zusätzlich kann eine andauernde Kursdrift den Steuerkurs des Schiffes in Richtung auf eine der Endbegrenzungen des Gierwinkelbereichs halten, anstatt auf den Mittelpunkt dieses Bereiches, wie dies für ein genaues Halten des Kurses wünschenswert ist.

Eine weitere bekannte Lösung des Eingangs genannten Problems besteht darin, die Gierschwingungsfrequenzen aus dem Steuerkursfehlersignal auszufiltern, um auf diese Weise eine übermäßige Bewegung des

Ruders zu verringern. Hierzu werden üblicherweise Tiefpaßfilter verwendet Um eine ausreichende Wirkung zu erzielen, muß die Grenzfrequenz dieser Filter relativ niedrig sein, was zu einer übermäßigen Verzögerung des Ansprechens des Ruderstellservosystems des Schiffes und damit zu einem unstabilen Servobetrieb führt, wodurch ebenfalls die Genauigkeit des Kurses beeinträchtigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Kursregler der eingangs genannten Art zu schaffen, hei dem ein genaues Halten des Kurses ohne übermäßige Ruderbewegung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Kursregler wird dauernd ein Steuerbefehlssignal in Abhängigkeit von dem Kursfehlersignal erzeugt, wobei die Verstärkung dieses Kursfehlersignals in Abhängigkeil von dem Ausgangssignal der Schwellwerteinrichtungen geändert wird. Die Verstärkungssteuereinrichtungen ergeben eine erste Verstärkung in Abhängigkeit von dem zweiten Signal und eine niedrigere Verstärkung in Abhängigkeit von dem ersten Signal. Der Schwellwert wird so eingestellt, daß er der Amplitude der von dem Schiff in Abhängigkeit von den Seebedingungen ausgeführten Gierbewegung entspricht Der Schwellwert wird dabei auf eine Größe eingestellt, die gerade größer als die Amplitude der von der Gierbewegung hervorgerufenen Änderungen im Steuerkursfehlersignal ist Entsprechend ist die Verstärkung des Kursreglers hoch, wenn der Steuerkurs des Schiffes von dem normalen Gierwinkel abweicht, so daß der Steuerkurs innerhalb des Gierbereiches gehalten wird. Wenn der Steuerkurs des Schiffes innerhalb des normalen Gierwinkels liegt, ist die Verstärkung des Kursreglers niedrig, wobei der Kurs ohne übermäßige Ruderbewegungen gehalten wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert

In der Zeichnung ist ein teilweise im Blockschaltbildform dargestelltes Schaltbild einer Ausführungsform des Kursreglers gezeigt

Das Schaltbild ist in drei getrennte Abschnitte unterteilt, die jeweils mit F i g. la, Ib und Ic bezeichnet sind, wobei die Abschnitte durch mit a bis /bezeichnete elektrische Verbindungen miteinander verbunden sind.

Die Ausführungsform des Kursreglers bildet einen Rechner und umfaßt in Fig. la eine ein Steuerkursfehlersignal <P_e liefernde Quelle 10. Die Quelle 10 für das Steuerkursfehlersignal kann das Richtungsbezugssystem des Schiffes umfassen oder kann mit diesem verbunden sein, wobei dieses Richtungsbezugssystem ein geeignetes Kreiselkompaßsystem einschließen kann. Das Steuerkursfehlersignal iP_e wird als Eingang an einen Operationsverstärker U angelegt Der Ausgang des Verstärkers 11 wird über einen Widerstand 12 und einen Kondensator 13 an seinen Eingang zurückgeführt Der Widerstand 12 und der mit diesem parallel geschaltete Kondensator 13 ergeben zusammen ein Tiefpaßfilter für das Signal Φ* Das Steuerkursfehlersignal iP_c wird durch das Filter verarbeitet, um hochfrequente Giersignale zu entfernen, die eine übermäßige und mit Verschleiß verbundene Bewegung des Schiffsruders bewirken würden. Es ist jedoch klar, daß der Durchlaßbereich des Filters so ausreichend breit gewählt ist daß lediglich eine vernachlässigbare Verzögerang in das System eingebracht wird, wodurch die Servostabiiität aufrecht erhalten wird. Es ist somit klar, daß mit niedrigen Frequenzen auftretende und übermäßige und mit Verschleiß behaftete Ruderbewegung bewirkende Giersignale innerhalb des Durchlaßbereichs des Filters liegen und damit durch dieses übertragen werden. Der Verstärker 11 und das Filter sind in üblicher Weise aufgebaut und Äquivalente hiervon können mit demselben Ergebnis verwendet werden.

Der Ausgang des Verstärkers 11 ist außerdem über einen Begrenzer 14 zurück mit seinem Eingang verbunden, der zwei Dioden 15 und 16 und zwei Zenerdioden 17 und 20 umfaßt Die zwei Dioden 15 und 16 sind miteinander parallelgeschaltet und diese Parallelanordnung ist in Reihe mit den Dioden 17 und 20 geschaltet wobei die gesamte Anordnung der vier Dioden 15, 16, 17 und 20 den Verstärker 11, den Widerstand 12 und den Kondensator 13 überbrückt Die Verbindung zwischen den Dioden 15 und 16 und der Diode 17 ist über einen Widerstand geerdet Der Begrenzer 14 ist in üblicher Weise ausgelegt und. wird zur Begrenzung der mit dem Verstärker 11 verbundenen Signale verwendet, um dessen Bauteile zu schützen.

Das verstärkte und gefilterte von dem Verstärker H gelieferte Steuerkursfehlersignal wird als Eingang einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 21 bezeichneten Schwellwertschaltung zugeführt Das Steuerkursfehlersignal kann ein bipolares Signal sein, weil es entweder eine positive oder negative Polarität entsprechend der Richtung der Gierabweichung des Schiffes vom gewünschten Kurs haben kann. Die Schwellwertschaltung 21 liefert einen entsprechenden bipolaren Schwellwert Ein Operationsverstärker 22 liefert ein positives Signal, wenn der Absolutwert der Größe des Steuerkursfehlersignals den Absolutwert des Schwellwertes nicht überschreitet Der Verstärker 22 liefert ein negatives Signal, wenn der Absolutwert der Größe des Steuerkursfehlersignals den Absolutwert des Schwellwertes überschreitet Ein Potentiometer 23 stellt die bipolaren positiven und negativen Schwellwerte in symmetrischer Weise ein. Die Einstellung des Potentiometers 23 ergibt in einer noch zu beschreibenden Weise einen Schwellwertbereich, der einem Bereich der Gierbewegungen von ±·/3° bis ±9° entspricht

Das Potentiometer 23 ist zwischen einer Versorgungsspannung + V und einem Anschluß eines ersten Rückführungswiderstandes 113 angeschaltet Der andere Anschluß des RückführungsWiderstandes 113 ist mit Erdpotential verbunden. Zwei in Reihe geschaltete Widerstände 114 und 115 sind zwischen dem Schleifarm 111 des Potentiometers 23 und der Anode einer Diode

116 angeschaltet Der Eingang der Schwellwertschaltung 21 ist mit dem Verbindungspunkt der in Reihe geschalteten Dioden 116 und 117 verbunden. Ein Vorspannungswiderstand 118 ist zwischen der Kathode der Diode 117 und Erdpotential eingeschaltet Der Verstärker 22 ist mit einem ersten Eingangsabschluß 102 mit dem Verbindungspunkt der Kathode der Diode

117 und des Vorspannungswiderstandes 118 verbunden und ein zweiter Eingangsanschluö 103 ist mit dem Verbindungspunkt der in Reihe geschalteten Widerstände 114 und 115 verbunden. Ein Ausgangsanschluß 106 des Operationsverstärkers 22 ist mit einem Anschluß eines zweiten Rückführungswiderstandes 121 verbunden. Der andere Anschluß des Widerstandes 121 ist mit dem gemeinsamen Anschluß des Potentiometers

23 und des ersten Rückführungswiderstandes 113 verbunden. Eine positive Bezugsspannung wird durch die Einstellung der Stellung des Schleifarmes 111 des Potentiometers 23 erzeugt. Wenn kein Eingangssignal am Eingangsanschluß der Schaltung 21 vorhanden ist, fließt Strom von der Versorgungsspannung + V durch den die Bezugsspannung ergebenden Schleifarm Ul und dann durch die in Reihe geschalteten Widerstände 114 und 115, die Diode 116 und zurück durch die Signalquelle zur Schaltung 21. Im Operationsverstärker 22 ist die Spannung am Eingangsanschluß 103 positiver als die Spannung an dem Eingangsanschluß 102, wodurch der Ausgangsanschluß 106 auf einen positiven Wert gebracht wird. Der Ausgangsanschluß 106 bleibt auf einem positiven Wert für alle positiven oder negativen an den Eingang der Schaltung 21 angelegten SpannUngssignaie, die einen Absolutwert gleich oder größer als die Bezugsspannung am Schleifarm Ul haben.

Durch Anlegen eines positiven Spannungssignals an den Eingang der Schaltung 21 mit einer Größe, die größer als die der Bezugsspannung am Schleifarm Ul ist, wird die Diode 116 in Sperrichtung vorgespannt, wodurch ein Stromfluß durch diese und in den Widerstand 115 verhindert wird. Der Anschluß 103 wird ²'⁵ den Spannungspegel der Bezugsspannung am Schleifarm 111 annehmen und der Anschluß 102 nimmt aufgrund des Spannungsabfalls längs der Diode 117 einen positiven Spannungspegel an, der etwas geringer als der des am Eingang der Schaltung 21 vorhandenen ^J0 Signals ist Der Anschluß 102 liegt nun auf einem etwas positiveren Potential als der Anschluß 103 und der Anschluß 106 ändert seinen Zustand auf einen negativen Potentialwert Die Rückführungswiderstände 113 und 121 bilden einen Spannungsteiler, der einen Teil des ^iä negativen Spannungsausgangs am Anschluß 106 an das Potentiometer 23 anlegt, das die Bezugsspannung am Schleifarm 111 und damit am Anschluß 103 verringert Daher muß das an den Eingang der Schaltung 21 angelegte positive Signal auf einen Pegel unter den ■"> verringert werden, der die Zustandsänderung der Schwellwertschaltung 21 triggerte, um ihre Rückkehr zum anfänglichen Zustand zu bewirken. Die Größe dieser Hysterese wird durch die Widerstandswerte der Widerstände 113 und 121 bestimmt «5

Wenn die Schwellwertschaltung 21 sich in ihrem anfänglichen Zustand befindet spannt ein an ihren Eingang angelegtes negatives Spannungssignal mit einem Absolutwert, der größer ist als der der Bezugsspannung an dem Schleifarm Ul, die Diode 117 ⁵ⁿ in Sperrichtung vor, wodurch der Stromfluß in dieser und in den Widerstand 118 verhindert wird. Der Anschluß 102 nimmt Erdpotential an iasd der Anschluß 103 nimmt einen negativen, durch die Diode 116 und die Widerstände 114 und 115 bestimmten negativen Spannungspegel an. Der Anschluß 102 ist positiver als der Anschluß 103 und der Anschluß 106 ändert seinen Zustand auf einen negativen Wert

Die ROckführungswiderstände 113 und 121 legen einen Teil des negativen Spannungsausgangs am ^OT Anschluß 106 an das Potentiometer 23 an, der die Bezugsspannung am Schleifarm Ul verringert und der Anschluß 103 wird negativer. Damit muß ein an den Eingang der Schaltung 21 angelegtes negatives Signal weniger negativ sein als das, das ihre Zustandsänderung ^£5 auslöste. Somit ergibt sich eine wirtschaftliche Schwellwertschaltung 21, die einen einzigen Operationsverstärker 22 umfaßt, und die ihren Ausgangszustand jedesmal dann ändert, wenn ein angelegtes bipolares Eingangssignal eine Bezugsspannung überschreitet Weiterhin wird der Bezugsspannungspegel für den bipolaren Eingang durch eine einzige Einstellung geregelt

Obwohl die Schwellwertschaltung 21 eine nicht übliche Schaltung mit einzigartigen Vorteilen darstellt ist es klar, daß eine übliche funktionell äquivalente Schaltung für denselben Zweck verwendet werden kann.

Zusätzlich zum Kursfehlersignal <P_e für den Verstärker H liefert die Quelle ein Kursfehlersignal an einen Integrator 24 (F i g. Ib). Die integrierenden Bauteile der Schaltung 24 schließen einen Operationsverstärker 25, einen Integrier-Kondensator 26 und einen Integrier-Widerstand 27 ein. Das Kursfehlersignal (P_e wird an die integrierenden Bauteile über einen die Verstärkung des Integrators regelnden Schalter 30 mii fünf Stellungen angelegt Vier in Reihe geschaltete und in Reihe mit einem Feldeffekttransistor 35 verbundene Widerstände 31, 32, 33 und 34 bilden einen Spannungsteiler, an den das Steuerkursfehlersignal <P_e angelegt wird. Die Verstärkung des Integrators 24 wird durch den Schalter 30 durch Abgreifen eines Teils des Steuerkursfehlersignals entsprechend der Stellung des Schalterschleifarms geregelt Der Schalter 30 wird entsprechend der dynamischen Eigenschaften des Schiffes, in dem der Kursregler eingebaut ist und entsprechend der Beladung des Schiffes eingestellt

Der Transistor 35 wirkt als die Verstärkungssteuer-Einrichtung des Integrators 24. Der Transistor 35 wirkt als ein Schalter und seiner Gate-Elektrode werden die die Verstärkung steuernden Signale von der Schwellwertschaltung 21 zugeführt Wenn das Steuerkursfehlersignal kleiner als der Schwellwert ist und der Ausgang der Schwellwertschaltung 21 ein positives Signal ist wird der Transistor 35 leitend gemacht wodurch der Betrieb mit niedriger Verstärkung des Integrators 24 bewirkt wird. Umgekehrt ist wenn das Steuerkursfehlersignal den Schwellwert überschreitet der Ausgang des Signals von der Schwellwertschaltung 21 ein negatives Signal, das den Transistor nicht leitend macht und damit den Betrieb mit hoher Verstärkung für den Integrator 24 bewirkt

Eine Begrenzerschaltung 36 ist zum Verstärker 25 parallelgeschaltet und wirkt auf eine Weise und ist aus Gründen eingefügt wie sie in bezug auf den Begrenzer 14 beschrieben wurden.

Der Integrator 24 kann auf einen Bezugsstand durch ein Signal auf einer Rückstelleitung 37 zurückgestellt werden. Der Integrator 24 wird üblicherweise zurückgestellt wenn der Befehl für eine Kursänderung gegeben wird. Es ist klar, daß der Integrator 24 in üblicher Weise ausgelegt ist und daß Äquivalente von dieser Schaltung für dieselbe Wirkung verwendet werden können.

Wie es weiter oben erläutert wurde, ermöglicht es die Quelle 10, das verstärkte und gefilterte Steuerkursfehlersignal durch den Verstärker 11 und das Integral des Steuerkursfehlersignals durch den Integrator 24 zu erhalten. Die Quelle 10 ermöglicht es weiterhin, die Steuerkursfehlerrate durch einen Differentiator 40 (Fig.Ib) zu erhalten. Das Steuerkursfehlersignal T_c wird als Eingang an den Differentiator 40 fiber ein Raten-Einstellpotentiometer 41 angelegt Das Potentiometer 41 wird zur Begrenzung der Verstärkung des Differentiators 40 des Rechners verwendet Ein Operationsverstärker 42, ein Widerstand 43 und ein Kondensator 44 liefern die Differentierfunktion des Differentiators 40.

Das Steuerkursfehlersignal vom Potentiometer 41 wird an einen angezapften Spannungsteiler mit fünf Widerständen 45, 46, 47, 48 und 49 angelegt. Die Abgriffe an dem Spannungsteiler werden selektiv mit dem Schleifarm eines Schalters 52 mit fünf Stellungen verbunden, der gleichzeitig mit dem Schalter 30 betätigt wird. Der Schalter 52 wählt die Verstärkung des Differentiators 40 entsprechend mit den dynamischen Eigenschaften des Schiffes, in dem der Kursregler eingebaut ist, und entsprechend der Belastung des \₀ Schiffes aus.

Das von dem Schalter 52 gelieferte Signal wird über den Differenzierkondensator 44 einem einstellbaren Tiefpaßfilter 53 zugeführt. Der Durchlaßbereich des Filters 53 kann entsprechend der Frequenzen der Giersignale, die in dem System in Abhängigkeit von dcrn Schiff, in dem der Kursregler eingebaut ist, auftreten können, eingestellt werden.

Der Ausgang des einstellbaren Filters wird als ein Eingang an den Verstärker 42 angelegt, der mit dem Differenzierwiderstand 43 überbrückt ist. Ein Begrenzer 54 überbrückt die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Verstärkers 42, um die Signale in diesem auf eine Weise und aus Gründen, wie sie in bezug auf den Begrenzer 14 beschrieben wurden, zu begrenzen.

Es ist klar, daß der Differentiator 40 in üblicher Weise aufgebaut ist und daß äquiv ^!ente Schaltungen mit derselben Wirkung verwendet werüen können.

Das verstärkte und gefilterte von dem Verstärker 11 gelieferte Steuerkursfehlersignal, das von dem Integrator 24 gelieferte integrierte Steuerkursfehlersignal und das von dem Differentiator 40 gelieferte differenzierte und gefilterte Steuerkursfehlersignal werden einer Mischerschaltung 55 (Fig. Ic) als Eingänge zugeführt Die Mischerschaltur.g 55 kann ein übliches Summiernetzwerk mit einem Operationsverstärker 56 und drei Eingangswiderständen 57,58 und 59 sein, denen jeweils das Fehler-, Ableitungs- und Integralsignal zugeführt wird. Der Ausgang des Verstärkers 56 liefert das Steuerbefehlssignal z. B. das Ruderbefehlssignal ö_o an _w den Ruderstellservo 60 des Schiffes. Ein Ruder-Einstellpotentiometer 63, das den Verstärker 56 überbrückt, ergibt eine Gesamtverstärkungseinsteilung für den Steuerservomechanismus des Schiffes entsprechend dem Ruderverhältnis des Schiffes, wobei der beschriebene Kursregler ein Bauteil des Steuerservomechanismus ist

Zwei Transistorschalter 64 und 65, die mit dem Fehlereingang bzw. mit dem Raten-Eingang des Summierverstärkers 56 verbunden sind, wirken als die Verstärkung steuernde Elemente in einer Weise, die zu der in bezug auf den Transistorschalter 35 beschriebenen identisch ist. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren 64 und 65 sind mit dem Ausgang der Schwellwertschal tung 21 verbunden, um eine Verstärkungssteuerung zu ergeben.

Eine Begrenzerschaltung 66 ist zwischen den Ausgang des Verstärkers 56 und seinen Eingang geschaltet, um die Amplitude des an den Ruderstellservo 60 angelegten Ruder-Befehlssignals zu begrenzen.

Die Begrenzerschaltung 66 ist mit der Anode einer Eingangsdiode 70 und der Kathode einer Eingangsdiode 71 mit einem Eingangsanschluß 72 des Operationsverstärkers 56 verbunden. Der Eingangsanschluß 73 des Operationsverstärkers 56 ist über einen Vorspannungs- & widerstand 76 mit Erdpotential verbunden und der AusgangsansdiluB 74 des Operationsverstärkers 56 ist mit dem Verbindungspunkt 77 der Emitter der Begrenzungstransistoren 80 und 81 verbunden. Ein Kollektorwiderstand 82 ist zwischen die positive Versorgungsspannung -1- V und den gemeinsamen Anschluß der Kathode der Eingangsdiode 70 und den Kollektor des Begrenzungstransistors 80 verbunden. Ein Kollektorwiderstand 83 ist zwischen der positiven Versorgungsspannung + V und einem gemeinsamen Anschluß 84 zwischen der Kathode einer Diode 85 und dem Kollektor eines Transistors 86 angeschaltet. Die Anode der Diode 85 ist mit dem Verbindungspunkt eines Widerstandes 87 und der Basis des Begrenzungstransistors 81 verbunden. Der Begrenzungstransistor 81 weist einen zwischen seiner Basis und seinem Emitter eingeschalteten Vorspannungswiderstand 87 auf. Ein Kollektorwiderstand 90 ist zwischen der negativen Versorgungsspannung — V und dem Verbindungspunkt der Aiiüdc der F.ingangsdiüde 71 mil dem Kollektor des Begrenzungstransistor 81 eingeschaltet. Die negative Versorgungsspannung — V ist außerdem über einen Emitterwiderstand 93 mit einem gemeinsamen Anschluß 91 der Anode einer Diode 92 und dem Emitter des Transistors 86 verbunden. Die Kathode der Diode 92 ist mit dem Verbindungspunkt eines Widerstandes 94 und der Basis des Begrenzungstransistors 80 verbunden. Der Begrenzungstransistor 80 weist einen zwischen seiner Basis und seinem Emitter eingeschalteten Vorspannungswiderstand 94 auf.

Die negative Versorgungsspannung — V wird außerdem über einen Widerstand 96 an einen ersten Anschluß eines Potentiometers 95 angelegt. Ein zweiter Anschluß des Potentiometers 95 ist über einen Widerstand 97 mit Erdpotential verbunden und sein Schleifarm ist mit der Basis des Transistors 86 verbunden.

Eine negative, über den Widerstand 96 und das Potentiometer 95 an die Basis des Transistors 86 angelegte Vorspannung steuert den Stromfluß von der positiven Spannungsversorgung + V durch den Widerstand 83, den Transistor 86 und den Widerstand 93 zur negativen Versorgungsspannung — V. Eine Veränderung der negativen Vorspannung durch Einstellung des Schleifarms des Potentiometers 95 steuert die positive Bezugsspannung am Anschluß 84 und die negative Bezugsspannung am Anschluß 91, die in ihrer Größe gleich sind

Ein an den Anschluß 77 des Begrenzers 66 angelegtes Ausgangssignal vom Anschluß 74 des Operationsverstärkers 56, das auf oder in der Nähe von Erdpotential liegt beeinflußt den Basisstrom der Transistoren 80 und 81 nicht merkbar. Daher werden die Transistoren 80 und 81 in der Nähe ihres Abschaltzustandes gehalten. Ein an den Anschluß 77 angelegtes positives Ausgangssignal vom Anschluß 74, das ausreichend positiver als die positive Bezugsspaünsing an*. Anschluß 84 ist, erzeugt einen Basisstrom in dem Begrenzungstransistor 81 und der Diode 85, wodurch der Begrenzungstransistor 81 in seinen »EIN«-Zustand geschaltet wird. Jede weitere Vergrößerung des positiven Spannungspegels des Ausgangssignals vom Operationsverstärker 56 wird durch den StromfluB durch den Begrenzungstransistor 81 und die Diode 71 zum Eingangsanschluß 72 verhindert Als Ergebnis wird das Ausgangsspannungssignal wirksam auf einen Wert begrenzt der etwas höher als die positive Bezugsspannung am Anschluß 84 ist Der Unterschied zwischen diesem Begrenzungswert und der Bezugsspannung wird durch den Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors 81 und der Diode 85 bestimmt In gleicher Weise ruft ein an den Anschluß 77

ίο

angelegtes negatives Ausgangssignal vom Anschluß 74, das ausreichend negativer als die negative Bezugsspannung am Anschluß 91 ist, einen Basisstrom in dem Begrenzungstransistor 80 und der Diode 92 hervor, wodurch der Begrenzungstransistor 80 in seinen »EIN«-Zustand geschaltet wird. Jede weitere Vergrößerung des Absolutwertes des negativen Spannungspegels des Ausgangssignals vom Operationsverstärker 56 wird durch den Stromfluß von dem Eingangsanschluß 72 durch die Diode 70 und den Begrenzungstransistor 80 zum Ausgangsanschluß 74 verhindert. Der Absolutwert des negativen Ausgangsspannungssignals wird auf einem Pegel gehalten, der etwas größer als die negative Bezugsspannung am Anschluß 91 ist. Der Diodenspannungsabfall in dem Transistor 80 und der Diode 92 bestimmt den Größenunterschied zwischen der negativen Bezugsspannung und der begrenzten Spannung am Anschluß 74 des Operationsverstärkers 56.

Daher begrenzt die Begrenzerschaltung 66 den bipolaren Signalausgang vom Operationsverstärker 56 und ergibt außerdem eine einzige Einstellung zur gleichzeitigen Veränderung der Bezugsspannungen mit entgegengesetzten Polaritäten. Weiterhin ergeben die Begrenzungstransistoren 80 und 81 keinen Beitrag zu irgendeiner Instabilität des Operationsverstärkers 56, weil sie in einer Betriebsweise arbeiten, die keine Spannungsverstärkung bewirkt.

Obwohl die Begrenzerschaltung 66 eine bisher nicht bekannte Schaltung ist und einzigartige Vorteile bietet, ist es klar, daß eine konventionelle funktionell Äquivalente Schaltung mit dem gleichen Ergebnis verwendet werden kann.

Beim Betrieb des beschriebenen Kursreglers werden die gekoppelten Schalter 30 und 52 zum Abgleich der jeweiligen Verstärkungen des Integrators und Differentiators 24 und 40 entsprechend der dynamischen Eigenschaften des Schiffes, in dem der Kursregler eingebaut ist, und entsprechend der Belastung des Schiffes eingestellt Zusätzlich wird der Schalter 53 zum Abgleich der Zeitkonstanten des mit dem Differentiator 40 verbundenen Filters entsprechend dieser Parameter eingestellt

Das Wetter-Einstellpotentiometer 23 wird dann entsprechend der Amplitude der von dem Schiff in Abhängigkeit von dem Seegang ausgeführten Gierbewegung eingestellt

Wenn der Steuerkurs des Schiffes innerhalb des voreingestellten Gierbereichs liegt, liefert der Verstärker 22 der Schwellwertschaltung 21 ein positives Signal, das die die Verstärkung steuernden Transistoren 35,64 und 65 leitend macht Somit werden die jeweiligen Verstärkungen der Integrator-, Fehler- und Raten-Kanäle auf einen Betrieb mit niedriger Verstärkung eingestellt. Das Schiff kann somit normale Gieramplituden ausführen, ohne eine übermäßige Bewegung des

Ruders hervorzurufen. Weil sich eine Verstärkung

ungleich Null in den Kanälen des Kursreglers bei

Betrieb mit niedriger Verstärkung ergibt, wird die Genauigkeit der Kurshaltung aufrecht erhalten. Wenn der Steuerkurs des Schiffes von dem

ίο voreingestellten Gierbereich abweicht, überschreitet das der Schwellwertschaltung 21 zugeführte Steuerkursfehlersignal den voreingestellten Schwellwert, wodurch die Abgabe eines negativen Signals vom Verstärker 22 bewirkt wird. Das negative Signal macht die die Verstärkung steuernden Transistoren 35,64 und 65 nichtleitend und bewirkt so den Betrieb mit hoher Verstärkung des Systems. Der Steuerkurs des Schiffes wird daher sehr schnell korrigiert bis der Steuerkurs des Schiffes wiederum innerhalb des durch die Einstellung des Wetter-Einstellpotentiometers 23 bestimmten Gierbereichs liegt

Es hat sich herausgestellt daß ein Verhältnis von 5 :1 zwischen der hohen und der niedrigen Verstärkung eine bedeutende Verringerung der übermäßigen Ruderbe wegung verglichen mit früheren Anordnungen ergibt während eine angemessene Genauigkeit der Kurshaltung aufrechterhalten wird.

Es ist klar, daß der Steuerkurs eines den beschriebenen Kursregler verwendenden Schiffes hauptsächlich auf den voreingestellten Gierbereich für die meisten Seebedingungen begrenzt ist und lediglich zufällig davon abweicht Wenn die Abweichung auftritt ist der Hochverstärkungsbetrieb wirksam, um den Steuerkurs schnell wieder innerhalb dieses Bereichs zu bringen.

Zusätzlich ist die Niedrigverstärkungsbetriebsweise

wirksam zum Halten des Steuerkurses des Schiffes in der Nähe des Mittelpunktes des Gierbereichs, was für ein genaues Kurshalten erwünscht ist

Es ist außerdem klar, daß das von der Quelle 10

gelieferte Steuerkursfehlersignal die Summe des Steuerkursfehlers und des Gierwinkels des Schiffes darstellt

Obwohl der beschriebene Kursregler einen Raten-(Änderungsgeschwindigkeits-)Kanal für ein schnelles Ansprechen auf Steuerkursabweichungen und einen Integralkanal für Langzeit-Steuerkurskorrekturen einschließt ist es klar, daß der erläuterte Grundgedanke auch auf Steuerbefehls-Rechner anwendbar ist die eine geringere Anzahl von Kanälen als die bei dem bevorzugten beschriebenen und dargestellten Ausfüh rungsbeispiel einschließen können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kursregler für Wasserfahrzeuge mit Signalgeneratoreinrichtungen zur Lieferung eines Steuerkursfehlersignals und mit mit den Signalgeneratoreinrichtungen gekoppelten einstellbaren SchweU-werteinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwerteinrichtungen (21) ein erstes Signal liefern, wenn die Größe des Steuerkursfehlersignals (iP_e) einen ausgewählten Schwellwert nicht übersteigt während sie ein zweites Signal liefern, wenn die Größe des Steuerkursfehlersignals den Schwellwert übersteigt und daS mit den Signalgeneratoreinrichtungen (10) für das Steuerkursfehlersignal Einrichtungen (24) verbunden sind, die ein Steuerbefehlssignal zur Zuführung an ein Ruder-Servostellsystem (60) in Abhängigkeit von dem Steuerkursfehlersignal <JP_C) liefern und die Verstärkungssteuereinrichtungen (30) einschließen, die zum Empfang der ersten und zweiten Signale derart angeschaltet sind, daß sich eine erste Verstärkung in Abhängigkeit von dem zweiten Signal und in Abhängigkeit von dem ersten Signal eine von Null abweichende Verstärkung ergibt, die kleiner als die erste Verstärkung ist

2. Kursregler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerkursfehlersignal (iP_c) ein bipolares Signal ist, daß der Schwellwert ein bipolarer Schwellwert ist, und daß die Schwellwerteinrichtungen das erste Signal liefern, wenn der Absolutwert des Steuerkursfehlersignals den Absolutwert des Schwellwertes nicht überschreitet, während sie das zweite Signal liefern, wenn der Schwellwert des Steuerkursfehlersignals den Absolutwert des Schwellwertes überschreitet

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (24) zur Lieferung des Steuerbefehlssignals weiterhin Differenziereinrichtungen (40) zur Lieferung eines die Ableitung des Steuerkursfehlersignals (¹Pc) darstellenden Signals, Integratoreinrichtungen (25, 26, 27) zur Lieferung eines das Integral des Steuerkursfehlersignals (<P_C) darstellenden Signals und Mischereinrichtungen (55) zur Mischung des Steuerkursfehlersignals, des abgeleiteten Steuerkursfehlersignals und des integrierten Steuerkursfehlersignals zur Lieferung des Steuerbefehlssignals einschließen.

4. Kursregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (24) zur Lieferung des Steuerbefehlssignals weiterhin Zuführungseinrichtungen zum Zuführen des Steuerkursfehlersignals an die Mischereinrichtungen (55) einschließen und daß die Verstärkungssteuereinrichtungen (30) erste, zweite und dritte die Verstärkung steuernde Elemente (35, 64, 65) einschließen, die jeweils mit den Zuführungseinrichtungen, Differenziereinrichtungen (40) und Integriereinrichtungen (24) gekoppelt sind.

5. Kursregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Einrichtungen (24) zur Lieferung des Steuerbefehlssignals gekoppelte Einrichtungen (66) zur Begrenzung der Amplitude des Steuerbefehlssignals vorgesehen sind.

6. Kursregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischereinrichtungen (55) durch Summiereinrichtungen (56, 57, 58) gebildet sind, die das Steuerkursfehlersignal (¹Pe), das die Ableitung des Steuerkurs fehlersignals darstellende Signal und das das Integral des Steuerkursfehlers darstellende Signal empfangen und die Summe hiervon bilden!