DE2131502C3

DE2131502C3 - Nordsuchendes Kreiselgerät

Info

Publication number: DE2131502C3
Application number: DE19712131502
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. 2300 Kiel Henke
Original assignee: Anschuetz and Co GmbH
Current assignee: Raytheon Anschuetz GmbH
Priority date: 1971-06-24
Filing date: 1971-06-24
Publication date: 1974-01-31
Also published as: JPS5137549B1; DE2131502A1; DE2131502B2; FR2143454A1; GB1379642A; CH542429A; SE388482B; FR2143454B1

Description

Die Erfindung betrifft ein nordsuchendes Kreiselgerät mit einem um die Hochachse drehbaren Tragkörper, der das mit drei Freiheitsgraden gelagerte nordsuchende Kreiselsystem trägt, mit einem Nachlaufmotor zum Antrieb des Tragkörpers, mil einem diesen Nachlaufmotor steuernden Abfühlwerk zum Messen des Azimuluntcrschicdes zwischen dem Tragkörper und dem Kreiselsystem. mit einem Meßgeber für die Präzessionsgeschwindigkeit und mil einem von diesem gesteuerten Stützmomenterzeüger.

Bei einem bekannten nordsuchenden Kreiselgerät dieser Art dient der Stützmomenterzeüger zur Dämpfung der Schwingungen des nordsuchenden Krciselgeräts.

Aus der vcrmessungstechnischcn Praxis wird zunehmend die Forderung nach kurzen Meßzeiten gestellt. Diese Forderung ist nicht leicht zu erfüllen.

Es ist ein nordsuchendes Kreiselgerät mit einem um die Hochachse drehbaren Tragkörper bekannt, der das mit drei Freiheitsgraden gelagerte nordsuchende Kreiselsystcm trägt und mit einem Nachlaufmotor zum Antrieb des Tragkörpers sowie mil einem diesen Nachlaufmotor steuernden Abfühlwerk zum Messen des Azimutunterschiedes zwischen dem Tragkörper und dem Kreiselsystcm ausgerüstet ist. Cei diesem bekannten Kreiselgerät wird zur Anzeige der Meridianrichtung der Zeitpunkt bestimmt, ii welchem die Geschwindigkeit de« F.inschwinsens de Drallachse des Kreiselsystertis in den Meridian dei Höchstwert erreicht. Denn in diesem Zeitpunkt durch läuft die Drallachse die Nord-Süd-Richtung. Dabc ergibt sich eine verhältnismäßige kurze Meßzeit, wei der eigentliche Meßvorgang, nämlich die Bestimmung dieses Zeitpunktes, bereits stattfindet, bevor dii Schwingung des Drallvektors um den Meridian abgc

,o klungen ist. Indessen hat dieses Kreiselgerät nur ein. sehr begrenzte Meßgenauigkeit, weil die Bestimmum des Zeitpunktes sehr schwierig ist, in welchem de Höchstwert der Präzessionsgeschwindigkeit errcicli ist. Dieser Messung dient bei dem bekannten Gera

eine Einrichtung, welche die dem Nachlaufmotoi zueeführte Spannung zerhackt und ermittelt, wann du durch das Zerhacken gewonnenen aufeinanderfolgen den Spannungsstöße den geringsten zeitlichen Abstain haben. Das kann aber erst durch Vergleich mit den

ίο Abstand der folgenden Spannungsstöße gefundcr werden, also erst dann, wenn der Zeitpunkt des Höchst wertes bereits in der Vergangenheit liegt. Das beeinträchtigt erheblich die Meßgenauigkeit.

Der "Erfindung liegt non die Aufgabe zugrunde, cir

nordsuchendes kreiselgerät der eingangs erläuterter Bauart zu schaffen, das ebenfalls die Anzeige liefer! wenn der Drallvcktor seit Einschalten des Gerätes das erste Mal die Nordrichtung durchläuft, aber ohne jede Verspätung die Anzeige durchführt.

Bei einem nordsuchenden Kreiselgerät der eingangangegebenen Bauart ist die Aufgabe nun dadurch gelöst, daß an den Meßgeber für die Präzessionsgeschwindigkeit des Kreisclsystems um seine Hochachse ein PI-Regler angeschlossen ist, der den Stütz-

momenterzeuger steuert, so daß das Kreiselsystem mit konstanter Geschwindigkeit präzedieri. und daß ein auf die Stellgröße des Reglers ansprechender Null-Sensor vorgesehen ist. der die Anzeige des Azimuts des Kreiselsystems bei Stützmoment Null herbeiführt.

aber durch eine Zeitschaltung ausschaltbar ist. die die Anzeige so lange verhindert, bis nach dem Hochlaufen des Krcisclläufers eine bestimmte Zeit vergangen ist.

Die Erfindung beruht darauf, daß die Diallachse des Kreiselsyslcms der bekannten nordsuchenden Kreiselgeräte unter dem Einfluß der Erddrehung durch den Meridian mit einer Geschwindigkeit schwingt, die bei Annäherung an den Meridian zunimmt, bei Durchgang durch den Meridian den Höchstwert hat und alsdann wieder abnimmt. Zwingt man nun. wie es erfindungsgemäß geschieht, dem Kreiselsystem durch das Stützmoment eine gleich-

, bleibende Drehgeschwindigkeit um die Hochachse auf, dann ist das nur möglich, wenn dieses Stützmoment bei Annäherung der Drallachse an den Meridian abnimmt, beim Durchgang durch den Meridian zu Null wird und dann im negativen Sinne wieder ansteigt. Wenn man daher die Richtung des Drallvektors in dem Zeitpunkt anzeigt, in welchem dieses zusätzliehe Stützmoment zu Null wird, dann hat man damit die Meridianrichtung festgestellt. Wenn das Gerät eingeschaltet wird, verstreicht eine gewisse Zeit, bevor die Präzessionsgeschwindigkeit ihren Sollwert erreicht. In diesem Zeitraum kann das Stützmoment durch Null hindurchgehen. Wenn in diesem Zeitpunkt eine Anzeige erfolgen würde, wäre sie falsch. Aus diesem Grunde ist die Zeitschaltung vorgesehen, die diese Fehlwirkung verhindert.

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Bd dem eingangs erläuterten bekannten Kreiselgerät mit einem Meßgeber für die Privessii-is-e schwindis-keit und einem von diesem uest-uertt-n Stützmomenterzeuger, der die Schwinuuniien des Kreiselsystems um den Meridian dämpft dient ils < Meßgeber ein Tachometergenerator. Vorzugsweise ' wird auch heim Gegenstand der Erfindung ein solcher

Tachometergenerator als Meßgeber verwendet" Es empfiehlt sich die Anzeige des Azimutwinkels

des Tragkörper* im Nu Η-Zeitpunkt durch Ausschalten ,0

des Nachlaufmotors mittels des Null-Sensors herb-i

zuführen.

Ein bevorzugtes AusfiihniDgsbeispiel de. Erfindung iei nunmehr mil Bezug auf die Zeichnungen erläutert In diesen zeigt

F i g. ! einen lotrechten Schnitt durch das nord '^$ suchende Kreiselgerät nach der Erfindung mit einer schema iischen Darstellung des Regelkreises und Fig. 1 ein Blockschaltbild des Regelkreises Bei dem in F ig 1 gezeigten AusführuMösbeispicI ^o der Ernndung wird das Kreiselsystem von einem " Kreiseiiaufertrager gebildet, der aus einem Kreiselläufergenause 10 und aus einem auf diesem Gehäuse befestigten Mast 12 besteht und einen einzigen mit waagerechter Umlaufachse 14 im Gehäuse 10 ada"er- 2s ten Kreiselläufer 16 enthält. Das obere Endendes Maste= 12 ist am unteren Ende eines Bandes 18 durch eine Klemme 20 befestigt und trägt eine Wirbel· stromscheibe 22, die mit einem Drehfcldstator 24 einen Stützmomenterzeuger bildet und diesem Stator gegenüber einen allseitigen Spielraum hat.

Der Stator ist auf einer waagerechten Zwischenwand 26 des ortsfest angeordneten Gehäuses 28 befestigt, in welchem mit lotrechter Drehachse ein rohr förmiger Tragkörper 30 gelagert ist, der oben aus einer mittleren öffnung des Gehäusedeckels 32 herausragt und dort einen waagerechten Drehteller 34 trägt. Auf diesem kann einGerät zur Bestimmung von Richtungen, z. B. ein Theodolit 36. angeordnet sein Das Bandl8 erstreckt sich in den Tragkörper 30 hinein und ist an dessen Drehteller 34 durch eine Memme 38 befestigt.

Im Inneren des Gehäuses 28 weist der Tragkörper 30 einen Zahnkranz 40 auf, der mit einem Ritzel 42 eines Nachlaufmotors 44 kämmt. Dieser ist im Inneren des Gehäuses 28 an diesem befestigt und ist mit einem Tachometergenerator 46 gleichachsig gekuppelt

Gesteuert wird der Nachlaufmotor 44 durch ein Abfühlwerk zum Messen des Azimut-Unterschiedes zwischen dem Tragkörper 30, 34 und dem Kreiselsystem 10, 12. Beim dargestellten Ausfiihrungsbcispicl ' besteht dieses Abfühlwerk aus einem am" Mast 12 über der Wirbclstromscheibe 22 befestigten Spiegel 48 und aus einem unten an dem Tragkörper 30 befestigten photoelektrischen Winkclmeßgerät 50. dessen Ausgang an einen Verstärker 52 angeschlossen ist Das Winkelmeßgerät 50 liefert dem Verstärker 52 ein elektrisches Signal, das dem Azimut-Unterschied zwischen

dem Tragkörper 30, 34 und dem Kreiselsystem 10. 12 entspricht. Durch dieses Signal wird der Verstärker 32 veranlaßt, den Nacbiaufmotor, an den sein Ausgang angeschlossen ist, jeweils in einer solchen Richtung und mit einer solchen Geschwindigkeit anzutreiben, daß dieser Azimut-Unterschied zum Verschwinden gebracht wird. Das bedei I ?t also, daß der Nachlauf- fts motor 44 den Tragkörper 30, 34 ständig dem Kreiselsystem 10, 12 nachlaufen läßt.
Das Kreiselgerät ist nun mit einem Regelkreis versehen, dessen Regelgröße die Geschwindigkeit der gemeinsamen Drehung von Tragkörper 30. 34 und Kreiselsystem 10, 12 um die lotrechte Achse des Geräts darstellt und auf einen Festwert geregelt wird. Dieser Regelkreis enthält also das Kreiselsystem 10, Ϊ2 mit dem Tragkörper 30, 34, das Meßwerk 46 für die Geschwindigkeit ä der gemeinsamen Drehung und den Festwertregler 54, der ein PI-Regler ist. An die Eingänge eines Summierers 56 sind durch eine Leitung 58 die den Istwert der Regelgröße darstellende Spannung am Ausgang des Tachometergenerators 46 und durch eine Leitung 60 eine den Sollwert darstellende einstellbare Spannung angelegt. Damit man das Vorzeichen dieser Spannung richtig bemessen kann, muß man die ungefähre Nord-Richtung kennen, damit man sich darüber klar werde.i kann, in welcher Drehrichtung die Präzessionsbewegung beginnen wird. Der Ausgang des Summierers 56 ist an den Eingang des Festwertreglers 54 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Stützmomenterzeuger 22, 24 verbunden ist.

Ferner liegt am Ausgang des Festwertreglers 54 ein elektrischer Null-Sensor 62, der einen Unterbreche; 64 in demselben Augenblick öffnet, in welchem die die Stellgröße darstellende Ausgangsspannung des Festwertreglers 54 zu Nu!' wird. Die Kontakte des Unterbrechers 64 liegen in der Leitung, die den Ausgang des Verstärkers 52 mit dem Nachlaufmotor 44 verbindet.

In die Verbindungsleitung zwischen dem Null-Sensor 62 und dem Unterbrecher 64 liegt ein im Ruhezustand des Gerätes offener Schalter 67. der durch ein Gerät 68 geschlossen werden kann. Bei diesem Gerät handelt es sich um eine Zeitschaltung, die beim Drücken der Anlaßtaste 70 des Gerätes in Gang gesetzt wird und nach Ablauf einer gewissen Zeit den Schalter 67 schließt. Diese Zeit übertrifft die zum Hochlaufen des Krciselläufers erforderliche Zeit um einen bestimmten Zeitraum.

Da das Kreiselsystem 10,12 als Pende¹ aufgehängt ist, sucht die Kreisel läuferachse 14 waagerecht zu bleiben. Weicht sie indessen vom Meridian ab. dann sucht sie sich unter dem Einfluß der Erddrehung zu neigen. Das bedeutet, daß die Schwerkraft auf das Kreiselsystem ein Moment um die zur Kreiselläuferachse 14 und zum Mast 12 rechtwinklige Achse V ausübt. Dieses Moment läßt das Kreiselsystem in Richtung auf den Meridian präzedieren. und zwar mit einer Neigung der Kreiselläuferachse 14 und mit einer Geschwindigkeit, die so lange zunehmen, bis die Kreiselläuferachse 14 den Meridian er^reicht. Ist die Kreiselläuferachse 14 durch den Mendian hinourchgeschwungen. dann nehmen diese Neigung und diese Geschwindigkeit wieder ab. Dies gilt, solange der Stützmomenterzrjger 22, 24 unwirksam ist.

Solange aber der Festwert regler 54 wirksam ist, zwingt er mittels des das Stellglied des Regelkreises bildenden Stützmomenterzeugers 22, 24 dem Kreiselsystem 10, 12 eine gleichbleibende Drehgeschwindigkeit um die lotrechte Achse auf. Zu diesem Zweck muß das Stützmoment die Neigung der Kreiselläuferachse 14, die während der Bewegung auf den Meridian zu zuzunehmen sucht, konstant halten. Das bedeutet aber, daß die Stellkraft negativ sein muß, solange sich die Achse 14 stärker zu neigen sucht, also auf den Meridian zu schwingt, und positiv sein muß. solange die Neigung der Achse ΙΛ abzunehmen sucht, die Achse also vom Meridian fort schwingt. Daher wird die Stellkraft in demienipen AmmnhlirL· mi MuH in

welchem die Kreiselliiuferachse 14 durch den Meridian hindurchgeht. In diesem Augenblick ist die am Ausgang des Festwertreglers 64 abgenommene Spannung gleich Null. Darauf spricht aber der Null-Sensor 62 an und öffnet den Trennschalter 64, so daß in diesem Augenblick der Nachlaufmotor 44 stehenbleibt. Der Drehteller 34 ist dann genau auf den Meridian eingestellt. Er zeigt die gesuchte Meridianrichtung an. Diese Anzeige kann aber nicht erfolgen, solange der Schalter 67 geöffnet ist. Erst dann, wenn nach dem Kochlaufen des Kreiselläufers eine bestimmte Zeit vergangen ist, kann der Unterbrecher 64 ansprechen. Bis dahin ist die Anzeige verhindert.

Zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens und der Genauigkeit des der Nachführung dienenden Regelkreises, der das optische Meßwerk 48, 50, den Verstarker 52 und den Nachlaufmotor 44 enthält, kann ein Verstärker 66 vorgesehen sein, dessen Eingang an den Tachometergenerator 46 und dessen Ausgang an den Eingang des Verstärkers 52 angeschlossen ist.

Das linearisierte und durch Vernachlässigung der Beschleunigungsterme vereinfachte Dgl-System, das durch das Kreiselsystem mit nachgeführtem Bandaufhängepunkt bei Ausschaltung des Stützmomenterzeugers verwirklicht ist, lautet:

D ■ Ii — D ω_E sin 7 — mga ■ >i

D-ij — D (ii_E COS γ/ · « .

Darin bedeutet

D = Drall des rotierenden Kreiselkörpers.
mga = Richtmoment des Pendels.

u = Amplitude der Azimutschwingung.
»/ = Amplitude der Elevationsschwingung.

"¹E = Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung. ij = Geographische Breite des Meßortes.

Dieses System ist dargestellt in dem Blockschaltbild der F i g. 2, ergänzt durch den von der azimutalen Drehgeschwindigkeit « gesteuerten Regler 54, der als PI-Regler ausgebildet ist und an seinem Ausgang ein das Stützmoment bestimmendes Signal M _F entwickelt. Außerdem ist noch der Sollwert, nämlich die Sp<iπιο nung α*, eingezeichnet.

Nach dem Einschalten des Kreiselgerätes läuft zunächst der Kreisel an, bis er seine Nenndrehzahl erreicht. Dabei findet zunächst ein Einschwingvorgang statt. Bei diesem schwingt die Achse 14 unter dem Einfluß der Erddrehung und unter dem Einfluß des Momentes um die Achse Y aus der Horizontalen heraus und präzediert dann unter dem Einfluß der Schwerkraft und des Stützmomenterzeugers in Richtung auf den Meridian, bis er eine konstante Präzessionsgeschwindigkeit erreicht.

Aus dem Blockschaltbild F i g. 2 ist zu ersehen, daß dei stationäre Zustand, in d:.m die azimutale Drehgeschwindigkeit κ des Kreisels konstant ist, nur möglich wird, wenn aus der Summation von nordtreibendem Moment M_n (das durch Erddrehung bedingt ist) und Drehmomentenerzeugermoment M_R Null herauskommt. Das heißt aber, daß der dem Moment M_R proportionale Ausgang des Reglers 54 nur im Meridian zu Null wird, wo auch das nordtreibende Moment M_n verschwindet. Die in diesem Augenblick eingenommene Richtung der Drallachse 14 des Kreisels, die durch den Bandnachführregelkreis auf den Drehteller 34 übertragen wird, kann nun z. B. durch Abschalten der Bandnachführung relativ zum feststehcnden Gehäuse 28 festgehalten werden.

Aus dem Blockschaltbild lassen sich folgende Ubertragungsfunktionen entnehmen:

nip) >Ί*Ιρ)

1 +

D,_Ecos_r

^P)

V_R + Dm₁-COS'!

Dn,,:

F₂(P) =

Dm_ECOS(f

1 +

V_R

mga m_E cos φ

■Ό

■ρ

D²/mga

V_R + D oip- cosy

P²

Darin bedeuten V_R den Verstärkungsgrad und T₁ eine Zeitkonstante des Reglers.

Nach dem gedämpften Einschwingvorgang in den stationären Zustand (ü = const) ergibt sich aus F₁ (p):

Nach Einsetzen von

_ Vr +

60 M_R — — ■

und aus F₂Ip):

V_R ■ D o>_E COS φ

V_n +I

Dieses ist aber der gleiche Ausdruck, der sich aus dem Blockschaltbild auch für das nordtreibende Moment

ablesen läßt.

Somit ist gezeigt, daß am Ausgang des Pl-Reglers ein dem nordtreibenden Moment proportionales Signal ansteht, an dem das überlaufen des Meridians festgestellt werden kann.

Zur Erzielung kleiner Einschwingzeiten in die stationäre Drehgeschwindigkeit, die der Zeitkonstanten

D² mga

V_R + Dd₁: COS 7

T =■

proportional ist. wird man V_n groß machen. Da dann aber

D Hl₁: ■ COS I/ < V_R

ist. sind die dynamischen Eigenschaften des Systems von der geographischen Breite praktisch unabhängig.

Bei kurzer Einschwingzeit in den stationären Drehzustand arbeitet das System aber auch aus großen Anfangsauslenkungen, obwohl die angestellten Überlegungen dann wegen sin « Φ « nicht streng gültig sind. Da aber mit zunehmender Annäherung an den Meridian das vorausgesetzte lineare Verhalten immer besser erfüllt wird, kann das System mit kurzer Einschwingzeit vor Erreichen des Meridians die stationäre Drehgeschwindigkeit annehmen.

Die erzielbare Meßzeit für die Meridianermittlung ergibt sich aus der gewählten Drehgeschwindigkeit ii* und der Anfangsauslenkung. Typische Meßzeiten sind bei einer Anfangsauslenkung von 10'" etwa 15 Sekunden und bei 45 etwa 60 Sekunden nach Hochlauf des Kreisels.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel läßt sich in mannigfacher Hinsicht abwandeln:

So ist die Erfindung auch auf ein nordsuchendes Kreiselgerät derjenigen bekannten Bauart anwendbar, bei der das Kreiselsystem nicht als Pendel aufgehängt ist. d. h. ein positives mga aufweist, sondern indifferent aufgehängt ist. In diesem Falle sind das Kreiselsystem uncf seine Aufhängung mit einem Stützmomenterzeuger versehen, der um die y-Achse wirkt und von einem die Neigung des Drallvektors messenden Gerät, z. B. einer Libelle, gesteuert wird. Das auf diese Weise neigungsabhängig erzeugte Stützmoment läßt den Drallvektor nach Anlaufen des Kreiselläufers zum Meridian präzcdicrcn. Bei Anwendung der Erfindung auf ein derartiges Gerät wirkt der Regler auf einen zweiten Drehmomenterzeuger, der um die vertikale Achse wirkt.

ίο Die Aufhängung kann dabei kardanisch, durch Schwimmer oder sonstwie erfolgen..

Indessen könnte der zweite Drehmomenterzeuger entfallen, wenn das Stellglied des Regelkreises, der die Präzessionsgeschwindigkeit der Drallachse mit Bezug

auf den Meridian auf einen Festwert regelt, von dem um die !'-Achse wirkenden Stützmomenterzeuger gebildet wird, der in diesem Falle außer durch die Libelle zusätzlich durch den Regler beeinflußt wird. Beim Durchgang durch den Meridian geht die Aus-

gangsspannung des Reglers durch ein Extremum hindurch, auf das ein entsprechend ausgestalteter Sensor ansprechen muß.

Ferner kann die Geschwindigkeit der Präzessionsbewegung der Drallachse des Kreiselsystems mil

Bezug auf den Meridian auch anders gemessen werden als durch einen vom Nachlaufmeter angetriebenen Tachometergenerator. Als Beispiel sei die Möglichkeit erwähnt, das jeweilige Azimut des Drallvektors in ein elektrisches Signal zu verwandeln, von dem dann auf

elektrischem Wege die erste Ableitung gebildet wird, die der zu messenden Präzessionsgeschwindigkeit verhältnisgleich ist.

Auch kann die Registrierung des Azimutwinkels des Tragkörpers im Nullzeitpunkt auf andere Weise erfol-

gen als durch Stillsetzen des Tragkörpers, z. B. durch Abkuppeln eines mit dem Tragkörper zu gemeinsamem Umlauf verbundenen Anzeigegliedes, das nach der Abkupplung stehenbleibt, während der Tragkörper seine Bewegung fortsetzt, oder durch elektronische^ Ablesen des Azimutwinkels von einem feststehenden kodierten Teilkreis.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 685Ί32

Claims

Patentansprüche:

1. Nordsuchendes Kreiselgerät mit einem um die Hochachse drehbaren Tragkörper, der das mit drei Freiheitsgraden gelagerte nordsuchende Kreiselsystem irägt, mit einem Nachlaufmotor zum Antrieb des Tragkörpers, mit einem diesen Nachlaufmotor steuernden Abfühlwerk zum Messen des Azimutunterschiedes zwischen dem Tragkörper und dem Kreiselsystem, mit einem Meßgeber für die Präzessionsgeschwindigkeit und mit einem von diesem gesteuerten Stützmomenterzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß an den Meßgeber (46) für die Präzessionsgeschwindigkeit des Kreiselsystems um seine Hochachse ein PI-Regler (54) angeschlossen ist, der den Stützmomenterzeüger (22, 24) steuert, so daß das K reiselsystem mit konstanter Geschwindigkeit zum Meridian präzediert, und daß ein auf die Stellgröße des PI-Reglers (54) ansprechender NuII-Sensor (62) vorgesehen ist, der die Anzeige des Azimuts des Kreiselsystems beim Stützmoment Null herbeiführt, aber durch eine Zeitschaltung ausschaltbar ist, die die Anzeige so lange verhindert, bis nach dem Hochlaufen des Kreiselläufers eine bestimmte Zeit vergangen ist.

2. Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgeber des Reglers ein vom Nachlaufmotor angetriebener Tachometergenerator (46) ist.

3. Kreiselgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige des Azimutwinkels des Tragkörpers durch Ausschalten des Nachlaufmotors (44) mittels des Null-Sensors (62) erfolgt.