DE2160801C3

DE2160801C3 - Anordnung zur Unterdrückung vorübergehend auftretender Fehler des durch einen Kompaß bestimmten Eigenkurswertes eines Schiffes mit Hilfe eines kardanisch aufgehängten Kurskreisels

Info

Publication number: DE2160801C3
Application number: DE2160801A
Authority: DE
Inventors: Johannes Hengelo Bos (Niederlande)
Original assignee: Thales Nederland BV
Current assignee: Thales Nederland BV
Priority date: 1970-12-14
Filing date: 1971-12-08
Publication date: 1978-11-16
Also published as: CH557520A; DE2160801B2; GB1319398A; CA947065A; AU456726B2; BE776451A; NL7018173A; FR2118558A5; AU3667771A; IT945387B; DE2160801A1; US3849895A

Description

(k = 1... n) ausgerichtet wird.
Bei dieser Anordnung braucht in der Einlaufphase der Kurskreisel nicht um den vollen Winkelwert der Abweichung zu der Kompaßausrichtung nachgesteuert werden, sondern jeweils nur um einen kleinen Winkelwert. Die Ausrichtung des Kurskreisels braucht deshalb nicht mit besonders hoher Geschwindigkeit geschehen, während die Einlaufphase als solche trotzdem nur eine kurze Zeitspanne benötigt.

Ein stabilisierter Eigenkurswert ist z. B. sehr wichtig bei Feuerleitproblemen, um ein »nordstabilisiertes« Bild auf dem Radarbildschirm zu bekommen usw. Weiter sie

b5 bemerkt, daß, beispielsweise um eine Kompensationsspannung für bei der Plattformstabilisierung auftretende Fehler zu erhalten, auf der Eigenkurswelle auf einfache Weise ein Tachogenerator angebracht werden kann.

Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung für das Filtern des mit Hilfe eines Kompasses bestimmten Eigenkurswertes eines Schiffes, während in

Fig.2 ein Teil dieser Filter-Anordnung in den Einzelheiten wiedergegeben ist

Obereinstimmende Teile in beiden Figuren sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist mit 1 eine stabilisierte Plattform bezeichnet, die mittels zweier konzentrischer Rahmen 2 bzw. 3 und zweier senkrecht zueinander liegender Achsen 4 bzw. 5 kardanisch aufgehängt ist Befindet sich die stabilisierte Plattform an Bord eines Schiffes, so ist die mit dem inneren Kardanrahmen 2 verbundene Achse 5, wie üblich, übereinstimmend mit der Schiffslängsachse drehbar in dem Kardanrahmen 3 gelagert welcher schiffsfest aufgestellt ist

Der äußere Kardanrahmen 2 trägt einen Servomotor 6 und der innere Kardanrahmen einen Servomotor 7. Mittels Übertragungssystemen 8 bzw. 9 können diese Servomotoren bei einer bestimmten Erregung die stabilisierte Plattform 1 so um die Achsen 4 und 5 drehen, daß die Plattform in bezug auf einen als erdfeste Referenz dienenden Vertikalkreisel in einer bestimmten festen Stellung gehalten wird.

Da die Art wie die Plattform 1 stabilisiert: wird, keine direkte Rolle beim Filtern des durch einen Kompaß bestimmten Eigenkurswertes spielt, ist der Vertikalkreisel nicht in der Zeichnung wiedergegeben, es wird auch nicht darauf eingegangen, wie die Servomotoren mittels des Vertikalkreisels nachgesteuert werden.

Auf der stabilisierten Plattform 1 ist ein Kreiselgehäuse 10 angeordnet in dem sich ein kardanisch aufgehängter Kurs- oder Azimutkreisel 11 befindet. Der Kurskreisel 11 wird unter Benutzung eines Winkelabgriffes 12, eines aus einem Verstärker 16 und einem Modulator 17 bestehenden Kreiselsteuerkreises 13 und eines mit diesem Kreisel gekoppelten Drehmoment-Erzeugers 14 um eine horizontale Achse 15 stabilisiert. Für das Filtern des durch einen Kompaß bestimmten Eigenkurswertes ist es jedoch ausreichend, daß die Figurenachse des Kurskreisels 11 annähernd in der Horizontebene liegt Der Kurskreisel 11 wird von einem Kompaß gesteuert und wirkt als Kompaßfilter, d. h., die infolge der im Kompaß auftretenden Kardanfehler verursachten Schwankungen in den durch den Kompaß angewiesenen Eigenkurswerten werden unter Benutzung des Kurskreisels ausgefiltert oder geglättet.

Bevor dieser Filtervorgang stattfinden kann, muß jedoch die Ausrichtung des Kurskreisels 11 — aus einer willkürlichen Stellung heraus - einigermaßen mit dem durch den Kompaß angezeigten Azimut in Übereinstimmung gebracht werden.

Dazu ist die Filter-Anordnung für den durch einen Kompaß bestimmten Eigenkurswert mit einer »Eigenkurswelle« 19 versehen, die von einem Servosystem 18 angetrieben wird und in einer ersten Phase, in der die Filter-Anordnung sich befinden kann, unter Benutzung eines auf der Eigenkurswelle 19 angebrachten Synchro-Empfangssystems 20 und des Servosystems 18 in eine mit der Ausrichtung des Kompasses übereinstimmende Position gebracht wird. Es wird in dieser Phase der Kurskreisel 11 mit einem mit der Kreiselaufhängung verbundenen Synchro-Geber 21, einem auf der Eigenkurswelle angebrachten Synchro-Empfänger 22, einer an diesen Synchro angeschlossenen Kreiselsteuerschaltung 23 sowie einem mit dem Kurskreisel 11 verbundenen Drehmoment-Erzeuger 24 in eine Azimutposition gebracht welche bis auf einen Winkel von

180°

■2k

(k = 1,2 ... n) genau mit der Ausrichtung der Eigenkurswelle Ϊ9 übereinstimmt In einer zweiten Phase wird der Kurskreisel 11 mit dem Kompaß 25, einem ersten zum Synchro-Empfangssystem gehörenden Synchro 26, der Kreiselsteuerschaltung 23 und dem Drehmoment-Erzeuger 24 in dieser Ausrichtung gehalten und das Servosystem 18 mittels eines zweiten, zum Synchro-Empfangssystem gehörenden Synchros 27 und des Synchros 22 so nachgesteuert daß der gefilterte Eigenkurswert durch die auf diese Weise erhaltene Winkelstellung von der Eigenkurswelle 19 angezeigt wird.

In F i g. 1 und 2 ist die durch die Eigenkurswelle 19, das Synchro-Empfangssystem 20, den Synchro-Empfänger 22 und das Servosystem 18 gebildete Eigenkurswellen-Antriebseinheit mit 28 bezeichnet
Während des Ausricht- oder Einlaufphase (erste Phase) stehen Schalter 29 und 30 in der in Fig.2 angegebenen Stellung.

Mit Hilfe eines Grob/Fein-Synchroübertragersystems werden in dieser Phase dem Servosystem zwei Steuerspannungen zugeführt die zusammen ein Maß (Grob/Fein) für die Winkelverdrehung zwischen der Stellung der Eigenkurswelle 19 und der durch den Kompaß angezeigten Richtung geben. Dieses Grob/ Fein-Synchroübertragersystem besteht aus zwei im Kompaß vorhandenen Synchro-Gebern und den damit übereinstimmenden, auf der Eigenkurswelle 19 angebrachten Synchro-Empfängern 26 und 27, die im weiteren »Fein-Synchro« und »Grob-Synchro« genannt werden. Das Servosystem 18 ist mit einem Grob/Fein-Schalter 31 versehen, über den, wenn die Stellung der Eigenkurswelle 19 von der Richtung des Kompasses stark abweicht, die von dem Grob-Synchro 27 kommende Steuerspannung unter Zwischenschaltung eines Servoverstärkers 41 einem Motor 42 zugeführt wird und über den, wenn die Winkelstellung der Eigenkurswelle 19 der Richtung des Kompasses ungefähr entspricht, die von dem Fein-Synchro 26 kommende Steuerspannung unter Zwischenschaltung des Servoverstärkers 41 dem Motor 42 zugeführt wird. Der Motor 42 dreht die Eigenkurswelle so, daß die über

so die Synchro 26 und 27 zugeführten Steuerspannungen auf Null zurückgebracht werden. Die Winkelstellung der Eigenkurswelle stimmt dann mit der Ausrichtung des Kompasses überein.

In der ersten Phase muß ebenfalls die Ausrichtung des Kurskreisels bis auf einen Winkel von

180°

2fc

(k = 1,2... n) mit der Winkelstellung der Eigenkurswelle in Übereinstimmung gebracht werden. Hierfür ist mit dem Kurskreisel 11 ein sogenanntes Mehrpol-Synchro 21 gekoppelt. Dieser Synchro ist elektrisch mit dem auf der Figenkurswelle angebrachten Fein-Synchro 22 verbunden. Der Mehrpol-Synchro 21 ist so konstruiert, daß, wenn an die Statorwicklungen eir.o Wechselspannung angeschlossen wird und der mehrpolige Rotor eine Umdrehung ausführt, η elektrische Perioden über die

Roiorwicklungen abgegeben werden. Bei der hier beschriebenen Ausführung ist η = 11. Die durch den Fcin-Synchro 22 abgegebene Steuerspannung stimmt deshalb immer mit einem Winkel kleiner als

tion des Kompensalionsnetzwerkes ausgedrückt mit

1802

Il

- 16,5"

überein. Dies ist der maximale Winkel, um den der Kurskreisel 11 in der Einlaufphase gedreht werden muß. Dieses erfolgt mittels der von dem Fein-Synchro 22 abgegebenen Steuerspannung, die über die Kreiselsteuerschaltung 23 dem Drehmoment-Erzeuger 24 zugeführt wird. Das durch den Motor 24 ausgeübte Drehmoment dreht den Kurskreisel 11 so, daß die von dem Fein-Synchro 22 abgegebene Steuerspannung auf Null gebracht wird. Der Kurskreisel 11 ist dann bis auf einen Winkel von 2 k ■ 16,5° auf die Winkelstellung der Eigenkurswelle 19 eingelaufen.

Mach Ablauf einer vorab festzulegenden Zeit, während der der Kurskreisel 11 aus einer willkürlichen Stellung heraus, bis auf einen Winkel von 2k ■ 16,5° auf die Winkelstellung der Eigenkurswelle 19 eingelaufen ist, werden die Schalter 29 und 30 in die nicht dargestellte Stellung umgeschaltet. In dieser Schalterstellung wird der Kurskreisel 11 über den Fein-Synchro 26, die Kreiselsteuerschaltung 23 und den Drehmoment-Erzeuger 24 durch den Kompaß 25 nachgesteuert, während die Eigenkurswelle 11 durch das mit dem Kreisel gekoppelte Synchro-Übertragersystem 21, 22 nachgesteuert wird.

Die Kreiselsteuerschaltung 23 setzt sich zusammen aus einem Demodulator 32, einem Filter 33, einem Kompensationsnetzwerk 34 und einem Anpassungsverstärker 35. Wenn durch menschliches Eingreifen oder Gieren des Schiffes eine geringe Änderung im Eigenkurswert auftritt, wird mit dem Synchro-Übertragersystem 21, 22 und dem Servosystem 18 die Winkelstellung der Eigenkurswelle 19 mit der Ausrichtung des Kreisels 11 wieder in Übereinstimmung gebracht. Bleiben der Kurskreisel 11 und der Kompaß trotz dieser Kursänderung vollkommen in Übereinstimmung, dann gibt der Fein-Synchro 26 keine Spannung ab. Bei Kursänderung weichen jedoch die Richtungen der Kompaßanzeige und der Figurenachse des Kurskreisels 11 um einen Winkel ©,voneinander ab. Deshalb wird durch den Fein-Synchro 26 eine 400-Hz-Spannung abgegeben, deren Amplitude der genannten Abweichung proportional ist. Diese Spannung, die mit K\ ■ Θ, (worin K\ eine Konstante) ausgedrückt werden kann, wird nacheinander dem Demodulator 32 und dem Filter 33 zugeführt.

Die Aufgabe des Filters ist es, die höheren Frequenzen genügend abzuschwächen, die in dem der Kreiselsteuerschaltung zugeführten Signal als Folge der Kardanfehler auftreten. Dazu ist das Filter als zwei- und dreigliedriges Tiefpaßfilter ausgeführt Die Filtercharakteristik ist so, daß die vorgenannten, abzuschwächenden Frequenzkomponenten mit 30 dB/Oktave abgeschwächt werden. Auf Grund dieser Filtercharakteristik kann das von dem Filter abgegebene Signal mit Κιθ, angegeben werden. Dieses Signal wird dem Kompensationsnetzwerk 34 zugeführt, welches aus dem Verstärker 36, dem Integrationsglied 37 und dem Summationsglied 38 besteht Zwischen dem Integrations- und dem Summationsglied ist ein Schalter 39 angebracht, welcher jedoch, wenn das System sich in der zweiten Phase befindet geschlossen ist Wird die Übertragungsfunk-

■--

dann ist das durch das Netzwerk abgegebene und dem Anpassiingsverstärker 35 zugeführte Signal gegeben durch

Da für den Drehmoment-Erzeuger 24 eine 400-Hz-Ausführung benutzt wird, ist der Anpassungsverstärker 35 als Modulator ausgeführt. Wird jetzt die Gleichstrom-Verstärkung mit K2 angegeben und die Übertragungsfunktion des Drehmoment-Erzeugers mit K3, dann wird das auf den Kurskreisel ausgeübte Drehmoment durch folgende Formel ausgedrückt:

K₁ θ, («, + ^) K₂ K₃ ,
anders geschrieben

worin G und C₂ Konstanten sind und τ die KC-Zeitkonstante des zum Kompensationsnetzwerk gehörenden Integrationsgliedes 37.
Da die Übertragungsfunktion des Kreisels mit

-& angegeben werden kann, ergibt sich der Winkel, um den der Kurskreisel 11 gedreht wird, aus

«° = 0 ⁺ fr)

worin

C₁ C₃

die Zeitkonstante für die aus der Kreiselsteuerschaltung 23 und dem Drehmoment-Erzeuger 24 gebildete Kreisel-Steuerkette (erection loop) angibt.

Nimmt man an, daß auf dem Kreisel keine Stördrehmomente ausgeübt werden, dann gibt QQi im Ausdruck

c, (1 ₊ £l) β,

das Drehmoment an, welches auf den Kurskreisel ausgeübt werden muß, um diesen wiederum in die ursprüngliche, erdfeste Ausrichtung zu bringen.

Tritt jetzt im Kreisel eine Unsymmetrie auf, z. B. um die in F i g. 1 mit 15 bezeichnete Achse, dann wird durch die verursachte Unsymmetrie-Drehung um die mit 43 bezeichnete Achse eine Präzessionsgeschwindigkeit erzeugt Um diese stets zunehmende Winkelverdrehung auszugleichen, muß auf die Achse 15 ein zunehmendes Drehmoment ausgeübt werden. Hierzu wird auf das Steuerdrehmoment oder einen hiermit übereinstimmenden Wert, wie für den hier angenommenen Fall, auf das von der Eigenkurswelle 19 und der Antriebseinheit 28 stammende demodulierte und gefilterte Signal eine Integration ausgeübt, die mit der auftretenden Unsymmetrie des Kreisels übereinstimmt

Im vorgenannten Ausdruck gibt C₁C₂

Θ,

XT

die Unsymmetriekompensation an.

Für die Integrationskonstanten τ und tr ι sei bemerkt, daß

damit die die erdfeste Ausrichtung bestimmende Steuerung nicht zu stark durch die Unsymmetriekompensation beeinflußt wird.

Das Integrationsglied 37 ist weiter so ausgeführt, daß es eine kleinere Zeitkonstante τ besitzt, wenn die Eingangsspannung einen bestimmten Wert überschreitet. Das bedeutet, daß, solange der Kreisel die gewünschte Ausrichtung innerhalb einer bestimmten Genauigkeitsgrenze noch nicht erreicht hat, es nicht so wichtig ist, daß die Unsymmetriekompensation die Steuerung, die die gewünschte räumliche Ausrichtung bestimmt, beeinflußt, während dagegen der verzögern

de Effekt auf die Kreiselsteuerung verringert wird. Wenn keine Kompaßinformation dem Synchro-Empfangssystem 20 mehr zugeleitet wird, wird die Azimutsteuerung auf »Freie Auswanderung« geschaltet. Dieses Umschalten kann durch einen Rechner erfolgen, der dazu über den Kabelempfänger-Verstärker 40 ein Signal an das Integrationsglied 37 und das Summationsglied 38 abgibt Das Integrations- und das Summationsglied sind beide mit einem Haltekreis versehen. Mit diesen Haltekreisen wird im Zustand »Freie Auswanderung« die Ausgangsspannung des Integrations- und des Summationsgliedes konstant gehalten.

Weiter sei bemerkt, daß während des Einlaufens der zwischen dem Integrationsglied 37 und dem Summationsglied angebrachte Schalter 39 sich im geöffneten Zustand (wie dargestellt) befindet. Hierbei ist eine Unsymmetriekompensation, weiche einen verzögernden Einfluß auf die Kreiselsteuerung ausüben würde, nicht notwendig. Wenn nach Ablauf einer vorab festzulegenden Zeit mit Hilfe eines Zeitrelais aus dem Einlaufvorgang (erste Phase) in die zweite Phase umgeschaltet wird, erfolgt ebenfalls das Schließen des Schalters 39.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

809646/117

Claims

Patentanspruch:

Anordnung zur Unterdrückung vorübergehend auftretender Fehler des durch einen Kompaß bestimmten Eigenkurswertes eines Schiffes mit Hilfe eines kardanisch in einem auf einer stabilisierten Plattform angeordneten Kreiselgehäuse aufgehängten Kurskreisels, der durch einen ein von dem Kompaß gesteuertes und auf einer drehbaren Eigenkurswelle angeordnetes Synchro-Empfangssystem, eine durch dieses Synchro-Empfangssystem gesteuerte Kieiselsteuerschaltung und einen an dieses angeschlossenen und mit einer Präzessionsachse des Kurskreisels gekuppelten Drehmoment-Erzeuger enthaltenden ersten Regelkreis dem Kompaß nachführbar ist, wobei durch einen den Kurskreisel, einen damit gekuppelten Synchro-Geber und ein von den Ausgangssignalen dieses Synchro-Gebers gesteuertes Servosystem aufweisenden zweiten Regelkreis die Winkelstellung der Eigenkurswelle stabilisierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiselsteuerschaltung (23) durch einen Umschalter (29) von dem Synchro-Empfangssystem (20) auf einen auf der Eigenkurswelle (19) angebrachten Fein-Synchro-Empfänger (22) umschaltbar ist und daß zugleich das Servosystem (18) über einen weiteren Umschalter (30) von dem Fein-Synchro-Empfänger (22) auf das Synchro-Empfangssystem (20) umschaltbar ist und daß der Kurskreisel (11) in der Ausrichtungsphase jeweils auf den nächstliegenden Winkelwert der durch das aus dem mit dem Kurskreisel (11) gekuppelten Mehrpol-Synchro-Geber (21) und dem Fein-Synchro-Empfänger (22) gebildete Mehrpol-Synchrosystem bestimmten Winkelwerte

180° · 2k

(k = 1... /^ausgerichtet wird.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Unterdrückung vorübergehend auftretender Fehler des durch einen Kompaß bestimmten Eigenkurswertes eines Schiffes mit Hilfe eines kardanisch in einem auf einer stabilisierten Plattform angeordneten Kreiselgehäuse aufgehängten Kurskreisels, der durch einen ein von dem Kompaß gesteuertes und auf einer drehbaren Eigenkurswelle angeordnetes Synchro-Empfangssystem, eine durch dieses Synchro-Empfangssystem gesteuerte Kreiselsteuerschaltung und einen an dieses angeschlossenen und mit einer Präzessionsachse des Kurskreisels gekuppelten Drehmoment-Erzeuger enthaltenden ersten Regelkreis dem Kompaß nachführbar ist, wobei durch einen den Kurskreisel, einen damit gekuppelten Synchro-Geber und ein von den Ausgangssignalen dieses Synchro-Gebers gesteuertes Servosystem aufweisenden zweiten Regelkreis die Winkelstellung der Eigenkurswelle stabilisierbar ist.

Zwischen der wirklichen Ausrichtung des Kompasses und der Horizontebene entstehen Kardanfehler, weil der Kompaß die Schiffsbewegungen in seinem eigenen Kardansystem verarbeiten muß. Diese Fehler können mit Hilfe eines Kurskreisels (Azimutkreisels) unterdrückt werden. Der Kurskreisel ist ebenfalls kardanisch aufgehängt; sein Kardansystem hat keinen Einfluß auf die Anzeige des stabilen Eigenkurswertes, weil er immer auf einer stabilisierten Plattform angeordnet ist

Eine Anordnung der erwähnten Art, bei der der Kurskreisel für die Unterdrückung oder Ausfilterung vorübergehend auftretender Fehler des durch den Kompaß bestimmten Eigenkurswertes eiaes Schiffes benutzt wird, ist aus der US-PS 33 29 028 bekannt

Beispielsweise bei einer raschen, größeren Kursänderung des Schiffes oder beim Ingangsetzen der Anordnung muß jedoch die Ausrichtung des Kurskreisels — aus einer willkürlichen Stellung heraus — mit der durch den Kompaß angezeigten Azimutstellung in Obereinstimmung gebracht werden. Dieser Einlaufvorgang nimmt verhältnismäig lange Zeit in Anspruch.

Aus der DD-PS 30 688 ist es bekannt in dem System einen Umschalter vorzusehen, der es gestattet, während der Einlaufphase eine wesentlich schnellere Nachsteuerung des Kurskreisels auf die Kompaßausrichtung zu erzielen. Zu diesem Zwecke wird abhängig von der gemessenen Abweichung zwischen der Ausrichtung des Kompasses und des Kurskreisels durch Einwirkung unmittelbar auf den Vertikalstellmotor des Kurskreisels der Kurskreisel um den vollen Winkelwert der Abweichung iiachgesteuert Dabei wird der Kurskreisel mit erhöhter Geschwindigkeit um die Vertikalachse gedreht, was starke Drehmomente auf die Lager ergibt.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Anordnung der

eingangs genannten Art zu schaffen, bei der sowohl der Einlaufvorgang als auch der nach dem Einlaufen stattfindende Ausfilterungsvorgang auf einfache Weise in dem gleichen, in verschiedenen Phasen arbeitenden System verwirklicht werden können, wobei der Kurskreisel aus einer willkürlichen Ausrichtung möglichst schnell in eine feste Zuordnung zu dem von dem Kompaß angezeigten Azimut zu bringen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Anordnung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiselsteuerschaltung durch einen Umschalter von dem Synchro-Empfangssystem auf einen auf der Eigenkurswelle angebrachten Fein-Synchro-Empfänger umschaltbar ist und daß zugleich das Servosystem über einen weiteren Umschalter von dem Fein-Synchro-Empfänger auf das Synchro-Empfangssystem umschaltbar ist und daß der Kurskreisel in der Ausrichtungsphase jeweils auf den nächstliegenden Winkelwert der durch das aus dem mit dem Kurskreisel gekuppelten Mehrpol-Synchro-Geber und dem Fein-Synchro-Empfänger gebildete Mehrpol-Synchro-Systern bestimmten Winkelwerte

180°

2k