DE2227703C2

DE2227703C2 - Schiffssteueranlage

Info

Publication number: DE2227703C2
Application number: DE2227703A
Authority: DE
Inventors: Frederick Darcey Babylon N.Y. Braddon
Original assignee: Sperry Corp 10104 New York NY; Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1971-06-07
Filing date: 1972-06-07
Publication date: 1983-01-27
Also published as: US3715571A; GB1377578A; JPS5749440B1; IT958157B; DE2227703A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schiffssteueranlage mit einer Rudervorrichtung, die ein elektrisches Befehlssign*! zur Steuerung des Ruderwinkels liefert, mit Einrichtungen zur Erzeugung eines ersten elektrischen Signals, das die Schiffsgeschwindigkeit darstellt, und mit Einrichtungen zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signals, das die Wendegeschwindigkeit des Schiffes anzeigt.

Zwei Entwicklungseinrichtungen bei der Konstruktion moderner Container-Schiffe müssen im Hinblick auf die Steuerbarkeit und Sicherheit dieser Schiffe berücksichtigt werden, wenn diese mit der Geschwindigkeit, für die sie ausgelegt sind, auf der freien See betrieben werden. Die Ladungsdichte der Container-Fracht erfordert eine hohe Beladung mit Deckfracht, woraus sich ein hoher Schwerpunkt und starke Windkrafteinflüsse ergeben. Die nach oben weisende Entwicklung der Seefahrzeuggeschwindigkeiten vergrößert stark die dynamischen, auf das Schiff wirkenden Kräfte, wodurch die Stabilität und Manövrierbarkeit dieser Schiffe beeinflußt wird.

Neuere durch tatsächliche Tests gestützte Forschungsstudien zur Demonstration des Verhaltens von Schiffen beim Betrieb bei schräglaufender See ergeben eine Basis zur Vorhersage des Verhaltens dieser Schiffe. Diese Studien zeigen die kritischen Krängungs-Querschlag-Neigungen, die sich ergeben, wenn die Schiffslängen sich den Wellenspitzenabständen von großen Wellen nähern und wenn die Schiffsgeschwindigkeiten sich den Geschwindigkeiten von großen aufeinanderfolgenden Wellen nähern.

Weitere Tests haben die erhebliche Krängungstendenz von Container-Schiffen gezeigt, wenn diese mit hohen Geschwindigkeiten bei ruhiger See gewendet werden. Diese Situation ergibt sich aus den hohen, auf den hohen Schwerpunkt wirkenden Zentrifugalkräften, denen ein sehr kleines Stabilitätsmoment entgegengesetztwird.

Wenn sich die obenerwähnten dynamischen Bedingungen der Krängung und des Querschiagens in Kombination aufgrund eines versehentlichen Befehls für ein Manöver mit voll ausgeschlagenem Ruder bei hohen Geschwindigkeiten ergeben, kann sowohl die Deckladung als auch das Schiff selbst beschädigt werden. Es wurde vorgeschlagen, die Zentrifugalbeschleunigung mit Hilfe von Querbeschleunigungsmessern zu messen, die so angeordnet waren, daß die Wendebeschleunigung gemessen wurde. Die Wirksamkeit eines derartigen Beschleunigungsmessers wird jedoch durch das langsame Ansteigen der Wendebeschleunigung nach dem Beginn des Wendens des Schiffes und außerdem durch die störende Querneigungsbewegung verringert, wodurch eine übermäßige Ruderbetätigung hervorgerufen wird. Wenn derartige Beschleunigungsmesser stark gedämpft werden, tritt eine weitere Ansprechverzögerung auf.

Es wurden Systeme zur Begrenzung der Wendegeschwindigkeiten von Schiffen unter derartigen Bedingungen entwickelt, bei denen die maximal tolerierbaren Ruderwinkel von Hand einstellbar sind. Derartige Syjteme begrenzen jedoch die Steuerbarkeit des Schiffes durch Begrenzen der Ruderfähigkeit, so daß zyklischen Störungen mit kurzer Dauer, wie sie bei schweren aufeinanderfolgenden Wellen auftreten, nicht entgegengewirkt werden kann.

Es sind weiterhin Schiffssteueranlagen bekannt (DE-OS 17 98 180) bei denen die Wendegeschwindigkeit in einem Funktionsgenerator entsprechend der Steuerkennlinie eines Schiffes modifiziert wird und zusätzlich in einem weiteren Kanal mit einer Konstante multipliziert wird, wobei das mit der Konstante multiplizierte und das modifizierte Signal zusammen mit dem Ausgangssignal eines Steuerrades oder einer Selbststeueranlage summiert und als Befehlssignal für den Ruderwinkel verwendet wird. Hierbei ergibt sich jedoch keine Begrenzung des Ruder-Befehlssignals und

das System dient lediglich zur Erzielung einer vorgegebenen Steuerbarkeit des Schiffes,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schiffssteueranlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine übermäßige Krängung während eines Wendemanövers verhindert wird, ohne daß die Schiffsgeschwindigkeit oder die Steuerfähigkeit des Schiffes zum Ausgleich zyklischer Störungen mit kurzer Dauer beeinträchtigt wird

Diese Aufgaue wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst

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

Die erfindungsgemäße Schiffssteueranlage ermöglicht eine rechtzeitige Erkennung von gefährlichen Krängungskräften durch Messung der Schiffsgeschwindigkeit und der Wendegeschwindigkeit des Schiffes, wobei ein elektrisches Begrenzungssignal erzeugt wird, das proportional zum mathematischen Produkt der Schiffsgeschwindigkeit und der Wendegeschwindigkeit ist Hierbei sind Einrichtungen zur progressiven Begrenzung der Größe des Befehlssignals als umgekehrte Funktion des Begrenzungssignals vorgesehen. Hierdurch wird die Wendebeschleunigung des Schiffes auf einen sicheren Wert begrenzt, ohne daß die Steuerbarkeit des Schiffes beeinträchtigt wird.

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

In der Zeichnung ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Schiffssteueranlage dargestellt

Bei dieser Schiffssteueranlage wird die klassische Beziehung zwischen der Zentrifugalkraft F, der Geschwindigkeit ν und dem Wenderadius reines festen Körpers ausgenutzt, nämlich: F = mvVr. Die Umfangsgeschwindigkeit ν ist jedoch gleich 2 rw, wobei w die Winkelgeschwindigkeit ist. Somit ist die Zentrifugalkraft proportional zu vw.

Die auf ein Schiff wirkende Zentrifugalkraft bewirkt eine Krängung während eines Wendemanövers. Ein Schiff versucht bei Beginn eines Wendemanövers nach außen zu »schieben«. Obwohl sich die Längsachse des Schiffes während der anfänglichen Stufen eines Wendemanövers in die gewünschte Richtung dreht, versucht die Bewegungsgröße des Schiffes, einen geradlinigen Kurs zu dieser Zeit beizubehalten. Der durch den Kompaß angezeigte Steuerkurs des Schiffes drhet sich jedoch mit der Längsachse und liefert erhebliche Wendeanzeigesignale, bevor der tatsächliche Aufbau der Zentrifugalkräfte auftritt. Die beschriebene Ausführungsform der Schiffssteueranlage wirkt gefährlichen Krängungswerten entgegen und nutzt die obenerwähnte vw-Beziehung aus, wie es im folgenden beschrieben wird.

Das Seefahrzeug in Form eines Schiffes 11 enthält einen Kompaß 13, der ein elektrisches, den Steuerkur3 des Schiffes darstellendes elektrisches Signal an eine Übertragungsleitung 15 liefern kann und verwendet ein übliches Rudersystem 17. Das Steuerkurssignal des Schiffes wird einem üblichen Steuerkursgeber 19 und einem Giergeschwindigkeitsgeber 21 zugeführt. Der Steuerkursgeber 19 liefert ein elektrisches, die Fahrtrichtung des Schiffes anzeigendes Signal, während der Giergeschwindigkeitsgeber 21 ein elektrisches, die Wendegeschwindigkeit des Schiffes anzeigendes Signal liefert. Der Ausgang d2S Steuerkursgebers 19 kann einer automatischen Rudereinrichtung 20 zugeführt werden, die dauernd den Ausgang des Steuerkursgebers 19 mit einem den gewünschten Kurs darstellenden Signal vergleicht, Typischerweise ist eine Wetteranpaßeinrichtung 22 zur Einstellung der Empfindlichkeit der Einrichtung 20 zur Kompensation von Seebedingungen vorgesehen. Das Ausgangssignal der automatischen Rudereinrichtung 20 wird über einen Schaltmechanismus 23 einem Summierverstärker 25 als Steuer-Befehlssignal zugeführt Ein Signal von dem Giergeschwindigkeitsgeber 21 wird in einem Tiefpaßfilter 26 gefiltert und ίο ebenfalls dem Schaltmechanismus 23 zugeführt Das Filter 26 unterdrückt die Kurzzeitänderungen des Steuerkurses, die durch Wellenwirkung o. ä. hervorgerufen werden. Wenn dies gewünscht ist kann das Schiff von Hand gelenkt werden, indem der Mechanismus 23 so geschaltet wird, daß er elektrische Signale von einem manuellen Rudersystem 27 empfängt Typischerweise wird das dem Schaltmechanismus 23 zugeführte Rudersignal außerdem in einem Steuerkursintegrator 29 integriert und dem Summierverstärker 25 zugeführt Das integrierte Signal kompensiert »Vorspanne-Kräfte, wie sie beispielsweise durch Änck-rungen der Propellerdrehzahlen bei Zweischrauben-SJiiffen, durch schräge Wellen und durch ähnlich gelagerte Kräfte hervorgerufen werden.

Der Ausgang des Summierverstärkers 25 wird über eine geeignete Leistungseinheit 33 einer Rudermaschine 31 zugeführt Die Rudermaschine 31 betätigt das Ruder 35 des Schiffes.

Eine Ruder-Stellungs-Wiederholeinheit 37 mißt die Ruderstellung und verringert das Fehlersignal auf Null, um so das Befehlssignal auszugleichen, wenn der Ruderwinkel einen erwünschten Wert erreicht

Ein Ruderwinkelgeber 39 liefert ein Signal für einen Anzeiger 41, das dem Rudergänger anzeigt, auf welchen Winkel das Ruder 35 eingestellt ist

Das Rudersystem 17 ist bei der beschriebenen Ausführungsform durch Ableiten eines Wendegeschwindigkeitssignals von dem Filter 26 und durch Zuführen dieses Signals an einen Wendebescfiieunigungsrechner 43 modifiziert. Ein zweites, die Schiffsgeschwindigkeit darstellendes Signal wird ebenfalls dem Wei/debeschleunigungsrechner 43 zugeführt. Die Schiffsgeschwindigkeit kann zweckmäßigerweise durch Anbringen eines üblichen Drehzahlmesser? an der Propellerwelle gemessen werden, wie es schematisch in der Zeichnung durch die Bezugsziffer 24 angedeutet ist.

Der Rechner 43 dient zur Multiplikation des Wertes des Wendegeschwindigkeitssignals mit dem Wert des Signals für die Schiffsgeschwindigkeit so daß ein Μ Ausgangssignal (das gleich dem Produkt der Schiffsgeschwindigkeit und dor Wendegeschwindigkeit, d. h. von ν und w ist) an einer Leitung 45 erzeugt wird. Dieser Signal stellt ein Begrcnzungssignal dar, das dem Sumiriei verstärker 25 nach einer geeigneten Modifikation in einer Formerschaltung 47 zugeführt wird. Die Formerschaltung 47 wandelt das Signal von dem Rechner 43 in ein Signal um, das in dem Verstärker 25 brauchbar ist und diese Schaltung kann beispielsweise einen Verstärker tnit einstellbarer Verstärkung oder ein Potentiometer einschließen. Das geformte Begrenzungssignal ändert die Übertragungseigenschaften des Summierverstärkers 25 derart, daß der Ausgal.g des Summierverstärkers 25 fortschreitend begrenzt wird, wenn das Produkt vw anwächst. Die Einstellung des Verstärken oder de·: Potentiometers in der Forir.erschaltung 47 kann zur Eichung des Systems eingestellt werden.

Im allgemeinen dient das Begrenzungssignal zur

Begrenzung der Größe des der Leistungseinheit 33 zugeführten Befehlssignals als umgekehrte Funktion des Begrenzungssignals. Somit kann das geformte Begrenzungssignal zur Steuerung der Verstärkung des Summierverstärkers 25 verwendet werden. Vorwarts-Verstärkungssteuerschaltungen (straightforward gain control circuits) können beispielsweise zur Durchführung dieser Funktion verwendet werden, indem das Begrenziingssignal anstelle eines Rückführungssignals zur Verstärkungssteuerting verwendet wird.

Bei manchen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, die der l.eistungseinheit 33 zugeführten Befehlssignale auf Größen innerhalb scharf definierter Schwellwertbegrenzungen zu begrenzen, die entsprechend dem Begrenzungssignal eingestellt sind. Eine Vielzahl von gesteuerten Begrenzerschaltungen, die für diesen Zweck verwendbar sind, sind bekannt. Typischerweise verwenden derartige Begrenzerschaltungen Nebenschlußdiodenschaltungen, die durch das Begrenzungssignal vorgespannt werden können, um so irgendeinen Teil des Eingangssignals, der die Größe des Begrenzungssignals übersteigt, abzuleiten. Schaltungen dieser Art können bei der beschriebenen Ausführungsform beispielsweise dadurch verwendet werden, daß lediglich das Begrenzungssignal in der Formierschaltung invertiert wird, um so den Schwellwert als umgekehrte Funktion de*, Produktes vw einzustellen, das durch das Begrenzungssignal dargestellt wird.

In jeder An von Schaltung kann ein versehentlicher Befehl für eine Endausschlag-Ruderstellung lediglich eine Ruderauslenkung hervorrufen, die innerhalb eines sicheren Wertes liegt. Wenn die Schaltung von der Art ist, bei der das Beprcnzungssignal die Verstärkung des Verstärkers verringert, so reicht die Verringerung der Verstärkung aus, um die Ruderauslenkung zu begrenzen. Wenn eine Schaltung von der Art mit einem festgelegten Schwcllwert verwendet wird, wird das Ruder auf einen mit dem Schwcllwert übereinstimmenden Winkel ausgelenkt und das darüber hinausgehende Befehlssignal ist nicht in der Lage, das Ruder über die durch den Schwellwert festgesetzte Begrenzung hinaus auszulenken.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schiffssteueranlage mit einer Rudervorrichtung, die ein elektrisches Befehlssignal zur Steuerung des Ruderwinkels liefert, mit Einrichtungen zur Erzeugung eines ersten elektrischen Signals, das die Schiffsgeschwindigkeit darstellt, und mit Einrichtungen zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signals, das die Wendegeschwindigkeit des Schiffes anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiffssteueranlage weiterhin Einrichtungen (43) zur Erzeugung eines elektrischen Begrenzungssignals, das proportional zum mathematischen Produkt der ersten und zweiten elektrischen Signale ist, und Einrichtungen (47) zur progressiven Begrenzung der Größe des Befehlssignals mit zunehmenden Werten des Begrenzungssignals einschließt

2. Schiffssteueranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (47) zur Begrenzung der Größe des Befehlssignals dieses Signal als ufagekehrte Funktion des Begrenzungssignals begrenzen.

3. Schiffssteueranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (47) zur Begrenzung der Größe des Befehlssignals einen das Befehlssignal empfangenden, eine veränderliche Verstärkung aufweisenden Verstärker (25) einschließen, dessen Übertragungscharakteristik eine Funktion des Begrenzungssignals ist.

4. Schiffssteueranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine veränderliche Verstärkung aufweisende Verciärker .(15) so geschaltet ist, daß seine Verstärkung bei ansteigendem elektrischem Begrenzungssignal verrinf sit ist

5. Schiffssteueranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (47) zur Begrenzung der Größe des Befehlssignals einen Verstärker (25) mit änderbaren Schwellwerteinrichtungen zur Begrenzung der Größe eines den Verstärker durchlaufenden Signals einschließen, und daß die änderbaren Schwellwerteinrichtungen auf die Größe des elektrischen Begrenzungssignals ansprechen.

6. Schiffssteueranlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die änderbaren Schwellwerteinrichtungen in dem Verstärker (25) derart aufgebaut sind, daß die Größe der den Verstärker durchlaufenden Signale auf progressiv kleinere Werte begrenzt wird, wenn die Größe des Begrenzungssignals ansteigt.

7. Schiffssteueranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signals als Eingangssignal ein vom Kompaß- ss system des Schiffes abgeleitetes Signal empfangen.