DE2263338A1

DE2263338A1 - Nordsuchender kreisel

Info

Publication number: DE2263338A1
Application number: DE2263338A
Authority: DE
Inventors: Klaus Kapeller
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1972-12-23
Filing date: 1972-12-23
Publication date: 1974-06-27
Also published as: DE2263338B2; DE2263338C3; US3894341A

Description

TELDIX GmbH
6900 Heidelberg
Grenzhöfer Weg 36

Heidelberg, den 22. Dez. E/Pt-Sch/Pr E-280

Nordsuchender Kreisel

Die Erfindung betrifft einen nordsuchenden Kreisel mit zwei Freiheitsgraden, dessen den Kreiselrotor aufnehmender Rahmen in einem Gehäuse.um eine im wesentlichen lotrechte Achse drehbar angeordnet ist, wobei das Gehäuse in einem Gestell um eine möglichst genaue lotrechte Achse drehbar angeordnet ist, und welcher eine Servo~ einrichtung aufweist, die über ein Stellglied eine gedämpfte Nachführung des Gehäuses im Sinne einer Verringerung der Auslenkung des Rahmens gegenüber dem Gehäuse bewirkt.

Problemstellung:

Ein derartiger Kreisel ist in der deutschen Qffenlegungsschrift 1 5^8 537 beschrieben und umfaßt im wesentlichen einen hochempfindlichen Wendekreisel mit horizontaler Rotorachse. Aufgrund' der genannten Anordnung von Rahmen, Gehäuse und Gestell bewirkt die Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeiu ein nordtreibendes Moment, welches den Rahmen um die lot-

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rechte Achse auslenkt. Die Auslenkung wird von einem Winkelabgriff zwischen Gehäuse und Rahmen erfaßt und bewirkt über einen Stellantrieb (z.B. Motor, Drehmomentgeber) eine Nachführung des Gehäuses. Dies geschieht solange, bis der Vektor der Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit mit dem Drallvektor des Kreiselrotors zusammenfällt, wobei die genannte Auslenkung gleich Null und das Gehäuse auf die Nord-Südrichtung ausgerichtet ist. Der genannte nordsuchende Kreisel stellt ein schwingungsfähiges System dar, dessen Einlaufverhalten in die Nord-Südrichtung regelungstechnisch durch den Dämpfungsgrad charakterisiert werden kann. Um eine möglichst kurze Einlaufzeit ohne überschwingen zu erzielen, wird normalerweise ein Dämpfungsgrad = 1 angestrebt (aperiodischer Grenzfall). Dem steht jedoch oftmals die Forderung nach einer geringen Empfindlichkeit gegen Störmomente entgegen, wenn der Kreisel die Nordrichtung etwa erreicht hat. Derartige Störmomente können beispielsweise durch Vibrationen auftreten, wenn der Kreisel in einem Fahrzeug angeordnet ist. Durch Erhöhung des Dämpfungsgrades kann zwar die Störempfindlichkeit verringert werden, wobei jedoch eine verlängerte Einlaufzeit des Kreisels in Kauf genommen werden muß.

Aufgabe und Lösung;

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen nordsuchenden Kreisel zu schaffen, welcher einerseits eine kurze Einlaufzeit in die Ncrdrichtung und andererseits eine geringe Störempfindlichkeit aufweist, wobei gleichzeitig ein geringer herstellungstechnischer Aufwand angestrebt werden soll. Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des ersten Patentanspruches gelöst. '

Vorteile und Weiterbildungen;

Der erfindungsgemäße Kreisel weist somit für den Nordeinlauf zwei Betriebsarten auf, welche sich durch den Dämpfungsgrad unterscheiden. Solange die Ausrichtung

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des Kreisels von der Nordrichtung stark abweicht, wird über die Steuervorrichtung im Sinne einer Entdämpfung die genannte Servoeinrichtung beeinflußt. Dadurch wird eine schnelle Vornordung des Kreisels (erste Betriebsart) auf die Nordrichtung erreicht. Dieser Grobeinlauf wird in Abhängigkeit einer Zustandsvariablen vorgenommen, welche ein Maß für die momentane Nordablage ' . darstellt. Als Zustandsvariable können beispielsweise die Winkelgeschwindigkeiten, mit welcher das Gehäuse nachgeführt wird, herangezogen werden, wobei für Nordablagen ;?-90^o zweckmäßigerweise auch das Vorzeichen der Winkelbeschleunigung berücksichtigt wird. Auch der Winkel zwischen Rahmen und Gehäuse oder auch die an dem Stellglied anliegende Spannung bzw. der Strom können als Zustandsvariable herangezogen werden. Weiterhin kann das Vorzeichen des genannten Winkels oder auch das Vorzeichen der Winkelgeschwindigkeit mit welcher der Rahmen bewegt wird als Zustandsvariable verwendet werden. Unterschreitet die entsprechende Zustande— variable einen vorwählbaren Wert, d.h. weicht der Kreisel nur noch geringfügig von der Nordrichtung ab, so wird die Steuervorrichtung mit der entdämpfenden Wirkung unwirksam und der Kreisel weist eine entsprechend hohe Dämpfung und eine geringe Störempfindlichkeit auf (zweite Betriebsart, Feinanordnung).

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, während der Vornordung gemäß des zweiten Patentanspruches das Stellglied taktweise mit Signalen zu beaufschlagen. Hierzu wird in einem ersten ungestörten Arbeitstakt die Zustandsvariable gemessen, in einem zweiten Takt ein Signal in Abhängigkeit von* der gemessenen Variablen auf das Stellglied gegeben, während in einem dritten.Arbeitstakt nur noch die genannte Servoeinrichtung wirksam, ist. Aufgrund der während der dritten Phase wirksamen Dämpfung kann sich der Kreisel beruhigen, so daß trotz der zeitweisen sehr geringen Dämpfung des Systemes Übersohwingungen und In Stabilitäten sicher, vermieden werden.

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Anschließend kann dieses Spiel wiederholt werden, bis die Zustandsvariable einen vorgebenen Wert unterschreitet.

Wie oben bereits angegeben, wird mittels der Steuervorrichtung ein Signal in Abhängigkeit der genannten Zustandsvariablen auf das Stellglied gegeben. Dieses Signal kann beispielsweise ein Strom-Impuls konstanten Betrages sein, wobei lediglich das Vorzeichen von der Zustandsvariablen abhängt. Weiterhin kann der Stromimpuls proportional der Zustandsvariablen sein (Amplitude oder Pulsbreite) Weiterhin kann beispielsweise ein einziges Signal gegeben werden, welches eine einmalige Grobausrichtung auf Nord bewirkt oder es kann mit abnehmender Nordablage die entdämpf ende · Wirkung kontinuierlich beseitigt werden.

Der in der o. a. Offenlegungsschrift angegebene Kreisel weist weiterhin zwischen den Achsen des Gehäuses und des Rahmens einen sogenannten Achsenfluchtwinkel auf. Dieser Achsenfluchtwinkel stellt eine Rückführung dar, wobei ein dem nordtreibenden Moment entgegenwirkendes Gegenmoment erzeugt wird, welches der Nachführgeschwindigkeit des Gehäuses proportional ist. Aufgrund des Achsenfluchtwinkels wird es möglich, die Servoeinrichtung mit einer hohen Verstärkung, welche eine hohe Nordgenauigkeit bewirkt, auszustatten und dennoch einen hohen Dämpfungsgrad und eine.geringe Störempfindlichkeit für die Feinnordung zu erreichen. Bei einer bevorzugten Weiterbildung wird daher gemäß des sechsten Patentanspruches vorgeschlagen, den nordsuchenden Kreisel mit einem Achsenfluchtwinkel zu versehen, so daß ein nordsuchender Kreisel entsteht, welcher außer den o. si. Vorteilen sich durch einen schnellen Nordeinlauf auszeichnet. Die Dämpfung wird während der Vornerdung durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen stark reduziert, während bei der Feinnordung die Dämp-

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fung im wesentlichen durch den Achsenfluchtwinkel bestimmt wird. - " "■ '

AusführraiKsbeispiele; anhand Die Erfindung wird nachfolgend/c[er in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 - eine schematische Barstellung eines Kreisels mit Achsenfluchtwinkel und einem Servomotor zum Nachdrehen des Gehäuses;

Fig. 2 - ein·Blockschaltbild eines Kreisels, welcher einen Momentengeber zum Nachdrehen des Gehäuses aufweist;

Fig. 5 - die in Fig. 2 verwendeten Winkeldefinitionen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kreisels, dessen Gehäuse 3 mittels zweier Zapfen 3a, 3b in einem durch Bruchstriche angedeuteten Gestell 4 angeordnet ist. Das Gehäuse 3 ist um die lotrecht stehende Gehäuseachse 5 drehbar gelagert. Über Zahnräder 6 und 7 wird das Gehäuse 3 von einem am Gestell befestigten Servomotor 8 angetrieben. Am Gehäuse ist anstelle der üblichen Kompaßrose zwecks Vereinfachung eine Pfeilmarke vorgesehen. Diese definiert die Gehäusebezugsachse 2 und weist bei ausgerichtetem Kreisel nach geographisch Nord. Der Kreiselrotor 1Ö ist in einem Rahmen 12 in Richtung des Pfeiles 11 um die Achse 1 drehbar gelagert. Die Rahmenachse 13 ist gegenüber der Gehäuseachse 5 um einen Achsenfluchtwinkel *J geneigt. Bei ruhendem Kreisel nimmt der -Rahmen 12 normalerweise die gestrichelt angedeutete Nullstellung 14 ein. Dabei steht die Rotorachse 1 parallel zur Gehäusebezugsachse 2. Die Auslenkung ist also Null. In dieser Stellung wird der Rahmen durch die beiden Federn 15 und 16 gehalten. Die geographische Nordrichtung ist durch den Pfeil 17 angedeutet. Infolge des bei drehendem Kreiselrotor auf den Rahmen 12 wirkenden nordtreibenden Moments entsteht die gezeichnete

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Auslenkung des Rahmens um die Achse 13» welche durch den Winkelabgriff 18 erfaßt und bei der gezeichneten Stellung des Schalters 20 als entsprechendes Spannungssignal dem Servomotor 8 zur Nachführung des Gehäuses 3 zugeführt wird. Mit der Welle des Servomotors 8 ist eine Meßvorrichtung 21 verbunden, welcher der Drehgeschwindigkeit Jr des Gehäuses 3 entsprechende Signale erzeugt und diese in eine Steuervorrichtung 22 gibt. Wie leicht nachgewiesen werden kann, ist daher das Vorzeichen der Winkelbeschleunigung Jf⁰ ein Kriterium dafür, ob die Nordablage kleiner oder größer 90° ist. Die Steuervorrichtung 22 dient zur Bildung eines Signales U und zwar in Abhängigkeit von der gemessenen Winkelgeschwindigkeit f und des Vorzeichens der Winkelbeschleunigung J* . Dieses Signal U kann, falls der Schalter, so in die gestrichelt eingezeichnete Stellung gebracht ist, über diesen zum Servomotor 8 geleitet werden. Zur Steuerung des Schalters 20 dient die Steuervorrichtung 22.

Pur den Kreisel ergibt sich folgende Funktionsweise:

Weist der Rahmen eine Nordablage auf, so wird sich aufgrund des nordtreibenden Momentes zwischen Rahmen und Gehäuse eine Auslenkung ergeben, welche mittels des Abgriffes 18, Verstärkers 19» Servomotor 8 eine Nachfüh-

rung des Gehäuses 3 mit einer Winkelgeschwindigkeitf bewirkt. Die Nachführung erfolgt hierbei mit einem Dämpfungsgrad, welcher durch die Systemgrößen wie Verstärkungsgrad, Achsenfluchtwinkel entsprechend der gewünschten Störempfindlichkeit festliegt. Dieser Dämpfungsgrad ist jedoch für einen schnellen Nordeinlauf ungünstig. In einem zweiten Arbeitstakt wird daher mittels der Steuervorrichtung 22 der Schalter in die gestrichelt eingezeichnete Stellung gebracht. Das aus der im ersten Takt gemessenen und abgespeicherten Winkelgeschwindigkeit abgeleitete Signal U gelangt auf den Servomotor 8, welcher mit erhöhter Geschwindigkeit das Gehäuse nachdreht· Dies wirkt im Sinne einer Verringerung des Dämpfungsgrades.

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Anschließend fällt im dritten Arbeitstakt der Schalter 20 wieder in seine dargestellte Stellung zurück und nach einer Beruhigungszeit läuft der Kreisel entsprechend dem ursprünglichen Dämpfungsgrad weiter. Der Servoeinrichtung wird somit ein diskontinuierlich arbeitender Regler im Sinne einer Verringerung des Dämpfungsgrades aufgeschaltet. Diese Aufschaltung erfolgt solange, bis die Nordablage sehr klein ist. Als Abschaltkriterium dient die gemessene Winkelgeschwindigkeit oder auch andere Zustandsvariable, die ein Maß für die Nordablage darstellen. Anschließend erfolgt die Feinnordung mit dem ursprünglichen Dampfungsgrad, wobei eine geringe Störempfindlichkeit erreicht wird.

Anstelle der abrupten Herausnahme der Aufschaltung bei Unterschreiten des Abschaltkriteriums kann auch eine stufenweise Herausnahme beispielsweise in Abhängigkeit von der Vinkelgeschwindigkeit Jf besonders zweckmäßig sein. Die Ausbildung der Steuervorrichtung erweist sich als besonders einfach, wenn mittels eines Oszillators konstante Taktzeiten für die drei Arbeitstakte vorgegeben werden. Darüber hinaus kann jedoch auch eine Beeinflussung der Taktzeiten insbesondere durch die Winkel-

geschwindigkeit /* sehr leicht realisiert werden.

In Fig. 2 ist ein vereinfachtes, regelungstechnisches Blockschaltbild eines nordsuchenden Kreisels ähnlich Fig. 1 dargestellt, wobei als Stellglied ein doppelt integrierender Drehmomentengeber vorgesehen ist. Die Inschriften der Blöcke sind die nach der Laplace-Transformation im Frequenzbereich dargestellten Übergangsfunktionen, wobei s die komplexe Veränderliche bedeutet. Für jeden Block gilt, daß das Produkt aus Eingangsgröße und Blockinschrift gleich der Ausgangsgröße ist. Die Summationspunkte sind als kleine Kreise dargestellt, wobei die Summe der zufließenden Signale unter Berücksichtigung der Vorzeichen gleich der Summe der abfließenden

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Signale sein soll. Als ausgefüllte Punkte sind die Verzweigungspunkte dargestellt, an denen ei^ Signal zu mehreren Stellen geleitet wird. Die im Blockschaltbild verwendeten Winkel sind in Fig. 3 dargestellt. Mit N ist die geographische Nordrichtung bezeichnet, während mit H die Richtung der Rotorachse und mit G die Gehäusebezugsrichtung bezeichnet ist. Zu Beginn einer Nordsuche besteht zwischen der Nordrichtung N und der Gehäusebezugsachse ein Winkel j^v. Aufgrund des nordtreibenden Momentes M stellt sich zwischen Gehäusebezugsachse G und der Rotorachse H ein Winkel OC ein. Der Winkel zwischen Nordrichtung N und Rotorachse H wird mit fi> bezeichnet. Aufgrund des Winkels /& entsteht gemäß des Präzessionsgesetzes bei sich drehendem Rotor das nordtreibende Moment M , welches über die Sinusfunktion vom Winkel S abhängt. Zur Vereinfachung wurde diese Abhängigkeit im Block 30 mit dem Drall des Rotors und der Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit zu einer Konstanten K zusammengefaßt. Auf den Rahmen wirkt außerdem das Moment der Federn, welche den Rahmen an das Gehäuse elastisch koppeln und welche gemäß Block 31 eine Federkonstante D aufweisen. Mittels einer Servoeinrichtung enthaltend einen Winkelabgriff für oC , einen Verstärker und einen Drehmomentengeber, welcher zwischen Gestell und Gehäuse angeordnet ist, wird das Gehäuse in Abhängigkeit vom Winkel oc nachgeführt. Dies ist durch den Block 32 dargestellt, wobei mit V die Gesamtverstärkung der Servoeinrichtung und mit Q~ das Trägheitsmoment des Gehäuses bezeichnet ist. Der Block 34- stellt die der Nachführgeschwindigkeit J^ proportionale Rückführung infolge des Achsenfluchtwinkels -O dar. Das derart erzeugte Moment M. hängt außerdem vom Drall H des Rotors ab. Befindet sich zwischen Gehäuse und Rahmen ein weiterer Drehmomentenerzeuger, so kann gemäß Block 35 ein Drehmoment Mp wirksam gemacht werden. Dieses ist dem zugeführten Strom I_p und dem Verstärkungsgrad Vp proportional. Die Summe der oben angegebenen Momente verleiht dem Rahmen eine Drehbe-

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schleunigung in die Nordrichtung derart, daß unter Berücksichtigung des Trägheitsmomentes Qp des Rahmens der

Winkel ü kleiner wird.
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Mit der Meßvorrichtung 37 ist eine Steuervorrichtung 38 verbunden, welche einen Speicher 39 und einen Verstärker .40 enthält. Mittels eines Taktgebers 41 können Schalter 42 und 43 geschlossen werden, so daß wenigstens zeitweise ein Strom Ip zu dem Brehmomentengeber gemäß Block 35 geleitet werden kann.

Befindet sich der Schalter 43 in der gezeigten Stellung, so wird die momentane Winkelgeschwindigkeit ^ in den Speicher 39 eingegeben. In dem Taktgeber 41 wird beispielsweise durch Vergleichen zweier nacheinander aufgenommenen Werte der Winkelgeschwindigkeit das Vorzeichen der Winkelbeschleunigung festgestellt. Anschließend werden in einem zweiten Arbeitstakt die Schalter 42, 43 betätigt. Nun wird gemäß des im Speicher 39 festgehaltenen letzten Meßwertes für <f und des Vorzeichens der Winkelbeschleunigung mit-HiIfe des Verstärkers 40 ein Strom erzeugt, welcher über den Drehmomentengeber 35 den Rahmen beschleunigt in die Nordrichtung führt. Me genannte beschleunigte Nachführung wirkt somit entdämpf end auf den nordsuchenden Kreisel. Daher werden zur Vermeidung von Instabilitäten in einen dritten Arbeitstakt die Schalter 42, 43 wieder in die gezeigte Stellung gebracht. Die Nachführung des Kreisels erfolgt dann nach einer kurzen Beruhigungszeit"mit dem

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durch den Achsenfluchtwinkel ν vorgegebenen Dämpfungsgrad.

Die beschriebene, im zweiten Arbeitstakt erfolgende Aufschaltung wird mehrmals nacheinander solange wiederholt, bis J-*" einen vorgegebenen-Wert unterschritten hat, d.h. bis der Winkel ^ nahezu Null ist. Die Grobnordung ist damit abgeschlossen und während der anschließenden Feinnordung läuft der Kreisel mit einem hohen Dämpfungsgrad auf die genaue Nordrichtung ein. Aufgrund der somit erreichten Reduzierung des Dämpfungsgrades während der Grob-

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nordung wird die gesamte Nordungszeit sehr stark verkürzt. Während der Feinnordung ist dennoch eine geringe Störempfindlichkeit gegeben.

Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daß der. Achsenfluchtwinkel ^- (Block 34-) zwar keine zwingende Voraussetzung für die vorliegende Erfindung darstellt, aber vorteilhafterweise vorgesehen ist. Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, kann der Achsenfluchtwinkel jedoch durch die Meßvorrichtung 37» Steuervorrichtung 38 und beispielsweise den Drehmomentengeber 35 ersetzt werden. In diesem Falle muß mittels der Steuervorrichtung 38 sichergestellt werden, daß während der Grobnordung der Dämpfungsgrad klein ist und während der Feinnordung der Dämpfungsgrad gemäß der zu erwartenden Störmomente entsprechend größer ist.

- Patentansprüche -

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Claims

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Patentansprüche

Nordsuchender Kreisel mit zwei Freiheitsgraden, dessen den Kreiselrotor aufnehmender Rahmen in einem Gehäuse um eine im wesentlichen lotrechte Achse drehbar angeordnet ist, wobei das Gehäuse in einem Gestell um eine möglichst genau lotrechte Achse drehbar angeordnet ist, und welcher eine Servoeinrichtung aufweist, die über ein Stellglied eine ,gedämpfte Nachführung des Gehäuses im Sinne einer Verringerung der Auslenkung des Rahmens gegenüber dem Gehäuse bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßvorrichtung für wenigstens eine Zustandsvariable der Servoeinrichtung vorgesehen ist, wobei die Variable ein Maß.für die momentane Kordablage des Gehäuses darstellt, und daß eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche in Abhängigkeit von der Variablen wenigstens einmal ein Signal vorzugsweise auf das Stellglied gibt, um eine beschleunigte Nachführung in die Nordrichtung zu erreichen.

Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsvariable während eines ersten Arbeitstaktes mittels der Meßvorrichtung gemessen und anschließend gespeichert wird, daß mittels der Steuervorrichtung in einem zweiten Arbeitstakt das genannte Signal erzeugt und zur Nachführung aufgeschaltet wird, und daß in einem dritten Arbeitstakt nur die Servoeinrichtung wirksam ist.

Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Winkelgeschwindigkeit des Gehäuses vorzugsweise ein Geber vorgesehen ist, welcher mit der Welle des als Servomotor ausgebildeten Stellgliedes verbunden ist.

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4. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 2 ~der 3, dadurch gekennzeichnet, daß,solange die Nordablage einen einstellbaren Betrag nicht unterschreitet, mittels der Steuervorrichtung diskontinuierlich Signale auf das Stellglied aufschaltbar sind.

5· Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung einen Speicher für die in einem ersten Arbeitstakt gemessene Winkelgeschwindigkeit des Rahmens aufweist und daß die Steuervorrichtung einen Schalter und einen Taktgeber aufweist, welcher den genannten Schalter in einem zweiten Arbeitstakt schließt, wobei ein Signal auf das Stellglied gegeben wird und welcher Taktgeber den genannten Schalter in einem dritten Arbeitstakt wieder öffnet.

6. Nordsuchender Kreisel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenachse gegenüber der Drehachse des Gehäuses um einen Achsenfluchtwinkel entgegen dem Drehsinn des Kreiselrotors vorzugsweise in der bei Nullstellung des Rahmens zur Rotorachse senkrechten Ebene geneigt ist.

7. Nordsuchender Kreisel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Unterschreiten eines vorwählbaren Wertes der Zustandsvariablen nur noch die Servoeinrichtung wirksam ist.

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