DE2300623A1 - Lenkregel fuer einen nach der proportionalnavigation gelenkten koerper - Google Patents

Lenkregel fuer einen nach der proportionalnavigation gelenkten koerper

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Description

LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH. 2300623 6 Frankfurt/Hain 70, Theo dor-Stern-Kai 1
72/36 29. Dezember 1972
"Lenkregel für einen nach der Proportionalnavigation gelenkten Körper"
Die Erfindung betrifft eine Lenkregel für einen nach der Proportionalnavigation (Integralform) gelenkten Körper zur Erhöhung der Trefferwahrscheinlichkeit .
Bei gelenkten Körpern findet die Proportional-Navigation (PN) wegen der damit erzielbaren Treffergenauigkeit und der einfachen Realisierung, wenn der Lenkkörper eine eigene Meßeinrichtung für die zu verarbeitenden Peil winkel besitzt, verbreitet Anwendung.
Bei der dreidimensionalen Lenkung kann die Bildung von Soll-Kurs und Sollneigung nach den Lenkregeln
(1) ψ*. ■ *ph * V t« + Vo für die Kursebene
(2) '9\ = K χ /V" + oT
ts pv tg 0
für die Neigungsebene
erfolgen, wobei „
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. Sollkurswinkel des Lenkkörpers
K ..K Lenkregelfaktoren
ph pv α
U/ . horizontaler Peilwinkel bezogen auf eine feste Bezugs richtung
\j Integrationskonstante in der Kurs- Lenkregel j , Sollneigungsvrinkel des Lenkkörpers Λ, Vertikaler Peilwinkel bezogen auf Horizont und
Integrationskonstante in der Neigungs- Lenkregel
bedeuten.
Die in diesen Beziehungen beschriebenen Lenkregeln stellen die Integralform der PN dar, d.h. der Lenkregelkrnis besitzt einfaches integrales Verhalten.
Es sind ferner erweiterte Lenkregeln vorgeschlagen worden, die außer den raumfesten Winkeln ψ , und ν deren Änderung pro Zeiteinheit multipliziert mit einem konstanten Faktor als additive Komponente berücksichtigen. Auf diese Weise wird ein dynamisch korrigierter stabilerer Bahnkurvenverlauf erzielt.
Die bisherigen Betrachtungen sind hauptsächlich auf das dynamische Verhalten des Lenkregelkreises sowie das Störverhalten im Hinblick auf die zu erwartenden Treffehler gerichtet. Ein wesentlicher Nachteil der PN in der bisherigen Form ist jedoch darin zu sehen, daß trotz Erreichen der Kollisionsrichtung diese beim Start des Lenkkörpers nicht quantitativ festgelegt werden kann.
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Da aber das Trefferergebnis eine Funktion des Schnittwinkels der Bahnkurven von Lenkkörper und Ziel ist, ist es wichtig, die Kollisionsrichtung von Anfang an zu berücksichtigen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei der PN-Lenkung mit einer modifizierten Lenkregel über einen Regelkreis die jeweils eingestellten SoXl-Peilwinkel zu erreichen. Außer der Erzielung kleinerer Treffehler können taktische Gründe für die Vorgabe eines bestimmten Peilwinkels maßgebend sein, so zum Beispiel Schichtungen in der Wasserdichte, die bei der Ansteuerung eines Zieles aus einer anderen Tiefe zu Abschattungseffekten führen können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Lenkregeln durch Vergleich des gemessenen Peilwinkels mit einem vorgegebenen Sollwert sowie durch Addition des mit einem konstanten Faktor multiplizierten Integrals der Regelabweichung zum Proportionalanteil der Regelabweichung entsprechend den Lenkregeln
KIV ( Λ« - *£«.>' dt
und
ψ. = K , χ ( Φ, - Φ. ) + K_. ( Φ. - ψ 'j. ) . dt + Of •ts ph Ttg 'tgs Ih Ttg 'tgs TO
zu modifizieren, worin die Klammerausdrücke die Regeldifferenz und K.JV und K_, Integrierbeiwerte bedeuten.
Eine Verifizierung der Lenkbeziehungen (3) und (k) kann in Weiterbildung der Erfindung durch Einfügung je einer Vergleichsstelle zur Bildung der Differenz Peilwinkel - Sollwinkel für Horizontal- und Vertikalebene und durch die Parallelschaltung je eines Integra-
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tors zum Proportionalglied erfolgen. Zur Verbesserung der Stabilität des Lenkregelkreises kann es zweckmäßig sein, dieser Parallelschaltung einen oder mehrere Differentiatoren parallel zuzuordnen. Aus den Beziehungen gemäß der Erfindung geht hervor, daß die stationären Werte für V+ und ty erst erreicht sind, wenn die zu integrierende Regeldifferenz zu Null geworden ist. Das bedeutet aber, daß die Peilwinkel vom gelenkten Körper zum Ziel sowohl in der Horizontal- als auch in der Vertikalebene mit den vorgegebenen Sollwerten übereinstimmen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen
Figur 1 das bisher praktizierte Verfahren der PN-Lenkung am Beispiel der Neigungslenkung,
Figur 2 den gemäß der Erfindung modifizierten Lenkregelkreis für die Neigungslenkung und
Figur 3 den modifizierten Lenkregelkreis für die Lenkung in der Kursebene,
Figur 4 die zur Verbesserung der Stabilität vorgeschlagenen Maßnahmen.
Gemäß Figur 1 a liefert die Kinematik 1, in die die Zieldaten und die Lenkkörperdaten eingegeben werden, als Ausgangssignal die Peilwinkelgeschwindigkeit 1/, . Der hiermit beaufschlagte
tg o-
Integrator 2 bildet den vertikalen Peilwinkel ν , bezogen auf den
tg
Horizont, der dem Proportionalglied 4 im Lenkregler 3 zugeführt wird. Das Ausgangssignal dieses Gliedes führt nach einer Summation mit der IntegrationskonstantenV an der Additionsstelle 5 zum Sollneigungswinkel y . An der Vergleichsstelle 6 im Lenkkörper
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- 5 HH 72/36
wird der Sollneigungswinkel ι/, mit der Neigungν . des· Lenkkörpers verglichen und die Regelabweichung nacheinander einem Neigungsregler 8, einem Stellglied 9 und der Regelstrecke 10 zugeführt.
Das zu erwartende Lenkergebnis ist in Figur Ib dargestellt. Der Lenkkörper T gelangt zunächst mit einer nur unwesentlichen Verzögerung in die Artfangsneigung y (t » 0) mit l/._ β Κ χ j. α, tO tO pv
V. o + ν_. Da dieser Neigungswert noch nicht die Kollisionsneigung ist, ändert sich die Neigung unter laufender Abnahme der Änderungsgeschwindigkeit bis zum Erreichen der stationären Kollisionsneigung 1Tf^* Diese bleibt bis zum Kollisionspunkt K erhalten. Über die Größe der Kollisionsneigung können aber im Startaugenblick in der Regel keine Aussagen getroffen werden, da hierzu umfangreichere Berechnungen erforderlich sind und außerdem alle Zieldaten bekannt sein müssen.
Der zuletzt genannte Sachverhalt ist wesentlich für die PN-Lenkung nach der bekannten Methode. Er stellt einen gravierenden Nachteil bei der Anwendung dieses Verfahrens dar.
Figur 2a stellt den Signalflußplan für die modifizierte PN-Lenregel nach der Erfindung dar. Er berücksichtigt zusätzlich eine Additionsstelle 11 zur Bildung der Winkeldifferenz lsi - x/1 i7 . ist der Sollwert der Vertikalpeilung.
t Ferner wird eine additive Komponente Kj^ i( t/1 - νΙ-_Β) d* durch
s 12
1 - νΙ-_Β
die Parallelschaltung eines Integrators 12 zum Proportionalglied h im Lenkregler 3 berücksichtigt. Die Ausgangsgrößen des Proportionalgliedes 4 und des Integrators 12 werden an der Versleichstelle zusammengeführt. Mit HLIfe dieser Anordnung wird der vollständige Abbau der Winkeldifferenz V. - tL erreicht. Jm. übrigen sind die
tg tgs β
gleichen Bezugszeichen für dieselben Bauelemente eingesetzt worden wie in Figur 1.
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Gemäß dem in Figur 2b dargestellten Bahnkurvenverlauf wird mit ■y. = O der Lenkkörper T in der Endphase der Ansteuerung eine horizontale Bahnkurve beschreiben, was gleichbedeutend ist mit der Übereinstimmung von Lenkkörper- und Zieltiefe. Auch bei geneigter Bahnkurve des Zieles G wird die Tiefendifferenz durch das integrale Verhalten des Lenkreglers ausgeregelt. Diese Maßnahme führt also bei horizontal laufendem Ziel auf eine ebene Lenkung. ·
Die PN-Lenkung mit doppelt integralem Verhalten kann vorteilhaft zur Bildung des Sollkurses eines Lenkkörpers eingesetzt werden.
In Figur Ja. ist in Abwandlung des vorher beschriebenen Beispiels der Neigungslenkung die Lenkung in der Kursebene dargestellt. Hierbei wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Parallelschaltung aus dem Proportionalglied 4 und dem Integrator 12 im Lenkregler 3 mit dem Differenzsignal aus dem Peilwinkel 1F+ und der Führungsgröße ψ. zu beaufschlagen, das an der Additionsstelle 11 gebildet wird. Hierdurch werden nach Abklingen des Einschwingvorganges die Angleichung des Peilwinkels ψ. , der als Regelgröße zu betrachten ist, an den Sollwert ψ. erreicht. An der Vergleichsstelle 13 werden die Ausgangssignale zusammengeführt. Nach Summation mit der Integrationskonstantenψ0 an der Additionsstelle 5 gelangt der Sollkurswinkelψ. an die Vergleichsstelle 6 im Lenkkörper 7t wo er mit dem Kurswinkel ψ . verglichen wird. Das Ausgangssignal geht dem Kursregler 8 zu. Die Peilwinkelregelung in der Kursebene kann z.B. zur Verbesserung der Trefferwahrscheinlichkeit dienen oder aus taktischen Gründen erforderlich sein.
Am Beispiel je eines Bahnkurvenverlaufes nach dem bisherigen und dem verbesserten PN-Verfahren in Figur 3° und 3c wird obiger Sachverhalt erläutert.
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Als Ziel wird ein Schiff angenommen, dessen von einem Torpedo T angesteuertes Geräuschzentrum G hinter dem Schiffskörper liegt. Die Bahnkurve I verläuft nach dem bisher bekannten PN-Verfahren. Da gemäß Figur 3b die Bahnkurve I die Konturen des Schiffskörpers S nicht schneidet, wird hiermit offenkundig kein Treffer erzielt.
Bei Bahnkurve II nach dem erfindungsgemäßen PN-Verfahren wird bei geeigneter Wahl des Sollpeilwinkels (in Figur 3b/3c ψt = ψg + l8O° ein Schneiden der Schiffskonturen durch die Lenkkörperbahnkurve, was als Kriterium für einen Treffer zu werten ist, zwangsläufig herbeigeführt.
Das dynamische Verhalten und letzten Endes die Stabilität der Bahnkurve eines nach PN gelenkten Lenkkörpers wird mit wachsender Annäherung an das Ziel ungünstiger. Diese Tatsache beruht darauf, daß die Entfernung vom Lenkkörper zum Ziel reziprok in die Kreisverstärkung des Lenkregelkreises eingeht. Letztere erreicht bei einem bestimmten Punkt den kritischen Wert, d.h. es vollzieht sich der Übergang vom stabilen zum instabilen Lauf. Hierbei ist es im Prinzip gleichgültig, ob nach der Lenkregel (l) und (2) des bereits bekannten PN-Verfahrens oder nach der Lenkregel (4) und (5) der erfindungsgemäß verbesserten PN gelenkt wird.
Bei beiden Verfahren ergibt sich für zu kleine Kreisverstärkungen ebenfalls Instabilität.
Eine Verbesserung der Stabilität ergibt sich nach den Prinzipien de*· Regelungstechnik durch Erweiterung des Lenkreglers um differenzierende Bauglieder und parallele Anordnung derselben gemäß Figur %. Mit Hilfe eines Differenziergliedes lk im Lenkregler 3, das zum Proportionalglied k und zum Integrator 12 parallel gelegt ist, wird eine einfache Differentiation der an der Vergleichsetelle 11 gebildeten.
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Winkeldifferenz ψ. -^+ bzw. ν , - V. erzielt, mit den Differenziergliedern 15 und 16 eine zweifache. K0, KQ und sind die zu den Blöcken lA - l6 gehörigen Differenzierbeiwerte.
Weitere parallele Zweige mit drei und mehr Differenziergliedern in Reihe sind wegen der damit verbundenen starken Anhebung des Störpegels nicht praktikabel. Zusammenfassend ist festzustellen, daß durch die vorgenommene Modifikation der PN-Lenkregel, nämlich Vorgabe eines Sollpeilwinkels als Führungsgröße und Erweiterung um einen parallelen I-Anteil, zusätzliche Möglichkeiten in der Anwendung der PN-Lenkung gegeben sind.
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Claims (3)

  1. PATENTANSPRUCHS
    l.y Lenkregel für einen nach der Proportional-Navigation gelenkten Körper, gekennzeichnet durch eine Modifikation der Lenkregel durch Vergleich des gemessenen Peilwinkels mit einem vorgegebenen Sollwert sowie durch Addition des mit einem konstanten ' Paktor multiplizierten Zeitintegrals der Regelabweichung zum Proportionalanteil der Regelabweichung entsprechend den neuen Lenkregeln . , ·... . .....
    dt ^
    K ( V . -2/Γ )+ET \ pv tg - tgs Iv J
    fts " V ( ttg - ttgS) + KIh j ( Ytg -ftgs) dt +
    , = K ( V . -2/Γ )+ET \ { dl -X ts pv tg - tgs Iv J N "tg tgs
    worin bedeuten -J. _ Sollneigungswinkel des Lenkkörpers
    y, is vertikaler Sollpeilwinkel bezogen auf Horizont
    TgS
    ■J, β vertikaler Peilwinkel bezogen auf Horizont
    tg
    i^, = Sollkurswinkel des Lenkkörpers
    ψ. = horizontaler Sollpeilwinkel bezogen auf eine feste Bezugsrichtung
    ψ\ = horizontaler Peilwinkel bezogen auf eine feste Bezugsrichtung
    ^ h - Lenkregelfaktoren
    Integrierbeiwerte
    • 409829/0065 " 2 '
    ty t ψ
    t ψ = Integrationskonstanten
    *o = Anfangszeitpunkt
    t = Zeit
  2. 2. Lenkregler zur Ausführung der Lenkregeln nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Einfügung je einer Vergleichsstelle, zur Bildung der Differenz Peilwinkel - Sollpeilwinkel für Horizontal- und Vertikalebene und durch die Parallelschaltung je eines Integrators (12) zum Proportionalglied (4).
  3. 3. Lenkregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Stabilität der Lenkregelkreise ein Differenzierglied (l4) und/oder zwei in Reihe geschaltete Differenzierglieder (151 l6) der Parallelschaltung (^, 12) parallel zugeordnet sind.
    LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH.
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    Leerseite
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