DE2300623B2

DE2300623B2 - Verfahren zur lenkung fuer einen nach der proportionalnavigation gelenkten koerper

Info

Publication number: DE2300623B2
Application number: DE19732300623
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl.-Ing. 2000 Schenefeld Fahrenkrog
Original assignee: Licenti A Patent Verwaltung S 6000 Frankfurt GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1973-01-08
Filing date: 1973-01-08
Publication date: 1976-06-10
Also published as: AR205246A1; DE2300623C3; DE2300623A1; GB1446362A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lenkung für einen nach der Proportionalnavigation (Integralform) gelenkten Körper.

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 Peilwinkel besitzt, verbreitet Anwendung.

Bei der dreidimensionalen Lenkung kann die Bildung Von Soll-Kurs und Sollneigung nach den Lcnkregeln

V'is = ^Kph · <l',„ + Vb
für die Kursebene

für die Neigungsebene erfolgen, wobei

ψ υ Sollkurswinkel des Lenkkörpers

Kph, Kpv Lenkregelfaktoren

ψ ν horizontaler Peilwinkel bezogen auf eine

feste Bezugsrichtung

ψο Integrationskonstante in der Kurs-Lenkre

gel

όκ Sollneigungswinkel des Lenkkörpers

dig vertikaler Peilwinkel bezogen auf Horizont

und

do Integrationskonstante in der Nei-

gungs-Lenkregel

hpHpnten

Die in diesen Beziehungen beschriebenen Lenkregeln stellen die Integralform der PN dar, d.h. der Lenkregelkreis besitzt einfaches integrales Verhalten.

Es sind ferner erweiterte Lenkregeln vorgeschlagen worden, die außer den raumfesten Winkeln tpt_g und big deren Änderung pro Zeiteinheit multipliziert mit einem konstanten Faktor als additive Komponente berücksichtigen. Auf diese Weise wird ein dynamisch korrigierter stabilerer Bahnkurvenverlauf erzielt, ίο Die bisherigen Betrachtungen sind hauptsächlich auf das dynamische Verhalten des Lenkregelkreises gerichtet Es kann jedoch über die Lösung der dynamischen Probleme hinaus von wesentlichem Interesse sein, zwischen Lenkkörper und Ziel eine definierte lagemäßige Zuordnung zu erlangen, um beispielsweise bei der Geschoßlenkung unter Berücksichtigung der Zielkonturen die Trefferwirkung zu optimieren oder bei Rendezvous-Manövern von Satelliten oder Raumfahrzeugen deren Ankopplung zu erleichtern.

Selbst unter der Annahme, daß weder äußere Störungen, z. B. Queranströmung des Lenk körpers, noch Ausweichbewegungen des angesteuerten Zieles zu berücksichtigen sind, würde der Übergang des Lenkkörpers auf eine Bahnkurve mit definierten Peilwinkeln zum Ziel und die Beibehaltung dieser Peilwinkel unter Benutzung der bekannten Lenkregeln (1) und (2) einen sowohl mathematisch wie auch gerätetechnisch hohen Aufwand erfordern. In vielen Lenkkörpern, bei denen bezüglich des verfügbaren Volumens große Einschränkungen gegeben sind, könnte der zur Bahnkurvenberechnung erforderliche Rechner zudem platzmäßig nicht untergebracht werden.

Greifen darüber hinaus äußere Störungen am gelenkten Geschoß oder Fahrzeug an — z. B. Abdriften in dem umgebenden Medium infolge von Queranströmung oder Querkräften auf Grund fertigungsbedingter Unsyrnmetrien —, so kann mit Hilfe des bisherigen Verfahrens die Forderung nach Annäherung an das Ziel unter einem definierten Peilwinkel auch mit erhöhtem gerätetechnischen Aufwand nicht erfüllt werden.

Ferner muß bei der Lenkung von Geschossen mit Ausweichbewegungen des Zieles gerechnet werden, wobei die Möglichkeit, unter Benutzung des herkömmlichen Verfahrens einen definierten Endpeilwinkel zu erreichen, ebenfalls nicht gegeben ist.

Ein wesentlicher Nachteil der PN in der bisherigen Form ist jedoch darin zu sehen, daß zwar die Hinführung von Lenkkörper zum Ziel gewährleistet ist, nicht jedoch das Erreichen einer bestimmten lagemäßigen Zuordnung des Lenkkörpers zum Ziel.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Lenkverfahren zu schaffen, bei dem mit einfachen Mitteln der Peilwinkel zwischen Lenkkörper und Ziel in einer definierten Ebene, vorzugsweise in Horizontal- und Vertikalebene, auf einen vorgegebenen Sollwert gebracht und trotz eventueller äußerer Störeinflüsse der erreichte Wert beibehalten wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der in der Lenkebene gemessene Peilwinkel in einem Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen, die Differenz zwischen Istpeilung und Sollpeilung jeweils getrennt auf ein Proportionalglied und einen Integrator geführt wird, in einer Summierstelle das Summiersignal aus den Ausgar.gssignalen des P-Gliedes und des Integrators gebildet wird und nach Hinzufügung eines konstanten Signalanteils in der Summierstelle dem Lenkkörper als Lagewinkel-Sollwert zugeführt wird.

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Mit diesem Verfahren können die erweiterten Lenkregeln erfüllt werden, die folgende mathematische Form besitzen:

i',_s = K ·<#,„-

VVs -

+ K

_1V jib,_g-

K ι* J U% —

,.,J df + (3)

,„,> df +

Aussage getroffen werden, da hierzu umfangreichere Berechnungen erforderlich sind und außerdem alle Zieldaten bekannt sein müssen.

Der zuletzt genannte Sachverhalt ist wesentlich für d\c PN-Lenkung nach der bekannten Methode. Er stellt einen gravierenden Nachteil bei der Anwendung dieses Verfahrens dar.

F i g. 2a stellt den Signalflußplan für den Lenkregler nach der Erfindung dar, in dein zusätzlich ein Vergleicher 11 zur Bildung der Winkeldifferetiz dig bis ö,_gs eingefügt ist digs ist der Sollwert der Vertikalpeilung.

Ferner wird eine additive Komponente

Zur Verbesserung der Stabilität des Lenkregelkreises kann es zweckmäßig sein, der Parallelschaltung des Proportionalgliedes und des Integrators einen oder mehrere Differentiatoren parallel zuzuorunen.

Das Lenkverfahren gemäß der Erfindung hat den besonderen Vorteil, daß die Lenkkommandos ihren stationären Wert erst erreichen, wenn die Bedingungen y,_e = ψ_¥5 bzw. ö,_g = ό,ρ erfüllt sind und die Integralen konstant bleiben. 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. Selbst die Auswirkungen von Störungen auf den Lenkkörpern oder Ausweichbewegungen des Zieles werden kompensiert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 das bisher praktizierte Verfahren der PN-Lenkung am Beispiel der Neigungslenkung,

Fig. 2 den gemäß der Erfindung modifizierten Lenkregelkreis für die Neigungslenkung und

F i g. 3 den modifizierten Lenkregelkreis für die Lenkung in der Kursebene,

Fig.4 die zur Verbesserung der Stabilität vorgeschlagenen Maßnahmen.

Gemäß Fig. la liefert die Kinematik 1, in die die Zieldaten und die Lenkkörperdaten eingegeben werden, als Ausgangssignal die Peilwinkelgeschwindigkeit öig. Der hiermit beaufschlagte Integrator 2 bildet den vertikalen Peilwinkel ötg bezogen auf den Horizont, der dem Proportionalglied 4 im Lenkregler 3 zugeführt wird. Das Ausgangssignal dieses Gliedes führt nach einer Summation mit der Integrationskonstanten όο an der Additionsstelle 5 zum Sollneigungswinkel on. An der Vergleichsstelle 6 im Lenkkörper 7 wird der Sollneigungswinkel öi* mit der Neigung δι des Lenkkörpers verglichen und die Regelabweichung nacheinander einem Neigungsregler 8, einem Stellglied 9 und der Regelstrecke 10 zugeführt.

Das zu erwartende Lenkergebnis ist in Fig. Ib dargestellt. Der Lenkkörper T gelangt zunächst mit einer nur unwesentlichen Verzögerung in die Anfangsneigung

It₁₀U = 0) mit J)₁₀ = Κ_ρν-ϋ_ίφ + ti_a.

Da dieser Neigungswert noch nicht die Kollisionsneigung ist, ändert sich die Neigung unter laufender Abnahme der Änderungsgeschwindigkeit bis zum Erreichen der stationären Kollisionsneigung ötk. Diese bleibt bis zum Kollisionspunkt K erhalten. Über die geometrische Zuordnung des Lenkkörpers zum Ziel, insbesondere über den Endwert des Peilwinkels dtg, kann aber im Startaugenblick in der Regel keine K,

durch die Parallelschaltung eines Integraiors 12 zum Proportionalglied 4 im Lenkregler 3 berücksichtigt. Die Ausgangsgrößen des Proportionalgliedes 4 und des Integrators 12 werden an der Summierstelle 13 zusammengeführt. Mit Hilfe dieser Anordnung wird der vollständige Abbau der Winkeldifferenz ötg bis <Ws erreicht Im übrigen sind die gleichen Bezugszeichen für dieselben Bauelemente eingesetzt worden wie in Fig. 1.

Gemäß dem in Fig. 2b dargestellten Bahnkurvenverlauf wird mit ötgs = 0 der Lenkkörper T in der Endphase der Ansteuerung eine horizontale Bahnkurve beschrieben, 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 F i g. 3a 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 \ptg und dem entsprechenden Sollwert iptgs zu beaufschlagen, das an der Additionsstelle 11 gebildet wird. Hierdurch werden nach Abklingen des Einschwingvorganges die Angleichung des Peilwinkels ψ^ an den Sollwert yitgs erreicht.

An der Vergleichsstelle 13 werden die Ausgangssignale zusammengeführt. Nach Summation mit der Integrationskonstanten φο an der Additionsstelle 5 gelangt der Sollkurswinkel ψ« an die Vergleichsstelle 6 im Lenkkörper 7, wo er mit dem Kurswinkel ψι verglichen wird. Das Ausgangssignal geht dem Kursregler 8 zu. Die Peilwinkelregelung in de^r Kursebene kann z. B. zur Verbesserung der Treffwahrscheinlichkeit dienen oder aus taktischen Gründen erforderlich sein.

Am Beispiel je eines Bahnkurvenverlaufes nach dem bisherigen und dem verbesserten PN-Verfahren in F i g. 3b und 3c wird obiger Sachverhalt erläutert.

Als Ziel wird ein Schiff angenommen, dessen von einem Torpedo Γ nach dem bisherigen Lenkverfahren angesteuertes Geräuschzer.trum G hinter dem Schiffskörper liegt. Da gemäß F i g. 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 F i g. 3b/3c ψΐί,-Λ = ψ_ν + 180°) ein Schneiden der Schiffskonturen durch die Lenkkörperbahnkurve, vvas als Kriterium für einen Treffer zu werten ist, zwangläufig 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 zwischen Lenkkörper und 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 (1) und (2) des bereits bekannten PN-Verfahrens oder nach dem erfindungsgemäß verbesserten Lenkverfahren gelenkt wird.

Bei beiden Verfahren ergibt sich für zu kleine Kreisverstärkungen ebenfalls Instabilität.

Eine Verbesserung der Stabilität ergibt sich nach den Prinzipien der Regelungstechnik durch Erweiterung des Lenkreglers um differenzierende Bauglieder und parallele Anordnung derselben gernäß F i g. 4. Mit Hilfe eines Differenziergliedes 14 im Lenkregler 3, das zum Proportionalglied 4 und zum Integrator 12 parallel gelegt ist, wird eine einfache Differentiation der an der Vergleichsstelle 11 gebildeten Winkeldifferenz ψι₅ bis Vtgs bzw. ob bis öifs erzielt, mit den Differenziergliedern 15 und 16 eine zweifache. Kd, Kdi und Kd? sind die zu den Blöcken 14 bis 16 gehörigen Differenzierbeiwerte. Weitere parallele Zweige mit drei und mehr Differenziergliedern in Reihe sind wegen der damit verbundenen starken Anhebung des Störpegels nicht praktikabel.

Bei dem Lenkverfahren kann es außerdem vorteilhaft

sein, die Sollwerte der Peilwinkel ψ« und ötg sowie die Korreklurgrößen ψο und δο von außen, beispielsweise von einem Rechner, als variable Größen vorzugeben.

Eine Korrektur dieser Größen kann unter anderem dann notwendig werden, wenn durch Fahrtrichtungsänderungen des Zieles die Gefechtskinematik verändert wird.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dem neuen Lenkverfahren, nämlich Vorgabe eines Sollpeilwinkels als Führungsgröße und Erweiterung des Lenkregelkreises um einen parallelen I-Anteil, zusätzliche Möglichkeiten in der Anwendung der PN-Lenkung gegeben sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Lenkung eines nach der Proportional-Navigation gelenkten Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Lenkebene gemessene Peilwinkel (ψ«, dig) in einem Vergleicher (11) mit einem vorgegebenen Sollwert {iptgs, örgs) verglichen, die Differenz zwischen istpeilung und Sollpeilung jeweils getrennt auf ein Proportionalglied (8) und einen Integrator (12) geführt wird, in einer Summierstelle (13) das Summensignal aus den Ausgangssignalen des Proportionalgliedes und des Integrators gebildet wird und nach Hinzufügung eines konstanten Signalanteils in der Summierstelle (5) dem Lenkkörper (7) als Lagewinkelsollwert (ipts, öts) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Vergleichsstelle (11) eingespeisten Signale des Peilwinkelsollwertes veränderliche Größen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Stabilität der Lenkregelkreise ein Differenzierglied (14) und/oder zwei in Reihe geschaltete Differenzierglieder (15, 16) der Parallelschaltung (4, 12) parallel zugeordnet werden.