DE2310767A1

DE2310767A1 - Einrichtung zur stabilisierung einer in einem kardanrahmen aufgehaengten plattform

Info

Publication number: DE2310767A1
Application number: DE19732310767
Authority: DE
Inventors: Gerrit Johan Hendri Spenkelink; Sjoerd Tijsma
Original assignee: Thales Nederland BV
Current assignee: Thales Nederland BV
Priority date: 1972-03-15
Filing date: 1973-03-03
Publication date: 1973-09-27
Also published as: US3986092A; CH560888A5; SE385500B; JPS55683B2; IT979715B; DE2310767B2; NL165583B; FR2175927B1; NO135799C; NL165583C; AU5314673A; NL7203387A; BE796741A; GB1424016A; AU472467B2; JPS493657A; FR2175927A1; NO135799B; CA999360A; DE2310767C3

Description

HOLLANDSE SIGNAAUPPARATEN B.V. ,
Zuidelijke Havenveg 40,
HENGELO (O), Niederlande

Einrichtung zur Stabilisierung einer in einem Kardanrahmen aufgehängten Plattform

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Stabilisierung einer in einem Kardanrahaen aufgehängten Plattform um zwei senkrecht zueinander stehenden Aohsen, wobei Ton einea krelBeigesteuerten Servosystem Gebrauch gemaoht wird, da· zur Stabilisierung um jede dieser beiden Achsen einen SerYO-Torrerstlxkeir und einen daran angeschlossenen und durch eine Motor-Tachokoablnatlon gegengekoppelten Servo-Endverstärker umfasst, wobei der vom Servo-Endveratärker gesteuerte Motor die Plattform ua die betreffende Achse in bezug auf den Rahmen zum Kippen bringen kann.

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ORIGINAL INSPECTED

Eine Einrichtung zur Stabilisierung einer in einem Kardanrahmen aufgehängten Plattform ist in der Niederländischen Patentanmeldung Nr. 7017154 beschrieben, während eine Ausführung des Servosystems der elngangeerwähnten Art in der Niederländischen Patentanmeldung Nr. 71Ο6Θ51 erwähnt ist.

Eine solche Stabillsierungseinrichxung wird unter anderem auf Schiffen eingesetzt, wo ein Radarantennensvstein auf einer stabilisierten Plattform angeordnet werden soll. Die Plattform wird dann in zwei konzentrischen Kardanringen aufgehängt, ▼on denen der äussere schiffsfest angeordnet ist. Eine besondere Anordnung ist auch der TJ. S. Patentschrift 3· 359· 285 zu entnehmen, wo der äussere Kardanring parallel zur Decksebene fest durch die Innenwand eines nahezu kugelförmigen und schiffsfest angeordneten Radome unterstützt wird.

Die Servomotoren, mit denen die Plattform in den Kardanringen um zwei senkrecht zueinander stehenden Achsen gekippt werden kann, befinden sloh dabei auf dem Kardanrahmen. Wird angenommen, da·· die Plattform eine vollstabilisierte Lage einnimmt« d.h. ständig auf einen die Vertikale bestimmenden Vertikalkreisel naohgesteuert ist und anschließend Schlingerbewegungen des eigenen Schiffes auftreten, so werden wegen der Anordnung der Motoren auf de» Kardanrahmen die Achsen der entsprechenden Motoren in bezug auf das Schiff eine Rotation ausführen. Die mit den Motoren gekoppelten Tachogeneratoren werden daher dem Servo-End-▼erstärker eine Gegenkopplungsspannung zuführen, was bewirkt, dass die von diesen gesteuerten Motoren die stabilisierte Plattform ein venig aus der vollstabilisierten Lage bringen.

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Eine mOgliche Lösung dieses Probleme wäre das Entfallen der Tachogegenkopplung, vas jedoch nicht in Frage kommt, da die Eigenschaften des Servosystem» dadurch wesentlich beeinträchtigt würden. Eine andere Lösung wäre, statt einer direkten Rückkopplung der Motorbewegung mit Hilfe des Tachogeneratore, die Tachogegenkopplung zu- unterlassen und dafür eine Rückkopplung der Plattformbewegung zu veranlassen. Dazu nuss von einem auf der Plattform angeordneten Drehgeschwindigkeitemesser Gebrauch gemacht werden, z.B. von einem Wendekreisel oder von einem integrierenden Drehbeechleunigungsmeseer. Ob in der Stabilisierungseinrichtung eine Rückkopplung der Motorbewegung oder eine Rückkopplung der Plattformbewegung mit einer entsprechenden Dimensionierung realisiert wird, bleibt für die dynamischen Eigenschaften in bezug auf unter anderem den stabilisierenden Effekt und die Störmomentfestigkeit gleichgültig. TTm durch Rückkopplung der Plattformbewegung dennoch die Lösung des im obigen aufgezeigten Problems herbeizuführen, wäre eine Gegenkopplungsepannung von nahezu Null erforderlich, da die absolute Bewegung der grundsätzlich horizontal stehenden Plattform gemessen wird. Diese Spannung wird auch nicht als störend erfahren und braucht daher nicht durch eine Steuerspannung kompensiert zu werden, die normalerweise aus einem Naohsteuerfehler erhalten wird, dass heiset einem Fehler, der einer Abweichung der Lage der Plattform gegenüber der des Vertikalkreisels entspricht. Der Nachsteuerfehler wird denn auch nahezu Null bleiben und die Plattform wird ihre horizontale Lage beibehalten. Dass diese Lösung in der Praxis nicht den Erwartungen entspricht, ist dem Zahnradübertragungesystem zwischen Motor und Drehgeechwindigkeitsmeeser

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(Plattform) zuzuschreiben. Das hierdurch auftretende Spiel sowie Federerscheinungen haben, zusammen mit den vorhandenen Massen, eine die Unetabilität fördernde Auswirkung auf den Tachokreie, der nun durch den Motor, das Übertragungssystem, den Drehgeschwindigkeitsmesser und den über diese Glieder gegengek'oppelten Servo-Endveretärker gebildet wird. Die Resonanzfrequenz des durch die Plattform und das Zahnradübertragungseystern gebildeten Systeme von Masse und Federung beschränkt die Bandbreite dee Tachokreises so wesentlich, dass die verlangte Systembandbreite nicht realisierbar ist.

Die Lösung vorgenannten Problems im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Anbringung zweier Messgeräte auf dem Kardanrahmen, von.denen jedes ein Signal liefert, das als Hass für die Drehgeschwindigkeit des Rahmens um die betreffende Achsp dient und aus den eine Spannung abgeleitet wird, die nach Zuführung an den betreffenden Servo-Endverstärker vorgenannte dem System anhaftende Servofehler wesentlich reduziert.

Die Lösung entsprechend der Erfindung beruht daher

darauf, ein Kompensationssignal für die Tachogegenkopplungsspannur.;: in das Servosystem einzugeben, welches Signal völlig ausserhalb des Servokreises erzeugt wird und folglich von allen, namentlich mechanischen, Unvollkonimenheiten des Servokreiees befreit ist.

Als Messgeräte werden Drehgeschwindigkeitßnesser (Wendekreisel) eingesetzt; obschon Drehbeschleunigungsmesser mit Seitenempfindlichkeit anwendbar sind, sind diese wegen des damit verbundenen höheren Aufwandes nicht empfehlenswert.

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Die Erfindung ist anhand der Figuren näher erllutert, es zeigen

Fig. 1 die Stabilisierungseinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein stark vereinfachtes Blockschema, anhand dessen die Arbeitsweise der Stabilisierungseinrichtung nach der Erfindung dargelegt wird, und die

Fig. 3A-C und 4 Diagramme zur näheren Erläuterung.

In Fig. 1 ist die um die Achsen 1 und 2 zu stabilisieren' de Plattform mit 3 bezeichnet. Die Plattform hängt in einem Kardanrahmen, von dem der innere Kardanring mit 4 und der äussere mit 5 bezeichnet ist. Letzterer 1st schiffsfest und parallel zur Decksebene angeordnet. In der vorliegenden Ausführung befindet sich auf der Plattform 3 ein Kreise!kompassgehäuse 6, in dem ein Vertikalkreisel 7 kardanisch aufgehängt ist. Dieser Kreisel wird in einer solchen Lage gehalten, dass seine Drehachse eine Richtung senkrecht zur Erdoberfläche einnimmt. Dies erfolgt in üblicher Weise durch zwei nicht in der Figur dargestellte Translationsbeschleunigungsmesser mit angeschlossenen Verstärkerschaltungen und den mit dem Kreisel gekoppelten Drehmomenterzeugern 8 und 9· Wie der Kreisel in eine Vertikallage gebracht und danach in dieser Lage gehalten wird, ist in der Niederländischen Patentanmeldung 7017134 näher dargelegt; für ein gutes Verständnis der vorliegenden Erfindung Ist es jedoch nicht notwendig, sich damit näher zu befassen.

Befindet die Plattform 3 sich ninht in einer rein

horizontalen Lage, d.h. ist die Plattform nicht völlig zum Kreisel 7 ausgerichtet, wird von einem oder von beiden mit dem Kreisel

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verbundenen Synchros 10 und 11 eine Fehlerspannung abgegeben. Im nachstehenden werden nur die Plattform- und Schlingerbewegungen um die Achse 1 einer Betrachtung unterzogen. Für die Achse 2, um die die Plattform sich kippen läset und auf welche die Schiffsechlingerbewegungen bezogen sind, gelten sinngemäss die gleichen Überlegungen. Es sei angenommen, dass eine vom Synchro 11 abgegebene Fehlerspannung ε einem Servoverstärker zugeführt wird, der aus einem Servo-Vorveratarker VZ, und einem damit verbundenen und mittels einer Motor-Tachokombination 13» 14 gegengekoppelten Servo-Endverstärker Jjj, aufgebaut ist. Der vom Servo-Endverstärker gesteuerte Motor 13 lässt die Plattform unter Einschaltung des Zahnradübertragungssystems 16 so um die Achse 1 kippen, dass der Nachsteuerfehler ε auf Null reduziert wird, oder aber bis die Plattform völlig zum Kreisel ausgerichtet ist.

Die Ausführung des Servoverstärkers ist auf vielerlei Art möglich. In der vorliegenden Ausführung umfasst der Servo-Vorverstärker _V2_ der Reihe nach einen Demodulator 17» ein Filter 18, das so bemessen ist, daee der im Nachsteuersignal enthaltene und vom Kreisel herrührende Nutationsfrequenzanteil in ausreichendem Masse unterdrückt wird, sowie ein integrierendes Netzwerk 19» auf dessen Funktion noch näher eingegangen wird. Der Servo-Endverstärker IJH. besteht entsprechend dem in der Niederländischen Patentanmeldung 7106831 genannten aus einem Summierverstärker 20, dem sowohl die A us gangs spannung des Servo-Vorverst&rkers J_2 als auch die des Tachogeneratore 14 zugeführt wird, einem Verstärker Bit Kompensationsnetiverk 21, sowie aus einem gegengekoppelten und durch einen Pulsbreitenmodulator 22 und eine schaltende Brücken-

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anordnung aus Leistungstransistoren 23 gebildeten Verstärker, wobei der Motor 13 in die Brückenanordnung aufgenommen iet. Die Gegenkopplung wird mit Hilfe eines Regelverstärkers mit integrierendem Netzwerk 24 und dem Summierverstärker 25 realisiert und dient zum Erhalt einer besseren linearen Spannungsveretärkungecharakterietik. Zur Gewährleistung ein<*r guten Arbeitsweise des Servo-Endverstärkers muss wegen der Einführung eines integrierenden Netzwerkes in letztgenannte Kopplungekette der Verstärker 21 ebenfalls mit einem integrierenden Netzwerk versehen sein, vorzugsweise mit einer entsprechenden Zeitkonstanten wie die dee integrierenden Netzwerkes in der Gegenkopplungskette. Da die spezifische Ausführung des Servo-Endveretärkers für die Erfindung selbst nicht wesentlich ist, werden ausser den obigen Angaben über den verwendeten Typ keine näheren Details genannt. Es sei nochmals betont, dass zahlreiche andere Typen von ServO-Endverstärkern ebenfalls anwendbar sind.

Die Motor-Tachokonbination 1% 14 ist am äusseren Kardanring 5 befestigt. Wird angenommen, dass die Plattform mit dem Kreisel ausgerichtet ißt, d.h. die Fehlerspannung ε« 0 ist und anschliessend eine Sehlingerbewe^ung des eigenen Schiffes un die Achse 1 auftritt, wird das Motorgehäuse einer Schwenkung entsprechend der Schlingerbewegung des Schiffee ausgesetzt und die Hotorachse einer Schwenkung gegenüber dem Motorgehäuse, wodurch der Tachogenerator 14 eine Spannung abgibt, die nach Weiterleitung an den Servo-Endverstärker 15 bewirkt, dass der Motor die Plattform aus seiner Horizontallage bringt und dass eine Fehlerspannung ε erhalten wird, die über den Servo-Vorverstärker die

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vom Tachogenerator gelieferte Spannung teilweise kompensiert.

Gemüse der Erfindung wird den Servo-Encverstärker nun eine Korrekturspannung zugeführt, die durch Einschaltung eines Demodulators 26 und eines Filters 27 einen Drehgeschwindigkeitenesser 28 auf dem Kardanring ": entnommen wird. Gleicherweise enthält die SIaM Ii sierungseinrichtiing einen zweiter. Drehfjeachwindigkeitsmesser 20 zur Kompensation der im Servosystem auftretenden Fehler, welches System zur Nachsteuerung der Plattform um die Achse 2 dient. Anhand von Fig. 2 wird nun näher erläutert, welche Auswirkung die Hinzufttgung des Drehgesehwindigkeitsiaessers hat und wie das Filter 27 bemessen sein muss, um unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Servo-Vorverstärkero und des Tachokreises eine optimale Kompensation für vorgenannte Servofehler zu erhalten. ·

In Fig. 2 werden der Servo-Endverstärker JJIL» der Motor und das Zahnradübertragungssystem 16 zusammen durch die Einheit dargestellt; die Übertragungsfunktion dieser Einheit wird mit H₁Ce) bezeichnet. Die in Fig. 2 mit 31 bezeichnete Einheit stellt den Tachogenerator dar, der unmittelbar auf die Position der Achse gegenüber dem Kardanring 5 bezogen ist und eine Übertragungsfunktion besitzt, die mit H₂(s) bezeichnet wird. Für die Übertragungsfunktion des Tachokreises gilt daher:

H₁(B) H_t(s)

' » ^w»⁸ sich als · ·· schreiben lässt.

Der Servo-Vorverstarker ist in Fig. 2 mit 52 bezeichnet und besitzt eine übertragungsfunktion H,(β).

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Der Drehgeechwindigkeitsmesser mit Filter und Demodulator ist in Fig. 2 mit 33 bezeichnet. Die Übertragungsfunktion dieser Einheit wird mit H.(s) angedeutet.

Für die Übertragungefunktionen Η..(β)_# H₂(s) und H,(β) gelten folgende Beziehungen:

" ^k1

Η₂(β) - k₂.B

1 + ST.

worin k., k_ und k, die GleitihspannungsVerstärkung der Einheiten 30, 31 bzw. 32 darstellen, T die mechanische Zeitkonstante des Motors zuzüglich der damit gekoppelten Belastung, T_y die elektrische Zeitkonstante des Servo-Endverstärkers und T. die Zeitkonetante des zum Servo-Vorverstärker gehörigen integrierenden Netzwerkes 19^ Die Grossen k., k_, T und T sind so gewählt, dass

1 C. B V

Unter dieser Bedingung gilt für H.(s):

M-> ^J—rr ·

1 + eT + B T

τ ν

In Fig. 2 ist die durch die Lage des Kreisel· gekennzeichnete Führungsgrösse mit φ. angegeben. Hierauf wird die Plattform (deren Winkeldrehung durch φ . angedeutet wird) nachgedreht. Für den von Synchro 11 abgegebenen Nachsteuerfehler ε gilt: ε ■ φ - φ .; hierbei sind φ. und φ . auf ein erdfestes Koordinatensystem bezogen. Auch sind in Fig. 2 die Eingaben φ, und · angegeben, wobei φ, eine Schiffsschlingerbewegung darstellt, die am Aufstellungsort der Plattform auftritt.

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Eigentlich umfasst φ. auch noch die relative Verformung der Plattformunterstützung gegenüber den Schiffsachsen. Obschon ausser den niederfrequenten Schiffsschlingerbewegungen φ, auch hochfrequente Komponenten (Vibrationen des Schiffes) und andere Unvollkommenheiten bei der Drehgeschwindigkeitsmessung vorkommen, z.B. durch Kardanfehler und Empfindlichkeit»für Geschwindigkeitskomponenten in anderen Richtungen, werden diese Anteile getrennt durch das zugeführte Störsignal φ bezeichnet, wodurch φ. im

S Cl

wesentlichen die niederfrequente Schiffsschlingerbewegung vertritt. Als Eingabe für die Einheit 33 dient daher φ, + φ , während φ.

CL S OL

sich andererseits unmittelbar auf die Plattformbewegung auswirkt, entsprechend φ .. - φ, + φ , worin φ die Position der Motorachse gegenüber dem Kardanring 5 darstellt. Für das in dieser Veise verwirklichte System gilt nun:

Die vom Kreisel bestimmte Führungsgrösse ψ. kann auf Null angesetzt werden. Zunächst wird der Einfluss der niederfrequenten Sohiffsbewegung auf das Servosystem ermittelt, d.h., dass zuerst φ ■ 0 angenommen wird. Für obige Beziehung ist folgende Ableitung möglich!

H (s)

Daraue geht hervor, dass falls H.(s) - ■ angenommen wird, der Nachsteuerfehler ε» O ist, mit anderen Worten:die Plattform

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bleibt zum Kreisel auegerichtet und die infolge der Schiffebewegung auftretende Tachogeneratorausgangsepannung wird völlig durch die vom Drehgeschwindigkeitsraesser erhaltene Korrekturspannung kompensiert.

Da die Frequenzanteile von φ, innerhalb der Bandbreite

(=-") dee Tachokreiees liegen werden und innerhalb dieser Bandbreite ν

gilt, dass H.(a) 2ί 1, würde es genügen,H₄(s) gleich gross wie Η_(β) zu wählen, was jedoch nicht zu verwirklichen ist, da H.(β) nicht konstant zu sein braucht. So können z.B. durch Kardanfehler GradientSchwankungen bei der Drehgeschwindigkeitsmessung auftreten. E.(β) wird nun wie folgt gewählt:

k„s.·

sT_c '

hierin ist (Xk₂ der Gradient der Drehgeschwindigkeitsmessung. FQr eine optimale Kompensation muss α ■ 1 sein. Das Filter 26 ist daher als Tiefpass ausgebildet; die Zeitkonstante T ist

unter anderem so gewählt, dass das Störsignal φ ausreichend

abgeschwächt wird, worauf noch näher eingegangen wird.

H (β)

Dae Glied 1 - . H.(s) , wodurch eine zusätzliche Abechwächung ^Ά2^^Β'

für φ. eingeführt wird, wird nun - zumindest innerhalb der Bandbreite des Tachokreises - wie folgt:

Für Frequenzen unterhalb -— («;=—) setst daher eine wirksame

c ν

Fehlerreduzierung ein. Ausserdem lSest sich feststellen, dass

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je mehr der Paktor α von 1 abweicht, desto kleiner T _tje wählt werden rouns, um noch eine akzeptatele niederfrequente Fehlerreduzierung zu erhalten. Die optimale Verbesserung ist jedoch auf einen Faktor ' beschränkt. Ohne eine Kompensation mit Hilfe der Einheit 33 würde

ε 1

¹^

welcher Ausdruck nach Einsetzen von H_o(s), H₇(S) und H, (s) und dabei angenommen·, dass =— «=— ^und KTT, « 1 ist, wobei

ι ν ^{a v x}

V
^a ~ k T

iet, angenähert werden kann durch;

^Ka

^{1 + β} i ⁺ K_a

Dae Bodesche Diagramm für diesen Ausdruck iet in Fig. 3A mit

-2 - 5

K a 160 sec , T. - 0,112 sec, T - 5,3. 10 ^ sec gegeben.

et . JL V

Fig. $B zeigt das Bodesche Diagramm für das die zusätzliche Abschwächung einführende Glied
H₄(s)

wobei α - 0,9 angenommen und für T - 0,04 eec gewählt ist.

Fig. 3C ist das Bodesche Diagramm bei Kombination der beiden letztgenannten Glieder zu entnehmen.

Zur Ermittlung des Einflusses des Störsignals φ_β auf das Servosystem, wofür φ - 0 angenommen wird, gilt folgende Formel:

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"β

Nach Einsetzung von Η_(β), H,(β), H.(s) und H_t(s) und unter den gleichen Annahmen für T., T und K wird dieser Ausdruck

1 ▼ &

α ^Ka

Das Bodesche Diagramm hierfür ist Fig. 4 zu entnehmen, wobei α - 1 und K , T., T und T wie oben angenommen sind.

Vie aus der Figur hervorgeht, wird unterhalb der Systembandbreite (vTT ) die Störungeunterdrückung durch die Übertragungsfunktion des Hauptkreiees bestimmt. Oberhalb der Bandbreite ist die StÖrungsherabeetzung zunächst von T abhängig, weshalb es

vorteilhaft sein würde, diesen Wert ziemlich gross zu wählen. Auch sollte berücksichtigt werden, dass φ an sich ziemlich klein ist, was vor allem für den Frequenzbereich in der Nähe der Band* breitengrenzen von Wichtigkeit ist.

Wie bereits erwähnt, wird die Wahl von T durch den Wert

mitbestimmt, den α annimmt. Je mehr α von 1 abweicht, desto kleiner T zu wählen ist, damit noch eine günstige niederfrequente Fehlerreduzierung erhalten wird. Eine Vergrösserung von T kann

dagegen für eine gute hochfrequente Störungeunterdrtickung von

Wichtigkeit sein; ein zu grosser Wert von T beeinträchtigt jedoch

die beabsichtigte Fehlerverringerung. Ausserdem ist zu berücksichtigen, dass bei der Wahl von T die Systembandbreite wegen der zwischen ~ 27? und — auftretenden Resonanzfrequenzen, die

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durch das aus der Plattform und dem Übertragungssystem gebildete System von Masse und Federung eingeführt werden, beschränkt gehalten werden muss. Die Wahl von T wird daher eine Kompromisslösung zwischen den genannten Faktoren erforderlich machen. Die vorgenannte Wahl von T -0,04 see ergibt jedoch bereife

eine beachtliche Fehlerverringerung. *

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Claims

PATENTATTSPRUCHE:

1.) Einrichtung zur Stabilisierung einer in einem Kardanrahmen aufgehängten Plattform um zwei senkrecht zueinander stehenden Achsen, wobei von einem kreiselgesteuerten Servosystem Gebrauch gemacht wird, das zur Stabilisierung um jede dieser beiden Achsen einen Servo-Vorverstärker und einen daran angeschlossenen und durch eine Kotor-Tachokombination gegengekoppelten Servo-Endverat&rker umfasst, wobei der vom Servo-Endverstärker gesteuerte Motor die Plattform um die betreffende Achse in bezug auf den Rahmen zum Kippen bringen kann, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kardanrahmen zwei Messgeräte angebracht werden, von denen jedes ein Signal liefert, das als Mass für die Drehgeschwindigkeit des Rahmens um die betreffende Achse dient und aus dem eine Spannung abgeleitet wird, die nach Zuführung an den betreffenden Servo-Endverstärker die dem System anhaftenden Servofehler reduziert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei als Messgeräte Drehgeechwindigkeitsmeeeer eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Drehgeschwindigkeitsmesser und den betreffenden Servo-Endverstärkern ein Tiefpassfilter angeordnet ist. ·

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5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daee das Tiefpaßsfilter so bemessen int, dass der Gradient einer Kombination von Drehoeschwindigkeitsniesser und daran angeschlossenem Tiefpass weitgehend dem der korrespondierenden Tachog-egenkopplungekette entspricht, während die Zeitkonstante des genannten Tiefpassfilters so gross gewählt wird, als es ohne Beeinträchtigung der beabsichtigten Fehlerreduzierung des Servosystems länglich ist.

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