DE2447993C2

DE2447993C2 - Regelsystem für ein Tragflügelboot

Info

Publication number: DE2447993C2
Application number: DE2447993A
Authority: DE
Inventors: Donald R. Seattle Wash. Stark
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1973-10-10
Filing date: 1974-10-04
Publication date: 1983-08-25
Also published as: US3902444A; DE2447993A1; IT1021732B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelsystem für ein Tragflügelboot nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein derartiges Regelsystem ist aus der US-PS 31 49 601 bekannt.

Tragflügelboote werden mit Steuerflächen gesteuert, die schwenkbar auf den Streben angebracht sind und ihrerseits unter Steuerung durch von geeigneten Sensoren und anderen Einrichtungen gelieferte Signale betätigt und eingestellt werden, um die Lage und Richtung des Fahrzeuges sowie seine Höhe über dem Wasser beizubehalten und dessen Bewegung um die Roll-, Stampf- bzw. Gierachse zu steuern und zu stabilisieren.

Aus der LIS-PS 3! 4M M)! isr ein Steuersystem bekannt, durch das ein Tragflügelboot so gesteuert wird.

daß es der Bewegung der Wasseroberfläche folgt Zu diesem Zweck erzeugt eine Einrichtung Signale zur Steuerung der Lage wenigstens einer Steuerfläche. Diese Einrichtung weist eine erste Vorrichtung, die ein erstes Signal liefert, das die Höhe des Bootes über der Wasseroberfläche darstellt, eine zweite Vorrichtung, die ein zweites Signal liefert, das der Yertikalbesch'eunigung des Bootes entspricht, ein Integrationsnetzwcrk, das ein Ausgangssignal erzeugt, das angenähert dem Doppelintegral des zweiten Signales entsprich? und eine Summiereinrichtung auf, die das durch eine Schaltung umgewandelte erste Signal und das Ausgangssignal des Integrationsnetzwerkes summiert und deren Ausgangssignal eine Komponente enthält, die der Augenblickshöhe der Wasseroberfläche relativ zum mittleren Wasserspiegel entspricht

Es wurden verschiedenen Versuche angestellt, die Fahrbewegung des Bootes zu glätten. Ein Verfahren besteht darin, das Höhensteuersignal zu filtern oder zu formen, um die unerwünschte Wellenbewegung im Höhensignal zu minimisieren, ohne dabei die gewünschte Höhensteuerung für das Boot zu beeinträchtigen. Eine wie oben beschriebene Höhenmessung, bei der die Augenblickshöhe des Bootes über dem Wasserspiegel festgestellt wird, muß notwendigerweise auch eine Messung der Höhe des Bootes über dem mittleren Wasserspiegel sowie eine Messung der Wellenhöhe relativ zu mittlerer- Wasserspiegel beinhalten. Bislang wurde versucht, eine glattere Fahrt zu erreichen, indem man das Höhensignal durch Ausziehen der Spiegelhöhenkomponente filtert, wobei nur die Höhe über dem mittleren Wasserspiegel übrigbleibt. Diese Versuche haben jedoch dynamische Stabilitätsprobleme ergeben. Bei rauher See versetzten sich die Tragflächen, und der Rumpf des Bootes schlug auf die Wellenkämme auf.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Regelsystem der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, daß ein Höhensteuersignal auf eine Weise erzeugbar ist, die eine Formung oder Filterung der im Signal enthaltenen Wellenhöheninformation in jedem gewünschten Ausmaß gestaltet, während gleichzeitig die Höhenmessung über dem mittleren Wasserspiegel ungefiltert bleibt, um eine wirkungsvolle Höhensteuerung des Tragflügelbootes zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Regelsystem der eingangs genannten Art, das gemäß der Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale aufweist, vorgeschlagen.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteraiisprüchen gekennzeichnet.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Ausgangssignal des Regelsystems ein ungefiltertes Höhensignal zur Einstellung der Höhe des Bootes über dem mittleren Wasserspiegel aufweist, während der Wellenhöhenanteil des Signales in dem Maße gefiltert bzw. geformt wird, wie es für die Glätte der Fahrt erwünscht ist, ohne daß dabei das der mittleren Höhe entsprechende Signal beeinträchtigt wird. Auf diese Weise läßt sich eine äußerst glatte Fahrt erreichen, ohne daß die Höhenhaltung oder Stabilitätseigenschaften sich verschlechtern.

Bei der bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem Anspruch 2 sind die erste Vorrichtung (Höhensensor) und die zweite Vorrichtung (Vertikalakzelerometer) in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet Ein Vorteil besteht dabei darin, daß sich beide Vorrichtungen in der gleichen Längslage des Bootes befinden und daß daher keine eine Nickwinkel-

messung erfordernde Korrektur des Signales der zweiten Vorrichtung erforderlich ist

Das Ausgangssignal der Summiereinrichtung kann bei der weiteren Ausgestaltung des Regelsystems gemäß dem Anspruch 3 mit einem Soll-Höhensignal 5 verknüpft werden, das beispielsweise ein Lotse liefert. Dadurch ist ein Fehlersignal erzeugbar, mit dem die Lage der Steuerfläche steuerbar ist

Vorteilhafterweise ist bei einer anderen Ausgestaltung des Regelsystems gemäß Anspruch 4 die i" Komponente, dirj der Augenblickshöhe der Wasseroberfläche relativ zu mittleren Wasserspiegel entspricht, durch die Konstanten der Integrationsnetzwerke modifizierbar.

Im folgenden werden die Erfindung und deren weitere Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Tragflügelbootes und die Lage des Bootes zur Wasseroberfläche;

Fig.2 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Erzeugung eines Höhensteuersignales;

Fig.3 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines typischen Höhensteuersystems.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Tragflügelboot 10 mit einem Rumpf 11, der eine beliebige Konstruktion aufweisen kann. Mit einer Vorderstrebe 14 ist am Rumpf 11 ein vorderer Tragflügel 12 und mit der Hinterstrebe 18 ein hinterer Tragflügel 16 befestigt. Es läßt sich jedes gewünschte Vortriebssystem anwenden. Der Aufbau des Tragflügelbootes und das Vortriebssystem sind nicht Teil der vorliegenden Erfindung. Auf dem vorderen Tragflügel 12 ist eine Steuerfläche oder eine Steuerklappe 20 zur Bestimmung der Höhe angeordnet, in der der Rumpf 11 über dem Wasserspiegel getragen wird. Die Höhe des Fahrzeuges wird durch die Winkellage der Steuerfläche 20 bestimmt und aufrechterhalten und kann mittels dieser geändert werden. Analoge Steuerflächen sind auf dem hinteren Tragflügel 16 vorgesehen. Gegebenenfalls können die hinteren Steuerflächen anstelle von oder zusammen mit der vorderen Steuerfläche 20 verwendet werden, um die Höhe des Bootes 10 einzustellen. Durch das Steuersignal, das auf die im folgenden beschriebene Weise erzeugt wird, kann je nach Bedarf die Lage irgendeiner dieser Steuerflächen gesteuert werden.

An einem geeigneten Ort auf dem Boot 30, vorzugsweise im Bug, befindet sich ein Höhensensor 22, wie dies in der F i g. 1 dargestellt ist. Bei dem Sensor 22 kann es sich um einen Radar-, Sonar- oder einen ''" anderen Sensor handeln, der ein Signal Hefen, das der Höhe des Sensors über dem Wasserspiegel proportional ist. Ein lineares Vertikalakzelerometer 24 ist in unmittelbarer Nähe des Sensors 22 angebracht, damit es sich in im wesentlichen der gleichen Längslage ^y> bezüglich des Bootes befindet wie der Höhensensor. Falls dies gewünscht wird oder erforderlich ist, kann das Akzelerometer 24 jedoch auch an einer anderen Stelle des Bootes angeordnet sein. Sein Signal muß dann mittels einer Nickwinkelmessung nach üblichen Stampf- ^b0 Winkelberechnungen korrigiert werden. Auf jeden Fall liefert das Akzelerometer ein Signal, das der vertikalen Beschleunigung des Bootes am Montagepunkt des Höhensensors entspricht. Der Schwerpunkt des Bootes ist mit CG bezeichnet. Die Entfernung zwischen dem ^b5 Schwerpunkt und dem Ort, an dem sich der Höhensensor 22 und das Akzelprometer 24 befinden, ist mit Xs bezeichnet.

Die Lage des Tragflügelbootes 10 bezüglich der Wasseroberfläche geht ebenfalls aus F i g. 1 hervor. Der Wasserspiegel ist durch die durchgezogene Linie 26 dargestellL Die Wellen weisen eine beträchtliche Höhe auf. Die Lage des Wasserspiegels ändert sich fortwährend, so daß die Linie 26 nur die augenblickliche Lage darstellt Der mittlere Wasserspiegel ist durch die strichpunktierte Linie 28 angegeben. Als Bezugsebene ist er verhälnitsmäßig stabil, obgleich sich auch die vertikale Lage des Wasserspiegels bei sich ändernder Wellenbewegung leicht verschiebt Der mittlere Wasserspiegel 28 kann also als Inertialbezugsebene ausgenutzt werden. Die Höhe des Höhensensors 22 über dem mittleren Wasserspiegel, die in Fig. 1 mit H bezeichnet ist, gibt dann die Inertialhöhe des Fahrzeuges an. Der Höhensensor 22 liefert ein der Augenblickshöhe des Sensors über dem Wasserspiegel, die in F i g. 1 mit h₅ bezeichnet ist, proportionales Signal. Die Wellenhöhe, d. h. die Höhe oder Lage der Wasseroberfläche bezüglich dem mittleren Wasserspiegel, ist in F i g. 1 mit h_w bezeichnet Folglich ergibt sich aus der F i g. 1 die Beziehung

H=hs+h_w

Die Signale aus dem Höhensensor 22 und dem Vertikalakzelerometer 24 werden zur Erzeugung eines endgültigen Steuersignales benutzt, das die Lage der Steuerflächen 20 bestimmt Wie in Fig.2 dargestellt, läuft das Signal h_s aus dem Höhensensor 22 durch ein Integrationsnetzwerk 30. Das Signal des Vertikaiakzelerometers 24, das die vertikale Beschleunigung A₂ des Bootes darstellt, läuft getrennt durch ein weiteres Integrationsnetzwerk 32. Die Ausgangssignale der beiden Netzwerke werden in einer Summiereinrichtung 34 zum Ausgangssignal //'summiert.

Die Integrationsnetzwerke 30 und 32 können herkömmliche Integrationsnetzwerke sein, wie sie üblicherweise in Analog- und Digitalrechnerschaltungen Verwendung finden, und werden mit Übertragungsfunktionen ausgelegt, die eine angenäherte Dopptlintegration der Eingangssignale bewirken, wie dies weiter unten noch erläutert wird. Der Ausdruck »angenäherte DopFilintegration« wird hier benutzt, um anzugeben, daß die Integrationsnetzwerke 30 und 32 Ausgangsspannungen liefern, die dem Doppelintegral der betreffenden Eingangsgrößen bei Frequenzen über einer bestimmten Minimalfrequenz proportionai sind, unterhalb derer die Eingangssignale nicht integriert werden. Diese Art von Integrationsnetzwerken ist natürlich bekannt und wird benutzt, um die Notwendigkeit komplizierter Schaltungen für Frequenzen unterhalb des interessierenden Bereiches zu umgehen. Bei der Summiereinrichtung 34 kann es sich um ein übliches Netzwerk handeln, das dte beiden Eingangssignale zum Ausgafjssignal H' aufsummiert, das zwei Komponenten mit den gewünschten Eigenschaften aufweist, wie sie weiter unten beschrieben werden.

Wie bereits erwähnt, läßt sich das Höllensignal des Sensors 22 als dte Inertialhöhe über dem mittleren Wasserspiegel, kombiniert mit der Wellenhöhe und modifiziert um die Vertikalbewegung des Bootes, betrachten. Entsprechend läßt sigh das Vertikalbeschleunigurigssignal so auffassen, daß es die Vertikalbeschleunigung des Bootes, modifiziert um die Vertikalkomponenten der Vorwärtsbewegung des Bootes, darstellt. Folglich lassen sich die folgenden Gleichungen für die Inertialhöhe H und die Vertikalbeschleunigung A, in Kategorien der erfaßbaren Größe aufstellen:

// = ;	-J	( W - U_n	Θ)	d/	-,V₁W,	(1)	H =	W S	-L	β " S^-	- χ,
	UW	d(U_t)(:	D		d-'Θ	(2)	A; =	WS	-ti	*,es*	*-x<*
	dt	dt					womit
				irsr			,■( =	HS^:
Höhe	über	dem W;	ISSf	>ieeel.

W = Vertikalgeschwindigkeit des Bootes in Richtung

seiner Vertikalachse, n>

U₁, = Vorwärtsgeschwindigkeit des Bootes in Richtung seiner Längsachse,

(-) = Stampfwinkel um den Schwerkraftmittelpunkt
= sin Θ für kleine Winkelwerte.

I)

Die Übertragungsfunktion T_x des Integrationsnetzwerkes 30 ist in Laplace'scher Schreibweise mit δ als Dämpffaktor des Netzwerkes und <o„ als Eigenfrequenz wie folgt:

JAS

T₁ =

wird; nach Einsetzen der Gl. (4) in die CiI. (3) folgt:
2 ö" 5 + <o„

ti = H-Ik to,,—

S- + 2 öS ω,,+ ι,κ

Die Gleichung (5) zeigt ein Ausgangssignal H' aus zwei Komponenten. Die erste Komponente ist der unmodifizierten Inertialhöhe H des Höhensensors über dem mittleren Wasserspiegel proportional. Die zweite Komponente stellt die augenblickliche Wellenhöhe /-/„ bezüglich des mittleren Wasserspiegels dar, modifiziert um den dynamischen Operator bzw. Kilter.

io„ (2 (55 + ω_η)

Entsprechend ist die Übertragungsfunktion T_: des integrationsnetzwerkes 32 gleich

ω; ω.

Wie bereits beschrieben, werden das Höhensignal und das Beschleunigungssignal des Sensors 22 und des Akzelerometers 24 auf die Integrationsnetzwerke 30 bzw. 32 gegeben und deren Ausgangssignale summiert. Das resultierende Ausgangssignal ergibt sich zu

ω.

S-+ 2 öS ω_π+ω:

Die Gleichungen (I) und (2) lassen sich nach Laplace wie folgt schreiben:

Die Eigenfrequenz ω_η und der Dämpfungsfaktor ό der integrationsneizwerke können natürlich nach Bedarf eingestellt werden, um jeden gewünschten Grad der Filterung oder Formung der Wellenhöhenkomponente des Signing zu erreichen.

Das Ausgangssignal f/'kann als Steuersignal in jedem beliebigen Steuersystem eingesetzt werden. Wie beispielsweise in Fig.3 gezeigt, kann das Steuersignal H' aus den Integrationsnetzwerken und den Summiereinrichtungen, die allgemein mit 40 bezeichnet sind, in einem Mischer 44 mit einem Höhenbefehlssignal 42. das der Lotse liefert oder sonstwie erzeugt wird, zu einem Fehlersignal verknüpft werden. Das Fehlersignal geht auf eine Siebvorrichtung 46, die die Lage der Steuerfläche, wie beispielsweise der Klappe 20 in F i g. 1. bestimmt, um die Sollhöhe des Fahrzeuges einzustellen. Wie dies jedoch ersichtlich ist. soll das vereinfachte System der Fig. 3 hier nur als Darstellung zur Erläuterung einer geeigneten Höhenregelung dienen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regelsystem für ein Tragflügelboot mit mindestens einer Steuerfläche, die das Boot in einer gewünschten Höhe über dem Wasser hält, wobei eine Signale zur Steuerung der Lage der Steuerfläche erzeugende Einrichtung vorgesehen ist, die eine erste Vorrichtung, die ein erstes Signal liefert, das die Höhe des Bootes über dem Wasserspiegel darstellt, eine zweite Vorrichtung, die ein zweites Signal liefert, das der Vertikalbeschleunigung des Bootes entspricht, ein Integrationsnetzwerk, das ein Ausgangssignal erzeugt, das angenähert dem Doppelintegral des zweiten Signales entspricht, und eine Summiereinrichtung aufweist, die das durch eine Schaltung umgewandelte erste Signal und das Ausgangssignal des Integrationsnetzwerkes summiert und deren Ausgangssignal eine Komponente enthält, die der Augenblickshöhe der Wassseroberfläche relativ zum mittleren Wasserspiegel entspricht, d-adurch gekennzeichnet, daß die Schaltung in der die Signale zur Steuerung der Lage der Steuerfläche (20) erzeugende Einrichtung (40) ein weiteres Integrationsnetzwerk (30) ist, das als umgewandeltes erstes Signal (h_s) ein Ausgangssignal erzeugt, das angenähert dem Doppelintegral des ersten Signales (h_s) entspricht, so daß das Ausgangssignal der Summiereinrichtung (34) eine weitere Komponente (H) aufweist, die der Höhe des m Fahrzeuges über dem mittleren Wasserspiegel proportional ist.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß «Jie ersi-„- Vorrichtung und die zweite Vorrichtung im Tragflügelboot in unmittelba- Jj rer Nähe zueinander angeordns.' sind.

3. Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Einrichtung vorgesehen ist, die mit einem Höhenbefehlssignal (42) das Ausgangssignal der Summiereinrichtung -to (34) mit einem Soll-Höhenspiegel verknüpft und ein Fehlersignal erzeugt, mit dem die Lage der Steuerfläche (20) steuerbar ist.

4. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (h_w) durch die Konstanten der Integrationsnetzwerke (30,32) modifizierbar ist.