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Bei Zielbekämpfung von einem hochbeweglichen
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Fahrzeug, wie einem Panzer, mit halbstarrer, d. h. nur in Elevation
relativ zum Fahrzeug beweglicher Waffe besteht Schußmöglichkeit, wenn die Fahrzeuglängsachse
mit der durch die optische Visiervorrichtung (Periskop) vorgegebenen Zielrichtung
in Azimut übereinstimmt, mit anderen Worten azimutale Koinzidenz besteht, während
gleichzeitig das Waffenrohr die der Zielentfernung und -höhe entsprechende Elevation
aufweist. Dabei können die üblichen Vorhalte vorgesehen sein.
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Zum Schutz vor Feindbeschuß fährt das Fahrzeug einen Wedelkurs mit
jederzeit möglichst großen Geschwindigkeitskomponenten quer zur Zielrichtung.
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Insbesondere bedeutet dies, daß die Zeitabschnitte, in denen das Fahrzeug
in oder ungefähr in Zielrichtung fährt, möglichst kurz sein sollen, so daß das Fahrzeug
mit möglichst hoher mittlerer Gierwinkelgeschwindigkeit durch die Zielrichtung drehen
muß.
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Wegen der Streuung der Zündzeiten der Munition darf andererseits
die Gierwinkelgeschwindigkeit im Augen blick der Schußabgabe einen kritischen Betrag
von ca. 5"so' nicht überschreiten, wenn die Trefferwahrscheinlichkeit nicht verringert
werden soll.
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Beim Einschwenken von der Querfahrt in die Zielrichtung muß also
die Gierwinkelgeschwindigkeit zunächst unter möglichst großer Beschleunigung erhöht
werden; kurz vor Erreichen der Zielrichtung muß sie jedoch unter möglichst großer
Verzögerung verringert werden, so daß sie im Augenblick des Nullwerdens des Zielabweichwinkels
gerade den kritischen Wert von 5"s-' erreicht oder unterschreitet. Nach Schußabgabe
ist die Gierwinkelgeschwindigkeit möglichst schnell wieder zu erhöhen.
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Die zeitweilige Verringerung der Gierwinkelgeschwindigkeit verlängert
notwendigerweise die Zeit, während der das Fahrzeug ungefähr in Zielrichtung fährt.
Diese Zeit, im folgenden als Zeitverlust bezeichnet, ist also möglichst klein zu
halten, um dem Gegner nur so-kurz wie möglich ein in Querrichtung unbewegtes Ziel
zu bieten. Der minimale Zeitverlust hängt unter anderem von der maximal erreichbaren
Verzögerung der Winkelgeschwindigkeit ab. Soll daher das Fahrzeug einen bezüglich
des Zeitverlustes optimalen Kurs fahren, so muß die maximal erreichbare Verzögerung
ausgenutzt werden, und dies bedingt, daß genau zum »richtigen Zeitpunkt« mit der
Verzögerung begonnen wird. Aus gemessenen Daten ergibt sich, daß bei maximaler Verzögerung
des Fahrzeuges die Gierwinkelgeschwindigkeit innerhalb von Sekundenbruchteilen von
Maximalbetrag auf Null verringert werden kann. Der optimale Zeitpunkt für den Verzögerungsbeginn
liegt also entsprechend kurz vor dem Zeitpunkt der azimutalen Koinzidenz. Er kann
daher nicht mit ausreichender Genauigkeit vom Fahrer oder Richtschützen abgeschätzt
werden, zumal er prinzipiell von sämtlichen Bewegungsgrößen des Fahrzeugs und deren
zeitlicher Entwicklung beeinflußt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe ein Fahrzeug zeitoptimal, d. h. in kürzestmöglicher
Zeit, aus jeder Lage heraus azimutal in Zielrichtung gebracht werden kann, und zwar
derart, daß während der unmittelbaren Zielanfahrt bei Einschwenken in die Zielrichtung
eine vorgegebene Schwelle der Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges nicht überschritten
wird.
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Das zu schaffende Verfahren und die zu schaffende Vorrichtung sollen
einerseits den Zeitverlust an Beweglichkeit bei Zielanfahrt minimalisieren und sich
andererseits mit begrenztem Aufwand realisieren lassen.
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Dies erfordert zunächst eine genaue Untersuchung darüber, welche Bewegungsgrößen
für den optimalen Schaltzeitpunkt, d. h. den Zeitpunkt des Verzögerungsbeginns,
entscheidend sind. Hieraus wird sich ergeben, durch welchen Bewegungszustand des
Fahrzeuges dieser Zeitpunkt gekennzeichnet ist und in welcher Form danach die Lenkvorrichtung
zu beeinflussen ist, damit ein optimaler Kurs gefahren wird.
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Eine Lösung der Aufgabe wird dadurch erheblich erschwert, daß die
zeitliche Entwicklung der Bewegungsgrößen durch die praktisch erreichbaren und mit
der Geländebeschaffenheit und den Fahrzeugeigenschaften variablen Beschleunigungs-
und Bremsmomenten bestimmt wird.
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Die Festlegung des Schaltzeitpunktes bedingt also die Kenntnis der
zukünftigen Entwicklung dieser Momente. Diese Entwicklung ist aber nur in sehr weiten
Grenzen vorhersehbar, denn das Verhalten des Fahrzeuges hängt in hohem Maße von
nicht kontrollierbaren äußeren Bedingungen, z. B. der Bodenbeschaffenheit, ab.
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Zur Verdeutlichung erscheint zweckmäßig, die Aufgabe der Erfindung
mathematisch zu formulieren: Ausgehend von beliebigen Ausgangsbedingungen soll der
Kurs eines Fahrzeuges so gesteuert werden, daß in möglichst kurzer Zeit der Winkel
9 zwischen der Fahrzeug-Längsachse und einer Sollrichtung, wie einer Visierlinie
zu einem Zielobjekt, Null wird.
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Im Augenblick des Nullwerdens des Zielabweichungswinkels ./ soll
auch die Winkelgeschwindigkeit .1 e .., Null werden oder jedenfalls dem Betrage
nach nicht größer als eine gewisse Schwelle<l,, sein.
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Es sei
| (t") = |
| j(t")e(t")=.", F (I) |
| ;; (to)1; (t") = /S" |
Im folgenden sei t,, = () angenommen.
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Das Fahrzeug ist also gemäß der Erfindung durch geeigiiete Beeinflussung
der Lenkung optimal, d. h. in möglichst kurzer Ubergangszeit T aus einem Anfangszustand
P" e (y", {f t; ) () in einen Zielzustand P e (q (T), )(T), t;(T)) (3) zu überführen,
i.; dem
| q(I)=) 1 |
| (4) |
| |."(T)I = () bzw. < (o,. f |
ist.
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Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Verfahren zum
Einlenken eines mit einer Lenkvorrichtung versehenen Fahrzeuges in eine Sollrichtung
gemäß der Erfindung vor, daß der Abweichwinkel einer Fahrzeugachse von der Sollrichtung
gedessen
wird, daß aus dem Abweichwinkel sowie der ersten und ggf.
zweiten zeitlichen Ableitung des Abweichwinkels ständig ein Lenkeinschlagsignal
der Richtung und Größe nach ermittelt wird und daß dieses Lenkeinschlagsignal die
Lenkvorrichtung selbsttätig derart beeinflußt, daß der Abweichwinkel gegen Null
geht und bei seinem Nulldurchgang oder größter Annäherung an Null die erste zeitliche
Ableitung des Abweichwinkels ebenfalls Null oder kleiner als ein vorgegebener Schwellwert
wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Ort des Fahrzeuges
und seine zeitliche Anderung von untergeordneter Bedeutung sind und daß die wesentlichen
Anfangsbedingungen die des Abweichwinkels <j und seiner ersten und ggf. zweiten
Ableitung a,, t; sind. Die Winkelbeschleunigung t; (T) im Zielzustand wurde als
unwesentlich erkannt und ist deshalb in den durch das Fahrzeug gegebenen Grenzen
beliebig.
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Die Erfindung geht nicht den zunächst sich anbietenden Lösungsweg,
das Fahrzeug durch Aufstellen eines »Kursplanes« von Fall zu Fall dadurch in Zielrichtung
zu steuern, daß die Lenkvorrichtung nach diesem jeweils fest vorgegebenen Kursplan
beeinflußt wird. Dies würde wegen der nicht ausreichend vorhersehbaren äußeren Bedingungen
nach den Feststellungen der Erfinder nicht zu befriedigenden Ergebnissen führen.
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Vielmehr wird die Aufgabe derart gelöst, daß die äußeren Bedingungen
nur mittelbar eingehen und unmittelbar nur die Zustandsvariablen P .", (q, P) berücksichtigt
werden, vorzugsweise durch eine Regelung mit dem Fahrzeug als »Regelstrecke«.
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Das oben beschriebene Verfahren gemäß der Erfindung wirkt sich in
der Praxis so aus, daß das Fahrzeug auf schnellstem Weg in Richtung auf die Werte
Null/Null des Abweichwinkels und seiner ersten Ableitung, im folgenden kurz Nullpunkt
genannt, gelenkt wird. Bei idealisierten Verhältnissen, d. h. verzögerungsfreiem
Arbeiten der Vorrichtung und Ausbleiben von Störungen durch die äußeren Verhältnisse
würde dies durch Gegenlenken in den Nullpunkt mit maximalem Lenkeinschlag erreicht.
Die hiermit in der Praxis erreichbaren Ergebnisse befriedigen jedoch nicht voll.
Um die Verhältnisse der Praxis zu berücksichtigen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung
des Verfahrens nach der Erfindung vor, daß der Lenkeinschlag bis zum Erreichen eines
vorgebbaren oder errechneten kleinen Festwertes des Abweichwinkels q und wahlweise
seiner zeitlichen Ableitung " ~ q, im Sinne des Minimierens des Abweichwinkels und
seiner ersten zeitlichen Ableitung maximal gemacht wird, d. h. das oben beschriebene
Regelverfahren so lange angewendet wird bis der azimutale Abweichwinkel etwa Null
ist und die Winkelbeschleunigung m ebenfalls Null oder kleiner als m, ist.
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Die Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens vor, die eine Meßvorrichtung zum Messen des Abweichwinkels, einen Kursrechner,
in dem aus dem Abweichwinkel und dessen erster und ggf. zweiter zeitlicher Ableitung
mindestens ein der Größe und Richtung nach bestimmtes Ausgangssignal gebildet wird,
und eine Hilfslenkvorrichtung aufweist, die mit der Lenkvorrichtung kuppelbar ist
und das Ausgangssignal des Kursrechners als Eingangsgröße und ein Lenkeinschlagsignal
als Ausgangsgröße hat.
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Zweckmäßig ist die HilEslenkvorrichtung ein Lenkregler, dessen veränderlicher
Sollwert von dem Ausgangssignal des Kursrechners gebildet und dessen Rückführgröße
der ständig gemessene Lenkeinschlag ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung
hat der Kursrechner: einen Funktionsgenerator, in dem ein Vergleichswert für den
Abweichwinkel gebildet wird, ein erstes Vergleichsglied, in dem die Richtung des
Lenkeinschlagwinkels aus zwei Werten dadurch ausgewählt wird, daß der momentane
Abweichwinkel mit dem Vergleichswert aus dem Funktionsgenerator verglichen wird,
ein zweites Vergleichsglied, in dem der Betrag des Lenkeinschlagwinkels dadurch
aus zwei Werten ausgewählt wird, daß der momentane Abweichwinkel und seine zeitliche
Ableitung je mit vorgegebenen kleinen Werten verglichen werden, die variabel und
fest einstellbar sind, wobei die Ausgangssignale der Vergleichsglieder zweckmäßig
durch eine Schaltvorrichtung für den der Größe und Richtung nach bestimmten Sollwert
für den Lenkregler zusammengefaßt werden können.
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Diese zuletzt beschriebene Ausführung der Erfindung ist besonders
vorteilhaft, hauptsächlich wegen ihrer Einfachheit. Analogreclienuntersuchungen
haben gezeigt, daß eine Verfeinerung der Vorrichtung, insbesondere des Kursrechners,
hinsichtlich ständiger analoger Rückmeldung der Zustandsvariablen (Abweichwinkel
<i und dessen erste und zweite zeitliche Ableitung ." und t;) durch Einführung
von zusätzlichen Einstellparametern, welche das tatsächlich aur den Boden gebrachte
Moment des Fahrzeuges berücksichtigen, keine wesentliche Verbesserung in bezug auf
Optimierung des Fahrkurses brachten. Indessen lassen sich auch bei der oben beschriebenen
einfachen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die äußeren Bedingungen,
wie Bodenbeschaffenheit usw., welche das vom Fahrzeug tatsächlich auf den Boden
übertragbare Moment berücksichtigen, ohne erheblichen Mehraufwand dadurch realisieren,
daß der Funktionsgenerator Einstellvorrichtungen, wie einstellbare Verstärker mit
gespeicherten oder beliebig einstellbaren Einstellwerten aufweist, mit denen der
Abweichwinkel und/oder seine zeitliche Ableitung entsprechend den äußeren Bedingungen
variierbar sind. Diese Einstellvorrichtungen können einem Multiplizierglied des
Funktionsgenerators vorgeschaltet sein, in dem das Produkt aus der ersten zeitlichen
Ableitung des Abweichwinkels und ihrem Betrag (m x | ) gebildet wird. Diese Größe
dient vorteilhaft als Vergleichswert für den Abweichwinkel q.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
mit weiteren Einzelheiten an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt F i
g. 1 ein stark vereinfachtes Schema einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, F i g.
2 und 3 bevorzugte Ausführungen in Blockdarstellung eines Kursrechners und eines
nachgeschalteten Lenkreglers für eine Vorrichtung gemäß F i g. 1, wo diese Bauelemente
jeweils nur als Kasten dargestellt sind, F i g. 4 eine hydraulische Ausführung des
Lenkreglers mit vereinfacht dargestelltem Kursrechner, der vorzugsweise wie in F
i g. 2 ausgebildet ist, jedoch eine Abwandlung aufweist, F i g. 5 bis 8 Phasendiagramme
zur Erläuterung der Arbeitsweise des Verfahrens und der Vorrichtung
gemäß
der Erfindung.
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Das Schema nach F i g. 1 zeigt in einer Ubersicht die wesentlichen
Baugruppen einer Vorrichtung zum Regeln des Kurses eines mit einer Lenkvorrichtung
versehenen Fahrzeuges. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Fahrzeug ein
Panzer 1 mit einer halbstarren, d. h. nur in Elevation relativ zum Fahrzeug bewegbaren
Rohrwaffe 2, die azimutal stets parallel zur in Fahrtrichtung weisenden Längsachse
3 des Panzers ausgerichtet ist. Aus einer beliebigen momentanen Fahrtrichtung 3
soll der Panzer 1 mit der im folgenden zu beschreibenden Vorrichtung zeitoptimal
in Zielvisierrichtung 4 gelenkt werden, die durch eine optische Zielerfassungsvorrichtung,
wie ein Rundblickperiskop 5, vorgegeben wird. Der Abweichwinkel <! zwischen der
Zielvisierrichtung 4 und der momentanen Fahrtrichtung 3 läßt sich mittels einer
bekannten und im einzelnen nicht dargestellten Meßvorrichtung 6, wie eines handelsüblichen
Synchros, ermitteln.
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Der gemessene Winkell wird aus dem Synchro 6 in einen Kursrechner
7 eingegeben, der einen veränderlichen Sollwert L Itir einen Lenkregler 8 abgibt.
Dieser Lenkregler ist mit der Lenkvorrichtung 9, wie einem für Panzer üblichen Lenkgetriebe,
genug pelt. Ferner kann der Lenkregler mit dem von Hand durch den Fahrer betätigbaren
Lenkrad 10 gekuppelt sein, um dem Fahrer des Fahrzeuges die automatische Beeinflussung
der Lenkvorrichtung 9 spürbar zu machen.
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Mit der Vorrichtung nach der Erfindung wird die Lenkvorrichtung 9
automatisch so beeinflußt, daß der Abweichwinkel < in kürzester Zeit zu Null
wird, indem die Winkelgeschwindigkeit ." und die Winkelbeschleunigung t; des auch
als Gierwinkel bezeichneten Abweichwinkels rj entsprechend beeinflußt werden.
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Der Fahrer hat die Möglichkeit, diese automatische Beeinflussung
zu übersteuern, indem er mittels eines Schalters 11 »Automatik ein/aus« die automatische
Beeinflussung abstellt, so daß der Lenkregier ausgeschaltet ist und eine unmittelbare
Kupplung zwischen dem Lenkrad 10 und der Lenkvorrichtung 9 wirksam ist, über die
der Fahrer dann ausschließlich von Hand lenken kann. Die Untersuchungen der Erfinder
haben gezeigt, daß jedoch die Winkelbeschleunigung in für die Optimierung von untergeordneter
Bedeutung ist, so daß ein System zweiter Ordnung genügt, bei dem unter Konstanthalten
der Vortriebsgeschwindigkeit des Fahrzeuges 1 der Abweichwinkel z und seine erste
zeitliche Ableitungev, auch Gierwinkelgeschwindigkeit genannt, zur Gewinnung eines
optimalen Lenkeinschlages l genügt.
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Der Aufbau eines bevorzugten Kursrechners 7 ist in F i g. 2 dargestellt.
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Als Hauptbaugruppen weist der Kursrechner 7 gemäß F i g. 2 einen
Funktionsgenerator 20, eine Vergleichsvorrichtung 28 bis 34 und ein Vergleichsglied
37 auf. Diese Baugruppen sind wie folgt aufgebaut und zusammengeschaltet: Der Funktionsgenerator
20 weist an seinem Eingang, an dem der über die Meßvorrichtung 6 ermittelte Abweichwinkel
o. eingespeist wird, zwei Verstärker 21 und 22 auf, die zur Anpassung an das gewünschte
Drehmoment dienen, sowie einen Differenzierer 23, in dem die erste zeitliche Ableitung
w des Abweichwinkels q gebildet wird. Das Ausgangssignal des Differenzierers 23
wird zwei weiteren Verstärkern 24, 25 zugeführt, die einen D-Anteil zur Berücksichtigung
der Reaktions- oder Totzeit des Fahrzeuges vor dessen Reaktion auf einen Lenkbefehl
bilden. Die erste zeitliche Ableitung o, " wird wird über einen Gleichrichter 26
zu | ." | normiert und in dieser normierten Form sowie unnormiert einem Multiplizierer
30 zugeführt, wo das Produkt so x Icnl gebildet wird.
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Die Ausgangssignale der Verstärker 21, 22, 24, 25 werden analogen
Schaltern 35 a, 35b, 35c, 35d zugeführt. Die Schalter 35aund 35csind überAnschlüsse
A und die Schalter 35h und 35d in entgegengesetztem Sinne über Anschlüsse B in noch
zu beschreibender Weise steuerbar. Die Ausgänge der Schalter 35u und 35h sowie der
Schalter 35c und 35d sind jeweils zusammengeschaltet und sind ebenso wie der Ausgang
des Multiplizierers 30 mit einem Summierer 36 verbunden, der ein Ausgangssignal
des Funktionsgenerators 20 in Form eines Schaltwinkelsignals einem Vergleichsglied
37 zuführt. Dieses Vergleichsglied 37 gibt ein Ausgangssignal an zwei parallelgeschaltete
Schalter 35e, 35f ab, von denen der erstere über einen Anschluß A und der letztere
über einen Anschluß B gegensinnig steuerbar sind. Dem Schalter 35 f ist ein Potentiometer
3Sf' vorgeschaltet, an dem der Betrag des Lenkeinschlagsignals eingestellt wird.
Der Ausgang dieser Parallelschaltung ist ein der Größe und Richtung nach bestimmtes
Sollwertsignal L für den Lenkregler 8.
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Die Schalter 35a bis 35f werden durch die Vergleichsvorrichtung 27
bis 34 gesteuert. Diese Vergleichsvorrichtung umfaßt einen Gleichrichter 27 zum
Normieren des Abweichwinkels, d. h. zum Bilden von 111. Hinter dem Gleichrichter
26 wird im Funktionsgeber 20 der normierte Wert | abgezweigt. Die Größen Irl 1 1
und Iml werden zusammen mit an Potentiometern 28 bzw. 29 eingestellten kleinen Schwellwerten
Vergleichsgliedern 31, 32 zugeführt, deren Ausgänge einem Und-Gatter 33 zugeführt
werden.
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An diesem Und-Gatter 33 wird entschieden, ob die Zustandsgrößen g,
m <>des Fahrzeuges fern von den gewünschten Werten 0, 0 oder nah, d. h. innerhalb
der an den Potentiometern 28, 29 eingestellten Werte liegen. Im ersten Fall gibt
das Und-Gatter ein Signal zum Schließen der Schalter 35a 35c, 35e mit den AnschlüssenA
und im zweiten Fall ein Signal zum Schließen der Schalter 35b, 35d und 35f mit den
Anschlüssen B ab, wobei zwischen die hinter dem Und-Gatter angeordneten Anschlußpunkte
A, B ein Inverter 34 eingeschaltet ist.
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Der Null durchgang, d. h. das Vorzeichen der Vergleichsfunktion,
wird am Vergleichsglied 37 festgestellt. Das Vorzeichen der Vergleichsfunktion bestimmt
auch das Vorzeichen der Spannung am Punkt S, die beispielsweise die Maximalwerte
i 10V annehmen kann. Diese Werte entsprechen beispielsweise dem vollen Lenkeinschlag
L1 in beiden Richtungen. Dabei hat der analoge Schalter 35e Durchgang, während der
Schalter 35f nur im Fall der Einstellung kleinen Lenkeinschlages geschaltet ist.
Die Stellung der Schalter 35e, 35 f bestimmt also den Betrag des Sollwertes L.
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Das Sollwertsignal L stellt die Eingangsgröße des in F i g. 3 in
gleicher Darstellungsweise wie in F i g. 2 gezeigten Lenkreglers 8 dar. Das Signal
L wird als erste Eingangsgröße einem Differenzverstärker 38 zugeführt, dessen zweite
Eingangsgröße der Istwert L(s, des Lenkeinschlages ist. Dieser Istwert wird von
dem Schleifer 39 u eines Potentiometers 39abgegriffen. Die-
ser
Schleifer 39a wird von einer mit dem Lenkgestänge verbundenen und bewegten Stange
40 bewegt.
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Die Ausgangsgröße des Differenzverstärkers 38 ist die Regelabweichung
1 L = L - L,,. Diese Regelabweichung 1 L wird über einen einstellbaren P-Verstärker
41 einem Summierer 44 zugeführt. In einem parallel zum P-Verstärker 41 geschalteten
Zweig wird die erste zeitliche Ableitung 1 L der Regelabweichung 1 L, d. h. ein
Geschwindigkeitssignal gebildet, das in einem nachgeschalteten Verstärker 43 verstärkt
und als zweite Eingangsgröße dem Summierer 44 zugeführt wird. Das Ausgangssignal
des Summierers wird einer Ventilansteuerung 45 zugeführt und in eine Stromgröße
i gewandelt, die ein Stellsignal für eine Steuervorrichtung 46 fur ein in F i g.
3 nicht gezeigtes Stellglied abgibt.
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Am Lenkrad 10 sitzt eine Fahrerbedieneinheit 47.
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Bei Aufleuchten eines Blinkgebers 52, der vom Kommandanten bzw. Richtschützen
zur Aufforderung an den Fahrer zur Zielanfahrt über einen Schalter 51 eingeschaltet
wird, kann der Fahrer durch Betätigen eines Doppelschalters 47 die automatisch arbeitende
Vorrichtung 6, 7, 8 zur Beeinflussung der Lenkung über Relais 49, 50 einschalten.
Dabei wird eine Kurzschlußvorrichtung 48 geschlossen. Will der Fahrer wieder die
Steuerung von Hand übernehmen, so öffnet er den Schalter 47. Dadurch wird die Steuervorrichtung
46 stromlos und die Kurzschlußvorrichtung 48 geöffnet.
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Fig.4 zeigt im wesentlichen eine hydraulische Ausführung des Lenkreglers
8, wobei ein Kursrechner 7' nur als Kasten angedeutet ist. Der Kursrechner 7' hat
wie der Kursrechner 7 als Eingangssignai den Abweichwinkel . Er hat zwei zweiwertige
Ausgangssignale.s, u, von denen das Signal s die Richtung und das Ausgangssignal
u den Betrag des zu bildenden Sollwertes L bezeichnet. Die Signales, u werden je
einem monostabilen Kippschalter60, 61 zugeführt, deren Schaltorgane 62, 63 zwei
Schaltstellungen einnehmen können. Das Schaltorgan 62 nimmt alternativ eine »Minus«
oder »Plus« symbolisierende Stellung ein, während das Schaltorgan 63 eine einen
kleinen Lenkeinschlag 12 oder einen großen Lenkeinschlag L1 symbolisierende Stellung
einnehmen kann. Die Schaltorgane 62 und 63 sind gemäß F i g. 4 so zusammengeschaltet,
daß der Ausgang des Schaltorgans 63 das nach Richtung und Größe eindeutige Sollwertsignal
L liefert.
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Die Bauelemente des im folgenden beschriebenen Lenkreglers 8 sind,
soweit möglich, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in den vorherigen
Figuren.
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Der Sollwert L wird einem Steuerventil 46 zugeführt, das ein handelsübliches
4/2-Wege-Servoventil sein kann. Das Steuerventil 46 wirkt über ein Kurzschlußventil
48, das, wie oben beschrieben, für die automatische Beeinflussung der Lenkvorrichtung
9, z. B. eines Lenkgetriebes, geschlossen sein muß, auf einen hydraulischen Stellzylinder64,
indem es eine Pumpenleitung 65 freigibt. Der Stellzylinder ist über die Stange 40
unmittelbar mit dem Lenkgetriebe 9 gekoppelt. Von dieser Stange 40 wird der Schleifer
39a des Potentiometers 39 angetrieben, von dem über die Leitung 67 dem Servoventil
der Ist-Lenkeinschlag Ljst rückgemeldet wird. Mit 68 ist ein Tank bezeichnet, in
den das Druckmittel bei geöffnetem Kurzschlußventil direkt zurückströmen kann.
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Die Phasendiagramme nach den F i g. 5 bis 8
machen die Arbeitsweise
des Verfahrens und der Vorrichtung besser verständlich. In diesen Diagrammen ist
auf der Ordinate die Winkelgeschwindigkeit des Abweich- oder Gierwinkels 9 aufgetragen,
während auf der Abszisse dieser Abweichwinkel <i aufgetragen ist. Der Phasenraum
ist gemäß F i g. 5 durch ein Rechteck begrenzt, wobei die maximal mit dem betreffenden
Fahrzeug je nach Gangstufe erreichbaren Winkelgeschwindigkeiten + (R, - 5> die
oberen und unteren Grenzen des Rechtecks bilden, während die seitlichen Grenzen
von den maximalen Abweichwinkeln - - und + 7 gebildet sind. F i g. 5 zeigt Bahnkurven,
sog. Trajektorien, die ein Fahrzeug unter optimalen Bedingungen, d. h. von jedem
Punkt im Phasenraum mit maximalem Moment und mit maximaler Winkelgeschwindigkeit
durchfahren muß, um zeitoptimal in den Punkt P (0,0) des Phasendiagramms mit einer
Gierwinkelgeschwindigkeit Null zu kommen.
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Hierzu muß das Fahrzeug auf diejenige Optimaltrajektorie oder Schaltkurve
C, gebracht werden, die durch den Punkt P (0,0) führt und die für alle Optimaltrajektorien
dieselbe ist. Links von der Schaltkurve ist der zu wählende Lenkeinschlag hierbei
mit + L1 und rechts von der Schaltkurve mit - L1 zu wählen.
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Das Fahrzeug wird dann aus jeder beliebigen Lage in diesem Phasendiagramm
auf die ideale Schaltkurve Cs gesteuert, bei deren Erreichen umgeschaltet, d. h.
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gegengesteuert wird. Befindet sich das Fahrzeug bei dem Einschaltsignal
der Vorrichtung im Punkt P", so muß das Fahrzeug zunächst auf maximale Winkelgeschwindigkeit
- <1 beschleunigt werden, d. h. in Richtung auf den Nullpunkt P((),O) hin. Ein
Stück fährt das Fahrzeug dann mit maximaler Winkelgeschwindigkeit - (1 auf den Geraden
C1. Beim Erreichen der Schaltkurve C, wird auf maximale Gegenbeschleunigung umgesteuert.
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Die Schaltkurve C enthält als Parameter die Erfahrenswerte des bei
jedem gewünschten Lenkeinschlag auf dem Boden abstützbaren maximalen bzw.
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mittleren Momentes, das am Fahrzeug die Winkelbeschleunigung m bewirkt.
Wenn der momentane Abweichwinkel <j- identisch mit dem durch die Gleichung der
Schaltkurve 4, = 1/2 je ., 1."1 vorgegebenen Wert ist, muß der Lenkeinschlag geändert
werden.
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Bei idealen Bedingungen wird das Fahrzeug dann mit maximaler Beschleunigung
auf der Schaltkurve C,. in den Ursprung P (0,0) des Phasenraums gebracht.
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Auf Grund der realen Bedingungen wie Totzeiten am Stellglied und
Ubergangsfunktion der Regelkreisglieder sowie auf Grund der unvorhersehbaren Bodenverhältnisse
ergeben sich in der Praxis Störungen, die im allgemeinen eine Bewegung auf einer
nicht optimalen Schaltkurve oder Trajektorie erzwingen.
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Im wesentlichen sind drei Arten von Störeinflüssen zu erwarten: -
die Automatik wird vorübergehend außer Funktion gesetzt und der Lenkeinschlag wird
von Hand eingestellt, weil z. B. Hindernisse umfahren werden müssen; - der gemessene
Abweichwinkel q stimmt nicht mit dem tatsächlichen Zielabweichwinkel überein, weil
die Nachführung der Zielerfassungsvorrichtung 5 mangelhaft ist; - die Winkelbesehleunigungff
erreicht nicht den für die Schaltkurve Cs erwünschten Betrag. Ursache kann z. B.
schlechte Bodenbeschaffenheit oder zu geringe Fahrzeuggeschwindigkeit sein.
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In den beiden zuerst genannten Fällen beginnt die
automatische
Vorrichtung nach Beendigung der Unterbrechung wieder an einem neuen Anfangszustand
P0.
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Im letztgenannten Fall kommt es zum »Uberschwingen«, da zu spät geschaltet
wird. Die Trajektorien nähern sich dem Zielzustand, erreichen ihn jedoch nicht innerhalb
einer endlichen Zeit (F i g. 6).
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Solche Störungen lassen sich dadurch ausschalten oder mildern, daß
in der Gleichung der Schaltkurve (5) von vorneherein ein kleinerer Wert p eingesetzt
wird, der entweder aus der Erfahrung gewonnen und im Kursrechner fest eingestellt
wird (Verstärker 21, 22; 24, 25) oder vom Fahrzeugführer auf Grund seiner Schätzung
der Bodenbeschaffenheit vorgegeben wird.
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Dadurch läßt sich die Schaltkurve Cs flacher gestalten (s. F i g.
8) und damit wieder eine Optimal-Trajektorie erreichen, auf der der Nullpunkt des
Phasendiagramms angefahren werden kann.
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Die F i g. 7 und 8 zeigen Schaltkurven Cs, bei denen Totzeiten im
System zu zyklischen Bewegungen um den Nullpunkt führen, ohne daß dieser erreicht
wird. Zwar wird dabei der Abweichwinkel zu Null, jedoch nicht mit einer ausreichend
kleinen Winkelgeschwindigkeit m. Dies wird dadurch ausgeglichen, daß der Lenkeinschlag
ab einer bestimmten Schelle automatisch kleiner gemacht wird, so daß die Winkelgeschwindigkeit
unterhalb einer vorgegebenen Schwelle rc gehalten wird. Diese Schwelle ist beispielsweise
an den Potentiometern 28, 29 fest eingestellt. Wenn diese Bedingung beim ersten,
d. h.
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zeitoptimalen Nulldurchgang des Abweichwinkels q noch nicht erfüllt
wird, kann sie sich durch automa-
tisches Umschalten auf den kleineren Lenkeinschlag
bereits bei nächster Gelegenheit ergeben.
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Bei eingeschalteter Vorrichtung wird also das Fahrzeug, solange der
Abweichwinkel rl in weiter Entfernung von dem Wert 9 = 0 ist, mit vollem Lenkeinschlag
+ L1 oder - L1, d. h. mit voller Winkelbeschleunigung oder -verzögerung in Richtung
auf den Nullpunkt P(0,0) und nach Unterschreiten eines kleinen vorgegebenen Wertes
q durch Umschalten auf einen kleineren Wert kl mit dem kleinen Lenkeinschlag + 12
oder - ii gefahren, bis bei. einem Nulldurchgang des Abweichwinkels <i eine vorgegebene
kleine Winkelgeschwindigkeit w unterschritten wird.
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Der günstigste Wert für + l2 muß dabei auf das jeweilige Fahrzeug
abgestimmt werden und kann nur durch Versuch festgelegt werden. Die Vorrichtung
nach der Erfindung ermöglicht jedoch durch die verschiedenen Einstellmöglichkeiten
(Verstärker 21, 22, Potentiometer 28, 29) eine einfache Anpassung an verschiedenartige
Fahrzeuge.
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Das Fahrzeug fährt nun also mit stets unterkritischer Gierwinkelgeschwindigkeit
auf einem um die Zielrichtung pendelnden »Schlängelkurs«, der eine, wenn auch eingeschränkte,
Querbeweglichkeit aufrechterhält und in sehr kurzen Abständen wiederholt Schuß möglichkeit
bietet.
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Dieser Fahrzustand kann beliebig lange eingehalten werden. Dieser
Fahrkurs kann nach kürzestmöglicher Zeit (erster oder zweiter Schußabgang bzw.
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Seitenkoinzidenz) durch Ubersteuerung von Hand unterbrochen werden,
um die hohe Querbeweglichkeit wieder aufzunehmen.