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Lenksystem zur Steuerung der Seitenbewegung eines beweglichen
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Objekts Die Erfindung bezieht sich auf ein Lenksystem zur Steuerung
der Seitenbewegung (des Kurses) eines beweglichen Objekts längs einer Bahn.
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Automatische Lenksysteme sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt.
Bei komplizierten Lenksystemen wird ein bewegtes Objekt sowohl entlang einer vorgegebenen
Bahn als auch bezüglich einer vorgegebenen Geschwindigkeitsfolge gesteuert.
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Die weniger komplizierten Lenksysteme, die in der Praxis weitere Anwendungsgebiete
haben, steuern nur die seitliche Ablage des Objekts entlang einer vorgegebenen Bahn.
Derartige Lenksysteme sind generell Signalfolgesysteme, bei denen die Lage des Objekts
in Abhängigkeit von dessen Ablage gegenüber dem Signalzentrum gesteuert wird. In
Anwendungsfällen, bei denen das lageabhängig erzeugte Steuersignal des gelenkten
Objekts im Vergleich zur Objektträgheit leistungsschwach ist, so z.B. in Fällen,
in denen ein Schiff mit relativ großer Wasserverdrängung einer speziellen Signalspur
folgen soll, sind große Vorhaltwerte erforderlich, um das Schiff oder Boot
genau
auf Kurs zu halten. Auch beim Vorhalt ist die Korrekturdynamik typischerweise unterdämpft
und von niedriger Frequenz, wodurch sich starke Übersteuerungen ergeben. Auch bei
einer Verringerung der Übersteuerungen ist die Gesamtverstärkung derartiger Systeme
in der Regel gering, und man hat sich bisher weitgegehend ergebnislos darum bemüht,
die Gesamtschleifenfehler zu reduzieren. Eine wesentliche Ursache für die niedrige
Schleifenverstärkung lag im Meßsystem, das zur Identifizierung des Leitliniensignalzentrums
sowie der Abweichungen von diesem dient.
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In Fällen, in denen ein bewegliches Objekt entlang einer vorgegebenen
Signalspur gelenkt werden soll, bestimmen daher die das Signalzentrum und die relative
seitliche Ablage des Objekts von diesem bestimmenden Signalabnehmer oder Sensoren
die Grenzen der Spur- bzw. Kursgenauigkeit des Systems.
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Derartige Leit- bzw. Führungsschleifen beruhen auf einer linearen
Ablage vom Signalzentrum, so daß die typischen Charakteristiken der Schleife diejenigen
eines Servos erster Ordnung mit Dauerfehlern sind, die eine Funktion der Schleifen
verstärkung und demzufolge der Empfindlichkeit der Meßfühler sind. Steuersysteme
dieser Art müssen bei Verwendung für öffentliche Verkehrszwecke sowohl genau als
auch außerordentlich zuverlässig arbeiten, um die Anhaltefunktionen, z.B. beim Andocken
an Ladeplattformen zu erfüllen. Bekannte Lenksysteme bedurfte für den kommerziellen
Bereich komplizierte Meßgeräte und Sensoren, die erhebliche zusätzliche Steuerenergie
und Wartung bedürften. Außerdem waren die meisten Meßgeräte amplitudengesteuert
und demzufolge gegen Signaldämpfung oder -abfall im Übertragungsmedium empfindlich.
Bei ständiger Erregung unter maximaler Schleifenverstärkung gab es kein geeignetes
Mittel zur passiven Verstärkungssteuerung, wenn höhere Genauigkeit erforderlich
war. Vor allem bei Vergnügungsfahrzeugen, z.B. entlang vorgegebener Kanäle im Wasser
schwimmenden Booten, die aufgrund unterschiedlicher Belastungen verschiedene Eintauchtiefen
haben können, wobei das Wasser
von den Passagieren durch weggeworfene
Gegenstände stark verschmutzt sein kann, fehlte bisher ein einfach aufgebautes und
gegenüber schwankenden Dämpfungen im Medium unempfindliches Lenksystem.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Lenksystem anzugeben, das das
Signalzentrum der Signalspur in geeigneter Weise orten kann, unempfindlich gegen
Amplitudenschwankungen des aufgenommenen Signals ist, zuverlässig arbeitet und einfach
zu Warten ist. Das Lenksystem soll außerdem geeignet sein, die horizontale Bahn
eines schwimmenden Objekts, z.B.
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eines Boots innerhalb enger Grenzen bei schwankenden Abständen von
Unterwasser-Signalquellen zu steuern. Außerdem soll das Lenksystem in geeigneter
Weise auf schwankende Verstärkungspegel entlang der Bahn einstellbar sein.
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Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß unterhalb der
Oberfläche eines Kanals, entlang dessen das bewegte Objekt geführt werden soll,
eine durch einen ersten isolierten Leiter gebildete langgestreckte Leiterschleife
in einer Horizontalebene angeordnet ist, wobei die beiden Enden des Leiters mit
einer ein elektrisches Wechselstromsignal erzeugenden Signalquelle verbunden sind.
Ein durch ein um 900 gegenüber dem Signal in der ersten Schleife phasenverschobenes
Signal erregter zweiter Leiter bildet eine zweite Schleife, die im wesentlichen
die gleiche Länge wie die erste Schleife hat und letztere teilweise seitlich überlappt.
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Das um die ersten und zweiten, die beiden Schleifen bildenden Leiter
aufgebaute elektromagnetische Feld wird von ersten und zweiten Induktionsspulen
aufgenommen, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind, wobei die erste Spule
parallel zur Ebene der Leiterschleifen und die zweite Spule in einer Ebene angeordnet
ist, die im wesentlichen normal und parallel zu deren Längsachsen angeordnet ist.
Aufgrund dieser Anordnung spricht die erste Induktionsspule auf die Vertikalkomponenten
des um die Leiterschleifen aufgebauten elektroagneischen Kraftflusses an, also auf
Kraftfluß
komponenten, die bei Seitenabweichungen innerhalb des
Überlappungsbereichs der Schleifen invariabel sind; die zweite Spule spricht auf
die Quer- bzw. Horizontalkomponenten des Magnetflusses an, so daß das in ihr induzierte
Signal sowohl phasen- als auch amplitudenabhängig von der seitlichen Ablage ist.
Da die Längsabmessung der beiden Schleifen größer als deren Breite ist, werden horizontale
Kraftflußkomponenten im wesentlichen nur quer zur in Längsrichtung verlaufenden
Mittellinie der Schleife entwickelt. Die in den ersten und zweiten Spulen induzierten
Signale werden an den entsprechenden Eingängen von ersten und zweiten Rechteckumformern
bzw.
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Begrenzungsschaltungen aufgenommen, deren rechteckigen Ausgangssignale
in einem Phasendetektor miteinander verglichen werden. Am Ausgang des Phasendetektors
entsteht ein Fehlersignal, das nach Phase und Amplitude für die Richtung und die
Größe der Ablage des Fahrzeugs vom Signalzentrum des um die ersten und zweiten Schleifen
erzeugten elektromagnetischen Feldes repräsentativ ist. Dieses Fehlersignal wird
sodann in einem herkömmlichen Regelverstärker verstärkt, der eine ein Ruder zur
Vornahme einer Kurskorrektur verstellende Regelschleife schließt.
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Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das vom Phasendetektor
erzeugte Fehlersignal an eine Stellvorrichtung anlegt, die paarweise gegeneinander
gerichtete Wasserstrahlen steuert und dadurch ein Korrekturmoment um die Hochachse
des Bootsl-ervorruft.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Schaltbild, teilweise
als Blockdiagramm, eines erzen Ausfülrungsbeispiels des erfindungsgemäßen Lenksystems
für ein Boot; Fig. 2 eine schematische Seitenansicht auf ein Boot mit zum erfindungsgemäßen
Lenksystem gehörigen Meßfühlern;
Fig. 3 ein Feldliniendiagramm
um schleifenförmige Leiter, die von entsprechenden Wechselstromsignalen erregt sind;
Fig. 4 ein Vektordiagramm, das ein von den Meßfühlern gemäß Fig. 2 erzeugtes Signal
nach Amplitude und Phase darstellt; Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf ein
anderes Ausführungsbeispiel einer von den Meßfühlern gemäß Fig. 2 gesteuerten Stelleinrichtung;
Fig. 6 eine Seitenansicht auf die Stelleinrichtung gemäß Fig. 5; und Fig. 7 ein
Schaltbild einer Detektoranordnung nach der vorliegenden Erfindung.
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Das beschriebene Lenksystem kann das Signalzentrum von zwei überlagerten
elektromagnetischen Feldern orten, die um zwei langgestreckte, mit 900 Phasenverschiebung
erregte Leiterschleifen aufgebaut werden. Das Lenksystem entwickelt ein phasenabhängiges
Signal, das für die Ablage vom Signalzentrum kennzeichnendAst. Das auf ein Magnetfeld
ansprechende Lenksystem weist induktive Suchsonden oder -spulen auf, deren Signal-Amplitude
und -Phase von dem aus dem Magnetfeld resultierenden Kraftfluß abhängig sind. Um
MeRwertschwankungen aufgrund von durch Umgebungseinflüsse hervorgerufenen Dämpfungsänderungen
zu eliminieren, wird ein Magnetfeld um die beiden Leiterschleifen mit einer Phasenverschiebung
von 900 erzeugt, und der kombinierte Kraftfluß wird von induktiven Meßfühlern aufgenommen,
deren Meßachsen orthogonal zueinander in einer zur Längsachse der beiden Leiterschleifen
querverlaufenden Ebene liegen. Das in den Sondenspulen induzierte Signal wird sodann
amplitudenbegrenzt und dadurch gegen Signalverluste aufgrund von Umgebungseinflüssen
unempfindlich gemacht. In einem gemeinsamen Phasendetektor wird das begrenzte Signal
verglichen und ein Steuer- bzw.
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Stellsignalentwickelt, das nach Phase und Amplitude der Richtung und
der Amplitude der Ablage bzw. Abweichung entspricht.
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Das in Fig. 1 gezeigt, als Ganzes mit 10 bezeichnete Lenksystem weist
einen vertikal angeordneten induktiven Meßfühler bzw. Spule 11 und einen horizontal
angeordneten induktiven Meßfühler oder eine Spule 12 auf. Die Spulen 11 und 12 sind
in einem Bugraum eines Boots 15 so angeordnet, daß sie jeweils die Vertikalkomponente
und die Horizontalkomponente des von einem elektromagnetischen Feld um zwei langgestreckte
und mit gegenseitiger Überlappung angeordnete Leiterschleifen 16 und 17 erzeugten
magnetischen Kraftflusses messen. Die Leiterschleifen 16 und 17 weisen isolierte
Drahtabschnitte auf, die jeweils an den Ausgangsanschlüssen entsprechender Leistungsverstärker
21 und 22 angeschaltet sind. Die Verstärker 21 und 22 sind herkömmliche Leistungsverstärker
mit niedriger Ausgangsimpedanz, z.B. die von der Altec-Company, 1515 Manchester
Avenue, Anaheim, Kalifornien, U.S.A. unter der Typenbezeichnung 42280A angebotenen
Verstärker. Am Eingang des Verstärkers 21 steht ein von einer Wechselstromquelle
E geliefertes Wechselstromsignal an, während der Verstärker 22 mit einem durch einen
Phaseschiebergenerator 23 um 900 gegenüber dem Signal der Signalquelle E phasenverschobenen
Signal erregt wird. Der Phasenschieber 23 kann ein herkömmlicher Phasenschiebergenerator
sein (z.B.
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ein Operationsintegrator, der relativ hoch verstärkt, um die Frequenz
der Signalquelle E im wesentlichen auf einer Nulldämpfung zu halten). Daher sind
die über die Schleifen 16 und 17 fließenden elektrischen Wechsel signale um 90°
gegeneinander phasenverschoben. Die Schleife 16 bildet eine mit dem Verstärker 21
verbundene Leiterschleife, die einen positiven und negativen oder Rücklauf-Abschnitt
aufweist.
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In ähnlicher Weise ist die Schleife 17 in einer positiven und negativen
Konfiguration angeordnet. Die Schleifen 16 und 17 sind teilweise übereinander angeordnet,
wobei die positiven und negativen Abschnitte nebeneinander liegen.
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Die positiven und negativen Abschnitte entsprechender Schleifen 16
und 17 sind parallel zueinander angeordnet.
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Der zwischen dem positiven Abschnitt der Schleife 17 und dem negativen
Abschnitt der Schleife 16 gebildete zentrale Spalt bildet das Spur- bzw. Leitband
des Lenksystems.
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Zur Einschränkung des Energieverbrauchs sind die Schleifen 16 und
17 in Art eines Resonanzkreises über entsprechende Kondensatoren 43 und 44 mit entsprechenden
Sekundärwicklungen von Ausgangstransformatoren 41 und 42 der Verstärker 21 und 22
angeschaltet. In den Leiterschleifen sind ferner Widerstände 45 bzw. 46 vorgesehen,
die auf die Kondensatoren 43 und 44 und die den Schleifen 16 und 17 zugeordneten
Streuinduktivitäten und -kapazitäten so abgestimmt sind, daß sich bei der Erregungsfrequenz
der Schleifen ein hohes Q bzw. eine starke Resonanz ergibt.
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Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Spulen 11 und 12 vorne im
Bugraum des Boots 15 angeordnet, um ein Vorhaltverhalten auf seitliche Abweichungen
des Boots zu schaffen.
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Die als Tiefe y bezeichnete vertikale Ablage, die sich mit der Belastung
ändert, stellt eine erste Variable für von den Spulen gemessene Feldpegel dar. Die
Feldstärke um einen linearen Leiterabschnitt fällt im umgekehrten Verhältnis zum
Abstand im Quadrat. Daher ändert sich die Feldstärke an den Spulen 11 und 12 in
nichtlineareni. umgekehrten Verhältnis zur Tiefe y, verstärkt noch durch die Nickbewegung
des Boots 15, die Permeabilität des Mediums und unterhalb des Kiels auftretende
Dämpfungen bzw. Verluste. Derartige Feldstärkenänderungen gehen direkt in Verstärkungsänderungen
der Regel schleife ein, die die Winkellage des Ruders 34 steuert, und beeinflussen
daher das Ansprechen des Boots 15 auf Seitenabweichungen.
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Die Schleifen 16-und 17 werden mit einer 900 Phasenverschiebung erregt,
und das aus der Feldüberlagerung resultierende, von den Spulen 11 und 12 aufgenommene
Signal hat innerhalb des Spur- bzw. Leitbandes eine Phasenbeziehung,
die
nach Umsetzen in Nulldurchgänge mit Hilfe der Begrenzungsschaltungen der Abweichung
bzw. Ablage eines Meßfehlers entspricht. Das von den Spulen 11 und 12 aufgrund der
Überlagerung der von den Schleifen 16 und 17 entwickelten Magnetfelder hervorgerufene
Signal wird unter Bildung eines Rechteckimpulszuges begrenzt, wobei die seitlichen
Grenzen jedes Impulses durch die Nulldurchgänge des Signals bei jeder Spule gebildet
sind.
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Wie in Fig. 3 verdeutlicht ist, spricht die horizontale Spule 12 auf
mit Fv bezeichnete Vertikalkomponenten des vom Feld um die beiden Leiterschleifen
erzeugten magnetischen Kraftflusses an. Die Vertikalkomponenten sinddLrekt additiv
und daher innerhalb des oben definierten Leitbandes konstant.
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Daher ist der sich in der Spule 12 ergebende induzierte Signalvektor
R sowohl nach Amplitude als auch nach Phase bei jeder Seitenverschiebung des Boots
15 im wesentlichen konstant. Andererseits besteht der in der Spule 11 induzierte
Signalvektor V aus einer Kombination der mit Fh bezeichneten Horizontalkomponenten
des Kraftflusses, die für entsprechende Abschnitte der Schleifen 16 bzw. 17 entgegengesetzte
Polarität haben. Wenn der Meßfehler nach einer Seite hin ausgelenkt ist, verschiebt
sich der Phasenwinkel des Nulldurchgangs und entspricht damit stärker dem Phasenwinkel
des Nulldurchgangs des zugehörigen Schleifenabschnitts.
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Aufgrund dieser Merkmale spricht das Lenksystem nur auf Phasenabweichungen,
nicht aber auf Amplitudenschwankungen infolge Umgebungseinflüssen an. Die Spulen
11 und 12 messen die um die beiden Leitungsschleifen 16 und 17 erzeugten überlagerten
Felder, wobei die Spule 12 ein Feldsignal bei konstanter Phase aufnimmt und ein
Bezugssignal erzeugt, während die Spule 11 ein Signal aufnimmt, dessen Phase sich
entsprechend der Annäherung an die Leitungsabschnitte 16 bzw. 17 ändert. Rechteckumformer
bzw. Begrenzungsschaltungen
25 und 26 setzen die in den Spulen
induzierten kombinierten sinusförmigen Signale in Rechtecksignale uip, die von den
Null durchgängen der zugehörigen Feldvektoren begrenzt sind. Das Ausgangssignal
des Rechteckumformers 25 ist daher auch im wesentlichen konstant, während sich die
Phase des vom Rechteckumformer 26 erzeugten Ausgangssignals mit der Lage der Spule
12 ändert. Die von den Schaltungen 25 und 26 erzeugten Rechtecksignale werden von
Verstärkerschaltungen 27 und 28 verstärkt und danach einem Phasendetektor 31 zugeführt,
der ein Steuersignal C an einen herkömmlichen Servo-Verstärker 32 anlegt. Der Servo-Verstärker
32 treibt einen Servomotor 33 an, über den das Ruder 34 zum Ausgleich der Regelabweichung
gesteuert wird, wobei das Boot 15 weder auf die Mitte des Feldsignals (Sollkurs)
zurückgeführt wird.
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Eingangsseitig nimmt der Verstärker 32 sowohl das Signal C als auch
ein Rückkopplungssignal F auf, welch letzteres über einen Rückkopplungsverstärker
37 zugeführt wird. Das Eingangssignal des Rückkopplungsverstärkers 37 ist von dem
der Ruderlage nachgeführten Schleifer eines Potentiometers 36 abgeleitet, das zwischen
einem Gleichstrompotential B+ und Erde liegt.
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Fig. 4 zeigt die in den Spulen 11 und 12 induzierten Signalvektoren.
Im rechten Quadranten ist ein Signalvektor R gezeigt, der die Amplitude und den
Phasenwinkel des in der Spule 12 induzierten Signals darstellt. Innerhalb des Spur-bzw.
Leitbandes liegt der Phasenwinkel des Signalvektors R im wesentlichen konstant bei
+45° entsprechend der Vektorsumme der Feldkomponenten FV, die sich aus den überlagerten
Vertikalfeldkomponenten der Schleifen 16 und 17 ergibt.
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Dahetist der Signalvektor R phasenkonstant, wobei seine Amplitude
als Funktion der Feldstärke in der Spule schwankt.
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Die vertikale Spule 11 erzeugt andererseits einen Signalvektor V,
der aufgrund der orthogonalen Anordnung dieser Spule in Bezug auf die Spule 12 bei
Erreichen des Sollkurses um 900 zum Vektor R phasenverschoben ist. Der Phasenwinkel
des
Vektors V kann sich zwischen 900 entsprechend dem positiven Leitungsabschnitt der
Schleife 17 und 1800 entsprechend dem negativen Leitungsabschnitt der Schleife um
den Sollphasenwinkel von 1350 ändern. Die Leiterabschnitte definieren, wie oben
gesagt, das Spur- bzw. Leitband. Die Amplitude des Signalvektors V ändert sich sowohl
mit dem Phasenwinkel als auch der Dämpfung des Feldsignals. Es ist ferner zu beachten,
daß der positive Abschnitt der Schleife 17 und der negative Abschnitt der Schleife
16 die linken und rechten Grenzen des Spur- bzw. Leitbands bestimmen, wodurch eine
lineare Beziehung zwischen der seitlichen Ablage und dem Phasenwinkel des Signalvektors
V hergestellt wird. Auf diese Weise ergibt sich ein System von Meßfühlern, das aufgrund
der Anordnung der Spule 12 sich selbst eine Bezugsgröße schafft, und bei dem die
Phase von den seitlichen Abweichungen des Boots gegenüber dem Zentrum des Leitsignals
abhängig ist. Die in den Spulen 11 und 12 induzierten Signale werden in einem weiter
unten genauer beschriebenen Phasendetektor kombiniert, der in üblicher Weise ein
Nullsignal C erzeugt, wenn die Signalvektoren V und R um 90° phasenverschoben sind,
und der ein positives oder negatives Fehlersignal C mit zunehmender Amplitude erzeugt,
wenn sich der Phasenwinkel des Vektors V zwischen 900 und 1800 ändert. Die effektive
Signalverstärkung oder der Phasenwinkel über der Seitenabweichung des Signalvektors
V kann außerdem durch die Breite des Spur- bzw. Leitbands eingestellt werden. Um
ein Andocken mit hoher Genauigkeit zu erleichtern, kann der Abstand zwischen den
Leiterschleifen 16 und 17 in der in Fig. 1 in dem mit S bezeichneten Abschnitt dargestellten
Weise verkleinert werden.
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In den Figuren 5 und 6 ist ein anderes in Abhängigkeit vom Fehlersignal
C gesteuertes Stellsystem dargestellt.
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Dieses weist vordere und hintere Düsenanordnungen 61 und 62 auf. Die
Anordnungen 61 und 62 weisen jeweils entsprechende
Wasserstrahldüsen
63 und 64 auf, die unter dem Boot 15 horizontal schwenkbar angeordnet sind, wobei
ihr Schwenkantrieb durch zugehörige Servomotoren 65 und 66 gebildet ist. Den Wasserstrahldüsen
63 und 64 sind Potentiometer 67 und 68 zugeordnet, deren Schleiferstellung der Winkelstellung
der Düsen 63 und 64 nachgeführt ist. Die Potentiometer liegen zwischen einem Gleichstrompotential
B+ und Erde. Die Schleifer der Potentiometer 67 und 68 sind über zugehörige Rückkopplungsverstärker
71 und 72 zu den invertierenden Eingangsanschlüssen von entsprechenden Regelverstärkers
73 und 74 zurückgeführt, die an ihren direkten, nicht-invertierenden Anschlüssen
mit dem Fehlersignal C beaufschlagt sind und deren Ausgangssignale die Stellmotore
65 und 66 steuern. Auf diese Weise steuern zwei komplementäre Regel schleifen die
Schwenklage der Düsen 63 und 64, wobei die Verstärkungspegel von der Empfindlichkeit
der Potentiometer 67 und 68 und den Verstärkungen der Rückkopplungsverstärker 71
und 72 bestimmt sind.
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Um die Stellkräfte der entsprechenden Regelschleifen zu erhöhen, ist
jede Anordnung 61 und 62 mit paarweise entgegengesetzt gekrümmten Leitungen 81 und
82 bzw 83 und 84 versehen. Die Krümmer 81 und 82 sind unter dem Boot 15 so angebracht,
daß ihre Einlaßenden mit der Austrittsseite der Strahldüse 63 ausgerichtet werden
können, wobei die Eintrittsenden der Leitungen horizontal soweit in Abstand gehalten
sind, daß zwischen ihnen der mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse 63 austretende
Strahl durchtreten kann,wenn sich die Düse 63 in der der Längsachse des Boots entsprechenden
Lage befindet. Die Leitungen 81 und 82 sind an der Eintrittsseite erweitert, um
dte Grenzschichtsströmung-um den Strahl aufnehmen zu können und dadurch die Stellkraft
zu erhöhen. Die Austrittsenden der Leitungen 81 und 82 sind in einer Horizontalebene
nach außen gebogen und haben im wesentlichen einander entgegengesetzte
Austrittsrichtungen,
so daß selbst kleine Winkeländerungen der Strahldüse 63 zu starken seitlichen Kraftkomponenten
an einem Austrittsende der Leitungen 81 bzw.
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82 und damit zu starken Drehmomenten um die Hochachse des Boots 15
führen. Die Düsenanordnung 62 ist in ähnlicher Weise getroffen; sie stellt die Düse
64 zwischen den Leitungs- bzw. Rohrkrümmern 83 und84 in der Gegenrichtung zur Düse
63 um, da die Potentiometer 67 und 68 komplementär geschaltet sind. Die beiden von
den Düsenanordnungen 61 und 62 hervorgerufenen, vom Signal C gesteuerten Drehmomente
sind dadurch überlagert.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung mit den Verstärkern 27 und
28, den Rechteckumformern 25 und 26 und dem Phasendetektor 31 ist in Fig. 7 dargestellt.
Diese Schaltung entwickelt das Steuersignal C für das ein Ruder als Lenkorgan verwendende
Stellsystem nach Fig. 1 und das die Strahldüsen als Lenkorgan verwendende Steuersystem
gemäß den Figuren 5 und 6. Das in der Spule 11 induzierte Signal wird im Rechteckumformer
25 zunächst an einem Bandpass 91 aufgenommen, der auf die Frequenz des Wechselstromsignals
der Quelle E abgestimmt ist. Dieses Filter bildet ein passives Bandpassfilter, dessen
obere Grenzfrequenz im wesentlichen von einem zur Spule 11 parallel geschalteten
Kondensator 92 und einem Serienwiderstand 93 bestimmt wird, und dessen untere Grenzfrequenz
im wesentlichen von einem Kopplungskondensator 94 und einem Parallelwiderstand 95
bestimmt wird.
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In ähnlicher Weise wird auch das Ausgangssignal der Spule 12 einem
zum Rechteckumformer 26 gehörigen zweiten Bandpassfilter 101 zugeführt, der einen
Parallelkondensator 102, einen Serienwiderstand 103, einen Kopplungskondensator
104 und einen Parallelwiderstand 105 aufweist. Die Ausgangssignale der Filter 91
und 101 werden den nicht-invertierenden Eingängen zugehöriger Operationsverstärker
111 und 112 zugeführt, die rückführungsfrei angeordnet sind und in der dabei typischen
hohen Verstärkung zwischen den Sättigungsgrenzen
in Abhängigkeit
von den in den Spulen 11 und 12 induzierten Signalen betrieben werden. Für den Verstärker
111 wird ein Bezugssignal vom Schleifer eines Spannungsteilers 115 abgeleitet, der
mit seinen Endanschlüssen an das Potential B+ und Erde verbunden ist. Dieses Bezugssignal
wird auf den negativen Eingang des Verstärkers 111 gegeben. Auch der Rechteckumformer
26 weist einen Operationsverstärker 112 hoher Verstärkung auf, dessen Bezugssignal
von einem Spannungsteiler 116 abgegriffen wird und der zwischen den Sättigungsgrenzen
für die realen Signalpegel der Spule 12 betrieben wird. Ausgangsseitig sind die
Verstärker 111 und 112 über Kopplungswiderstände 113 und 114 und Kondensatoren 117
und 118 an zugehörige Verstärker 27 und 28 angeschaltet. Die Eingangsanschlüsse
der Verstärker 27 und 28 werden von den Basiselektroden von Transistoren Q1 bzw.
Q2 in Emitterschaltung gebildet.
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Die Basiselektroden der Transistoren Q1 und Q2 sind durch Basiswiderstände
129 und 130 gegenüber Erde vorgespannt.
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Der Kollektor des Transistors Q1 ist über einen Kollektorwiderstand
121 mit der Quile des Gleichstromsignals B+ und über einen Begrenzungswiderstand
123 mit zwei Kopplungskondensatoren 125 und 127 verbunden. Letztere sind jeweils
mit Widerständen 131 und 133 bzw. 135 und 137 von Basisvorspannschaltungen zweier
Gegentakttransistoren Q4 und Q5 verbunden, deren Emitter an der Signalquelle B+
bzw.
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Erde liegen. Die Kollektoren der Transistoren Q4 und Q5 sind zusammen
über einen Kopplungskondensator 141 mit einem Ende der Primärwicklung eines Transformators
T1 des Phasendetektors 31 verbunden. In ähnlicher Weise ist der Transistor über
einen Kollektorwiderstand 122 mit der Signalquelle B+ und einen Widerstand 124 mit
zwei Kopplungskondensatoren 126 und 128 verbunden, welche die Widerstände 132, 134
bzw. 136, 138 aufweisenden Basis-Vorspannschaltungen von Gegentakttransistoren Q6
und Q7 treiben. Letztere liegen ebenfalls an der Signalquelle + und Erde. Die Kollektoren
der Transistoren Q6 und Q7 sind über einen
Kopplungskondensator
142 mit dem Verbindungspunkt von zwei in Reihe geschalteten Dioden CR1 und CR2 des
Phasendetektors 31 verbunden. Die Dioden-Reihenschaltung liegt parallel zu einem
Widerstand 162 und ist über einen Kondensator 161 mit einem Ende der Sekundärwicklung
des Transformators T1 verbunden. Zwei weitere hintereinander geschaltete Dioden
CR3 und CR4 liegen parallel zur Diodenschaltung CR1 und CR2, wobei am Verbindungspunkt
zwischen den Dioden CR3 und CRS der ein Signal entwickelt wird, das Phasendifferenz
zwischen den über die Kondensatoren 141 und 142 angekoppelten Signalen entspricht.
Das Signal zwischen den Dioden CR3 und CR4 wird dann durch ein RC-Netzwerk mit einem
Serienwiderstand 163 und zwei mit den Widerstandsanschlüssen verbundenen Querkondensatoren
164 und 165 geglättet und beaufschlagt die Basis eines Transistors Q3, der in Emitterfolgerschaltung
zwischen der Signalquelle B+ und einem Emitterwiderstand 170 liegt. Über dem Emitterwiderstand
170 entsteht das Signal C. Um einen Nullabgleich des Detektors 31 zu ermöglichen,
ist der Mittelanschluß zwischen den Dioden CR1 und CR2 mit einer einen einstellbaren
Widerstand 171 aufweisenden Vorspannschaltung verbunden, die zwischen der Katode
der Diode CR1 und der Signalquelle B+ liegt.
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Mit der zuvor beschriebenen Schaltung wird das in der Spule 11 induzierte
Signal durch die Sättigungsgrenzen des Verstärkers 111 begrenzt und mit Hilfe der
Transistoren Q4 und Q5 zu einer Rechteckwelle konstanter Amplitude zwischen B+ und
Erde umgewandelt. Dieses Rechtecksignal wird als Steuersignal der Primärwicklung
des Transformators T1 zugeführt. Die Sekundärwicklung des Transformators T1 wird
von dem Kondensator 161 und dem Widerstand 162, der entsprechend dem über den Kondensator
142 zugeführten Signal abwechselnd von den Dioden CR1 und CR2 kurzgeschlossen wird,
auf die Rechteckfrequenz festgelegt. Daher wirken die Dioden CR1 und CR2 als von
dem einstellbaren Widerstand
171 vorgespannte Phasenteiler. Eine
Phasendifferenz zwischen den beiden Rechtecksignalen bewirkt, daß eine der Dioden
stärker leitend wird, wodurch sich am Ausgang zwischen den Dioden CR3 und CR4 ein
unsymmetrisches Signal ergibt. Auf diese Weise wird ein der Phasendifferenz zwischen
den beiden Rechteckwellen linear entsprechendes Signal zur Steuerung der Spannung
am Emitterwiderstand 170 erzeugt. In diesem Zusammenhang sollte beachtet werden,
daß das von dem Kondensator 142 übertragene Signal im wesentlichen konstante Frequenz
und Amplitude hat, da es die in der Spule 12 induzierten Feldkomponenten darstellt.
Andererseits ist das vom Kondensator 141 übertragene Signal entsprechend der Lage
der Spule 11 relativ zu den benachbarten Abschnitten der Schleifen 16 und 17 phasenabhängig.
Daher stellt das Phasendifferenzsignal C direkt die Größe der Ablage bzw.
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Abweichung der Spule 11 von einem virtuellen Signalzentrum zwischen
den Schleifen dar. Dieses Steuersignal wird sodann alternativ entweder zur Steuerung
eines durch ein herkömmliches Ruder gebildeten Lenkorgans oder von zwei komplementär
angeordneten Regelschleifen verwendet, die die Schwenklage von zwei Wasserstrahldüsen
bestimmen und dementsprechend den Strahl in die jeder Strahldüse zugeordneten Krümmer
leiten.
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Das beschriebene lineare Lenksystem ist gegen Signalstärkeschwankungen
und Rauschen mit Ausnahme von Rauschen innerhalb der Bandbreite der Erregerfrequenz
der Schleifen praktisch unempfindlich. Das Lenksystem weist einfach aufgebaute und
daher zuverlässig arbeitende Meßfühler auf, deren Ausgangssignale in einfach aufgebauten
und genau arbeitenden Schaltungen verglichen werden.
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L e e r s e i t e