DE2746080A1

DE2746080A1 - Adaptive selbststeuereinrichtung fuer schiffe

Info

Publication number: DE2746080A1
Application number: DE19772746080
Authority: DE
Inventors: Robert E Reid; Charles R Wesner
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1976-10-18
Filing date: 1977-10-13
Publication date: 1978-04-20
Also published as: NL183881C; NO773494L; NO149523C; IT1112121B; US4074648A; JPS5351898A; FR2368075A1; GB1590179A; DK148240B; NL183881B; NO149523B; AU510682B2; AU2906577A; DK453777A; FI65405C; ES463078A1; SE426307B; DK148240C; NL7711199A; FI65405B

Description

Patentanwälte D^;pl.-ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

"? Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D -8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 Telefon (0 89) 24 02 75 Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 13- Oktober 1977

Unser Zeichen: l6 035 ~ Fk/Ne

Sperry Rand Corporation
New York, USA

Adaptive Selbststeuereinrichtung für Schiffe

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Patentanwälte Dipi. ing. Curt Wallach Dip:.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 15. Oktober 1977

Unser Zeichen: _lß

Sperry Rand Corporation New York, USA

Adaptive Selbststeuereinrichtung für Schiffe

Die Erfindung bezieht sich auf Steuersysteme für Schiffe und insbesondere auf eine adaptive Selbststeuereinrichtung für Schiffe.

Automatische Steuerungssysteme oder Selbststeuereinrichtungen (Autopiloten) sind in der Technik gut bekannt. Derartige Systeme weisen Einrichtungen zur Einstellung eines gewünschten Kurses auf. Der tatsächliche Steuerkurs des Schiffes wird dauernd mit dem gewünschten Steuerkurs verglichen, so daß ein einen endlichen Wert aufweisendes Steuerkurs-Fehlersignal erzeugt wird, sobald das Schiff von dem gewünschten Kurs abweicht. Das Steuerkursfehle rs ignal wird zur Korrektur der Ruderstellung verwendet, um das Schiff auf den gewünschten Steuerkurs zurückzuführen.

Um einen Betrieb in wirkungsvoller und praktischer Weise zu erzielen, weisen heutige Selbststeuereinrichtungen manuelle Steuereinrichtungen zur Optimierung der Betriebseigenschaften bei sich ändernden Wind- und Seebedingungen sowie bei sich ändernden Schiffsgeschwindigkeiten auf. Bei derartigen manuellen

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Einstellungen 1st die Bedienungsperson jedoch in vielen Fällen nicht in der Lage, optimale Bedingungen zu erzielen, weil die Zeitkonstanten bei einem großen Schiff ziemlich lang sind. Bei derartigen Schiffen kann es erforderlich sein, für eine Zeitperiode von 10 Minuten oder mehr abzuwarten, bevor die Bedienungsperson die Auswirkung einer manuellen Einstellung bestimmen kann. Die Einstellungen v/erden daher versuchsweise und häufig mit Fehlern ermittelt, so daß sich ein entsprechender Verlust an Betriebswirkungsgrad und eine Vergrößerung des Treibstoffverbrauchs ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Selbststeuereinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei der diese Nachteile beseitigt sind.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Selbststeuereinrichtung umfaßt Einrichtungen zum Empfang von Signalen, die die Geschwindigkeit und den Steuerkursfehler des Schiffes anzeigen, Steuerkurshalteeinrichtungen zur Erzeugung eines Ruderfehlersignals, das eine gewünschte Ruderstellung anzeigt, wenn das Fehlersignal unterhalb eines ausgewählten Schwellwertes liegt,
Steuerkursänderungseinrichtungen zur Erzeugung eines Ruderbefehlssignals, wenn das Fehlersignal den Schwellwert überschreitet, Einrichtungen zur Auswahl entweder der Steuerkurshalte- oder der Steuerkursänderungseinrichtungen entsprechend der
Größe des Fehlersignals, Einrichtungen zur automatischen Einstellung der Größe des von den Steuerkursänderungseinrichtungen erzeugten Ruderbefehlssignals entsprechend Änderungen der Schiffsgeschwindigkeit und Einrichtungen zur automatischen
Einstellung der Größe des von den Steuerkurshalteeinrichtungen erzeugten Ruderbefehlssignals entsprechend Änderungen der Schiffsgeschwindigkeit, des Steuerkursfehlersignals und des Ruderbefehlssignals.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Selbststeuereinrichtung verwendet Meßfühler, die geringe Änderungen des Steuerkursfehlers, des Ruderwinkels und der Geschwindigkeit feststellen, die zu klein sein würden, als daß sie von einer Bedienungsperson fest-

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gestellt werden könnten und diese Signale werden zur Berechnung der optimalen Verstärkung und der Größe der Ruderversetzung verwendet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung zur Erläuterungder Betriebsweise der Selbststeuereinrichtung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der wesentlichen Bauteile einer Ausführungsform der Selbststeuereinrichtung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Selbststeuereinrichtung, wobei die Bauteile in einer Programmierschaltung und einer automatischen Verstärkungssteuerschaltung nach Fig. 2 gezeigt sind;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Bauteile der Steuerkurs-Haiteschaltung nach Fig. 2;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer AusfUhrungsform der Bauteile in einer Steuerkursänderungsschaltung nach Fig. 2;

Der Betriebswirkungsgrad eines Schiffes hängt in großem Ausmaß von den Vortriebsverlusten ab, die während des normalen Betriebs auftreten, so daß es äußerst wünschenswert ist, den Gesamtströmungswiderstand oder den Widerstand gegen eine Vor-

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wärtsbewegung des Schiffes zu verringern. Der Gesamt-Strömungswiderstand eines Schiffes kann als gleich der Summe des Strömungswiderstandes des Rumpfes und des Ruders betrachtet werden. Weil jedoch der Strömungswiderstand des Rumpfes durch die Schiffskonstruktion und die Beladebedingungen bestimmt ist, kann lediglich die Ruderbewegung gesteuert werden, um den Strömungswiderstand so weit wie möglich zu verringern.

Unter vorgegebenen Betriebsbedingungen bewirkt eine vergrößerte Gierung eine Vergrößerung des Strömungswiderstandes des Schiffes, doch wird durch eine Vergrößerung des Ruderwinkels im Hinblick auf eine Verringerung der Gierung ebenfalls der Strömungswiderstand vergrößert. Daher erfordert ein optimaler Wirkungsgrad einen Ausgleich zwischen dem Ruderwinkel und der Gierung.

Das Problem wird weiterhin durch die Tatsache erschwert, daß ein optimaler Ausgleich zwischen Ruderwinkel und Gierung sich mit Wind- und Seebedingungen, Geschwindigkeit und dem Anstellwinkel des Schiffes gegenüber den Wellen ändert.

Es wurden verschiedene Versuche durchgeführt, das Problem der Verringerung der Vortriebsverluste dadurch ai verringern, daß ein Betriebseigenschaftskriterium festgelegt wurde, das von der Summe des Quadrates des Steuerkursfehlers und eines Faktors abhängt, der das Quadrat des Ruderbefehlssignals anzeigt. Die Verwendung dieses Betriebseigenschaftskriteriums ergibt jedoch lediglich eine Teillösung, weil hierbei die Wirkung der Schiffsgeschwindigkeit vernachlässigt wird.

Wie es noch näher erläutert wird, wird die erfindungsgemäße Selbststeuereinrichtung so betrieben, daß der Wert des Betriebseigenschaftsindex J entsprechend der folgenden Gleichung so weit wie möglich verringert wird:

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- 1ί

worin λ eine Proportionalitätskonstante ist, die von der

ρ Schiffskonstruktion und Beladung abhängt, worin U proportional zum Quadrat der Schiffsgeschwindigkeit ist, worin Ψ der Mittelwert des Quadrates der Steuerkursfehler, die während eines vorgegebenen Intervalls gemessen werden, und worin 5~ ein Maß des Quadrates der Ruderbefehlssignale gemessen über das gleiche Zeitintervall ist.

Die Anwendung und gerätemäßige Ausführung dieser Gleichung wird ausführlich erläutert.

Die Betriebseigenschaften eines durch eine Selbststeuereinrichtung gesteuerten Schiffes werden in vielen Fällen mit Hilfe eines Bode-Diagramms (Fig. 1) dargestellt, wobei die Amplitude der Gieränderungen des Schiffes gemessen in db gegenüber der Frequenz der Erzwjngungsfunktion dargestellt ist, die das Ruder bewegt. Die Brauchbarkeit des Bode-Diagramms bei der Darstellung der Betriebsweise eines Schiffes unter diesen Bedingungen hängt von der Tatsache ab, daß die Stabilität einer Selbststeuereinrichtung bei der Steuerung eines Schiffes analog zu dem Stabilitätsproblem einer Servoschleife ist, wenn die Verstärkung der Servoschleife größer als 1 (O db) ist, weil die Servoschleife zu Schwingungen neigt, wenn die Phasennachellung derart ist, daß sich ein Frequenzverhalten mit einer Neigung von -2 ergibt.

Es ist bekannt, daß, wenn die charakteristische Kurve in dem Bode-Diagramm durch die 0 db-Linie mit einer Neigung von -2 hindurchläuft, das System unstabil ist und daß die Snderungsgeschwindigkeit des Steuerkursfehlers darstellende Ratensignale am Eingang der Selbststeuereinrichtung hinzugefügt werden können, um die Stabilität des Systems wiederherzustellen. Hierdurch wird in wirksamer Weise die Neigung der charakteristischen Kurvenauf -1 am 0 db-Punkt verringert.

Es ist weiterhin zu erkennen, daß der eine höhere Frequenz aufweisende Teil der charakteristischen Kurve, die als voll ausgezogene Linie in Fig. 1 dargestellt ist, auf eine Neigung von

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-2 zurückkehrt, und zwar als Ergebnis von Ratenfiltern, die üblicherweise in ein Selbststeuersystem eingefügt werden, um die Ruderbewegung zu verkleinern und damit den Strömungswiderstand so weit wie möglich zu verringern.

Erfindungsgemäß wird ein Frequenzbereich, über den das Ratensigral wirksam ist, so weit wie möglich verringert, um auf diese Weise den Strömungswiderstand zu verringern. Eine automatische Verstärkungssteuerung (AGC) wird zur Einstellung der Verstärkung in den Kanälen verwendet, die die proportionalen und die Ratensteuerkurs-Fehlersignale führen. Die Verstärkungsändervmg in dem proportionalen Kanal verschiebt die 0 db-Linie 11 nach oben bis zu einer Stelle 13, so daß diese 0 db-Linie die ausgezogen dargestellte Linie der charakteristischen Kurve in einem Bereich schneidet, in dem die Neigung der charakteristischen Kurve -2 ist.

Weiterhin wird das Ratensignal einer Abschwächung unterworfen, die gleich der Quadratwurzel der Abschwächung des proportionalen Kanals ist, so daß die -1-Neigung der charakteristischen Kurve um den gleichen Betrag nach oben verschoben wird, wie dies durch den gestrichelten Pfeil der Kurve nach Fig. 1 angedeutet ist.

Bei dem noch zu beschreibenden Ausführungsbeispiel wird eine minimale Größe des Ratensignals, das zur Stabilität erforderlich ist, bei dem neuen Verstärkungspegel aufrechterhalten.

Wie es aus Fig. 2 zu erkennen ist, arbeiten eine Programmier- und AGC-Schaltung 15 mit einer Steuerkursänderungsschaltung (HC) 17 und einer Steuerkurshalteschaltung (HK) I9 zusammen. Die Programmier- und AGC-Schaltung I5 empfängt Signale , die die Schiffsgeschwindigkeit und den Steuerkursfehler darstellen und sie wählt die HC-Schaltung aus, wenn ein Befehl für eine Steuerkursänderung gegeben wird, der oberhalb eines ausgewählten Schwellwertes liegt (typischerweise 3°). Die Programmierschaltung macht weiterhin eine Steuerkursfehler-Alarmschaltung un-

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wirksam und hält den Inhalt eines Integrators In der HK-Schaltung 19 und eines Registers in der AGC-Schaltung unter diesen Bedingungen fest. Wenn die befohlene Steuerkursänderung einen zweiten Schwellwert (typischerweise 15°) überschreitet, werden der Integrator und das Register in einen Anfangszustand zurückgesetzt. Wenn die HC-Schaltung 17 das Schiff in den Bereich des unteren Schwellwertes bringt, wird eine Zeitsteuerschaltung betätigt, die eine automatische Umschaltung auf die HK-Schaltung 19 bewirkt, wenn der Steuerkursfehler für ein vorgegebenes Zeitintervall unterhalb des unteren Schwellwertes verbleibt.

Der AGC-Teil der Schaltung I5 führt die oben erwähnte J-Gleichung aus, vergleicht den jeweiligen Wert von J mit dem vorher gemessenen Wert von J und erzeugt ein AGC-Signal zur Einstellung der HK-Verstärkung in entsprechender V/eise.

Der Aufbau und die Betriebsweise der Programmier- und AGC-Schaltung 15 nach Fig. 2 wird am besten anhand des Blockschaltbildes nach Fig. 3 verständlich. Die Bauteile der Schaltung nach Fig. 3 werden durch Zeitsteuersignale gesteuert, die von einer Steuereinheit 21 abgeleitet werden. Die Steuereinheit kann ihrerseits entsprechend von Signalen eingestellt werden, die von einem Zeitsteuerregister 23 empfangen werden, das zur Speicherung von Informationen bezüglich der Schiffsbeladung, gewünschter Meßintervalle und anderer Parameter verwendet wird. Ein manuell betätigter Schalter 25 wird geschlossen, wenn eine willkürliche Kursänderung durchgeführt werden soll, wie dies noch näher erläutert wird.

Ein üblicher Multiplexer 27 tastet aufeinanderfolgend von der zum jeweiligen Zeitpunkt wirksamen HK-Schaltung abgeleitete Ruderbefehlssignale, SteuerkursfehlersignaIe und Geschwindigkeitssignale ab. Alle dem Multiplexer 27 zugeführten Signale weisen Analog-Format auf, so daß der Ausgang des Multiplexers aus Folgen von drei Analogsignalen besteht, die mit einer Rate und mit Intervalfen auftreten, die von den Zeitsteuersignalen von der Steuereinheit 21 abhängen. Bei der einfachsten Ausfüh-

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rungsform könnte der Multiplexer durch einen Folgeschalter gebildet sein, obwohl im Handel erhältliche Multiplexer in Form von integrierten Schaltungen vorzuziehen sind.

Die Signale von dem Multiplexer 27 werden in einem Analog-/ Digitalkonverter 29 in Digitalformat in Abhängigkeit von den Zeitsteuersignalen von der Steuereinheit 21 umgewandelt und in entsprechenden Registern 31, 33 und 35 gespeichert. Die drei Register j51, 33, 35 werden ebenfalls durch die gleichen Zeitsteuerimpulse von der Steuereinheit 21 gesteuert. Daher sind nach Auftreten des entsprechenden Impulses von der Steuereinheit 21 Binärinformationen, die den derzeitigen Wert des Ruderbefehlssignals, des Steuerkursfehlersignals und der Schiffsgeschwindigkeit darstellen, in den Registern 31, 33 und 35 gespeichert.

Vor dem Betrieb der Selbststeuereinrichtung werden Binärinformationen, die die Schiffseigenschaften und die Beladung darstellen, in ein Register 37 eingegeben. In ähnlicher Weise werden binäre Informationen, die einen Nennwert von J und von AGC darstellen, in zwei Register 39 bzw. 41 eingegeben. Zu Beginn eines vorgegebenen Arbeitsablaufes werden die in den Registern 39 und 41 gespeicherten Informationen in zwei Register 43 bzw. 45 eingegeben, um einen nominellen Betriebswert auszubilden.

Der Betriebseigenschafts-Index T wird in einer arithmetischen Einheit 47 berechnet, die aus einer üblichen Kombination von üblichen Bauteilen besteht, um die notwendigen mathematischen Operationen in Abhängigkeit von einem Zeitsteuersignal von der Steuereinheit 21 durchzuführen. Grundsätzlich besteht die arithmetische Einheit 47 aus einer Kombination von üblichen Schaltungen zur Durchführung der folgenden Funktionen:

1. Eine binäre Quadrierschaltung zur Quadrierung des aus dem Register 35 ausgelesenen Wertes von U;

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2. eine binäre Teilerschaltung zur Division des aus dem Register 37 ausgelesenen Wertes von λ durch den Wert des Schrittes 1;

j5. eine binäre Quadrierschaltung zum Quadrieren des Wertes von Ψ aus dem Register 33;

4. eine binäre Multiplizierschaltung zur Multiplikation der Ergebnisse, die in den Schritten 2 und 3 gewonnen wurden;

5. eine binäre Quadrierschaltung zum Quadrieren des aus dem Register 31 ausgelesenen Wertes von 6; und

6. eine Summierschaltung zum Addieren der Ergebnisse, die in den vorstehenden Schritten 4 und 5 gewonnen wurden.

P P

Üblicherweise 1st es wünschenswert, Werte von H- und 6 zu verwenden, die über ein festgelegtes Zeitintervall gemittelt sind, um zuverlässigere Ergebnisse zu erzielen. Dies kann dadurch erzielt werden, daß der Ausgang der entsprechenden binären Quadrierschaltungen in der arithmetischen Einheit üblichen Registern zugeführt wird, die die Daten aus den Schritten 1 und 3 für die gewünschte Anzahl von Meßintervallen akkumulieren, worauf die in diesen Registern gespeicherten Werte durch die ausgewählte Anzahl von Meßperioden dividiert wird.

Bei einer typischen Schaltung kann das Zeitsteuerregister 2j5 so eingestellt werden, daß die Steuereinheit 21 auf eine Betriebsart geschaltet wird, bei der Daten in den Registern 31 und 33 in die arithmetische Einheit 47 für mehrere Minuten eingelesen werden bevor ein Zeitsteuersignal von der Steuereinheit 21 an die arithmetische Einheit 47 angelegt wird, das den Befehl zur Berechnung des Wertes von J darstellt.

Der Wert von J wird einem J-Vergleicher 49 zusammen mitdem vorher in dem Register 43 gespeicherten Wert von J zugeführt. Da-

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her wird bei der ersten Messung in einem vorgegebenen Arbeitslauf der dem Vergleicher 49 zugeführte Wert von J mit dem V/^rt von ,J verglichen, der anfänglich aus dem Anfangs-.'-Register 39 in das Register 43 eingegeben wurde. Während darauffolgender Messungen wird der Wert von J von der arithmetischen Einheit 47 sowohl dem Vergleicher 49 als auch dem Register 43 zugeführt. Zur gleichen Zeit wird die in dem Register 43 während der vorhergehenden Messung gespeicherte Information in den J-Vergleicher eingegeben, so daß dieses Bauteil immer den während der laufenden Messung gewonnenen Wert von ' mit dem V.'rrt von J vergleicht, der während der vorhergehenden Messung gewonnen wurde. Die Ergebnisse dieses Vergleichs werden dem AGC-Register 45 zugeführt. Das Register 45 kann beispielsweise ein Vorwärts-/Rückwärts-ZähTer oder ein äquivalentes Bauteil sein, das so angeschaltet ist, daß ein Signal von dem Vergleicher 49, das anzeigt, daß der Wert von J abgesunken ist, das Register 45 um einen Schritt in der gleichen Richtung wie die vorhergehende Änderung weiterschaltet. Wenn J größer wurde oder sich nicht geändert hat, wird das Register 45 um einen Schritt in der entgegengesetzten Richtung weitergeschaltet. Im Ergebnis ergibt dies eine Steuereinrichtung mit Suchbetrieb, die dauernd einen Minimalwert für J aufsucht. Der Ausgang des AGC-Registers 45 wird der HK-Schaltung zugeführt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.

Die Schaltung nach Fig. 3 schließt weiterhin die Programmierschaltung ein, die einen Teil des Blockes 15 nach Fig. 2 bildet.

Ein Steuerkurs-Grenz-Vergleicher 51 empfängt binärkodierte Steuerkursfehlersignale von dem Analog-/Digitalkonverter 29 in Abhängigkeit von einem Zeitsteuerimpuls von der Steuereinheit 21. Die Ergebnisse des Vergleichs in dem Vergleicher 51 werden einer Wählschaltung 55 zugeführt. Die Wählschaltung 55 ist grundsätzlich ein Schaltelement, das geeignete Signale entweder an die HKTSchaltung 19 oder die HC-Schaltung 17 in Abhängigkeit von der Größe des Steuerkursfehlersignals anlegt.

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Die V.'ählschaltung 55 empfängt von den HK- und HC-Sehaltungen erzeugte Ruderbefehlssignale und das den Steuerkursfehler darstellende Analogsignal von dem Eingang des Multiplexers 27. Wenn der Vergleicher 51 einen Steuerkursfehler innerhalb eines ersten Schwellwertes (wie ζ .E. 3°) feststellt, schaltet die Wählschaltung 55 das Analog-Steuerkursfehlersignal an die HK-Schaltung 19 an und das Ruderbefehlssignal von der HK-Schaltung wird an die Ruderservoeinheit angeschaltet, die die Stellung des Ruders steuert. Wenn der Vergleicher 51 einen Steuerkursfehler feststellt, der größer als der oben erwähnte untere Schwellwert ist und wenn der Steuerkurswählschalter geschlossen ist, liefert die Wählschaltung 55 ein Haltesignal an die HK-Schaltung 19, durch das der Inhalt eines Integrators in der HK-Schaltung und der Inhalt des AGC-Registers beibehalten wird. Unter diesen Bedingungen wird das Analog-Steuerkursfehlersignal an die HC-Schaltung 17 angeschaltet und das Ruderbefehlssignal von der HC-Schaltung 17 wird der Ruderservoeinheit zugeführt.

Die Wählschaltung 55 hält die HC-Schaltung I7 in Betrieb, bis das Steuerkursfehlersignal wieder unter den oben erwähnten niedrigeren Schwellwert absinkt.

Wenn der Grenzwert-Vergleicher 5I einen Steuerkursfehler oberhalb eines zweiten Schwellwertes feststellt, wie z.B. 15°, so schaltet die Wählschaltung 55 nicht nur den Betrieb auf die HC-Schaltung 17 um, sondern liefert weiterhin ein Rücksetzsignal, das den Integrator in der HK-Schaltung 19 und das AGC-Register auf einen neuen Anfangszustand zurücksetzt.

Es ist zu erkennen, daß, obwohl die Darstellung nach Fig. 3 andeutet, daß diskrete Bauteile für die Programmier- und AGC-Schaltung verwendet werden, ein Mikrocomputer so programmiert werden kann, daß er die verschiedenen Funktionen entsprechend gut bekannter Techniken durchführt.

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Die Steuerkurshalteschaltung (HK) 19 nach Fig. 2 ist ausführlicher in Fig. 4 gezeigt.

Das Analog-Steuerkursfehlersignal wird der Schaltung nach Fig. zugeführt, wenn die Wählschaltung 55 bestimmt, daß die HK-Sehaltung 19 das Ruderbefehlssignal an die Ruderservoeinheit liefern soll. Das binäre AGC-Signal von dem Register 45 (Fig. 3) wird der HK-Schaltung I9 dauernd zugeführt. Schließlich werden Rücksetz- und Halte-Signale der HK-Schaltung 19 von der Wählschaltung 55 zugeführt, wie dies weiter oben erläutert wurde.

Die HK-Schaltung I9 schließt Differenzier-, Integrier- und Summiereinrichtungen ein, die so angeordnet sind, daß das von der HK-Schaltung I9 erzeugte Ruderbefehlssignal eine Kombination eines proportionalen Steuerkursfehlersignals, eines Steuerkursfehler-Ratensignals und eines integrierten Steuerkursfehlersignals darstellt. Die Vorteile der Kombination derartiger Signale sind bekannt und beispielsweise in der britischen Patentschrift 1 293 780 erläutert.

Wie es im einzelnen aus Fig. 4 zu erkennen ist, wird das Steuerkursfehlersignal Ψ einer proportionalen Verstärkungseinstellschaltung 57 und einem Differenzierer 59 zugeführt, der ein Ratensignal ψ erzeugt. Das Ratensignal Ψ wird in einem Inverter 6l invertiert und einer Ratenverstärkungseinstellschaltung 63 zugeführt.

Es sei daran erinnert, daß das AGC-Signal entsprechend der neuen Gleichung für J abgeleitet wurde. Die proportionale Verstärkungseinstellschaltung 57 und die Raten-Verstärkungseinstellschaltung 63 verwenden dieses AGC-Signal in neuartiger Weise zur Erzielung der Betriebsart, die anhand des Bode-Diagramms nach Fig. 1 erläutert wurde. Die proportionale Verstärkungseinstellschaltung 57 und die Raten-Verstärkungselnstellschaltung 63 bestehen Jeweils im wesentlichen aus Verstärkungseinrichtungen und durch ein Binärsignal betätigten Abschwächereinrichtungen. Im Ergebnis heben die Verstärker-

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- PC -

einrichtungen in diesen Schaltungen den Null-db-Pegel an, wie di^c■; 'Ί ^r"ig. 1 gezeigt ist und die Abschwächereinrichtungen ändern die charakteristische Kurve, wie dies durch die gestrichelte Linie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Abschwächer in dfη Schaltungen 57 und 63 können zweckmäßigerweise im Handel erhältliche Bauteile, wie ζ .E. vom Typ AD753O der Fa. Analogue Devices Incorporated sein. Entsprechend bekannter Techniken zur Einschaltung derartiger Elemente wird das binäre AGC-Signal dem Abschwächer in der proportionalen Verstärkungseinstellschaltung 57 se zugeführt, daß die Gesamtverstärkung der Scheltung 57 direkt proportional zum AGC-Signal ist. Weiterhin wird entsprechend gut bekannter Techniken zum Anschluß dieser Bauelemente der Abschwächer in der Raten-Verstärkungseinstellschaltung 63 so angeschaltet, daß die Gesamtverstärkung in dieser Schaltung proportional zur Quadratwurzel des AGC-Signals ist.

Weiterhin ist ein Ratenfilter 65 zwischen dem Ausgang derRaten-Verstärkungseinstellschaltung 63 und dem Differenzierer 59 eingeschaltet, um eine konstante Ratensignal-Bandbreite bei sich ändernder Abschwächung, jedoch unter Frequenzverschiebung aufrechtzuerhalten. Die Funktion des Ratenfilters wurde anhand des Bode-Diagramms nach Fig. 1 erläutert.

Der Ausgang der proportionalen Verstärkungseinstellschaltung 57 wird einer üblichen Integrierschaltung 67 zugeführt, die durch Rücksetz- und Haltesignale in der vorstehend beschriebenen V/eise gesteuert wird. Der Ausgang der proportionalen Verstärkungseinstellschaltung wird weiterhin einem Begrenzer 69 zusammen mit dem Ausgangssignal der Raten-Verstärkungseinstellschaltung 6} zugeführt. Der Begrenzer 69 ist ein übliches Bauelement, das eine lineare Verstärkung für alle Signale innerhalb eines festgelegten Amplitudenbereiches ergibt.

Well der Integrator 67 Steuerkursfehlersignale verarbeitet, die die proportionale Verstärkungseinstellschaltung 57 durchlaufen haben, wird die Integratorverstärkung automatisch ent-

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sprechend von Änderungen der Empfindlichkeit eingestellt.

Schließlich werden die Ausgangssignale von dem Integrator 67 und dem Begrenzer 69 in einer Summierschaltung 7⁷I kombiniert, um ein Ausgangs-Ruderbefehlssignal O₀ zu liefern, das der Wählschaltung 55 nach Fig. j5 zugeführt wird.

Die Steuerkursänderungsschaltung (HC) 17 nach Fig. 2 ist ausführlicher in Fig. 5 gezeigt. Wenn die Wählschaltung 55 (Fig. jJ) die Betriebsweise auf die HC-Sehaltung 17 umschaltet, wird das Analog-Steuerkursfehlersignal einer in üblicher V/eise aufgebauten Differenzier- und Summierschaltung 73 zugeführt, in der das Steuerkursfehlersignal differenziert und mit dem proportionalen Steuerkursfehlersignal kombiniert wird. Der Ausgang der Schaltung 73 wird einem eine veränderliche Verstärkung aufweisenden Verstärker 75 zugeführt. Das differenzierte Signal wird mit dem proportionalen Signal in der Schaltung 73 kombiniert, um in wirksamer Weise eine Vorwegnahme-Funktion zu bilden, so daß ein Überschwingen entsprechend bekannter Prinzipien verhindert wird. Typischerweise schließt diese Schaltung Raten-Eicheinrichtungen zur Einstellung der RC-Konstante des Differenzierers ein, um seine Wirksamkeit entsprechend der Schiffeigenschaften und der Beladung so groß wie möglich zu machen.

Ein die Schiffsgeschwindigkeit darstellendes Analogsignal kann beispielsweise von einem von der Propellerwelle des Schiffes angetriebenen Tachometer gewonnen werden und wird direkt einem Begrenzer 77 sowie außerdem über einen Inverter 79 dem gleichen Begrenzer zugeführt. Der Begrenzer ist in üblicher Weise aufgebaut und stellt die Verstärkung des Verstärkers 75 als umgekehrte Funktion der Geschwindigkeit ein. Es ist verständlich, daß entsprechend üblicher Praxis das Steuerkursfehlersignal durch ein Gleichspannungssignal mit einer Größe gebildet ist, die die Größe des Steuerkursfehlers anzeigt, während die Polarität die Richtung des Steuerkursfehlers anzeigt. Um daher

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positive und negative Grenzwerte einzustellen, die Backbord- und Steuerbord-Steuerkursfehler darstellen, wird der Begrenzer 77 mit direkten und invertierten Bezugssignalen gespeist, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.

Die Verwendung und der Aufbau derartiger Begrenzer dieser allgemeinen Art ist in der Technik gut bekannt. Die britische Patentschrift 1 320 117 beschreibt beispielsweise die Verwendung ähnlicher Begrenzer, bei denen der Begrenzer eine Begrenzung der Wendegeschwindigkeit eines Schiffes als Funktion des Reziprokwertes der quadrierten Geschwindigkeit bewirkt.

Bei der dargestellten Schaltung wird jedoch die maximale Verstärkung des Verstärkers 75 als Funktion des Reziprokwertes der Geschwindigkeit begrenzt. Es ist bekannt, daß sich das Ruderdrehmoment als Funktion des Reziprokwertes der quadrierten Geschwindigkeit ändert, so daß eine Begrenzung der Ruderbewegung als Funktionärs Reziprokwertes der Geschwindigkeit eine angenähert konstante maximale Wendegeschwindigkeit unabhängig von der Geschwindigkeit des Schiffes ergibt.

Der Ausgang des Verstärkers 75 wird einer Verstärkungseinstellschaltung 8l zugeführt, in der die Amplitude des Ruderbefehlssignals als Funktion des Reziprokwertes der quadrierten Geschwindigkeit eingestellt wird.

Das Steuerungssystem eines Schiffes kann als eine Servoschleife betrachtet werden, wobei das Ruder einen Teil dieser Schleife bildet. In diesem Zusammenhang kann das Ruder so betrachtet werden, als ob es eine Verstärkung liefert, die abnimmt, wenn die Geschwindigkeit des Schiffes abnimmt. Um daher eine konstante Verstärkung in einem derartigen System zu erzielen, ist bei einer Verringerung der Geschwindigkeit des Schiffe ein größerer Ruderwinkel erforderlich, um eine konstante Gesamtschleif enverstärkung zu erzielen. Indem ein Ruderbefehlssignal &₀ erzeugt wird, dessen Größe eine Funktion des Reziprokwertes

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der quadrierten Schiffsgeschwindigkeit ist, wird eine konstante Schleifenverstärkung über den gesamten normalen Geschwindigkeitsbereich aufrechterhalten.

Die Steuerkursänderungsschaltung nach Fig. 5 ist üblich aufgebaut, jedoch mit der Ausnahme, daß sie eine automatische Empfindlichkeit ergibt, die eine inverse Funktion der quadrierten Geschwindigkeit ist, sowie automatische Ruderbefehlsbegrenzungen, die eine inverse Funktion der Geschwindigkeit darstellen.

Der Steuerkursfehler-Einstellschalter 25 (Fig. 5) wird manuelle geschlossen wenn eine willkürliche Kursänderung durchgeführt werden soll. Der Schalter 25 arbeitet über die Steuereinheit 21, den Steuerkursfehler-Vergleicher 51 und die Wählschaltung 55 derart, daß die Betriebsweise auf die HC-Schaltung 17 nur dann übertragen wird, wenn willkürliche Steuerkursänderungen durchgeführt werden sollen und die Steuerkursänderung größer als die vorher beschriebene untere Schwellwertgrenze ist.

Durch Einstellung der proportionalen und Ratenverstärkungen der Selbststeuereinrichtung als Funktion von T dient die beschriebene Schaltung zur Verringerung der Vortriebsverluste und nicht lediglich zur Verringerung von Steuerkursfehlern. Durch die Verwendung der Geschwindigkeit bei der Berechnung von J werden die Vortriebsverluste über den Bereich der Betriebsgeschwindigkeiten so weit wie möglich verringert.

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4¥

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Claims

Patentanwälte D:pl.-ing. C u rt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp D -8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 13. Oktober 1977 Unser Zeichen: 16 OJ55 " Fk/Ne Patentansprüche

1.!Adaptive Selbststeuereinrichtungen für Schiffe, g e k e η η · —ζ e i c h η e t durch Einrichtungen (27) zum Empfang von Signalen, die die Geschwindigkeit und den Steuerkursfehler des Schiffes anzeigen, Steuerkurshaiteeinr ichtungen ' j'fi:ur Erzeugung eines RuderfehlerslgnaIs, das eine gewünschte Ruderstellung anzeigt, wenn das Fehlersignal unterhalb eines ausgewählten Schwellwertes liegt, Steuerkursänderungseinrichtungen (17) zur Erzeugung eines Ruderbefehlssignals, wenn das Fehlersignal den Schwellwert überschreitet, Einrichtungen (55) zur Auswahl entweder der Steuerkurshalte- oder der Steuerkursänderungseinrichtungen (19 oder 17) entsprechend der Größe des Fehlersignals, Einrichtungen (81) zur automatischen Einstellung der Größe des von den Steuerkursänderungseinrichtungen (17) erzeugten Ruderbefehlssignals entsprechend Änderungen der Schiffsgeschwindigkeit und Einrichtungen (27, 45, 47, 49, 57, 63) zur automatischen Einstellung der Größe des von den Steuerkurshalteeinrichtungen (19) erzeugten Ruderbefehlssignals entsprechend Änderungen der Schiffsgeschwindigkeit, des Steuerkursfehlersignals und des Ruderbefehlssignals.

2. Selbststeuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß Einrichtungen (47) zur Erzeugung von Signalen vorgesehen sind, die den Wert des Quadrates der Schiffsgeschwindigkeit, des Steuerkursfehlers bzw. des Ruderbefehls darstellen, und daß die Steuerkurshalteeinrichtungen

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(19) Einrichtungen (45, 47 , 49, 57, 6}) zur automatischen Einstellung der Größe des Ruderbefehlssignals entsprechend Änderungen des Quadrates der Schiffsgeschwindigkeit, des Steuerkursfehlers und der Ruderbefehlssignale einschließen.

3. Selbststeuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkursänderungseinrichtungen Einrichtungen (55, 77, 79, 8l) zur automatischen Einstellung der Größe des Ruderbefehlssignals entsprechend Änderungen von Signalen einschließen, die die Schiffsgeschwindigkeit und die quadrierte Schiffsgeschwindigkeit einschließen.

4. Selbststeuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennze lehne t, daß die Einrichtungen zur automatischen Einstellung der Größe des von den Steuerkurshalteeinrichtungen (I9) erzeugten Ruderbefehlssignals entsprechend 'Änderungen der Schiffsgeschwindigkeit Einrichtungen (45, 47, 49) zur Erzeugung eines automatischen Verstärkungssteuersignals (AGC) einschließen, das eine Funktion der Schiffsgeschwindigkeit ist und daß die Steuerkurshalteeinrichtungen (19) Einrichtungen (57, 59) zum Empfang des Steuerkursfehlersignals und des automatischen Verstärkungssteuersignals, Einrichtungen (59) zum Differenzieren des Steuerkursfehlersignals, Einrichtungen (6j5) zur Abschwächung des Steuerkursfehlersignals und des differenzierten Signals als Funktion des Wertes des automatischen Verstärkungssteuersignals, wobei die Abschwächungseinrichtungen (63) so eingestellt sind, daß die Abschwächung des differenzierten Signals gleich der Quadratwurzel der Abschwächung des Steuerkursfehlersignals ist, Einrichtungen (67) zur Integration des abgeschwächten Steuerkursfehlersignals und Einrichtungen (71) zur Korabinierung des abgeschwächten Steuerkursfehlersignals und des differenzierten Signals mit dem integrierten Signal einschließen.

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5. Selbststeuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (27, 45, 47, ^9» 57» 63) zur automatischen Einstellung der Größe des von den Steuerkurshalteeinrichtungen (I9) erzeugten Ruderbefehlssignals Einrichtungen (27) zur Abtastung der Ruderbefehls-Steuerkursfehler- und Geschwindigkeitssignale während eines festgelegten Meßintervalls, Einrichtungen (47) zur Quadrierung des Wertes jedes abgetasteten Signals, Einrichtungen (47) zur Modifikation des Wertes des quadrierten Steuerkursfehlersignals in Abhängigkeit von dem Wert des quadrierten Geschwindigkeitssignals, Einrichtungen (47) zur Addition des modifizierten Wertes des quadrierten Steuerkursfehlersignals zum Wert des quadrierten Ruderbefehlssignals zur Erzielung eines Index, der die Betriebseigenschaften des Schirfes anzeigt, Vergleichereinrichtungen (49) zum Vergleich des auf diese Weise gewonnenen Index mit dem vorhergehenden Meßintervall gewonnenen Index, automatische Verstärkungssteuer-Registereinrichtungen (45), Einrichtungen (41) zur Voreinstellung der automatischen Verstärkungssteuer-Registereinrichtungen auf einen Nennwert, und Einrichtungen (43) zur Einstellung des in den automatischen Verstärkungssteuer-Registereinrichtungen (45) gespeicherten Wertes in Abhängigkeit von von den Vergleichereinrichtungen (49) festgestellten sich ändernden Werten des Index einschließen, wobei die Einstelleinrichtungen in den Steuerkurshalteeinrichtungen Abschwächungseinrichtungen (63) einschließen, die in Abhängigkeit von dem in den automatischen Verstärkungssteuer-Registereinrichtungen (45) gespeicherten Wert betätigt werden.

6. Selbststeuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (47) zur Modifikation des quadrierten Steuerkursfehlersignals Einrichtungen zur Multiplikation des Wertes des quadrierten Steuerkursfehlersignals mit einer willkürlichen Konstante

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und zur Division des Ergebnisses dieser Multiplikation durch den Wert des quadrierten Geschwindigkeitssignals einschließen.

7. Selbststeuereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch g ekennzeichnet, daß die automatischen Verstärkungssteuer-Registereinrichtungen (45) durch ein binäres Register gebildet sind, und daß die Einrichtungen (kj>, 49) zur Einstellung der in den automatischen Verstärkungssteuer-Registereinrichtungen gespeicherten Werte eine Weiterschaltung der automatischen Verstärkungssteuer-Registereinrichtungen (45) um einen Schritt in einer ersten Richtung bewirken, wenn die Vergleichereinrichtungen einen abnehmenden Wert des Index feststellen und eine Weiterschaltung der automatischen Verstärkungssteuer-Registereinrichtungen (45) um einen Schritt in der entgegengesetzten Richtung bewirken, wenn die Vergleichereinrichtungen (49) eine Vergrößerung des Index feststellen.

8. Selbststeuereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkurshalteeinrichtungen (I9) proportionale Verstärkungseinstelleinrichtungen (57) und Differenziereinrichtungen (59) einschließen, die jeweils zum Empfang eines Steuerkursfehlersignals angeschaltet sind, daß die proportionalen Verstärkungseinstelleinrichtungen (57) zum Empfang von Signalen von den automatischen Verstärkungssteuer-Registereinrichtungen

(45) angeschaltet sind, die den Wert der darin gespeicherten Information anzeigen, daß die proportionalen Verstärkungseinstelleinrichtungen (57) binäre Abschwächereinrichtungen einschließen, die so eingestellt sind, daß sie eine Gesamtverstärkung ergeben, die proportional zu dem in den automatischen Verstärkungssteuer-Registereinrichtungen (45) gespeicherten Wert ist, daß die Differenziereinrichtungen (59) mit einer Raten-Verstärkungseinstelleinrichtung (6j>) verbunden sind, daß die Raten-Verstärkungseinstelleinrichtungen (63) binäre Abschwächereinrichtungen einschließen,

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die so eingestellt sind, daß sich eine Gesamtverstärkung ergibt, die proportional zur Quadratwurzel der in den automatischen Verstärkungssteuer-Registereinrichtungen (^5) gespeicherten Werte ist, daß Begrenzereinrichtungen (69) zum Empfang der Ausgangssignale von den proportionalen Verstärkungseinstelleinrichtungen (57) und den Raten-Verstärkungseinstelleinrichtungen (63) angeschaltet sind, daß die Begrenzereinrichtungen (69) so eingestellt sind, daß sie Signale weiterleiten, die Amplituden lediglich innerhalb der Grenzen aufweisen, die durch die Größe des Ausgangssignals von den proportionalen Verstärkungseinstelleinrichtungen (57) festgelegt sind, daß Integrationseinrichtungsn (67) zum Empfang der Ausgangssignale von den proprtionalen Verstärkungseins teileinrichtungen (57} angeschaltet sind, und daß Summiereinrichtungen (71) zur Lieferung eines Ruderbefehlssignals angeschaltet sind, das die Summe der Signale von den Integrationseinrichtungen (67) und den Tiegrenzereinrichtungen (69) anzeigt.

9. Selbststeuereiniichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkurshalteeinrichtungen (Fig. 4) weiterhin Rückfiihrungseinrichtungen (65) einschließen, die vom Ausgang der Raten-^ erstärkun^seinsteHeinrichtungen (63) zu den Differenziereinrichtungen (59) angeschaltet sind, und daß die Rückführungseinrichtungen einen in Reihe geschalteten Kondensator und Einstellwiderstandselemente einschließen.

10. Selbststeuereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e kennze ichne t , daß die Steuerkursänderungseinrichtungen Begrenzereinrichtungen (71) zum Empfang direkter und invertierter die Schiffsgeschwindigkeit darstellender Signale, Differenzler- und Kombinationseinrichtungen (75), die zum Empfang von Steuerkursfehlersignalen angeschaltet sind und einstellbare Einrichtungen aufweisen, um die Signale von den Differenziereinrichtungen zu dem empfange-

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nen Steuerkursfehlersignal hinzuzuaddieren, Verstärkungseinrichtungen (75) , die zum Empfang von Signalen von den Differenzier- und Kombinationseinrichtungen angeschaltet sind, wobei die Verstärkungseigenschaften der Verstärkereinrichtungen durch den Ausgang der Begrenzereinrichtungen gesteuert sind, und Verstärkungseinstelleinrichtungen (81) zur Erzeugung eines Ruderbefehlssignals in Abhängigkeit von dem Ausgang der Verstärkereinrichtungen einschließen, wobei die Verstärkungseinstelleinrichtungen weiterhin zum Empfang eines das Quadrat der Schiffsgeschwindigkeit darstellenden Signals angeschaltet und derart einstellbar sind, daß sich eine Verstärkung ergibt, die proportional zum Reziprokwert des Quadrates der Schiffsgeschwindigkeit ist.

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