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Die Erfindung betrifft eine Steuerung für die Austauchhöhen von Ausfahrgeräten bei in Schnorchelfahrt befindlichen U-Booten, die mittels einer Tiefensteuerautomatik in einer vorgewählten Solltiefe gehalten werden, wobei sich der Istwert der Tauchtiefe in Abhängigkeit vom Steuerfehler der Tiefensteuerautomatik zeitlich ändert.
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Vor allem für batteriegetriebene U-Boote, bei denen die Batterien in Schnorchelfahrt aufgeladen werden müssen, erhöht sich die Gefahr des Auffassens erheblich während des Schnorchelns. Ein wesentlicher Teil der Entdeckungsgefahr liegt in der Möglichkeit, daß die über die Wasseroberfläche hinausragenden Teile der Ausfahrgeräte mit Radar geortet werden können. Diese Möglichkeit hängt natürlich wesentlich von der Formgebung der Ausfahrgeräte, insbesondere von der Radarrückstrahlfläche und damit also von der Höhe ab, mit der diese Geräte frei über der Wasseroberfläche stehen.
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U-Boote werden mit einer Tiefensteuerautomatik in einer vorgegebenen Tiefe gehalten, die so gewählt wird, daß die bei Schnorchelfahrt längerfristig eingesetzten Ausfahrgeräte, also beispielsweise das Sehrohr, der Schnorchel und das Radarwarnsystem, aus vorher erwähnten Gründen nur so weit aus dem Wasser herausragen, wie es zur Erfüllung ihrer jeweiligen Aufgaben gerade erforderlich ist. Allerdings verändert das Boot seine Tauchtiefe in Abhängigkeit vom system -bedingten Tiefensteuerfehler bzw. der Regelcharakteristik der Steuerautomatik, und zwar annähernd sinusförmig, wobei man bei glatter See mit Tiefenänderungsamplituden bis zu etwa ± 0,25 m rechnen kann, während bei normalem Seegang Amplituden bis zu etwa ± 0,5 m zu erwarten sind.
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Solch eine Tiefensteuerautomatik ist aus der US 29 69 055 bekannt.
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Aus diesen Umständen ergibt es sich, daß die Gefahr, bei dieser Art Schnorchelfahrt von Radar aufgefaßt zu werden, vor allem bei Durchlauf der positiven Amplituden gegeben ist, wobei noch hinzukommt, daß die Ausfahrlagen der Ausfahrgeräte entsprechend hoch einzustellen sein werden, damit die Geräte bei den negativen Amplituden nicht unter Wasser gelangen und damit zeitweilig funktionsunfähig oder nicht betriebsbereit sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Beseitigung der aufgezeigten Nachteile und in der Schaffung einer Steuerung für die Austauchhöhen von Ausfahrgeräten bei U-Booten, mit welcher der Ausfahrhub der augenblicklichen und tatsächlichen Tauchtiefe des U-Bootes entsprechend korrigiert werden kann, und zwar zwecks Kompensation des Steuerfehlers der Tiefenautomatik oder sonstiger äußerer Einflüsse auf das Tauchverhalten. Auf diese Weise soll also erreicht werden können, daß die Ausfahrgeräte konstant auf einer vorgewählten und optimalen Nullage in bezug auf die Wasserlinie gehalten werden können, so daß stets ein Minimum an Radarrückstrahlfläche gegeben ist.
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Zu diesem Zweck wird die einleitend erwähnte Steuerung nach der Erfindung so ausgebildet, daß aus dem zu messenden, den Tiefensteuerfehler einschließenden Istwert der Tauchtiefe und einer konstanten Sollwertvorgabe für die Solltiefe des U-Bootes und für die Nullage der Ausfahrgeräte eine Sollgröße und aus dem Istwert der augenblicklichen Austauchhöhen der Ausfahrgeräte eine Regelgröße entwickelt wird, daß die Sollgröße und die Regelgröße jeweils einem Vergleichskreis zur Ermittlung von Regelabweichungen zugeführt werden und daß der Vergleichskreis beim Vorliegen von Regelabweichungen über einen Regelkreis eine Stellgröße für die Stellantriebe der geregelten Ausfahrgeräte erzeugt, um die Ausfahrgeräte im Wege einer Nachlaufregelung in eine gleichbleibende und vorgewählte Nullage relativ zur Wasserlinie zu steuern.
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Mit Hilfe einer solchen Steuerung werden also die geregelten Ausfahrgeräte, nachdem die Regelabweichung nach Abklingen des anfänglichen Einschwingvorganges auf den Wert null gegangen ist, kontinuierlich um 180° phasenverschoben zum Tiefensteuerfehler um gleiche absolute Werte verstellt, so daß die vorgewählten Austauchhöhen bzw. Nullagen der Ausfahrgeräte über der Wasserlinie trotz des Tiefensteuerfehlers konstant eingehalten werden. Dabei wird bei glatter See oder auch bei entsprechend langer Dünung, deren Bewegung das Boot unmittelbar folgen kann, die Wasserlinie praktisch mit der Wasseroberfläche übereinstimmen, während man bei normaler Wellenbildung von einer theoretischen Wasserlinie auszugehen haben wird, die zwischen den Wellenköpfen und Wellentälern liegt.
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Jedem der einer Austauchhöhenregelung unterzogenen Ausfahrgeräte sind ein gesonderter Nachlaufregelkreis und eine Einrichtung zur Einstellung der konstant vorzugebenden Werte für die Sollgröße zugeordnet, während der Istwert der Tauchtiefe als zeitabhängiger Wert dieser Sollgröße allen Nachlaufregelkreisen gemeinsam zugeführt wird, um so für jedes Ausfahrgerät eine Regelbewegung in bezug auf verschiedene Nullagen mit gleicher Frequenz und Amplitude zu gewährleisten.
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Eine Steuerung von Ausfahrgeräten im beschriebenen Sinne wird in der Regel nur für solche Geräte benötigt werden, die bei Schnorchelfahrt über die Wasseroberfläche hinaus ausgefahren werden und dann auch ständig im Einsatz sind. Hierbei wird es sich meist um das Sehrohr, den Schnorchel und die Radarwarnantenne handeln, wobei das Sehrohr und die Antenne, die eine Reichweite bis zum Horizont haben sollten, höher als die Wellenköpfe gefahren werden und der Schnorchel dagegen aus Sicherheitsgründen entsprechend tiefer ausgefahren ist, damit er mit seinem höchsten Punkt so weit unter den Wellenköpfen liegt, daß ein unter 1° bis 2° einfallender Radarstrahl ihn nicht treffen kann.
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Dies bedeutet, daß für jedes in die Regelung einbezogene Ausfahrgerät die sogenannte Nullage gesondert einstellbar sein muß. Dies ist übrigens die Lage, welche die Ausfahrgeräte ohne Steuerung dann über der Wasserlinie haben sollen, wenn sich das Boot gerade auf Solltiefe befindet. Andererseits bedeutet dies bei eingeschalteter Steuerung, daß die Nullage bei einer Regelabweichung von Null zeitlich unabhängig die eingestellte Lage der Ausfahrgeräte über der Wasserlinie darstellt.
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Aus diesen Umständen und Forderungen folgt, daß auch für jedes Ausfahrgerät ein gesonderter Regelkreis vorgesehen werden muß. Im Gegensatz hierzu kann der durch den Tiefensteuerfehler bedingte und zeitabhängige Anteil des Sollwertes allen Regelkreisen gemeinsam zugeführt werden, und zwar auf Wunsch gleichzeitig mit einem konstanten Wert zur anfänglichen Grobeinstellung der Ausfahrlage aller geregelten Geräte. Dieser in der Sollgröße enthaltende Festwert gibt also eine bestimmte allgemeine Nullage der Ausfahrgeräte vor, von der aus die Geräte mit der Steuerung in die jeweils vorgewählten Betriebsnullagen verstellt werden.
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Unter den oben gemachten Voraussetzungen braucht der den Tiefensteuerfehler einschließende Istwert der Tauchtiefe nur einmal und für alle Regelkreise gemeinsam gemessen zu werden. Dies geschieht mit Hilfe eines Tiefengebers bzw. Tiefenaufnehmers, der zweckmäßigerweise den Wasserdruck am Bootskiel aufnimmt, um so zu Meßwerten für die Tauchtiefe zu kommen, die von der Wellenbewegung an der Wasseroberfläche weitgehend unabhängig sind, so daß die Ausfahrgeräte tatsächlich in eine feste Höhe in bezug auf die Wasserlinie gesteuert werden können. Im übrigen arbeitet der Tiefengeber nach Art eines Druck/Spannung-Wandlers, der ein der Tauchtiefe entsprechendes Signal erzeugt.
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Einen allgemeinen Überblick über den Aufbau der erfindungsgemäßen Steuerung gibt die schematisch als Blockschaltbild wiedergegebene Darstellung. Diese zeigt eine Steuerung für zwei Ausfahrgeräte I und II mit je einem Regelkreis. Da beide Regelkreise in Aufbau und Funktion übereinstimmen, sind in der Darstellung zur Unterscheidung der zum einen oder anderen Regelkreis gehörenden Bauelemente nur die Ziffern I bzw. II an die zugehörigen Bezugszeichen angehängt worden, während in der folgenden Beschreibung jeweils nur die Bezugszeichen als solche genannt zu werden brauchen. Weiterhin sind in der Zeichnung Signale und Größen als Bezugszeichen an den Leitungen und Kanäle angegeben worden, die diese Größen und Signale führen.
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Die augenblickliche Tauchtiefe wird durch Druckmessung in der Wassertiefe bestimmt und als analoger Wert für die Isttiefe dem Tiefenaufnehmer T zugeführt, der als Druck/Spannung-Wandler ein der Isttiefe entsprechendes Signal t erzeugt. Wie schon erwähnt wurde, kann in das Signal t auch noch ein konstanter Wert für die Grobeinstellung der Nullage aller Ausfahrgeräte einbezogen werden. Im übrigen wird dieses Signal t, das den zeitlichen Verlauf des Tiefensteuerfehlers beinhaltet, allen Regelkreisen gemeinsam zugeführt, also beim gezeigten Beispiel den Regelkreisen der Geräte I und II.
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Da die Nullage für jedes geregelte Ausfahrgerät aus erwähnten Gründen gesondert einstellbar sein soll, wird auch für den Regelkreis jedes Ausfahrgerätes gesondert eine Stelleinrichtung S zur Sollwertvorgabe vorgesehen. Dabei können jeweils die einstellbare Solltiefe des Bootes und die ebenfalls einstellbare Nullage des betreffenden Ausfahrgerätes zu einem Gleichspannungssignal s zusammengefaßt werden, da beide zeitlich unabhängig sind. Das Zusammenfassen von Solltiefe und Nullage zum Signal s kann man sich auch als Signal für eine fiktive Solltiefe vorstellen, da eine Verstellung der Nullage des jeweiligen Ausfahrgerätes wie eine Änderung der tatsächlichen Solltiefe wirkt.
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Die beiden Signale t und s werden elektrisch im Schaltkreis W ausgewertet, an dessen Ausgang dann die Sollgröße w als elektrisches Signal erscheint, das nach Verstärkung durch einen Regelverstärker RV zum einen Eingang eines Vergleichskreises V gelangt. Dem anderen Eingang eines beispielsweise als Differenzverstärker arbeitenden Vergleichskreises V wird ein Signal x zugeführt, das als Rückmeldesignal aus dem Istwert der augenblicklichen Austauchhöhe des zugehörigen Ausfahrgerätes vermittelt wird und als Regelgröße dient. Dieses Signal x kann auf übliche Weise aus der jeweiligen Position bzw. Ausfahrstellung eines Ausfahrgerätes gewonnen werden, indem diese Position über einen Weg/Spannung-Wandler WS als elektriche Spannung dargestellt wird, die über eine Schaltung SA zur Signalanpassung als Regelgröße x zum Vergleichskreis V gelangt, dessen Ausgangssignal dann die Regelabweichung xw = w - x darstellt.
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Die nachfolgenden Regelkreise R haben nun die Aufgabe, unter Berücksichtigung einer positiven oder negativen Regelabweichung xw und der speziellen Eigenschaften der Regelstrecke RS der Ausfahrgeräte die elektro-hydraulischen Stellantriebe A so mit einer Stellgröße yanzusteuern, daß die Regelgröße x, also das Signal für die augenblickliche Stellung der Ausfahrgeräte, der vorgegebenen Sollwertgröße w folgen kann. Demgemäß muß jeder Regelkreis R in seinem Zeitverhalten der Regelstrecke RS so angepaßt werden, daß ein optimales Nachführen der Regelgröße x gewährleistet wird, und die Regelabweichung xw nach Abklingen des anfänglichen Einschwingvorganges gegen null geht.
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Dies bedeutet, daß die Regelkreise R u. a. die Übertragungsfunktion zwichen Sollwert und Regelabweichung als an sich typische Merkmale einer Nachlaufregelung zu berücksichtigen haben. Außerdem wird sich die Einstellung der Regelparameter nach den in der Regelstrecke RS auftretenden Zeitkonstanten zu richten haben, wobei auch durch Erzeugung eines gewissen Vorhaltes im Regelkreis, der gerade das Nacheilen der Regelgröße kompensiert, eine bleibende Folgeabweichung verhindert werden könnte. In diesem Fall wird man in den Rückführungsweg für die Regelgröße x ein Verzögerungsglied einschalten.
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Eine andere Methode, die häufig bei Hydraulik-Regelkreisen zur Anwendung kommt, besteht darin, daß die Folgeabweichung der Nachlaufregelung einem zusätzlichen Nachlaufregelkreis als Sollwert zugeführt wird, der dann seinen Ausgangswert dem ersten Nachlaufregelkreis wieder zuaddiert.
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Mit Hilfe dieser Steuerung ist es also möglich, mit relativ einfachen Mitteln durch eine Nachlaufregelung den Einfluß des systematischen und zeitveränderlichen Tiefensteuerfehlers eines U-Bootes in Schnorchelfahrt zu kompensieren und zu gewährleisten, daß die geregelten Ausfahrgeräte zeitunabhängig in einer festen vorgewählten Nullage relativ zur praktischen oder theoretischen Wasserlinie gehalten werden können.
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Die getrennt arbeitenden Regelkreise werden gemeinsam mit dem der Isttiefe entsprechenden Signal t versorgt, so daß auch alle Geräte mit gleicher Frequenz und Amplitude verstellt werden, wobei diese Verstellung allerdings in bezug auf verschiedene Nullagen erfolgen kann, da eben die Nullagen für jedes Ausfahrgerät gesondert mit der Einrichtung S zur Sollwertvorgabe eingestellt werden können.
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Um schließlich eine stoßfreie Aufschaltung des Sollwertes w beim Einschalten der Regelung zu gewährleisten, muß bei ausgeschalteter Regelung der Sollwert w dem Istwert x nachgeführt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß beim Betätigen des dargestellten Tasters "Regelung ein" die Sollwertvorgabe s genau dem momentanen Istwert t entspricht und der Sollwert w stoßfrei aufgeschaltet werden kann.