DE3037337C2

DE3037337C2 -

Info

Publication number: DE3037337C2
Application number: DE3037337A
Authority: DE
Inventors: Lennart Dipl.-Ing. Karlskoga Se Bjurstroem
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1979-10-02
Filing date: 1980-10-02
Publication date: 1989-06-29
Also published as: GB2060839B; IT1128573B; CH651923A5; DE3037337A1; FR2466741A1; US4387624A; SE7908148L; SE434190B; GB2060839A; IT8049802A0; FR2466741B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erhöhung der Zielverfolgungsgenauigkeit eines Zielsystems, beispielsweise eines Geschützes mit einem Geschützservosystem zum Ausrichten des Geschützes nach einem Ziel.

Ein Ziel- oder Steuersystem für ein Geschütz umfaßt üblicherweise Vergleicherelemente in Form von Drehmeldern, die ein Eingangssignal, den befohlenen Streckenzugwinkel oder Höhenrichtwinkel mit dem tatsächlichen Streckenzugwinkel oder Höhenrichtwinkel des Geschützes vergleichen. Die Drehmelder erfassen Fehlersignale, die dem Unterschied zwischen befohlenem und tatsächlichem Winkel des Geschützes, dem Winkelfehler, entsprechen. Mit Hilfe signalaufbereitender Glieder werden die Fehlersignale in eine zweckmäßige Form gebracht und den Steuerelementen und dem Drehmomentwandler des Geschützes eingegeben. Der Drehmomentwandler treibt dann das Geschütz und die Steuerungs-Umformerdrehmelder über Wechselgetriebe an, bis der Winkelfehler Null wird.

Die signalaufbereitenden Glieder wandeln die Winkelfehlersignale von dem Drehmelder in Spezialfiltern in ein zweckmäßiges Spannungsniveau und in eine geeignete Form um, die solche Eigenschaften aufweisen, daß ein schneller Zielerfassungsvorgang und ein stabiles und genaues Richtsystem erhalten wird. Die Signale werden dann weitergeführt und in zwei Gleichströme in den Wicklungen des Steuermagneten umgewandelt.

Größe und Form des Winkelfehlers, d. h. der Unterschied zwischen dem von der Feuerleiteinrichtung befohlenen Winkel und dem Winkel des Geschützes, werden so in den signalaufbereitenden Gliedern in zwei Gleichströme umgewandelt, deren Unterschied dann die Richtung der Bewegung und Höhenausrichtung des Geschützes bestimmt.

Die Geschützsteuerung umfaßt normalerweise zwei Phasen, einen Zielerfassungsvorgang und einen Zielverfolgungsvorgang. Während dem Zielverfolgungsvorgang ist eine genaue Verfolgung eines Ziels mit kleinem Winkelfehler erwünscht.

Bei der Berechnung der Zielverfolgungsgenauigkeit sind nur Niederfrequenzprozesse von Interesse. Niederfrequenzveränderungen des befohlenen Winkels können durch Zielbewegungen und auch durch Basisbewegungen, beispielsweise das Rollen eines Schiffes bei einem Marinegeschütz oder Bewegungen eines Fahrzeuges, welches sich auf der Erde bewegt bei einem selbstfahrenden Geschütz, verursacht sein. Bei einem Marinegeschütz können Zielbewegungen mit Frequenzen bis ungefähr 0,5 Hz als angemessen betrachtet werden, während Basisbewegungen mit Frequenzen bis zu 0,2 bis 0,3 Hz vorhanden sind. Für ein System zweiter Ordnung kann angegeben werden, daß bei Ziel- und Basisbewegungen die Zielverfolgungsgenauigkeit ungefähr bestimmt ist durch

mit
x = durch die Feuerleiteinrichtung befohlener Winkel,
y = Geschützwinkel,
K _a = die sogenannte Höhenrichtkonstante, die ein Maß der Schaltkreisverstärkung bildet, und
ω²x = befohlener Höhenrichtwinkel.

Aus dieser Gleichung ist zu ersehen, daß vom Standpunkt der Genauigkeit eine hohe Höhenrichtkonstante K _a erwünscht ist. Die Stabilitätserfordernis setzt jedoch eine praktische maximale Grenze für K _a. Als Beispiel kann erwähnt werden, daß für ein bisher bekanntes Geschütz die Höhenrichtkonstante beispielsweise bis K _a = 250 s^-2 ansteigt. Auf einem beispielsweise mit 0,2 Hz und 7° Amplitude rollenden Schiff wird die Höhenrichtmasse des Geschützes während der Zielverfolgung in Richtung Steuerbord oder Backbord mit einer Winkelveränderung von ±7° mit einer Frequenz von 0,2 Hz eingestellt. Die obenstehende Gleichung ergibt dann den maximalen Zielverfolgungsfehler von x-y = 0,8 mrad.

Für ein auf einem Fahrzeug montiertes Geschütz, beispielsweise einem auf der Erde sich bewegenden Panzer, können Basisbewegungen mit einer Frequenz bis zu ungefähr 1 Hz und mit Amplituden bis zu 10° als annehmbar betrachtet werden.

Um die Zielverfolgungsgenauigkeit selbst zu erhöhen, könnte das System breitbandig mit einer hohen Höhenrichtkonstante und mit ausreichender Verstärkungsspanne dimensioniert sein, aber in der Praxis ist dies unzweckmäßig, da die Empfindlichkeit des Geschützes gegen Störungen auf den entsprechenden Grad ansteigt. Mit einer derartigen Dimensionierung würde es notwendig werden, die Grenze für das maximal zu erlaubende Störniveau in den Signalen zur Steuerung des Abfeuerung auf nicht akzeptable Werte abzusenken. Mit Feuerleitstörungen ist üblicherweise der Hochfrequenzteil des durch die Feuerleiteinrichtung befohlenen Winkels gemeint, der vom Standpunkt einer Zielverfolgung uninteressant ist. Die Störungen werden in Winkelbeschleunigung mrad/s² gemessen, da diese gerade die Beschleunigung des Geschützes ist, die man steuert.

Aus zahlreichen Gründen muß das Störniveau begrenzt werden:

1) Die Zielverfolgungsgenauigkeit sinkt infolge von Übermodulation der Verstärker- und der Hydraulikelemente.
2) Vibrationen erzeugen einen erhöhte Abnützung in den Servomotoren und Transmissionen.
3) Ruckartige Bewegungen und Erschütterungen sind für die Geschützmannschaft sehr irritierend.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der vorstehend beschriebenen Art zu schaffen, bei der die Systemverstärkung vergleichsweise erhöht werden kann, ohne daß die Stabilität bei höheren Frequenzen beeinflußt ist und ohne daß die Grenze für das maximal zulässige Störniveau in den Feuerleitsignalen abgesenkt werden muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Geschütz-Servosystem ein stabilisierendes und die Genauigkeit erhöhendes Netzwerk mit einem oder mehreren integrierenden Filtern zweiten Grades aufweist, deren Transmissionsfunktion G _R die Form:

aufweist, wobei ρ₁ und ρ₂ Dämpffaktoren darstellen und l₁ und ω₂ in der Nähe der zu erwartenden Frequenz der Basisbewegungen des Geschützes und/oder der Zählbewegungen liegen, wodurch eine hohe Verstärkung des Systems im Bereich und unterhalb dieser Frequenz möglich ist.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren im einzelnen beschrieben, die als ein Beispiel für eine bevorzugte Ausführungsform ein Marinegeschütz mit einem Zielsystem darstellen. Es zeigt:

Fig. 1 das Geschütz-Servosystem in schematischer Darstellung;

Fig. 2 das Blockschaltbild der Verstärkungs- oder signalaufbereitenden Glieder;

Fig. 3 ein Bode-Diagramm der Übertragungsfunktion des die Genauigkeit erhöhenden Filters; und

Fig. 4 die Übertragungsfunktion des gesamten Zielsystems mit und ohne die Genauigkeit erhöhendem Filter.

Ein Ziel- oder Steuersystem für ein Geschütz weist üblicherweise sowohl ein Seitenricht- als auch ein Höhenrichtsystem auf. Die zwei Systeme arbeiten auf analoge Weise und gänzlich voneinander getrennt, und deshalb wird im folgenden nur eines der Zielsysteme, das Seitenrichtsystem, im Detail beschrieben. Die Richtung des Geschützes ist durch Seitenricht- und Höhenrichtwinkel bestimmt, die von einer Feuerleitanlage aus befohlen werden, aber die Einrichtung kann auch dann verwendet werden, wenn die Steuerung von einer im Geschütz eingebauten Steuereinrichtung erfolgt.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung, wie das Seitenrichtsystem, das Geschütz-Servo, eines Geschützes 1, beispielsweise bei einem auf einem Schiff angeordnetem Marinegeschütz aufgebaut ist. Vor einer (nicht dargestellten) Feuerleiteinrichtung werden zwei Eingangssignale auf bekannte Art und Weise, der befohlene grobe und feine Seitenrichtwinkel, zugeführt. Das Feinsystem weist einen Steuer-Umformer-Drehmelder 2 und das Grob-System einen Steuer-Umformer-Drehmelder 3 auf, deren Drehstellungen in einer bekannten Art und Weise über Wechselgetriebe durch den wirklichen Streckenzugwinkel y des Geschützes vorbestimmt sind. Von diesen Drehmeldern wird der Winkelfehler erhalten, d. h. Fehlersignale, die dem Unterschied zwischen dem befohlenen Seitenrichtwinkel und dem Winkel des Geschützes entsprechen. Auf bekannte Art und Weise wurde ein Grob- und Fein-System verwendet, wobei der Drehmelder 3 des Grob-Systems ein Verhältnis von 1 : 1 und der Drehmelder 2 des Fein-Systems ein Verhältnis n : 1 im Bezug auf den tatsächlichen Winkel des Geschützes aufweist. Das Grob-System überwacht die Steuerung im Bereich weit von der übereinstimmenden Position entfernt, während das Fein-System automatisch übernimmt, wenn der Winkelfehler klein wird.

Die Fehlersignale (der Winkelfehler) von den Drehmeldern 2 und 3 werden einer Verstärkereinrichtung 4 zugeführt, in der die Signale in eine geeignete Form und Größe umgewandelt werden. Wie aus der Figur ersichtlich, wird der Verstärkereinrichtung auch eine Bezugsspannung zugeführt.

Die Verstärkereinrichtung 4 gibt ein Steuersignal auf die Steuereinrichtung 5 des Geschützes und den Drehmomentwandler 6, der mit einem Elektromotor 7 verbunden ist, ab. Die Ausgangswelle des Drehmomentwandlers erhält eine Drehbewegung, die durch den Winkelfehler bestimmt ist, und die über Wechselgetriebe 8 und 9 das Geschütz und die Steuer-Übertrager-Drehmelder 2 und 3 entsprechend antreibt, bis der Winkelfehler Null wird.

Fig. 2 zeigt mit Hilfe eines Blockschaltbildes den Aufbau der Verstärkereinrichtung 4. Die Einrichtung besteht hauptsächlich aus zwei separaten Signalkanälen, einen für das Grob-Signal und einen für das Fein-Signal. Die Winkelfehlersignale von den entsprechenden Grob- und Fein-Drehmeldern 3 und 2 werden in Übergangselementen 10 und 11 in ein geeignetes Spannungsniveau umgewandelt. Der in Frage stehende Signalkanal wird durch Niveau-Sensoren 12, 13 bestimmt, die mit den Ausgängen der Übergangselemente 10 und 11 zusammen mit einem logischen Steuerbaustein 14 über Wechselschalter 15 und 16 verbunden sind. Sowohl im Grob- als auch im Fein-Kanal sind Elemente 17 und 18 zur Demodulation und Filterung der Signale vorgesehen. Die Signale werden danach in einem Servo-Netzwerk 19 (Grob-Kanal) und in einem stabilisierenden und die Genauigkeit erhöhenden Netzwerk 20 (Fein-Kanal) entsprechend aufbereitet. Das Servonetzwerk 19 hat eine stabilisierende Funktion und ist so ausgebildet, daß es dem Geschütz eine schnelle Bremsung verleiht. Das stabilisierende und die Genauigkeit erhöhende Netzwerk 20 wird im einzelnen im folgenden beschrieben. Über den Wechselschalter 16 wird eines der Signale auf ein ladungskompensierendes Netzwerk 21 und einen Erreger 22 geführt und als ein Steuersignal in Form von zwei Gleichströmen auf den Steuermagnet 5 des Geschützes abgegeben.

Im Prinzip funktioniert die Verstärkereinrichtung 4 auf die folgende Art und Weise. Während der Einschwenkphase wird das Geschütz durch den Grob-Kanal gesteuert, d. h. der logische Steuerbaustein 14 hat die Wechselschalter 15 und 16 so eingestellt, daß das Signal das Übergangselement 10, die Elemente 17 und das Servonetzwerk 19 durchläuft. Wenn das Grob-Signal einen gewissen Wert, beispielsweise 30 mrad, einnimmt, findet eine Wechselschaltung statt, so daß das Fehlersignal statt dessen vom Fein-Drehmelder 2 abgenommen wird, aber die Steuerung immer noch über das Servonetzwerk 19 erfolgt, d. h. das Signal, das Übergangssignal 13, die Elemente 18, ein weiteres Übergangselement 23 und das Servo-Netzwerk 19 durchläuft. Wenn das feine Fehlersignal unter einen neuen Wert gelangt, beispielsweise 10 mrad, wird eine Zeitverzögerung erzeugt, die nach t Sekunden das stabilisierende und die Genauigkeit erhöhende Netzwerk 20 anstatt dem Servonetzwerk 19 in den Fein-Kanal einschaltet. Falls danach das Fehlersignal diesen Wert (10 mrad) überschreitet, wird das Netzwerk 20 ohne irgendwelche Zeitverzögerung wieder abgeschaltet.

Im folgenden soll die Einschwenkphase nicht mehr beachtet werden und statt dessen betrachtet werden, was beim genauen Zielverfolgen, d. h., wenn der Winkelfehler x-y klein ist, passiert.

Durch steuertechnische Analysen des Systems, die selbst bekannt sind, beispielsweise mit einem Bode- Diagramm, wurde ermittelt, daß eine hohe Schaltungsverstärkung notwendig ist, um eine gute Zielverfolgungsgenauigkeit im System zu erhalten, aber gleichzeitig die Anforderungen an die Stabilität eine praktische obere Grenze für diese Verstärkung setzen. Um die Schaltungsverstärkung erhöhen zu können, ohne gleichzeitig die Stabilität bei höheren Frequenzen zu beeinträchtigen, wird ein spezielles stabilisierendes und die Genauigkeit erhöhendes Netzwerk im Fein-Kanal verwendet, bestehend aus einem stabilisierenden Netzwerk 24, einem integrierenden Filter 27 zweiten Grades und einem last- und phasenkompensierenden Netzwerk 26.

Das stabilisierende Netzwerk 24 hat eine Transmissionsfunktion G _D, die mit Hilfe der Laplace-Transformation wie folgt geschrieben werden kann:

wobei T _d und T _f Konstanten sind. Das Netzwerk 24 ergibt die Baisverteilung der Phasenspanne, die für die Stabilität des Systems erforderlich ist.

Das integrierende Filter 25 zweiten Grades hat eine Transmissionsfunktion G _R, die mit Hilfe der Laplace- Transformation wie folgt geschrieben werden kann:

wobei ω₁ und ω₂ etwas oberhalb der zu erwartenden Frequenz der Basisbewegung, beispielsweise der Rollfrequenz eines Schiffes und/oder der Bewegung des Ziels liegen, und ρ₁ und ρ₂ zu Konstanten, sogenannten Dämpffaktoren, zugehören. Die Dämpffaktoren zusammen mit ω₁ und l₂ sind so ausgewählt, daß die Transmissionsfunktion G _R eine zweckmäßige Phase und Amplitude erhält.

Fig. 2 zeigt auch ein integrierendes Filter 25 zweiten Grades. In dem Netzwerk können jedoch ein oder mehrere weitere Filter des gleichen Typs in Reihe geschaltet sein, oder altenativ kann ein Netzwerk mit einer anderen Transmissionsfunktion als G _R mit einer ähnlichen Phase und Amplitude jedoch geschaltet sein.

Die Transmissionsfunktion des Filters 25 kann mit Hilfe eines Bode-Diagramms (siehe Fig. 3) illustriert sein, bei dem die Amplitude und der Phasenwinkel als Funktion von ω abgenommen werden und bei dem die Trennfrequenzen ω₁ und ω₂ angegeben worden sind.

Fig. 4 zeigt ebenfalls mit Hilfe eines Bode-Diagramms, wie die Transmissionsfunktion des gesamten Zielsystems durch die Einführung des Filters 25 verbessert worden ist. Die durchgezogenen Linien geben die Amplitude ohne G _R und mit G _R ab, während die gestrichelten Linien die Phasenspanne ohne G _R und mit G _R entsprechend angeben. Während durch die Einführung von G _R bei höheren Frequenzen Amplitude und Phase im wesentlichen identisch bleiben, kann eine um ein Mehrfaches höhere Schaltungsverstärkung, beispielsweise ein höherer K _a-Wert, verwendet werden, wodurch die entsprechende Erhöhung der Zielverfolgungsgenauigkeit erreicht wird.

Wie aus der Figur ersichtlich, hat der "Buckel" in G _R bei der Trennfrequenz ω₂ die Genauigkeit im System im Bereich um diese Frequenz weiter vergleichsweise erhöht. Dieser Frequenzbereich ist üblicherweise die am meisten kritische Frequenz. Aus den Kurven ist weiterhin zu ersehen, daß eine sogenannte konditionelle Stabilität bei der Frequenz ω _v ansteigt. Bei dieser Frequenz muß die Verstärkungsspanne so groß sein, daß die Nichtlinearität im System keine Eigenfrequenzen mit einer sichtbaren Amplitude ergibt. Die Einführung des Filters 26 stellt somit mehr bindende Anforderungen an die Linearität der im Zielsystem enthaltenen Komponenten.

Das last- und phasenkompensierende Netzwerk hat den gleichen Aufbau wie das Filter 25, aber mit Trennfrequenzen in der Nähe der Kreuzungsfrequenz der Amplitude. Auch das lastkompensierende Netzwerk 21 hat den gleichen Aufbau wie die Netzwerke 25 und 26, aber die Trennfrequenzen befinden sich in der Nähe der Resonanzfrequenz des Systems. Die Netzwerke 21 und 26 gehören zum ableitenden Typ mit einem Phasen- und Amplitudengang, die im wesentlichen invers zu dem Netzwerk 25 sind.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erhöhung der Zielverfolgungsgenauigkeit eines Zielsystems für ein Geschütz od. dgl., welches ein Geschütz-Servosystem zum Ausrichten des Geschützes auf ein Ziel aufweist. Das Geschütz- Servosystem enthält ein spezial stabilisierendes und die Genauigkeit erhöhendes Netzwerk 20, das seinerseits ein oder mehrere integrierende Filter 25 zweiten Grades aufweist, deren Transmissionsfunktioinen (G _R) eine solche Form aufweisen, daß die Amplitude als eine Funktion der Frequenz im Bereich der zu erwartenden Frequenz der Basisbewegungen des Geschützes und/oder der Zielbewegungen ein Maximum aufweit, wodurch es möglich wird, eine hohe Verstärkung des Systems im Bereich und unterhalb dieser Frequenz zu erzielen.

Claims

1. Einrichtung zur Erhöhung der Zielverfolgungsgenauigkeit eines Zielsystems für ein Geschütz od. dgl. mit einem Geschütz-Servosystem zum Ausrichten des Geschützes auf ein Ziel, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschütz-Servosystem ein stabilisierendes und die Genauigkeit erhöhendes Netzwerk (20) mit einem oder mehreren integrierenden Filtern (25) zweiten Grades aufweist, deren Transmissionsfunktion (G _R) die Form aufweist, wobei ρ₁ und ρ₂ Dämpffaktoren darstellen und ω₁ und ω₁ in der Nähe der zu erwartenden Frequenz der Basisbewegungen des Geschützes und/oder der Zielbewegungen liegen, wodurch eine hohe Verstärkung des Systems im Bereich und unterhalb dieser Frequenz möglich ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zielsystem ein auf einem Schiff befindliches Marinegeschütz, eine Radareinrichtung, ein optisches oder optronisches Visier od. dgl. aufweist, wobei die Frequenzen ω₁ und ω₂ dann nahe der Rollfrequenz des Schiffes liegen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zielsystem ein auf einem Fahrzeug befindliches Geschütz, eine Radareinrichtung, ein optisches oder optronisches Visier od. dgl., aufweist, wobei die Frequenzen ω₁ und ω₂ dann nahe der "Rollfrequenz" des Fahrzeuges, wenn dieses sich auf dem Untergrund bewegt, liegen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zielsystem aus einem auf dem Boden stationierten Zielsystem besteht, wobei die Frequenzen l₁ und ω₂ dann nahe des zu erwartenden Bewegungsfrequenzbereiches des Ziels liegen.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschütz Servosystem Elemente (15 und 16) aufweist, die das stabilisierende und die Genauigkeit erhöhende Netzwerk (20) nur dann anschließen, wenn das Wählersignal (x-y) vom Geschütz Servosystem unter einem gewissen Wert liegt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierende und die Genauigkeit erhöhende Netzwerk (20) zusätzlich zu dem integrierenden Filter (25) zweiten Grades auch ein spezielles, stabilisierendes Netzwerk (24) aufweist, dessen Transmissionsfunktion (G _D) der Gleichung entspricht, wobei T _d und T _f Konstanten sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierende und die Genauigkeit erhöhende Netzwerk (20) auch ein last- und phasenkompensierendes Netzwerk (26) mit gleichem Aufbau wie das integrierende Filter (25) zweiten Grades, jedoch vom ableitenden Typ aufweist, bei dem die Trennfrequenzen in der Nähe der Kreuzungsfrequenz der Amplitude liegen.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschütz Servosystem zusätzlich zum stabilisierenden und die Genauigkeit erhöhenden Netzwerk (20) ein lastkompensierendes Netzwerk (21) mit gleichem Aufbau wie das integrierende Filter (25) zweiten Grades, jedoch vom ableitenden Typ aufweist, bei dem die Trennfrequenzen in der Nähe der Eigenfrequenz des Systems liegen.