DE570916C - Selbsttaetige Steuervorrichtung fuer Schiffe u. dgl. - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine selbsttätige Steuereinrichtung für Schiffe, Luftschiffe o. dgl. Im besonderen bezieht sie sich auf selbsttätige Steuervorrichtungen, bei denen die Steuerung mit Hilfe einer kombinierten Regelung erhalten wird, die auf die Ablenkung des zu steuernden Fahrzeuges von seiner bestimmten Bahn und auf höhere zeitliche abhängige Größen dieser Ablenkung anspricht, von denen die wichtigste die Winkelgeschwindigkeit der Gierung ist. Nach der Erfindung wird die Regelung von einem durch den Erdmagnetismus beeinflußten Instrument von beliebiger Bauart abgeleitet und hängt von der Wirkung zweier synchron angetriebener Einphasengeneratoren ab, von denen der eine von der waagerechten Komponente des Erdfeldes und der andere durch das Feld eines Magneten o.dgl. erregt wird, der in dem Azimut des zu steuernden Fahrzeuges befestigt ist. Wenn das Schiff von seinem Kurs abweicht, ändert sich die Größe der* resultierenden elektromotorischen Kraft an den Klemmen zweier in Serie geschalteter Generatoren, und diese Änderung- der Größe wird zu dem Zwecke der soeben beschriebenen Regelung benutzt.

Um die Wirkungen der einphasigen Ankerrückwirkung, welche die Genauigkeit eines Instrumentes dieser Art sehr stark beeinträchtigt, wenn der Strom durch' die Ankerwicklung fließt, auszuschalten, wird eine elektrostatische stromlose Regelung durch die obenerwähnte Potentialdifferenz zwischen den Gittern von Röhren benutzt, die in geeigneter Weise so beeinflußt werden, daß sie irgendwelche^ merkbare Gitterströme beseitigen, wodurch die Einflüsse der Ankerrückwirkung aufgehoben werden, da der Anker der Regelstromkreise in diesem Falle keinen Strom führt.

Den Größenänderungen der Potentialdifferenz in einem solchen Instrument entspricht eine Änderung des unipolaren Gleichstromes, welcher zur Regelung des Ruders im Verhältnis zu dieser Größenänderung benutzt wird, die für kleine Winkel annähernd proportional dem Abweichungswinkel des Schiffes von seiner Bahn ist.

Die Steuerung eines Schiffes von großem Rauminhalt mit Hilfe dieses Verfahrens würde jedoch sehr ungenügend sein, weil das Schiff einer gekrümmten Bahn- folgen würde anstatt einer geradlinigen. Um die erforderliche Dämpfungswirkung einzuführen, welche

im Falle der Steuerung durch den Steuermann zur rechten Zeit bewirkt wird, wird die Regelung der Winkelgeschwindigkeit hinzugefügt. Diese Regelung wird nach der Erfindung durch eine induktive Kupplung erreicht. Der unipolare Regelstrom fließt durch die Primärwicklung eines Transformators, dessen Sekundärspule elektrostatisch, d. h. ohne irgendwelchen nennenswerten Strom, das Gitter eines zusätzlichen Dreielektrodenröhrenverstärkers regelt. Bekanntlich ist die in der Sekundärwicklung eines offenen Transformators induzierte elektromotorische Kraft im wesentlichen proportional der Änderung des durch den Primärstromkreis fließenden Stromes. Da aber im vorliegenden Falle die Änderungen des Primärstromes proportional dem Ablenkungswinkel des Schiffes von seinem Kurs sind, so ergibt sich, daß diese sekundäre induzierte elektromotoriche Kraft ebenso wie die durch sie hervorgerufene zusätzliche Ruderregelung proportional der Änderung dieses Winkels ist, d. h. proportional der Gierungsgeschwindigkeit.

Um eine sehr intensive Regelwirkung in der Nähe des Nullpunktes entsprechend dem bestimmten Kurs zu erzielen, ist der Anker des in dem Magnetfeld umlaufenden Synchrongenerators mit zwei Wicklungen versehen, die unter einem verhältnismäßig kleinen Winkel zueinander angeordnet sind, wodurch zwei verschieden wirkende Regelströmkreise erhalten werden, deren volle Regelkraft auf einen verhältnismäßig kleinen Sektor in der Nähe des Nullpunktes beschränkt ist. Damit das Ruder seine Wirkung ausübt, ist ein von der Ruderbewegung beeinflußter Spannungsteilerstromkreis vorgesehen. Infolge dieser Anordnung wird das Ruder um seinen Nullpunkt sehr energisch bewegt, wodurch die Störungen sofort bei ihrem Entstehen gedämpft werden. Wenn aber aus einem oder dem anderen Grunde eine Abweichung erfolgt ist, strebt diese Anordnung die Intensität der Ruderwirkung zu vermindern.

Die vorliegende Erfindung umfaßt drei Hauptteile, und zwar:

a) das Richtinstrument, durch welches eine elektrische Wirkung ausgelöst wird, die der Abweichung des Schiffes von seinem Kurs entspricht,

b) die Verstärkereinrichtung, durch welche diese elektrische Wirkung so verstärkt wird, daß sie genügt, um die Antriebsmotoren des Steuers in Tätigkeit zu setzen,

c) die Steuerantriebs vorrichtung.

Außer dieser Einteilung der Stabilisatoreinrichtung in drei Hauptteile werden noch wichtige Merkmale der Erfindung weiter unten beschrieben.

Die Erfindung ist in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt, und zwar zeigt: . Abb. ι eine schaubildliche Darstellung des Magnetapparates, durch welchen die selbsttätige Steuervorrichtung betätigt wird,

Abb. 2 das Schaltungsschema der Abb. 1, Abb. 2Ά ein Schema für eine Abänderung der Abb. 2,

Abb. 3 das Vektordiagramm der beim Betrieb der Vorrichtung nach der Abb. 1 in Betracht kommenden EMK,

Abb. 4 das vollständige Schema der selbsttätigen Steuervorrichtung,

Abb. 5 eine Einzelheit der Einrichtung nach der Abb. 4 mit einer Vorrichtung zur Erzielung des Überlegens bzw. Aufkommenlassens des Ruders (in der Steuermannssprache).

Abb. 6 zeigt eine Vorrichtung zum Übergang von der Handbetätigung zur selbsttätigen Betätigung und umgekehrt.

Abb. 7 ist eine Einzelansicht und zeigt einen Teil der Antriebsvorrichtung nach der Abb. 6. ·

Aus der Zeichnung geht hervor, daß die A^orrichtung (Abb. 1) aus einer Welle 1 aus nicht magnetischem Stoff besteht, die durch eine kandanische Aufhängung aus nicht magnetischem Stoff (Rotguß, Messing u. dgl.) in go der lotrechten Lage gehalten wird. Die kardanische Aufhängung besteht aus einer Armatur 2, durch welche die Lager der Welle 1 und die anderen Glieder des Instrumentes getragen werden. Auf dieser Armatur ist ein Ring 3 befestigt, und konzentrisch mit diesem Ring sind zwei weitere Ringe 4 und 5 in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet. Der Ring 4 ist durch Zapfen 3' mit dem Ring 3 verbunden und kann sich längs der Achse x-x verschieben; der Ring 5 ist mit dem Ring 4 ebenfalls durch nicht dargestellte Zapfen verbunden, die in der Achse y-y liegen und gegenüber welchen der Ring 5 sich drehen kann. Der äußere Ring 5 ist in einem weiteren Ring 6 eingesetzt, der am Schiff bzw. an dem sonstigen Fahrzeug, das mit dem Apparat versehen ist, befestigt wird. Dieser Ring 5 ist außen mit einer Verzahnung 7 versehen, mit welcher ein am Ring 6 befestigtes Triebrad 8 kämmt (s. Abb. 1). Durch Verdrehung der Achse des Triebrades 8 mit Hilfe einer Steuervorrichtung 9 kann man daher den Rahmen oder die Armatur 2 azimutal gegenüber dem Schiff verdrehen.

Eine aus Isoliermaterial bestehende Trommel 10· ist auf dem oberen Teil der Welle 1 aufgekeilt. Diese Trommel trägt eine (in der Zeichnung der Symmetrie halber aus zwei Halbspulen bestehend gedachte) Spule 11 mit einer sehr großen Anzahl Windungen aus feinem Draht.

Auf der Welle i, aber über der Trominel io ist eine weitere Trommel 12 aus magnetischem Stoff aufgekeilt. Die Trommel 12 trägt zwei Spulen 13, 14, die miteinander einen gewissen Winkel α bilden. Die beiden Trommeln 10 und 12 sind auf der Welle 1 in der aus Abb. ι ersichtlichen Weise derart aufgekeilt, daß die Ebene m-m der Windungen der Spule 11 den durch die Spulen 13 und 14 gebildeten Winkel α halbiert.

Die Trommel 12 liegt in dem magnetischen Feld eines Dauermagneten 15, der übrigens auch durch einen Elektromagnet ersetzt werden kann und an der Armatur 2 befestigt ist

(s. Abb. 1). Die Welle 1 wird durch die in dem Magnet 15 vorgesehene öffnung hindurchgeführt und ist mit der Welle eines Elektromotors 17 verbunden-, der die Welle 1 mit den Trommeln 10 und 12 in Drehung versetzt.

Die Verbindung der Spulen ir, 13 und 14 miteinander ist in den Abb. 2 und 2a angegeben.

In der Abb. 2 sind die Spulen mit denselben Bezugszeichen wie in der Abb. 1 bezeichnet. Hinsichtlich der gegenseitigen Phase der Vektoren der in den Wicklungen 11, 13, 14 induzierten EMK zeigt die Abb. 2 eine richtige Darstellung derselben, und in dieser Beziehung wird die Arbeitsweise der Vorrichtung an Hand des Diagrammes der Abb. 3 unter Berücksichtigung des Schemas der Abb. 2 beschrieben.

In der Praxis wird jedoch die Größen-Ordnung der (in der Spule 11 induzierten) EMK E₁₁ einerseits und E₁₃ und E₁₄ anderseits eine verschiedene sein. E₁₁ ist insbesondere eine durch die waagerechte Komponente des Erdmagnetismus induzierte EMK, die daher im Vergleich mit E₁₃ und E_u ziemlich gering ist. Infolgedessen ist es nötig, diese EMK E_n zu verstärken, bevor sie mit E₁₃ und E₁₄ in Verbindung gebracht wird. Zu diesem Zweck ist die wirkliche Verbindung eine

♦5 etwas verschiedene. Dieselbe ist sowohl in der Abb. 2a als auch in der Abb. 1 angegeben.

Die Spule 11 ist mit zwei auf der Welle 1 befestigten Ringen 18, 19 verbunden. Die Spulen 13, 14 sind bei 23 miteinander verbunden, und dort zweigt eine Verbindung nach dem Ring20 ab; die beiden anderen Enden der Spulen 13 und 14 sind mit den Ringen 21 und 22 verbunden. Durch die entsprechenden Bürsten" 18', 19', 20', 21', 22' können die zur Wirkung gelangenden EMK der Spulen 1, 13 und 14 zwecks Stabilisierung im äußeren Stromkreis in der weiter unten beschriebenen Weise verbunden werden. Die Leitungsdrähte, durch welche diese Bürsten mit den äußeren Stromkreisen der Vorrichtung nach Abb. 1 verbunden werden, liegen innerhalb der Aufhängungsringe 3, 4 und 5 und führen von einem Ring zum. anderen innerhalb der Zapfen der Achsen x-x, y-y derart; daß jede die Bewegungsfreiheit der Vorrichtung im Raum störende Kraft hierdurch beseitigt wird.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist folgende:

Auf die Spulen (Abb. 1) wirkt der Magnetfluß der waagerechten Komponente des Erdmagnetismus ein; auf die Spulen 13 und 14 wirkt der Magnetfluß des Magneten 15 ein, der mit dem Schiff azimutal verbunden ist,, und zwar durch Vermittlung der oben.beschriebenen Aufhängung.

Betrachtet man eine in der Abb. 1 dargestellte symmetrische Lage, so läßt sich die entsprechende Arbeitsweise, wenn die Achse des Magneten 15 mit der Richtung des magnetischen Meridians parallel ist, aus dem Vektordiagramm der Abb. 3 mit den in vollen Linien angegebenen EMK erklären. .. ._ .

Nach den in der Theorie des Wechselstromes üblichen Bezeichnungen ist E₁₁ der Höchstwert der in den Spulen 11 infolge ihrer Drehung in dem Magnetfluß der waagerechten Komponente des Erdmagnetismus induzierten sinusförmigen EMK; E₁₃ und E₁₄ sind die entsprechenden Werte der in:den Spulen 13 und 14 infolge ihrer Drehung in dem Magnetfeld des Magneten 15 erzeugten EMK.

Die entsprechenden Werte der. einerseits zwischen den Punkten 11 und 13 und andererseits zwischen 11 und 14 (Abb. 2) induzierten EMK sind in dem Diagramm der Abb. 3 durch die Vektoren E_A und E_B dargestellt, die die Diagonalen der auf den VektorenJS₁₁ too. und E₁₃ einerseits und JS₁₁, E₁₄ andererseits errichteten Parallelogramme sind. Wenn nun das Schiff die symmetrische Lage verläßt, wenn die Achse des Magneten 15 mit der Richtung des magnetischen Meridians parallel ist und nach einem Winkel β giert, so ändert sich die entsprechende Phase von E₁₁ einerseits und von E₁₃, E₁₄ andererseits um denselben Winkel ß, denn das eine Feld, und zwar namentlich das Erdfeld im Raum feststeht, während das andere Feld, nämlich das Magnetfeld des Magneten 15, sich azimutal um den Winkel β gedreht hat. Wenn man sich auf die Phase der EMK E₁₃, E₁₄ bezieht, so ändert sich die Phase der durch das Erdfeld induzierten EMK E₁₁ um einen Winkel ß, der dem Gierungswinkel gleich ist, wie in der Abb. 3 bei E₁₁ dargestellt. Die Parallelogramme der EMK OE₁₁, E'_A, E₁₃ und OE₁₁, Eg, E₁₄ sind nicht mehr wie in der symmeirischen Lage einander gleich; die EMK E'_B ist namentlich größer geworden als ihr ur-

sprünglicher Wert OE_B\ die andere E'_A ist kleiner als der ursprüngliche Wert E_A geworden.

In der Praxis wird es vorteilhaft sein, wenn der Winkel α ziemlich klein gewählt wird; in der symmetrischen Lage ist dann der Vektor JS₁₁ den beiden anderen Vektoren E₁₃, E_u entgegengesetzt, und unter diesen Bedingungen wird die Änderung der Vektoren E_A, ίο E_B bei kleinen Gierungswinkeln β ungefähr dem Winkel β proportional sein, der sich aus den einfachen trigonometrischen Betrachtungen ergibt.

Es versteht sich von selbst, daß die Änderung der Vektoren E_A, Eb beim Gieren auch in entgegengesetzter Richtung erfolgt, so daß die Vorrichtung beiderseits des Nullpunktes zur Wirkung gelangt.

Diese Änderung der Vektoren E_A, E_B wird dazu benutzt, die Steuerung zur Stabiliserung des Schiffes auf seinem Kurs zu bewirken. Zu diesem Zweck werden die bekannten Eigenschaften der Dreielektrodenröhren benutzt, die als Spannungsverstärker wirken. Zu bemerken ist, daß die Richtvorrichtung bei dem zur Verwendung gelangenden Prinzip im wesentlichen mit Wechselstromspannung arbeitet. Dieses ist sehr vorteilhaft, und zwar zuerst deshalb, weil die Bürsten nicht auf dem Kommutator wie bei den vorhandenen Induktionskompassen, sondern auf den Schleifringen schleifen, wodurch die Wirkung derselben bedeutend verbessert wird, und dann auch weil die Verwendung einer Wechselstromspannung sich zur Verstärkung mit Hilfe von Dreielektrodenröhren weit besser als Gleichstrom eignet, da eine Verstärkung mit Gleichstrom in befriedigender Weise nur schwer zu erzielen ist.

Die Arbeitsweise der Verstärkervorrichtung ist in der Abb. 4 gezeigt. Die in der Spule 11 (Abb. 1 und 2a) induzierte Wechselstromspannung liegt an den Klemmen 24, 25 an; die Klemme 25 ist mit dem Leuchtfaden der Röhre 26 und die Klemme 24 mit dem Gitter dieser Röhre verbunden; diese beiden Klemmen 24 und 25 sind ferner mit den Bürsten 18' und 19' der Abb. 2a verbunden. Durch eine kleine Gittervorspannung wird der Arbeitspunkt ungefähr in der Mitte der Charakteristik der Röhre 26 festgelegt. Ein Transformator 28 ist in dem Stromkreis der Röhre 26 eingeschaltet; die primäre Impedanz dieses Transformators wird so gewählt, daß sie ungefähr dem Widerstand der Strecke Leuchtfaden—Anode in der Röhre entspricht, so daß es möglich ist, eine entsprechende Verstärkung zu erzielen.

Die Sekundärwicklung des Transformators 28 ist einerseits durch Vermittlung einer Gitterbatterie 29 mit dem Minuspol 36 der Heizbatterie 30 der Röhren und andererseits mit dem Punkt 31 verbunden, der elektrisch dem Punkt 31 des Schemas der Abb. 2 entspricht. Die in den Spulen 13 und 14 der Abb. ι induzierten EMKE₁₃, E_u (Abb. 2) werden im äußeren Stromkreis durch die Bürsten 20', 21' und 22' (Abb. 2a und 4) aufgenommen. Die beiden Primärwicklungen der Transformatoren 32, 33 sind miteinander und auch mit der Bürste 20' und die beiden anderen Enden dieser Primärwicklungen sind mit den Bürsten 21' und 22' verbunden. Die Sekundärwicklungen dieser Transformatoren 32 und 33 sind einerseits bei 31 miteinander und andererseits mit den Gittern der Röhren 34 und 35 verbunden.

Hieraus· folgt, daß zwischen dem gemeinsamen Punkt 36 der Leuchtfäden der Röhren 34 und 35 und den zugehörigen Gittern Wechselstromspannungsunterschiede entstehen, die in dem Vektordiagramm der Abb. 3 durch die Vektoren E_A und E_B dargestellt sind. Die Höchstwerte der in den Sekundärwicklungen des Transformators 28 und der beiden Transformatoren 32, 33 induzierten Wechselstromspannungen bleiben dieselben, aber die entsprechende Phase der in der Sekundärwicklung des Transformators 28 induzierten Spannung ändert sich gegenüber derjenigen der Transformatoren 32 und 33, wodurch die Änderungen von E_A und E_B entstehen (s. Abb. 3).

Die für die beiden Röhren 34, 35 gemeinsame Gitterbatterie 29 hat den Zweck, den Arbeitspunkt an der Stelle festzulegen, wo die Anodenströme gleich Null sind, wenn in den Stromkreisen zwischen den Leuchtfäden und den Gittern der Röhren 34, 35 keine EMK vorhanden sind. Hieraus folgt, daß, 1°° wenn in diesen Stromkreisen sinusförmige EMK herrschen, die Anodenströme durch Ströme durchflossen werden, deren mittlerer Wert im allgemeinen eine Funktion des mittleren Wertes einer am entsprechenden Gitter angelegten gleichgerichteten Halbwelle sein wird. Um den Wechselstromteil der Anodenströme beseitigen zu können, ist es zweckmäßiger, zwischen den Anoden der Röhren 34, 35 und den zugehörigen Koppelwiderständen 37, 38 Filterstromkreise einzuschalten, die beispielsweise mit Drosselspulen 39, 40 und Kondensatoren 41, 42, 43, 44 angegeben sind. Durch Verwendung der Filter erreicht man, daß die in den Widerständen 37 und 38 fließenden Ströme Gleichströme sind, deren Werte auf diese Weise mit dem mittleren Wert der am entsprechenden Gitter angelegten Halbwelle der Wechselstromspannung in Verbindung stehen.

Die Röhren 45 und 46 sind Leistungsröhren; die Kopplung derselben mit den Röhren

34 ^und 35 der Vorstufe erfolgt durch unter Gleichstrom stehende Widerstände 37, 38. Die Anodenströme der Röhren 45 und 46 ändern sich daher gegeneinander im entgegengesetzten Sinne in Abhängigkeit des mittleren Wertes der zwischen den Heizfäden und den Gittern der Röhren 34 und 35 angelegten Halbwellen der Wechselstromspannung.

Diese Ströme der Anoden der Röhren 45

ίο und 46 stellen also die verstärkte Steuerwirkung dar, die zum Antrieb der Vorrichtung für die zur Betätigung des Schiffssteuers dienenden Antriebsmotoren benutzt werden.
Zu diesem Zweck werden diese Anodenströme durch zwei Wicklungen 72 und 73 einer Anzeigevorrichtung 71 und durch zwei Erregerwicklungen 47, 48 geleitet, die im entgegengesetzten Sinne voneinander gewickelt sind und zu einer getrennten Gleichstromdynamo 49 gehören, welche durch den Motor 120 angetrieben wird. Diese Dynamo ist ebenfalls mit zwei Erregerwicklungen 50, 51 versehen, deren Hauptzweck weiter unten angegeben werden soll. Sind die Anodenströme der Röhren 45 und 46 miteinander gleich, was dann der Fall ist, wenn die Vektoren £4 und Eß der Abb. 3 gleich sind und das Schiff genau seinen Kurs einhält, so bleibt der Magnetstromkreis der Dynamo unerregt, so daß die Klemmenspannung derselben gleich Null ist.

Weicht nun das Schiff von der symmetrischen Lage um den Gierungswinkel β ab, wie dieses bezüglich des Diagrammes der Abb. 3 erläutert wurde, so wird die Störung des Gleichgewichtes der Vektoren E₄ und B_B von einer entsprechenden Störung des Gleichgewichtes der Anodenströme und infolgedessen von der Erzeugung einer im Anker 49 der Dynamo mit einer gewissen Polarität induzierten EMK begleitet. Ändert der Gierungswinkel sein Vorzeichen, so' ändert sich- auch die Polarität der Spannung in 49. Wenn man endlich dafür sorgt, daß die Betriebsgrenzen auf den geradlinigen Teilen verschiedener Charakteristiken liegen, so läßt sich ein bestimmtes Verhältnis zwischen dem Gierungswinkel β und der im Anker 49 induzierten EMK erreichen.

Der Anker der Dynamo 49 ist mit dem Anker 5.2 eines Elektromotors verbunden, dessen Erregerwicklung mit 53 bezeichnet ist. Dieser Motor ist ständig in gleichbleibender Weise erregt. Der Motor 52 arbeitet entweder unmittelbar auf das Steuer oder auf das Steuerorgan, beispielsweise das Steuerventil einer Schiffsruderantriebsmaschine, wie weiter unten bei der Besprechung der Abb. 7 erläutert werden soll. Bekanntlich ist unter diesen Bedingungen zwischen der Klemmspannung ap den Klemmen der Dynamo 49 und der Drehzahl des Motors 52 ein gewisses Verhältnis vorhanden.

Um die Wirkung in dem Maß, wie der Ruderwinkel zwecks Berichtigung des Kurses des gierenden Schiffes größer wird, zweckmäßig abzudämpfen, verwendet man folgende Hilfsvorrichtung: Ein beweglicher, durch die Ruderbewegung mitgenommener Kontakt 54 bewegt sich längs eines Wider-Standes 55, dessen Klemmen mit den Spulen 50 und 51 verbunden sind; die anderen Enden dieser Spulen sind bei 56 miteinander und von hier ab zusammen unmittelbar mit einem Pol des Gleichstromnetzes verbunden; der andere Pol des Gleichstromnetzes ist mit dem beweglichen Kontakt 54 verbunden. Befindet sich das Ruder in der Mitte, so steht der Kontakt 54 ebenfalls in der Mitte des Widerstandes 5 5, und die Ströme sind in den Spulen 50 und 51 gleich; infolgedessen ist deren magnetisierende Wirkung gleich Null. Bewegt sich der Kontakt 54 aber beispielsweise nach links auf dem Widerstand 55 infolge der Verschiebung des Ruders, so nimmt der Strom in der Spule 50 zu und in der Spule 51 ab, so daß in den Amperewindungen ein Unterschied entsteht, der dem Unterschied in den Amperewindungen der .Spulen 50 und 51 entspricht. Die Verbindungen zwischen den Klemmen des Widerstandes 55 und den Spulen 50 und 51 werden so hergestellt, daß durch diese resultierenden Amperewindungen die Anfangserregung der Dynariio 49 erniedrigt wird. Hieraus folgt, daß der Ruderwinkel in dem Maß, wie das Ruder sich von der mittleren Lage weiter fortbewegt, immer langsamer zunimmt. Das Ruder wird sich also in der Nähe des Nullpunktes sehr lebhaft bewegen, um einer Abweichung vom Kurs sofort beim Entstehen derselben entgegenzuwirken.

Nimmt jedoch diese Abweichung aus irgendeinem Grunde zu, so wird man vorzugsweise die Bewegung des Ruders verlangsamen und abwarten, bis die Ruderwirkung auf die Winkelträgheit des Schiffes einsetzt, statt auf einmal zu viel Ruder zu geben, was eine unnötige Verminderung der Schiffsgeschwindigkeit zur Folge hätte und außerdem für die Unterhaltung der Abweichung in der entgegengesetzten Richtung günstige Verhältnisse schaffen würde.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung von Mitteln, die auf die augenblickliche Winkelgeschwindigkeit der entstehenden Abweichung ansprechen. Bekanntlich richtet sich der erfahrene Steuermann nach der sorgfältigen Beobachtung dieser Winkelgeschwindigkeit,, um das Ruder zur gewünschten Zeit umzulegen oder aufkommen

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zu lassen. Zur Erreichung dieses wichtigen Zweckes verwendet man die folgende Vorrichtung, die der Deutlichkeit halber in der Abb. 6 einzeln gezeigt wird, in Wirklichkeit aber zum Gesamtschema der Abb. 4 gehört.

In der Abb. 5 sind die Röhren 45 und 46 die gleichen wie in der Abb. 4; desgleichen bezeichnen 47 und 48 in der Abb. 5 die entgegengesetzten Wicklungen der Dynamo. Um den dynamischen Antrieb durch die Winkelgeschwindigkeit zu erzielen, werden mit den Anodenstromkreisen der Röhren 45 und 46 die Primärwicklungen zweier Transformatoren 57 und 58 hintereinandergeschaltet, deren Sekundärwicklungen aus einer sehr großen Anzahl von Windungen aus feinem Draht bestehen. Zwei Enden der Sekundärwicklungen sind mit dem Punkt 36 verbunden, der selbst mit dem Minuspunkt der Heizao fäden aller miteinander parallel geschalteten Röhren (s. Abb. 4) "verbunden ist; die beiden anderen freien Enden der Sekundärwicklungen sind mit den Gittern der Röhren 60 und 61 verbunden, die durch Vermittlung der gewöhnlichen Widerstandskopplung 62 und 63 mit den Gittern der Leistungsröhren 64 und 65 verbunden sind, deren Anoden mit den Erregerwicklungen 47 und 48 der Dynamo 49 in Verbindung stehen.

Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist folgende:

Angenommen, das Schiff halte seinen Kurs genau ein; die Anodenströme der Röhren 45 und 46 bleiben dann untereinander gleich und auch konstant; die in den Sekundärwicklungen der Transformatoren 57 und 58 induzierten EMK sind daher gleich Null: und wegen der symmetrischen Kopphing werden die Anodenströme der Röhren 64 und 65 ebenfalls untereinander gleich sein. In der Wicklung 47 überlagern sich die Anodenströme der Röhren 45 und 64, und deren magnetische Wirkung wird durch die entgegengesetzten Amperewindungen der sich in der Wicklung 48 überlagernden Anodenströme der Röhren 46 und 65 aufgehoben.

Wenn das Schiff dagegen von seinem Kurs abzuweichen beginnt, so ändern sich die Anodenströme der Röhren 45 und 46, da sie jeweils dem Abweichungswinkel entsprechen. Gemäß dem Lenzschen Gesetz entstehen in den Sekundärwicklungen der Transformatoren 60 und 61 EMK, deren augenblickliche Werte der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit bei der Abweichung entsprechen. Nimmt beispielsweise der Anodenstrom in der Röhre zu und in der Röhre 46 ab, so sollen die Verbindungen zwischen den Sekundärwicklungen der Transformatoren 57 und 58 und den Gittern der Röhren 60 und 61 bei dem Schema nach der Abb. 5 in der Weise erfolgen, daß die Gitterspannung in der Röhre 60 ab- und in der Röhre 61 zunimmt, wobei diese Ab- oder Zunahme durch den Einfluß der in den Sekundärwicklungen induzierten EMK verursacht wird. Infolge der Widerstandskopplung mit den Leistungsröhren 64 und 65 nimmt die Gitterspannung in der Röhre 64 zu und in der Röhre 65 ab. Die Leistung der Röhre 64 nimmt daher zu und vergrößert die entsprechende Wirkung der Röhre 45; eine ähnliche Änderung, jedoch im entgegengesetzten Sinn, entsteht durch die Röhre 65. In dem als Beispiel gewählten Fall üben also die Röhren 64, 65 durch ihre auf die Winkelgeschwindigkeit der Abweichung ansprechende Wirkung eine typische Umlegewirkung aus. Durch einen ähnlichen Gedankengang kann man sich leicht davon überzeugen, daß die dem Aufkommenlassen des Ruders entsprechende Wirkung durch dieselbe Vorrichtung 'ebenfalls selbsttätig erhalten wird. Der einzige Unterschied besteht darin; daß die Stromänderungen in den Röhren 45 und 64 sich für die Wicklung 47 nicht mehr addieren, sondern voneinander abgezogen werden. Es versteht sich von selbst, daß dasselbe auch für die Stromänderungen in den Röhren 46 und 65 für die Wicklung 48 gilt.

Mit den Anodenstromkreisen der Röhren 64 und 65 könnte man noch den Transformatoren 57 und 58 ähnliche Transformatoren hintereinanderschalten und vier den Röhren 60, 61, 64 und 65 ahnliche Röhren hinzufügen,^-auf~die^e—Weise würde man einen Antrieb erhalten, der auf die Winkelbeschleunigung der Abweichung ansprechend würde; in diesem Fall würden die dem Umlegen bzw. Aufkommenlassen des Ruders entsprechenden ioo Wirkungen noch deutlicher zutage treten. Im allgemeinen erhält man schon mit der Vorrichtung nach der Abb. 5, die auf die erste Derivate der entstehenden Abweichung (gegenüber der Zeit) anspricht, einen selbsttätigen praktisch vollkommenen Antrieb.

Die oben beschriebene selbsttätige Steuerung eignet sich leicht für verschiedene Regulierungen, und zwar entweder, um bei Schiffen mit verschiedenen Charakteristike-n tio eine befriedigende Steuerung durchzuführen, oder um bei demselben Schiff eine dem Zustand der See, dem Wetter u. dgl. entsprechende geeignete Steuerung zu erhalten.

Für die Durchführung solcher Regulierungen mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind zahlreiche Möglichkeiten vorhanden; nachstehend sollen nur einige derselben beispielsweise angeführt werden.

Als solche Regulierungen werden die drei folgenden angegeben:

i. Stärke des Steuerungsantriebes,

2. Stärke des dynamischen Antriebes durch die Winkelgeschwindigkeit,

3. Stärke des Ruderantriebes.

Die erste Regulierung dient dazu, das Verhältnis zwischen dem Abweichungswinkel β und der entsprechenden Änderung des Anodenstromes in den Röhren 45 und 46 zu ändern. Diese Regulierung erhält man leicht entweder dadurch, daß man die Heizströme der Röhren mit Hilfe eines Widerstandes 67 (Abb. 4) etwas ändert, wodurch die thermo-ionische Aussendung der Röhren ebenfalls geändert wird, oder die Koppelwiderstände 37 und 38 mit Hilfe der beweglichen Kontakte 68 und 69 verschieden einstellt.

Die zweite Regulierung erhält man durch ähnliche Verfahren, die man entweder bei den Heizfäden der Röhren 64 und 6$ oder, bei den Koppelwiderständen 62 und 63 (Abb. 5) anwendet.

Diese beiden Regulierungen sind nach der Aufstellung der Vorrichtung auf dem Schiff ein für allemal vorzunehmen. Das Verhältnis zwischen den beiden Antrieben, und zwar dem Richtungsantrieb und dem dynamischen Antrieb, hängt nämlich nur von den Charakteristiken des betreffenden Schiffes ab und bleibt für dieses Schiff konstant.

Die dritte Regulierung hat den Zweck, die Stärke des Ruderantriebes zu ändern. Bei ruhiger See wird man diesen Antrieb z. B. stärker einstellen, um eine sehr genaue geradlinige Fahrt zu erhalten, ohne daß nennenswerte Kursabweichungen vorkommen; auf stürmischer See dagegen wird man diesen Antrieb einschränken, denn es wäre unnötig, den Ruderantrieb bei jeder Welle auszulösen, die das Schiff momentan aus seinem Kurse bringt. Der Steuermann handelt auch nicht anders, indem er je nach den Verhältnissen schärfer oder weniger scharf steuert.

Diese Regulierung kann also auf verschiedene Weise erfolgen. Man kann z. B. einen einstellbaren Widerstand 70 in der Rückleitung der Erregerwicklungen 47 und 48 der Dynamo einschalten, oder man kann das Feld 125 des Motors 120 mit Hilfe des Widerstandes 126 beeinflussen. Je mehr Widerstand 70 eingeschaltet wird, desto schwächer wird der Antrieb und umgekehrt. Der Widerstand 70 soll daher zugänglich sein, damit man die Stärke der selbsttätigen Steuerung entsprechend den Schiffahrtsverhältnissen einstellen kann. Dasselbe gilt für die Regulierung der Drehzahl des Elektroaggregates 49, 120 mit Hilfe des Widerstandes 120.

Außer dem selbsttätigen Ruderantrieb eignet sich die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch leicht zur Anzeige entweder des Abweichungs- oder Gierungswinkels oder der Winkelgeschwindigkeit der Abweichung. Es soll beispielsweise die Anzeige des Gierungswinkels beschrieben werden.

Mit den. Anoden der Röhren 45 und 46 wird ein Differ entialm ill.i amperemeter hintereinandergeschaltet, das zwei in Gegenschaltung angeordnete Magnetspulen J2 und 73 enthält. Wenn das Schiff den einmal eingestellten Kurs genau einhält, so befindet sich der Zeiger 74 des Differentialmilliamperemeters genau auf Null, denn die Ströme der Röhren 45 und 46 sind miteinander gleich, so daß die Wirkungen der Magnetspulen 72 und 73 sich gegenseitig aufheben. Weicht das Schiff von seinem Kurs ab, so findet ein Ausschlag des Zeigers 74 in der einen oder in der anderen Richtung statt, wodurch der Gierungswinkel in einem viel größeren Maßstab angezeigt wird, als es bei einem gewöhnliehen Kompaß möglich ist, denn einem kleinen Gierungswinkel kann z. B. auf der Skala 71 ein großer Winkel entsprechend

Das Arbeiten der Vorrichtung für den selbsttätigen Antrieb des Ruders in der oben beschriebenen Weise kann jederzeit unter gleichzeitiger Auslösung der üblichen Handsteuerung und umgekehrt ausgeschaltet werden. In dieser Beziehung wird die Vorrichtung an Hand der Abb. 7 beschrieben, die gewisse mechanische Einzelheiten zeigt, durch welche das Ruder mit der oben beschriebenen Vorrichtung verbunden wird. Die entsprechenden elektrischen Einzelheiten sind in der Abb. 4 angegeben.

Die selbsttätige Steuervorrichtung kann mit einer beliebigen Ruderantriebsvorrichtung verbunden werden. Da jedoch alle Wirkungen der Vorrichtung ebenso wie das Gieren selbst in ununterbrochener Weise erfolgen, so wird man zweckmäßig als Rudermotor einen ebenfalls ununterbrochen laufenden Motor verwenden. Die Abb. 6 zeigt einen hydraulischen Motor mit veränderlicher Leistung, der mit geeigneten Abänderungen mehr und mehr auf den Schiffen verwendet wird. Da die betreffende Vorrichtung wohl bekannt ist, so sollen nur die Haupteinzelheiten derselben angegeben werden.

80 ist das Ruder; 82 ist ein Ruder joch, no dessen Zugstangen mit 83, 83' bezeichnet sind. 84 und 84' sind zwei hydraulische Zylinder, in welchen sich an den Zugstangen 83, 83' befestigte Kolben bewegen. Die hydraulische Pumpe 85" mit veränderlicher Leistung wird durch den Elektromotor 86 angetrieben. Diese Pumpe steht durch die Rohrleitungen 87 und 88 in der aus Abb. 6 ersichtlichen Weise mit den Zylindern 84, 84' in Verbindung. Die Änderung der Pumpenleistung erfolgt durch eine Welle 90 (siehe Abb. 7), die mit einer Schnecke 91 versehen

ist, die die Welle 92 antreibt, durch welche die Förderung der Pumpe 85" hinsichtlich der Förderrichtung sowie auch der Fördermenge und infolgedessen die Ruderbewegung geregelt wird. Auf der Welle 90 sind zwei Triebräder 92', 93 verschiebbar gelagert, die auf ihrer Unterseite miteinander gekuppelt sind und durch einen Keil 90' auf genannter Welle verschoben werden können. Bei der Handsteuerung werden die beiden Triebräder 93 und 97, welch letzterer auf der durch den Steuermann betätigten Welle 98 sitzt, durch eine Feder 96 und mit Hilfe eines Hebels 94, der bei 95 drehbar gelagert ist, miteinander in Eingriff gebracht; wie aus der Abb. 7 ersichtlich, kann durch einen Elektromagnet 99 die Wirkung der Feder 96 überwunden und zwischen dem Motor 52 des selbsttätigen Antriebes und der Welle 90 durch das Kämmen der Triebräder 92' und 100 eine mechanische Verbindung hergestellt werden. Die elektrischen Wirkungen, die zum Übergang von der selbsttätigen Steuerung zur Handsteuerung und umgekehrt dienen, sind in der Abb. 4 angegeben. Diese Wirkungen werden beispielsweise mit Hilfe eines Schalters 102 erhalten, der die drei Stellungen I-I, H-II, III-III einnehmen kann. Der bewegliche Teil des Schalters besteht aus Isoliermaterial und besitzt drei Kontakte 103, 104 und 105. Der feste Teil besitzt vier Segmente 106, 107, 108, 109, die zwischen den Stellungen II und III liegen, und auch, einen festen Kontakt 104 in der Linie III und ein festes Segment 110 zwischen den Linien II und III. Die Segmente 106 und 107 sind mit der Heizbatterie 30 hintereinandergeschaltet; die Segmente 108 und 109 sind mit den Anodenstromkreisen hintereinandergeschaltet, die durch die Spannung Vp zwischen den Klemmen 120 (—) und 121 (+) gespeist werden. Das Segment 110 ist mit dem kleinen Motor 17 (Abb. 1) und endlich der Kontakt 104 mit dem Elektromagnet 99 und dem die Dynamo 49 antreibenden Motor 120 hintereinandergeschaltet. Es wurde nur das ungefähre Schaltschema ohne die Anlaßwiderstände gezeigt; es versteht sich von selbst, daß der Schalter durch weitere Kontakte ergänzt werden kann, wenn man dieses berücksichtigt.

Wenn der Schalter sich in der Stellung I befindet, so ist die Handsteuerung eingeschaltet; die elektrische Vorrichtung (Röhren, Motoren u. dgl.) arbeitet nicht.

Wenn der Schalter sich in der Stellung III befindet, so werden die Heizstromkreise zwischen den Segmenten 106, 107 durch den Kontakt 103 geschlossen; die Röhren werden eingeschaltet; der Kontakt 104 schließt die Anodenstromkreise der Röhren; die Kontakte 105 und 110 schließen den Stromkreis des Motors 17; das Induktionsinstrument läuft an. Die Steuerung erfolgt aber auch nach wie vor von Hand, denn der Elektromagnet 99 ist nicht eingeschaltet; das Motordynamoaggregat 49, 120 steht ebenfalls still. Die Anodenströme der Röhren 45, 46 fließen durch die Wicklungen 72, 73 des Kursanzeigers 71, der in diesem Fall wie ein sehr empfindlicher Kompaß arbeitet. In diesem Fall erfolgt also die Steuerung von Hand, aber der Steuermann kann sich der Angaben des Kursanzeigers bedienen.

Wenn der Schalter endlich in der Stellung III steht, so läuft das Motordynamoaggregat 120, 49 an, und durch den Elektromagnet 99 wird die Verbindung zwischen der selbsttätigen Steuerung und dem Ruder hergestellt. '

Es ist klar, daß durch die Umschaltung von III auf II und weiter auf I die Schaltungen in der umgekehrten Reihenfolge stattfinden. Das oben angegebene Schaltschema' kann abgeändert und verbessert werden und wird nur beispielsweise angegeben.

Durch diese Vorrichtung erfolgt der Übergang von der selbsttätigen Steuerung zur Handsteuerung und umgekehrt augenblicklich. Es ist jedoch auch möglich, den Kurs unter . Beibehaltung der selbsttätigen Steuerung zu ändern. Zu diesem Zweck genügt es, den Apparat nach der Abb. 1 mit Hilfe des Rändelknopfes 9 oder einer sonstigen mechanischen Vorrichtung azimutal zu verdrehen. Das Schiff erreicht dann seine neue Gleichgewichtslage, sobald es sich um den gleichen Winkel gedreht hat, um welchen die Magnetachse gegenüber dem Schiff mit Hilfe des Triebrades 8 (Abb-1) verstellt wurde.

Da die Erfindung auf der Anwendung von Grundsätzen beruht, die bisher zur Lenkung bzw. Steuerung von Schiffen u. dgl. Vorrichtungen noch nicht benutzt worden sind, so versteht es sich von selbst, daß zahlreiche anscheinend voneinander sehr verschiedene Ausführungsformen der Erfindung im Rahmen derselben ausgeführt werden können.

Claims (11)

1. Patentansprüche:

   i. Selbsttätige Steuervorrichtung für Schiffe u. dgl., welche auf die vereinigte Wirkung der Ablenkung des Schiffes aus seiner bestimmten Bahn und der Winkelgeschwindigkeit dieser Ablenkung anspricht, gekennzeichnet durch eine ununterbrochene elektrostatische stromlose Regelung, welche von der Änderung der Größe einer wechselnden Potentialdifferenz an den Klemmen zweier synchron ■ angetriebener Einphasengeneratoren abgeleitet wird, von denen der eine durch

   die waagerechte Komponente des Erdfeldes erregt wird, während der andere von dem örtlichen Felde eines im Azimut des zu steuernden Fahrzeuges befestigten Magneten beeinflußt wird.
2. 2. Selbsttätige Steuervorrichtung für Schiffe u. dgl. nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine ununterbrochene elektrostatische stromlose Regelung ίο (zwecks Beseitigung der Ankerrückwirkung und der hierdurch hervorgerufenen Fehler) erhalten wird durch die Einwirkung der wechselnden Potentialdifferenz der Generatoren auf das Gitter einer an ein negatives Potential angeschlossenen Dreielektrodenröhre, durch Verstärkung dieser Potentialdifferenz, durch weitere Röhren und Transformatoren, durch Gleichrichten derselben in einer Gleichrichterröhre, durch Beseitigen der zurückbleibenden Schwankungen mittels eines Induktanzen und Kapazitäten enthaltenden Filterstromkreises und durch Zuführung des so erhaltenen Gleichstromes zu dem Felde der das Ruder gemäß der Größenabweichung dieser Potentialdifferenz von ihrem bestimmten Wert regelnden elektromagnetischen Vorrichtungen, wenn der Abweichungswinkel des Schiffes von seinem Kurs Null ist.·
3. 3. Selbsttätige Steuervorrichtung für Schiffe u. dgl. nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die regelnde Wirkung auf die Steuerung gemäß der Gierungswinkelgeschwindigkeit durch eine zusätzliche elektrostatische stromlose Regelung mittels einer elektromotorischen Kraft erhalten wird, die in der Sekundären eines Transformators induziert wird, dessen Primäre mit dem Regelstrom in Serie geschaltet ist, der dem Ablenkungswinkel des Schiffes von seinem Kurse proportional ist, wobei diese sekundäre induzierte elektromotorische Kraft durch ihre elektrostatische Wirkung auf 'das Gitter von zusätzlichen Röhrenstromkreisen eine zusätzliche Regelung der elektromagnetischen Vorrichtung bewirkt, welche das Ruder gemäß dem Gierungsso winkel regelt.
4. 4. Selbsttätige Steuervorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größenänderung für eine gegebene Winkelabweichung von dem bestimmten Kurs durch die Anordnung zweier Spulen unter kleinem Winkel auf dem Anker des zweiten erwähnten und durch das örtliche Feld erregten Generators verstärkt wird, wodurch in der Nähe des Nullpunktes eine Zone von sich sehr rasch ändernden Ausschlägen erzeugt wird.
5. 5. Selbsttätige Steuervorrichtung für Schiffe nach Anspruch 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei von zwei Spulen, wie in Anspruch 4 angegeben, beeinflußte Differentialregelstromkreise angeordnet sind, um das Differentialfeld des das Ruder betätigenden elektromagnetischen Apparates zu regeln, wodurch ein scharf bestimmter Nullpunkt der selbsttätigen Steuerung erhalten wird.
6. 6. Selbsttätige Steuervorrichtung für Schiffe nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel in dem zu steuernden Kurse durch einen entsprechenden Wechsel des Azimuts des Magneten in bezug auf die Achse des zu steuernden Fahrzeuges hervorgerufen wird. .
7. 7. Selbsttätige Steuervorrichtung für Schiffe nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der resultierenden Regelwirkung gemäß der Winkelabweichung und der Gierungswinkelgeschwindigkeit mittels eines Spannungsteilers beständig verringert wird, der von dem Ruderwinkel beeinflußt wird.
8. 8. Selbsttätige Steuervorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekenn- _go zeichnet, daß die Intensität der sich ergebenden Regelwirkung zum Zwecke ihrer Einstellung auf verschiedene Bedingungen der Navigation geregelt werden kann.
9. 9. Selbsttätige Steuervorrichtung für Schiffe nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Richtungsregelung und die der Winkelgeschwindigkeitsregelung getrennt voneinander eingestellt werden können.
10. 10. Selbsttätige Steuervorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differentialanzeiger der Galvanometertype in Serie mit den Differentialregelstromkreisen nach Anspruch 5 geschaltet ist.
11. 11. Selbsttätige Steuervorrichtung für Schiffe nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die selbsttätige Steuerung in jedem Augenblick in eine Handsteuerung umgewandelt werden kann.

    Hierzu 3 Blatt Zeichnungen