DK148240B - Selvoptimerende autopilot til et skib - Google Patents

Description

i 148240

Opfindelsen angår en selvoptixnerende autopilot af den art, der omfatter organer, der får tilført signaler, der angiver skibets fart og kursafvigelse, kursholdeorganer til frembringelse af et rorkommandosignal, der an-5 giver den ønskede stilling af roret, kursændringsorganer til frembringelse af et andet rorkommandosignal, samt organer til automatisk ændring af størrelsen af rorkom-mandosignalet fra kursændringsorganerne i afhængighed af ændringer i skibets fart, og hvor kursholdeorganerne er 10 indrettede til at frembringe rorkommandosignalet, når kursafvigelsessignalet ligger under en given tærskelværdi, og kursændringsorganerne er indrettede til at frembringe nævnte andet rorkommandosignal, når kursafvigelsessignalet overskrider nævnte tærskelværdi, og hvor der 15 findes organer til aktivering af enten kursholdeorganerne eller kursændringsorganerne i afhængighed af størrelsen af kursafvigelsessignalet for herved at vælge det ene eller det andet rorkommandosignal som dominerende rorkommandosignal .

20 Automatisk styreanlæg eller "autopiloter" er vel kendte inden for teknikken. Sådanne anlæg omfatter midler til at sætte en ønsket kurs. Den aktuelle kurs for det pågældende skib sammenlignes konstant med den ønskede kurs, således at der fremkaldes et endeligt kursafvig-25 elsessignal, nårsomhelst fartøjet afviger fra den Ønskede kurs. Kursafvigelsessignalet benyttes til at korrigere rorets stilling med henblik på at bringe skibet tilbage til den ønskede kurs.

Fra beskrivelsen til GB patentskrift nr. 1.293.780 30 er det kendt at forskelsbehandle store og små kursafvigelsessignaler, således at store signaler medfører kursændringer, medens de små signaler dæmpes, så kun begrænsede rorbevasgelser fore-kaimer.

For at kunne fungere på en effektiv og praktisk måde er auto-35 piloter nutildags forsynet med manuelle kontroller til ydelsesoptimering under hensyntagen til varierende forhold, såsan vind og sø såvel som ændringer i 2 148240 skibets fart. I forbindelse med en sådan manuel indstilling er operatøren imidlertid ofte ude af stand til at erkende de optimale betingelser, da tidskonstanterne på et stort skib er temmelig lange. I sådanne skibe kan det 5 være nødvendigt at sejle så længe som 10 minutter, før operatøren kan bedømme virkningen af en manuel indstilling. Indstillingerne eller reguleringerne bliver derfor et spørgsmål om at prøve sig frem med et heraf følgende tab i effektivitet af betjeningen og et forøget brænd-10 stofforbrug.

Et skibs funktionsgodhed eller virkningsgrad afhænger for en stor dels vedkommende af de fremdrivnings-tab, man kommer ud for under normal drift, og det bliver derfor et meget stort ønske at nedsætte den samlede mod-15 stand mod skibets fremadgående bevægelse. Den samlede modstand på et skib kan betragtes som værende lig med summen af modstanden mod skrogets bevægelse og den af roret frembragte modstand. Da modstanden imod skroget imidlertid er bestemt af skibets udformning og lastnings-20 forhold, er det kun rorets bevægelse, som kan kontrolleres med henblik på at mindske modstanden mest muligt.

Under givne driftsbetingelser medvirker en forøget giring til at forøge den modstand, som skibet kommer ud for, men en forøgelse af rorvinklen i den hensigt at re-25 ducere giringen forøger ligeledes modstanden. En optimal virkningsgrad kræver derfor, at der skabes balance mellem rorvinklen og giringen.

Problemet kompliceres yderligere af den omstændighed, at optimal balance mellem rorvinkel og gi-30 ring varierer med vind- og søforholdene, farten og mødevinklen imellem fartøjet og bølgerne.

Forskellige forskere har angrebet problemet med at reducere fremdrivningstabene ved at postulere et ydelseskriterium, som afhænger af summen af kvadratet på 35 kursafvigelsen og en faktor, som angiver kvadratet på rorkommandosignalet. Anvendelsen af dette ydelseskrite- 3 148240 rium giver imidlertid kun en delvis løsning, da man herved ser bort fra virkningen af skibets fart.

Opfindelsen giver anvisning på en selvoptimerende autopilot af den indledningsvis nævnte art, og ved hvil-5 ken de i det foregående antydede vanskeligheder afhjælpes.

Med henblik herpå er en selvoptimerende autopilot ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at der findes organer til automatisk justering af rorkommandosignalet fra kurs-10 holdeorganerne i afhængighed af ændringer i skibets fart, kursafvigelsessignal og det dominerende rorkommandosignal på en sådan måde, at skibets ydelsesindeks J, defineret ved følgende formel: 15 J " ^2 * + δο ' hvor λ er en proportionalitetskonstant, der afhænger af skibets udformning og lastning, 2 20 U er proportional med kvadratet på skibets fart, —2 Ψ er middelværdien af kvadratet på kursafvigelserne målt i et givet tidsinterval, og 2 Έ er et mål for kvadratet på rorkommandosignalerne målt i samme tidsinterval, minimeres, hvorved skibets to-25 tale strømningsmodstand også minimeres.

Opfindelsen beror på den erkendelse, at det ovenfor nævnte, tidligere anvendte ydelseskriterium kan formuleres således, at det også knyttes til skibets fart U og til skibets proportionalitetskonstant X, således at 30 den ovenfor definerede ydelsesindeks J er proportional med skibets samlede modstand. Autopiloten ifølge opfindelsen er således adaptiv, dvs. i stand til i afhængighed af sådanne parametre som kursafvigelse, rorvinkel og skibets fart at minimere den samlede modstand og sik-35 re en mere effektiv kursstyring og dermed en bedre, samlet fremdrivningsøkonomi.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til den skematiske tegning, hvor 4 148240 fig. 1 viser en graf, som er nyttig til forklaring af autopilotens virkemåde, fig. 2 et blokdiagram over de i autopiloten indgående hovedenheder, 5 fig. 3 et blokdiagram, som viser de enheder, der indgår i det i fig. 2 viste program- og AGC-kredsløb, fig. 4 et blokdiagram over de enheder, som indgår i det i fig. 2 viste kursholdekredsløb, og fig. 5 et blokdiagram over de enheder, som indgår 10 i det i fig. 2 viste kursændringskredsløb.

Et skibs funktionsgodhed eller virkningsgrad afhænger for en stor dels vedkommende af de fremdrivnings-tab, man kommer ud for under normal drift, og det bliver derfor et meget stort ønske at nedsætte den samlede mod-15 stand mod skibets fremadgående bevægelse. Den samlede modstand på et skib kan betragtes som værende lig med summen af skrogets strømningsmodstand og rorets strømningsmodstand. Da skrogets strømningsmodstand imidlertid er bestemt af skibets udformning og lastningsforhold, er 20 det kun rorets bevægelse, som kan styres med henblik på at mindske modstanden mest muligt.

Under givne driftsbetingelser medvirker en forøget giring til at forøge den modstand, som skibet kommer ud for, men en forøgelse af rorvinklen i den hensigt at re-25 ducere giringen forøger ligeledes modstanden. En optimal virkningsgrad kræver derfor, at der skabes balance mellem rorvinklen og giringen.

Problemet kompliceres yderligere af den omstændighed at optimal balance mellem rorvinkel og giring vari-30 erer med vind- og søforholdene, farten og mødevinklen imellem fartøjet og bølgerne.

Forskellige forskere har angrebet problemet med at reducere fremdrivningstabene ved at postulere et ydelseskriterium, som afhænger af summen af kvadratet på ret-35 ningsfejlen og en faktor, som angiver kvadratet på rorkommando signalet. Anvendelsen af dette ydelseskriterium giver imidlertid kun en delvis løsning, da man herved ser bort fra virkningen af skibets fart.

5 148240

Som det vil blive forklaret i det følgende virker den foreliggende opfindelse til at mindske, til det mindst mulige, værdien af et ydelsesindeks J, som er defineret ved følgenge formel; 5 J = K . Ψ2 + 62 U2 e ° hvor λ er en proportionalitetskonstant, der afhænger af skibets udformning og lastning, 2 10 U er proportional med kvadratet på skibets fart, _2 Ψ er middelværdien af kvadratet på retningsfejlene målt i løbet af et givet interval, og er et mål for kvadratet på rorkommandosignalerne målt i det samme tidsinterval.

15 Anvendelsen og virkeliggørelsen af denne formel vil blive forklaret i detaljer i det følgende.

Et skibs opførsel, når det styres af en autopilot, beskrives ofte ved hjælp af et Bode-plot, jfr. fig. 1, hvor amplituden af et skibs giring målt i dB optegnes som 20 funktion af frekvensen af den rorbevægende kraft. Nytten af dette Bode-plot til afbildning af et skibs opførsel under disse forhold skyldes den omstændighed, at stabiliteten af en autopilot til styring af et skib er analogt med det stabilitetsproblem, der knytter sig til en ser-25 vosløjfe, når servosløjfens forstærkning er større end 1 (0 dB), idet servosløjfen får tilbøjelighed til at oscillere, såfremt faseforskydningen er af en sådan beskaffenhed, at der frembringes en frekvenskurve med en hældning på -2.

30 Det er kendt, at såfremt den karakteristiske kurve i Bode-plottet passerer igennem 0 dB-linien med en hældning på -2, er systemet ustabilt, og at der til autopiloten kan føres hastighedssignaler, som repræsenterer kursafvigelsens ændrings hastighed, til genopretning af sy-35 stemets stabilitet. Dette formindsker hældningen af den karakteristiske kurve til -1 i 0 dB-punktet.

Det skal ligeledes bemærkes, at den fuldt optrukne kurve i den del, der gælder for de højere frekvenser i 6 148240 fig. 1, igen antager en hældning på -2 som følge af hastighedsfiltre, der sædvanligvis er føjet til et autopilot-anlæg med henblik på at nedsætte rorbevægelser og derfor mindske modstanden til.det mindst mulige.

5 Ifølge den foreliggende opfindelse formindskes det frekvensbånd, i hvilket hastighedssignalet virker, til det mindst mulige med henblik på at mindske modstanden til det mindst mulige. Til indstilling af forstærkningen i de kanaler, som fører de proportionale og hastigheds-10 betingede kursafvigelsessignaler, benyttes der et automatisk forstærkningsreguleringskredsløb, der i det følgende kaldes et AGC-kredsløb. Forstærkningsændringen i proportionalitetskanalen forskyder 0 dB-linien 11 opad til en position 13, således at denne 0 dB-linie skærer 15 den fuldt optrukne kurve i et område, hvor kurvens hældning er -2.

Endvidere udsættes hastighedssignalet for en dæmpning, som er lig med kvadratroden af dæmpningen af proportional itetskanalen, således at den del af kurven, der 20 har hældningen -1, forskydes et lignende stykke i vejret, således som vist med stiplede linier i fig. 1. I den udfør elsesform, der beskrives i det følgende, er kun et lille hastighedssignal ved det nye forstærkningsniveau nødvendigt for stabiliteten.

25 Ifølge fig. 2 samvirker et program- og AGC-kredsløb 15 med et kursændringskredsløb 17 og et kursholdekredsløb 19. Program- og AGC-kredsløbet 15 modtager signaler, som angiver skibets fart og kursafvigelse, og tilkobler kursændringskredsløbet nårsomhelst der beordres en kursæn-30 dring, som er større end en valgt tærskel (typisk 3°). Programkredsen af spærrer ligeledes et kursafvigelsesalarmkredsløb og holder under disse betingelser indholdet af en integrator i kursholdekredsløbet 19 og et register i AGC-kredsløbet. Såfremt den beordrede kursændring over-35 skrider en anden tærskel (typisk 15°), tilbagestilles integratoren og registeret til en begyndelsestilstand.

Når kursændringskredsløbet 17 bringer skibet inden for 7 148240 den nedre tærskel, aktiveres en tidskreds, som forårsager en automatisk overførsel til kursholdekredsen 19, såfremt kursafvigelsen i et givet tidsinterval forbliver under den nedre tærskel.

5 Kredsløbet 15's AGC-del virkeliggør den foroven an førte formel for J, sammenligner den løbende værdi af J med den i forvejen målte værdi af J og frembringer et AGC-signal til regulering af forstærkningen i kursholdekredsen i overensstemmelse hermed.

10 Opbygningen og virkemåden af det i fig. 2 viste program- og AGC-kredsløb 15 forklares i det følgende under henvisning til det i fig. 3 viste blokdiagram. De enheder, der indgår i det i fig. 3 viste kredsløb, styres af taktsignaler, som afledes fra en styreenhed 21. Sty-15 reenheden selv kan indstilles i afhængighed af signaler, der modtages fra et tidsfastsættende register 23, som benyttes til oplagring af informationer angående skibets lastningsforhold, ønskede måleintervaller samt andre parametre. En manuel betjenelig kontakt 25 er lukket, når 20 der skal foretages en ønsket kursændring, jvf. nedenfor.

En konventionel multiplexer 27 sampler sekventielt rorkommandosignaler afledt fra det løbende operative kursholdekredsløb, kursafvigelsessignaler og fartsignaler. Alle signaler, der føres til multiplexeren 27, er 25 på analog form, således at multiplexerens udgangssignal består af en følge af tre analoge signaler, der optræder i en takt og i intervaller, der afhænger af de af styreenheden 21 afgivne taktsignaler. I sin enkleste udformning kunne multiplexeren bestå af en sekventiel kob-30 ler, skønt man dog foretrækker at benytte kommercielt tilgængelige multiplexers i form af integrerede kredsløb.

Signalerne fra multiplexeren 27 omsættes til en digital repræsentation i en analog/digital-omsætter 29 som svar på taktsignaler fra styreenheden 21 og lagres 35 i passende registre 31, 33 og 35. De tre nævnte registre 31, 33 og 35 styres ligeledes af den samme taktimpuls fra styreenheden 21. Dvs. at der efter optræden af den pågældende impuls fra styreenheden 21 i regis- 8 148240 trerene 31, 33 og 35 er lagret en binær information, som angiver den løbende værdi af henholdsvis rorkommando-signalet, kursafvigeisessignalet og skibets fart.

Før autopiloten sættes i drift, læses der en binær 5 information, som repræsenterer skibets karakteristiske data og lastning ind i et register 37. På lignende måde læses der binær information, som repræsenterer en nominel værdi for J og en nominel AGC-værdi, ind i to registre henholdsvis 39 og 45 til etablering af et nominelt ope-10 rationsniveau.

Indekstallet J udregnes i en aritmetrisk enhed 47, som indeholder en kombination af konventionelle komponenter til udførelse af de nødvendige matematiske operationer som svar på et taktsignal fra styreenheden 21.

15 I sin grundform består den aritmetiske enhed 47 af en kombination af konventionelle kredsløb til udførelse af følgende funktioner: 1) en binær kvadreringsenhed til kvadrering af den fra registeret 35 udlæste værdi for U, 20 2) et binært divisionstrin til division af den af registeret 37 udlæste λ-værdi med værdien af resultatet fra trin 1, 3) en binær kvadreringsenhed til kvadrering af værdien af 4*e fra registeret 33, 25 4) et binært multiplikationstrin til multiplicering af resultaterne opnået fra ovenstående trin 2 og trin 3, 5) en binær kvadreringsenhed til kvadrering af den fra registeret 31 udlæste værdi af δ, og 6) et summationskredsløb til sammenlægning af de 30 under trin 4 og 5 opnåede resultater.

For at opnå mere pålidelige resultater er det i 2 2 reglen ønskeligt at benytte værdier for Ψ og δ , som er gennemsnitsværdier for et specificerét tidsinterval. Dette kan man opnå ved at tilføre udgangssignalerne fra de 35 pågælgende binære kvadreringsled i den aritmetiske enhed til konventionelle registre, som akkumulerer de under ovennævnte trin 1 og 3 fremkomne data i det ønskede antal måleintervaller, og dernæst dividere de i disse registre 9 148240 lagrede værdier med det valgte antal måleperioder.

I et typisk kredsløb kan det tidsbestemmende register 23 være indstillet til at koble styreenheden 21 til en mode eller tilstand, hvor data i registrene 31 5 og 33 læses ind i den aritmetiske enhed 47, adskillige minutter før et taktsignal fra styreenheden 21 føres til den aritmetiske enhed 47 og beordrer denne enhed til at udregne værdien af J.

Værdien af J føres til en J-komparator 49 sam-10 men med den værdi af J, der på forhånd er lagret i registeret 43. Dvs. at den værdi af J, som føres til komparatoren 49, i den første måling, under en given kørsel, vil blive sammenlignet med den værdi for J, der til at begynde med blev læst ind i registeret 43 15 fra start J-registeret 39. Under efterfølgende målinger føres værdien af J fra den aritmetiske enhed 47 til såvel komparatoren 49 som registeret 43. Samtidigt hermed læses den information, der under den forudgående måling blev læst ind i registeret 43, ind i J-kompara-20 toren, således at denne enhed altid sammenligner den værdi af J, som fremkommer under den løbende måling, med den, som blev frembragt vinder den forudgående måling.

Resultaterne af denne sammenligning føres til AGC-registe-ret 45. Registeret 45 kan f.eks.væreen op/ned-tæller 25 eller lignende enhed, der er forbundet på en sådan måde, at et signal fra komparatoren 49, som angiver, at den pågældende værdi af J er aftaget, forskyder indholdet af registeret 45 et trin i samme retning som den forudgående ændring. Hvis J imidlertid er forøget eller er 30 uændret, forskydes indholdet i registeret 45 et trin i den modsatte retning. Virkningen heraf er, at der er tilvejebragt en regulator af den pendlende type, der konstant søger et minimum for værdien af J. AGC-registeret 45's udgangssignal føres til kursholdekredsløbet så-35 ledes som vist i fig. 3.

Det i fig. 3 viste kredsløb indeholder ligeledes 148240 ίο de programkredsløb, der omfattes af den i fig. 2 viste blok 15.

En kursbegrænsningskomparator 51 modtager binært kodede kurssignaler fra analog/digital-omsætteren 29 5 som svar på en taktimpuls fra styreenheden 21. Resultaterne af denne sammenligning i komparatoren 51 føres til et vælgerkredsløb 55. Vælgerkredsløbet 55 er i princippet en kobler, som er indrettet til at føre de pågældende signaler til enten kursholdekredsen 19 eller 10 kursændringskredsen 17 i afhængighed af kursafvigelsessignalets størrelse. Vælgerkredsløbet 55 modtager ror-kommandosignaler frembragt af kursholde- og kursændringskredsløbene samt fra indgangen af multiplexeren 27 det analoge signal, der repræsenterer kursafvigeisen . Tiår 15 komparatoren 51 detekterer en kursafvigelse beliggende under en første tærskel (såsom 3°), kobler vælgerkredsløbet 55 det analoge kursafvigelsessignal til kursholdekredsen 19 og kobler rorkommandosignalet fra kursholdekredsen til rorservoen, som bestemmer rorets stil-20 ling. Når komparatoren 51 detekterer en kursafvigelse over den ovenfor nævnte nedre tærskel og kursvælgerkontakten 25 samtidig er lukket, tilvejebringer vælgerkredsløbet 55 et holdesignal til kursholdekredsen 19, som bevarer indholdet i en i kursholdekredsen indgående 25 integrator og indholdet i AGC-registeret, linder disse betingelser kobles det analoge kursafvigelsessignal til kursændringskredsløbet 17, og rorkommandosignalet fra kursændringskredsløbet 17 føres til rorservoen.

Vælgerkredsen 55 holder kursændringskredsløbet 30 17 i drift, indtil kursafvigelsessignalet igen aftager til under den førnævnte nedre tærskel.

Såfremt kursbegrænsningskomparatoren 51 detekterer en kurafvigelse, der er større end en anden tærskel, såsom 15°, kobler vælgerkredsløbet 55 ikke blot over 35 til kursændringskredsløbet, men den frembringer ligeledes et tilbagestillingssignal, som tilbagestiller integrato- 11 148240 ren i kursholdekredsløbet 19 og AGC-registeret til en ny begyndelsestilstand.

Det er klart at selv om fig. 3 kunne antyde, at der til program- og AGC-kredsløbet anvendes diskrete kompo-5 nenter, kan man ifølge velkendt teknik programmere en mikrodatamat til at udføre de forskellige funktioner.

Kursholdekredsløbet 19 i fig. 2 er vist mere detaljeret i fig. 4.

Det analoge kursfejlsignal føres til det i fig. 4 10 viste kredsløb, når vælgerkrédsløbet 55 afgør, at kursholdekredsløbet 19 skal tilvejebringe rorkommandosignalet til rorservoen. Det binære AGC-signal fra registeret 45, jfr. fig. 3, føres hele tiden til kursholdekredsløbet 19. Endeligt føres der fra vælgerkredsløbet 15 55 ligeledes tilbagestillings- og holdesignaler til kursholdekredsen 19 således som omtalt i det foregående.

Kursholdekredsen 19 indeholder midler til differentiering, integrering og summation, hvilke midler er 20 indrettet på en sådan måde, at det af kursholdekredsen 19 frembragte rorkommandosignal repræsenterer en kombination af et proportionalt kursafvigelsessignal, et kurs-afvigelses-hastighedssignal og et integreret kursafvigelsessignal. Fordelene ved at kombinere sådanne signaler 25 er kendt inden for teknikken og omtalt f.eks. i britisk patentskrift nr. 1.293.780.

I fig. 4 er vist at kursafvigelsessignalet føres til en proportionalforstærkning-reguleringskreds 57 og en differentiationskreds 59, der frembringer et hastig-30 hedssignal Ψ . Hastighedssignalet inverteres i en inverter 61 og føres til en hastighedsforstærkning-reguleringskreds 63.

Det skal erindres, at AGC-signalet blev afledt i overensstemmelse med den nye formel for J. Proportio-35 nalforstærkning-reguleringskredsen 57 og hastighedsforstærkning-reguleringskredsen 63 udnytter dette AGC- 12 148240 signal med henblik på at tilvejebringe den driftstilstand eller funktionsform, som er omtalt ved forklaring af det i fig. 1 viste Bode-plot. Proportionalforstærkning-regu-leringskredsen 57 og hastighedsforstærkhing-regule-5 ringskredsen 63 består hver i det væsentlige af forstærkningsorganer og af binære signaler aktiverede dæmpningsmidler. Forstærkningsorganerne i disse kredsløb virker på den måde, at de hæver Ο-dB niveauet, som vist i fig. 1, medens dæmpningsmidlerne ændrer karakteristikken 10 således som vist med stiplede linier i fig. 1. Dæmpningsorganerne i kredsløbene 57 og 63 kan hensigtsmæssigt omfatte kommercielt tilgængelig komponenter, såsom katalognummer AD 7530 fra Analogue Devices, Incorporated.

Ifølge kendt teknik vedrørende tilslutning af sådanne 15 enheder føres det binære AGC-signal til dæmpningsleddet i proportionalforstærknings-reguleringskredsen 57 på en sådan måde, at den samlede forstærkning af kredsløbet 57 er direkte proportional med AGC-signalet. I overensstemmelse med kendt teknik for tilslutning af sådanne enhed-20 er, er endvidere dæmpningsleddet i hastighedsforstærkning-reguleringskredsen 63 forbundet på en sådan måde, at den samlede forstærkning i dette kredsløb er proportional med kvadratroden af AGC-signalet.

Derudover er der fra udgangen af hastighedsfor-25 stærknings-reguleringskredsen 63 forbundet et hastighedsfilter 65 til differentiationskredsen 59 til bibeholdelse af en konstant hastighedssignal-båndbredde med varierende dæmpning, men forskudt med hensyn til frekvens. Funktionen af dette hastighedsfilter er blevet 30 omtalt i forbindelse med det i fig. 1 viste Bode-plot.

Udgangssignalet fra proportionalforstærkning-regu-leringskredsen 57 føres til en konventionel integrationkreds 67, som styres ved hjælp af tilbagestillings-ogholdesignaler således som omtalt i det foregående. Ud-35 gangssignalet fra proportionalforstærkning-regulerings-kredsen 57 føres ligeledes til en begrænser 69 sammen 13 148240 med udgangssignalet fra hastighedsforstærkning-reguleringskredsen 63. Begrænseren 69 er en konventionel kreds, som tilvejebringer en lineær forstærkning for alle signaler inden for et specificeret amplitudeinter-5 val.

Da integrationskredsen 67 arbejder på retningsfejlsignaler, som ledes igennem proportionalforstærkning-reguleringskredsen 57, indstilles integrationskredsens forstærkning automatisk i afhængighed af ændringer i føl-10 somhed.

Endelig kombineres udgangssignalerne fra integrationskredsen 67 og begrænseren 69 i et summerende kredsløb 71 til dannelse af et udgangssignal i form af et rorkommandosignal δ0, som føres til vælgerkredsløbet 15 55 således som vist i fig. 3.

Det i fig. 2 viste kursændringskredsløb 17 er vist mere detaljeret i fig. 5. Når vælgerkredsløbet 55, jfr. fig. 3, kobler over til kursændringskredsløbet 17, føres det analoge kursafvigelsessignal til et alminde-20 ligt differentierende og summerende kredsløb 73, hvor kursafvigelsessignalet differentieres og adderes til det proportionale kursafvigelsessignal. Kredsløbet 73's udgang er forbundet til en forstærker 75 med variabel forstærkning. Det differentierede signal sammensættes med 25 det proportionale signal i kredsløbet 73 til tilvejebringelse af en anticiperende funktion, for på denne måde i overensstemmelse med velkendte principper at forhindre oversving. Dette kredsløb indbefatter typisk et hastighedskalibreringsorgan til indstilling af differentia-30 tionskredsens RC-konstant med henblik på at maksimere dens virkningsgrad i afhængighed af skibets karakteristikker og lastning.

Et analogt signal, der repræsenterer skibets fart, hvilket signal kan fremskaffes f.eks. fra et tachometer, 35 der drives af skibets skrueaksel, føres til en begrænser 77 direkte og via en inverter 79. Begrænseren er et 14 148240 kredsløb, som regulerer forstærkeren 75's forstærkning som en omvendt funktion af farten. Fra sædvanlig praksis må det være klart, at kursafvigelsessignalet består af et jævnspændingssignal, hvis størrelse angiver kursafvigel-5 sen og hvis polaritet angiver retningen af kursafvigelsen. For at sætte positive og negative grænser, som repræsenterer bagbords og styrbords kursafvigelser, tilføres begrænseren 77 sådanne direkte og inverterede referencesignaler som vist i fig. 5. Anvendelsen og 10 strukturen af sådanne begrænsere af denne almindelige type er kendt i teknikken. Britisk patentskrift nr.

1.320.117 f.eks. beskriver anvendelsen af lignende begrænser e, hvor begrænseren virker til at indskrænke et skibs drejningshastighed til en funktion af den reci-15 prokke værdi af den kvadrerede fart.

I det kredsløb, som indgår i den foreliggende udførelsesform, er den maximale forstærkning af forstærkeren 75 imidlertid begrænset til at være en funktion af den reciprokke værdi af farten. Det er kendt, at rormo-20 mentet varierer som en funktion af fartens kvadrerede værdi. At begrænse rorbevægelsen til at være en funktion af den reciprokke værdi af farten giveg·-derfor tilnærmelsesvis en konstant maximal drejningshastighed uanset det pågældende fartøjs fart. Forstærkeren 75's udgangs-25 signal føres til et forstærkningsregulerende kredsløb 81, hvori amplituden af rorkommandosignalet indstilles til at være en funktion af den reciprokke værdi af fartens kvadrerede værdi.

Et skibs styreanlæg kan betragtes som værende en 30 servosløjfe, hvori roret indgår som en del..1-denne sammenhæng anses roret for at tilvejbringe en- forstærkning, der aftager efterhånden som skibets fart aftager. For at tilvejebringe en konstant forstærkning i et sådant system, kræves der derfor en større rorvinkel til tilveje-35 bringelse af en konstant samlet sløjfeforstærkning, efterhånden som skibet sagtner farten. Ved således at 15 148240 tilvejebringe et rorkommandosignal 6Q, hvis størrelse er en funktion af den reciprokke værdi af skibets hastighed kvadreret, frembringes der en konstant sløjfeforstærkning i hele det normale fartinterval.

Kort sagt er det i fig. 5 viste kursændringskreds-5 løb konventionelt med den undtagelse, at det automatisk tilvejebringer en følsomhed, som er en reciprok funktion af den kvadrerede hastighed, og automatisk frembringer rorkommandogrænser, som er en reciprok funktion af farten.

10 Den i fig. 3 viste kursvælgerkontakt 25 lukkes manuelt, når der skal foretages en ønsket kursændring.

Kontakten 25 virker igennem styreenheden 21, kursaf-vigelseskomparatoren 51 og vælgerkredsløbet 55, således at der kun skiftes over til kursændringskredsløbet 15 17, når der foretages ønskede kursændringer og kursændringen er større end den tidligere nævnte nedre grænse.

Ved at indstille proportionalforstærkningen og hastighedsforstærkningen i autopiloten som funktion af J, virker kredsløbet ifølge opfindelsen til at mindske frem-20 drivningstabene til det mindst mulige frem for kun at mindske kursafvigelserne til det mindst mulige. Ved at inkludere farten ved udregningen af J mindskes frem-drivningstabene mest muligt for alle aktuelle fremdriv-ningshastigheder.

Claims (6)

148240

1. Selvoptimerende autopilot til et skib og af den art, der omfatter organer (27), der får tilført signaler, der angiver skibets fart og kursafvigelse, kurshol-5 deorganer (19) til frembringelse af et rorkommandosignal, der angiver den ønskede stilling af roret, kursændringsorganer (17) til frembringelse af et andet rorkoromando-signal, samt organer (81) til automatisk ændring af størrelsen af rorkommandosignalet fra kursændringsorganerne 10 (17) i afhængighed af ændringer i skibets fart, og hvor kursholdeorganerne (19) er indrettede til at frembringe rorkommandosignalet, når kursafvigelsessignalet ligger under en given tærskelværdi,og kursændringsorganerne (17) er indrettede til at frembringe nævnte andet rorkommando-15 signal, når kursafvigelsessignalet overskrider nævnte tærskelværdi, og hvor der findes organer (55) til aktivering af enten kursholdeorganerne (19) eller kursændringsorganerne (17) i afhængighed af størrelsen af kursafvigelsessignalet for herved at vælge det ene eller 20 det andet rorkommandosignal som dominerende rorkommandosignal, kendetegnet ved, at der findes organer (27, 45, 47, 49, 57, 63) til automatisk justering af rorkommandosignalet fra kursholdeorgenerne (19) i afhængighed af ændringer i skibets fart, kursafvigelses-25 signal og det dominerende rorkommandosignal på en sådan måde, at skibets ydelsesindeks J, defineret ved følgende formel: j = —· . + 6^ 30 u hvor λ er en proportionalitetskonstant, der afhænger af skibets udformning og lastning, 2 U er proportional med kvadratet på skibets fart, —2 fe er middelværdien af kvadratet på kursafvigelser- 35 ne målt i et givet tidsinterval, og —2 SQ er et mål for kvadratet på rorkommandosignalerne målt i samme tidsinterval. 148240 minimeres, hvorved skibets totale strømningsmodstand også minimeres.

2. Autopilot ifølge krav 1, kendetegnet ved, at organerne til automatisk justering af størrel- 5 sen af det af kursholdeorganerne (19) frembragte rorkom-mandosignal i overensstemmelse med ændringer i skibets fart inkluderer midler (45, 47, 49) til frembringelse af et AGC-signal, som er en funktion af skibets fart, og at de nævnte kursholdeorganer (19) inkluderer midler 10 (57, 59) til modtagelse af kursafvigelses- og AGC-signa- ler, midler (59) til differentiering af kursafvigelsessignalet, midler (63) til dæmpning af kursafvigelsessignalerne og de differentierede signaler som funktion af AGC-signalets værdi, idet dæmpningsmidler (63) er ind-15 stillet således, at dæmpningen af det differentierede signal er lig med kvadratroden af dæmpningen af kursafvigelsessignalet, midler (67) til integrering af det dæmpede kursafvigelsessignal, samt midler (71) til sammensætning af det dæmpede kursafvigelsessignal og de 20 dæmpede, differentierede signaler med det integrerede signal.

3. Autopilot ifølge krav 1, kendetegnet ved, at midlerne (27, 45, 47, 49, 57, 63) til automatisk justering af størrelsen af det af kursholdeorganer- 25 ne (19) frembragte rorkommandosignal inkluderer midler (27) til sampling af det dominerende rorkommandosignal, kursafvigelsessignalet og fartsignalet i løbet af et givet måleinterval, midler (47) til kvadrering af værdien af hvert af de samplede signaler og til modificering af 30 værdien af det kvadrerede kursafvigelsessignal i afhængighed af værdien af det kvadrerede fartsignal og til addering af den modificerede værdi af det kvadrerede kursafvigelsessignal til værdien af det kvadrerede ror-kommandosignal til tilvejebringelse af skibets ydelses-35 indekstal, en komparator (49) til sammenligning af det således frembragte indekstal med det i et foregående måleinterval frembragte tal, et AGC-register (45), midler 148240 (41) til for indstilling af AGO registeret til en nominel værdi, midler (43) til regulering af den i AGOregisteret lagrede værdi i overensstemmelse med værdiændringer for det indekstal, der detekteres af komparatoren (49), 5 hvorhos reguleringsmidlerne i kursholdeorganerne inkluderer nævnte dæmpningsmidler (63), som aktiveres i afhængighed af den i AGOregis teret (45) lagrede værdi.

4. Autopilot ifølge krav 3, kendetegnet ved, at midlerne (47) til modificering af det kvadrere-10 de kursafvigelsessignal inkluderer midler til multipli-cering af det kvadrerede kursafvigelsessignal med en arbitrær konstant og til division af resultatet af en sådan multiplikation med værdien af det kvadrerede fartsignal .

5. Autopilot ifølge krav 4, kendetegnet ved, at AGOregisteret (45) er et binært register, og at midlerne (43, 49) til regulering af de i AGC-registeret lagrede værdier er indrettet til at forskyde indhol-• det i AGC-registeret (45) ét trin i en første retning, 20 når komparatoren detekterer en reduceret værdi for indekstallet, og til at forskyde indholdet i AGC-registeret (45) ét trin i den modsatte retning, når komparatoren (49) detekterer en forøgelse af indekstallet.

6. Autopilot ifølge krav 5, kendetegnet 25 ved, at kursholdeorganerne (19) indeholder proportionalf orstærkning-reguleringsmidler (57) og differentiationsmidler (.59) , der hver er forbundet til modtagelse af et kursafvigelsessignal, at proportionalforstærkning-reguleringsmidlerne (57) er koblet til modtagelse af sig-30 naler fra AGC-registeret (45), som angiver værdien af den deri lagrede information, hvilke proportionalforstærkning-reguleringsmidler (57) indeholder binære dæmpningsmidler, som er indstillet til at give en samlet forstærkning proportional med den i AGC-registeret (45) 35 lagrede værdi, at differentiationsmidlerne (59) er forbundet til et hastighedsforstærkning-reguleringsorgan (63), som indbefatter binære dæmpningsmidler, der er