EP0221491B1 - Device for controlling a cycloidal ship's propeller - Google Patents

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EP0221491B1
EP0221491B1 EP86114902A EP86114902A EP0221491B1 EP 0221491 B1 EP0221491 B1 EP 0221491B1 EP 86114902 A EP86114902 A EP 86114902A EP 86114902 A EP86114902 A EP 86114902A EP 0221491 B1 EP0221491 B1 EP 0221491B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pitch
rudder
value
motion
command
Prior art date
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Expired
Application number
EP86114902A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0221491A1 (en
Inventor
Josef Dipl.-Ing. Hochleitner
Harald Dipl.-Ing. Gross
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
JM Voith GmbH
Original Assignee
Siemens AG
JM Voith GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, JM Voith GmbH filed Critical Siemens AG
Publication of EP0221491A1 publication Critical patent/EP0221491A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0221491B1 publication Critical patent/EP0221491B1/en
Expired legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/04—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction
    • B63H1/06—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades
    • B63H1/08—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades with cyclic adjustment
    • B63H1/10—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades with cyclic adjustment of Voith Schneider type, i.e. with blades extending axially from a disc-shaped rotary body
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
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    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/04—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction
    • B63H1/06—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades
    • B63H1/08—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades with cyclic adjustment
    • B63H1/10—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades with cyclic adjustment of Voith Schneider type, i.e. with blades extending axially from a disc-shaped rotary body
    • B63H2001/105—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades with cyclic adjustment of Voith Schneider type, i.e. with blades extending axially from a disc-shaped rotary body with non-mechanical control of individual blades, e.g. electric or hydraulic control

Definitions

  • the invention relates to a device for controlling a cycloid propeller for watercraft with the features mentioned in the preamble of claim 1.
  • impeller 1 On an impeller 1, three to a maximum of seven swivel blades 2 to 6 are arranged, which are pivoted relative to the wheel tangent by an angle which is changed between a maximum positive and maximum negative angle value (the so-called "pitch") during a complete revolution of the impeller.
  • the impeller is arranged with its axis of rotation vertically on the bottom of the ship, so that the water exerts the forces K2 - K6 on the swivel blades.
  • the vector addition of these forces results in a resulting force and grows with increasing maximum angle, which the swivel blades assume in relation to the wheel tangent during one revolution.
  • F denotes an axis pointing in the longitudinal direction of the ship and 7.7 'the intersection points of this axis with the circle 1, then the angle f of the swivel wing in points 7.7' or another suitable measure for this angle "cruise slope "called and causes a thrust that moves the ship in the direction of the longitudinal axis F (cruising axis).
  • a "rudder pitch” is also given to the swivel wings, which determines the angular position of the swivel wings relative to the wheel tangent when passing points 8 and 9, a force component also occurs in the direction of the "rudder axis" B.
  • control point A In order to adjust the position of the swivel blades, a so-called “control point" A can be moved in the impeller gearbox, the eccentricities of the impeller (i.e. Cartesian components DF, DR in the coordinate system F, R) determine the pitch.
  • the eccentricities of the impeller i.e. Cartesian components DF, DR in the coordinate system F, R
  • the thrust forces occurring in the directions F and R, which are to be exerted by the impellers and their drive, depend on the inflow of the impellers, that is to say in particular on the geometric conditions under the ship's bottom and the relative speed of travel. This can be taken into account by means of control characteristics. It is advantageous for the load on the drive and the limitation of the eccentricities if the travel gradient is reduced depending on the rudder gradient (characteristic curve 10 in FIG. 1).
  • the control axis A of the impeller gearbox is moved with two electrically controllable actuators 11 and 12 and a mechanism (not shown). If these actuators are in axes E and R, the adjustment paths DX and DY are equal to the eccentricities DF and DR. However, depending on the type of ship, the spatial conditions often require a different arrangement of actuators 11 and 12, e.g. in the direction of the axes X and X of FIG. 1. For the control of the actuators, the eccentricities DF and DR must therefore be converted into control variables Dx and Dy for the adjustment paths DX and DY in accordance with a rotation of the coordinate system.
  • the transformation device 13 connected upstream of the control inputs of the actuators is used for this purpose, the input signals of which are tapped at an arithmetic logic unit 14 and derived from the command variables F and R.
  • the command variable F for the incline is determined by a travel command which e.g. is set by means of a speed control lever 15 on a corresponding transmitter 16, and the command variable R for the rudder pitch by a rudder command which is set on a corresponding transmitter 18 by means of a rudder wheel 17.
  • the invention therefore specifies a control which can be adapted very simply (namely by setting electrical parameters) to the particular circumstances of different ship types and the respective propeller drive and which adjusts the control point quickly, precisely and without great effort. It is also robust and as maintenance-free as possible. This is achieved by a device with the features of claim 1.
  • proportional valves allow the flow to be regulated continuously in both directions. This enables positioning cylinders to be positioned very precisely, and considerable forces can be controlled easily, precisely and quickly.
  • a rapid ascent of the incline loads the propeller drive and the mechanism for adjusting the swivel blades, regardless of the sign of the incline itself; on the other hand, descending the incline, ie putting on the swivel wing, provides relief, which can be done quickly under certain circumstances.
  • ramp generators are therefore advantageously provided which continuously raise or lower the setpoint values for the driving gradient or rudder gradient, both the speed of the gradient increase how the incline can be set independently for the rudder incline and the driving incline. This limitation of the rate of increase can depend in particular on the load on the drive and / or on the speed and / or on the position of the rudder wheel and the travel lever itself.
  • the incline is advantageously reduced as a function of the rudder incline, in particular in the form of a rudder incline-dependent factor.
  • the rudder incline can preferably also be controlled as a function of the incline, in particular as a function of the incline and the direction of travel. If the rudder incline and the travel incline are limited to a value corresponding to the maximum permissible stroke of the actuating cylinders, mechanical stops for the maximum cylinder deflection can be relieved or unnecessary.
  • the limit values are preferably specified as a function of the load state of the drive, as a result of which the drive and its control are relieved.
  • the setpoints formed by the arithmetic unit which correspond to the eccentricities of the control point in ship coordinates, can advantageously be transformed into the eccentricities with respect to the coordinates X, Y assigned to the cylinders, the stroke of the cylinders rotatably mounted about vertical axes Ax, Ay according to the geometric set from Pythagoras is calculated from these transformed eccentricities.
  • the drive torque is via a suitable actuator, e.g. the inlet valve 21 of the diesel engine 20, predetermined by a drive control 22, which e.g. can contain a speed controller.
  • a suitable actuator e.g. the inlet valve 21 of the diesel engine 20, predetermined by a drive control 22, which e.g. can contain a speed controller.
  • 23 denotes a mechanical link from which the actual speed value can be tapped and / or which is used to couple oil pressure pumps in order to maintain the pressure in the (advantageously separate) lubricating oil and control oil circuits of the impeller propeller.
  • the mechanical link 23 can also include a clutch.
  • the load state of the drive (in the example: the filling level of the diesel engine 20 set at the inlet valve 21) can intervene via connecting lines 24.
  • the control of the drive can also be influenced by the set and actual values of the gradients, e.g. so that the drive can only be started when the wings 2 - 6 are tangent to the rudder wheel 1, i.e. the vane wheel 1 is not loaded with any thrust and rudder forces.
  • actuating cylinders 25x, 25y are used according to the invention, in whose hydraulic circuit (control oil circuit) electrohydraulic proportional valves 26x and 26y are used directly. They allow a constant, very sensitive adjustment of the cylinder stroke of the two actuating cylinders in both directions.
  • the actuating cylinders themselves are e.g. can be pivoted about the points Ax, Ay, the cylinder strokes required for the position of the point A resulting from its distance from Ax and Ay according to the Pythagorean theorem.
  • actuating cylinders 25x and 25y have actual value outputs, at which actual values Hx, Hy for the cylinder stroke are tapped by means of transmitters 27x and 27y. These are fed together with corresponding setpoints Hx * , Hy * to a cylinder stroke controller 28x, 28y in a cylinder stroke control circuit in order to form the setpoints lx * , ly * for the valve flows of the valves 26x, 26y from the control deviation.
  • a valve path control circuit is advantageously subordinate to the cylinder stroke control circuit.
  • the actual value of the valve position is tapped at an actual value output of each valve 26x, 26y via measuring transducers 29x, 29y and supplied to a valve travel controller 30x, 30y together with the output of the cylinder stroke controllers 28x, 28y.
  • the output of these subordinate valve path controllers forms the current setpoints lx * , ly * , which in turn are each advantageously fed to a valve current controller 31x, 31y of a subordinate valve current control circuit.
  • the drive command F set on the drive lever 15 and the rudder command R set on the rudder wheel 17 in the arithmetic and logic unit 14 are converted into the setpoints DF and DR for the travel gradient according to FIG. 2 or converted the rudder pitch, which correspond to the eccentricities of the control point A in the ship's coordinate system F, R.
  • the transformation device 13 is used for the aforementioned conversion into the coordinates X, Y of the actuators. The advantageous structure of the transformation device 13 and the arithmetic unit 14 will be explained later.
  • the actual stroke values Hx, Hy are also fed to an actual value transformation element 32 working inversely to the transformation device 13 in order to display the back-calculated actual values of rudder pitch on a display 33 and display the incline.
  • the actual value transformation element is preferably followed by an actual value arithmetic element 34, working inversely to the arithmetic unit 14, for forming back-calculated actual values for the command variables of the travel gradient and the rudder gradient. If, for example, the ship's drive has entered a steady state, an equalization display 35 shows the equality of the recalculated actual values with the values corresponding to the travel command F and the rowing command R, the display 33 then indicating the actual positions of the swivel wings. This is particularly advantageous when the control lever 15 and the rudder wheel 17 are switched off in order to switch over to remote control, for example for escorting from several ships, or to manual control of control point A.
  • a corresponding inverse arithmetic element 37 ' and an inverse vector rotator 36' form the back-calculated actual values DFo ' , DRo ' of the rudder slope and the ride slope from the actual actual values Hx, Hy.
  • the further processing of the control signal for the actuators ie the stroke setpoints Hx * , Hy *, is shown in FIG. 3 only for the actuating cylinder 25x.
  • a proportional controller is advantageously used as the stroke controller 28x. If overshoot is to be avoided, the gain factor is set nonlinearly by means of a corresponding characteristic element 38. As a result, the speed at which the cylinder is adjusted can in particular be approximately proportional to the root of the control deviation.
  • a ramp generator 39 is connected in series with the characteristic element 38 so that the electrically adjustable valve control lever does not perform any jerky movements that would result in large pressure changes.
  • the subordinate valve path controller 30x preferably has a PI behavior.
  • a rectangular oscillation is superimposed on its output signal, which is generated by an additional setpoint generator 41 as a "valve current dither". This results in a constant slight movement of the valve control lever and thus a reduction in static friction in the proportional valve 26x.
  • the downstream valve flow controller 31 x is designed as a two-point controller.
  • the valve current setpoint is rectified and, depending on its sign (i.e. the desired increase or decrease in the cylinder stroke), is fed to a separate control channel assigned to the flow direction of the control oil through the actuating cylinder and proportional valve.
  • Each control channel here contains a threshold value element 42, 42 'which controls a switching transistor 43, 43' for the valve current.
  • the limiter circuit in FIG. 4 is used for this purpose, which contains a limit controller and specifies a limit value for both the incline and the rudder incline, which can be different for positive and negative inclines.
  • a limit value for both the incline and the rudder incline which can be different for positive and negative inclines.
  • an overload is avoided and the control of the swivel wing can be flexibly adapted to the respective ship and drive types.
  • PI-DT1 controller 44 a controller with an integral and differentiating component
  • a two-point controller (threshold value element 46 with the threshold value Lmax) can be used, the output signal of which is fed to an integrator 47 as a polarity signal.
  • the integrator output signal increases or decreases depending on the specified polarity, with a constant slope until either FLmax or FLmin is reached, or the output signal FL oscillates around the value Lmax.
  • the output signal FL serves multipliers 48 as a factor for the output signal DF * and DR * of the characteristic element 14.
  • the load-dependent limiter circuit 50 corresponds to an inverse arithmetic element 50 ′, which initially compensates the maximum slope inversely to the characteristic elements 49 by characteristic elements 49 ′ and the effect of the multipliers 48 by division by the factor FL.
  • the mechanism for adjusting the control point A allows only a limited maximum deflection around the center point, which is indicated by the circle 53 in FIG. 5 and by the condition given is. It therefore follows that the arithmetic unit determines the gradients DF * and DR * from the commands F and R which are specified as command variables and which lie within the limit curve 54 shown in FIG. 5. 6, this shift in the diagram is achieved by a corresponding characteristic element 55 in the arithmetic logic unit 14.
  • the actual value arithmetic element 34 contains a corresponding inverse characteristic element 55 ', while the values DF "and DR" are calculated back by the inverse characteristic element 55 "
  • Switch 58 can be read, which recalculated eccentricities in ship coordinates the currently available cylinder strokes correspond to. If a computer failure occurs, the relay 58 'responds and switches the switch 58, so that the displays 57 then the actual cylinder strokes in the corresponding, by the Show angle w rotated coordinates.
  • the characteristic curve element can advantageously be designed such that it is possible to selectively switch between the two characteristic curve forms, and it may be expedient to switch to a different parameter set in the other components of the control at the same time as the switch to the other characteristic curve form.
  • the corresponding characteristic curve element 56 in the arithmetic and logic unit 14 corresponds to the inverse characteristic curve element 56 'in the actual value calculation element 34 for backward calculation of the actual stroke values.
  • the back-calculated reference variables F 'and R' tapped at the actual value arithmetic unit 34 correspond to the commands set on the control lever 15 and on the rudder wheel 17.
  • This balanced state can be read on the mentioned equalization display 35 (FIG. 2) in order to enable the transition to remote control or manual control on site.
  • This transition can be carried out by an operating selector switch 59.
  • This operating mode selector switch also enables the back-calculated reference variables to be switched through to the input of the control in order to track the ramp-function generator of the control to the actual values in manual operation in which the controllers are not active.
  • a ramp function generator is advisable for the command variables F and R of the rudder incline and the travel incline in order to limit the adjustment speed when the travel command and the rudder command change rapidly.
  • the adjustment speed is not a constant value, but changes with the size of the respective component.
  • the direction i.e. a run-up from the zero point or a run-down to the zero point are taken into account. Since the control oil pump is coupled to the drive, a dependency of the adjustment speed on the speed is also appropriate.
  • the run-up speed can be reduced depending on the load of the drive in order to avoid overloading the drive motor.
  • a circuit 60 for limiting the adjustment speed is arranged, each containing a ramp generator 61 F and 61 R, in order to continuously increase the pitch R when the travel command changes or the rudder pitch R when the rudder command changes, preferably the rate of change for an increase in incline and a decrease in incline for the rudder incline or for the ride incline can be set independently.
  • the rate of change VF of the command variable F for the climb is preset on the ramp generator 61 F in the example in FIG. 6 to a constant value VF o , which is matched, for example, to the propeller size and as a function of the climb, its direction of change, the drive power L and the speed No of the engine or the control oil pump can be corrected.
  • the detection of the travel incline is represented by an amount generator 62 for its reference variable F or control signal F o tapped at the travel lever 15, while a detector 63 detects the change direction, ie the distinction between the increase in incline and the decrease in incline
  • a changeover switch 63 'controlled by the detector 63 allows a correction function FF (F o ), preferably a polygon course, to be set by switching between two characteristic curve generators 64, 64' depending on the direction of travel and its direction of change.
  • a power-dependent correction function HF (L) is set by the changeover switch and two characteristic curve transmitters 65, 65 ', in which case a slope decrease can also be carried out quickly, independently of the power, so that the characteristic curve transmitter 65' activated in the case of dlFl / dt ⁇ 0 in particular the value "1" can be set constant.
  • the invention thus creates a control for the control point A of a cycloid propeller, which can be easily adapted to very different types of ships and requirements by simply adjusting the individual parameters and characteristics. It is robust, almost maintenance-free and easy to use.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Zykloidenpropellers für Wasserfahrzeuge mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.The invention relates to a device for controlling a cycloid propeller for watercraft with the features mentioned in the preamble of claim 1.

Um Fährschiffe, Schwimmkrane, Fahrgastschiffe, Tonnenleger, Schleppfahrzeuge oder andere Wasserfahrzeuge exakt auf engstem Raum manövrieren oder exakt auf der Stelle halten zu können, werden sie vorteilhaft mit mehreren Zykloidenpropellern ("Voith-Schneider-Propeller") ausgestattet. Dies sind aus dem Schiffsboden herausragende, jeweils um eine annähernd vertikale Achse rotierende Flügelräder, an deren Radumfang jeweils um ebenfalls annähernd vertikale Achsen schwingende Flügel angeordnet sind. Aus der deutschen Patentschrift 2 029 995 ist eine Steuerung dieser Flügel bekannt, deren Prinzip in Figur 1 dargestellt ist.In order to be able to maneuver ferries, floating cranes, passenger ships, barrel layers, towing vehicles or other watercraft exactly in the smallest of spaces or to keep them exactly on the spot, they are advantageously equipped with several cycloid propellers ("Voith-Schneider-Propeller"). These are impellers protruding from the ship's bottom, each rotating about an approximately vertical axis, on the wheel circumference of which vanes are also arranged which also oscillate about approximately vertical axes. A control of these wings is known from German patent specification 2,029,995, the principle of which is shown in FIG.

Auf einem Flügelrad 1 sind drei bis maximal sieben Schwenkflügel 2 bis 6 angeordnet, die gegenüber der Radtangente um einen Winkel verschwenkt werden, der bei einer ganzen Umdrehung des Flügelrades zwischen einem maximalen positiven und maximalen negativen Winkelwert (der sogenannten "Steigung") verändert wird. Das Flügelrad ist mit seiner Drehachse vertikal am Boden des Schiffes angeordnet, so daß das Wasser auf die Schwenkflügel die Kräfte K2 - K6 ausübt. Die Vektoraddition dieser Kräfte ergibt eine resultierende Kraft und wächst mit wachsendem Maximalwinkel, den die Schwenkflügel gegenüber der Radtangente bei einem Umlauf annehmen.On an impeller 1, three to a maximum of seven swivel blades 2 to 6 are arranged, which are pivoted relative to the wheel tangent by an angle which is changed between a maximum positive and maximum negative angle value (the so-called "pitch") during a complete revolution of the impeller. The impeller is arranged with its axis of rotation vertically on the bottom of the ship, so that the water exerts the forces K2 - K6 on the swivel blades. The vector addition of these forces results in a resulting force and grows with increasing maximum angle, which the swivel blades assume in relation to the wheel tangent during one revolution.

Sind mit F eine in Längsrichtung des Schiffes zeigende Achse und mit 7,7' die Schnittpunkte dieser Achse mit dem Kreis 1 bezeichnet, so wird der Winkel f der Schwenkflügel in den Punkten 7,7' oder ein anderes geeignetes Maß für diesen Winkel "Fahrtsteigung" genannt und bewirkt einen Schub, der das Schiff in Richtung der Längsachse F (Fahrtachse) bewegt.If F denotes an axis pointing in the longitudinal direction of the ship and 7.7 'the intersection points of this axis with the circle 1, then the angle f of the swivel wing in points 7.7' or another suitable measure for this angle "cruise slope "called and causes a thrust that moves the ship in the direction of the longitudinal axis F (cruising axis).

Wird abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Stellung den Schwenkflügeln auch eine "Rudersteigung" vorgegeben, die beim Passieren der Punkte 8 und 9 die Winkelstellung der Schwenkflügel gegenüber der Radtangente bestimmt, so tritt auch eine Kraftkomponente in Richtung der "Ruderachse" B auf.If, deviating from the position shown in FIG. 1, a "rudder pitch" is also given to the swivel wings, which determines the angular position of the swivel wings relative to the wheel tangent when passing points 8 and 9, a force component also occurs in the direction of the "rudder axis" B.

Um die Stellung der Schwenkflügel einzustellen, ist in dem Flügelrad-Getriebe ein sogenannter "Steuerpunkt" A verfahrbar, dessen Exzentrizitäten bezüglich des Flügelrades (d.h. kartesische Komponenten DF, DR im Koordinatensystem F, R) die Steigung bestimmen.In order to adjust the position of the swivel blades, a so-called "control point" A can be moved in the impeller gearbox, the eccentricities of the impeller (i.e. Cartesian components DF, DR in the coordinate system F, R) determine the pitch.

Die in den Richtungen F und R auftretenden, von den Flügelrädern und ihrem Antrieb aufzubringenden Schubkräfte sind von der Anströmung der Flügelräder,also insbesondere von den geometrischen Verhältnissen unter dem Schiffsboden und der relativen Fahrtgeschwindigkeit abhängig. Dies kann durch Steuerkennlinien berücksichtigt werden. Dabei zeigt es sich für die Belastung des Antriebs und die Begrenzung der Exzentrizitäten vorteilhaft, wenn die Fahrtsteigung in Abhängigkeit der Rudersteigung reduziert wird (Kennlinie 10 in Fig.1).The thrust forces occurring in the directions F and R, which are to be exerted by the impellers and their drive, depend on the inflow of the impellers, that is to say in particular on the geometric conditions under the ship's bottom and the relative speed of travel. This can be taken into account by means of control characteristics. It is advantageous for the load on the drive and the limitation of the eccentricities if the travel gradient is reduced depending on the rudder gradient (characteristic curve 10 in FIG. 1).

Die Steuerachse A des Flügelrad-Getriebes wird mit zwei elektrisch steuerbaren Stellgliedern 11 und 12 und einer (nicht dargestellten) Mechanik verfahren. Liegen diese Stellglieder in den Achsen E und R, so sind die Verstellwege DX und DY gleich den Exzentrizitäten DF und DR. Die räumlichen Verhältnisse erfordern aber je nach Schiffstyp häufig eine andere Anordnung der Stellglieder 11 und 12, z.B. in Richtung der Achsen X und X der Figur 1. Für die Steuerung der Stellglieder müssen daher die Exzentrizitäten DF und DR entsprechend einer Drehung des Koordinatensystems in Steuergrößen Dx und Dy für die Verstellwege DX und DY umgerechnet werden.The control axis A of the impeller gearbox is moved with two electrically controllable actuators 11 and 12 and a mechanism (not shown). If these actuators are in axes E and R, the adjustment paths DX and DY are equal to the eccentricities DF and DR. However, depending on the type of ship, the spatial conditions often require a different arrangement of actuators 11 and 12, e.g. in the direction of the axes X and X of FIG. 1. For the control of the actuators, the eccentricities DF and DR must therefore be converted into control variables Dx and Dy for the adjustment paths DX and DY in accordance with a rotation of the coordinate system.

Hierzu dient die den Steuereingängen der Stellglieder vorgeschaltete Transformationseinrichtung 13, deren Eingangssignale an einem Rechenwerk 14 abgegriffen und aus den Führungsgrößen F und R abgeleitet sind. Die Führungsgröße F für die Fahrtsteigung ist bestimmt durch einen Fahrtbefehl, der z.B. mittels eines Geschwindigkeitssteuerhebels 15 an einem entsprechenden Geber 16 eingestellt ist, und die Führungsgröße R für die Rudersteigung durch einen Ruderbefehl, der mittels eines Ruderrades 17 an einem entsprechenden Geber 18 eingestellt ist.The transformation device 13 connected upstream of the control inputs of the actuators is used for this purpose, the input signals of which are tapped at an arithmetic logic unit 14 and derived from the command variables F and R. The command variable F for the incline is determined by a travel command which e.g. is set by means of a speed control lever 15 on a corresponding transmitter 16, and the command variable R for the rudder pitch by a rudder command which is set on a corresponding transmitter 18 by means of a rudder wheel 17.

Die mechanischen Kräfte zum Verstellen der Steuerachse werden nach der DE-PS 2 029 995 von Servomotoren aufgebracht, die miteinander verkoppelt sind, da sie gemeinsam am Steuerpunkt A angreifen.According to DE-PS 2 029 995, the mechanical forces for adjusting the control axis are applied by servomotors which are coupled to one another since they act together at control point A.

Es hat sich nun gezeigt, daß an sich der Zykloidenpropeller eine sehr exakte und schnelle Steuerung des Schiffes zuläßt, die hauptsächlich durch die Eigenschaften der Servomotoren und ihrer Steuerung beschränkt ist. Die Servomotoren und ihre Steuerungen sind dabei jedem Schiffstyp konstruktiv anzupassen.It has now been shown that the cycloid propeller itself allows very precise and fast control of the ship, which is mainly limited by the properties of the servomotors and their control. The servomotors and their controls have to be adapted to each ship type.

Die Erfindung gibt daher eine Steuerung an, die an die jeweiligen Gegebenheiten verschiedener Schiffstypen und den jeweiligen Antrieb der Propeller sehr einfach (nämlich durch Setzen elektrischer Parameter) anpaßbar ist und den Steuerpunkt schnell, exakt und ohne großen Aufwand verstellt. Sie ist auch robust und möglichst wartungsfrei. Dies wird erreicht durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The invention therefore specifies a control which can be adapted very simply (namely by setting electrical parameters) to the particular circumstances of different ship types and the respective propeller drive and which adjusts the control point quickly, precisely and without great effort. It is also robust and as maintenance-free as possible. This is achieved by a device with the features of claim 1.

In einem Hydraulikkreislauf gestatten Proportionalventile eine stetige Regelung des Durchflusses in beiden Richtungen. Dadurch können Stellzylinder sehr genau positioniert werden, wobei erhebliche Kräfte einfach, exakt und schnell gesteuert werden können.In a hydraulic circuit, proportional valves allow the flow to be regulated continuously in both directions. This enables positioning cylinders to be positioned very precisely, and considerable forces can be controlled easily, precisely and quickly.

Ein schnelles Hochfahren der Steigung belastet den Propellerantrieb und die Mechanik zum Verstellen der Schwenkflügel, unabhängig vom Vorzeichen der Steigung selbst; ein Herunterfahren der Steigung, d.h. ein Anlegen der Schwenkflügel, stellt dagegen eine Entlastung dar, die u.U. rasch vorgenommen werden kann. Daher sind für plötzliche Anderungen der Führungsgrößen vorteilhaft Hochlaufgeber vorgesehen, die die Sollwerte der Fahrsteigung bzw. Rudersteigung kontinuierlich auf einen neuen Wert hoch- bzw. runterfahren, wobei sowohl die Geschwindigkeit der Steigungserhöhung wie der Steigungserniedrigung jeweils für die Rudersteigung und die Fahrsteigung unabhängig einstellbar ist. Diese Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit kann insbesondere von der Belastung des Antriebs und/oder von der Drehzahl und/oder von der Stellung des Ruderrades und des Fahrthebels selbst abhängig sein.A rapid ascent of the incline loads the propeller drive and the mechanism for adjusting the swivel blades, regardless of the sign of the incline itself; on the other hand, descending the incline, ie putting on the swivel wing, provides relief, which can be done quickly under certain circumstances. For sudden changes in the command variables, ramp generators are therefore advantageously provided which continuously raise or lower the setpoint values for the driving gradient or rudder gradient, both the speed of the gradient increase how the incline can be set independently for the rudder incline and the driving incline. This limitation of the rate of increase can depend in particular on the load on the drive and / or on the speed and / or on the position of the rudder wheel and the travel lever itself.

Vorteilhaft wird die Fahrtsteigung in Abhängigkeit von der Rudersteigung, insbesondere in Form eines ruder steigungsabhängigen Faktors, verringert. Bevorzugt kann auch die Rudersteigung in Abhängigkeit von der Fahrtsteigung, insbesondere in Abhängigkeit von der Fahrtsteigung und der Fahrtrichtung, gesteuert werden. Werden die Rudersteigung und die Fahrtsteigung auf einen dem maximal zulässigen Hub der Stellzylinder entsprechenden Wert begrenzt, so können mechanische Anschläge für die maximale Zylinderauslenkung entlastet oder entbehrlich werden. Bevorzugt werden die Grenzwerte in Abhängigkeit vom Lastzustand des Antriebs vorgegeben, wodurch der Antrieb und seine Regelung entlastet sind.The incline is advantageously reduced as a function of the rudder incline, in particular in the form of a rudder incline-dependent factor. The rudder incline can preferably also be controlled as a function of the incline, in particular as a function of the incline and the direction of travel. If the rudder incline and the travel incline are limited to a value corresponding to the maximum permissible stroke of the actuating cylinders, mechanical stops for the maximum cylinder deflection can be relieved or unnecessary. The limit values are preferably specified as a function of the load state of the drive, as a result of which the drive and its control are relieved.

Schließlich können vorteilhaft die vom Rechenwerk gebildeten Sollwerte , die den Exzentrizitäten des Steuerpunktes in Schiffskoordinaten entsprechen, in die Exzentrizitäten bezüglich der den Zylindern zugeordneten Koordinaten X, Y transformiert werden, wobei der Hub der um vertikale Achsen Ax, Ay drehbar gelagerten Zylinder entsprechend dem geometrischen Satz von Pythagoras aus diesen transformierten Exzentrizitäten berechnet wird.Finally, the setpoints formed by the arithmetic unit, which correspond to the eccentricities of the control point in ship coordinates, can advantageously be transformed into the eccentricities with respect to the coordinates X, Y assigned to the cylinders, the stroke of the cylinders rotatably mounted about vertical axes Ax, Ay according to the geometric set from Pythagoras is calculated from these transformed eccentricities.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden anhand von einem Ausführungsbeispiel und weiteren Figuren erläutert.Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims and are explained using an exemplary embodiment and further figures.

Es zeigen:

  • Figur 1 das bereits erläuterte, aus dem Stand der Technik bekannte Prinzip einer Zykloiden-Propeller-Steuerung,
  • Figur 2 das Prinzip einer bevorzugten Vorrichtung gemäß der Erfindung,
  • Figur 3 die Steuerung der Steuerachse in Abhängigkeit von Sollwerten für Fahrtsteigung und Rudersteigung,
  • Figur 4 eine Begrenzerschaltung zur lastabhängigen Begrenzung der Sollwerte,
  • Figur 5 ein umgeformtes Steuerdiagramm für die Sollwerte,
  • Figur 6 die Bildung der Sollwerte für Fahrtsteigung und Rudersteigung aus dem Fahrt- und Ruderbefehl.
Show it:
  • FIG. 1 the principle of a cycloid propeller control, already explained and known from the prior art,
  • FIG. 2 shows the principle of a preferred device according to the invention,
  • FIG. 3 shows the control of the control axis as a function of target values for the incline and rudder incline.
  • FIG. 4 shows a limiter circuit for load-dependent limitation of the setpoints,
  • FIG. 5 shows a transformed control diagram for the target values,
  • Figure 6 shows the formation of the target values for the incline and rudder slope from the drive and rudder command.

In Figur 2 ist nur ein Propeller (Flügelrad 1) dargestellt, der von einem Dieselmotor 20 auf einer einstellbaren, innerhalb eines größeren Betriebsbereichs praktisch konstanten Drehzahl gehalten wird. Die optimale Anpassung an den jeweiligen aktuellen Betriebszustand erfolgt über typenmäßig oder individuell angepaßte Parameter der Steuerung.In Figure 2, only one propeller (impeller 1) is shown, which is held by a diesel engine 20 at an adjustable, practically constant speed within a larger operating range. The optimal adaptation to the respective current operating state takes place via type or individually adjusted parameters of the control.

Das Antriebsmoment ist über ein geeignetes Stellglied, z.B. das Einlaßventil 21 des Dieselmotors 20, von einer Antriebsregelung 22 vorgegeben, die z.B. einen Drehzahlregler enthalten kann. Mit 23 ist ein mechanisches Glied bezeichnet, an dem der Drehzahl-Istwert abgegriffen werden kann und/oder das zur Ankopplung von Öldruckpumpen dient, um den Druck in den (vorteilhaft voneinander getrennten) Schmieröl- und Steuerölkreisläufen des Flügelradpropellers aufrechtzuerhalten. Das mechanische Glied 23 kann dabei auch eine Kupplung enthalten.The drive torque is via a suitable actuator, e.g. the inlet valve 21 of the diesel engine 20, predetermined by a drive control 22, which e.g. can contain a speed controller. 23 denotes a mechanical link from which the actual speed value can be tapped and / or which is used to couple oil pressure pumps in order to maintain the pressure in the (advantageously separate) lubricating oil and control oil circuits of the impeller propeller. The mechanical link 23 can also include a clutch.

Uber Verbindungsleitungen 24 kann der Lastzustand des Antriebs (im Beispiel: der am Einlaßventil 21 eingestellten Füllgrad des Dieselmotors 20) eingreifen. Auch kann die Steuerung des Antriebs von den Soll- und Istwerten der Steigungen beeinflußt werden, z.B. damit der Antrieb nur angelassen werden kann, wenn die Flügel 2 - 6 tangential am Ruderrad 1 anliegen, das Flügelrad 1 also mit keinen Schub- und Ruderkräften belastet ist.The load state of the drive (in the example: the filling level of the diesel engine 20 set at the inlet valve 21) can intervene via connecting lines 24. The control of the drive can also be influenced by the set and actual values of the gradients, e.g. so that the drive can only be started when the wings 2 - 6 are tangent to the rudder wheel 1, i.e. the vane wheel 1 is not loaded with any thrust and rudder forces.

Zum Verstellen der Steuerachse werden gemäß der Erfindung Stellzylinder 25x, 25y verwendet, in deren Hydraulikkreislauf (Steueröl-Kreislauf) elektrohydraulische Proportionalventile 26x und 26y direkt eingesetzt sind. Sie gestatten eine stetige, in beiden Richtungen sehr feinfühlige Verstellung des Zylinderhubes der beiden Stellzylinder. Die Stellzylinder selbst sind z.B. um die Punkte Ax, Ay schwenkbar, wobei sich die für die Lage des Punktes A erforderlichen Zylinderhübe aus dessen Abstand von Ax und Ay gemäß dem pythagoräischen Lehrsatz ergeben.To adjust the control axis, actuating cylinders 25x, 25y are used according to the invention, in whose hydraulic circuit (control oil circuit) electrohydraulic proportional valves 26x and 26y are used directly. They allow a constant, very sensitive adjustment of the cylinder stroke of the two actuating cylinders in both directions. The actuating cylinders themselves are e.g. can be pivoted about the points Ax, Ay, the cylinder strokes required for the position of the point A resulting from its distance from Ax and Ay according to the Pythagorean theorem.

Diese Stellzylinder 25x und 25y besitzen Istwert-Ausgänge, an denen mittels Meßumformern 27x und 27y Istwerte Hx, Hy für den Zylinderhub abgegriffen sind. Diese werden zusammen mit entsprechenden Sollwerten Hx*, Hy* jeweils einem Zylinderhub-Regler 28x, 28y in einem Zylinderhub-Regelkreis zugeführt, um aus der Regelabweichung die Sollwerte lx*, ly* für die Ventilströme der Ventile 26x, 26y zu bilden.These actuating cylinders 25x and 25y have actual value outputs, at which actual values Hx, Hy for the cylinder stroke are tapped by means of transmitters 27x and 27y. These are fed together with corresponding setpoints Hx * , Hy * to a cylinder stroke controller 28x, 28y in a cylinder stroke control circuit in order to form the setpoints lx * , ly * for the valve flows of the valves 26x, 26y from the control deviation.

Vorteilhaft ist dem Zylinderhub-Regelkreis ein Ventilweg-Regelkreis unterlagert. An einem Istwert-Ausgang jedes Ventils 26x, 26y ist über Meßwertumformer 29x, 29y der Istwert der Ventilstellung abgegriffen und zusammen mit dem Ausgang der Zylinderhub-Regler 28x, 28y einem Ventilweg-Regler 30x, 30y zugeführt. Der Ausgang dieser unterlagerten Ventilweg-Regler bildet die Strom-Sollwerte lx*, ly*, die ihrerseits vorteilhaft jeweils einem Ventilstrom-Regler 31x, 31y eines unterlagerten Ventilstrom-Regelkreises zugeführt sind.A valve path control circuit is advantageously subordinate to the cylinder stroke control circuit. The actual value of the valve position is tapped at an actual value output of each valve 26x, 26y via measuring transducers 29x, 29y and supplied to a valve travel controller 30x, 30y together with the output of the cylinder stroke controllers 28x, 28y. The output of these subordinate valve path controllers forms the current setpoints lx * , ly * , which in turn are each advantageously fed to a valve current controller 31x, 31y of a subordinate valve current control circuit.

Um die auf die Stellzylinder 25x, 25y arbeitenden Sollwerte Hx*, Hy* zu bilden, ist gemäß Fig. 2 der am Fahrhebel 15 eingestellte Fahrbefehl F und der am Ruderrad 17 eingestellte Ruderbefehl R im Rechenwerk 14 in die Sollwerte DF und DR für die Fahrtsteigung bzw. die Rudersteigung umgerechnet, die den Exzentrizitäten des Steuerpunktes A im Schiffskoordinatensystem F, R entsprechen. Die Transformationseinrichtung 13 dient der erwähnten Umrechnung in die Koordinaten X, Y der Stellglieder. Der vorteilhafte Aufbau der Transformationseinrichtung 13 und des Rechenwerkes 14 wird später erläutert.In order to form the setpoints Hx * , Hy * working on the actuating cylinders 25x, 25y, the drive command F set on the drive lever 15 and the rudder command R set on the rudder wheel 17 in the arithmetic and logic unit 14 are converted into the setpoints DF and DR for the travel gradient according to FIG. 2 or converted the rudder pitch, which correspond to the eccentricities of the control point A in the ship's coordinate system F, R. The transformation device 13 is used for the aforementioned conversion into the coordinates X, Y of the actuators. The advantageous structure of the transformation device 13 and the arithmetic unit 14 will be explained later.

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, die Hubistwerte Hx, Hy auch einem invers zur Transformationseinrichtung 13 arbeitenden Istwert-Transformationsglied 32 zuzuführen, um an einer Anzeige 33 die rückgerechneten Istwerte von Rudersteigung und Fahrtsteigung anzuzeigen. Bevorzugt ist dem Istwert-Transformationsglied ein invers zum Rechenwerk 14 arbeitendes Istwert-Rechenglied 34 zur Bildung rückgerechneter Istwerte für die Führungsgrößen der Fahrtsteigung und der Rudersteigung nachgeschaltet. Ist z.B. der Schiffsantrieb in einen stationären Zustand eingelaufen, so zeigt eine Gleichstellungsanzeige 35 die Gleichheit der rückgerechneten Istwerte mit dem Fahrtbefehl F und dem Ruderbefehl R entsprechenden Werten, wobei die Anzeige 33 dann die tatsächlichen Stellungen der Schwenkflügel angibt. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Steuerhebel 15 und das Ruderrad 17 abgeschaltet wird, um auf eine Fernsteuerung, z.B. für ein Geleit aus mehreren Schiffen, oder auf eine Handsteuerung des Steuerpunktes A umzuschalten.Furthermore, it is advantageously provided that the actual stroke values Hx, Hy are also fed to an actual value transformation element 32 working inversely to the transformation device 13 in order to display the back-calculated actual values of rudder pitch on a display 33 and display the incline. The actual value transformation element is preferably followed by an actual value arithmetic element 34, working inversely to the arithmetic unit 14, for forming back-calculated actual values for the command variables of the travel gradient and the rudder gradient. If, for example, the ship's drive has entered a steady state, an equalization display 35 shows the equality of the recalculated actual values with the values corresponding to the travel command F and the rowing command R, the display 33 then indicating the actual positions of the swivel wings. This is particularly advantageous when the control lever 15 and the rudder wheel 17 are switched off in order to switch over to remote control, for example for escorting from several ships, or to manual control of control point A.

Durch die räumliche Anordnung der Stellglieder ist der Winkel w zwischen den Achsen X, Y der Stellglieder und den Schiffsachsen R, F für jeden Schiffstyp festgelegt. Dazu kann es erforderlich sein, vom rechtshändigen Schiffskoordinatensystem auf ein linkshändiges X-, Y-Koordinatensystem überzugehen, was durch einen Para meter BX bzw. BY zum Vorzeichenwechsel der X- bzw. Y-Koordinate vorgegeben werden kann. Die Koordinatentransformation transformiert dann die Sollwerte DR und DF in die Exzentrizitäten DX, DY nach den Beziehungen

  • DX = BX (DR. cos w + DF. sin w)
  • DY = BY (-DR . sin w + DF. cos w).
The spatial arrangement of the actuators defines the angle w between the axes X, Y of the actuators and the ship axes R, F for each type of ship. To do this, it may be necessary to switch from the right-handed ship coordinate system to a left-handed X, Y coordinate system, which can be specified by a parameter BX or BY to change the sign of the X or Y coordinate. The coordinate transformation then transforms the target values DR and DF into the eccentricities DX, DY according to the relationships
  • DX = BX (DR. Cos w + DF. Sin w)
  • DY = BY (-DR. Sin w + DF. Cos w).

Für derartige Transformationen sind sogenannte "Vektordreher" bekannt. In der Transformationeinrichtung 13 ist ein entsprechendes Rechenelement 36 (Fig. 3) in Reihe mit einem weiteren Rechenelement 37 geschaltet, das gemäß dem geometrischen Lehrsatz des Pythagoras den jeweiligen Stellzylinder-Hub-Sollwert Hx*, Hy* aus den Exzentrizitäten berechnet. Wird der Abstand der Schwenkachsen Ax, Ay der Stellzylinder vom Koordinatenschnittpunkt mit ax bzw. ay bezeichnet, so ergibt sich z.B. für das Rechenglied 37 der Figur 3 die Beziehung

  • (ax + Hx*)2 = (ax + DX)2 + DY2
  • (ay + Hy*)2 = (ay + DY)2 + DX2.
So-called "vector rotators" are known for such transformations. In the transformation device 13, a corresponding computing element 36 (FIG. 3) is connected in series with a further computing element 37, which calculates the respective actuating cylinder stroke setpoint Hx * , Hy * from the eccentricities in accordance with the Pythagorean theorem. If the distance between the pivot axes Ax, Ay of the actuating cylinder from the coordinate intersection is designated ax or ay, the relationship arises, for example, for the computing element 37 in FIG
  • (ax + Hx * ) 2 = (ax + DX) 2 + DY2
  • (ay + Hy * ) 2 = (ay + DY) 2 + DX2.

Gemäß Figur 3 bildet ein entsprechendes inverses Rechenglied 37' und ein inverser Vektordreher 36' aus den tatsächlichen Istwerten Hx, Hy die rückgerechneten Istwerte DFo', DRo' von Rudersteigung und Fahrtsteigung.According to FIG. 3, a corresponding inverse arithmetic element 37 ' and an inverse vector rotator 36' form the back-calculated actual values DFo ' , DRo ' of the rudder slope and the ride slope from the actual actual values Hx, Hy.

Die weitere Verarbeitung des Steuersignals für die Stellglieder, d.h. der Hubsollwerte Hx*, Hy* ist in Fig. 3 nur für den Stellzylinder 25x gezeigt. Vorteilhaft wird als Hubregler 28x ein Proportionalregler verwendet. Soll ein Überschwingen vermieden werden, so wird der Verstärkungsfaktor durch ein entsprechendes Kennlinienglied 38 nichtlinear eingestellt. Dadurch kann die Geschwindigkeit, mit der der Zylinder verstellt wird, insbesondere ungefähr proportional zur Wurzel aus der Regelabweichung vorgegeben werden. Damit der elektrisch verstellbare Ventilsteuerhebel keine ruckartigen Bewegungen ausführt, die große Druckänderungen zur Folge hätten, ist in Reihe mit dem Kennlinienglied 38 ein Hochlaufgeber 39 geschaltet.The further processing of the control signal for the actuators, ie the stroke setpoints Hx * , Hy *, is shown in FIG. 3 only for the actuating cylinder 25x. A proportional controller is advantageously used as the stroke controller 28x. If overshoot is to be avoided, the gain factor is set nonlinearly by means of a corresponding characteristic element 38. As a result, the speed at which the cylinder is adjusted can in particular be approximately proportional to the root of the control deviation. A ramp generator 39 is connected in series with the characteristic element 38 so that the electrically adjustable valve control lever does not perform any jerky movements that would result in large pressure changes.

Der unterlagerte Ventilweg-Regler 30x hat vorzugsweise PI-Verhalten. Seinem Ausgangssignal ist eine rechteckige Schwingung überlagert, die von einem Zusatzsollwertgeber 41 als "Ventilstrom-Dither" erzeugt wird. Dadurch wird eine ständige geringfügige Bewegung des Ventilsteuerhebels und damit eine Verringerung der Haftreibung im Proportionalventil 26x erreicht.The subordinate valve path controller 30x preferably has a PI behavior. A rectangular oscillation is superimposed on its output signal, which is generated by an additional setpoint generator 41 as a "valve current dither". This results in a constant slight movement of the valve control lever and thus a reduction in static friction in the proportional valve 26x.

Der nachgeordnete Ventilstrom-Regler 31 x ist als Zweipunkt-Regler ausgeführt. Hierzu wird der Ventilstrom-Sollwert gleichgerichtet und entsprechend seinem Vorzeichen (d.h. der gewünschten Vergrößerung oder Verkleinerung des Zylinderhubes) jeweils einem eigenen, der jeweiligen Durchflußrichtung des Steueröls durch Stellzylinder und Proportionalventil zugeordneten Regelkanal zugeführt. Jeder Regelkanal enthält hierbei ein Schwellwertglied 42, 42', das einen Schalttransistor 43, 43' für den Ventilstrom ansteuert.The downstream valve flow controller 31 x is designed as a two-point controller. For this purpose, the valve current setpoint is rectified and, depending on its sign (i.e. the desired increase or decrease in the cylinder stroke), is fed to a separate control channel assigned to the flow direction of the control oil through the actuating cylinder and proportional valve. Each control channel here contains a threshold value element 42, 42 'which controls a switching transistor 43, 43' for the valve current.

Vorteilhaft sind die Rudersteigung und die Fahrtsteigung, d.h. die Exzentrizitäten des Steuerpunktes A, auf einen vom Lastzustand des Antriebs abhängigen Wert begrenzt. Hierzu dient die Eegrenzerschaltung in Figur 4, die einen Begrenzungsregler enthält und sowohl für die Fahrtsteigung wie für die Rudersteigung jeweils einen Grenzwert vorgibt, der für positive und negative Steigungen unterschiedlich sein kann. Dadurch wird, je nach Betriebszustand des Antriebs 20, eine Überlastung vermieden und die Steuerung der Schwenkflügel kann flexibel den jeweiligen Schiffs-und Antriebstypen angepaßt werden.Advantages are the rudder slope and the ride slope, i.e. the eccentricities of the control point A, limited to a value dependent on the load condition of the drive. The limiter circuit in FIG. 4 is used for this purpose, which contains a limit controller and specifies a limit value for both the incline and the rudder incline, which can be different for positive and negative inclines. Depending on the operating state of the drive 20, an overload is avoided and the control of the swivel wing can be flexibly adapted to the respective ship and drive types.

Über die Verbindungsleitung 24 kann als Lastzustands-Istwert z.B. der Füllgrad der Maschine, d.h. die Einstellung des Einlaßventils 21 vorgegeben werden. Handelt es sich dabei um einen Analogwert, so kann die Abweichung von der zulässigen Maximallast Lmax einem analogen Regler, vorzugsweise einem Regler mit integralem und differenzierendem Anteil (PI-DT1-Regler 44) zugeführt werden, dessen Ausgangssignal FL über eine Begrenzungsschaltung 45 auf einen Maximalwert FL max begrenzt ist, für den höchstens der Wert 1 vorgegeben ist. Auch der Minimalwert ist auf einen eingestellten Wert FLmin (z.B. FLmin = 1/2) begrenzt. Solange daher der Istwert L den Grenzwert Lmax nicht erreicht, steigt das Reglerausgangssignal FL, bis es den Wert FLmax annimmt. Ist dagegen Lmax überschritten, so wird FL ständig verringert bis entweder der Last-Maximalwert eingehalten oder der Wert FLmin erreicht ist.Via the connecting line 24, the actual load state value can e.g. the degree of filling of the machine, i.e. the setting of the inlet valve 21 can be predetermined. If this is an analog value, the deviation from the permissible maximum load Lmax can be fed to an analog controller, preferably a controller with an integral and differentiating component (PI-DT1 controller 44), the output signal FL of which is limited to a maximum value via a limiting circuit 45 FL max is limited, for which at most the value 1 is specified. The minimum value is also limited to a set value FLmin (e.g. FLmin = 1/2). Therefore, as long as the actual value L does not reach the limit value Lmax, the controller output signal FL increases until it assumes the value FLmax. If, on the other hand, Lmax is exceeded, FL is continuously reduced until either the maximum load value is maintained or the FLmin value is reached.

Wird dagegen ein digitaler Istwert L verwendet, so kann ein Zweipunktregler (Schwellwertglied 46 mit dem Schwellwert Lmax) verwendet werden, dessen Ausgangssignal als Polaritätssignal einem Integrator 47 zugeführt wird. Das Integrator-Ausgangssignal wächst oder fällt je nach der vorgegebenen Polarität, mit konstanter Steigung bis entweder FLmax bzw. FLmin erreicht ist, oder das Ausgangssignal FL pendelt um den Wert Lmax.If, on the other hand, a digital actual value L is used, then a two-point controller (threshold value element 46 with the threshold value Lmax) can be used, the output signal of which is fed to an integrator 47 as a polarity signal. The integrator output signal increases or decreases depending on the specified polarity, with a constant slope until either FLmax or FLmin is reached, or the output signal FL oscillates around the value Lmax.

Das Ausgangssignal FL dient Multiplizierern 48 als Faktor für das Ausgangssignal DF* und DR* des Kennliniengliedes 14. Die Produkte können zusätzlich Kennliniengliedern 49 zugeführt werden, um sie den entsprechenden Antriebstypen individuell anzupassen. Z.B. kann vorgesehen sein, daß bei Maximallast bzw. bei FL = 1 die tatsächliche Fahrsteigung DF für Vorwärtsfahrt auf 95%, für Rückwärtsfahrt aber auf z.B. 80% der durch DF* . vorgegebenen Fahrtsteigung begrenzt wird. Für die Rudersteigung können unabhängig davon eigene Maximalwerte für beide Polaritäten der Steigung vorgegeben werden.The output signal FL serves multipliers 48 as a factor for the output signal DF * and DR * of the characteristic element 14. The products can additionally be supplied to characteristic elements 49 in order to adapt them individually to the corresponding drive types. For example, it can be provided that at Maximum load or, at FL = 1, the actual travel gradient DF for forward travel to 95%, but for reverse travel to 80%, for example, that of DF * . predetermined travel gradient is limited. Independent of this, separate maximum values for both polarities of the slope can be specified for the rudder slope.

Der lastabhängigen Begrenzerschaltung 50 entspricht ein inverses Rechenglied 50', das zunächst invers zu den Kennliniengliedern 49 durch Kennlinienglieder 49' die Maximalsteigung und durch Division mit dem Faktor FL die Wirkung der Multiplizierer 48 kompensiert.The load-dependent limiter circuit 50 corresponds to an inverse arithmetic element 50 ′, which initially compensates the maximum slope inversely to the characteristic elements 49 by characteristic elements 49 ′ and the effect of the multipliers 48 by division by the factor FL.

Ferner sind weitere Ausgänge vorgesehen, an denen die lediglich um die Maximalsteigung korrigierten, rückgerechneten Istwerte DF", DR" der Fahrtsteigung und Rudersteigung abgegriffen werden können.Furthermore, further outputs are provided, from which the actual values DF ", DR" of the travel gradient and rudder gradient, which have only been corrected by the maximum gradient, can be tapped.

Im erwähnten Stand der Technik ist bereits vorgeschlagen, aus dem Fahrtbefehl F die entsprechende Fahrtsteigung oder Exzentrizität als Funktion der Rudersteigung (Kennlinie 10 der Figur 1) zu bilden. Sind z.B. ein Flügelrad am Bug und ein oder zwei nebeneinanderliegende Flügelräder am Heck des Schiffes vorgesehen, so strömt das Wasser die einzelnen Flügelräder mit einer Richtung an, die in einer typenabhängigen Weise von der Schiffslängsachse F je nach Fahrgeschwindigkeit und - Richtung, d.h. Größe und Vorzeichen der Fahrtsteigung, abweicht. Um einen gewünschten Schub in R-Richtung einzustellen, werden also unterschiedliche Rudersteigungen benötigt, die durch eine Kennlinienverschiebung berücksichtigt werden. In Fig. 5 ist eine Kennlinie 10 gezeigt, die z.B. für die Fahrtsteigung einen von den Führungsgrößen F und R abhängigen Wert DF* (F,R) ergibt. Zur Kennlinienverschiebung wird die Rudersteigung - je nach vorwärts oder rückwärts gerichtetem Fahrschub - gegenüber der Kennlinie 10 um einen Wert DF* . F+ (Gerade 51) bzw. DF* .F- (Gerade 52) verschoben und es ergibt sich die Exzentrizität DR*:

  • DR* = R + DF* . F+ bzw.
  • DR* = R + DF*. F-.
In the prior art mentioned, it is already proposed to form the corresponding inclination or eccentricity as a function of the rudder inclination (characteristic curve 10 in FIG. 1) from the travel command F. If, for example, an impeller on the bow and one or two adjacent impellers are provided on the stern of the ship, the water flows towards the individual impellers in a direction that, depending on the type, depends on the longitudinal axis F of the ship depending on the speed and direction of the ship, i.e. size and sign the slope, deviates. In order to set a desired thrust in the R direction, different rudder slopes are required, which are taken into account by shifting the characteristic curve. A characteristic curve 10 is shown in FIG. 5, which, for example, gives a value DF * (F, R) dependent on the command variables F and R for the travel gradient. The rudder slope - depending on the forward or backward thrust - is used to shift the characteristic curve compared to characteristic curve 10 by a value DF *. F + (straight line 51) or DF * .F- (straight line 52) shifted and the eccentricity DR * results:
  • DR * = R + DF *. F + or
  • DR * = R + DF * . F-.

Die Mechanik zum Verstellen des Steuerpunktes A läßt aber nur eine begrenzte maximale Auslenkung um den Mittelpunkt zu, die durch den Kreis 53 in Figur 5 angegeben ist und durch die Bedingung

Figure imgb0001
gegeben ist. Daher ergibt sich, daß das Rechenwerk aus den als Führungsgrößen vorgegebenen Befehlen F und R die Steigungen DF* und DR* ermittelt, die innerhalb der in Fig. 5 gezeigten Grenzkurve 54 liegen. Gemäß Fig. 6 wird diese Diagrammverschiebung durch ein entsprechendes Kennlinienglied 55 im Rechenwerk 14 erreicht. Für die rückgerechneten Istwerte DF' und DR' enthält das Istwert-Rechenglied 34 ein entsprechendes inverses Kennlinienglied 55', während die Werte DF" und DR" durch das inverse Kennlinienglied 55" rückgerechnet werden. An den Anzeigen 57 kann dann bei einer entsprechenden Stellung des Umschalters 58 abgelesen werden, welchen rückgerechneten Exzentrizitäten in Schiffskoordinaten die momentan vorliegenden Zylinderhübe entsprechen. Tritt ein Rechnerausfall ein, so spricht das Relais 58' an und legt den Umschalter 58 um, so daß die Anzeigen 57 dann die tatsächlichen Zylinderhübe in den entsprechenden, um den Winkel w gedrehten Koordinaten zeigen.The mechanism for adjusting the control point A, however, allows only a limited maximum deflection around the center point, which is indicated by the circle 53 in FIG. 5 and by the condition
Figure imgb0001
 given is. It therefore follows that the arithmetic unit determines the gradients DF * and DR * from the commands F and R which are specified as command variables and which lie within the limit curve 54 shown in FIG. 5. 6, this shift in the diagram is achieved by a corresponding characteristic element 55 in the arithmetic logic unit 14. For the recalculated actual values DF 'and DR', the actual value arithmetic element 34 contains a corresponding inverse characteristic element 55 ', while the values DF "and DR" are calculated back by the inverse characteristic element 55 " Switch 58 can be read, which recalculated eccentricities in ship coordinates the currently available cylinder strokes correspond to. If a computer failure occurs, the relay 58 'responds and switches the switch 58, so that the displays 57 then the actual cylinder strokes in the corresponding, by the Show angle w rotated coordinates.

Die Führungsgrößen F und R werden im Rechenwerk 14 durch ein Kennlinienglied 56 nach einem Zusammenhang umgeformt, für den vorteilhaft gewählt wird:

  • DF* = F. N,

wobei N durch die Funktion
  • N = (1 - MIRIB)

mit einstellbaren Parametern M und B gegeben ist.The command variables F and R are converted in the arithmetic unit 14 by a characteristic element 56 according to a relationship for which the following is advantageously selected:
  • DF * = F. N,

where N by the function
  • N = (1 - MIRI B )

with adjustable parameters M and B.

Eine andere vorteilhafte Kennlinie geht ebenfalls von einem derartigen Faktor N aus, setzt aber die Fahrtsteigung DF* gleich dem Fahrtbefehl F, solange dieser betragsmäßig kleiner oder gleich dem Faktor N ist. Im anderen Fall wird DF* = (sign F) . N gesetzt. Vorteilhaft kann das Kennlinienglied so ausgebildet werden, daß zwischen den beiden Kennlinienformen wahlweise umgeschaltet werden kann, wobei es zweckmäßig sein kann, gleichzeitig mit der Umschaltung auf die andere Kennlinienform auch in den anderen Bauteilen der Steuerung auf einen anderen Parametersatz überzugehen.Another advantageous characteristic curve is also based on such a factor N, but sets the travel gradient DF * equal to the travel command F, as long as this is smaller or equal to the factor N. Otherwise DF * = (sign F). N set. The characteristic curve element can advantageously be designed such that it is possible to selectively switch between the two characteristic curve forms, and it may be expedient to switch to a different parameter set in the other components of the control at the same time as the switch to the other characteristic curve form.

Dem entsprechenden Kennlinienglied 56 im Rechenwerk 14 entspricht im Istwert-Rechenglied 34 das inverse Kennlinienglied 56' zur Rückrechnung der Hub-Istwerte. Ist die Steuerung in einen stationären Zustand eingelaufen, so entsprechen dann die am Istwert-Rechenglied 34 abgegriffenen, rückgerechneten Führungsgrößen F' und R' den am Steuerhebel 15 und am Ruderrad 17 eingestellten Befehlen. Dieser abgeglichene Zustand kann an der erwähnten Gleichstellungsanzeige 35 (Fig. 2) abgelesen werden, um damit den Übergang auf eine Fernsteuerung oder eine Handsteuerung vor Ort freizugeben. Dieser Übergang kann durch einen Betriebswahlschalter 59 erfolgen. Über diesen Betriebswahlschalter ist es auch möglich, die rückgerechneten Führungsgrößen auf den Eingang der Steuerung durchzuschalten, um die Hochlaufgeber der Steuerung den Istwerten beim Handbetrieb nachzuführen, bei dem die Regler außer Eingriff sind.The corresponding characteristic curve element 56 in the arithmetic and logic unit 14 corresponds to the inverse characteristic curve element 56 'in the actual value calculation element 34 for backward calculation of the actual stroke values. If the control has entered a steady state, then the back-calculated reference variables F 'and R' tapped at the actual value arithmetic unit 34 correspond to the commands set on the control lever 15 and on the rudder wheel 17. This balanced state can be read on the mentioned equalization display 35 (FIG. 2) in order to enable the transition to remote control or manual control on site. This transition can be carried out by an operating selector switch 59. This operating mode selector switch also enables the back-calculated reference variables to be switched through to the input of the control in order to track the ramp-function generator of the control to the actual values in manual operation in which the controllers are not active.

Um plötzliche Verstellungen der Schwenkflügel und damit verbundene Lastsprünge des Antriebs zu vermeiden, ist für die Führungsgrößen F und R der Rudersteigung und der Fahrtsteigung jeweils ein Hochlaufgeber zweckmäßig, um die Verstellgeschwindigkeit bei schnellen Anderungen des Fahrtbefehls und des Ruderbefehls zu begrenzen. Die Verstellgeschwindigkeit ist dabei kein konstanter Wert, sondern ändert sich mit der Größe der jeweiligen Komponente. Auch kann die Richtung, d.h. ein Hochlauf vom Nullpunkt weg oder ein Runterlauf zum Nullpunkt hin, berücksichtigt werden. Da die Steuerölpumpe an den Antrieb gekoppelt ist, ist auch eine Abhängigkeit der Verstellgeschwindigkeit von der Drehzahl zweckmäßig. Zusätzlich kann die Hochlaufgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Last des Antriebs verringert werden, um eine Überlastung des Antriebmotors zu vermeiden.In order to avoid sudden adjustments of the swivel wing and the associated load jumps of the drive, a ramp function generator is advisable for the command variables F and R of the rudder incline and the travel incline in order to limit the adjustment speed when the travel command and the rudder command change rapidly. The adjustment speed is not a constant value, but changes with the size of the respective component. The direction, i.e. a run-up from the zero point or a run-down to the zero point are taken into account. Since the control oil pump is coupled to the drive, a dependency of the adjustment speed on the speed is also appropriate. In addition, the run-up speed can be reduced depending on the load of the drive in order to avoid overloading the drive motor.

Gemäß Figur 6 ist daher am Eingang des Rechenwerks 14 eine Schaltung 60 zur Begrenzung der Verstellgeschwindigkeit angeordnet, die jeweils einen Hochlaufgeber 61 F und 61 R enthält, um bei einer Änderung des Fahrtbefehls die Fahrtsteigung F bzw. bei einer Änderung des Ruderbefehls die Rudersteigung R kontinuierlich auf den neuen Wert hochzufahren, wobei bevorzugt die Änderungsgeschwindigkeit für eine Steigungszunahme und eine Steigungsabnahme für die Rudersteigung bzw. für die Fahrtsteigung unabhängig einstellbar sind.According to Figure 6 is therefore at the entrance of the rake Factory 14, a circuit 60 for limiting the adjustment speed is arranged, each containing a ramp generator 61 F and 61 R, in order to continuously increase the pitch R when the travel command changes or the rudder pitch R when the rudder command changes, preferably the rate of change for an increase in incline and a decrease in incline for the rudder incline or for the ride incline can be set independently.

Die Änderungsgeschwindigkeit VF der Führungsgröße F für die Fahrtsteigung ist am Hochlaufgeber 61 F im Beispiel der Figur 6 auf einen konstanten Wert VFo voreingestellt, der z.B. auf die Propellergröße abgestimmt ist und in Abhängigkeit von der Fahrtsteigung, dessen Änderungsrichtung,der Antriebsleistung L und der Drehzahl No des Motors bzw. der Steuerölpumpe korrigiert werden kann. Die Erfassung der Fahrtsteigung ist durch einen Betragsbildner 62 für deren Führungsgröße F bzw. am Fahrthebel 15 abgegriffenes Steuersignal Fo dargestellt, während ein Detektor 63 die Erfassung der Änderungsrichtung, d.h. die Unterscheidung zwischen Steigungszunahme und Steigungsabnahme gemäß

Figure imgb0002
The rate of change VF of the command variable F for the climb is preset on the ramp generator 61 F in the example in FIG. 6 to a constant value VF o , which is matched, for example, to the propeller size and as a function of the climb, its direction of change, the drive power L and the speed No of the engine or the control oil pump can be corrected. The detection of the travel incline is represented by an amount generator 62 for its reference variable F or control signal F o tapped at the travel lever 15, while a detector 63 detects the change direction, ie the distinction between the increase in incline and the decrease in incline
Figure imgb0002

Ein vom Detektor 63 angesteuerter Umschalter 63' gestattet durch richtungsabhängiges Umschalten zwischen zwei Kennliniengebern 64, 64' eine von der Fahrtsteigung und deren Änderungsrichtung abhängige Korrekturfunktion FF(Fo), vorzugsweise einen Polygonzug, einzustellen. Ebenso wird durch den Umschalter und zwei Kennliniengeber 65, 65' eine leistungsabhängige Korrekturfunktion HF(L) eingestellt, wobei eine Steigungsabnahme insbesondere auch unabhängig von der Leistung rasch vorgenommen werden kann, so daß an dem im Fall dlFl/dt <0 aktivierten Kennliniengeber 65' insbesondere der Wert "1" konstant eingestellt sein kann.A changeover switch 63 'controlled by the detector 63 allows a correction function FF (F o ), preferably a polygon course, to be set by switching between two characteristic curve generators 64, 64' depending on the direction of travel and its direction of change. Likewise, a power-dependent correction function HF (L) is set by the changeover switch and two characteristic curve transmitters 65, 65 ', in which case a slope decrease can also be carried out quickly, independently of the power, so that the characteristic curve transmitter 65' activated in the case of dlFl / dt <0 in particular the value "1" can be set constant.

Ein von der Drehzahl No angesteuerter Kennliniengeber 66 liefert ferner eine Korrekturfunktion G(No), so daß der Hochlaufgeber die Änderungsgeschwindigkeit VF der Führungsgröße F bestimmt nach der Beziehung:

  • VF = VFo . FF(Fo) . G(No) . HF(L).
A characteristic curve generator 66 controlled by the speed N o also supplies a correction function G (No), so that the ramp generator determines the rate of change VF of the command variable F according to the relationship:
  • VF = VF o . FF (F o ). G (N o ). HF (L).

Für die Führungsgröße R der Rudersteigung, die gemäß dem Signal Ro des Ruderrades 17 gebildet wird, werden durch entsprechende Kennliniengeber in Verbindung mit einem entsprechenden Detektor die Funktionen FR(Ro)und HR(L) gebildet, die aus der voreingestellten Hochlaufgeschwindigkeit VRo die Änderungsgeschwindigkeit VR der Führungsgröße R liefern gemäß der Beziehung

  • VR = VRo . FR(Ro) . G(No) . HR(L).
For the command variable R of the rudder pitch, which is formed according to the signal R o of the rudder wheel 17, the functions FR (R o ) and HR (L) are formed by corresponding characteristic curve transmitters in conjunction with a corresponding detector, which functions from the preset acceleration speed VR o the rate of change VR of the command variable R supply according to the relationship
  • VR = VRo. FR (Ro). G (No). HR (L).

Die Erfindung schafft somit eine Steuerung für den Steuerpunkt A eines Zykloidenpropellers, die durch einfache Justierung der einzelnen Parameter und Kennlinien auf einfache Weise an ganz unterschiedliche Schiffstypen und Erfordernisse angepaßt werden kann. Sie ist robust, nahezu wartungsfrei und einfach zu bedienen.The invention thus creates a control for the control point A of a cycloid propeller, which can be easily adapted to very different types of ships and requirements by simply adjusting the individual parameters and characteristics. It is robust, almost maintenance-free and easy to use.

Claims (14)

1. Device for controlling a cycloidal propeller (1-6) coupled with a drive (20) for watercraft with
a) a mechanical system which adjusts the pitches of the pivotable blades of the propeller in dependence on the eccentricities (DX, DY) of a control point (A),
b) two electrically controllable adjustment elements coupled with one another which move the control point of the mechanical system,
c) an arithmetic unit (14) which, in dependence on a motion command (F) and a rudder command (R), forms respective desired values, related to ship coordinates, for the motion pitch (DF) and the rudder pitch (DR), and
d) a transformation device (13) which forms from the desired values the eccentricities relating to the adjustment elements, characterised by a hydraulic circuit with two electrohydraulic proportional valves (26x, 26y), each operating on respective adjustment cylinders (25x, 25y), rotatable about respective vertical axes (Ax, Ay), to move the control point, an arithmetic element (37 in Fig. 3) which calculates from the eccentricities desired stroke values for the adjustment cylinders, and in each case a cylinder stroke-control loop (25x-31x, 25y-31 y) which forms from the desired stroke value and the actual stroke value (Hx) a desired value (Ix*; ly*) for the valve flow of the valve operating on the cylinder (Figure 2).
2. Device according to claim 1, characterised in that the arithmetic unit comprises a first characteristic element (56) which from a reference variable F derived from the motion command, a variable R defining the rudder pitch and from adjustable parameters M and B forms a desired value DF for the motion pitch according to the relation
DF = F. (I-MIRIB)
3. Device according to claim 1, characterised in that the arithmetic unit comprises a first characteristic element which from a reference variable F derived from the motion command and a reference variable R derived from the rudder command and from adjustable parameters M and B determines the desired value DF for the motion pitch in accordance with:
DF = F, if |F| ≦ N = 1 - MIRIB, otherwise
DF = (signF) . N.
4. Device according to claim 1, characterised in that the arithmetic unit comprises a second characteristic element which controls the rudder pitch in dependence on a reference variable for the motion pitch, more particularly in dependence on the reference variable for the motion pitch and on the direction of motion.
5. Device according to claim 1, characterised in that the arithmetic unit comprises rampfunction generators (61 F, 61 R) which, when there is a change in the motion command (Fo) and a change in the rudder command, respectively increase reference variables for the motion pitch and the rudder pitch continuously up to a new value, the rate of change of the reference variable for an increasing pitch and a decreasing pitch being adjustable independently (Figure 6).
6. Device according to claim 5, characterised in that the ramp-function generators are arranged at the input of the arithmetic unit and from the motion command Fo and the rudder command Ro form the reference variables F and R, the rates of change VF and VR of which are defined as follows:
VF = VFo. FF(Fo) . G(N) . HF(L)
VR = VRo. FR(Ro). G(N) . HR(L),

in which FF(Fo) and FR(Ro) are functions dependent respectively on Fo or Ro and their signs (more particularly functions selected in accordance with an increase or decrease in the pitch amount), G(N) is a function dependent on the rotational speed of the propeller or drive and HF(L) and HR(L) are functions dependent on the load condition of the drive, more particularly functions with HF(L) = 1 or HR(L) = 1 for a reduction in the motion pitch or rudder pitch (Figure 6).
7. Device according to claim 1, characterised in that the desired values for the rudder pitch and the motion pitch are limited to a value corresponding to the maximum permissible stroke of the adjustment cylinders.
8. Device according to claim 7, characterised in that the desired values are limited in each case to a value dependent on the load condition of the drive.
9. Device according to claim 1, characterised by a limiter circuit which limits the desired values in each case to a value preset by the output signal of a limiting controller supplied with a quantity corresponding to the load condition of the drive, preferably a value which is preset differently for positive and negative desired values.
10. Device according to claim 1, characterised in that the actual stroke values are also supplied to an actual value-transformation element operating inversely to the transformation device and to the arithmetic element, in order to form the re-calculated actual values for the rudder pitch and motion pitch.
11. Device according to claim 2, characterised in that an actual value arithmetic element operating inversely to the arithmetic unit is connected in series with the actual value transformation element in order to form re-calculated actual values for the reference variables of motion pitch and rudder pitch.
12. Device according to claim 1, characterised in that the cylinder stroke-control loop comprises a non-linear proportional amplifier (38) and a ramp- function generator (39).
13. Device according to claim 1 to 12, characterised in that each cylinder stroke-control loop has a secondary valve path-control loop with a pl- controller (40), on whose output signal is superimposed an alternating additional desired value for the valve flow.
14. Device according to claim 1, characterised in that each desired value for the valve flow is supplied to a secondary control loop for the valve flow.
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