FI65405C - Adaptiv autopilot foer ett fartyg - Google Patents

Description

FBI /^KWULUTUSjULKAlSU /r / λγ JSTq lBJ (11) utlAgcningsskaift 6540 5 4§25n8> c Γαtentti ri.’fr-clty 10 05 1984 • (45) Patcnt L;cdclat ^ T ^ (51) Kv.tk?/im.ci.3 B 63 H 25/09- SUOM I —FIN LAND (21) Pit*nttlh«k#rwi*-PitnntMÖluiln| 772Ö66 (22) Htktmlipilvi — Amttkningtdag 29.09.77 (23) Alkuptlvi — Glltighattdag 29. 09.77 (41) Tullut JulklMktl —Bllvlt offuntHg 19. 0l. 78

Patentti* ja reklaterihallitut ......... , . .

_ * . (44) Nlhtivtlul panon |a kuuLlulkalaun pvm. — ntant- och rtjliterrtynliw AmöIcm uttagd och ucUkriftw pubikerad 11« 01.8k (32)(33)(31) ΡΤΓ*·«Υ *wolka«i% —Begird pdorttat 1Ö. 10.76 USA(US) 733637 (71) Sperry Corporation, 1290 Avenue of the Americas, New York, New York 10019, USA(US) (72) Robert Erskine Reid, Barboursville, Virginia, Charles Rufus Wesner,

Crozet, Virginia, USA(US) (7*0 Leitzinger Oy (5*+) Laivan nopeuteen mukautuva automaattiohjauslaite -Adaptiv autopilot för ett fartyg

Keksinnön kohteena on laivan nopeuteen mukautuva automaattiohjauslaite/ johon kuuluu elimet laivan nopeuden ja kurssivirheen osoittavien signaalien vastaanottamiseksi ja kurssinpitoelimet peräsimen ohjaussignaalin muodostamiseksi, joka signaali osoittaa peräsimen halutun asennon, minkä lisäksi laitteeseen kuuluu kurssinmuutoseli-met peräsimen ohjaussignaalin muodostamiseksi sekä elimet kurssin-muutoselinten muodostaman peräsimen ohjaussignaalin suuruuden säätämiseksi automaattisesti laivan nopeuden muutosten mukaisesti.

Automaattiset ohjausjärjestelmät ja -laitteet ovat alalla hyvin tunnettuja. Tällaisissa järjestelmissä on kurssinpitoelimet halutun kurssin asettamiseksi ja ylläpitämiseksi. Laivan varsinaista suuntaa verrataan jatkuvasti haluttuun suuntaan, jotta saataisiin kehitetyksi suuntavirheen signaali aina silloin, kun alus poikkeaa halutusta kurssista. Suuntavirhesignaalia käytetään peräsimen aseman korjaamiseen laivan saattamiseksi takaisin haluttuun suuntaan.

Jotta nykyiset automaattiohjaukset pystyisivät toimimaan tehokkaasti ja käytännöllisesti, niihin kuuluu käsivalvontalaitteet parhaan mahdollisen suorituskyvyn saavuttamiseksi muuttuvissa tuuli- ja me- 2 65405 riolosuhteissa samoinkuin laivan nopeuksien muuttuessa. Kuitenkin tällaista käsisäätöä käytettäessä laitteiden käyttäjä ei useinkaan kykene tajuamaan optimiolosuhteita, koska suuren laivan kyseessä ollessa aikavakiot ovat suhteellisen pitkät. Kysymyksen ollessa tällaisista laivoista saattaa olla välttämätöntä kuljettaa alusta eteenpäin kymmenenkin minuutin aikajaksoja ennen kuin ohjauslaitteiden käyttäjä kykenee määrittämään käsisäädön varsinaisen tuloksen. Tästä syystä säätöjä pitää suorittaa yritys- ja erehdys-periaatteella, josta seuraa se, että aluksen hyötysuhde huononee ja polttoaineen kulutus lisääntyy.

Tämän epäkohdan eliminoimiseksi on keksinnön mukainen laivan nopeuteen mukautuva automaattiohjauslaite tunnettu siitä, että kurssin-pitoelimet antavat peräsimen ohjaussignaalin kun suuntavirhesignaali on valitun kynnyksen alapuolella ja että suuntavirhesignaalin ylittäessä mainitun kynnyksen kurssinmuutoselimet muodostavat peräsimen ohjaussignaalin, minkä lisäksi laitteeseen kuuluu elimet joko kurs-sinpito- tai kurssinmuutoselinten valitsemiseksi suuntavirhesignaalin suuruudesta riippuen, jolloin peräsimen ohjaussignaaleista valitaan vastaava vallitsevaksi peräsimen ohjaussignaaliksi, sekä elimet kurssinpitoelinten muodostaman peräsimen ohjaussignaalin suuruuden säätämiseksi automaattisesti laivan nopeuden muutosten, kurssivirhe-signaalin ja vallitsevan peräsinohjaussignaalin mukaisesti siten, että kokonaisliikevastuksen minimoimiseksi minimoidaan mainituista suureista seuraavan kaavan mukaan muodostettu suoritusindeksi (*e) * «o jossa λ on laivan rakenteesta ja kuormituksesta riippuva suhteel- lisuusvakio, 2 U on verrannollinen laivan nopeuden neliöön, _ o on tietyllä aikavälillä mitattujen suuntavirheiden neliön keskiarvo, ja _ o edustaa samalla aikavälillä mitattujen peräsimenohjaussignaa-lien neliötä.

Esillä olevan keksinnön mukainen automaattiohjaus käyttää tuntoelimiä, jotka ilmaisevat vähäiset muutokset suuntavirheessä, peräsimen 65405 3 kulmassa ja ajonopeudessa, jotka olisivat liian pieniä käyttäjän havaita, jolloin automaattiohjaus käyttää näitä signaaleja peräsimen siirron optimimäärän ja -hyötysuhteen laskemiseksi.

Seuraavassa keksinnön mukaista laivan automaattiohjauslaitetta selvitetään esimerkin muodossa viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa:

Kuvio 1 on kaavio, jota käytetään automaattiohjauslaitteen toiminnan selittämisessä.

Kuvio 2 on lohkokaavio, joka esittää automaattiohjauslaitteen pääkomponentit.

Kuvio 3 on lohkokaavio, joka esittää kuvion 2 mukaisessa ohjelmoijassa ja automaattisessa vahvistuksensäädössä (AGC) olevat komponentit.

Kuvio 4 on lohkokaavio, joka esittää kuviossa 2 olevan kurssinpito-piirin komponentit.

Kuvio 5 on lohkokaavio, joka esittää kuviossa 2 olevassa kurssin-muutospiirissä olevat komponentit.

Laivan käyttöhyötysuhde riippuu suuressa määrin normaalikäytössä aiheutuvasta liikevastuksesta, josta syystä halutaan erityisesti pienentää laivan eteenpäin tapahtuvaa liikettä vastustavaa kokonais jarrutusta tai -vastusta. Laivan kokonaisliikevastuksen voidaan ajatella olevan yhtä kuin rungon liikevastuksen ja peräsimen liike-vastuksen summa. Kuitenkin koska rungon liikevastuksen määrää laivan muoto ja rakenne sekä kuormitusolosuhteet, ainoastaan peräsimen liikettä voidaan ohjailla liikevastuksen minimoimiseksi.

Tietyissä käyttöolosuhteissa lisääntynyt sivuluisuina suurentaa alukseen kohdistuvaa liikevastusta, mutta peräsinkulman suurentaminen tarkoituksena vähentää sivuluisumaa suurentaa myös liikevastusta eli lisää jarrutusta. Tästä syystä optimihyötysuhde vaatii tasapainoa peräsinkulman ja sivuluisuman välille.

Ongelinaii monimutkatstaa lisäksi so, että peräsinkulman ja slvului- 4 65405 suman välinen optimitasapaino muuttuu tuuli- ja meriolosuhteiden, nopeuden ja sen kulman mukaan, jossa alus kohtaa aallot.

Eri tutkijat ovat yrittäneet ratkaista liikevastuksen pienentämis-ongelman käyttämällä suorituskykykriteeriä, joka riippuu suuntavir-heen neliön ja peräsimen ohjaussignaalin neliöön verrannollisen tekijän summasta. Tämän suorituskykykriteerin käyttö antaa kuitenkin ainoastaan osittaisen ratkaisun, koska se ei ota huomioon laivan nopeuden vaikutusta.

Kuten tullaan selvittämään, esillä oleva keksintö toimii suoritus-indeksin J arvon minimoimiseksi seuraavan kaavan mukaisesti: J - φ (*2) + 5o jossa λ on laivan rakenteesta ja kuormituksesta riippuva suhteel- lisuusvakio, 2 U on verrannollinen laivan nopeuden neliöön, -2 Ψθ on tietyllä aikavälillä mitattujen suuntavirheiden neliön keskiarvo, ja -2 edustaa samalla aikavälillä mitattujen peräsimenohjaussignaa-lien neliötä.

Tämän kaavan käyttö ja toteutus selvitetään jäljempänä yksityiskohtaisesti .

Automaattiohjauksen ohjaaman laivan suorituskykyä kuvataan usein Bode-kaavion (kuvio 1) avulla, jossa laivan suorittamien sivuluisu-mapoikkeamien amplitudi db:nä mitattuna esitetään siirtofunktiona peräsintä liikuttavan voimafunktion taajuuteen nähden. Bode-kaavion käyttökelpoisuus laivan toiminnan esittämisessä näissä olosuhteissa riippuu siitä, että automaattiohjauksen stabiliteetti laivan ohjaamisessa vastaa servosilmukan stabiliteettikriteeriä, kun servosilmu-kan vahvistus on suurempi kuin yksikköarvo (O db), jolloin servo-silmukka pyrkii värähteleinään, mikäli vaihejättämä on sellainen, että se aikaansaa taajuusvasteen, jonka jyrkkyys on -2.

Tiedetään, että jos omlnai skäyrä Roclo-kn.ivi ossn ylittää O db-viivan 65405 5 jyrkkyydellä -2, järjestelmä on epästabiili ja että suuntavirheen muutosnopeutta edustavat derivaattasignaalit voidaan lisätä auto-maattiohjauksen sisääntuloon stabiliteetin palauttamiseksi järjestelmään. Tämä vähentää tehokkaasti ominaiskäyrän jyrkkyyden arvoon -1 kohdassa O db.

On myös huomattava, että kuviossa 1 ehjänä viivana esitetyn ominais-käyrän suurempitaajuinen osa palaa jyrkkyyteen -2 johtuen D-osan kaistanleveyssuotimista, jotka tavallisesti lisätään automaattiseen ohjausjärjestelmään peräsinliikkeen vähentämiseksi ja siitä syystä jarrutuksen pienentämiseksi.

Esillä olevassa keksinnössä se taajuuskaista, jolla derivaattasig-naali on tehollinen, on pienennetty jarrutuksen pienentämiseksi. Automaattista vahvistuksen säätöä (AGC) käytetään säätämään vahvistusta P-osassa ja D-osassa, joista saadaan suuntavirheen suhdesig-naali ja derivaattasignaali. Suhdesignaalin vahvistuksenmuutos siirtää O db-viivan 11 ylöspäin asemaan 13, jolloin tämä O db-viiva leikkaa ehjän ominaiskäyräviivan alueella, jossa ominaiskäyrän jyrkkyys on -2.

Lisäksi derivaattasignaali (D-osa) alistetaan vaimennukseen, joka on yhtä suuri kuin suhdesignaalin (P-osan) vaimennuksen neliöjuuri, jolloin ominaiskäyrän -1 jyrkkyys siirtyy ylöspäin saman määrän kuin mitä kuvion 1 käyrän katkoviivaosa esittää. Kuvattavassa suoritusmuodossa stabiliteettia varten tarvittava derivaattasignaalin minimimäärä pidetään uudella vahvistustasolla.

Tarkasteltaessa kuviota 2 toimii ohjelmoija ja AGC-piiri 15 kurssin-muutospiirin (PD-säädin) 17 ja kurssinpitopiirin (PID-säädin) 19 yhteydessä. Ohjelmoija ja AGC-piiri 15 vastaanottaa signaalit, jotka osoittavat laivan nopeuden ja suuntavirheen sekä valitsee PD-säätö-piirin aina kun määrätään kurssinmuutos, joka on suurempi kuin jokin valittu kynnys (tyypillisesti 3°). Samoin ohjelmoija saattaa suunta-virhehälytyspiirin toimimattomaksi ja pitää PID-säädinpiirissä 19 olevan integrointielimen ja AGC-piirissä olevan rekisterin sisällön näissä olosuhteissa. Jos ohjauksella asetettu suunnanmuutos ylittää toisen kynnyksen (tyypillisesti 15°), integrointielin ja rekisteri palautuvat alkutilaan. Kun PD-säädin 17 saattaa laivan alemman kynnyksen sisäpuolelle, käynnistyy ajoitin, joka aikaansaa toiminnan 6 65405 automaattisen siirron PID-säätöpiiriin 19, jos suuntavirhe pysyy alemman kynnyksen alapuolella tietyn aikavälin.

Piirin 15 AGC-osa toteuttaa yllä mainitun J-kaavan, vertaa J:n sen hetkistä arvoa J:n aikaisemmin mitattuun arvoon ja muodostaa AGC-signaalin PID-säätöpiirin vahvistuksen säätelemiseksi tämän mukaisesti .

Kuvion 2 mukaisen ohjelmoija- ja AGC-piirin 15 rakenne ja toiminta voidan ymmärtää tarkastelemalla kuvion 3 lohkokaaviota. Kuvion 3 piirissä olevia komponentteja ohjaa ja kontrolloi ohjaimesta 21 tulevat ajoitussignaalit. Ohjain itse voidaan säätää ajoitinrekiste-ristä 23 saatujen signaalien mukaisesti, jota rekisteriä käytetään varastoimaan tietoja, jotka liittyvät laivan kuormituksen haluttuihin mittausväleihin ja muihin parametreihin. Käsikytkin 25 suljetaan silloin, kun on tarkoitus tehdä tarkoituksellinen kurssinmuu-tos, kuten myöhemmin tullaan selvittämään.

Tavanomainen multiplekseri 27 ottaa peräkkäin vastaan näytteet tällä hetkellä toimivasta PID-säätimestä tulevista peräsimenohjaussig-naaleista, suuntavirhesignaaleista ja nopeussignaaleista. Kaikki multiplekseriin 27 kohdistetut signaalit ovat analogisessa muodossa, jolloin multiplekserin ulostulo muodostuu kolmen analogiasignaalin sekvensseistä, jotka signaalit esiintyvät sellaisella voimakkuudella ja sellaisin väliajoin, jotka riippuvat ohjaimesta 21 tulevista ajoitussignaaleista. Yksinkertaisimmassa muodossaan multiplekseri voisi muodostua sekvenssikytkimestä, vaikka edullisempana pidetään integroitujen piirien muodossa olevia, kaupallisesti saatavissa olevia multipleksereitä.

Multiplekseristä 27 tulevat signaalit muutetaan digitaalimuotoon analogia-digitaalimuuntimessa 29 vastauksena ohjaimesta 21 tuleviin ajoitussignaaleihin sekä varastoidaan sopiviin rekistereihin 31, 33 ja 35. Näitä kolmea rekisteriä 31, 33, 35 ohjaa myös sama, ajoitti-mesta 21 tuleva ajoitussyke. Tällöin kun on saatu sopiva syke ohjaimesta 21, saadaan primääriset tiedot varastoiduiksi rekistereihin 31, 33 ja 35, jotka tiedot osoittavat peräsimenohjaussignaalin ja laivan nopeuden senhetkisen arvon.

Ennen automaattiohjauksen käyttöä luetaan rekisteriin 37 binääriset 65405 7 tiedot, jotka esittävät laivan ominaisuuksia ja kuormitusta. Samoin J:n ja AGC:n nimellisarvoa esittävät binääriset tiedot luetaan vastaavassa järjestyksessä kahteen rekisteriin 39 ja 41. Tietyn käytön alkaessa rekistereihin 49 ja 41 varastoidut tiedot luetaan vastaavasti kahteen rekisteriin 43 ja 45 nimelliskäyttötason aikaansaamiseksi .

Suoritusindeksi J lasketaan laskuyksikössä 47, joka muodostuu tavanomaisesta yhdistelmästä tavanomaisia komponentteja tarvittavien matemaattisten tehtävien suorittamiseksi riippuvaisena ohjaimesta 21 tulevasta ajoitussignaalista. Periaatteessa laskuyksikkö 47 muodostuu yhdistelmästä tavanomaisia virtapiirejä seuraavien tehtävien suorittamiseksi.

1) Binäärinen neliöönkorottaja rekisteristä 35 luetun U:n arvon korottamiseksi neliöön, 2) binäärinen jakolaite vaiheesta 1 saadun arvon jakamiseksi rekisteristä 37 luettuun λ:η arvoon, 3) binäärinen neliöönkorottaja rekisteristä 33 saadun ψ6:η arvon korottamiseksi neliöön, 4) binäärinen kertoja yllä mainituista vaiheista 2 ja 3 saatujen tulosten kertomiseksi, 5) binäärinen neliöönkorottaja rekisteristä 31 luetun 6:n arvon korottamiseksi neliöön, ja 6) summauspiiri yllä mainituista vaiheista 4 ja 5 saatujen tulosten laskemiseksi yhteen.

2 2

Tavallisesti on edullista käyttää ψ6 ja δ arvoja keskimääräistet-tyinä tietylle ajanjaksolle luotettavampien tulosten saamiseksi. Tämä voidaan suorittaa laskuyksikössä olevien vastaavien binääristen neliöönkorottajien ulostulon sovittamisella tavanomaisiin rekistereihin, keräämällä yllä olevista vaiheista 1) ja 3) saadut tiedot haluttua mittausvälien lukumäärää kohti ja jakamalla näihin rekistereihin varastoidut arvot valitulla määrällä mittausjaksoja.

Tyypillisessä piirissä ajoitusrekisteri 23 voidaan asettaa kytkemään ohjain 21 toimimaan siten, että rekistereissä 31 ja 33 olevat tiedot tulevat luetuksi laskuyksikköön 47 useiden minuuttien ajan ennen kuin ohjaimesta 21 tuleva ajoitussignaali siirtyy laskuyksikköön 47 määräten tämän yksikön laskemaan J:n arvon.

8 65405 J:n arvo siirtyy J-vertailijaan 49 yhdessä sen J:n arvon kanssa, joka varastoitiin aikaisemmin rekisteriin 43. Tällöin ensimmäisessä mittauksessa vertailijaan 49 syötettyä J:n arvoa verrataan alun perin rekisteriin 43 J:n alkurekisteristä 39 alun perin luettuun J:n arvoon. Seuraavien mittausten aikana J:n arvo syötetään lasku-yksiköstä 47 sekä vertailijaan 49 että rekisteriin 43. Samanaikaisesti edellisen mittaukse aikana rekisteriin 43 varastoidut tiedot luetaan J-vertailijaan, joten tämä komponentti vertaa jatkuvasti senhetkisen mittauksena aikana saatua J:n arvoa edellisen mittauksen aikana saatuun arvoon. Tämän vertailun tulokset siirretään AGC-rekisteriin 45. Rekisteri 45 voi olla esimerkiksi ylös/alas-lasku-laite tai vastaava, joka on kytketty siten, että vertailijasta 49 tulevan signaalin osoittaessa J:n arvon laskeneen, tämä signaali siirtää rekisteriä 45 yhden askeleen samaan suuntaan kuin aikaisempi muutos. Mikäli J on suurentunut tai pysynyt muuttumattomana, rekisteri 45 siirtyy yhden askeleen vastakkaiseen suuntaan. Itse käytössä näin saadaan aikaan värähtelytyyppinen ohjain, joka etsii jatkuvasti J:n minimiarvoa. AGC-rekisterin 45 ulostulo siirretään PID-säätimeen, kuten kuviossa 3 on esitetty.

Kuvion 3 mukaisessa piirissä on myös kuvion 2 lohkoon 15 kuuluva ohjelmoija.

Kurssinvertailija 51 vastaanottaa binäärikoodatut suuntavirhesignaa-lit analogia-digitaalimuuntimesta 29 vastauksena ohjaimesta 21 tulleeseen ajoitussykäykseen. Vertailijassa 51 suoritetun vertailun tulokset siirretään valitsinpiiriin 55. Valitsinpiiri 55 on periaatteessa kytkinlaite sopivien signaalien lähettämiseksi joko PID-sää-timeen 19 tai PD-säätimeen 17 suuntavirhesignaalin suuruudesta riippuen. Valitsinpiiri 55 vastaanottaa PID- ja PD-säätimien muodostamat peräsimenohjaussignaalit sekä suuntavirhettä esittävän analogiasig-naalin multiplekserin 27 sisäänsyötöstä. Kun vertailija 51 havaitsee ensimmäisen kynnyksen (esim. 3°) sisäpuolella olevan suuntavirheen, valitsinpiiri 55 kytkee analogiasuuntavirhesignaalin PID-säätimeen 19 ja kytkee peräsimenohjauksen PID-säätimestä peräsinservoon, joka ohjaa peräsimen asentoa. Vertailijän 51 havaitessa suuremman suunta-virheen kuin yllä mainittu alempi kynnys ja suunnan valintakytkimen ollessa suljettu valitsinpiiri 55 järjestää odota-signaalin PID-säätimeen 19, joka pitää PID-säätimessä olevan integrointielimen sisällön ja AGC-rekisterin sisällön ennallaan. Näissä olosuhteissa 65405 9 analogiasuuntavirhesignaali kytketään PD-säätimeen 17, ja PD-sää-timestä 17 tuleva peräsimenohjaussignaali siirretään peräsinservoon.

Valitsinpiiri 55 pitää PD-säätimen 17 toiminnassa, kunnes suunta-virhesignaali laskee jälleen yllä mainitun alemman kynnyksen alapuolelle .

Mikäli rajavertailija 51 havaitsee suuntavirheen, joka ylittää toisen kynnyksen, esim. 15° valitsinpiiri 55 ei ainoastaan kytke toimintaa PD-säätimeen, vaan antaa myös uudelleenasetussignaalin, joka uudelleenasettaa PID-säätimessä olevan integrointielimen ja AGC-rekisterin uuteen alkutilaan.

On selvää, että vaikka kuviossa 3 on käytetty erillisiä komponentteja ohjelmoijaa ja AGC-piiriä varten, voidaan mikrotietokone ohjelmoida suorittamaan eri tehtävät hyvin tunnetun tekniikan mukaisesti .

Kuviossa 2 esitetty PID-säätimen muodostama suunnansäilytyspiiri 19 on esitetty yksityiskohtaisemmin kuviossa 4.

Analogiasuuntavirhesignaali siirretään kuvion 4 piiriin silloin, kun valitsinpiiri 55 määrittää, että PID-säätimen 19 on annettava peräsimenohjaussignaali peräsinservoon. Rekisteristä 45 (kuvio 3) tuleva binäärinen AGC-signaali siirretään jatkuvasti PID-säädinpii-riin 19. Lopuksi myös uudelleenasetus- ja odotasignaalit siirretään PID-säätimeen 19 valitsinpiiristä 55, kuten edellä on esitetty.

PID-säätimessä 19 on differentiointi-, integrointi- ja summauseli-met, jotka on järjestetty siten, että PID-säätimen 19 muodostama peräsimenohjaussignaali edustaa suuntavirheen suhdesignaalin, suuntavirheen derivaattasignaalin ja integroidun suuntavirhesignaalin yhdistelmää. Näiden signaalien yhdistämisestä aikaansaatavat edut ovat ennestään tunnettuja ja niitä on esimerkiksi esitetty meidän brittiläisessä patentissamme 1,293,780.

Tarkasteltaessa tarkemmin kuviota 4 havaitaan, että suuntavirhesig-naali ψε siirretään P-osan vahvistuksensäätöpiiriin 57 ja differen-tiointielimeen 59, joka muodostaa derivaattasignaalin ψ . Derivaat-tasignaali ψ käännetään kääntöpiirissä 61 ja siirretään D-osan vah- 10 65405 vistuksensäätöpiiriin 63.

Muistetaan, että AGC-signaali saatiin uuden kaavan muodossa J:tä varten. P-osan vahvistuksensäätöpiiri 57 ja D-osan vahvistuksen-säätöpiiri 63 käyttävät hyväkseen tätä AGC-signaalia ainutlaatuisella tavalla sen toimintatavan aikaansaamiseksi, joka esitettiin kuvion 1 Bode-kaavion yhteydessä. P-osan vahvistuksensäätöpiiri 57 ja D-osan vahvistuksensäätöpiiri 63 muodostuvat kumpikin olennaisesti vahvistinelimestä ja binäärisen signaalin käynnistämästä vai-mennuselimestä. Käytännössä näissä piireissä olevat vahvistineli-met korottavat O db-tasoa, kuten kuviossa 1 on esitetty, ja vaimen-nuselimet muuttavat ominaiskäyrää, kuten kuviossa 1 on esitetty katkoviivalla. Piireissä 57 ja 63 oleviin vaimentimiin voi sopivasti kuulua sellaiset kaupallisesti saatavissa olevat komponentit, kuten esimerkiksi Analogue Devices, Incorporated-yhtiön hinnastossa on esitetty numerolla AD 7530. Tällaisten laitteiden tunnetun kytkemistekniikan mukaisesti binäärinen AGC-signaali siirretään P-osan vahvistuksensäätöpiirissä 57 olevaan vaimentimeen, jolloin piirin 57 kokonaisvahvistus on suoraan verrannollinen AGC-signaa-liin. Lisäksi tällaisten laitteiden tunnetun kytkentätekniikan mukaisesti D-osan vahvistuksensäätöpiirissä 63 oleva vaimennin on kytketty siten, että tässä piirissä tapahtuva kokonaisvahvistus on verrannollinen AGC-signaalin neliöjuureen.

Lisäksi D-osan vahvistuksensäätöpiirin 63 ulostulon ja differen-tiointielimen 59 välille on kytketty takaisinkytkennällä toimiva kaistanleveyssuodin 65, jotta muuttuvalla vaimennuksella ylläpidettäisiin derivaattasignaalin vakio kaistaleveys, mutta muuttuva taajuus. D-osan kaistanleveyssuotimen tehtävästä on mainittu kuviossa 1 esitetyn Bode-kaavion yhteydessä.

P-osan vahvistuksensäätöpiirin 57 ulostulo siirretään tavanomaiseen integrointipiiriin 67, jota ohjaa uudelleenasetus- ja odotussignaa-li, kuten edellä on esitetty. P-osan vahvistuksensäätöpiirin ulostulo on myös yhdistetty rajoittimeen 69 yhdessä D-osan vahvistuksensäätöpiirin 63 ulostulosignaalin kanssa. Rajoitin 69 on tavanomainen laite, joka aikaansaa lineaarisen vahvistuksen kaikille signaaleille määrätyllä amplitudialueella.

Koska integrointielin 67 toimii suuntavirhesignaaleilla, jotka 65405 11 siirtyvät P-osan vahvistuksensäätöpiirin 57 läpi, integrointieli-men vahvistus saadaan automaattisesti säädetyksi herkkyydessä tapahtuvien muutosten mukaisesti.

Lopuksi integrointielimestä 67 ja rajoittimesta 69 tulevat ulostulosignaalit yhdistetään summauspiirissä 71, jolloin muodostuu peräsimen ohjaussignaali ÖQ, joka siirretään kuviossa 3 esitetyllä tavalla valitsinpiiriin 55.

Kuvion 2 PD-säätimen muodostama suunnanmuutospiiri 17 on esitetty yksityiskohtaisemmin kuviossa 5. Valitsinpiirin 55 (kuvio 3) kytkiessä toiminnan PD-säädinpiiriin 17 siirtyy analogiasuuntavirhe-signaali tavanomaiseen differentiointi- ja summauspiiriin 73, jossa suuntavirhesignaali differentioituu ja yhdistyy suuntavirheen suhdesignaaliin. Piirin 73 ulostulo siirretään vahvistuksensäätö-vahvistimeen 75. Differentioitu signaali yhdistetään suhdesignaaliin piirissä 73, jolloin saadaan tehokkaasti aikaan ennakoiva toiminta ja estetään "yliohjautuminen" hyvin tunnetuilla periaatteilla. Tyypillisesti tällaisessa piirissä on derivaatan kalibrointielimet differentiointielimen R-C vakion säätämiseksi sen tehokkuuden maksimoimiseksi laivan ominaisuuksien ja kuormituksen mukaisesti.

Laivan nopeutta edustava analogiasignaali voidaan saada esimerkiksi laivan potkurinakselin käyttämästä takometristä eli pyörimisnopeusmittarista, jolloin tämä signaali syötetään suoraan rajoittimeen 77 ja kääntöpiirin 79 kautta samaan rajoittimeen. Rajoitin on tavanomainen piiri, joka säätää vahvistimen 75 vahvistuksen nopeuden käänteisfunktiona. On selvää, että tavanomaisen käytännön mukaisesti suuntavirhesignaali muodostuu tasavirtasignaalista, jonka suuruus osoittaa suuntavirheen suuruuden ja polariteetti osoittaa suuntavirheen suunnan. Tällöin positiivisten ja negatiivisten rajojen asettamiseksi, jotka rajat edustavat vasemman- ja oikeanpuoleisia suun-tavirheitä, rajoitin 77 on varustettu suoralla ja käänteisellä no-peusvertailusignaalilla, kuten kuvio 5 esittää.

Tätä yleistä tyyppiä olevien, tunnettujen rajoittimien käyttö ja rakenne on alalla ennestään tunnettu. Esimerkiksi brittiläisessä patentissa 1,320,117 esitetään samanlaisten rajoittimien käyttö, 12 65405 joissa rajoitin toimii siten, että se rajoittaa laivan kääntymis-nopeuden ajonopeuden neliön käänteisarvon funktiona.

Esillä olevan suoritusmuodon mukaisessa piirissä on vahvistimen 75 maksimivahvistus kuitenkin rajoitettu ajonopeuden käänteisarvon funktiona. Tiedetään, että peräsimen vääntömomentti muuttuu ajonopeuden neliön käänteisarvon funktiona; tästä syystä peräsimen liikkeen rajoittaminen ajonopeuden käänteisarvon funktiona mahdollistaa suurin piirtein vakion maksimikääntönopeuden riippumatta aluksen ajonopeudesta.

Vahvistimen 75 ulostulo syötetään vahvistuksen säätöpiiriin 81, jossa peräsimen ohjaussignaalin amplitudi säädetään nopeuden neliön käänteisarvon funktiona.

Laivan ohjausjärjestelmää voidaan pitää servosilmukkana, jossa peräsin on osa tätä silmukkaa. Tässä yhteydessä peräsimen ajatellaan saavan aikaan vahvistuksen, joka pienenee laivan nopeuden pienentyessä. Tästä syystä vakiovahvistuksen aikaansaamiseksi tällaiseen järjestelmään tarvitaan enemmän peräsinkulmaa silmukan kokonaisvah-vistuksen pitämiseksi vakiona laivan hiljentäessä nopeutta. Muodostamalla tällöin peräsimen ohjaussignaali 6q, jonka suuruus on laivan nopeuden neliön käänteisarvon funktio, saadaan aikaan vakiona pysyvä silmukan vahvistus kautta koko normaalin nopeusalueen.

Lyhyesti sanoen kuvion 5 mukainen suunnanmuutospiiri on tavanomainen paitsi, että se antaa automaattisen herkkyyden, joka on nopeuden neliön käänteinen funktio ja automaattiset peräsimenohjausrajät, jotka ovat nopeuden käänteinen funktio.

Suuntavirheen asetuskytkin 25 (kuvio 3) suljetaan käsin silloin, kun tarkoituksena on suorittaa tarkoituksellinen kurssinmuutos. Kytkin 25 toimii ohjaimen 21, suuntavirheen vertailijän 51 ja valit-sinpiirin 55 välityksellä toiminnan siirtämiseksi PD-säätimelle 17 ainoastaan silloin, kun on tarkoitus suorittaa tarkoituksellisia suunnanmuutoksia ja suunnanmuutos on suurempi kuin aiemmin kuvattu alempi kynnysraja.

Asettamalla automaattiohjauksen P-osan ja D-osan vahvistustasot J:n funktiona, minimoi esillä olevan suoritusmuodon mukainen piiri lii- 65405 13 kevastuksen sen sijaan että se ainoastaan minimoisi suuntavirhei-tä. Sisällyttämällä nopeus J:n laskemiseen saadaan liikevastus minimoiduksi koko toimintanopeuksien alueella.

Claims (10)

14 65405

1. Laivan nopeuteen mukautuva automaattiohjauslaite, johon kuuluu elimet (27) laivan nopeuden ja kurssivirheen osoittavien signaalien vastaanottamiseksi ja kurssinpitoelimet (19) peräsimen ohjaussignaalin muodostamiseksi, joka signaali osoittaa peräsimen halutun asennon, minkä lisäksi laitteeseen kuuluu kurssinmuutoselimet (17) peräsimen ohjaussignaalin muodostamiseksi sekä elimet (81) kurs-sinmuutoselinten (17) muodostaman peräsimen ohjaussignaalin suuruuden säätämiseksi automaattisesti laivan nopeuden muutosten mukaisesti, tunnettu siitä, että kurssinpitoelimet (19) antavat peräsimen ohjaussignaalin kun suuntavirhesignaali on valitun kynnyksen alapuolella ja että suuntavirhesignaalin ylittäessä mainitun kynnyksen kurssinmuutoselimet (17) muodostavat peräsimen ohjaussignaalin, minkä lisäksi laitteeseen kuuluu elimet (55) joko kurs-sinpito- tai kurssinmuutoselinten (19 tai 17) valitsemiseksi suuntavirhesignaalin suuruudesta riippuen, jolloin peräsimen ohjaussignaaleista valitaan vastaava vallitsevaksi peräsimen ohjaussignaaliksi, sekä elimet (27, 45, 47, 49, 57, 63) kurssinpitoelinten (19) muodostaman peräsimen ohjaussignaalin suuruuden säätämiseksi automaattisesti laivan nopeuden muutosten, kurssivirhesignaalin ja vallitsevan peräsinohjaussignaalin mukaisesti siten, että kokonais-liikevastuksen minimoimiseksi minimoidaan mainituista suureista seuraavan kaavan mukaan muodostettu suoritusindeksi j-? (?0+ jossa λ on laivan rakenteesta ja kuormituksesta riippuva suhteel- lisuusvakio, 2 U on verrannollinen laivan nopeuden neliöön, -2 Ψ6 on tietyllä aikavälillä mitattujen suuntavirheiden neliön keskiarvo, ja -2 edustaa samalla aikavälillä mitattujen peräsimenohjaussignaa-lien neliötä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen automaattiohjauslaite, tunnettu siitä, että siihen kuuluu lisäksi elimet (47) laivan nopeuden neliötä, kurssivirhettä ja vallitsevaa peräsinohjnusta 65405 edustavien signaalien muodostamiseksi vastaavassa järjestyksessä, jolloin kurssinpitoelimiin (19) kuuluu elimet (45, 47, 49, 57, 63) peräsimen kurssinpitoelimen kehittämän ohjaussignaalin suuruuden säätämiseksi automaattisesti sitä mukaa kun muutoksia tapahtuu laivan nopeuden neliötä, kurssivirhettä ja peräsimen ohjausta edustavissa signaaleissa.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen automaattiohjaus, tunnet-t u siitä, että kurssinmuutoselimiin kuuluu elimet (75, 77, 79, 81. peräsimen kurssinmuutoselimen kehittämän ohjaussignaalin suuruuden säätämiseksi automaattisesti signaalien mukaan, jotka edustavat muutoksia laivan nopeudessa ja neliöön korotetussa laivan nopeudessa.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen automaattiohjaus, tunnettu siitä, että elimet kurssinpitoelinten (19) laivan nopeuden muutosten mukaisesti muodostaman peräsinohjaussignaalin suuruuden automaattiseksi säätämiseksi käsittävät elimet (45, 47, 49) automaattisen vahvistuksenohjaussignaalin muodostamiseksi, joka signaali on laivan nopeuden funktio, ja jolloin mainittuihin kurssinpitoelimiin (19) kuuluvat elimet (57, 59) mainitun kurssi-virhesignaalin ja automaattisen vahvistuksenohjaussignaalin vastaanottamiseksi, elimet (59) mainitun kurssivirhesignaalin diffe-rointioimiseksi, elimet (63) kurssivirheen ja differentioitujen signaalien vaimentamiseksi mainitun automaattisen vahvistuksenohjaussignaalin arvon funktiona, jolloin vaimennuselimet (63) on säädetty siten, että differentioidun signaalin vaimennus on yhtä kuin kurssivirhesignaalin vaimennuksen neliöjuuri, elimet (67) vaimennetun kurssivirhesignaalin integroimiseksi ja elimet (71) vaimennetun kurssivirheen ja differentioitujen signaalinen yhdistämiseksi integroituun signaaliin.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen automaattiohjauslaite, tunnettu siitä, että elimet (27, 45, 47, 49, 57, 63) kurssinpitoelinten (19) muodostaman peräsimen ohjaussignaalin suuruuden automaattiseksi säätämiseksi käsittävät elimet (27) näytteiden vastaanottamiseksi vallitsevasta peräsinohjaussignaalista, kurssivirhe- ja nopeussignaaleista määrätyn mittausaikavälin aikana, elimet (47) kunkin näytesignaalin arvon korottamiseksi neliöön, elimet (47) neliöön korotetun kurssivirhesignaalin arvon modifioimiseksi ne- 16 65405 liöön korotetun nopeussignaalin arvon mukaisesti, elimet (47) neliöön korotetun kurssivirhesignaalin modifioidun arvon lisäämiseksi neliöön korotetun peräsimen ohjaussignaalin arvoon, jotta saadaan indeksi, joka osoittaa laivan suorituskykyä, vertailuelimet (49) tällä tavoin saadun indeksin vertaamiseksi edellisessä mittausvaiheessa saatuun indeksiin, automaattisen vahvistuksenohjauk-sen rekisterielimet (45), elimet (41) mainittujen automaattisen vahvistuksenohjauksen rekisterielinten esiasettamiseksi nimellisarvoon, elimet (43) mainittuun automaattisen vahvistuksenohjauksen rekisterielimiin (45) varastoidun arvon säätämiseksi vertailuelin-ten (49) havaitseman indeksin muuttuvien arvojen mukaisesti, kurssinpa toelimissä olevat säätöelimet, joihin kuuluu vaimennuselimet (63), jotka käynnistyvät vastauksena arvoon, joka on varastoitu mainittuihin automaattisen vahvistuksenohjauksen rekisterielimiin (45) .

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen automaattiohjauslaite, tunnettu siitä, että elimiin (47) neliöön korotetun kurssivirhesignaalin modifioimiseksi kuuluu elimet neliöön korotetun kurssivirhesignaalin arvon kertomiseksi mielivaltaisella vakiolla ja tämän kertolaskun tuloksen jakamiseksi neliöön korotetun nopeussignaalin arvolla.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen automaattiohjauslaite, tunnettu siitä, että automaattinen vahvistuksenohjauksen rekis-terielin (45) on binäärinen rekisteri ja elimet (43, 49) automaattisen vahvistuksenohjauksen rekisterielimeen varastoitujen arvojen säätämiseksi toimivat siten, että ne siirtävät AGC-rekisterielimiä (45) yhden askeleen samaan suuntaan kuin edellinen askel silloin, kun vertailuelimet havaitsevat indeksin arvon laskeneen ja siirtävät AGC-rekisterielintä (45) yhden askeleen edelliseen askeleeseen nähden vastakkaiseen suuntaan silloin, kun vertailuelimet (49) havaitsevat indeksin nousseen.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen automaattiohjauslaite, tunnettu siitä, että kurssinpitoelimiin (19) kuuluu säätimen P-osan vahvistuksensäätöelin (57) ja differentiointielin (59), jotka kummatkin on kytketty vastaanottamaan kurssivirhesignaali, jolloin P-osan vahvistuksensäätöelin (57) on kytketty vastaanottamaan AGC-rekisterielimestä (45) tulevat signaalit, jotka osoitta- 17 65405 vat sinne varastoitujen tietojen arvon, ja jolloin P-osan vahvis-tuksensäätöelimet (57) sisältävät binääriset vaimennuselimet, jotka on säädetty aikaansaamaan kokonaisvahvistus, joka on verrannollinen AGC-rekisterielimeen (45) varastoituun arvoon, jolloin mainittu differiointielin (59) on kytketty säätimen D-osan vahvistuk-sensäätöelimeen (63) ja jolloin mainittu D-osan vahvistuksensäätö-elin (63) käsittää binääriset vaimennuselimet, jotka on säädetty antamaan kokonaisvahvistus, joka on verrannollinen mainittuun AGC-rekisteriin (45) varastoitujen arvojen neliöjuureen, rajoitinelimet (69), jotka on kytketty vastaanottamaan ulostulosignaalit mainituista P-osan ja D-osan vahvistuksensäätöelimistä (57 ja 63), jolloin mainitut rajoitinelimet (69) on säädetty siirtämään signaalit, joiden suuruudet ovat ainoastaan ulostulosignaalin suuruuden määräämissä rajoissa, mainitusta P-osan vahvistuksensäätöelimestä (57), integrointielimet (67), jotka on kytketty vastaanottamaan P-osan vahvistuksensäätöelimestä (57) tulevat ulostulosignaalit, sekä sum-mauselimet (71), jotka on kytketty antamaan peräsimen ohjaussignaali, joka osoittaa mainituista integrointielimistä (67) ja mainituista rajoitinelimistä (69) tulevien signaalien summan.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen automaattiohjauslaite, tunnettu siitä, että kurssinpitoelimiin (kuvio 4) kuuluu lisäksi takaisinsyöttöelimet (65), jotka on kytketty D-osan vahvistuksen-säätöelimen (63) ulostulosta mainittuihin differentiointielimiin (59), jolloin takaisinsyöttöelimiin (65) kuuluu sarjaan kytketty kondensaattori ja säädettävä vastus.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen automaattiohjauslaite, tunnettu siitä, että kurssinmuutoselimiin kuuluu rajoitinelimet (71), jotka on kytketty vastaanottamaan suoraan ja käännettynä laivan nopeutta edustavat signaalit, differentiointi- ja summauselimet (73), jotka on kytketty vastaanottamaan kurssivirhesignaalit ja jotka sisältävät säädettävät elimet mainituista differentiointieli-mistä tulevien signaalien lisäämiseksi vastaanotettuun kurssivirhe-signaaliin, vahvistinelimet (75), jotka on kytketty vastaanottamaan signaalit mainituista differentiointi- ja summauselimistä, jolloin vahvistinelinten (75) vahvistusominaisuuksia valvoo ja ohjaa mainittujen rajoitinelinten (71) ulostulo, vahvistuksensäätöelimet (81) peräsimen ohjaussignaalin muodostamiseksi riippuvaisena mainittujen vahvistinelinten ulostulosta, jolloin mainitut vahvistuksensää- is 65 4 05 töelimet (81) on lisäksi kytketty vastaanottamaan signaali, joka edustaa laivan nopeuden neliötä ja jolloin ne ovat säädettävissä aikaansaamaan vahvistus, joka on verrannollinen laivan nopeuden neliön käänteislukuun. 65405 19