NL8204027A

NL8204027A - Inrichting voor het stabiliseren van een, op een voer- of vaartuig aangebrachte rondzoekeenheid.

Info

Publication number: NL8204027A
Application number: NL8204027A
Authority: NL
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1982-10-19
Filing date: 1982-10-19
Publication date: 1984-05-16
Also published as: CA1208339A; AU569044B2; AU2009283A; EP0107232A1; DE3376601D1; EP0107232B1; JPS5994104A; JPH0519724B2; US4680521A

Description

r ♦

Inrichting voor het stabiliseren van een, op een voer- of vaartuig aanqebrachte rondzoekeenheid._

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het stabiliseren van een, op een voer- of vaartuig aangebrachte rondzoekeenheid. Het is gebruikelijk een dergelijke rondzoekeenheid te plaatsen op een, zich op het voer- of vaartuig bevindend plat-5 form en dit platform te stabiliseren t.o.v. het horizontale vlak.

Zeer zeker als op dit gestabiliseerde platform buiten de rondzoekeenheid nog een volgeenheid en eventueel opto-electronische waarnemingsmiddelen, indien deze niet reeds onder de rondzoek- en volgeenheid zijn begrepen, worden geplaatst, leidt dit door het 10 gewicht en de gewichtsverdeling hiervan tot een zwaar uitgevoerd stabilisatiesysteem. In het U.S. octrooischrift 3,358,285 is dit nadeel opgevangen door het platform gestabiliseerd in een radome te hangen, de volgeenheid boven het platform aan te brengen en de rondzoekeenheid onder het platform. Dit systeem 15 heeft echter als nadeel dat- geen opto-electronische waarnemingsmiddelen, welke hier ook niet in de rondzoek- en volgeenheid zijn begrepen, op het platform binnen de radome kunnen worden aangebracht en dat de rondzoekeenheid, zeer zeker als de radome en dus het frame waarin het platform is opgehangen een sterk slingerende 20 beweging maakt, geregeld in zijn zicht wordt belemmerd, waardoor blinde vlekken bij het rondzoeken ontstaan. De uitvinding beoogt dan ook een geheel andere wijze van stabiliseren te verschaffen, waarbij de voornoemde nadelen worden vermeden.

Overeenkomstig de uitvinding is de inrichting als in de 25 aanhef omschreven daartoe voorzien van een eerste en een tweede servomechanisme om het, tot de rondzoekeenheid behorende waarneem-gedeelte te stabiliseren rond twee loodrecht op elkaar staande assen (S^ en S2)» welke op het, om de rondzoekas draaiende deel van de rondzoekeenheid zijn aangebracht. Het waarneemgedeelte van 30 de rondzoekeenheid wordt derhalve afzonderlijk gestabiliseerd.

Als waarneemgedeelte kan zowel een radarantennesysteem alswel een televisie- of infrarood camera worden gebruikt. De servo-mechanismes zijn zo uitgevoerd, dat een rondzoekbeweging zowel in een aardvast horizontaal of dito scheef vlak kan worden verkregen 8204027 • * - 2 - alswel in een scheef vlak, roterend om een aardvaste as.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande figuren, waarvan

Fig. 1 op schematische wijze de diverse bij de stabili-5 satie betrokken assen en het te stabiliseren vlak, waarin de rondzoekbeweging plaats vindt, laat zien, terwijl in

Fig. 2 een blokschema van de inrichting overeenkomstig de uitvinding is weergegeven.

In fig. 1 is de rondzoekas van de rondzoekeenheid met 10 het cijfer 1 aangegeven. De rondzoekeenheid is aangebracht op een platform 2; dit platform wordt hetzij rechtstreeks gevormd door een voer- of vaartuig, hetzij door een, op een voer- of vaartuig draaibare, doch met dit voer- of vaartuig meeslingerende drager.

De momentane hellingshoek van het platform 2 t.o.v. een aardvaste 15 referentie-as, bijv. de verticaal, is met α aangegeven. Op het, om de rondzoekas 1 draaiende deel van de rondzoekeenheid zijn twee loodrecht op elkaar staande assen Sj en aangebracht. Om deze assen kan het tot de rondzoekeenheid behorende waarneemgedeelte 3 roteren en worden gestabiliseerd. Het vlak waarin het waarneem-20 gedeelte zijn rondzoekbeweging uitvoert, is met het cijfer 4 aangegeven. Het stabiliseren van genoemd waarneemgedeelte komt neer op het aardvast houden van de oriëntatie van dit vlak.

In het geval dat de rondzoekeenheid zijn rotatie-beweging op een scheefstaand platform uitvoert, treedt een oneen-25 parigheid in de rondzoekbeweging op. Deze oneenparigheid veroorzaakt een om de assen en S£ werkzaam stoorkoppel. Zo kan, in het geval de rotatiesnelheid ω = B van het waarneemgedeelte rond de as 1 constant wordt verondersteld en het vlak k zich loodrecht op de verticaal bevindt, het stoorkoppel rond de as worden 30 voorgesteld door de relatie: m ia,2 sin3a.cosa , . . . , M = jJüj .---. (smart + sin3oat), s (1 - cos2ojt.sin2a)2 waarin 3 het massatraagheidsmoment om de desbetreffende stabilisa-tie-as van het te stabiliseren deel van de rondzoekeenheid, d.w.z.

van het waarneemgedeelte met ophanging voorstelt.

2204027 - 3 -

Dit stoorkoppel omvat derhalve twee frequentiecomponenten.

Behalve deze, door de oneenparigheid in de rondzoekbeweging optredende stoorkoppels, treden andere stoorkoppels op, waarvan het effect echter van geringer orde is, te weten wrijvingskoppels, 5 gyroscopische koppels t.g.v. de snelheid van slingeren van het platform en windkoppels. Al deze stoorkoppels zijn een eerste oorzaak van nastuurfouten in de servomechanismes. Een tweede oorzaak van dergelijke nastuurfouten is gelegen in de rotatiesnelheid van elk der statoren t.o.v. de, op de assen en aangebrachte 10 rotoren van de, tot de servomechanismes behorende motoren.

Daar de oriëntatie van het vlak A en daarmede de genoemde rotoren aardvast worden gehouden roteren de statoren, tijdens de rotatie-beweging van het waarneemgedeelte 3 rond de scheef staande rotatie-as 1, om de desbetreffende rotoren. Zo kan de, door deze rotatie-15 beweging in het servomechanisme t.p.v. de as geïntroduceerde stoorcomponent worden voorgesteld door de relatie: ._ sina.cosa Φβ = ω.—-r——ΓΤΤ · cosoot · s (1 - coszujt.sin2ai)

Het effect van de door M en φ veroorzaakte nastuurfouten is, ss dat het vlak A, hoewel nagestuurd op een gedefinieerde aardvaste, 20 veelal horizontale oriëntatie, toch een van deze oriëntatie afwijkende stand gaat innemen. Door toepassing van bepaalde compen-satie-methoden blijkt het echter mogelijk het effect van de nastuurfouten drastisch te beperken; met name kan het effect van de ω-component van M en van φ worden gecompenseerd door een, van de S 3 25 waarden α en B afhankelijke vooruitkoppeling in de servomechanismes aan te brengen, met behulp waarvan het vlak gedwongen wordt in een zodanige, van de gewenste oriëntatie afwijkende stand te stabiliseren, dat, door het optreden van genoemde storingen, het resultaat toch een stabilisatie in het gewenste vlak met zich 30 meebrengt. Deze compensatie vereist geen extra motorkoppel, althans indien gebruik wordt gemaakt van een direct aandrijvende motor. Compensatie van de nastuurfouten veroorzaakt door de 3ω-component van kost wel extra motorkoppel; tevens is hiervoor een vrij omvangrijk rekenwerk nodig. Daar de nastuurfouten ver 8204027 - k - oorzaakt door deze 3oj-component in de praktijk blijken niet zo groot te zijn, is compensatie hiervan normaliter ook niet noodzakelijk.

In het,fin fig. 2 afgeheelde blokschema is het servo-5 mechanisme t.b.v. één der stabilisatie-assen te samen met een mogelijke uitvoering van de nastuurfout-compensatiemiddelen afgebeeld. Het servomechanisme wordt gevormd door een positie-tegengekoppelde combinatie van ten minste een servoversterker met motor. Deze combinatie met direct gekoppelde last is aangegeven 10 door het cijfer 5. De opbouw van de combinatie van servoversterker en motor is slechts functioneel weergegeven, ten einde de overdrachtsfunctie te kunnen bepalen. Behalve de stuurspanning werkt op de combinatie de som van de stoorkoppels waarvan alleen het oneenparigheidskoppel Ms in beschouwing wordt genomen, en op 15 de motoraandrijving de, een electrische tegenspanning opwekkende statorsnelheidstoring φ . In de onderhavige uitvoering omvat de s t servoversterker voorts een stroomtegenkoppeling. De rel*atie tussen de inputs E^, Ms en <ps enerzijds en de output anderzijds van de combinatie van servoversterker en belaste motor kan als volgt wor-20 den weergegeven: p / R K \ Γ s τ

Vi-rl^-Tr)'--rr t \ / ^ | m e j waarin Kg de voorwaartse versterking van de servoversterker voorstelt, de motor koppelconstante, Rm de stroomtegenkoppel- constante, R de ankerweerstand van de motor, L de zelfinductie 25 van de motor, Ky de motor tegenwerkend voltage-constante,

R3 L

Tm = K~K " 016 mechanisc^e tijdconstante en de electrische tijdconstante, waarbij geldt, dat τ «τ .

e m

Opgenomen in een positietegenkoppelketen waarvan het ingangssignaal wordt voorgesteld door en waarbij het verschil 8204027 - 5 - tussen rotor en stator wordt tegengekoppeld, wordt de relatie tussen φ', M en ώ enerzijds en φ anderzijds: IS s r (*i + «s *e F <5 > HP (1 * O" s Te) Ms * Kv '"s φγ = ", o r~, " :

Ke F(5) * Kv sf 1 —τρ * τ ) (l waarin F(s) de overdrachtsfunctie van het, in de voorwaartse 5 keten opgenomen filter 6 voorstelt, terwijl voorts is gesteld,

R K

dat 1.

Om het benodigd motorkoppel laag te houden, echter zonder dat de nastuurfouten extreem groot worden, en om mechanische opslingeringen in de gewenste lichte en daarom relatief slappe 10 constructie te voorkomen, is in de onderhavige uitvoering gekozen voor een relatief lage servobandbreedte in de buurt van het frequentiegebied van de storingen M en φ , Binnen dit frequentie- s s gebied is F(s);K.s met K een constante. Tevens ligt dit frequentiegebied ruim binnen het frequentieinterval / p , R K Ί \ RKt, 1C/R 1 m e 1 \ A1 . mvml

15 (nr · —· t~ t)· ™ voorts ft-K

\ m e m e' o dan wordt de relatie tussen φ', M en φ enerzijds en φ 1 S S Γ anderzijds in benadering: ί Γ , , Kk Γ Φ = - (φ' +φ ) - =— (Μ - ) r , s ί s 0ω s\ s R K si I +— o ' me/

“o L J

Staat de rotatie-as 1 verticaal, dan zijn φ^+φ5 = 0, 20 M * 0 en φ = 0 en geldt dus dat φ =0. Het vlak 4· wordt rond de ss r in beschouwing genomen as gestabiliseerd op de gewenste (horizontale) positie. Staat de rotatie-as scheef, dan is de nastuurfout binnen het onderhavige frequentiegebied: ί Γ , / K K \~ Δφ =φ'+φ-φ = —— -^-(φ' + Φ ) + η-(Μ - 0·ν φ ] .

r ί s r , s ω ί s Οω s\ s R k s; ι +— ο ο \ m e /

Cl)

ο1- J

8204027 - 6 -

Opdat het vlak 4· toch rond de in beschouwing genomen as wordt gestabiliseerd op de gewenste waarde, is het ingangssignaal φ' van het servomechanisme opgebouwd uit een signaal ψ^,, dat de gewenste waarde waarop het hoekverschil tussen rotor en stator 5 van de desbetreffende as wordt nagestuurd voorstelt en een compensatiesignaal φ voor de optredende nastuurfouten. Dit c compensatiesignaal is afhankelijk van de scheefstand α van het platform en de positie B van de rotatieas gemeten in het vlak van het platform: φ sF(a,B)=Atp . Het ingangssignaal φ". van 10 het servomechanisme wordt afgeleid in een rekenorgaan 7.

Dit rekenorgaan omvat een conversie-eenheid 8 en een vooruit-koppelingseenheid 9. In de conversie-eenheid 8 wordt uit de scheefstand a van het platform, gemeten t.o.v. een aardvast referentiesysteem, en de positie B van de rotatie-as het 15 signaal φ^ verkregen. De vooruitkoppelingseenheid 9 omvat een van de hoeksnelheid c^.i^ afhankelijke snelheidsvoortuit-koppeling. Een meer precieze nastuurfoutcompensatie wordt verkregen door tevens een van de hoekversnelling ca.ó^ afhankelijke versnellingsvooruitkoppeling aan te brengen. Het compensatie-20 signaal kan nu worden voorgesteld door de relatie: Φο= (cv + cas)s waarbij cv en ca afhankelijk zijn van α en B of als constant mogen worden verondersteld als de waarde van α en de in de praktijk optredende variaties in Ö gering zijn.

Door een juiste bepaling van c en c in het rekenorgaan 7 kan 25 de ω-component in Δφγ in sterke mate worden gecompenseerd; zoals reeds vermeld, behoeft de 3ü)-component niet noodzakelijk te worden gecompenseerd. Uit de vastgestelde relatie tussen α en B enerzijds en φ^ anderzijds wordt dus door het rekenorgaan bij elke momentane waarde van α en B de desbetreffende momentane waarde van φβ bepaald. 30 In plaats van een snelheids- en versnellingsvooruitkoppeling kan, uit een vastgestelde mathematische relatie of een experimenteel gevonden verband tussen α en B enerzijds en φο of Δφ^ anderzijds, het rekenorgaan telkenmale de gecorrigeerde waarde van φ^ berekenen. Het rekenorgaan kan hiertoe bijv. een geheugen omvatten, waarin 35 voor een reeks waarden van ct en B de corresponderende waarden voor Φ zijn opgeslagen.

O

8 2 ö 4 0 2 7 - 7 -

In fig. 2 zijn voorts nog een digitaal-analoog omzetter 10 en een analoog-digitaal omzetter 11 aangegeven om de aansluiting tussen het rekenorgaan en het desbetreffende servo-mechanisme mogelijk te maken. Verder zij opgemerkt, dat in de 5 onderhavige uitvoeringsvorm het servomechanisme electro-mechanisch is uitgevoerd; een hydraulische of pneumatische servo is echter eveneens denkbaar.

8204027

Claims

1. Inrichting voor het stabiliseren van een, op een voer- of vaartuig aangebrachte rondzoekeenheid, met het kenmerk, dat een eerste en *een tweede servomechanisme .aanwezig is om het, 5 tot de rondzoekeenheid behorende waarneemgedeelte te stabiliseren rond twee loodrecht op elkaar staande assen (S^ en S2), welke op het, om de rondzoekas draaiende deel van de rondzoekeenheid zijn aangebracht.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat, 10 ten einde een stabilisatie rond de S^-as op een gewenste hoek- waarde en rond de $2-as op een gewenste hoekwaarde te verkrijgen, een rekenorgaan aanwezig is om, uit de momentane hellingshoek α van het platform waarop de rondzoekeenheid is aangebracht t.o.v. een aardvaste referentie-as en de momentane 15 hoekstand.B van de rondzoekeenheid rond de rondzoekas, gemeten in het vlak van genoemd platform, ingangssignalen + F^(a,B) en + v00r eers^e> resp. tweede servomechanisme te bepalen, waarbij F^(a,B) en F2(a,B) compensatiesignalen voor de nastuurfouten in het eerste, resp. tweede servomechanisme 20 voorstellen, welke nastuurfouten hoofdzakelijk het gevolg zijn van, door de oneenparigheid in de rondzoekbeweging optredende stoorkoppels en van de rotatiesnelheid van elk der statoren t.o.v. de, op de assen en S2 aangebrachte rotoren van de, tot de servomechanismes behorende motoren.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de servomechanismes worden gevormd door een positie-tegengekoppelde combinatie van ten minste een servoversterker met motor.

4·. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het rekenorgaan een vooruitkoppelingseenheid omvat om uit de hoek-30 waarden <p. ^ en de genoemde ingangssignalen voor de servomechanismes te bepalen. 8204027 - 9 -

5. Inrichting volgens conclusie 4·, met het kenmerk, dat de vooruitkoppelingseenheid voor elk der servomechanismes een, van de in het rekenorgaan bepaalde hoeksnelheid cvj·Ψ^» resp. cv2'^i2 a^ankeHike snelheidsvooruitkoppeling omvat. •

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de vooruitkoppelingseenheid voor elk der servomechanismes een, van de in het rekenorgaan bepaalde hoekversnelling c ..ip.,, resp. ca2**^i2 afhankeliike versnellingsvooruitkoppeling omvat.

7. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat 10 het rekenorgaan middelen omvat om uit de momentane hellingshoek α en de momentane hoekstand B, m.b.v. een vastgestelde relatie tussen α en B enerzijds en F^(a,B) en (ct,B) anderzijds, de momentane waarden van F^(a,B) en F^CajB) te bepalen. 8204027