NO135799B - - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et system for stabilisering av en plattform som er opphengt i en kardanramme om to vinkelrett på hverandre forløpende akser, under anvendelse av et gyrodrevet servosystem for stabilisering av hver av aksene, omfattende en servo-forforsterker som er forbundet med en servo-sluttforsterker med motkopling via en motor- tackometerkombinasjon hvis motor styres av sluttforsterkeren for kipping av plattformen i forhold til rammen om vedkommende akse.

Et stabiliseringssystem for en plattform som er opphengt

i en kardanramme er beskrevet i norsk patentsøknad nr. ^309/71> mens servosystemet er beskrevet i innledningen til hollandsk patentsøknad 7106851.

Et slikt stabiliseringssystem anvendes f.eks. for skip

hvor et radarantennesystem er montert på plattformen som skal stabiliseres. Plattformen er opphengt ved hjelp av to konsentriske kardan-ringer av hvilke den ytre er fast forbundet med skipet. En slik ut-førelse er beskrevet i US-patentskrift nr. 3.358.285 hvor den ytre kardanring er fast anordnet parallelt med skipsdekket, festet til innerveggen i en hovedsakelig kuleformet beskyttelseskappe som er festet på skipet.

Servomotorene ved hjelp av hvilke plattformen i kardanring-ene kan bli kippet om to vinkelrett på hverandre forløpende akser er montert i kardanrammen. Hvis det antas at plattformen befinner seg i fullstendig stabilisert tilstand, d.v.s. at den har fulgt en vertikal gyro, og følgelig skipets bevegelse i øyeblikket, vil vedkommende motors akser rotere i forhold til skipet som følge av at motorene er montert på kardanrammen.Tackometergeneratorer som er koplet med motorene vil derfor levere en motkoplingsspenning til servo-sluttforsterkeren med det resultat at motorene som styres av disse forsterkere vil bringe den tidligere stabiliserte plattform litt ut av stabilisert tilstand. Dette problem kan løses ved å sløyfe tackometermotkoplingen, men dette vil ha en uheldig virkning på servosystemets egenskaper.

En annen løsning er at man i stedet for direkte motkopling av motoren ved hjelp av tackometergeneratoren, sløyfer tackometermotkoplingen, • men i stedet legger inn en tilbakekopling for plattformens bevegelse. For å oppnå dette må en vinkelhastighetsindikator monteres på plattformen, som f.eks. en helningsgyro eller et integrerende vinkelakselerometer. Anvendelse av'enten tilbakekopling av motoren eller en tilsvarende dimensjonert tilbakekopling av plattformens bevegelse i stabiliseringssystemet påvirker ikke de dynamiske verdier i forhold til f.eks. den stabiliserende virkning eller motstand mot falske dreiemomenter. En løsning på problemet ved tilbakekopling til plattformens bevegelse må imidlertid tilskrives at motkoplingsspenn-ingen praktisk talt er null, fordi den absolutte bevegelse av plattformen når den holdes praktisk talt horisontalt måles. Denne tilbake-koplingsspenning anses ikke forstyrrende og behøver derfor ikke kom-penseres for ved styrespenning som vanligvis utledes fra en stillings-feil, d.v.s. en feil som svarer til en avvikelse' av plattformens stilling i forhold til vertikalgyroens tilstand. Stillingsfeilen vil derfor forbli praktisk talt null<*>og plattformen vil innta sin horison-tale stilling. I praksis er denne løsning imidlertid ikke tilfredsstillende som følge av et tannhjulsoverføringssystem mellom motoren og vinkelhastighetindikatoren (plattformen). Dødgang og ettergivenhet som innføres ved dette overføringssystem har sammen med de tilstede-værende masser en ustabiliserende virkning på tackometersløyfen som er dannet av motoren, overføringssystemet, vinkelhastighetsindikatoren og servosluttforsterkeren med motkopling via disse elementer. Reson-ansfrekvensen for systemet som består av massen og de ettergivende ledd som dannes av plattformen og tannhjulsoverføringssystemet be-grenser tackometersløyfens båndbredde i en slik grad at den ønskede systembåndbredde ikke kan oppnås. ;Løsningen av det ovenfornevnte problem oppnås ifølge oppfinnelsen ved at det i rammen er montert to måleinstrumenter som hver leverer et signal som er et mål for rammens vinkelhastighet om vedkommende akse og som er en spenning som tilføres den respektive servo-sluttforsterker og minsker systemets servofeil. ;Løsningen ifølge oppfinnelsen skyldes innføringen av et kompenseringssignal for tackometermotkoplingsspenningen i servosystemet, hvilket kompenseringssignal frembringes utenfor servosløyfen og er derfor utelukket fra alle ufullkommenheter i servosløyfen (særlig de mekaniske). ;Måleinstrumentene som anvendes er vinkelhastighetsindikatorer som f.eks. helningsgyro, selvom sidefølsomme vinkelakselerasjonsmetre også kan anvendes, men disse er ikke å anbefale som følge av vesentlig større omkostninger. ;Et utførelseseksempel på oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningene. Fig. 1 viser skjematisk et stabiliseringssystem ifølge oppfinnelsen. ;Fig. 2 viser- et meget forenklet blokkskjema til forklaring ;av virkemåten av stabiliseringssystemet ifølge oppfinnelsen. ;Fig. 3 A-C og fig. ty viser diagrammer til ytterligere forklaring av virkemåten. ;På fig. 1 stabiliseres plattformen 3 om aksene 1 og 2. Plattformen er opphengt i en kardanramme med en indre kardanring 4 og en ytre kardanring 5. Den ytre- kardanring er montert parallelt med dekket, altså fast i forhold til skipet. I utførelseseksemplet bærer plattformen 3 et gyrohus 6 som inneholder en vertikalgyro 7 i kardanopp-hengning. Denne gyro holdes i en slik stilling at dens omdreiningsakse står vinkelrett på jordoverflaten. Dette skjer på vanlig måte ved hjelp av to på figuren ikke viste akselerometre som er forbundet med gyroen, forsterkerkretser og dreiemomentmotorer 8 og 9 som er koplet med gyroen. Den måte på hvilken gyroen bringes til å holdes i vertikal stilling er beskrevet i' norsk patentsøknad nr. 4309/71 og er ikke nødvendig for å forstå foreliggende oppfinnelse. ;Hvis plattformen 3 ikke befinner seg i fullstendig horison-tal stilling, d.v.s. plattformen er ikke fullstendig overensstemmende med gyroen 7, vil det frembringes en fei-lspenning av den ene eller begge synkrogeneratorene 10 og 11 som er koplet med gyroen. I den følgende beskrivelse skal bare plattformens og skibets, bevegelse i forhold til aksen 1 betraktes. En analog beskrivelse gjelder for aksen 2 om hvilken plattformen kan kippes i samsvar med skipets bevegelse. Det ants at synkrogeneratoren 11 leverer en feilspenning e. Denne feilspenning tilføres en servoforsterker som inneholder en servoforforsterker 12 og forbundet med denne en servosluttforsterker 15 med motkopling via en motor- tackometerkombinasjon 13, 14. Motoren 13 kipper plattformen styrt av servosluttforsterkeren ved hjelp av et tannhjul-overføringssystem 16 om aksen 1 på sådan måte at feilspenningen e min-skes til null, eller at plattformen er fullstendig i samsvar med gyroen 7. ;Servoforsterkeren kan ha forskjellig utforming. I foreliggende tilfelle omfatter servoforforsterkeren 12 i tur og orden en demodulator 17, et filter 18 som er dimensjonert slik at det i tilstrekkelig grad undertrykker nutasjonsfrekvenskomponenten fra gyroen som opptrer i styresignalet, og' et integrerende nettverk 19 hvis funksjon skal beskrives ■ nærmere nedenfor. Servosluttforsterkeren 15 er i samsvar med den nevnte hollandske patentsøknad 7106851 og består av en summeringsforsterker som tilføres utgangsspenningen fra servoforforsterkeren 12 og fra tackometergeneratoren 14, en forsterker med et kom-penseringsnettverk 21 og en forsterker som er dannet av en pulslengde-modulator 22 og en brokopling 23 med negativ tilbakekopling, idet motoren 23 er lagt inn i brokoplingen. Motkoplingen er oppnådd ved hjelp av en styreforsterker med integrerende nettverk 24 og en summeringsforsterker 25 og anvendes for å oppnå en lineær spenningsforsterk-ningskarakteristikk. For å sikre riktig virkemåte av servosluttfor-. sterkeren er forsterkeren 21 som* følge av det integrerende nettverk i motkoplingssløyfen også forsynt med et integrerende nettverk med en tidskonstant som fortrinnsvis er lik tidskonstanten for det integrerende nettverk i motkoplingssløyfen. Da selve utformingen av servosluttforsterkeren ikke angår oppfinnelsen, er den ovenfor nevnte antydning ansett som tilstrekkelig. Det skal bemerkes at forskjellige andre typ-er av servosluttforsterkere kan anvendes.

Motor- tackometerkombinasjonen 13, 14 er montert på den ytre kardanring 5. Det antas at plattformen er i samsvar med gyroen, d.v.s. at feilspenningen e = 0 og at følgelig skipet ruller om aksen lj slik at motorhuset utsettes for en rotasjon svarende til skipets rulling, og motorakselen roterer i forhold til motorhuset. Resultatet av akselens rotasjon er at tackometergeneratoren 14 leverer en spenning som når den tilføres servosluttforsterkeren 15 bevirker at motoren 13 kipper plattformen slik at det oppnås en feilspenning e. Denne feilspenning bevirker via servoforforsterkeren en delvis kompensering av den ovenfor nevnte spenning som leveres av tackometergeneratoren.

Ifølge oppfinnelsen tilføres servosluttforsterkeren en korri-gert spenning som er utledet via en demodulator 26 og et filter 27 fra en vinkelhastighetsindikator 28 som er montert på kardanringen 5. På liknende måte omfatter stabiliseringssystemet en andre vinkelhastighetsindikator 29 for å kompensere for feil som skyldes servosystemet som er anordnet for innstilling av plattformen om aksen 2. Under henvisning til fig. 2 skal nedenfor beskrives virkningen av vinkelhastighetsindikatoren og den måte på hvilken filteret27 må dimensjoneres for å oppnå optimal kompensering for de ovenfor nevnte servofeil, idet servoforforsterkerens og tackometersløyfens karakteristikk tas i betraktning.

På fig. 2 er servosluttforsterkeren 15, motoren 13 og tann-hjulsoverføringssystemet 16 representert ved en enhet 30. Overførings-funksjonen for denne enhet er H^(s). Enheten 31 på fig. 2 representerer tackometergeneratoren hvis akselrotasjon direkte refererer seg til kardanringen 5. Overføringsfunksjonen for denne enhet er E^( s). Over-førings f unksj onen for tackometersløyfen er derfor:

Overføringsfunksjonen for servoforforsterkeren 32 på fig. 2 er H^(s). Sluttelig er på fig. 2 vinkelhastighetsindikatoren med filter og de-modulatoren betegnet med 33. Overføringsfunksjonen for denne enhet er H^Cs).

Overførings funksjonene H^s), H2(s) og H (s) er uttrykt ved:

hvor k.^, k2 og k^ representerer likestrømforsterkeren i enhetene 30} 31 resp. 32, Tm er den mekaniske tidskonstant for motoren og belast-ningen som er koplet med denne, T er den elektriske tidskonstant for servosluttforsterkeren og T\ er tidskonstanten for det integrerende nettverk 19 i servoforforsterkeren. Størrelsene k.,, k„, T oe T er 1 2 m 0 v valgt slik at Under disse forhold er

Referanseinngangskarakteristikken ved gyroens tilstand på fig. 2 er (j> , som anvendes for innstilling av plattformen hvis vinkel-rotasjon er <J>p]_» Por feilspenningen e som leveres av synkrogeneratoren 11 følger formelen:e = 6^ 4p-|_j hvor ^ og <|> ^ gjelder koordinatsys-temet som er forutbestemt i forhold til jorden. Videre representerer (j?^ skipets rulling og stedet for plattformen, men kan også gjelde den relative forskyvning av plattformens bæredel i forhold til skipets akse. Selvom <J>d i tillegg til skipets lavfrekvente bevegelse også inneholder høyfrekvenskomponenter (skipets vibrasjoner) og andre uønskede trekk ved vinkelhastighetsmålinger, d.v.s. feil ved kardan-opphengningen og følsomhet for hastighetskomponenter i andre retninger, er disse komponenter indikert for seg som det sporadiske signal <J>sj slik at prinsipielt gjelder $ for skipets lavfrekvente bevegelser. Inngangssignalet på enheten 33 er således <J>d + <j>s, av hvilke <{>d

virker direkte på plattformens bevegelse i samsvar med formelen:

pl <=> d + <t> m j hvor (f) m representerer motoraksens stilling ved kardan-. ringen 5. For systemet gjelder følgende formel:

Referanseinngangssignalet <j> bestemt av gyroen 7 kan 'antas å være null. I første rekke skal innvirkningen av skipets lavfrekvente bevegelser på servosystemet forklares, idet man først antar <J> s=0. Det ovenfor angitte forhold kan da reduseres til:

vil feilspenningen e = 0, d.v.s. at plattformen holdes i samsvar med gyroen og utgangsspenningen fra tackometergeneratoren som følge av skipets bevegelse vil den fullt ut være kompensert ved korreksjons-spenningen som oppnås ved hjelp av vinkelhastighetsindikatoren.

Da frekvenskomponentene av <}>d vil ligge innenfor båndbredden(_l_) for tackometersløyf en og H (s)S: 1, innenfor denne båndbredde, e¥ det tilstrekkelig å gjøre H^(s) lik E^( s). Denne betingelse kan imidlertid ikke opprettholdes fordi H^Cs) ikke behøver å være kon-stant. Gradientvariasjoner i vinkelhastighetsmålingen kan således opptre, f.eks. som følge av kardanfeil. H^(s) velges derfor som følger:

hvor akg er gradienten for vinkelhastighetsmålingen. For optimal kompensering må a være lik 1. Filteret 26 er derfor konstruert som et lavpassfilter. Tidskonstanten Tc er f.eks. valgt slik at det sporadiske

inngangssignal 4> ser tilstrekkelig dempet, men dette skal tas opp nedenfor. Med tackometersløyfens båndbredde vil uttrykket H^.(s) som innfører en ekstra dempning i forhold til <j>^,

Por frekvenser under 1T _ T 1 ) vil det derfor opptre en feilreduk-c v

sjon. Det skal også bemerkes at jo mere a avviker fra 1, jo mindre må Tc velges for å oppnå en tilfredsstillende lavfrekvensfeilreduk-sjon. Den maksimale forbedring som kan oppnås er imidlertid begrenset til en faktor 1 . Uten kompensering ved hjelp av enheten 33 blir

l-a

forholdet:

etter substitusjon av H2(s), H (s) og Ht(s) og den antagelse at vil uttrykket ovenfor tilnærmet kunne skrives:

Bode-diagrammet for dette uttrykk er vist -3 pa fig. 3A for K a= 160 sekund, 1\ = 0,113 sekund, = 5>3 x 10 sekund. Figur 3B viser bode-diagrammet for uttrykket for ekstra dempning:

hvor det antas at a = 0,9 og Tc = 0,04 sekunder. Sluttelig viser fig. 3C bode-diagrammet for kombinasjonen av de to sistnevnte uttrykk.

Ved å ta i betraktning innvirkningen av det sporadiske signal <|> på servosystemet og at 4>d = 0, vil:

s

Etter substitusjon av H2(s), H^(s), H^(s) og H^Cs) og den antagelse at verdiene for T\, og K& er de samme, blir uttrykket:

Bode-diagrammet for dette uttrykk er vist på fig. 4, hvor a = 1, og verdiene for K . T., T og T er som ovenfor,

a' i" v & c

Som det fremgår av figuren er under systemets båndebredde

( \|k a) interferenseundertrykkelsen bestemt av overføringsfunksjonen for hovedsløyfen. Over båndbredden er interferenseundertrykkelsen i første rekke avhengig av T . Av den grunn vil det være fordelaktig å velge en heller større verdi for T . På den annen side skal det tas i betraktning at <(> si seg selv er svært liten, hvilket er særlig karak-teristisk for frekvensområdet i nærheten av båndbreddens grenser.

Det er allerede påpekt at valget av T cogså er bestemt av den verdi som er valgt for et. Jo mere a avviker fra 1, jo mindre må Tc velges for å oppnå den mest fordelaktige reduksjon av lavfrekvens-feilen. På den annen side hvis en større verdi velges for T , kan dette være viktig for god undertrykning av høyfrekvensinterferense, men en overdrevet høy verdi for Tc påvirker den ønskede feilreduksjon i motsatt retning. I tillegg hertil skal det tas i betraktning at ved valget av verdien for T må systemets båndbredde begrenses i betraktning av de resonansefrekvenser som opptrer mellom tilnærmet 2 N K a og 1 og som innføres ved masse- ettergivningen av systemet som dannes av plattformen og overføringssystemet. Valget av T cvil derfor nød-vendiggjøre et kompromiss mellom alle disse faktorer. Imidlertid gir den ovenfor nevnte verdi av TQ = 0,04 sekunder en vesentlig feilreduksjon.

Claims (3)

1. System for stabilisering av en plattform som er opphengt i

en kardanramme om to vinkelrett på hverandre forløpende akser, under anvendelse av et gyrodrevet servosystem for stabilisering om hver av aksene, omfattende en servoforforsterker som er forbundet med en servosluttforsterker med motkopling via en motor-tackometerkombinasjon hvis motor styres av servosluttforsterkeren for kipping av plattformen i forhold til rammen om vedkommende akse, karakterisert ved at det i rammen (5) er montert to måleinstrumenter (28,29) som hver leverer et signal som er et mål for rammens (5) vinkelhastighet om vedkommende akse og som er en spenning som tilføres den respektive servosluttforsterker (15) og minsker servofeil som skyldes plattformens (3) svingninger ved skipets bevegelse som følge av motorens (13) opphengning i rammen (5).

2. System ifølge krav 1, hvor det som måleinstrumenter anvendes vinkelhastighetsindikatorer, karakterisert ved et lavpassfilter (27) mellom hver vinkelhastighetsindikator (28) og den respektive servosluttforsterker (15).

3. System ifølge krav 2, karakterisert ved at lavpassfilteret (27) er således dimensjonert at gradienten for en kombinasjon av vinkelhastighetsindiaktoren ('28) og lavpassfilteret (27), så meget som mulig nærmer seg gradienten for den tilsvarende motkoplingssløyfe, mens tidskonstanten for filteret gjøres så stor som mulig uten større innvirkning på servosystemets feilkorreksjon.