NO763780L - - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et automatisk styresystem, nærmere bestemt et elektronisk system for styring av skip eller andre fartøyer etter en tilsiktet kurs.

I de fleste automatiske styresystemer anvendes det en kurssender for frembringelse av en signalindikasjon av en tilsiktet kurs det skal styres etter og for å frembringe styre-ordresignaler for rorkontroll for å bibeholde den tilsiktede kurs. Et tilbakekoplingssignal som representerer rorstilling, frembringes av en rorvinkelavføler og tilføres til kurssenderen som vil bli dreiet eller på annen måte regulert slik at den søker en nulltilstand. Selv om slike systemer funksjonerer til-fredsstillende for mange formål er deres utførelse vanligvis nokså sammensatt, noe som krever analog servomekanisk apparatur inklusive en spesialisert kurssender for angivelse av den tilsiktede kurs og for å frembringe styreordrer. Idet de kjente automatiske styresystemer er servosystemer av nulltype, er dessuten de kjente systemer meget følsomme ved nullpunktet og har nedsatt nøyaktighet ved økende kursfeil.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse er det frembrakt et relativt enkelt, automatisk styresystem hvor den tilsiktede kurs blir angitt med et digitalt signal og bearbeidelse fore-tatt ved hjelp av relativt enkel elektronikk uten behov for kom-plekse servomekanismer. Ifølge en foretrukket utførelsesform anvendes det et digitalt fjernavlesnings-magnetkompass som frembringer digitale signaler som er representative for kompasskursen. På et fartøy som styres etter en ønsket kurs frembringer disse digitale signaler en inngang til det automatiske styresystem, og kursen opprettholdes ved hjelp av relativt enkle elektroniske kretser. Systemet ifølge oppfinnelsen krever ikke noen spesial-kurssender for frembringelse av et signal som representerer en ønsket kurs, men kan anvendes mot enhver inn- gangskilde som kan frembringe et digitaltall som representerer den tilsiktede kurs, såsom et digitalt magnetkompass. Systemet ifølge oppfinnelsen har et bredt dynamisk område og bevirker stor nøyaktighetskontroll over hele det område av kursfeil som påtreffes.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser skjematisk et automatisk styresystem ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 viser skjematisk en kursfeilkrets i fig. 1.

Fig. 3 viser skjematisk en kapasitiv rorvinkelavføler som er anvendbar i systemet ifølge oppfinnelsen. Fig. 4 viser skjematisk en kapasitiv rorvinkelavfølings-krets i systemet ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 viser et digitalt magnetkompass 10 som frembringer digitale utgangssignaler som er representative for kompasskurs og som tilføres til en kursfeilkrets 12 som på sin side frembringer et digitalt signal som er representativt for størrelsen på kursfeilen og en digital signalindikasjon på om feilen ligger til høyre eller til venstre for den tilsiktede kurs. Et slikt digitalkompass er kjent fra US-patentskrift 3.833.901. Dette kompass frembringer serieutgangspulser i et antall som

er representativt for kompasskursen slik denne er utledet av

en elektro-optisk avfølt kompassrose. Den tilsiktede kurs som skal opprettholdes frembringes i en kursfeilkrets 12, typisk ved å innføre avlesningen fra digitalkompasset 10 når fartøyet er på den tilsiktede kurs. Signalene fra kretsen 12 tilføres til en digital-analogomformer 14 som fremskaffer en analog

utgangsspenning som er representativ for størrelsen og retningen av kursfeilen. Dette signal er via en kondensator Cl koplet til en differensiator 16 som typisk omfatter en driftsforsterker 18 som har en regulerbar motstand 20 innkoplet mellom forsterkerens inngang og utgang. Forsterkerens 18 andre inngang er koplet til en referanse-spenningskilde 22. Differensiatorens 16 utgang er via en motstand Ri koplet til den negative inngang av en summeringsforsterker 24 med en tilbakekoplingsmotstand R2. Utgangssignalet fra omformeren 14 tilføres også til den negative inngang av forsterkeren 24 via en motstand R3. Utgangsspenningen fra omformeren tilføres også via en volumkontroll 26 til en integrator 28 som består av en driftsforsterker 30 med en

tilbakekoplingskondensator. Forsterkerens 30 andre inngang er koplet til en referansespenning (Vf), såsom fra kilden 22. Utgangssignalet fra integratoren 28 er via en motstand R4 koplet til forsterkerens 24 negative inngang.

En rorvinkelindikator 3 2 frembringer et pulsbreddemodulert signal som er representativt for den målte rorvinkel til en pulsbreddedemodulator 34 som frembringer et analogt utgangssignal som er representativt for rorvinkelen og som via en bufferforsterker 36 og en motstand R5 tilføres til forsterkerens 24 positive inngang. En volumkontroll 37 er anordnet i tilbakekoplingsforhold om forsterkeren 36. Forsterkerens 24 utgang er koplet til inngangen i komparatorer 38 og 40. Komparatorene 38 og 40 er forbundet med hver sin referansekilde 42 og 44 som frembringer respektive referansesignaler V ^ ]_

og V f2til <~ Le resPektive komparatorer. En av referansekildene frembringer et positivt terskelnivå i forhold til en null-kursfeil-referanseverdi. Referansekildene 42 og 44 frembringer bipolare terskelnivåer som definerer et område hvori det ikke utføres noen feilkorrigering, og disse referansekilder er regulerbare for regulering av feilområdet hvor det ikke utføres noen rorregulering. Slik regulering tjener som en regulering avhengig av været, idet det regulerbare område vanligvis velges i overensstemmelse med sjø- og værbetingelser.

Utgangssignalene fra komparatorene 38 og 40 tilføres til respektive AND-porter 46 og 48, hvis utganger er koplet til respektive AND-porter 50 og 52. Utgangssignalene fra komparatorene 38 og 40 tilføres også via en OR-port 54 til en multi-vibratorkrets 56 hvis utgang er koplet til portenes 46 og 48 andre innganger. Multivibratorkretsen 56 funksjonerer som reaksjon på inngangssignaler som er mindre enn en forutbestemt verdi, hvorved det dannes utgangssignaler som er representative for inngangssignalnivået. For kursfeilsignaler med en størrelse som ligger over den forutbestemte verdi er kretsen 56 innrettet til å frembringe et likestrømsnivå som et utvelgingsignal for portene 46 og 48. Det dannes pulssignaler for kursfeilsignaler som er relativt små, typiske feil på mindre enn - 2°. En kon-trollanordning 58 er anordnet for kretsen 56 for regulering av dennes utgangspulser for oppnåelse av tilsiktet bevegelse av roret som reaksjon på et tilsvarende feilsignal. Kontroll-anordningen 58 regulerer faktisk pulsutgangen i overensstemmelse med dynamikken for det spesielle ror som skal styres. For større feilsignaler, typisk på over - 2°, frembringes det et kontinuer-lig istedenfor et pulsformet styresignal for rordriften.

Utgangssignalene fra forsterkeren 36 tilføres til respektive innganger i komparatorer 60 og 62. Disse komparatorer mottar respektive referansesignaler Vre£^09vref4fra rereranse~kilder 64 og 66. Utgangssignalet fra komparatorene 60 og 62 til-føres til de respektive innganger i AND-portene 50 og 52. Portene 50 og 52 frembringer styresignaler for henholdsvis høyre og venstre ror til et rordriftsapparat 68 slik at det bevirkes bevegelse av roret i ønsket retning og i ønsket utstrekning. Referansekildene 64 og 66 er regulerbare slik at det oppnås en ror-grenseregulering. Den ene av referansekildene 64 og 66 frembringer et referansenivå som er positivt i forhold til null-referansestillingen. Det defineres således et område hvori det utføres rorregulering, mens rorregulering er hemmet utenfor området. Komparatorene 60 og 62 frembringer et første logikknivå i nærvær av inngangssignaler i terskeiområdet som tjener som et portsignal for portene 50 og 52 for å la rorstyresignaler sette apparatet 68 i drift. Dersom et rorvinkelsignal fra forsterkeren 36 er større enn det korresponderende referansenivå, frembringer den tilhørende av komparatorene 60 og 62 et motsatt logikknivå som hemmer den tilhørende AND-port. Som resultat hemmes rorregulering for en antydet' rorvinkel som er større enn den valgte størrelse.

Digital-analogomformeren 14 frembringer et analogsignal som har en mellomverdi når det ikke avføles noen kursfeil, og som har en mer positiv eller en mer negativ verdi som reaksjon på kursfeil med korresponderende retning. F.eks. kan positive analogutgangssignaler angi kursfeil til høyre, mens negative utgangssignaler representerer kursfeil til venstre for denønskete kurs. Typisk varierer utgangsspenningen fra omformeren 14 mellom 0 og 5 volt, idet det frembringes et nivå på 2,5 volt som reaksjon på en nullfeiltilstand. Denne utgangsspenning varierer typisk med 0,1 volt for hver grads kursfeil. På samme måte kan analogutgangssignaler fra demodulatoren 34, hvilke

representerer indikert rorvinkel, variere 0,1 volt for hver grad rorvinkel, med et midtnivå på 2,5 volt for en null eller nøytral rorstilling. Mer positive og mer negative spennings-nivåer er anordnet for henholdsvis høyre og venstre rorvinkler.

Differensiatoren 16 frembringer et signal som representerer forandringen av kursfeilen og som trekkes fra feilsignalet fra omformeren 14. Når kursfeilen nærmer seg null, nærmer også den deriverte av feilen seg også null, og derfor er differensi-atoren 16 effektiv for demping av feilsignalet og minimisering av oversving. Integratoren 28 danner gjennomsnittet av feilsignalet fra omformeren 14 og frembringer for et system for-spenningsnivå som kursfeilene varierer om.

Rorvinkelindikatoren er vist mer detaljert i fig. 2 og 3. Som vist i fig. 2 er en kapasitiv avføler 70 koplet til en

aksel 72 for et ror 74. Avføleren 70 omfatter første og andre stort sett halvsirkelformete kondensatorplater 76 og 78 anbrakt i et felles plan samt med en tredje kondensatorplate 80, som også har stort sett halvsirkelform og som er anbrakt i avstand fra platene 76 og 78 og er bevegelig i forhold til disse om en aksel 82. Kondensatorkonstruksjonen tjener som en differensialkondensator og er i seg selv kjent på elektronikkområdet. Ved dreining av platen 80 i forhold til platene 76 og 78, vil kapasitansen for platene 76 og 80 variere på en første måte, mens kapasitansen for platene 78 og 80 vil variere på motsatt måte, mens den totale kapasitans forblir stort sett konstant. Den kapasitive avføler er særlig fordelaktig for rorvinkelangivelse idet det ikke er noen fysisk berøring mellom de bevegelige og ikke-bevegelige kondensatorplater. Typisk er platen 80 ledd-forbundet med rorakselen 7 2 for bevegelse sammen med denne. Dreining av roret bevirker tilsvarende dreining av platen 80

i forhold til platene 76 og 78 slik at det dannes en differensial-kapasitans som er representativ for rorvinkelen.

Fig. 3 viser den kapasitive avføler 70 skjematisk, idet en kondensator C3 er dannet av platene 76 og 80, mens en kondensator C4 er dannet av platene 78 og 80. Den felles plate i de to kondensatorer er forbundet med jord, mens de respektive plater i kondensatorene C3 og C4 er forbundet med en inngang i respektive komparatorer 84 og 86. En referansekilde 88 frembringer en spenningsreferanse til den andre inngang i hver av komparatorene 84 og 86. Komparatorens 84 utgang er koplet til en flip-flops 90 reguleringsinngang (set input), mens denne flip-flops tilbakestftlingsinngang er koplet til komparatorens 86 utgang. Flip-flopens 90 Q-utgang er koplet til kondensatoren C3 via en motstand RIO som er parallellkoplet med en diode Dl. Flip-flopens 90 Q-utgang er koplet til kondensatoren C4 ved hjelp av en motstand Ril og en shuntdiode D2. Kretsens utgang er dannet av flip- flopens Q-uttak.

Med roret i nullstilling frembringer den kapasitive av-føler to like store kapasitanser som bevirker et utgangssignal ved flip-flopens Q-uttak som er en firkantbølge med gjennomsnittlig amplityde på null. Når roret beveges til en vinkelstilling som avviker fra null, vil kapasitansen til en av kondensatorene C3 og C4 økes tilsvarende, mens den annen kon-densators kapasitans vil avta tilsvarende, i overensstemmelse med rorstillingen enten til høyre eller til venstre for null-stillingen. Kondensatoren som har økt kapasitans vil frembringe en lenger ladetid enn kondensatoren med nedsatt kapasitans, slik at komparatoren 84 eller 86, som er forbundet med kondensatoren med minst kapasitans, vil bli utløst oftere, noe som bevirker innkopling av flip-flopen 90. Denne frembringer et pulsbreddemodulert signal som vil ha positiv gjennomsnittlig amplityde for rorvinkler i den ene retning og negativ gjennomsnittlig amplityde for rorvinkler av den annen retning. Dette pulsbreddemodulerte signal er relativt upåvirket av støy og kan fremføres i en totrådskabel til demodulatoren. Dersom f. eks. roret har en vinkelstilling hvor kondensatoren C3 har økt kapasitans og kondensatoren C4 tilsvarende nedsatt kapasitans, vil komparatoren 86 utløses hurtig som følge av den hurtigere ladetid for kondensatoren C4. Som resultat tilbakestilles flip-flopen 90 av de hurtigere signaler fra komparatoren 86 sammenliknet med signalene fra komparatoren 84, slik at det dannes et utgangssignal med negativ gjennomsnittlig amplityde som er representativ for rorets stilling.

Kursfeilkretsen 12 er vist mer detaljert i fig. 4 og er innrettet til å frembringe digitale utgangssignaler som er representative for størrelsen på kursfeilen og retningen av feilen til venstre eller høyre for en tilsiktet kurs. Denne krets likner kompassgjennomsnittsdannerkretsen som er oppfinn-elsesgjenstanden i amerikansk patentsøknad 552.049. Det digitale signal som er representativt for kompasskursen og frembrakt av det digitale kompass 10 tilføres, ved slutting av bryteren 100, til et ønsket kursregister 102 og til den ene inngang i en subtraksjonskrets 104. Kretsen 104 er også koplet til en inngang i registeret 102 og frembringer utgangssignaler som er repre sentative for størrelsen og retningen på differansen mellom de digitale signaler som dannes av kompasset og registeret 102. Registeret 102 belastes i begynnelsen med en kompasskursangiv-else som avføles av det digitale kompass 10. Kursen som er lagret i registeret 102 kan benyttes som indikasjon på en tilsiktet kurs, eller den tilsiktede kurs kan forandres ved trim-ming av den lagrete kurs i registeret 102 ved hjelp av en trimkontroll 103. Denne trimkontroll er innrettet til å øke eller minske den digitale telling som er lagret i registeret 102

slik at det frembringes en angivelse av den tilsiktede kurs som skal opprettholdes.

Det digitale feilsignal fra subtraksjonskretsen 104 til-føres til en detektorkrets 106 som er innrettet til å påvise om feilsignalet representerer en kursavvikelse på mer enn 180°. Dersom kursfeilen er mer enn 180° frembringer detektoren 106 et utgangssignal til en subtraksjonskrets 108 som er innrettet til å subtrahere en angivelse på 360° fra kursfeilen for å

oppnå et utgangssignal som er representativt for størrelsen på kursfeilen. Dette utgangssignal fra subtraksjonskretsen 108 til-føres via en port 110 til omformeren 14. Dersom kursavvikelsen er 180° eller mindre, frembringer detektoren 106 en direkte utgangsangivelse av størrelsen på kursfeilen via porten 110. Retningen på kursfeilen frembringes av en korrigeringskrets

112. For en kursfeil på mer enn 180° tilføres signalet fra detektoren 106 til kretsen 112, noe som bevirker inversjon av utgangssignalet fra kretsen 112 for angivelse av en motsatt retning.

Det er klart at det ovenfor beskrevne system lettvint kan utføres i enten atskilt eller integrert kretsform og kan lettvint installeres ombord i et fartøy uten behov for en spesial-analog-kurssender eller servomekanisk apparat. Den spesielle utførelse av oppfinnelsen kan variere slik at den er tilpasset deønskete krav til egenskaper. Følgelig er oppfinnelsen ikke begrenset til det som spesielt er beskrevet ovenfor, men bare begrenset av de etterfølgende krav.

Claims (9)

1. Automatisk styresystem, karakterisert ved et digitalt magnetkompass som er innrettet til å frembringe en digital signalangivelse av magnetkompassets kurs, en digital anordning som' funksjonerer som reaksjon på den digitale signalangivelse til dannelse av første og andre digitale utgangssignaler som er representative for størrelse og retning på kursfeil, en rorvinkelanordning som er innrettet til å frembringe et signal som er representativt for rorets vinkelstilling, en anordning for kombinering av signalene fra den digitale anordning og fra rorvinkelanordningen til dannelse av et feilsignal som er representativt for differansen mellom disse, en anordning som definerer et område for feilsignaler hvor det ikke foretas noen rorstyring, samt en utgangsportanordning som er innrettet til å frembringe rorstyresignaler som reaksjon på signaler fra den områdedefinerende anordning, idet disse styresignaler representerer kursfeil utenfor nevnte område.

2.S tyresystem i samsvar med krav 1, karakterisert ved en anordning som definerer et andre feilsignal-område hvor det frembringes rorstyresignaler mens rorstyring er hemmet utenfor området.

3.S tyresystem i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den områdedefinerende anordning omfatter en første komparator med positiv relativ referanseterskel og en andre komparator med negativ relativ referanseterskel, idet hver av komparatorene er innrettet til å frembringe et utgangssignal som reaksjon på et mottatt feilsignal som er større enn den tilknyttede referanseterskel.

4.S tyresystem i samsvar med krav 3, karakterisert ved en pulsgenererende anordning som er innrettet til å motta utgangssignaler fra den første og den andre komparator og til å frembringe utgangssignaler avhengig av komparator-utgangssignaler, som er mindre enn et forutbestemt nivå, og likestrømsutgangssignaler som reaksjon på komparatorutgangs- signaler som er større enn det forutbestemte nivå.

5. Styresystem i samsvar med krav 1, karakterisert ved at rorvinkelanordningen omfatter en rorvinkelindikator som er innrettet til å koples til et ror som skal styres og til å frembringe et pulsbreddemodulert signal som er representativt for rorets vinkelstilling, samt en demodulator-anordning som er innrettet til som reaksjon på det pulsbreddemodulerte signal å frembringe et utgangssignal med en størrelse som er representativ for rorets vinkelstilling.

"6. Styresystem i samsvar med krav 3, karakterisert ved at den digitale anordning omfatter en kursfeilkrets som er innrettet til å funksjonere som reaksjon den digitale signalangivelse fra det magnetiske kompass og som omfatter en anordning for lagring av angivelse av en ønsket kurs, idet kursfeilkretsen frembringer første og andre digitale utgangssignaler som er representative for henholdsvis størr-elsen og retningen av kursfeilen.

7. Rorvinkelindikator for bruk i et automatisk styresystem hvor det blir frembrakt rorstyresignaler for kontroll av rorstilling, karakterisert ved en differensialkondensator som er koplet til roret og som omfatter en første og en andre kondensator som frembringer en første og en andre kapasitans, som er like stor ved nullror-stilling, mens den første kapasitans øker og den andre kapasitans tilsvarende avtar for rorstillinger av en første retning, og den første kapasitans avtar og den andre kapasitans tilsvarende øker for rorstillinger av motsatt retning, samt en anordning som er innrettet til som reaksjon på den første og den andre kapasitans å frembringe et pulsbreddemodulert signal med en gjennomsnittsamplityde som er representativ for rorstillingen.

8;R orvinkelindikator i samsvar rried krav 7, karakterisert ved at anordningen for frembringelse av det pulsbreddemodulerte signal omfatter en anordning for utledning av en første og en andre spenning som er representativ for ladetiden for kondensatorene, komparatorer som er innrettet til å frembringe første og andre signaler når den første og den andre spenning overskrider et terskelnivå, samt portanordninger som avhengig av signalene er innrettet til å frembringe et pulsbreddemodulert signal som er representativt for rorstillingen.

9. Styresystem i samsvar med krav 2, karakterisert ved at anordningen for kombinering av signalene omfatter en digital-analogomformer som er innrettet til avhengig av de digitale utgangssignaler å frembringe et analogt utgangssignal som er representativt for størrelsen og retningen på kursfeilen, en summeringsforsterker som mottar det analoge utgangssignal og signalet fra rorvinkelanordningen, en differensiatoranordning som er innrettet til avhengig av det analoge utgangssignal å frembringe et signal til summer-ingsf orsterkeren, hvilket representerer forandringen av kursfeilen, samt en integrator som er innrettet til avhengig av det analoge utgangssignal å frembringe et signal som er representativt for den gjennomsnittlige kursfeil til summeringsforsterkeren.