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Einrichtung zur automatischen Steuerung und Stabilisierung von Tragflächenbooten
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur automatischen Steuerung und
Stabilisierung von Tragflächenbooten, mit der die Stampfbewegung und die Höhe der
Tragflächenboote über dem Wasserspiegel stabilisiert wird. Die Erfindung betrifft
solche Tragflächenboote, deren Tragflächen beim Normalbetrieb vollständig im Wasser
eingetaucht sind.
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Die bisher bekannten Tragflächenboote kann man in zwei Gruppen einteilen,
und zwar in solche, bei denen die Tragflächen dauernd im Wasser eingetaucht bleiben,
und in solche, bei denen die Tragflächen beim Normalbetrieb die Wasseroberfläche
durchschneiden. Bei einem Boot, dessen Tragflächen die Wasseroberfläche dauernd
durchschneiden, wird jede Änderung der Wasseroberfläche auf den Bootskörper übertragen.
Das Fahrverhalten solcher Boote unterscheidet sich daher je nach den Wasserverhältnissen
beträchtlich von dem derjenigen Boote, deren Tragflächen dauernd untergetaucht sind,
da bei den letzteren beispielsweise dauernd die Höhe des Bootes über dem Wasserspiegel
festgestellt werden muß.
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Beim Erhöhen der Geschwindigkeit eines Tragflächenbootes bis zur Abhebegeschwindigkeit
ergeben sich Schwierigkeiten hinsichtlich der Stabilität und Steuerung. Das ruhigste
Fahrverhalten läßt sich allgemein bei Booten mit dauernd eingetauchten Tragflächen
erreichen. Dazu müssen jedoch Einrichtungen vorgesehen werden, die eine Änderung
der Wellenhöhe ausgleichen können. Grundsätzlich kann eine derartige Änderung von
Hand vom Bootsführer vorgenommen werden. Es ist jedoch erwünscht, auch eine automatisch
arbeitende Vorrichtung zu schaffen.
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Es ist bekannt, die Steuerungs- und Stabilisierungsmöglichkeiten von
Tragflächenbooten mit Hilfe von Steuerklappen an den Tragflächen zu verbessern,
die zuweilen auch zur Stabilisierung von Verdrängungsschiffen benutzt werden. Als
Äquivalent kann man auch einen Teil oder alle Tragflächen als Ganzes schwenkbar
machen. Die für die Steuerklappen benötigten Steuersignale werden über Meßfühler
abgeleitet, die die Abweichungen der Bootslage von vorgewählten Sollwerten feststellen.
Als Meßfühler werden insbesondere Beschleunigungsmesser, Kreisel oder Ultraschallsensoren
verwendet, mit denen die einzelnen Bootsparameter oder deren erste und/oder zweite
Ableitung gemessen werden. Eine allgemeine Beantwortung der Fragen, wie die so gewonnenen
Meßgrößen in Steuersignale umzuformen sind und welche Steuerklappen mit ihnen zu
betätigen sind, wurde noch nicht gegeben.
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Es sind zwar bereits Stabilisierungsanlagen für Tragflächenboote mit
ständig eingetauchten Tragflächen bekannt, bei denen für die Höhenlagesteuerung
ein Höhenkanal vorgesehen ist, während die Quer-und Längsstabilität unabhängig von
der Wellenkontur durch die Verwendung von Kreiselgeräten erreicht wird, deren Signale
in getrennten Stampf- bzw. Rollkanälen in geeignete Steuersignale umgeformt werden.
Die Höhenlagesteuerung, die auf die Wasseroberfläche reagiert, ist dabei so eingerichtet,
daß sie kurze Wellen unberücksichtigt läßt und dadurch einen geradlinigen, ungestörten
Lauf des Bootes erreicht. Langen Wellen folgt sie nur insoweit, daß der Bootskörper
nicht mit den Wellenkämmen in Berührung kommt. Derartige Höhensteuerungen, die z.
B. mittels Ultraschall betrieben werden, bieten jedoch im heutigen Stadium der Entwicklung
noch keine ausreichende Sicherheit.
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Schließlich ist es auch bekannt, mit Ultraschallsensoren die Wellenhöhe
zu bestimmen und Kreisel oder Beschleunigungsmesser zum Messen der Stampfgeschwindigkeit
oder -beschleunigung bzw. der Rollgeschwindigkeit oder -beschleunigung einzusetzen
und die von ihnen abgegebenen Meßgrößen zu Steuersignalen für die Steuerklappen
zu kombinieren und modifizieren, wodurch eine Änderung der Höhe des Bootes über
dem Wasser und dadurch eine Stabilisierung und Steuerung des Bootes erreicht wird.
Es ist jedoch nicht bekanntgeworden, auf welche Art und Weise die einzelnen Signale
verarbeitet werden sollen oder wie die Dämpfung des Systems bewirkt wird.
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur automatischen Steuerung
und Stabilisierung von Tragflächenbooten zu schaffen, deren Tragflächen dauernd
im Wasser eingetaucht sind, bei der die Dämpfung im Stampf- und Höhenkanal derart
verbessert ist, daß das Boot sowohl bei einer lang rollenden See mit beträchtlicher
Wellenhöhe als auch bei kurzem rauhem Seegang in flügelgestütztem Zustand betrieben
werden kann, ohne daß der Fahrkomfort .empfindlich gestört wird oder die Tragflächen
die Wasseroberfläche durchschneiden.
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Ausgehend von einer Einrichtung zur automatischen Steuerung und Stabilisierung
von Tragflächenbooten, deren Tragflächen, die zur Steuerung der einzelnen Funktionen
und der Höhe des Bootes Steuerklappen tragen oder als Ganzes wie Steuerklappen schwenkbar
sind, ständig im Wasser eingetaucht sind, mit der vom Stampfen und von der Höhe
des Bootes über dem Wasser abgeleitete Fehlersignale erzeugt werden, die Abweichungen
der Bootslage von einem vorgegebenen Sollwert anzeigen und die über Treibverstärker
auf Betätigungselemente für die hinteren und vorderen Steuerklappen gegeben werden,
ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung eines Verstärkers
mit einem Stampf- und einem Höhenkanal, den die über einen operativen Schaltkreis
ermittelte Summe der Vertikalbeschleunigung und der Vertikalgeschwindigkeit als
Gegenkopplungssignal zugeführt wird, wobei die Vertikalbeschleunigung für den Stampfkanal
über einen hinteren Beschleunigungsmesser und für den Höhenkanal über einen vorderen
Beschleunigungsmesser bereitgestellt wird, durch einen Schaltkreis proportional
zum Mittelwert der Vertikalbeschleunigung in einer Richtung automatisch geregelt
wird, und daß in den Treibverstärkern des Stampfkanals für die Betätigungselemente
der hinteren Klappen und des Höhenkanals für die Betätigungselemente der vorderen
Klappen die jeweiligen Ausgangssignale des Verstärkers zu den Fehlersignalen addiert
werden. Hierdurch wird erreicht, daß die Systemdämpfung dem jeweiligen Seegang angepaßt
ist. Das richtige Verhältnis zwischen den aus der Vertikalbeschleunigung und der
Vertikalgeschwindigkeit abgeleiteten Gegenkopplungssignalen sollte dadurch gewählt
werden können, daß man die Amplitude beider Signale vor dem Verstärker beliebig
einstellt. Die Verstärkung der Treibverstärker ist weiterhin bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel von der Bootsgeschwindigkeit abhängig. Dadurch kann die Verstärkung
immer auf einem optimalen Wert gehalten werden, was insbesondere beim Übergang in
den flügelgestützten Zustand wichtig ist.
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Zur Anpassung der Eintauchtiefe der Tragflächen an den jeweiligen
Seegang wird zum Höhenfehlersignal bei einer bevorzugten Weiterbildung ein Signal
addiert, welches in einem weiteren Schaltkreis für automatische Höhentrimmung erzeugt
wird und proportional dem Mittelwert des Abstandes des mittleren Wasserspiegels
zu den Wellentälern ist. Nur dadurch kann gewährleistet werden, daß die Tragflächen
die Wasseroberfläche niemals durchschneiden. Vor dem Addierwerk, in dem die Höhenfehlersignale
und die aus dem weiteren Schaltkreis abgegebenen Signale addiert werden, sind Trennstufen
vorgesehen, die eine übermäßig schnelle Höhenänderung des Bootes vermeiden, um den
Fahrkomfort nicht zu verschlechtern: Der Schaltkreis zur Regelung der Verstärkung
des Verstärkers mit dem Höhen- und Stampfkanal kann in bevorzugter Form ein Hochpaßglied
enthalten, in dem konstante Beschleunigungen und Beschleunigungen geringer Frequenz
ausgeschaltet werden, dem sich ein Gleichrichter anschließt, durch den die Beschleunigungsspitzen
nach unten erhalten werden, die nach Mittelwertbildung in einem Glättungsfilter
dem Verstärker zugeführt werden. Durch eine Sperre können die Ausgangssignale des
Schaltkreises bis zum Übergang des Bootes in den flügelgestützten Zustand auf Null
gehalten werden.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel
beschrieben. F i g. 1 zeigt ein Tragflächenboot, das mit vollständig eingetauchten
Tragflächen betrieben wird; F i g. 2 ist ein Blockschaltbild der gesamten Steuerungs-
und Stabilisierungseinrichtung; F i g. 3 ist ein Blockschaltbild des Stampfkanals;
F i g. 4 ist ein Blockschaltbild des Höhenkanals; F i g. 5 zeigt einen Verstärkungsplan
für die Regelschleifen in Abhängigkeit von der Bootsgeschwindigkeit; F i g. 6 ist
ein Blockschaltbild des Schaltkreises der Anpassungsregelung für die Vertikalbeschleunigung;
F i g. 7 ist ein Blockschaltbild des Schaltkreises für die automatische Höhentrimmung;
F i g. 8 ist .ein Blockschaltbild des operativen Schaltkreises aus den F i g. 3
und 4.
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Die F i g. 1 zeigt ein Tragflächenboot 10 mit zwei vorderen Tragflächen
12 und 14 und einer hinteren Tragfläche 16. Die Tragflächen tragen bewegbare Steuerklappen
18a und 18b, die den Steuerflächen von Flugzeugen ähnlich sind. Bei
19 ist ein Steuerruder gezeigt. Am hinteren Teil der Tragflächenstützen sind Wasserschrauben
22 und 26 angebracht, die das Boot antreiben. Es ist selbstverständlich, daß auch
andere Antriebsmaschinen, z. B. Flugzeugturbinen, verwendet werden können.
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Zum Betreiben eines solchen Tragflächenbootes dient ein Autopilot
mit Einrichtungen, die das Stampfen, das Schlingern, das Gieren und die Höhe des
Bootes über dem Wasser regeln und stabilisieren. Der Autopilot sorgt für eine Programmierung
des automatischen Abhebens, für eine automatische Regelung der Höhentrimmung bei
Seegang und bei einer Querneigung während flacher oder automatisch gesteuerter Kurven,
je nach dem Wunsch des Bootsführers, und schließlich für eine automatische Änderung
der Systemdämpfung, damit die Vertikalbeschleunigungen bei jedem Seegang klein bleiben.
Auf einem Steuerpult, das sich zusammen mit allen Schaltern und Steuerorganen für
das Boot in der Kabine 24 des Bootsführers befindet, kann der jeweilige Betriebszustand
des Autopiloten angezeigt werden.
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Die F i g. 2 zeigt in Form eines Blockschaltbilds den allgemeinen
Aufbau des Steuersystems. Ein Vertikalkreisel 30 gibt eine Anzeige für das Stampfen
und ein Kreisel 32 eine Anzeige für Giergeschwindigkeit. Diese beiden Kreisel 30
und 32 sind gemäß der F i g. 1 hinter dem Schwerpunkt des Bootes 10 in der Nähe
der hinteren Tragfläche angebracht. Ein hinterer Beschleunigungsmesser 36 ist über
der hinteren Tragfläche 16 und ein vorderer Beschleunigungsmesser 38 über den vorderen
Tragflächen 12 und 14 vorgesehen. Im Bug des Bootes ist außerdem ein Höhenfühler
40 angebracht, der als Umformer ausgebildet ist. Die Kreisel 30 und 32, die Beschleunigungsmesser
36
und 38 und der Höhenfühler 40 geben ihre Signale an ein Addier- und Rechenwerk 42
in der Nähe der hinteren Tragfläche ab, wodurch die Verkabelung sehr einfach wird.
Außerdem kann der Bootsführer das Stampfen und die Höhe des Bootes über dem Wasserspiegel
mit Hilfe von Einstellorganen nachstellen, die sich auf dem Bedienungspult in der
Kabine 24 befinden. Die Einstellorgane für die Stampftrimmung und die Höhentrimmung
sind als Blöcke 44 und 46 gezeigt. Ein Geschwindigkeitsfühler 48, der irgendwo am
Boot angeordnet sein kann, gibt seine Signale ebenfalls an das Addier- und Rechenwerk
42, von welchem alle Eingangssignale summiert aufgezeichnet und so verarbeitet werden,
daß sich die richtige Signalkombination für Treibverstärker 50, 52 und 54 ergibt,
die die Betätigungselemente 56, 58 und 60 steuern. Die Betätigungselemente wirken
auf die Steuerklappen 18a und 18 b, um das Boot zu stabilisieren und auf die vorgegebenen
Werte einzutrimmen.
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Das Bedienungspult in der Kabine 24 enthält noch Einstellorgane 62
für den Bootsführer, und zwar für die Befehlsschaltung, für die Kurvensteuerung,
für eine Änderung der Verstärkung von Hand im Regelkanal für das Stampfen sowie
für allgemeine Prüfungen. Darüber hinaus ist noch ein normaler Ein-Aus-Schalter
vorhanden.
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Die F i g. 3 zeigt als Blockschaltbild alle mit dem Stampfkanal zusammenhängenden
Einrichtungen. Im Stampfkanal werden als Fühler der Vertikalkreisel 30 und der hintere
Beschleunigungsmesser 36 verwendet. Der Vertikalkreisel liefert für das Stampfen
ein Vergleichsnormal. Durch Addition dieses Vergleichsnormals mit den Signalen der
Stampftrimmung aus Block 44 erhält man ein proportionales Fehlersignal für die Treibverstärker
64 und 66.
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Im Stampfkanal kann außerdem ein Kreisel 45 verwendet werden, der
die Stampfgeschwindigkeit anzeigt. Signale, die die Stampfbeschleunigung anzeigen;
werden von dem hinteren Beschleunigungsmesser 36 an einen operativen Schaltkreis
68 gegeben. Dieser operative Schaltkreis, der später noch im einzelnen beschrieben
wird, beseitigt die Wirkungen von Nullpunktverschiebungen des Beschleunigungsmessers
sowie stationäre Beschleunigungen bei niedrigen Frequenzen, die bei Wendemanövern
festgestellt werden. Er integriert die Beschleunigungssignale in angenäherter Form
zu Geschwindigkeits-Gegenkopplungssignalen. Die Geschwindigkeits- und Beschleunigungssignale
werden summiert, an einen Verstärker 70 gegeben und anschließend den Treibverstärkern
64 und 66 zugeführt. Die Verstärkung des Verstärkers 70 wird entweder von Hand nach
dem Willen des Bootsführers oder automatisch geändert. Die gewünschte Betriebsart
kann mit einem Schalter 71 eingestellt werden. über einen Block 73, der eine Verstärkungseinstellung
von Hand enthält, kann der Bootsführer die Verstärkung während des Betriebes mit
der Hand einstellen. Eine automatische Verstärkungsregelung ist dagegen mit Hilfe
eines Schaltkreises 72 möglich, der eine Anpassungsregelung für die Vertikalbeschleunigung
darstellt. Die Anpassungsregelung, die weiter unten im einzelnen beschrieben ist,
spricht auf den Mittelwert der in einer Richtung am Ort der vorderen Tragflügel
auftretenden Vertikalbeschleunigung an und ändert die Verstärkung des Verstärkers
70 proportional. Dadurch wird die Dämpfung der Stampfbewegung des Bootes bei rauher,
kurzer See größer, und das Boot kann die Wellen durchschneiden. Bei einer langen
Dünung wird die Dämpfung kleiner, so daß über die proportional arbeitende Gegenkopplungsschleife
für das Stampfen der Stampfwinkel durch dynamische Regelung besser eingehalten werden
kann.
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Wenn man die Verstärkung für die Stabilisierung der Änderungsgeschwindigkeit
der Meßgrößen an Stelle der Verstärkung für die Meßgrößen selbst ändert, so stellt
man sicher, daß die proportionalen Regelschleifen unter allen Bedingungen ihre Stellungen
genau einhalten, da die Verstärkung in diesen Regelschleifen auf einem ziemlich
hohen Wert gehalten werden kann.
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Die Verstärkung der Treibverstärker 64 und 66 wird in Abhängigkeit
von der Bootsgeschwindigkeit automatisch geändert. Dazu dient ein Block 78, der
einen Verstärkungsplan enthält und auf den Geschwindigkeitsfühler 48 anspricht,
indem er die Verstärkung niedrig hält, wenn das Boot als Verdrängungsboot fährt.
In der F i g. 5 ist dieser Verstärkungsplan aufgezeichnet.
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Die Treibverstärker 64 und 66 addieren die proportionalen Signale,
die Signale der Stampfgeschwindigkeit und die Trimmsignale und verstärken die Summe,
die dann zum Steuern von elektrohydraulischen Ventilen verwendet wird, die auf Betätigungselemente
74 und 76 einwirken, die ihrerseits die hinteren Steuerklappen 18 b in der gewünschten
Richtung verstellen.
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Die Eingangssignale für den Höhenkanal, die in F i g. 4 gezeigt sind,
erhält man von zwei Höhenfühlern 40a und 40b, die einer automatischen Wählschaltung
100 zugeführt werden. Zusätzlich sorgt der vordere Beschleunigungsmesser
38 für ein Eingangssignal, das eine höhere Systemdämpfung gewährleistet.
Die automatische Wählschaltung 100 überwacht die Betriebsweise der beiden Höhenfühler
40a und 40 b und wählt im Fall eines Defektes den noch funktionsfähigen Höhenfühler
aus. Die Auswahl richtet sich nach dem Mittelwert der beiden Höhenfühlerausgangssignale
in einer vorher verstrichenen kurzen Zeitspanne. Die festgestellte Höhe wird an
einem Punkt 101
mit den Signalen der Höhentrimmung aus dem Block
46 und den Signalen aus einem Schaltkreis für automatische Höhentrimmung
92 summiert. Die Aufgabe des Schaltkreises 92 besteht darin, den zeitlichen Mittelwert
des Abstandes zwischen den Wellentälern und dem mittleren Wasserspiegel zu messen,
was über die festgestellten Höhensignale geschieht, und dann für eine proportionale
Verminderung der Höhe zu sorgen. Das Ausgangssignal des Schaltkreises 92 ist im
wesentlichen ein ungefähres Maß für den Seegang, und daher kann der Schaltkreis
92 auch als »Seegangsrechner« bezeichnet werden. Sieht man von einer ungewöhnlich
steilen See ab, so sorgt der Schaltkreis 92 dafür, daß die Tragflächen die Wasseroberfläche
nicht durchschneiden, indem er dem Wert für die Tragflächeneintauchtiefe, der für
ruhiges Wasser gilt, noch einen anteiligen Betrag hinzufügt. Die Ausgangssignale
des Schaltkreises 92 und die Signale für eine Trimmung von Hand werden durch Trennstufen
102 und 104 zugeführt, die übermäßige Einschwingvorgänge verhüten, die durch Schaltvorgänge
oder durch Änderungen der Trimmung von Hand hervorgerufen werden können. Der Schaltkreis
92 kann vom Bedienungspult her mittels einer Wähltaste
106
abgeschaltet werden, die einen Schalter 108 betätigt. Um dem Bootsführer
die Einstellung der Höhentrimmung schon vor dem Abheben zu ermöglichen und den Widerstand
während der Fahrt vor dem Abheben möglichst klein zu halten, ist ein Programmierer
110 vorgesehen, der den Durchgang des Höhenfehlersignals zum Treibverstärker
54 kontrolliert. Ein hartes Überziehen der vorderen Steuerklappen während
des Abhebens wird dadurch verhindert, daß vom Geschwindigkeitsfühler 48 aus
als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit ein vorgewähltes Höhenfehlersignal und
ein Anstellwinkel der vorderen Steuerklappen erzeugt werden. Das Ausgangssignal
des Schaltkreises 92 wird dadurch gesteuert, daß man den Block 78 einschaltet, der
den Geschwindigkeitsplan für die gesamte Einrichtung enthält. Das Vorgabesignal
des Schaltkreises 92 ist daher so lange Null, bis die Abhebegeschwindigkeit erreicht
ist (Punkt c in F i g. 5). Das verhindert den Aufbau einer großen Vorgabe in dem
Ausgangssignal dieses Schaltkreises vor dem Abheben.
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Die Verarbeitung der Signale des vorderen Beschleunigungsmessers
38 verläuft genauso, wie es in Verbindung mit dem Stampfkanal beschrieben
worden ist (F i g. 3). Die Empfindlichkeiten der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsgegenkopplung
werden im Verstärker 70 geändert, und zwar entweder über den Schaltkreis
72 oder von Hand über den Schalter 71 und den Block 73. Das entstehende Signal wird
im Treibverstärker 54 mit dem verarbeiteten Höhenfehlersignal addiert und dann Betätigungselementen
60 für die vorderen Steuerklappen 18 a zugeführt.
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Die Verstärkungen aller Regelschleifen des Autopiloten werden durch
Änderung der Verstärkung der Treibverstärker mit Hilfe des Blocks 78 nach
einem bestimmten Plan eingestellt. Durch ein Signal aus dem Geschwindigkeitsfühler
48 werden die Verstärkungen so geändert, wie es in der F i g. 5 gezeigt ist.
Während der nicht flügelgestützten Fahrt wird die Verstärkung verhältnismäßig niedrig
gehalten, so daß heftige Steuerausschläge auf Grund von Bewegungen im nicht flügelgestützten
Zustand nicht auftreten. Am Punkt a; kurz vor Erreichen der Abhebegeschwindigkeit,
wird die Verstärkung auf ihren Maximalwert, Punkt b, angehoben. Die Verstärkung
wird dann vom Punkt c (Abhebegeschwindigkeit) ab nach einem bestimmten Plan derart
erniedrigt, daß der dynamische Druck auf die Steuerklappen als Funktion der Geschwindigkeit
ausgeglichen wird.
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Zusätzlich zur planmäßigen Verstärkungsänderung findet am Punkt c
noch ein Schaltvorgang statt (F i g. 5), der den Schaltkreis 72 der Anpassungsregelung
für die Vertikalbeschleunigung und den Schaltkreis 92 in Funktion setzt.
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Es ist nicht möglich, eine einzige Einstellung der Empfindlichkeiten
in den einzelnen Regelschleifen des Autopiloten zu finden, die bei jedem Seegang
und allen Geschwindigkeiten und Ruderstellungen eine annehmbare Fahrt und/oder eine
optimale Leistungsfähigkeit gewährleistet. Bisher wird daher die Verstärkung in
den einzelnen Regelkanälen von Hand nachgestellt, wobei der Bootsführer seinen eigenen
Fahrteindruck als Kriterium benutzt. So ist beispielsweise in einer lang rollenden
See von beträchtlicher Wellenhöhe eine flügelgestützte Fahrt möglich, selbst wenn
die Wellenhöhe den maximal zulässigen Spielraum für den Bootsrumpf übertrifft, wenn
nämlich das Boot auf den Wellen »reitet«. Da die Stampfbewegungen mit einer verhältnismäßig
niedrigen Frequenz vor sich gehen, bleiben die dadurch bedingten Vertikalbeschleunigungen
noch in Grenzen, so daß der Komfort nicht beeinträchtigt wird. Fährt das Boot aus
dem Gebiet mit rollendem Seegang in ein Gebiet, beispielsweise eine Bucht, ein,
in dem die Wellen etwas niedriger, aber viel kürzer sind, dann nimmt die Frequenz
der Wellenberührung zu, und als Folge davon werden die Vertikalbeschleunigungen
größer, d. h., der Fahrkomfort wird gestört. Das Boot besitzt zwar aus sich heraus
stabilisierende und dämpfende Eigenschaften, doch können in den meisten Fällen die
auftretenden Beschleunigungen nicht ausreichend geschwächt werden.
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Die F i g. 6 zeigt nun den Schaltkreis 72 der Anpassungsregelung für
die Vertikalbeschleunigung, mit dem für alle Vorgänge im flügelgestützten Zustand
die Vertikalbeschleunigung automatisch geregelt und dem Boot erlaubt wird, auf den
Wellen zu »reiten«, solange die Vertikalbeschleunigungen sehr klein sind. Der Schaltkreis
paßt sich selbst an und stellt die Stabilität des Steuersystems dadurch sicher,
daß er im Fall einer Störung der Regelzuverlässigkeit eine zusätzliche Dämpfung
einführt. Ebenfalls sorgt er für einen Stabilitätsbereich, der jeder Art von Unbestimmtheiten
im Steuersystem gewachsen ist.
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Gemäß der F i g. 6 wird durch Demodulation der Trägerwelle (normalerweise
400 Hz) bei 112 des Signals aus dem vorderen Beschleunigungsmesser 38 ein
Ausgangssignal abgeleitet, dessen Einhüllende durch ein Hochpaßfilter 114 geleitet
wird, um ständige Beschleunigungen oder Beschleunigungen mit kleiner Frequenz auszuschalten.
Die Grenzfrequenz des Hochpaßfilters ist beträchtlich niedriger als die Frequenz
derWellen, die während der flügelgestützten Fahrt gegen das Boot schlagen. Die dabei
entstehende analoge Spannung, die proportional den schwingungsähnlichen Beschleunigungsausschlägen
ist, wird bei 116 über einen Halbweggleichrichter gleichgerichtet, damit man die
nach unten gerichteten Beschleunigungsspitzen erhält, die deswegen gewählt werden,
weil die Beschleunigungsspitzen nach oben in manchen Fällen Informationen enthalten
können, die vom Wellenschlag gegen den Bootskörper herrühren. Die Spitzen durchlaufen
ein Relais 117 und ein Glättungsfilter 118 zur Bildung eines Mittelwertes, der an
einen Verstärker 120 gegeben wird. Der Verstärker 120 ändert dann die Verstärkungen
in den Regelschleifen des Autopiloten für die Vertikalgeschwindigkeit und die vordere
und hintere Vertikalbeschleunigung, und zwar sowohl für die vorderen wie auch für
die hinteren Steuerklappen. Mit dem Schalter 71 kann die Anpassungsregelung ausgeschaltet
werden, um eine Einstellung der Verstärkungen von Hand zu ermöglichen. Eine Sperre
122 hält das Ausgangssignal der Anpassungsregelung so lange auf Null, bis das Boot
in den flügelgestützten Zustand übergeht. Die Zeitkonstanten im Glättungsfilter
118 für die Mittelwertbildung werden niedriger als die auftreffende Wellenbewegung
gewählt, aber nicht so niedrig, daß das System gegen kurzzeitige Mittelwertschwankungen
unempfindlich wird.
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Die Aufgabe des Schaltkreises für automatische Höhentrirnmung
92 (F i g. 4) bzw. des »Seegangrechners«, der in F i g. 7 gezeigt ist, besteht
darin, Änderungen im Seegang festzustellen und derart für eine
Höhenvorgabe
zu sorgen, daß die Tragflächen die Wasseroberfläche nicht durchschneiden können.
Das enthebt den Bootsführer von der Notwendigkeit, die Höhentrimmung auf Grund von
visuellen Beobachtungen des Seegangs in regelmäßigen Abständen zu ändern. Das Boot
fährt daher immer mit einer solchen Eintauchtiefe der Tragflächen, daß der Widerstand
der Stützen möglichst klein ist.
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Um den Widerstand der Stützen möglichst klein zu halten und damit
einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen, müssen die Tragflächen mit einer minimalen
Eintauchtiefe gefahren werden. Es ist jedoch sehr wichtig, einen Sicherheitsbereich
vorzusehen, damit die Tragflächen die Wasseroberfläche nicht durchschneiden können.
Wenn das geschieht, nimmt die Hubkraft abrupt ab, und wenn die Tragflächen wieder
in das Wasser eintreten, vergeht eine gewisse Zeit, bis die Hubkraft wieder aufgebaut
ist. Das Boot kann daher nach unten stürzen und dabei beschädigt werden, wodurch
die Passagiere und die Besatzung gefährdet würden.
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Wenn die See rauher und der Abstand zwischen dem mittleren Wasserspiegel
und den Wellentälern größer ist, dann muß der Bootsführer notwendigerweise die Eintauchtiefe
der Tragflächen von Hand auf einen größeren Wert einstellen, um auf diese Weise
ein Durchschneiden der Wasseroberfläche durch die Tragflächen zu verhindern. Eine
automatische Einstellung der Höhentrimmung macht diese dauernde Nachtrimmung von
Hand überflüssig und gewährleistet eine wesentlich genauere Bestimmung der mittleren
Eintauchtiefe der Tragflächen.
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Gemäß der F i g. 7 wird das Ausgangssignal des Höhenfühlers
40, das der momentanen Höhe analog ist, über einen Schalter 126 einem Hochpaßfilter
128 zugeführt, von dem der absolute Spannungswert abgeschnitten und nur die ausgeprägten
Änderungen der Wasseroberfläche durchgelassen werden. Die Grenzfrequenz des Hochpaßfilters
ist beträchtlich kleiner als die Frequenz der zufälligen Wellenbewegung, die gegen
den Bootskörper stößt. Das Ausgangssignal des Hochpaßfilters wird durch einen Einweggleichrichter
120 gleichgerichtet, um den Abstand des mittleren Wasserspiegels zu den Wellentälern
zu erhalten. Diese Halbwellenspannung wird in einem Glättungsfilter 132 gefiltert
und dann in einem Verstärker 134 verstärkt, um im Höhenkanal mit einem Signal eine
Höhenvorgabe hervorzurufen, das proportional dem Abstand zwischen dem mittleren
Wasserspiegel und den Wellentälern ist. Die Zeitkonstante des Glättungsfilters 132
ist niedriger gewählt als die Frequenz der zufälligen Wellenbewegung, aber nicht
so niedrig, daß das System gegenüber Veränderungen des kurzzeitigen Mittelwertes
unempfindlich ist. Dem Mindestwert der Eintauchtiefe, die von dem Bootsführer von
Hand eingestellt ist, wird daher ein anteiliger Betrag hinzugefügt. Das Ausgangssignal
des Verstärkers 134 und das Signal für die Höhentrimmung werden in den vorderen
Treibverstärkern addiert.
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Mit dem Schalter 106 wird die automatische Einstellung der
Höhentrimmung im Bedarfsfall ausgeschaltet. Eine Sperre 136 bewirkt, daß die Einstellung
für die Höhentrimmung so lange unwirksam ist, wie sich das Boot nicht in flügelgestütztem
Zustand befindet.
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Die Aufgaben des operativen Schaltkreises 68 bestehen darin, die Nullpunktwanderungen
der Beschleunigungsmesser auszuschalten, festgestellte Beschleunigungen niedriger
Frequenz, wie sie bei einer Dauerkurvenfahrt auftreten können, zu vermindern und
die Beschleunigungen angenähert einem Geschwindigkeitssignal zu integrieren.
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Die Gegenkopplungsverstärkungen für die Geschwindigkeiten und die
Beschleunigungen sind derart, daß selbst qualitativ hochwertige Beschleunigungsmesser,
die mit seismischen Massen arbeiten, Nullpunktswanderungen aufweisen, die an den
entsprechenden Steuerklappen unerwünschte, ständige Vorgabesignale erzeugen können.
Durch die Verwendung von Verzögerungskreisen für die Geschwindigkeiten wird dieses
Problem ausgeschaltet. Außerdem wird von den Beschleunigungsmessern eine Komponente
der urgedämpften Querbeschleunigung gemessen, wenn das Boot eine überhöhte Kurve
fährt. Es ist daher notwendig, diese Erscheinung entweder durch ein Signal zur Korrektur
des Querneigungswinkels zu kompensieren oder aber die Beschleunigungsmesser auf
eine Plattform aufzusetzen, so daß ihre empfindlichen Achsen immer senkrecht stehenbleiben.
Dieses Problem wird dadurch überwunden, daß man den operativen Schaltkreis 68 nur
für kurzzeitige Beschleunigungen empfindlich macht.
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Die Arbeitsweise des operativen Schaltkreises ist an Hand der F i
g. 8 beschrieben. Das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers geht durch einen
Verzögerungskreis 138 für die Geschwindigkeit hindurch, in dem das Signal demoduliert
wird und der für die Einhüllende des Signals als Hochpaßfilter wirkt. Das dabei
entstehende Ausgangssignal wird in einem Verstärker 140 verstärkt. Das der Beschleunigung
analoge Signal wird in einem Integrator 142 angenähert integriert. Dabei erhält
man ein Maß für die Vertikalgeschwindigkeit. Die beiden Signale (Ji und ü) werden
summiert und bei 144 verstärkt. In jedem der Zweige läßt sich die Verstärkung bei
146 bzw. bei 148 einzeln einstellen, um das richtige Verhältnis für die beste
Wirkungsweise zwischen den Verstärkungen für die Geschwindigkeit und die Beschleunigung
einstellen zu können. Der Vertikalkreisel, der Geschwindigkeitskreisel und der Vertikalbeschleunigungsmesser
sind in einem Bauglied vereinigt, das auf der Längsachse des Bootes zwischen dem
Schwerpunkt des Bootes und der hinteren Tragfläche so dicht wie möglich an den hinteren
Tragflächenstützen angeordnet sein soll. Die Kreisel richten sich von selbst wieder
auf, und die Meßwerte werden über Drehfeldgeber abgenommen. Die Beschleunigungsmesser
sind transistorisierte Einheiten, die eine seismische Masse enthalten, die über
ein Servosystem so geregelt wird, daß ein dynamisches Gleichgewicht zwischen den
Beschleunigungskräften und der Gegenkopplungskraft eingestellt wird. Diese entgegenwirkende
Kraft bzw. die Spannung, die diese Kraft verursacht, ist ein genaues Maß für die
eingehende Beschleunigung.
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Der Höhenfühler verwendet ein moduliertes Trägerwellensignal. Dabei
wird die Höhe so gemessen, daß man bei dem reflektierten Signal die Phasenverschiebung
der Modulation feststellt.
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Um eine kontinuierliche Höhenmessung zu ermöglichen, werden zwei Höhenfühler
verwendet, deren Ausgangsgrößen einer automatischen Wählschaltung zugeführt werden,
in der bei normalem Betrieb aus diesen beiden Signalen ein Mittelwert gebildet,
das korrekte Arbeiten der beiden Fühler festgestellt und
automatisch
die fehlerhafte Einheit ausgeschaltet wird.