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Verfahren zum Sohneliriohten von Plattformen mit integrierenaen Wendekreiseln
flie Erfindung besieht sich auf ein Verfahren sun Schnellrichten, insbesondere zum
Sehnellaufrichten eines Plattformsystemes mit integrierenden Wendekreiseln, dadurch
gekennzeichnet, aa. das Schnellrichten mittels normaler Wendekreisel durchgeführt
wird.
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Integrierende Wendekreisel finden u.s. in Stabilisierungssystemen
frei in Eaum bewaglicher Frojektile, wie z.B. in Torpedos oder Baketen, Verwendung.
Als Wendekreisel wird ein Kreisel verwendet, der neben der präzessionsfreien Bewegungarichtung
in seiner Drehachse einen Çusätzlichen Preiheitsgrad der Bewegung durch eine halbkardanische
Aufhängung besitzt. lin solcher Kreisel ist also noch in einer senkrecht zur Drehachse
liegenden sog. Me#schse gefesselt, während er um eine dritte möghohe Achse in Raum,
die sowohl senkrecht ur Drehachse als auch zur Me#schse liegt, frei bewegt werden
kann.
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Diese dritte Aschse sei als "freis" Ashse definiert. Aus den Gesetzom
der Kreiseltheorie lä#t sich ableiten, da# zur Wendekreisel at eine Drchung na seine
freie Achse mit einer emtsprechanden Fräsessionsauslenkung um seins Me#anhse reagiert.
Diese Erscheinung nutzt man in Stabilisierungnsystemen sum Messen der Nichtungsabweichung
des Kreiselträgere von einer durch den Kreisel definierten raumfenten Richtung und
zum Wiedersusrichten des Kreiselträgers aus. Der halbkardanisch aufgehängte Kreisel
ist ni, .ia.w an :r Se5hee ->qi£snden sk.tSll-oder Dämpfungaverrichtung und mit
einem obenfalls an dieser Achme sugebrnahten Me@rertgeber versehen. Allgemein soll
also umter simen Wendekreisel ein zu Me@zwecken verwendeter und nit einer Rückstell-
oder Dämpfungsverrichtung versehemer halbkardanisch aufg@hängter Kreisel verstenden
werden.
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Wird sine an der Me#ashse angrsifande Räskstellworrichtut verwendet,
derem Düskstellkraft af die Me#sshse proportional der Auslenkung der Me#echse ist,
so arbetet der Vendekreisel als sog. nommeler Wendakreisel.
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Nach dar Kreisel-Theorie ergibt sich, da# die Auslenkung der Ne#enhse
proportiomal der Winkelgeschwindigkeit ist. itt de der Wendeknisel na <i. fr.ie
ohse gorht wird. Bei einem normalen Wendekreisel ist deshalb die Rückstellkraft
ebenfalls propertional dieser Winkelgeschwindigkeit.
Der normale
Wendekreisel hat die Eiganschaft, einer Drehung ul seine freie Achse eine der Winkelgeschwindigkeit
dieser Drehung proportionale Trägheitekraft entgagemzusetzen, und ist dechalb zur
Dämpfung gegen Veränderungen aus einer augenblicklichen Istlage geeignet.
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Gegenüber dem normalen Wendekreisel arbeitet der sog. integrierende
Wendekreisel kit einer integrierenden Dämpfung. In diesen Falle ist keine Rückstellkraft
wird ror, sondern die Auslenkung der Me#achse ist dem Integral der erwähnten Winkelgeschwindigkeit
über der 8tit, d.h. direkt dem Drehwinkel um die freie Achse proportional.
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Wird die Drehung des Wendekreisels um seine freie Anhse abgestoppt,
so wird die Anslenkung der Me#achse nicht wie bei einer normalen Wendekreisel infolge
der Rückstellkraft wieder In Mull, sondern die Ma#schse verharrt in der dei Integralwert
entsprechenden Stellung. Ein derartiger intsgrierender Nendekreisel ist also mai
Ausregeln der Lageveränderung des intagrierenden Wendekreisels ge eignet, der die
Auslenkung der Me#anhse bewirkt hat. Erst wenn der Wendekreisel wieder seine Sollage
einnimmt, wird auch die Auslankung wieder su Null.
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Normelerweise wird in Stabilieierungssystemen als Kreisel träger eine
sog. Plattform verwendet, an der der auserste
Kardanrahmen befestigt
ist und die .m die freie Achse des Kreisels schwenkbar ist. Zur Stabilisierung dieser
Plattform wird das von dem Me#wertgeber des Wendekreisels abgegebene Signal als
Stellwert für einen die Plattform in Sollrichtung haltenden Stellmotor benutzt.
Ein Stabilisierungssystem umfa#t also den Wendekreiscl. die Plattform und einen
Regelkreis. Hat der Kreisel seine volle Umdrebungsgeschwindigkeit und liegt seine
raumfeste Richtung fest, so erfolgt die Stabilisierung der Plattform automatisch.
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Wird der lireisel jedoch von Stillstand auf seine volle Umdrchungegeschwindigkeit
gebracht, so fehlt ihm zunächet jede Orientierung; er mu# deshalb erst auf die Sollrichtung
einjustlert werden. Dieser Vorgang wird als "Richten" oder bei Verwendung von Plattformaystemen
als "Aufriehten" des Kreisels bezeichnet.
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Beim Richten eine integrierenden Wendekreisels treten im allgemeinen
Schwierigkeiten auf, die folgende Gründe haben: Des ausrichten erfolgt-in einem
geconderten Regelkreis. Dieser besteht aus einem Sollwertgeber, z.B. einem auf der
Plattform angebrachten Pendel, einem Regler, der entaprechend der Regelabweichung
von dem Sollwert ein Stellwert-@ignel erzeugt, und dem durch das Stellwert-Signal
err@ gten Stellmotor zum Ausrichten der Plattform.
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Der Stellmotor bewegt die Plattform so lange, bis die Regelabweichung
Null ist, d.h. er wirkt als integrales Stellglied. Regelkreise mit stark integralem
Verhalten neigen jedoch zu Inatabilitäten, d.h. zu Regelschwingungen. Ein integrales
Stellglied ist jedoch in diesem Fall notwendig, da die Genauigkeit des Stabilisierungssystems
von der Einjustierung des Kreisels abhängt, d.h. davon, ob die Regelabweichung beim
Richten tatsächlich Null wird. Der Gefahr des Auftretens von Instabilitäten geht
man bisher dadurch aus dem Wege, daß man das Richten langsam durchführt. Insbesondere
bei Waffen, wie Raketen und Torpedos kommt es jedoch darauf an, daß das Stabilisierungssystem
so-schnell wie möglich funktionsbereit ist. Das bisher bekannte Richt-Verfahren
erweist sich also als großer Mangel bei einem solchen Zysten.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegendell krfirdung, ein Schnellricht-Verfahren
und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu entwickeln, das ein System
mit integrierenden Wendekreiseln in kurzer Zeit vum Stillstand in Funktionsbereitachaft
versetæt.
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Daß erfindungsgemäbe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das
Schnellrichten mit teLt3 normaler Wendekreisel durch geführt wird.
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Mit diesem Verfahren nacht nan sich die erwähnte higenschaft normaler
Wendekreisel zunutze, daß diese einer Bewegung um ihre freie Achse eine als Dämpfung
wirkende Trägheit entgegensetzen.
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Zu zweckmä#iger Weiterbildung kann das erfindungegemä#e Verfahren
dadurch gekennzeichnet eein, daX die integrierenden Wendekreisel während des Schnellrichtens
als normale Wendekreisel betrieben werden.
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Als andere Möglichkeit einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungagemä#en
Verfahrens kann das Schnellrichten mittels zu den integrierenden Wendekreiseln zusätzlicher
normaler Wendekreisel durchgeführt werden.
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Um einen integrierenden Wendekreisel während des Schnellaufrichtens
als normalen Wendekreisel zu betreiben, kann das erfindungsgemä#e Verfahren dadurch
gekennzeichnet sein, daß die geschwindigkeitsproportionale Wendekreiseldämpfung
während des Schnellaufrichtens durch eine winkelproportionale Fesselung des Wendekreisels
ersetzt wird.
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In Weiterbildung der zuletzt genannten Maßnahme kann ein in der Meßachse
des Wendekreisels auftrstender Wendekreiselausschiag als elektrischer, gegebenenfalls
verstärkster Wert einem auf der Ma#achse angeordneten, den
Wendekreisel
winkelproportional fesselnden Drehmomentengeber zugeführt werden. Dieser Drehmomentengeber
erzeugt die eingange erwähnte Rückholkraft zum Betrieb des Wendekreisels als normaler
Wendekreisel.
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@ime Binrichtung zur Durchführung des erfindungsgemä#en Verfahrens
mit Anordn@ng eines Plattformaystemes, das mit integrierenden Wend@kreiseln ausgerüstet
ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Schalteranordnung zu Umschalten des Betriebes
integrierender Wendekreisel auf einen Betrieb, bei dem die Wendekreisel als normale
Wendekreisel arbeiten, vorgesehen ist. Diese Einrichtung bezieht eich also auf die
Weiterbildung des erfindungegemä#en Verfahrens, die besagt, daß die integrierenden
Wendekreisel während des Sohnellrichtene ale normale Wendekreisel betrieben werden.
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Soll das Sohnellrichten mittels zu den integrierenden Wendekreiseln
zusätzlichen normalen Wendekreiseln durchgeftihrt werde, so ist auch die Einrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens durch diese zusätzlichen normalen Wendekreisel
gekennzeichnet.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
beschreibung eines Ausführungsbeispieles, wobei' auf die beiliegende Zeichnung Bezug
genormen wird.
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Es zeigend
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
normalen Wendekreiseis in zwei äquivalenten Ausführungsformen a und b; Fig. 2 die
Impulsantwort eines normalen Wendekreisels auf eine rechteckimpulsförmige Drehung
des Wendekreisels um seine freie Achse; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines
integrierenden Wendekreiselß ; Fig. 4 die Impulsantwort eines integrierenden Wendekreisels
auf eine rechteckförnfige Drehung des Wendekreisels um seine freie Achse; Fig. 5
ein kombiniertes Block-und Funktionsschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Schnellrichtverfahrens.
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Fig. 1a zeigt eine schematische Darstellung für eine Ausführungsform
eines normalen Wendekreisels. Darin rotiert der Kreiselkörper 1 um seine Drehachse
2. Die Drehachse 2.ist in einem inneren kardanischen Rahmen 3 aufgehängt. Dieser
kardanische Rahmen 3 ist rest mit der Meßachse 4 des Wendekreiseis verbunden. Die
Meßachse 4 wiederum ist beweglich in einem äußeren kardanischen Rahmen 5 angeordnet.
Wird der äußere kardanische Rahmen mit der Winkelgeschwindigkeit @ F um die freie
Achse 9 des Kreisels gedreht, so erfährt der Wendekreisel eine Auslenkung um seine
Meßachse 4. Zur
Anzeige dieser Auslenkung ist die Meßachse mit
einem Zeiger 6 verbunden, der den Wert der Auslenkung auf einer Skala 7 anzeigt.
Außerdem ist die Meßachse durch eine weder 8 gefesselt. Die Rückholkraft der Feder
8 ist proportional der Auslenkung des Kreisels um seine Meßachse 4.
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Fig. ib zeigt eine zu Fig. la äquivalente Ausführungsform eines normalen
Wendekreisels. In dieser Figur ist die Feder 8 durch einen Drehmomentengeber 13
ersetzt.
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Erfährt der Kreisel eine Auslenkung um seine Meßachse 4, so wird dadurch
ein mit der Meßachse 4 gekoppelter Abgriff 6 über einen Potentiometerwiderstand
geführt.
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An diesem Potentiometerwiderstand liegt eine Spannungsquelle 11. Dadurch
wird ein dem Ausleflkungswert proportionales elektrisches Stellwertsignal über einen
Verstärker 12 dem Drehmomentengeber 13 zugeführt. Dieser erzeugt auf gleiche Weise
wie die Feder 8 in Fig. la eine Rückstellkraft, die der WinkelgeschwindigkeitJL
F' mit der die Kreiselanordnung um ihre freie Achse 9 gedreht wird, proportional
ist.
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In Fig. 2 ist die Impulsantwort eines normalen Wendekreisels auf eine
rechteokimpulaförmige Drehung des Wondekreiselg um seine freie Achse gezeigt. Man
erkennt daraus, daß der Auslenkungswinkel @ @ M des Kreisels um
seine
Meßachse 4 proportional der Winkelgeschwindigkeit ist, mit der der Wendekreisel
um seine freie Achse 9 gedreht wird.
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Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines integrierenden Wendekreisels.
Dieser unterscheidet sich von einem normalen Wendekreisel dadurch, daß seine Me#achse
nicht durch eine Rückstellkraft gefesselt, sondern in ihrer Auslenkung gedämpft
ist. Die der Drehgeschwindigkeit der Meßachse 4 proportionale Dämpfungsvorrichtung
ist hier durch einen Flügel 14 angedeutet, der sich in einer in einem Gefäß 15 enthaltenen
Flüssigkeit dreht.
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Der integrierende Wendekreisel hat die Eigenschaft, daß nach Beendigung
der Drehung des Kreisels um seine freie achse 9 der Zeiger 6 auf einem der erfolgten
Drehung proportionalen Wert stehen bleibt.
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In Pig. 4 ist die Impulsantwort des integrierenden Wendekreiseis auf
eine rechteckförmige Drehung des Wendekreisels um seine freie Achse gezeigt. Die
Winkelgeschwindigkeit @ F, mit der die Drehung des Wendekreisels um seine freie
Achse 9 erfolgt, sei dabei rechteckimpuleförmig. Der Winkel t, mit dem diese Drehung
in der Zeiteinheit erfolgt, hat dann die Porm einer linear ansteigenden Funktion.
Wie ion aus den Diagr-n n erkennt, ist die Reaktion des Wendekreisels
auf
eine erzwungene Drehung um seine freie achse 9 eine Prazessionsdrehung um seine
We#achse 6 mit dem Winkel'. ei dem integrierenden Wendekreisel ist der winkel@ M
proportional dem Winkel in Fig. 5 ist ein kombiniertes Block- und Punktionsechaltbild
einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemä#en Schnellricht-Verfahrens
gezeigt. Bei dieser Einrichtung ist der Wendekreisel auf einer um die freie Achse
25 des Wendekreisels drehbaren Plattform 22 angeordnet. Zur Halterung der Plattform
ist eine schematisch dargestellte Trägervorrichtung 24 vorgesehen. Die Plattform
kann mittels eines Zahnrades 21 und eines Schneckenrades 20 von einem Motor 19 gerichtet
werden. Auf der Plattform 22 ist weiterhin eine als Sollwertgeber und regler kombinierte
Vorrichtung 23 vorgesehen, die dem Rotor 19 über einen Verstärker 18 ein Stellwertsignal
zuführt, wenn die Istrichtung der Plattform 22 von der Sollrichtung abweicht. Dazu
ist eine erfindungsgemä#e Schaltervorrichtung 16 vorgesehen, die den normalerweise
integrierenden Wendekreisel 17 während des Richtvorganges als normalen Wendekreisel
schaltet. Durch dieses Unschalten wird bewirkt, daß der Richtworgang infolge der
dämpfenden Wirkung des normalen Wendekreisels schneller erfolgen kann, als es Mit
einem integrierenden Wendekreisel möglich wäre, ohne daß dabei Instabilitäten auftreten
würden.