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Einrichtung zum selbsttätigen Ausrichten einer kreiselstabilisierten
Trägheitsplattform Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum selbsttätigen Ausrichten
einer kreiselstabilisierten Trägheitsplattform vor dem Start mit einem Azimut-,
einem Nord- und einem Ostkreisel sowie Beschleunigungsmessern für Nord- und Ostbeschleunigung
und von den Kreiselsignalen beaufschlagten Plattformstützmotoren, bei welcher Signale
von Beschleunigungsmessern über integrierende und gegebenenfalls proportionale Glieder
im ausrichtenden Sinne auf Drehmomentengeber aufgeschaltet sind, die um die Ausgangsachsen
von Kreiseln wirken.
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Die Trägheitsnavigation (Inertialnavigation) ermittelt ohne Information
von außen den Standort eines Flugkörpers sowie seine Geschwindigkeit nach Betrag
und Richtung. Kernstück eines derartigen Navigationssystems ist die Trägheitsplattform,
Sie legt als Träger der Beschleunigungsmesser mit Hilfe von Kreiseln ein inertiales
Koordinatensystem fest und hält es während des Fluges aufrecht. Vor dem Start muß
die Plattform derart ausgerichtet werden, daß die Eingangsachsen
der
Beschleunigungsmesser in Richtung der Achsen des gewünschten Koordinatensystems
liegen. Dies bedingt ein Ausrichten der Plattform sowohl in der Vertikalen (Ausrichtung
um die horizontalen Achsen) als auch im Azimut (Ausrichtung um die vertikale Achse).
Eine Trägheitsplattform ist in der Lage, sich vor dem Start selbst auszurichten.
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Dabei werden als Pührungsgrößen die Erdbeschleunigung und die Drehung
der Erde benutzt. Die Trägheitsplattform wird so ausgerichtet, daß vor dem Start
die Azimutachse der Platt form, also die Eingangsachse des Azimutkreisels, in die
Richtung des Gravitationsgradienten fällt. Die Eingangsachsen der beiden anderen
Kreisel fallen in die Nord-Süd- bzw.
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Ost-West-Richtung, so daß die Kreisel Abweichungen der Plattform um
die Nord-SUd- bzw. Ost-West-Achse erfassen. Diese Kreisel werden daher als Nord-
bzw. Ostkreisel bezeichnet.
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Die Beschleunigungsmesser sind entsprechend 8o ausgerichtet, daß sie
Beschleunigungen in Nord-SUd-Richtung, in Ost-West-Richtung bzw. in Vertikalrichtung
erfassen, Für die Horizontalausrichtung wird die Tatsache ausgenutzt, daß bei nicht
genau horizontaler Ausrichtung der Plattform der Nord- und/oder der Ost-Beschleunigungsmesser
ein Beschleunigungsaignal infolge der wirksamen Schwerkraftkomponente erzeugt. Wenn
dieses Signal auf den Momentengeber des Ost- bzw. des Nordkreisels geschaltet wird,
dann bewirkt es eine selbsttätige horizontale Ausrichtung der Plattform. Zur selbsttätigen
Ausrichtung der Plattform im Azimut wird die Tatsache ausgenutzt, daß bei richtiger
Ausrichtung der Plattform im Azimut zwar der Nordkreisel eine Komponente der Erddrehgeschwindigkeit
fühlt (die von der geographischen Breite abhängt), nicht Jedoch der Ostkreisel.
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Bei einer Fehlausrichtung im
Azimut fühlt Jedoch auch
der Ostkreisel eine Komponente der Erddrehgeschwindigkeit, die sich als Moment um
die Präzessionsachse des Kreisels bemerkbar macht. Dieses Moment führt zu einer
Neigung der Plattform um die "Ost-West"-Achse, bis das Signal von dem Nord-Beschleunigungsmesser,
welches auf einen Drehmomentengeber an dem Ostkreisel gegeben wird, dem von der
Brddrehung herrührenden Moment die Waage hält. Wenn nun dieses Signal des Nord-Beschleunigungsmessers
mit hoher Verstärkung auch auf den Momentengeber des Azimutkreisels gegeben wird,
dann erfolgt eine Ausrichtung im Azimut bis der Ostkreisel mit seiner Empfindlichkeitsachse
tatsächlich nach Osten weist, so daß er keine Komponente der Erddrehgeschwindigkeit
mehr fühlt. Dann wird auch die Plattform horizontal ausgerichtet, bis das Signal
des Nordbeschleunigungsmessers verschwindet.
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Die Aufschaltung der Meßfühlersignale auf die Drehmomentengeber erfolgt
bei vorbekannten Einrichtungen in analoger Form, und zwar integriert und üblicherweise
- aus regeltechnischen Stabilitätsgründen - außerdem proportional.
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(vergl. den Aufsatz von Krogmann "Die selbsttätige Ausrichtung einer
Trägheitsplattform vor dein Start" in "Luftfahrttechnik-Raumfahrtteclmik" 11 (1965)
Nr. 7, 185-189).
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Pür die Navigationssysteme werden in Zukunft in zunehmendem IIaße
Disitalrechner verwendet, welche auf digitale Weise aus den Beschleunigungsmessersignalen
Ort und Geschwindigkeit des Flugkörpers berechnen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch die Plattformausrichtung
vor dem Start auf möglichst einfache Weise digital durchzllführen.
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Erfindungsgemäß wird dies an einer Einrichtung der eingangs erwähnten
Art erreicht durch Analog-Digital-Wandler zur Umsetzung der Signale in dazu proportionale
Impulsfrequenzen (oder Beschleunigungsmesser mit Impulsfrequenzauegaiig) und Inkrementrechner,
die mit diesen Impulsfrequenzen beaufschlagt sind und nach Maßgabe der tibertragungsfunktionen
für die Aufschaltung der Beschleunigungsmessersignale auf die Drehmomentengeber
Impulsfolgen erzeugen, welche in Form von Normimpulsen unmittelbar auf diese Drehmomentengeber
geschaltet sind.
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Die Beschleunigungsmesser-Ausgangssignale, die zum Zweck der Navigation
im Digitalrechner integriert werden, werden üblicherweise mit einem Wandler analog-digital
gewandelt, der über einen rückgesetzten Integrator Impulse liefert, die Geschwindigkeitsinkrementen
v entsprechen. Diese Impulse werden erfindungsgemäß einem Inkrementrechner zugeführt,
welcher Korrektursignale für die Plattform ausgibt, und zwar ebenfalls in Form von
Impulsen, wobei jeder Impuls einem Nachführwinkelinkrement h entspricht. Die digitale
Ausrichtung hat erhebliche Vorteile gegenüber analogen Ausrichtkreisen . Wegen der
hohen Genauigkeitsforderungen werden an die verwendeten analogen Bausteine große
Anforderungen hinsichtlich Nullpunktsfehlern, Temperaturkonstanz usw. gestellt.
Dies erfordert vielfach vor jedem Einsatz einen zeitraubenden Abgleich des Ausrichtgerätes.
Derartige Probleme treten bei der digitalen Ausrichtung nicht auf.
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Wesentlich für die Erfindung ist, daß unmittelbar auf den Drehmomentengeber
des betreffenden Kreisels Normimpulse gegeben werden, von denen Jeder einem definierten
Nachführwinkelinkrement 8 # entspricht.
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Die Erfindung ist nachstehend an einem AusfUhrungsbeispiel unter Bezugnahme
auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Figur 1 ist eine perspektivische
Darstellung und zeigt die Pl attfor-Stellkre ise zur Ausrichtung um die Niokachse
(Nord-Süd-Achse).
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Figur 2 ist eine schematische Darstellung des Systems zur Ausrichtung
in der Vertikalen.
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Figur 3 ist eine perspektivische Darstellung des Systems zur Azimutausrichtung.
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Figur + ist ein Blockschaltbild fUr die Rori zontalausrichtung.
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Figur 5 zeigt die äquivalente Darstellung dieses Blockschaltbilds
zur Verwendung mit einer digitalen Ausrichtelektronik.
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Figur 6 ist ein Blockschaltbild des digitalen Ausrichtkreises.
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Figur 7 ist ein Blockschaltbild des Systems für die Azimutausrichtung.
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Figur a ist eine Äquivalente Darstellung eines Teils des Blockschaltbilds
von Figur 7 für die Verwendung mit einer digitalen Ausrichtelektronik.
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Figur 9 zeigt einen bei der erfindungsgemäßen Ausrichtelektronik
verwendbaren Inkrement-Integrator.
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Figur 10 ist eine symbolische Darstellung für den Inkrement-Integrator
von Figur 9, wobei durch die Diode das Y-Register bei dem Inkrement-Integrator von
Figur 9 symbolisiert ist.
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Figur 11 zeigt die Ausrichtelektronik für die Ausrichtung in der
Nickachse.
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Figur 12 zeigt die Ausrichtelektronik für die Azimut-Ausrichtung.
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Figuren 1 und g zeigen schematisch den aufbau des Systems zur vertikalen
Ausrichtung.
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Mit 10 ist einq Plattform bezeichnet, welche um die in Nord-Süd-Richtung
verlaufende Nickachse 12 mittels eines Plattformstützmotors 14 verschwenkbar ist.
Die Btschleunigung in Ost-West-Riahtung wird mittels eines Beschleunigungsmessers
16 gemessen, der an einem Abgriff 18 ein Signal liefert Das analoge Signal von dem
Abgriff 18 wird iiittels eines Analog-Digital-Wandlers in eine Impulsfolge usgeeetst,
deren Frequenz dem analogen Signal proportional ist. Diese Impulsfolge wird auf
einen Inkrementrechner 22 gegeben. Der Inkrementrechner 22 und gegebenenfalls ein
diesem nachgeachalteter Impulsformer liefert Normimpulse auf einen Drehmomentengeber
24, der um die Ausgangsachse eines Nordkreisels 26 auf diesen
wirkt.
Der Nord-Ereisel, der die Drehbewegung der Plattform 10 um die Nord-Süd-Achse überwacht,
liefert ein Signal an einem Abgriff 28, welches über einen Stellverstärker 30 auf
den Plattformstützmotor 14 gegeben wird. In Figur 2 ist die Anordnung in schematischer
Seitenansicht dargestellt, wobei mit 23 der Impulsformer bezeichnet ist. Über einen
Eingang 32 wird auf den Drehmomentengeber ein Signal gegeben, welches die an dem
Nord-Kreisel wirksame Komponente der Erddrehung kompensiert.
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Die Wirkungeweise der beschriebenen Anordnung ist wie folgt: Bei einer
Neigung der Plattform 10 gegen die Horizontale, wie sie in Figur 2 übertrieben dargestellt
ist, um einen Winkel 8 P, liefert der Beschleunigungemesser 16 ein Signal durch
die an ihm wirksam werdende Komponente der Erdbeschleunigung. Dieses Signal wird
durch den Analog-Digital-Wandler in eine Impulsfolge umgesetzt. Diese Impulsfolge
wird einem Inkrementrechner 22 zugeführt. Jeder Impuls des Analog-Digital-Wandlers
20 entspricht einem Geschwindigkeitsinkrement # #v. Der Inkrementrechner 22 erzeugt
entsprechend der gewuflechten Übertragungsfunktion, mit welcher die Signale von
dem Beschleunigungsmesser auf den Drehmomentengeber 24 aufgeschaltet werden sollen,
Ausgangsimpulse, die von dem Impulsformer 23 in genau definierte Normimpulse umgeformt
werden. Diese Normimpulse werden unmittelbar auf den Drehmomentengeber 24 gegeben,
wobei jeder Normimpuls einem Winkelinkrementt! des Nachführwinkels entspricht. Durch
die Momente auf den Drehmomentengeber 24 erfolgt eine Auslenkung des Kreisels 26.
Der Abgriff 28 liefert ein Signal, welches über den Steilverstärker auf den Stützmotor
14 gegeben wird und die Nachdrehung der Plattform um das Winkelinkrement hi9 bewirkt.
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Das Beschleunigungssignal an dem Beschleunigungsmesser 16 wird integrierend
aufgeschaltet, d.h. es erfolgt eine Nachdrehung solange bis das Beschleunigungsmessersignal
verschwunden ist, die Plattform 10 also um die Nickachse 12 horizintal ausgerichtet
ist. Aus regeltechnischen Stabilitätsgründen erfolgt außerdem eine proportionale
Aufechaltung. Der Inkrementrechner 22 ist entsprechend ausgelegt, wie weiter unten
noch beschrieben wird.
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Figur 3 ist eine schematisch perspektivische Darstellung der Anordnung
für die selbsttätige Azimutausrichtung.
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Auf der Plattform 10 sind in Figur 3 der Ost-Kreisel 34 mit dem Drall
h eingezeichnet und der Azimutkreisel 36 mit dem Drall H. Mit 38 ist der Nord-13eschleunigungsmesser
bezeichnet, der an einem Abgriff 40 ein analogee Signal liefert. Die eignalübertragenden
Glieder, welches dieses Signal vom Abgriff 40 übertragen, sind der Einfachheit halber
als Verstärker dargestellt und werden weiter unten noch beschrieben werden. Das
Signal von dem Abgriff 40 des Beschleunigungsmessers 38 wird über ein signalübertragendes
Glied 42 auf einen Drehmomentgeber 44 gegeben, der auf den Ost-Kreisel um dessen
Ausgangsachse wirksam ist. Die Bewegung des Kreisels 34 wird von einem Abgriff 46
abgegriffen und über einen Stellverstärker 48 auf einen Plattformstützmotor 50 gegeben.
Der Plattformstützmotor 50 wirkt auf einen Kardanrahmen 52, der um die Ost-West-Richtung
verschwenkbar ist.
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Bei einem Azlmutfehler fühlt der Ost-Kreisel 34 eine Komponente der
Erddrehung, (was er bei richtiger Auerichtung nicht tut) und gibt ein Signal auf
den Stützmotor 50. Dadurch wird die Plattform 10 um die Rollachse o-w (Ost-West-Achse)
verschwenkt, solange, bis das dann vom Abgriff 40 des Beschleun
nigungsmessers
38 gelieferte Signal am Drehmomentengeber 44 des Ost-Kreisels 34 ein Moment erzeugt,
welches dem duroh die Erddrehung hervorgerufenen Präzessionsmoment die Waage hält.
Dieses Signal wird über ein weiteres Übertragungsglied 52 außerdem mit größerer
"Verstärkung" auf einen Drehmomentengeber 54 des Azimut-Kreisels 36 gegeben. Der
Azimut-Kreisel 36 wird dadurch ausgelenkt, und sein Abgriff 56 liefert ein Ausgangssignal,
welches über einen Stellverstärker 58 auf einen Plattformstützmotor 60 gegeben wird,
der die Plattform 10 im Azimut relativ zu dem Kardanrahmen 52 verdreht. Damit verschwindet
der Einfluß der Erddrehung auf den Ostkreisel 54, eo daß über den Plattformstützmotor
50 eine Rückdrehung der Plattform 10 uX die Rollachse o-W erfolgt. Im Gleichgewichtszustand
ist dann die Plattform im Azimut nach Norden ausgerichtet, der Ostkreieel fühlt
keine Komponente der Erddrehung, und die Plattform steht horizontal.
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Dieses Verfahren ist - wie gesagt - mit analogen Gliedern an sich
bekannt.
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Figur 4 ist ein Blockdiagramm für die Vertikalausrichtung der Plattform,
wie sie in Figuren 1 und 2 dargestellt ist.
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Darin bedeuten: A Beschleunigung KA Beschleunigungsmes 3 erkonstante
Kv Integrator-Beiwert Ko Verstärkungsfaktor deg Proportionalzweiges KT Konstante
des Kreisel-Drehmomentengebers H Kreiseldrall g Erdbeschleunigung s Laplace-Operator
UB Ausgangsgröße des Beschleunigungsmessers UV Ausgangsgröße des Integrators UT
Drehmomentengeber Eingangsgröße # Plattformlagewinkel gegenüber dem örtlichen Lot.
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Die bendtigte Ausrichtelektronik ißt der in Figur 4 gestriohelt eingerahmt.
Teil 62 des Regeikreises. Die Beschleunigung A liefert am Ausgang des Beschleunigungsmessers
eine Ausgangs spannung UB, die proportional zu der Beschleunigung A mit dem Proportionalitätefaktor
KA ist. Diese Spannung wird proportional mit der Konstanten Ko übertragen.
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Außerdem erfolgt eine integrierende Übertragung mit dem Integrator-Beiwert
Kv. Es ergibt sich eine Ausgangsspannung am Drehmomentengeber UT. Der Drehmomentengeber
24 erzeugt an dem Kreisel 26 einen Moment X, welches proportional zu UT mit der
Proportionalitätsk9nstanten KT ist.
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Mz sind sonatige an dem Kreisel wirksam Präzessionsmomente.
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Das Moment M bewirkt eine Kreiselauslenkung und eine Änderung des
Plattformlagewinkels # gegenüber dej örtlichen Lot.
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Hierdurch wird eine Änderung der Komponente der Erdbesohleunigung
g bewirkt, die auf den Beschleun gungsmessereingang zur Wirkung komjmt, Figur 5
zeigt eine äquivalente Darstellung des Regelkreises, wobei jedoch die Integration
aus dem Rechner 62' herausgezogen ist. Eg wird also das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers
integriert und liefert eine Spannung Uy.
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Diese wird im Rechner 62' einmal differenziert und einmal proportional
übertragen. Am ausgang des Rechners 62' ergibt sich ein Signal UT. Diese Darstellung
des Regelkreises entspricht der erfindungsgemäßen Ausführung, wie pU8 Figur 6 ersichtlich
ist. Das Signal UB des Beschleunigungsmessers 16 wird über einen Analog-Digital-Wandler
in Gestalt eines Reset-Integratore in eine Impulsfolge ungesetzt, wobei Jeder Impuls
einem Geschwindigkeitsinkrement entspricht. Durch die Analog-Digital-Wandlung erfolgt
also schon eine Integration.
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Die eo erhaltenen Impulse werden auf den Inkrementrechner 22 gegeben
und beaufschlagen über den Impulsformer 23 den
Drehmomentengeber
24 des Kreisels 26. Der Inkrementrechner 22 entspricht also dem Kästchen 62' des
Regelkreises von Figur 5-.
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Figur 7 ist ein Blockdiagramm des Regelkreises für die Az imut-Ausrichtung.
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Das Signal, welches von dem Beschleunigungsmesser 38 (Fig.3) geliefert
wird, und welches sich aus einer Komponente der Schwerebeschleunigung g sowie der
Beschleunigung A zusammensetzt, wird mit der Beschleunigungsmesserkonstante KA in
ein Ausgangssignal U3 umgesetzt. Dieses Signal wird einmal über den Verstärker 42
mit dem Verstärkungsgrad R als Spannung UTR auf den Drehmomentengeber 44 des Ost-Kreisels
34 gegeben. Der Ost-Kreisel erfährt dadurch ein proportionales Moment mit der Drehmomentgeberkonstanten
D R. Auf den Ost-Kreisel wirkt ferner ein Präzessionsmoment h#x entsprechend der
Drehbewegung der Plattform um die Ost-West-Achse. Wenn die Plattform um einen Winkel
8 A im Azimut von der genauen Ausrichtung nach Nord abweicht, dann wirkt auf den
Ost-Kreisel 34. außerdem ein dazu bei kleinen Winkeln proportionales Moment mit
dem Proportionalitätefaktor hQe cos#. Es stellt sich ein Neigungswinkel #R R um
die Rollachse ein, der eine entsprechende Komponente der Erdbeschleunigung auf den
Beschleunigungsmesser 38 wirken läßt, so daß die Momente von der. Erdbeschleunigungskomponente
dem von. dem Beschleunigungsmessersignal hervorgerufenen Moment das Gleichgewicht
halten. Über den "Verstärker" P wird das Beschleunigungsmessersignal außerdem auf
den Drehmomentengeber 54. des Azimutkreisels gegeben, und zwar einmal proportional
mit dem Verstärkungsfaktor. Pl des Proportionalzweiges und einmal integrierend mit
dem Integrator-Beiwert P-1. An dem Drehmomentengeber 54 wird mit ein Signal UTA
wirksam, welches der Konstante KTA des Drehmomentengebers 54 ein Moment auf die
Kreisel-Präzessionsachse
ausübt. Auf diese Achse wirken weiterhin
Störmomente H#z.
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Ferner muß die Komponente #E sin# der Erdbeschleunigung kompensiert
werden. Der Kreisel wird dabei um den Winkel 3A ausgelenkt.
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Eine äquivalente Darstellung, die den Verhältnissen bei einem erfindungsgemälden
Inkrementrechner entsprechen, ist in Figur 8 dargestellt. Es wird dort zunächst
das Beschleunigungsmesserignal UB mit dem Integrator-Beiwert P-1 integriert. Der
Inkrementrechner 64 überträgt dieses Signal einmal direkt und einmal differenziert
mit dem Faktor t1 auf den Drehmomentengeber 54. Außerdem wird das P-1 integrierte
Beschleunigungssignal differenziert mit dem R Faktor auf den Drehmomentengeber 44
des Kreisels 34 P-1 (Fig.3) gegeben.
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Die Beschleunigungsmessersignale werden über Reset-Integratoren (20,
Figur 6) in Impulsfolge umgewandelt, deren Frequenzen der jeweiligen Beschleunigung
proportional ist. Jeder Impuls entspricht also einer bestimmten Geschwindigkeitsänderung
#v. Der Analog-Digital-Wandler in Gestalt des Reset-Integrators führt also bereits
eine Integration aus, wie durch die Blockdarstellung in den Figuren 5 und 8 angedeutet
ist. Der Analog-Digital-Wandler für das Beschleunigungsmessersignal kann somit als
Integrator der Ausrichtelektronik mit mit der Übertragungsfunktion aufgefaßt werden.
Für die s Übertragungsfunktion der eigen-tlichen Ausrichtelektronik, die durch den
eingerahmten Teil 32 des Regelkreises dargestellt ist, gilt somit mit den Bezeichnungen
von Figur 5: UT(s) 1 (1) = + Ks v Ko mit K = Kv
Aus Gleichung (1)
folgt im Zeitbereich die Differenzialgleichung, die von dem Inkrementrechner gelöst
werden muß: U(t) = Uv (t) + K dUy(t) dt (2a) Ur<1(t) dt = Uv (t) dt + K dUV(t)
(2b) Dies erfolgt durch digitale Inkrement-Integratoren, von denen einer in Figur
9 und (in Symboldarstellung) in Figur 10 dargestellt ist.
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In Figur 9 ist mit 66 ein Y-Register bezeichnet, welchem Zählimpulse
entsprechend Inkrementen der abhängigen Variablen Y zugeführt werden. Das Y-Register
gibt somit die abhängige Variable an. Mit 68 ist ein Tor bezeichnet, welches von'den
die Inkremente der unabhängigen Variablen X angebenden Impulsen gesteuert ist. Jeder
dieser Impulse überträgt den Inhalt des Y-Registers auf ein Addierwerk 70, welches
diesen Inhalt des Y-Registers zu dem Inhalt eines R-Registers 72 addiert, wobei
die Speicherkapazität des R-Registers der maximal zu erfassenden Stellenzahl der
abhängigen Variablen Y entspricht. Jedesmal, wenn diese Speicherkapazität erreicht
ist, liefert das R-Register einen Ausgangsimpuls. Die Anzahl dieser Impulse ist
bis auf Rundungsfehler proportional zu dem Integral der abhängigen Variablen Y über
die unabhängige Variable X. Diese Art von Inkrement-Integrator, die Gegenstand der
Patentanmeldung P 17 74 441.1 ist, hat den Vorteil, daß die Addition nur mit dem
Inhalt des R-Registers durchgeführt zu werden braucht, so daß die Anzahl der z.B.
für eine Serienaddition erforderlichen Takte geringgehalten werden kann.
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Für den Algorithmus des Integrators gilt:
Yn= Yn-1
+ tLYn (3a) Rn = Rn-1 + Yn #Xn - #Zn (3b) # Zn = Yn #Xn - (Rn - Rn-1) (3c) Der Ausdruck
#R = Rn - Rn-1 (4) wird als Rundungskorrektur bezeichnet. Der Integrator wird derart
ausgelegt, daß die Rundungskorrektur vernachlässigbar klein ist.
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Mit einer solchen Integratoranordnung ergibt sich als Schaltung zur
Lösung der Gleichung (2b) wie in Figur 11 angegeben ist, wobei die Differentialgleichung
durch eine Differenzengleichung angenähert ist. An dem Eingang 74 erscheinen Impulse,
von denen jeder einem Geschwindigkeits-Inkrement entspricht (#Uv). Diese Impulse
gehen über eine Leitung 76 auf das "Y"-register 78 des Inkrement-Integrators 80,
welches den Wert Uv enthält. Dieser peicherwert wird jeweils nach der Zeit #t (der
unabhängigen Variablen) auf das R-Register übertragen, so daß Impulse (# Zn), Figur
9, erscheinen, die jeweils einem Inkrement hI2 = Uv # bt entsprechenden. Außerdem
steuern die #Uv-Impulse von dem Beschleunigungsmesser und dem diesem nachgeschalteten
Analog-Digital-Wandler als unabhängige Variable (entsprechend #Xn von Figur 9) über
den Eingang 82 ein Tor für die digitale Darstellung der Konstanten K, die an die
Stelle des Y-Registers 66 in Figur 9 tritt. Es entstehen dann Ausgangsimpulse, die
jeweils einem Inkrement #I1 = K#Uv entsprechen.
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Die Impulse #I1 und bI2 werden mittels eines "digitalen Servos" 84
summiert, so daß Impulse entstehen, von denen jeder eine Inkrement UTt entspricht.
Dieser digitale Servo ist ähnlich aufgebaut wie der Inkrement-Integrator von Figur
9 und enthält ein Register 86, in welches die nI1-und #I2#Impulse, sowie subtraktive
Ausgangsimpulse über die Leitung 88 zugeführt werden. flas Tor (entsprechend 68
von Figur 9) wird von Taktimpulsen über Leitung 90 gesteuert.
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Es werden die #I1-und #I2-Impulse in das Register 86 eingezählt. Der
Inhalt des Registers 86 wird mit dem Takt (Leitung 90) zu dem Inhalt des R-Registers
addiert, wobei die Ausgangsimpulse Jeweils subtraktiv dem Register 86 zugeführt
werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Ausgangsimpulse Inkrementen
entsprechen, die der Summe der Inkremente der Eingangsimpulse gleich sind.
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Es stellt sich nun die Frage, welchen Wert ein Inkrement UT #t hat.
Im analogen Fall wurde ja dem Drehmomentengeber 24 eine Spannung UT zugeführt und
nicht eine Größe UT#t.
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d# ## Es gilt: M = UT KT = K # (5) H UT #t = ## (6) KT H Da eine Plattformkonstante
ist, ergibt sich, daß ein KT UT#t-Impulse einer bestimmten Änderung ## (Inkrement)
der Plattformlage # proportional ist. Werden also die Inkremente UT bt, die sich
aus der Schaltung nach Figur 11 ergeben, auf den Drehmomentengeber 24 geschaltet,
so ergibt sich für jedes Inkrement (Impuls) eine Nachführung der Plattform um ein
Winkelinkrement##.
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werden die Integratoren in Figur 11 in Serie durchgerechnet, so kann
der digitale Servo 84 entfallen. Die #I1 und #I2-Impulse können dann direkt auf
den Pulsformer 23 für den Drehmomentengeber 24 geschaltet werden.
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Wirkt um die Ausgangsachse des Kreisels ein Störmoment M (Figur 5),
so lauft im stationären Zustand im Uv@Register 78 des Integrators 80 ein Wert auf,
der diesem Störmoment direkt proportional ist. Dadurch kann bei Auslesung des Uv
Registers und Kenntnis der von Kreisel gefühlten Komponenten der Erddrehung eine
Driftermittlvng (Trimmung) durclogeführt werden.
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Figur 11 zeigt, daß im stationären Zustand (#Uv = O) nur der Integrator
80 durchgerechnet wird0 Dadurch ergibt sich über den aufgelaufenen Wert für Uv eine
Folge von #I2-Inkrementen (Impulsen), deren Frequenz konstant ist. Diese Impulsfolge
konstanter Frequenz erzeugt über den Drehmomentengeber ein konstantes, mittleres
Moment, das gleich dem Störmoment, diesem aber entgegengerichtet ist.
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Für die Azimut-Ausrichtung ergibt sich aus Figur 8: P1 UTA (s) = Uv1
(s) + Uv1 (s) (7) P-1 UTA (t) dt = Uv1 (t) dt + P dUv1 (8) P1 P-1 und weiter UTR
(s) = K/P-1 Uv1 (s) s (9) UTIt (t) dt = Q dUv1 (10) Q=R/P-1
Die
Realisierung der Gleichungen (8) und (io) in einem Inkrementrechner führt zu der
Schaltung von Figur 12.
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Der Rechner nach Figur 12 enthält drei Integratoren 92, 94 und 96.
An einem Eingang 98 werden dem Rechner Impulse von dem dem Beschleunigungsmesser
38 nachgeschalteten Reset-Integrator zugeführt, von denen jeder einem Inkrement
#Uv1 entspricht. In dem Integrator 92 ist in einem Register 100 ein Wert entsprechend
der Größe T gespeichert. Der Integrator 92 wird von den #Uv-1Impulsen als unabhängiger
Variabler (entsprechend Cn in Figur 9) getaktet. Er liefert Ausgangsimpulse #I3
= P#Uv1 Der Integrator 94 enthält ein Register 102, dem die Inkremente #Uv1 zugeführt
werden, in welchem also Uv1 gespeichert ist. Der Integrator 94 wird von Zeitimpulsen
#t getaktet und liefert Ausgangsimpulse #I4 = Uv1#t Der Integrator 96 schließlich
enthält ein Register 104, in welchem die Größe Q gespeichert ist. Der Integrator
wird von den #Uv1-Impulsen getaktet und liefert Ausgangsimpulse #I5 = Q #Uv1 Die
Impulse #I3 und hI4 werden über einen digitalen Servo addiert und ergeben Ausgangsimpulse
UTA #t e-ntsprechend Gleichung (8). Am Ausgang des Integrators 96 ergeben sich Impulse
UTR#t entsprechend Gleichung (10).
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Steht kein programmierbarer Inkrementrechner zur Verfügung, der die
Gleichungen zur Ausrichtung lösen kann, so kann ein
relativ einfacher
digitaler Ausrichtregler (rechner) aufOebaut werden, der aus Gründen minimalen Bauelementenbeüaris
seriell arbeiten sollte. Er besteht dann nur aus einem Integrator, zwei Umlaufspeichern
mit einer Kapazität von fünf Wörtern und einem Steuerwerk für die Ablaufsteuerung.
Die Inkremente der seriell durchgeführten Integrationen werden dann nach Durchrechnung
der einzelnen Integratoren als Impulse auf die Impulsformer des entsprechenden Drehmomentengebers
(reisel) geführt. Steht ein Inkrementrechner zur Ausrichtung zur Verfügung, so können
die Ausrichtgleiehunen entsprechend den Rechenvorschriften nach den Schaltungen
in Figuren 11 und 12 für diesen programmiert werden. Dabei spielt es prinzipiell
keine Rolle, ob parallel oder seriell gerechnet wird.
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Ganz ähnlich wie hier dargestellt ist, können beliebige Reglerkonfigurationen
realisiert werden, die sich dann nur im Aufwand an Speicherkapazität bei der Realisierung
unterscheiden. Es können sich auch unterschiedliche Grundtaktfrequenzen ergeben,
die jedoch prinzipiell an dem Gerät nichts ändern. Die Rechengeschwindigkeit muß
so gew:hlt werden, daß während eines Rechenzyklus höchstens je ein #Uv und #Uv1
Inkrement auftreten kann.
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Statt eines Beschleunigungsmessers mit nachgeschaltetem Reset-Integrator
kann auch ein Beschleunigungsmesser verwendet werden, der unmittelbar einen Impulsfrequenzausgang
liefert.