DE2263338B2 - Nordsuchender Kreisel - Google Patents

Description

richtung mit hohem Dämfpungsgrad wirksam ist, so daß Störbewegungen die angezeigte Nordrichtung unwesentlich beeinflussen.

Als Zustandsvariable kann insbesondere die Winkelgeschwindigkeit, mit welcher das Gehäuse nachgeführt wird, herangezogen werden, wobei für Nordablagen >90° zweckmäßigerweise auch das Vorzeichen der Winkelbeschleunigung berücksichtigt wird. Auch der Winkel zwischen Rahmen und Gehäuse oder die Winkelgeschwindigkeit des Rahmens oder auch die am Stellantrieb anliegende Spannung bzw. der Strom können als Zustandsvariable herangezogen werden. Das im zweiten Arbeitstakt auf dem Stellantrieb gegebene Signal kann, falls der Stellantrieb als Drehmomenterzeuger ausgebildet ist, beispielsweise ein Strom-Impuls konstanten Betrags sein, wobei lediglich das Vorzeichen von der Zustandsvariabien abhängt Der Strom-Impuls kann auch proportional der Zustandsvariabien sein, wobei entweder die Amplitude oder die Pulsbreite veränderbar ist Ist hingegen der Stellantrieb als Servomotor ausgebildet, so wird diesem eine entsprechend veränderbare Spannung zugeführt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand cL-r Zeichnung erläutert Es zeigt

F j g. 1 eine schematische Darstellung eines Kreisels mit Achsenfluchtwinkel und einem Servomotor zum Nachdrehen des Gehäuses,

Fig.2 ein Blockschaltbild eines Kreisels, welcher einen Momentengeber zum Nachdrehen des Gehäuses aufweist,

F i g. 3 die in F i g. 2 verwendeten Winkeldefinitionen.

F i g. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kreisels, dessen Gehäuse 3 mittels zweier Zapfen 3a, 3b in einem angedeuteten Gestell 4 angeordnet ist Das Gehäuse 3 ist um die lotrecht stehende Gehäuseachse 5 drehbar gelagert Ober Zahnräder 6 und 7 wird das Gehäuse 3 von einem am Gestell befestigten Servomotor 8 angetrieben. Am Gehäuse ist anstelle der üblichen Kompaßrose zwecks Vereinfachung eine Pfeilmarke 9 vorgesehen. Diese definiert die Gehäusebezugsachse 2 und weist bei ausgerichtetem Kreisel nach geographisch Nord. Der Kreiselrotor 10 ist in einem Rahmen 12 in Richtung des Pfeiles 11 um die Achse 1 drehbar gelagert Die Rahmenachse 13 ist gegenüber der Gehäuseachse 5 um einen Achsenfluchtwinkel # geneigt Bei ruhendem Kreisel nimmt der Rahmen 12 normalerweise die gestrichelt angedeutete Nullstellung 14 ein. Dabei steht die Rotorachse 1 parallel zur Gehäusebezugsachse 2. Die Auslenkung ist also NuIL In dieser Stellung wird der Rahmen durch die beiden Federn 15 und 16 gehalten. Die geographische Nordrichtung ist durch den Pfeil 17 angedeutet Infolge des bei drehendem Kreiselrotor 10 auf den Ranmen 12 wirkenden nordtreibenden Moments entsteht die gezeichnete Auslenkung des Rahmens um die Achse 13. Die genannte Auslenkung wird durch den Winkelabgriff 18 erfaßt, und es wird bei der gezeichneten Stellung des Schalters 20 ein entsprechendes Spannungssignal den Servomotors zur Nachführung des Gehäuses 3 zugeführt Mit der Welle des Servomotors 8 ist eine Meßvorrichtung 21 eo verbunden, welche der Winkelgeschwindigkeit γ des Gehäuses 3 entsprechende Signale erzeugt und diese in eine Steuervorrichtung 22 gibt Wie leicht nachgewiesen werden kann, ist daher das Vorzeichen der Winkelbeschleunigung γ ein Kriterium dafür, ob die Nordablage 6^r> kleiner oder größer 90" ist. Die Steuervorrichtung 22 client zur Bildung eines Signals U, und zwar in Abhängigkeit von der genossenen Winkelgeschwindigkeit γ und des Vorzeichens der Winkelbeschleunigung γ. Dieses Signal Ukann, falls der Schalter in die gestrichelt eingezeichnete Stellung gebracht ist, über diesem zum Servomotor 8 geleitet werden. Zur Steuerung des Schalters 20 dient die Steuervorrichtung 22.

Für den Kreisel ergibt sich folgende Funktionsweise:

Weist der Rahmen eine Nordablage auf, so wird sich aufgrund des nordtreibenden Momentes zwischen Rahmen und Gehäuse eine Auslenkung ergeben, welche mittels des Abgriffes 18, Verstärkers 19, Servomotors 8 eine Nachführung des Gehäuses 3 mit einer Winkelgeschwindigkeit γ bewirkt Die Nachführung erfolgt hierbei mit einem Dämpfungsgrad, welcher durch die Systemgrößen wie Verstärkungsgrad, Achsenfluchtwinkel entsprechend der gewünschten Störempfindlichkeit festliegt Dieser Dämpfungsgrad ist jedoch für einen schnellen Nordeinlauf ungünstig. In einem zweiten Arbeitstakt wird daher mittels der Steuervorrichtung 22 der Schalter in die gestrichelt eingezeichnete Stellung gebracht Das aus der im ersten Takt gemessenen und abgespeicherten Winkelgeschwindigkeit abgeleitete Signal U gelangt auf den Servomotor 8. welcher mit erhöhter Geschwindigkeit das Gehäuse nachdreht Dies wirkt im Sinne einer Verringerung des Dämpfungsgrades. Anschließend fällt im dritten Arbeitstakt der Schalter 20 wieder in seine dargestellte Stellung zurück und nach einer Beruhigungszeit läuft der Kreisel entsprechend dem ursprünglichen Dämpfungsgrad weiter. Der Servoeinrichtung wird somit ein diskontinuierlich arbeitender Regler im Sinne einrr Verringerung des Dämpfungsgrades aufgeschaltet Diese Aufschaltung erfolgt so lange, bis die Nordablage sehr klein ist Als Abschaltkriterium dient die gemessene Winkelgeschwindigkeit oder auch eine andere Zustandsvariable, die ein Maß für die Nordablage darstellt Anschließend erfolgt die Feinordnung mit dem ursprünglichen Dämpfungsgrad, wobei eine geringe Störempfindlichkeit erreicht wird.

Anstelle der abrupten Herausnahme der Aufschaltung bei Unterschreiten des Abschaltkriteriums kann auch eine stufenweise Herausnahme beispielsweise in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit γ besonders zweckmäßig sein. Die Ausbildung der Steuervorrichtung erweist sich als besonders einfach, w«nn mittels eines Oszillators konstante Taktzeiten für die drei Arbeitstakte vorgegeben werden. Darüber hinaus kann jedoch auch eine Beeinflussung der Taktzeiten, insbesondere durch die Winkelgeschwindigkeit γ, sehr leicht realisiert werden.

In F i g. 2 ist ein vereinfachtes, regelungstechnisches Blockschaltbild eines nordsuchenden Kreisels ähnlich F i g. 1 dargestellt, wobei als Stellglied ein doppelt integrierender Drehmomentengeber vorgesehen ist. Die Inschriften der Blöcke sind die nach der Laplace-Transformation im Frequenzbereich dargestellten Übergangsfrnktionen, wobei s die komplexe Veränderliche bedeutet. Für jeden Block gilt, daß das Produkt aus Eingangsgröße und Blockinschrift gleich der Ausgangsgröße ist. Die Summationspunkte sind als kleine Kreise dargestellt, wobei die Summe der zufließenden Signale unter Berücksichtigung der Vorzeichen gleich der Summe der abfließenden Signrle sein soll. Als ausgefüllte Punkte sind die Verzwtigungspunkte dargestellt, an denen ein Signal zu mehreren Stellen geleitet wird. Die im Blockschaltbild verwendeten Winkel sind in Fig.3 dargestellt. Mit N ist die geographische Nordrichtung bezeichnet, während mit H die Richtung der Rotorachse und mit G die

Gehäusebezugsrichtung bezeichnet ist. Zu Beginn einer Nordsuche besteht zwischen der Nordrichtung N und der Gehäusebezugsachse ein Winkel γ. Aufgrund des nordtreibenden Momentes M_n stellt sich zwischen Gehäusebezugsachse G und der Rotorachse H ein Winkel λ ein. Der Winkel zwischen Nordrichtung Λ/und Rotorachse H wird mit β bezeichnet. Aufgrund des Winkels β entsteht nach dem Präzessionsgesetz bei sich drehendem Rotor das nordtreibende Moment M_n. welches über die Sinusfunktion vom Winkel β abhängt. Zur Vereinfachung wurde diese Abhängigkeit im Block 30 mit dem Drall des Rotors und der Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit zu einer Konstanten K zusammengefaßt. Auf den Rahmen wirkt außerdem das Moment Mpder Federn, welche den Rahmen an das Gehäuse elastisch koppeln und welche gemäß Block 31 eine Federkonstante D aufweisen. Mittels einer Servoeinrichtung enthaltend einen Winkelabgriff für it. einen Verstärker und einen Drehmomentengeber, welcher zwischen Gestell und Gehäuse angeordnet ist. wird das Gehäuse in Abhängigkeit vom Winkel <x nachgeführt. Dies ist durch den Block 32 dargestellt, wobei mit V_s die Gesamtverstärkung der Servoeinrichtung und mit Θα das Trägheitsmoment des Gehäuses bezeichnet ist. Die Nachführung des Gehäuses erfolgt mit der Winkelgeschwindigkeit γ. wobei gemäß Block 33 der Winkel γ zwischen Nordrichtung N und Gehäusebezugsachse G verändert wird. Der Block 34 stellt die der Winkelgeschwindigkeit y proportionale Rückführung infolge des Achsenfluchtwinkels 6 dar. Das derart erzeugte Moment Ma hängt außerdem vom Drall H des Rotors ab. Befindet sich zwischen Gehäuse und Rahmen ein weiterer Drehmomentenerzeuger, so kann gemäß Block 35 ein Drehmoment Mp wirksam gemacht werden. Dieses ist dem zugeführten Strom Ip und dem Verstärkungsgrad Vp proportional. Die Summe der oben angegebenen Momente verleiht dem Rahmen eine Drehbeschleunigung in die Nordrichtung derart, daß entsprechend Block 36 unter Berücksichtigung des Trägheitsmomentes θρ des Rahmens der Winkel β kleiner wird.

Mit der Meßvorrichtung 37 ist eine Steuervorrichtung 38 verbunden, welche einen Speicher 39 und einen Verstärker 40 enthält. Mittels eines Taktgebers 41 können Schalter 42 und 43 geschlossen werden, so daß wenigstens zeitweise ein Strom /»zu dem Drehmomentengeber gemäß Block 35 geleitet werden kann.

Befindet sich der Schalter 43 in der gezeigten Stellung, so wird die momentane Winkelgeschwindigkeit γ in den Speicher 39 eingegeben. In den Taktgeber 41 wird beispielsweise durch Vergleichen zweier nacheinander aufgenommenen Werte der Winkelgeschwindigkeit das Vorzeichen der Winkelbeschleunigung festgestellt. Anschließend werden in einem zweiten Arbeitstakt die Schalter 42, 43 betätigt. Nun

in wird gemäß des im Speicher 39 festgehaltenen letzten Meßwertes für γ und des Vorzeichens der Winkelbeschleunigung mit Hilfe des Verstärkers 40 ein Strom erzeugt, welcher über den Drehmomentengeber 35 den Rahmen beschleunigt in die Nordrichtung führt. Die genannte beschleunigte Nachführung wirkt somit entdämpfend auf den nordsuchenden Kreisel. Daher werden zur Vermeidung von Instabilitäten in einen dritten Arbeitstakt die Schalter 42, 43 wieder in die gezeigte Steiiiing gebracht. Die Nachführung des Kreisels erfolgt dann nach einer kurzen Beruhigungszeit mit dem durch den Achsenfluchtwinkel δ vorgegebenen Dämpfungsgrad. Die beschriebene, im zweiten Arbeitstakt erfolgende Aufschaltung wird mehrmals nacheinander so lange wiederholt, bis γ einen vorgegebenen Wert

:"i unterschritten hat, d. h. bis der Winkel γ nahezu Null ist. Die Grobordnung ist damit abgeschlossen und während der anschließenden Feinordnung läuft der Kreisel mit einem höht.» Dämpfungsgrad auf die genaue Nordrichtung ein. Aufgrund der somit erreichten Reduzierung

>o des Dämpfungsgrades während der Grobordnung wird die gesamte Nordungsi:eit sehr stark verkürzt. Während der Feinordnung ist dennoch eine geringe Störernpfindlichkeit gegeben.

Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daß

Ji der Achsenfluchtwinkel δ (Block 34) zwar keine zwingende Voraussetzung für die vorliegende Erfindung darstellt, aber vorteilhafterweise vorgesehen ist. Wie aus F i g. 2 zu entnehmen ist, kann der Achsenfluchtwinkel jedoch durch die Meßvorrichtung 37, Steuervorrichtung 38 und beispielsweise den Drehmomentengeber 35 ersetzt werden. In diesem Falle muß mittels der Steuervorrichtung 38 sichergestellt werden, daß während der Grobordnung der Dämpfungsgrad klein ist und während der Feinordnung der Dämpfungs-

J5 grad gemäß der zu erwartenden Störmomente entsprechend größer ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Nordsuchender Kreisel mit zwei Freiheitsgraden, dessen den Kreiselrotor aufnehmender Rahmen in einem Gehäuse um eine im wesentlichen lotrechte Achse drehbar angeordnet ist, wobei das Gehäuse in einem Gestell um eine möglichst genau lotrechte Achse drehbar angeordnet ist, und welcher eine Servoeinrichtung mit einem Abgriff für die Auslenkung des Rahmens und mit einem Stellantrieb zur gedämpften Nachführung des Gehäuses im Sinne einer Verringerung der Auslenkung des Rahmens gegenüber dem Gehäuse aufweist, wobei der Dämpfungsgrad der Nachführung mittels einer Steuervorrichtung veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (22; 38) einen Taktgeber (41) zur Steuerung von Arbeitstaken aufweist, daß mittels einer Meßvorrichtung (21; 37) in einem ersten Arbeitstakt eine Zustandsvarjaole (γ) gemessen und in einem Speicher (39) gespeichert wird, wobei die Zustandsvariable (γ) ein Maß für die momentane Nordablage (γ) des Gehäuses (3) darstellt, daß mittels der Steuervorrichtung (22; 38) in einem zweiten Arbeitstakt in Abhängigkeit von der gespeicherten Zustandsvariablen über einen Verstärker (40) und einen Schalter (20,42) ein Signal auf den Stellantrieb (8) gegeben wird, um eine Nachführung mit einem geringeren Dämpfungsgrad als im ersten Arbeitstakt ziu bewirken, daß in einem dritten Arbeitstakt der Schalter (20,42) geöffnet wird und somit nur die Servoeinrichtung wirksem ist, ν~Δ daß der Taktgeber (41) die genannten Arbeitstakte so lange wiederholt, bis die Zustandsvariab'; einen vorgegebenen Wert unterschreitet, so daß nachfolgend der Schalter (20,42) geöffnet bleibt.

   Die Erfindung bezieht sich gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs auf einen aus der DE-OS 19 43 091 bekannten nordsuchenden Kreisel.

   Bei dem bekannten nordsuchenden Kreisel wird aufgrund der angegebenen Anordnung von Rahmen, Gehäuse und Gestell durch die Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit ein nordtreibendes Moment bewirkt, welches den Rahmen um die lotrechte Achse auslenkt. Die Auslenkung wird von einem Winkelabgriff zwischen Gehäuse und Rahmen erfaßt und bewirkt über einen Stellantrieb (z. B. Motor, Drehmomentgeber) eine Nachführung des Gehäuses. Dies geschieht so lange, bis der Vektor der Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit mit dem Drallvektor des Kreiselrotors zusammenfällt, wobei die genannte Auslenkung gleich Null und das Gehäuse auf die Nord-Südrichtung ausgerichtet ist. Ein derartiger nordsuchender Kreisel stellt ein schwingungsfähiges System dar, dessen Einlaufverhallen in die Nord-Südrichtung regelungstechnisch durch den Dämpfungsgrad charakterisiert werden kann. Um eine möglichst kurze Einlaufzeit ohne Überschwingen zu erzielen, wird normalerweise ein Dämpfungsgrad = 1 angestrebt (aperiodischer Grenzfall). Dem steht jedoch oftmals die Forderung nach einer geringen Empfindlichkeit gegen Störbewegungen entgegen, wenn der Kreisel die Nordrichtung etwa erreicht hat Derartige Störbewegungen können beispielsweise durch Vibrationen auftreten, wenn der Kreisel in einem Fahrzeug angeordnet ist Bei dem bekannten nordsuchenden Kreisel wird daher mittels einer Steuervorrichtung der Dämpfungsgrad bzw. die Störbewegungsempfindlichkeit während der Nordsuche verändert Hierbei wird ein sogenannter Achsenfluchtwinkel zwischen Rahmen und Gehäuse, welcher eine dämpfend wirkende Rflckfüh rung der Nachführgeschwindigkeit darstellt, mit mecha nischen Mitteln verändert Es wird somit der üämpfungsgrad entsprechend den Systemgrößen zunächst für eine schnelle Nachführung vorgegeben und anschließend kontinuierlich oder in Intervallen derart erhöht daß für die Feinordnung eine geringere Störbewegungsempfindlichkeit gegeben ist Eine derartige Steuervorrichtung ist mit einem hohen konstruktiven Aufwand verbunden und ist aufgrund der Fertigungstoleranzen bei der Serienfertigung von nordsuchenden Kreiseln nur mit großen Schwierigkeiten hinreichend genau realisierbar.

   Es ist ferner aus der US-PS 35 77 646 ein nordsuchendes Kreiselpendel und ein nordsuchender Kreisel bekannt, enthaltend eine Steuervorrichtung mit einem Zeitglied zur Aufschaltung von Dämpfungskräften in vorgegebenen Arbeitstakten. Es ist hierbei erforderlich, daß die Aufschaltung immer zum richtigen Zeitpunkt vorgenommen wird, ti. h, wenn das Kreiselpendel bzw. der Kreisel etwa die Nordrichtung erreicht hat Schon

   geringfügige Änderungen der Schwingungsdauer des Kreiselpendels oder des durch das Zeitglied vorgegebenen Zeitpunktes können bewirken, daß die Dämpfungskraft wirksam wird, wenn die Nordablage noch recht groß ist oder gar die Nordrichtung bereits überschritten ist Eine sehr lange Nordsuche ist in diesem Falle zu »erwarten.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand einen nordsuchenden Kreisel zu schaffen, welcher einerseits eine kurze Einlaufzeit in die Nordrichtung und andererseits eine geringe Störbewegungsempfindlichkeit und somit eine hohe Genauigkeit aufweist

   Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

   Mit dem erfindungsgemäßen nordsuchenden Kreisel wird eine sehr kurze Einlaufzeit in die Nordrichtung und eine hohe Genauigkeit erreicht, ohne daß bei der Fertigung des mechanischen Teiles des Kreisels ein besonderer Aufwand erforderlich ist. Es wird gegenüber

   so den bekannten Kreiseln lediglich eine geeignete Meßvorrichtung für die Zustandsvariable benötigt sowie eine einfache Steuervorrichtung mit Taktgeber, Speicher und Schalter, wobei mittels des Taktgebers die angegebenen Arbeitstakte gesteuert werden. Aufgrund der im zweiten Arbeitstakt erfolgenden Nachführung mit geringerem Dämpfungsgrad wird zeitweise eine sehr schnelle Nachführung bewirkt, während im dritten Arbeitstakt und der hierdurch bedingten Beruhigungszeit nur noch die Servoeinrichtung mit entsprechend groß gewählter Dämpfung wirksam ist. Der Servoeinrichtung wird also ein diskontinuierlich arbeitender Regler im Sinne einer Verringerung des Dämpfungsgrades aufgeschaltet, mit der Folge, daß ein Überschwingen oder Instabilitäten vermieden werden. Der Taktgeber steuert aber die genannten Arbeitstakte nur so lange, bis die Zustandsvariable und damit die Nordablage einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß anschließend nur die Servoein-