DE2310767B2

DE2310767B2 - Einrichtung zur Stabilisierung einer in einem Kardanrahmen aufgehängten Plattform

Info

Publication number: DE2310767B2
Application number: DE2310767A
Authority: DE
Inventors: Johan Hendrik Spenkelink; Sjoerd Tijsma
Original assignee: Thales Nederland BV
Current assignee: Thales Nederland BV
Priority date: 1972-03-15
Filing date: 1973-03-03
Publication date: 1978-08-10
Also published as: US3986092A; SE385500B; NL7203387A; JPS55683B2; CA999360A; FR2175927B1; NO135799B; DE2310767C3; CH560888A5; AU5314673A; FR2175927A1; IT979715B; DE2310767A1; NO135799C; BE796741A; AU472467B2; JPS493657A; NL165583C; NL165583B; GB1424016A

Description

35

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Stabilisierung einer in einem Kardanrahmen aufgehängten Plattform um zwei senkrecht zueinander stehende Achsen unter Verwendung eines kreiselgesteuerten Servosystems, das zur Stabilisierung um jede dieser beiden Achsen einen Servo-Vorverstärker und einen daran angeschlossenen und durch eine Motor-Tachokombination gegengekoppelten Servo-Endverstärker umfaßt, wobei der von dem Servo-Endverstärker gesteuerte Motor die Plattform um die betreffende Achse in bezug auf den Rahmen kippen kann.

Eine entsprechende Einrichtung zur Stabilisierung einer in einem Kardanrahmen aufgehängten Plattform so ist in der US-Patentschrift 33 58 285 beschrieben.

Eine solche Stabilisierungseinrichtung wird unter anderem auf Schiffen eingesetzt, wo ein Radarantennensystem auf einer stabilisierten Plattform angeordnet werden soll. Die Plattform wird dann in zwei konzentrischen Kardanringen aufgehängt, von denen der äußere schiffsfest angeordnet ist. Aus der genannten US-Patentschrift ist zu entnehmen, daß der äußere Kardanring parallel zur Decksebene fest durch die Innenwand eines nahezu kugelförmigen und schiffsfest angeordneten Radoms unterstfitzt wird.

Die Servomotoren, mit denen die Plattform in den Kardanringen um zwei senkrecht zueinander stehenden Achsen gekippt werden kann, befinden sich dabei auf dem Kardanrahmen. Wird angenommen, daß die Plattform eine vollstabilisierte Lage einnimmt, d. h. ständig auf einen die Vertikale bestimmenden Vertikalkreisel nachgesteuert ist und anschließend Schlingerbewegungen des eigenen Schiffes auftreten, so werden wegen der Anordnung der Motoren auf dem Kardanrahmen die Achsen der entsprechenden Motoren in bezug auf das Schiff eine Rotation ausführen. Die mit den Motoren gekoppelten Tachogeneratoren werden daher dem Servo-Endverstärker eine Gegenkopplungsspannung zuführen, was bewirkt, daß die von diesem gesteuerten Motoren die stabilisierte Plattform ein wenig aus der vollstabilisierten Lage bringen.

Eine mögliche Lösung dieses Problems wäre das Entfallen der Tachogegenkopplung, was jedoch nicht in Frage kommt, da die Eigenschaften des Servosystems dadurch wesentlich beeinträchtigt würden. Eine andere Lösung; wäre, statt einer direkten Rückkopplung der Motorbewegung mit Hilfe des Tachogenerators, die Tachogegenkopplung zu unterlassen und dafür eine Rückkopplung der Plattformbewegung zu veranlassen. Dazu nmuß von einem auf der Plattform angeordneten Drehgeschwindigkeitsmesser Gebrauch gemacht werden, z.B. von einem Wendekreisel oder von einem integrierenden Drehbeschleunigungsmesser. Ob in der Stabilisierungseinrichtung eine Rückkopplung der Motorbewegung oder eine Rückkopplung der Plattformbewegung mit einer entsprechenden Dimensionierung realisiert wird, bleibt für die dynamischen Eigenschaften in bezug auf unter anderem den stabilisierenden Effekt und die Störmomentfestigkeit gleichgültig. Um durch Rückkopplung der Plattformbewegung dennoch die Lösung des im obigen aufgezeigten Problems herbeizuführen, wäre eine Gegenkopplungsspannung von nahezu Null erforderlich, da die absolute Bewegung der grundsätzlich horizontal stehenden Plattform gemessen wird. Diese Spannung wird auch nicht als störend erfahren und braucht daher nicht durch eine Steuerspannung kompensiert zu werden, die normalerweise aus einem Nachsteuerfehler erhalten wird, d. h. einem Fehler, der einer Abweichung der Lage der Plattform gegenüber der des Vertikalkreisels entspricht Der Nachsteuerfehler wird dann auch nahezu Null bleiben, und die Plattform wird ihre horizontale Lage beibehalten. Daß diese Lösung in der Praxis nicht den Erwartungen entspricht, ist dem Zahnradübertragungssystem zwischen Motor und Drehgeschwindigkeitsmesser (Plattform) zuzuschreiben. Das hierdurch auftretende Spiel sowie Federerscheinungen haben zusammen mit den vorhandenen Massen eine die Unstabilität fördernde Auswirkung auf den Tachokreis, der nun durch den Motor, das Übertragungssystem, den Drehgeschwindigkeitsmesser und den über diese Glieder gegengekoppelten Servo-Endverstärker gebildet wird. Die Resonanzfrequenz des durch die Plattform und das Zahnradübertragungssystem gebildeten Systems von Masse und Federung beschränkt die Bandbreite des Tachokreises so wesentlich, daß die verlangte Systembandbreite nicht realisierbar ist

Aufgabe der Erfindung ist es, hier abzuhelfen und eine Stabilisierungseinrichtung zu schaffen, bei der der auftretende Servofehler auf ein Minimum reduziert ist

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Einrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kardanrahmen zwei Meßgeräte angeordnet sind, von denen jedes ein ein Maß für die Drehgeschwindigkeit des Kardanrahmens um die betreffende Achse bildendes Signal liefert und mittels eines Tiefpaßfilters mit dem Servo-Endverstärker verbunden ist, und daß das Tiefpaßfilter derart bemessen ist, daß der Gradient einer Kombination von Meßgerät und daran angeschlossenem Tiefpaßfilter weitgehend dem der entspre-

chenden Motor-Tacho-Gegenkopplungskette entspricht und die Zeitkonstante des Tiefpaßfilters so groB inwählt ist, wie dies ohne Beeinträchtigung der beabsichtigten Fehlerreduzierung des Servosystems möglich ist.

Der Erfindungsgedanke besteht son.it darin, ein Kompensationssignal für die Tachogegenkopplungsspannung in das Servosystem einzugeben und dafür ein Signal zu benutzen, das völlig außerhalb des Servokreises erzeugt wird und folglich von allen, namentlich mechanischen, UnvoUkommenheiten des Servokreises befreit ist

Als Meßgeräte werden Drehgeschwindigkeitsmesser (Wendekreisel) eingesetzt; obschon Drehbeschleunigungsmesser mit Seitenempfindlichkeit, anwendbar sind, sind diese wegen des damit verbundenen höheren Aufwandes nicht empfehlenswert

Die Erfindung ist anhand der Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die Stabilisierungseinrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 ein stark vereinfachtes Blockschema, anhand dessen die Arbeitsweise der Stabilisierungseinrichtung nach der Erfindung dargelegt wird, und

Fig.3A—C und Fig.4 Diagramme zur näheren Erläuterung.

In F i g. 1 ist die um die Achsen 1 und 2 zu stabilisierende Plattform mit 3 bezeichnet Die Plattform hängt in einem Kardanrahmen, von dem der innere Kardanring mit 4 und der äußere Kardanring mit 5 bezeichnet ist Letzterer ist schiffsfest und parallel zur Decksebene angeordnet In der vorliegenden Ausführung befindet sich auf der Plattform 3 ein Kreiselkompaßgehäuse 6, in den ein Vertikalkreisel 7 kardanisch aufgehängt ist Dieser Kreisel wird in einer solchen Lage gehalten, daß seine Drehachse eine Richtung senkrecht zur Erdoberfläche einnimmt Dies erfolgt in üblicher Weise durch zwei nicht in der Figur dargestellte Translationsbeschleunigungsmesser mit angeschlossenen Verstärkerschaltungen und den mit dem Kreisel gekoppelten Drehmomenterzeugern 8 und 9. Wie der Kreisel in eine Vertikallage gebracht und danach in dieser Lage gehalten werden kann, ist bekannt

Befindet die Plattform sich nicht in einer rein horizontalen Lage, d.h, ist die Plattform nicht völlig zum Kreisel 7 ausgerichtet, wird von einem oder von beiden mit dem Kreisel verbundenen Synchros IO und 11 eine Fehlerspannung abgegeben. Im nachstehenden werden nur die Plattform- und Schlingerbewegungen um die Achse 1 einer Betrachung unterzogen. Für die Achse 2, um die die Plattform sich kippen läßt und auf welche die Schiffsschlingerbewegungen bezogen sind, gelten sinngemäß die gleichen Überlegungen. Es sei angenommen, daß eine vom Synchro 11 abgegebene Fehlerspannung ε einem Servo-Verstärker zugeführt wird, der aus einem Servo-Vorverstärker 12 und einem damit verbundenen und mittels einer Motor-Tachokombination 13,14 gegengekoppelten Servo-Endverstärker 15 aufgebaut ist. Der vom Servo-Endverstärker gesteuerte Motor 13 läßt die Plattform unter Einschaltung des Zahnradübertragungssystems 16 so um die Achse 1 kippen, daß der Nachsteuerfehler ε auf Null reduziert wird, oder aber bis die Plattform völlig zum Kreisel ausgerichtet ist.

Die Ausführung des Servo-Verstärkers ist auf vielerlei Art möglich. In der vorliegenden Ausführung umfaßt der Servo-Vorverstärker 12 der Reihe nach einen Demodulator 17, ein Filter 18, das so bemessen ist, daß der im Nachsteuersignal enthaltene und vom Kreisel herrührende Nutationsfrequenzanteil in ausreichendem Maße unterdrückt wird, sowie ein integrierendes Netzwerk 19. Der Servo-Endverstärker 15 besteht beispielsweise aus einem Summierverstärker 20, dem sowohl die Ausgangsspannung des Servo-Vorverstärkers 12 als auch die des Tachogenerators 14 zugeführt wird, einem Verstärker mit Kompensationsnetzwerk 21, sowie aus einem gegengekoppelten und durch einen Pulsbreitenmodulator 22 und eine schaltende Brückenanordnung aus Leistungstransistoren 23 gebildeten Verstärker, wobei der Motor 13 in die Brückenanordnung aufgenommen ist Die Gegenkopplung wird mit Hilfe eines Regelverstärkers mit integrierendem Netzwerk 24 und dem Summierverstärker 25 realisiert und dient zum Erhalt einer besseren linearen Spannungsverstärkungscharakteristik. Zur Gewährleistung einer guten Arbeitsweise des Servo-Endverstärkers muß wegen der Einführung eines integrierenden Netzwerkes in letztgenannte Kopplungskette der Verstärker 21 ebenfalls mit einem integrierenden Netzwerk versehen sein, vorzugsweise mit einer entsprechenden Zeitkonstanten wie die des integrierenden Netzwerkes in der Gegenkopplungskette. Da die spezifische Ausführung des Servo-Endverstärkers für die Erfindung selbst nicht wesentlich ist, werden außer den obigen Angaben über den verwendeten Typ keine näheren Details genannt Es sei nochmals betont, daß zahlreiche andere Typen von Servo-Endverstärkern ebenfalls anwendbar sind.

Die Motor-Tachokombination 13, 14 ist am äußeren Kardanring 5 befestigt Wird angenommen, daß die Plattform mit dem Kreisel ausgerichtet ist, d. h. die Fehlerspannung e=0 ist und anschließend eine Schlingerbewegung des eigenen Schiffes um die Achse 1 auftritt, wird das Motorgehäuse einer Schwenkung entsprechend der Schlingerbewegung des Schiffes ausgesetzt und die Motorachse einer Schwenkung gegenüber dem Motorgehäuse, wodurch der Tachogenerator 14 eine Spannung abgibt, die nach Weiterleitung an den Servo-Endverstärker 15 bewirkt, daß der Motor 13 die Plattform aus seiner Horizontallage bringt und daß eine Fehlerspannung ε erhalten wird, die über den Servo-Vorverstärker die vom Tachogenerator gelieferte Spannung teilweise kompensiert

Gemäß der Erfindung wird dem Servo-Endverstärker nun eine Korrekturspannung zugeführt, die durch Einschaltung eines Demodulators 26 und eines Filters 27 einem Drehgeschwindigkeitsmesser 28 auf dem Kardanring 5 entnommen wird.

Gleicherweise enthält die Stabilisierungseinrichtung einen zweiten Drehgeschwindigkeitsmesser 29 zur Kompensation der im Servosystem auftretenden Fehler, welches System zur Nachsteuerung der Plattform um die Achse 2 dient Anhand von F i g. 2 wird nun näher erläutert, welche Auswirkung die Hinzufügung des Drehgeschwindigkeitsmessers hat und wie das Filter 27 bemessen sein muß, um unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Servo-Vorverstärkers und des Tachokreises eine optimale Kompensation für vorgenannte Servofehler zu erhalten.

In F i g. 2 werden der Servo-Endverstärker 15, der Motor 13 und das Zahnradübertragungssystem 16 zusammen durch die Einheit 30 dargestellt; die Übertragungsfunktion dieser Einheit wird mit H\(s) bezeichnet Die in Fig.2 mit 31 bezeichnete Einheit stellt den Tachogenerator dar, der unmittelbar auf die Position der Achse gegenüber dem Kardanring 5 bezogen ist und eine Übertragungsfunktion besitzt, die

mit H₂(S) bezeichnet wird. Für die Übertragungsfunktion des Tachokreises gilt daher:

werkes 19. Die Größen k_u Ar₂, T_n, und T₁, sind so gewähl daß

A₁A₂ =

s) H₂(S)

was sich als

T₁.

Unter dieser Bedingung gilt für H₁U):

32

H₁(S) H₂(S)

schreiben läßt.

Der Servo-Vorverstärker ist in Fig.2 mit bezeichnet und besitzt eine Übertragungsfunktion...,_,.

Der Drehgeschwindigkeitsmesser mit Filter und Demodulator ist in Fig.2 mit 33 bezeichnet. Die Übertragungsfunktion dieser Einheit wird mit Ηφ;) angedeutet.

Für die Übertragungsfunktionen H\ (s), H₂(s) und H₃(s) gelten folgende Beziehungen:

H₁ (S) -

1 + sT_r + S²Tl

10

15

20

(S) = k,

.S(I +s T₁J(I +sT_r) ·

H₂(S) = /c₂-s.

worin Ari, Ar₂ und Ar₃ die Gleichspannungsverstärkung de:r Einheiten 30,31 bzw. 32 darstellen, T_n, die mechanische Zeitkonstante des Motors zuzüglich der damit gekoppelten Belastung, T_v die elektrische Zeitkonstante des Servo-Endverstärkers und Ti die Zeitkonstante des zum Servo-Vorverstärker gehörigen integrierenden

H₄(S) In Fig.2 ist die durch die Lage des Kreisel; gekennzeichnete Führungsgröße mit ψ_ι angegeben Hierauf wird die Plattform (deren Winkeldrehung durcr q>p\ angedeutet wird) nachgedreht. Für den vom Synchn 11 abgegebenen Nachsteuerfehler ε gilt: ε=φ,-φ_ρ\ hierbei sind φ, und φ_ρί auf ein erdfestes Koordinatensy stern bezogen. Auch sind in F i g. 2 die Eingaben φ</ un q>_s angegeben, wobei q>_d eine Schiffsschlingerbewegun darstellt, die am Aufstellungsort der Plattform auftritt

Eigentlich umfaßt φα auch noch die relative Verfor mung der Plattformunterstützung gegenüber dei Schiffsachsen. Obschon außer den niederfrequentei Schiffsschlingerbewegungen qs_d auch hochfrequent Komponenten (Vibrationen des Schiffes) und ander Unvollkommenheiten bei der Drehgeschwindigkeits messung vorkommen, z. B. durch Kardanfehler unt Empfindlichkeit für Geschwindigkeitskomponenten ir anderen Richtungen, werden diese Anteile getrenn durch das zugeführte Störsignal <p_s bezeichnet wodurch g>dim wesentlichen die niederfrequente Schiffsschlinger bewegung vertritt Als Eingabe für die Einheit 33 dien daher (pd+φ* während gvsich andererseits unmittelba auf die Plattformbewegung auswirkt entsprechend φ_Ρ\=φ<ι+φπ>, worin <p_m die Position der Motorachse gegenüber dem Kardanring 5 darstellt Für das in dieser Weise verwirklichte System gilt nun:

25

30

»(■ -■»&·»■<■>)+<■■■*& ■»■<■> -

Die vom Kreisel bestimmte Führungsgröße φ, kann auf Null angesetzt werden. Zunächst wird der Einfluß der niederfrequenten Schiftsbewegung auf das Servosystem ermittelt, d. h., daß zuerst g>_s=0 angenommen wird. Für obige Beziehung ist folgende Ableitung möglich:

45 jedoch nicht zu verwirklichen ist, da H*(s) nicht konstant zu sein braucht. So können z. B. durch Kardanfehler Gradientschwankungen bei der Drehgeschwindigkeitsmessung auftreten. /Z₄^wird nun wie folgt gewählt:

H₄(S)
H₂(s)

■ H,(s) H₄(S) = k₂s

sT_c

i +

H₃(S)
H₂(s)

H₁(S)

Daraus yeht hervor, daß falls

W₄ (S) =

H₂(s) H,(S) hierin ist &k₂ der Gradient der Drehgeschwindigkeits messung. Für eine optimale Kompensation muß <x=l sein. Das Filter 27 ist daher als Tiefpaß ausgebildet; die Zeitkonstante T_c ist unter anderem so gewählt, daß da! Störsignal φ₅ ausreichend abgeschwächt wird, worau noch näher eingegangen wird.
Das Glied

angenommen wird, der Nachsteuerfehler ε = 0 ist, mit anderen Worten: die Plattform bleibt zum Kreisel ausgerichtet und die infolge der Schiffsbewegung auftretende Tachogeneratorenausgangsspannung wird völlig durch die vom Drehgeschwindigkeitsmesser erhaltene Korrekturspannung kompensiert. Da die Frequenzanteile von φα innerhalb dec

Bandbreite\~~f~)des Tachokreises liegen werden und

innerhalb dieser Bandbreite gilt, daß H(s)c*\, würde en genügen, Ηφ) gleich groß wie H₂(s) zu wählen, wa:;

60 wodurch eine zusätzliche Abschwächung für g> </ eingeführt wird, wird nun — zumindest innerhalb der Bandbreite des Tachokreises — wie folgt:

b5 (I -«)■ —

ι + .s-7;"

Für Frequenzen unterhalb

H-b)

setzt daher eine wirksame Fehlerreduzierung ein. Außerdem läßt sich feststellen, daß, je mehr der Faktor <x von 1 abweicht, desto kleiner T_c gewählt werden muß, um noch eine akzeptable niederfrequente Fehlerreduzierung zu erhalten. Die optimale Verbesserung ist ι ο jedoch auf einen Faktor -f— beschränkt Ohne eine Kompensation mit Hilfe der Einheit 33 würde

15

I +

H₃(s) H₂(S)

■ H₁(S)

welcher Ausdruck nach Einsetzen von H₂(S), H^s) und H{s) und dabei angenommen, daß -ψ-- > K_aTvTj< 1 ist, wobei

und

20

K₁₁ =

ist, angenähert werden kann durch

I + sTi +

25

30

35

Das Bodesche Diagramm für diesen Ausdruck ist in Fig.3A mit K₁= 160 see-², 7}=0,U2sec, Ty=53 · ΙΟ-³ see gegeben. F i g. 3B zeigt das Bodesche Diagramm für das die zusätzliche Abschwächung einführende Glied

1 -

wobei (X=03 angenommen und für T_c= 0,04 see gewählt ist F i g. 3C ist das Bodesche Diagramm bei Kombination der beiden letztgenannten Glieder zu entnehmen. Zur Ermittlung des Einflusses des Störsignals q>_s auf

das Servosystem, wofür <pd=O angenommen wird, gilt folgende Forme!:

7»

H₁(S)

1 +

H₂(S)

H₁(S)

Nach Einsetzung von H₂(s), H₃(s), H^s) und //,ßj und unter den gleichen Annahmen für Tj, T_v und K₁ wird dieser Ausdruck

sT_r

1 + s T₁ + -^-

I + sT_r

Das Bodesche Diagramm hierfür ist Fig.4 zu entnehmen, wobei <% = 1 und K₁, Tj, 7"_vund T_c wie oben angenommen sind.

Wie aus der Figur hervorgeht, wird unterhalb der Systembandbreite (jfK\) die Störungsunterdrückung durch die Übertragungsfunktion des Hauptkreises bestimmt Oberhalb der Bandbreite ist die Störungsherabsetzung zunächst von T_c abhängig, weshalb es vorteilhaft sein würde, diesen Wert ziemlich groß zu wählen. Auch sollte berücksichtigt werden, daß φ* an sich ziemlich klein ist was vor allem für den Frequenzbereich in der Nähe der Bandbreitengrenzen von Wichtigkeit ist

Wie bereits erwähnt wird die Wahl von T_c durch den Wert mitbestimmt, den λ annimmt Je mehr λ von 1 abweicht desto kleiner T_c zu wählen ist, damit noch eine günstige niederfrequente Fehlerreduzierung erhalten wird. Eine Vergrößerung von T_c kann dagegen für eine gute hochfrequente Störungsunterdrückung von Wichtigkeit sein; ein zu großer Wert von T₀ beeinträchtigt jedoch die beabsichtigte Fehlerverringerung. Außerdem ist zu berücksichtigen, daß bei der Wahl von T_c die Systembandbreite wegen der zwischen ~2fK, und

-^- auftretenden Resonanzfrequenzen, die durch das

aus der Plattform und dem Übertragungssystem gebildete System von Masse und Federung eingeführt werden, beschränkt gehalten werden muß. Die Wahl von T_c wird daher eine Kompromißlösung zwischen den genannten Faktoren erforderlich machen. Die vorgenannte Wahl von T_c=0,04 see ergibt jedoch bereits eine beachtliche Fehlerverringerung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zur Stabilisierung einer in einem Kardanrahinen aufgehängten Plattform um zwei 5 senkrecht zueinander stehende Achsen unter Verwendung eines kreiselgesteuerten Servosystems, das zur Stabilisierung um jede dieser beiden Achsen einen Serve»-Vorverstärker und einen daran angeschlossenen und durch eine Motor-Tachokombination gegerigekoppelten Servo-Endverstärker umfaßt, wobei der von dem Servo-Endverstärker gesteuerte Motor die Plattform um die betreffende Achse in bezug auf den Rahmen kippen kann, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kardanrah tuen (5) zwei Meßgeräte (28,29) angeordnet sind, von denen jedes ein ein Maß für die Drehgeschwindigkeit des Kardanrahmens (5) um die betreffende Achse (1 bzw. 2) bildendes Signal liefert, und mittels; eines Tiefpaßfilters (27) mit dem Servo-Endverstärker (15) verbunden ist, und daß das Tiefpaßfilter (27) derart bemessen ist, daß der Gradient einer Kombination von Meßgerät (28) und daran angeschlossenem Tiefpaßfilter (27) weitgehend dem der entsprechenden Motor-Tacho-Gegenkopplungskette (13, 14) entspricht und die Zeitkonstante des Tiefpaßfilters (27) so groß gewählt ist, wie dies ohne Beeinträchtigung der beabsichtigten Fehlerreduzierung des Servosystems möglich ist