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Steuerung für die Austauchhöhen von Ausfahr-
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geräten bei Ubooten Die Erfindung betrifft eine Steuerung für die
Austauchhöhen von Ausfahrgeräten bei in Schnorchelfahrt befindlichen Ubooten, die
mittels einer Tiefensteuerautomatik in einer vorgewählten Solltiefe gehalten werden,
wobei sich der Istwert der Tauchtiefe in Abhängigkeit vom Steuerfehler der Tiefensteuerautomatik
zeitlich ändert.
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Vor allem für batteriegetriebene Uboote, bei denen die Batterien in
Schnorchelfahrt aufgeladen werden müssen, erhöht sich die Gefahr des Auffassens
erheblich während des Schnorchelns. Ein wesentlicher Teil der Entdeckungsgefahr
liegt in der Möglichkeit, daß die über die Wasseroberfläche hinausragenden Teile
der Ausfahrgeräte mit Radar geortet werden können. Diese Möglichkeit hängt natürlich
wesentlich von der Formgebung der Ausfahrgeräte, insbesondere von der Radarrückstrahlfläche
und damit also von der Höhe ab, mit der diese Geräte frei über der Wasseroberfläche
stehen.
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Uboote werden mit einer Tiefensteuerautomatik in einer vorgegebenen
Tiefe gehalten, die so gewählt wird, daß die bat Schnorchelfahrt längerfristig eingesetzten
Ausfahrgeräte, also beispielsweise das
Sehrohr, der Schnorchel und
das Radarwarnsystem, aus vorher erwähnten Gründen nur so weit aus dem Wasser herausragen,
wie es zur Erfüllung ihrer jeweiligen Aufgaben gerade erforderlich ist. Aller dings
verändert das Boot seine Tauchtiefe in Abhängigkeit vom system bedingten Tiefensteuerfehler
bzw. der Regelcharakteristik der Steuer automatik, und zwar annähernd sinusförmig,
wobei man bei glatter See mit Tiefenänderungsamplituden bis zu etwa + o,25 m rechnen
kann, während bei normalem Seegang Amplituden bis zu etwa + 0g5 m zu erwarten sind,
Aus diesen Umständen ergibt es sich, daß die Gefahr, bei dieser Art Schnorchelfahrt
von Radar aufgefaßt zu werden, vor allem beim Durch lauf der positiven Amplituden
gegeben ist, wobei noch hinzukonuirt, daß die Ausfahrlagen der Ausfahrgeräte entsprechend
hoch einzustellen sein werden, damit die Geräte bei den negativen Amplituden nicht
unter Wasser gelangen und damit zeitweilig funktionsunfähig oder nicht betriebsbereit
sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Beseitigung der aufgezeigten
Nachteile und in der Schaffung einer Steuerung fClr die Austauchhöhen von Ausfahrgeräten
bei Ubooten, mit weicher der Ausfahrhub der augenblicklichen und tatsächlichen Tauchtiefe
des Bootes entsprechend korrigiert werden kann, und zwar zwecks Kompensation des
Steuerfehlers der Tiefenautomatik oder sonstiger äußerer Einflüsse auf das Tauchyerhaltent
Auf diese Weise soll also erreicht werden können, daß die Ausfahrgeräte konstant
auf einer vorgewählten und optimalen Nullage in bezug auf die WAsserlinie gehalten
werden können,
so daß stets ein Minimum an Radarrückstrahlfläche
gegeben ist, Zu diesem Zweck wird die einleitend erwähnte Steuerung nach der Erfindung
so ausgebildet, daß aus dem zu messenden, den Tiefensteuerfehler einschließenden
Istwert der Tauchtiefe und einer konstanten Sollwertvorgabe für die Solltiefe des
Bootes und die Nullage' der Ausfahrge-räte eine- Sollgröße und aus dem Istwert der
augenblicklichen Austauchhöhen der Ausfahrgeräte eine Regelgröße entwickelt wird,
daß die Sollgröße und die Regelgröße einem Vergleichskreis zur Ermittlung von Regelabweichungen
zugeführt werden und daß der Vergleichskreis beimVorliegen yon Regelabweichungen
über einen Regelkreis eine Stellgröße für die Stellantriebe der geregelten Ausfahrgeräte
erzeugt, um diese Geräte im Wege einer Nachlaufregelung in eine gleichbleibende
Nullage.relativ zur Wasserlinie zu steuern.
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Mit Hilfe einer solchen Steuerung werden also die geregelten Ausfahrgeräte,
nachdem die Regelabweichung nach Abklingen des anfänglichen Einschwingvorganges
auf den Wert null gegangen ist, kontinuierlich um 18o0 phasenverschoben zum Tiefensteuerfehler
um gleiche absolute Werte verstellt, so daß die vorgewählten Austauchhöhen'bzw.
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Nullagen der Ausfahrgeräte über der Wasserlinie trotz des Tiefensteuerfehlers
konstant eingehalten werden. Dabei wird bei glatter See oder auch bei entsprechend
langer Dünung, deren Bewegung das Boot unmittelbar folgen kann, die Wasser linie
praktisch mit der Wasseroberfläche übereinstimmen, während man bei normaler Wellenbildung
von einer theoretischen Wasserlinie auszugehen haben wird, die zwischen den Wellenköpfen
und Wellentälern liegt
Jedem der einer Austauchhöhenregelung unterzogenen
Ausfahrgeräte sind ein gesonderter Nachlaufregelkreis und eine Einrichtung zur Einstellung
der konstant vorzugebenden Werte für die Sollgröße zugeordnet, während der Istwert
der Tauchtiefe als zeitabhängiger Wert dieser Sollgröße allen Nachläufregelkreisen
gemeinsam zugeführt wird, um so für jedes Ausfahrgerät eine Regelbewegung in bezug
auf terschiedene Nullagen mit gleicher Frequenz und Amplitude zu gewährleisten.
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Eine Steuerung von Ausfahrgeräten im vorgeschlagenen Sinne wird in
der Regel nur für solche Geräte benötigt werden, die bei Schnorchelfahrt über die
Wasseroberfläche hinaus ausgefahren werden und dann auch ständig im Einsatz sind.
Hierbei wird es sichineist um das Sehrohr, den Schnorchel und die Radarwarnantenne
handeln, wobei das Sehrohr und die Antenne, die eine Reichweite bis zum Horizont
haben sollten, höher als die Wellenköpfe gefahren werden und der Schnorchel dagegen
aus Sicherheitsgründen entsprechend tiefer ausgefahren ist, damit er mit seinem
höchsten Punkt so welt unter den Wellenköpfen liegt, daß ein unter 10 bis 20 einfallender
Radarstrahl ihn nicht treffen kann.
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Dies bedeutet, daß für jedes in die Regelung einbezogene Ausfahrgerät
die sogenannte Nullage gesondert einstellbar sein muß* Dies ist übrigens die Lage,
welche die Ausfahrgeräte ohne Steuerung dann über der Wasseilinie haben sollen,
wenn sich das Boot gerade auf Solltiefe hefiriet, Andererseits bedeutet dies bei
eingeschalteter Steuerung, daß die Nullage bei einer Regelabweichung von Null zeitunabhängig
die
einges.tellte Lage der Ausfahrgeräte über der Wasser linie darstellt.
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Aus diesen Umständen und Forderungen'folgt, daß auch für jedes Ausfahrgerät
ein gesonderter Regelkreis vorgesehen werden muß. Im Gegensatz hierzu kann der durch
den Tiefensteuerfehler bedingte und zeitabhängige Anteil des Sollwertes allen Regelkreisen
gemeinsam zugeführt werden, und zwar auf Wunsch gleichzeitig mit-einem konstanten
Wert zur anfänglichen Grobeinstellung der Ausfahrlage aller geregelten Geräte. Dieser
in der Soligröße enthaltende Festwert gibt also eine bestimmte allgemeine.Nullage
der Ausfahrgeräte vor, von der aus die Geräte mit der Steuerung.in die jeweils vorgewählten
Betriebsnullagen verstellt werden.
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Unter den oben gemachten Voraussetzungen braucht der den Tiefensteuerfehler
einschließende Istwert der Tauchtiefe nur einmal und für alle Regelkreise gemeinsam
gemessen zu werden. Dies geschieht mit Hilfe eines Tiefengebers bzw. Tiefenaufnehmers,
der zweckmäßigerweise den Wasserdruck am Bootskiel aufnimmt, um so zu Meßwerten
für die Tauchtiefe zu kommen, die von der Wellenbewegung an der Wasseroberfläche
weitgehend unabhängig sind, so daß die Ausfahrgeräte tatsächlich in eine feste'Höhe
in-bezug auf die Nasserlinle gesteuert werden können, Im übrigen arbeitet der Tiefengeber
nach Art eines Druck/Spannung-Wandiers, der ein der Tauchtiefe entsprechendes Signal
erzeugt.
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Einen allgemeinen Überblick über den Aufbau der erftndungsgemäßen
Steuerung
gibt die anliegende und schematisch als Blockschaltbild wiedergegebene Darstellung.
Diese zeigt eine Steuerung für zwei Ausfahrgeräte I und II mit je einem Regelkreis.
Da beide Regelkreise in Aufbau und Funktion iibereinstfmmen, sind In der Darstellung
zur Unterscheidung der zum einen oder anderen Regelkreis gehörenden Bauelemente
nur die Ziffern I bzw. II an die zugehörigen Bezugszeichen angehängt worden, während
in der folgenden Beschreibung jeweils nur die Bezugszeichen als solche genannt zu
werden brauchen. Weiterhin sind in der Zeichnung Signale und Größen als Bezugszeichen
an den Leitungen und Kanäle angegeben worden, die diese Größen und Signale führen.
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Die augenblickliche Tauchtiefe wird durch Druckmessung in der Wasser
tiefe bestimmt und als analoger Wert für die Isttiefe dem Tiefenaufnehmer T zugeführt,'der
als Druck/Spannungndler ein der Isttiefe entsprechendes Signal t erzeugt. Wie schon
erwähnt wurde, kann in das Signal t auch noch ein konstanter Wert für eine Grobeinstellung
der Nullage aller Ausfahrgeräte einbezogen werden Im übrigen wird dieses Signal
t, das den zeitlichen Verlauf des Tiefensteuerfehlers beinhaltet, allen Regelkreisen
gemeinsam zugeführt, also beim gezeigten Beispiel den Regelkreisen der Geräte r
und II.
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Da die Nullage für jedes. geregelte AusfahrgerAt aus erwähnten GrUnden
gesondert einstellbar sein soll, wird auch für den Regelkreis jedes Ausfahrgerätes
gesondert eine Stelleinrichtung S zur Sollwertvorgabe vorgesehen. Dahei können jeweils
die einstellbare Solltiefe des Bootes und die ebenfalls einstellbare Nullage des
betreffenden
Ausfahrgerätes zu einem Gleichspannungssignal s zusammengefaßt
werden, da beide zeitlich unabhängig sind. Das Zusammenfassen von Solltiefe und
Nullage zum Signal s kann man sich auch alls Signal für eine fiktive Solltiefe vorstellen,
da eine Verstellung der Nullage des jeweiligen Ausfahrgerätes wie eine Änderung
der tatsächlichen Solltiefe wirkt.
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Die beiden Signalet und s werden elektrisch im Schaltkreis W ausgewertet,
an dessen Ausgang dann die Sollgröße w als elektrisches Signal erscheint, das nach
Verstärkung durch einen Regelverstärker RV zum einen Eingang eines Vergleichskreises
V gelangt. Dem anderen Eingang dieses beispielsweise als Differenzverstärker arbeitenden
Vergleichskreises V wird ein Signal x zugeführt,das als Rückmeldesignal aus dem
Istwert der augenblicklichen Austauchhöhe des zugehörigen Ausfahrgerätes ermittelt
wird und als Regelgröße dient.
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Dieses Signal x kann auf übliche Weise aus der jeweiligen Position
bzw. Ausfahrstellung eines Ausfahrgerätes gewonnen werden, indem diese Position
über einen Weg/Spannung-Wandler WS als elektrische Spannung dargestellt wird, die
über eine Schaitung SA zur Signalanpassung als Regelgröße x zum Vergleichskreis
V gelangt, dessen Ausgangssignal dann die Regelabweichung xw = w - x darstellt.
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Die nachfolgenden Regler R haben nun die Aufgabe, unter BerUcksichtigung
einer positiven oder negativen Regelabweichung xw und der speziellen Eigenschaften
der Regelstrecke RS der Ausfahrgeräte die elektro-hydraulischen Stellantriebe A
so mit einer Stellgröße y anzusteuern,
daß die Regelgröße x, also
das Signal für die augenblickliche stellung der AusfahrgerAte, der vorgegebenen
Sollwertgröße w folgen kann. Demgemäß muß jeder Regler R in seinem Zeitverhalten
der Regelstrecke RS so angepaßt werden,-daß ein optimales Nachführen der Regelgröße
x gewährleistet wird und die Regelabweichung xw nach Abklingen des anfänglichen
Einschwingvorganges gegen null geht.
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Dies bedeutet, daß die Regler R u.a. die Übertragungsfunktin zwischen
Sollwert und Regelabweichung als an sich txpischie Merkmale einer Nachlaufregelung
zu berAcksichtigen haben, Außerdem wird sich die Einstellung der Regelparameter
nach den in der Regelstrecke auftretenden Zeitkonstanten zu richten haben, wobei
auch durch Erzeugung eines gewissen Vorhaltes im Regelkreis, der gerade das Nacheilen
der Regelgröße kompensiert, eine bleibende Folgeabweichung verhindert werden könnte,
In diesem Fall wird man in'den Rückführungs weg für die Regelgröße x ein Verzögerungsglied
einschalten.
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Eine andere Methode, die häufig bei Hydraulik-Regelkreisen zur Anwendung
kommt, besteht darin, daß die Folgeabweichung der Nachlaufregelung einem zusätzlichen
Nachlaufregeikreis als Sollwert zugeführt wird, der dann seinen Ausgangswert dem
ersten Nachlaufregelkreis wieder zuaddlertt Mit Hilfe der erfindungagemäßen Steuerung
ist es also möglich, mit relativ einfachen Mitteln durch eine Nachlaufregelung den
Einfluß des systematischen und zeitveränderlichen Tiefensteuerfehlers eines
Ubootes
in Schnorchelfahrt zu kompensieren und zu gewährleisten, daß die geregelten Ausfahrgeräte
zeitunabhängig in einer festen Vorgewählten Nullage relativ zur praktischen oder
theoretischen Wasserlinie gehalten werden können.
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Die getrennt arbeitenden Regelkreise werden gemeinsam mit dem der
Isttiefe entsprechenden Signal t versorgt, so daß auch alle Geräte mit gleicher
Frequenz und Amplitude verstellt werden, wobei diese Verstellung allerdings in bezug
auf verschiedene Nullagen erfolgen kann, da eben die Nullagen für jedes Ausfahrgerät
gesondert mit der Einrichtung S zur Sollwertvorgäbe eingestellt werden können.
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Um schließlich eine stoßfreie Aufschaltung des Sollwertes beim Einschalten
der Regelung zu gewährleisten, muß bei ausgeschalteter Regelung der Sollwert w dem
Istwert x nachgeführt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß beim Betätigen
des dargestellten Tasters "Regelung ein" die Sollwertvorgabe genau dem momentanen
Istwert entspricht und der Sollwert stoßfrei aufgeschaltet werden kann.