DE602982C - Selbsttaetige Kurssteuerung fuer Wasser- und Luftfahrzeuge - Google Patents

Description

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DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
24. SEPTEMBER 1934

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 65 f 2 GRUPPE

Siemens Apparate und Maschinen G. m. b. H. in Berlin*)

Selbsttätige Kurssteuerung für Wasser- und Luftfahrzeuge

Patentiert im Deutschen Reiche vom 14. November 1931 ab

Um Fahrzeuge, z. B. Schiffe, auf einem gegebenen Kurs zu führen und ohne Pendelungen sehr schnell in einen, neuen Kurs einzulenken, sind Rudersteuerungen bekannt, bei denen außer der beispielsweise vom Kompaß angezeigten Abweichung des Fahrzeuges vom gewollten Kurs noch die Ruderbewegung selbst auf die Steuereinrichtung für die Rudermaschine einwirkt. Die Steuereinrichtung besteht dabei meist aus einem Nachdrehkontaktwerk zur Einschaltung des Rudermotors, wobei entweder in das die Kursabweichung übertragende Getriebe oder in das Nachdrehgetriebe eine Dämpfungseinrichtung eingeschaltet ist, die die zur Unterdrückung des Pendeins um den gewollten . Kurs notwendige Vorumschaltung der Rudermaschine bewirkt.

Es sind aber auch von der Ruderbewegung nicht rückbeeinflußte: Kurssteuerungen bekannt, bei denen die notwendige Phasenverschiebung zwischen den Kursabweichbewegungen des Fahrzeuges und den Ruderausschlägen dadurch erzielt wird, daß das Ruder eine Einstellung proportional der Größe, der Winkelgeschwindigkeit und gegebenenfalls noch entsprechend dem Integral der Kursabweichungen über die Zeit erhält. Dabei sind drei fortlaufend entsprechend diesen Größen gesteuerte Motoren vorhanden, die gemeinsam über Differentialgetriebe das Ruder einstellen. Diese Steuerung ist recht verwickelt und teuer und wirkt in der Regel zu grob. Für die Messung der Winkelgeschwindigkeit der Fahrzeugdrehung ist dabei ein federgedämpfter Kreisel (Wendezeiger) vorgesehen, der schon bei den geringsten Abweichbewegungen des Fahrzeuges die Stellung des Ruders beeinflußt. Letzteres ist in der Regel durchaus unerwünscht. Denn die kleinen, z. B. durch Seegang hervorgerufenen Gierbewegungen eines Schiffes, die immer vorhanden sind, stören den Kurs des Schiffes praktisch, nicht. Eine derart grobe Steuerung¹ erfordert nur unnötig· viel Energie.

Die Erfindung betrifft eine für Wasser- und für Luftfahrzeuge geeignete Kurssteuerung, die bei verhältnismäßig einfachem Aufbau unter Vermeidung der erwähnten Nachteile geeignet ist, das Fahrzeug unabhängig von den kleinen, durch Seegang! o. dgl. bedingten Gierbewegungen auf einem festen Kurs zu halten oder sehr schnell und ohne Pendelungen in einen neuen Kurs einzulenken. Erfindungsgemäß steht zu diesem Zweck die Regelvorrichtung für die Rudermaschine bei größeren Kursabweichungen, also insbesondere beim Einstellen eines neuen Kurses mit einem die Kursabweichung anzeigenden Steuerorgan in Verbindung, dessen Steuerwirkung so stark ist, daß das Ruder von ihm möglichst in seine Hartlagen gebracht wird.

Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr. Frits Fischer in Zürich.

Sobald jedoch das Fahrzeug annähernd den gewollten Kurs erreicht hat, gibt dieses Steuerorgan die weitere Steuerung an eine die Drehgeschwindigkeit des Fahrzeuges bestimmende Einrichtung ab. Diese Einrichtung ist erfindungsgemäß zweckmäßig so ausgebildet, daß sie nicht die augenblickliche, sondern eine mittlere Drehgeschwindigkeit des Fahrzeuges als Differenzenquotient zwisehen den Kursabweichungen und einer durch die Einrichtung festgelegten Zeit, die auch von der Fahrgeschwindigkeit abhängig sein kann, bestimmt. Diese mittlere Drehgeschwindigkeit wird von kleineren, durch Seegang u. dgl. bedingten Kursabweichungen nicht oder kaum beeinflußt, so daß diese Störungen auch ohne Einfluß auf die Ruderführung bleiben. Die Einrichtung zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit besteht

so beispielsweise aus drei Gruppen von Relais, die an drei Kollektoren angeschlossen sind, von denen zwei entsprechend den Kursabweichungen und der dritte mit konstanter Geschwindigkeit oder entsprechend der ■ Fahrgeschwindigkeit einstellbar ist. Innerhalb einer bestimmten Zeit werden die Stellungen der beiden ersten Kollektoren in zwei Relaisgruppen festgelegt und darauf durch Auslösung einer dritten Gruppe von Differenzrelais miteinander verglichen und auf die Steuereinrichtung der Rudermaschine zur Einwirkung gebracht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im folgenden an einem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel einer Schiffs steuerung ausführlich beschrieben.

Auf einem' aus zwei gegeneinander isolierten Halbringsegmenten a_x und a₂ bestehenden Kollektor 0, der der Einfachheit wegen zunächst durch Drehen eines Handrades b verstellbar sein soll, schleifen drei Bürsten b_lt b₀, b₂. Die Stromzuführung zu diesen Bürsten erfolgt über drei Schleifringe J₁, J₀, S₂.

Der die Bürsten führende Arm B und die Schleifringe befinden sich auf einer Achse, die über die Schneckengetriebe C₁ und C₂ durch einen vom Kompaß gesteuerten, für gewöhnlich als Kompaßtochter bezeichneten Synchronmotor K angetrieben wird. Die Übersetzung von dem Motor K auf die Bürstenachse ist so gewählt, daß letztere sich mit der gleichen Geschwindigkeit dreht wie die Kompaßrose, also bei einer vollen Drehung des Schiffes von 360⁰ einen Umlauf macht. Der Kompaßmotor K ist dabei so eingestellt, daß die mittlere Bürste b₀ die jeweilige Kursrichtung des Schiffes anzeigt.

Unter der Annahme, daß mit dem Handrad b der Kollektorring a so gedreht worden sei, daß der zwischen den Segmenten Gs₁ und a₂ befindliche Schlitz nach Norden zeigt und das Schiff im Augenblick gerade die Kursrichtung 45 ° besitzt, befindet sich die mittlere Bürste b₀, wie dargestellt, auf dem Kollektorsegment a₂. Der der Bürste am Schleifring s zugeführte Strom fließt über das Segment a₂ und wird an einem der Schleifringe d abgenommen, wodurch das Relais e zum Anzug gebracht wird. Gleichzeitig wird über die dem Kollektorschlitz am nächsten liegende Bürste b₂, den oberen Schleifring S₂ und einen auf dem Relais e liegenden Arbeitskontakt e_t dem Relais g Strom zugeführt, das daher ebenfalls anzieht. Haben beide Relais e und g angezogen, so liegt über die Leitung I₁ Spannung an dem Segment H B des Steuerkollektors St K der Rudermaschine, die demzufolge das Ruder in die Endlage nach Backbord legt. Würde die mittlere Bürste b₀ bei der gleichen Stellung des Handrades b auf das rechte Segment a₂ des Kollektors aufgelaufen sein, das ist im angenommenen Falle die Schiffsrichtung 270° gegenüber der Nord-Süd-Richtung, so würde der Strom zum Relais / fließen, dieses zum Ansprechen bringen und damit gleichzeitig über die linke Bürste O₁ und einen entsprechenden Arbeitskontakt auf dem Relais f auch das Relais h betätigen, wodurch das Segment H St des Steuerkollektors an Spannung gelegt und eine sinngemäße Ruderbewegung zur entgegengesetzten Seite eingeleitet werden würde.

Liegt somit das· Ruder in einer seiner Hartlagen, so setzt eine entsprechend schnelle Drehung des Schiffes auf- den gewollten Kurs zu ein. Wenn die Anker der Relais g und h dauernd angezogen bleiben, würde das Ruder so lange in der Hartlage stehenbleiben, bis die mittlere Bürste b₀ den Schlitz zwischen den xoo Kollektorhalbringen Ci₁ und a₂ überschreitet. Danach würde das Ruder in die andere Endlage gebracht werden. Das Schiff würde also so lange die bisherige Drehrichtung beibehalten, bis es allmählich seine Drehgeschwindigkeit verloren hat. Da die Reibung des Schiffes klein ist gegenüber dem Drehimpuls, den das Schiff beim Durchgang durch den gewollten Kurs besitzt, so würde das Schiff annähernd um denselben Betrag über den gewollten Kurs hinausgedreht werden. Daraus folgt, daß bei dieser einfachen Art der Steuerung jede Kursabweichung eine Pendelbewegung des Schiffes verursacht, die nur sehr schwach gedämpft ist.

Um dieses Pendeln zu vermeiden, ist die Recheneinrichtung vorgesehen, deren Aufbau nunmehr beschrieben werden soll. Durch diese Recheneinrichtung wird schon vor Erreichen des gewünschten Kurses Gegenruder gegeben, um das Schiff aperiodisch in die richtige Kurslage zu bringen. Die Bestim-

mungsgröße dafür, wieviel Gegenruder im jeweiligen Falle erforderlich ist, ist die Drehgeschwindigkeit, mit der sich das Schiff dem gewollten Kurs nähert.

Kurz bevor das Schiff den gewünschten Kurs erreicht, etwa bei einer Abweichung von 20°, wird das Ruder, das sich, wie oben erwähnt, noch in seiner Endlage befindet, durch den Kurskollektor a, B der Steuerung

ίο durch die Recheneinrichtung übergeben. Diese Umschaltung leiten die beiden um etwa 20° gegenüber der mittleren Bürste b₀ versetzten Außenbürsten O₁ und b₂ des Kurskollektors ein. Solange die vom eingestellten Kurs am wenigsten entfernte Bürste und die mittlere Bürste b₀ auf dem gleichen Halbring O₁ oder (Z₂ Hegen, fließt Strom von der mittleren Bürste &₀ über das betreffende Segment, die äußere Bürste und Arbeitskontakte auf den

«ο Relais e und / zu den Relais g und h, wodurch eines von beiden zum Anzug gebracht wird. Über Umschaltkontakte auf den Relais g und h wird in der bereits erwähnten Weise die durch die Lage der mittleren Bürste b₀ vermittels der Relais e und / diktierten Hart-. lageeinstellung des Ruders eingeleitet. Sobald nun die äußere Bürste b₂ oder O₁ auf das andere Segment kommt, wird sie stromlos und das zugehörige Relais g oder h fällt ab.

Dadurch wird die Rudersteuerung von der Recheneinrichtung übernommen.

Die Recheneinrichtung besteht im wesentlichen aus drei Kollektoren k, i, ο und aus drei Gruppen von elektrischen Relais M₁S und D. Auf den Kollektoren k und i schleifen Bürsten, die zu den Relais M und 6¹ führen. Die Bürstenarme ^₁ und I₁ der Kollektoren k und i sind mechanisch gekuppelt und werden über Kegelräder r von dem durch den Kreiselkompaß gesteuerten Synchronmotor K bei Kursabweichungen des Schiffes proportional diesen Abweichungen verdreht. Bei einer Kursabweichung· von wenigen Graden überstreichen die Bürsten schon den ganzen Kollektor.

Der Bürstenarm O₁ des dritten Kollektors σ wird über Schneckengetriebe c_s von einem Motor m angetrieben, der mit konstanter Drehzahl oder entsprechend der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges umläuft, zu welchem Zweck er vom Fahrtmesser gesteuert wird. Der Kollektor 0 besteht aus drei kleinen dicht nebeneinander liegenden Lamellen o_m, Od und o_s. Die Lamelle o_s ist an den Kollektor i und die Lamelle o_m an den Kollektor k angeschlossen. Die mittlere Lamelle o_d führt unmittelbar zu den Relais.

Die Segmente der beiden Kollektoren k und i sind der Reihe nach numeriert; an ihnen sind die Minuendenrelaisr M und die Subtrahendenrelais 5 angeschlossen, überstreicht die Bürste des von dem Motor m mit konstanter oder mit Fahrgeschwindigkeit veränderlicher Drehzahl angetriebenen Kollektorarmes O₁ im Zeitpunkt T₁ das Segment o_s, so wird die Nummer desjenigen Segmentes des Kollektors, auf dem in diesem Augenblick gerade die Bürste des Armes I₁ steht, durch eine für diese Nummer charakteristische Stellung der drei Subtrahendenrelais S, die einen nach dem Dual-Zahlen- ^₀ system abgestuften Gewichtssatz darstellen, festgehalten. Der Zahlenwert der drei Gewichtssteine ist 1,2 und 4. Dabei bedeutet ein Relais in Arbeitsstellung, daß der dem Relais zugeordnete Zahlenwert vorhanden ist, Avährend der dem Relais zugeordnete Zahlenwert nicht vorhanden ist, wenn das Relais in der Ruhestellung steht. Auf diese Weise lassen sich durch die verschiedenen Stelrungen von drei Relais die verschiedenen Stellungen der Bürsten des Armes I₁ auf den sieben Segmenten festlegen.

Kommt in einem späteren Zeitpunkt T₂ die Bürste des Armes O₁ auf das Segment o_m, so wird sinngemäß die Segmentnummer, auf der die Verteilerbürste des Kollektors k in diesem Augenblick steht, in den drei Minuendenrelais M festgelegt. Im kurz darauf folgenden Zeitpunkt T₃, das ist, wenn der Kollektorarm O₁ das Segment o^ überstreicht, werden die Relaisstellungen untereinander verglichen, d. h. die Differenzrelais D in Abhängigkeit von der Stellung der Minuenden- und der Subtrahendenrelais M und 6" so gerichtet, daß ihre Stellung der Differenz zwisehen den von den Minuenden- und Subtrahendenrelais festgelegten Steuerbeträgen entspricht. Da der Bürstenarm O₁ bei konstanter Fahrt des Schiffes eine konstante Drehzahl besitzt, ist der Winkelweg der Bürstenarme S₁ und I₁ für eine bestimmte Zeitspanne gemessen. Somit entspricht die in den Differenzrelais D erhaltene Steuerstellung einer mittleren Drehgeschwindigkeit des Schiffes. Je nachdem, wie diese Drehgeschwindigkeit gerichtet und ob sie groß oder klein war, wird von den Differenzrelais D eines der Backbordsegmente IB, HB, HIB oder der Steuerbordsegmente ISt, HSt, IHSt des Steuerkollektors der Rudermaschine an Spannung gelegt, so daß die Rudermaschine das Ruder entsprechend weit nach Backbord oder Steuerbord legt.

Die Recheneinrichtung ermittelt also die Änderungen der Kursrichtung nicht momentan, sondern als Mittelwert einer gewissen Zeitspanne, so daß die kleinen, schnellen, durch Seegang verursachten Pendelungen um den Kurs (Gieren) wenig Einfluß auf die Ruderführung ausüben. Die Rudermaschine arbeitet dadurch stetig und ist wesentlich entlastet. Bei Geradeausfahrt darf die Rechen-

einrichtung: keine wesentlichen Abweichungen von der Fahrtrichtung zulassen. Dennoch schleichen sich kleine Richtungsfehler ein, die einerseits durch eine, wenn auch sehr kleine Wegstrecke zwecks Kontaktgabe der Bürsten O₁, ö„, b₂ auf dem Kurskollektor α und andererseits durch die elektrische Synchrondrehung mit dem Kompaß bedingt sind. Es wird daher das Schiff schon um einen kleinen ίο Winkel vom Kurs abgewichen sein, bevor die Steuereinrichtung anspricht. Aber auch hier ermöglicht die Recheneinrichtung die exakte Kurshaltung. Da einer Winkelabweichung eine Winkelgeschwindigkeit vorausgehen muß, so ist die Recheneinrichtung als Geschwindigkeitsmesser das Instrument, das die kommende Winkelabweichung voraussagt. Für den Fall der Geradeausfahrt können die Funktionen der Recheneinrichtung verstärkt sein, um sie schon auf die kleinsten Geschwindigkeiten ansprecheni zu lassen.

Für fernbediente, insbesondere für unbemannte Fahrzeuge ist die Konstruktion des Kurskollektors abgeändert. Das Handrad b fällt dann fort; statt dessen ist der Kollektorring α beispielsweise in 72 Einzelseginente eingeteilt. Je zwei einander gegenüberliegende Segmentpaare sind durch zwei Kontaktsätze eines Relais überbrückt, so daß die 144 Kontaktsätze der 72 Relais im Ruhezustand einen geschlossenen, stromleitenden Kreis darstellen. Wird irgendein Kurs befohlen, so zieht das entsprechend ferngesteuerte Relais an und trennt den Kreis in zwei Halbkreise auf, wobei die Trennrichtung den befohlenen Kurs darstellt. Mit den 72 Relais läßt sich also jeder Kurs von 5 zu 5° einstellen.

An Stelle der beschriebenen elektrischen Recheneinrichtung kann natürlich auch eine gleichwertige mechanische Einrichtung Verwendung finden, die dann die Drehgeschwindigkeit des Fahrzeuges nicht als Zahlenwert, sondern etwa in Form eines Winkelweges ermittelt, so daß an Stelle des Steuerkollektors ein Regulierwiderstand für die Rudermaschine entsprechend eingestellt werden könnte. Die Rudereinstellvorrichtung, von der in der Zeichnung nur ein Teil, nämlich der Steuerkollektor, dargestellt ist, kann natürlich jede beliebige bekannte Ausbildung haben.

Claims (10)

1. Patentansprüche:

   i. Selbsttätige Kurssteuerung für Wasser- oder Luftfahrzeuge, bei der die Ruderlegung in Abhängigkeit von der Größe und von der Winkelgeschwindigkeit der Kursabweichung des Fahrzeuges erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung für den Rudermotor bei großen Kursabweichungen unmittelbar vom Kurszeiger, bei Unterschreiten eines bestimmten Betrages der Kursabweichung jedoch von einem Drehgesehwindigkeitsmesser gesteuert wird.
2. 2. Kurssteuereinrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine Recheneinrichtung (M, S, D) zur Ermittlung der mittleren Winkelgeschwindigkeit der Kursabweichung für eine bestimmte Zeitspanne, die mit entsprechend der jeweiligen Kursabweichung, der Fahrzeuggeschwindigkeit oder der Zeit einstellbaren Organen (O₁, k_lt i_t) zusammenwirkt.
3. 3. Kurssteuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung aus drei Relaiskombinationen (M, S, D) besteht, die an drei ⁸Q Kollektoren (0, k, i) angeschlossen sind, wobei die Schaltarme (k±, i_±) von zwei Kollektoren, beispielsweise durch einen vom Kompaß gesteuerten Antrieb (K), entsprechend den Kursabweichungen und der Schaltarm (O₁) des dritten Kollektors durch einen konstanten oder vom Fahrtmesser gesteuerten Antrieb (m) eingestellt werden.
4. 4. Kurs steuereinrichtung nach An-Spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Kompaßstellung abhängigen Kollektorarme Qi₁, I₁) mechanisch miteinander gekuppelt sind und daß an die Segmente der zugehörigen Kollektoren (k bzw. i) eine Anzahl Relais (M bzw. S) angeschlossen ist.
5. 5. Kurssteuereinrichtuug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von ' dem konstanten oder vom Fahrtmesser gesteuerten Antrieb einstellbare Kollektor (0) drei stromführende Segmente (o_m, o_d, o_s) gleichen Abstandes aufweist, von denen die beiden äußeren über die vom Kompaß einstellbaren Kollekto- ^l°5 ren (k und i) an die erste oder zweite Relaisgruppe (M bzw. S) und das mittlere an; die dritte Relaisgruppe (Z?) angeschlossen ist, wobei die Relaisgruppen untereinander derart in Reihe geschaltet sind, daß die beim Überstreichen der äußeren Kollektorsegmente (o_m, o_s) durch den vom Fahrtmesser gesteuerten Antrieb in den ersten beiden Relaisgruppen (M und S) aufgespeicherten Steuerbeträge durch die dritte Relaisgruppe (D) in dem Augenblick subtrahiert der Rudereinstellvorrichtung (St K) zugeleitet werden, wenn der Kontaktarm (O₁) das mittlere Kollektorsegment (o_d) überstreicht.
6. 6. Ku^ssteuereinrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch einen

   Kurskollektor (a, B) als Steuerorgan, dessen einer Teil, z. B. Stromabnehmer (B), yom Kurszeiger (Kompaß) einstellbar ist und dessen anderer Teil,, z. B. KoI-lektorring (a), in die beabsichtigte Kursrichtung einstellbar ist, wobei der Kollektorring in zwei gegeneinander isolierte Halbringe (a_t und a₂) unterteilt ist, derart, daß bei Auflaufen des Stromabneh-

   to mers (B) auf einen der beiden Halbringe die Rudereinstellvorrichtung über dafür vorgesehene Relais (e, f, g, K) in dem einen oder anderen Sinne eingeschaltet wird.
7. 7. Kurssteuereinrichtung nach Anspruch ι und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurskollektor einen Stromabnehmer (B) mit drei Bürsten (b₀, b_lt b₂) besitzt, die gegeneinander um feste, der Fahrzeugtype angepaßte Winkel versetzt sind und von denen die beiden ersten beim Auflaufen auf den einen oder anderen Halbring jeweils ein erstes Relais (eunag) zur Einschaltung der Recheneinrichtung und die dritte beim Auflaufen auf denselben Halbring, das ist bei größeren Kursabweichungen,, jeweils ein weiteres Relais (f und h) derart betätigt, daß die Recheneinrichtung abgeschaltet und die Rudermaschine unmittelbar eingeschaltet wird.
8. 8. Kurssteuereinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die drei zur Recheneinrichtung gehörigen Kollektoren (0, i, k) auch während der Abschaltung der Recheneinrichtung von der Regeleinrichtung der Rudermaschine entsprechend den Kursabweichungen oder der Fahrgeschwindigkeit einstellbar sind, so daß sie bei Einschaltung der Recheneinrichtung durch die Relais (e, g) bereits die erforderliche Einstellung besitzen.
9. 9. Kurssteuereinrichtung nach Anspruch i, 6 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurskollektor von Hand in die gewollte Kursrichtung einstellbar ist.
10. 10. Kurssteuereinrichtung nach Anspruch, i, 6 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der beabsichtigte Kurs am Kurskollektor ferneinstellbar ist, indem der Kollektorring (a) aus Segmenten zusammengesetzt ist, die an ferngesteuerte Relais angeschlossen sind, derart, daß das jeweils fernbetätigte Relais den Kollektorring in einer bestimmten, den beabsichtigten Kurs darstellenden Richtung aufschneidet.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen