NO138465B - Servoutrustning for skipsautopilot - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en servoutrustning for en skipsautopilot, omfattende en servosløyfe som inneholder en servoforsterker,

en reléliknende manøvreringsanordning, en kraftenhet, en omformer og en tilbakekoplingskrets.

En servoutrustning for en skipsautopilot er vanligvis

en såkalt kontaktorservoutrustning som forrest i servosløyfen inneholder en reléliknende manøvreringsanordning, såsom et relé,

en reléforsterker med en transistor, et halvlederelement som ut-

fører en reléliknende funksjon, en hydraulisk eller pneumatisk solenoidventil, en klaffbryter eller en sammensatt anordning av disse. En sådan kontaktorservoutrustning har følgende to egenskaper. Den gjør.det mulig å styre hvilken som helst type av servomotorer, såsom elektriske (likestrøms- eller vekselstrøms-motorer), hydrauliske og pneumatiske motorer, som en kraftenhet ved hjelp av den reléliknende manøvreringsanordning, og å oppnå

en billig, pålitelig og forholdsvis varig utrustning ved å be-

nytte en kraftig, reléliknende manøvreringsanordning som middel

til å styre kraftenheten. I kraft av disse egenskaper benyttes kontaktorservoutrustningen i skipsautopiloter.

Dersom man ifølge den kjente teknikk varierer proporsjonalitetskonstanten for en servoutrustning over et vidt område med tilbakekoplingsbanen for en servosløyfe, forringes servo-

sløyfeiis stabilitet eller oscillasjon opptrer i servosløyfen.

Det er således et hovedformål med oppfinnelsen å tilveiebringe en servoutrustning for anvendelse i en skipsautopilot som er uten de foran omtalte mangler som er til stede i de tidligere kjente anordninger, og som er tilpasset for automatisk sperring av en rorvinkelinnstillingsmekanisme og en oscillasjonshindrende krets ved hjelp av en enkel kretskonstruksjon uten at det spesielt tilveiebringes en sperremekanisme for disse.

Ovennevnte formål oppnås ved hjelp av en servoutrustning av den innledningsvis angitte type, som ifølge oppfinnel-

sen er kjennetegnet ved at tilbakekoplingskretsen inneholder en første seriekopling av en fast motstand og en variabel motstand og en andre seriekopling parallelt med nevnte faste motstand, bestående av en motstand og en kondensator for stabilisering, idet stabiliseringsvirkningen på servosløyfen av den andre seriekopling varieres ved endring av motstandsverdien for den nevnte variable motstand.

I seryoutrustningen ifølge oppfinnelsen blir tidskonstanten for den servosløyfestabiliserende krets, dvs. den oscillasjonshindrende krets, automatisk endret i forbindelse med den såkalte rorvinkelforholds-innstillingsmekanisme for innstilling av servoutrustningens proporsjonal!tetskonstant, og således sikres stabiliteten for servosystemet ved alle innstillingsver-dier for innstillingsmekanismen med en rorvinkel over et vidt område.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et antall utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der fig. 1 er et koplingsskjerna som Viser kretsen og konstruksjonen av en konvensjonell servoutrustning for bruk i en skipsautopilot, fig. 2 er et koplingsskjema som viser et utførel-seseksempel på en konstruksjon ifølge oppfinnelsen av en servoutrustning for bruk i en skipsautopilot, og fig. 3 og 4 er koplings-skjemaer som viser ytterligere eksempler på konstruksjoner åv servoutrustningen ifølge oppfinnelsen.

Før det gis en spesiell beskrivelse av oppfinnelsen, skal et eksempel på en konvensjonell servoutrustning for bruk i en autopilot beskrives i forbindelse med fig. 1. Et inngangssignal Øg til en inngangsklemme 1 er differansen (9^- 9) mellom en innstilt kurs 0^ og et skips retning 6. Denne awiksvinkel 9g omformes ved hjelp av en omformer 2 til et elektrisk signal Eg. Omformeren 2 er et potensiometer eller en kombinasjon av en synkro med en deihodulator eller en elektromagnetisk pick-up-krets. Ved hjelp av en rorordre-beregningskrets 3 omformes signalet Eg til et elektrisk signal EQ som tilføres som inngangssignal til en servoforsterker 4 over en motstand Rg. Samtidig tilveiebringes en rorordre 6 på utgangsenden 8 og omformes ved hjelp av.en omformer 7 til et elektrisk signal Eg. Omformeren 7 er et potensiometer eller en kombinasjon av en synkro og en demodulator. Signalet E^ tilføres til servoforsterkeren 4 over en tilbakekoplingskrets 9. Servoforsterkeren 4 forsterker de to inngangssignaler for å tilveiebringe en utgangsspenning Eg som til-føres til en reléliknende manøvreringsanordning 5 av den type som

er beskrevet foran, for å bringe denne til å aktivere en kraftenhet

KM

6. Kraftenheten 6 har som vist overføringsfunksjonen g(T MS +1)'

hvor S er Laplace-operatoren. Utgangssignalet fra kraftenheten 6 er rororderen <5 som er en mekanisk stillingsforskyvning. Når det dreier seg om en autopilot for store skip, tilføres rorordren 6 som et inngangssignal til en styremaskin, og den virkelige rorvinkel tas ved utgangen fra styremaskinen. Når det derimot gjelder en autopilot for små skip, beveges roret direkte av utgangen fra kraftenheten 6, og rorordren <S viser den virkelige rorvinkel. Tilbakekoplingskretsen 9 i servoutrustningens tilbakekoplingsbane omfatter en parallellkopling av en tilbakekoplingsmotstand R^ og en seriekopling av en motstand R og en kondensator C. Seriekoplingen av motstanden R og kondensatoren C er den såkalte oscillasjonshindrende krets som frembringer et foranliggende signal av tilbakekoplingssignalet E^, for således å stabilisere servosløyfen. Den oscillasjonshindrende krets har følgelig ingen relasjon til inngangs-utgangskarakteristikken for den på fig. 1 viste utrustning. Forutsatt at følsomheten for servoutrustningen på fig. 1 i praksis er tilstrekkelig høy, er dens inngangs-utgangskarakteristikk gitt ved følgende likning:

hvor k^ og k^. er konstanter for omformerne 2 henholdsvis 7, og F(S) er karakteristikken for rorordreberegningskretsen 3. Når. det ■' f.eks. gjelder en "proporsjonal pluss derivat pluss integral"-regulering, er et eksempel på denne karakteristikk gitt ved følgende likning:

hvor k er én proporsjonalitetskonstant, TD er derivattiden, Tp er en filtertidskonstant og Tj er integraltiden.

Inngangs-utgangskarakteristikken for utrustningen på fig.

1 kan følgelig uttrykkes ved følgende likning:

Når det.gjelder "proporsjonal"-regulering, "proporsjonal pluss;derivat "-reguler ing eller "proporsjonal pluss integral"-regulering, svarer karakteristikkene til de som oppnås ved innsetting av henholdsvis TD = 1/ TJ = 0, 1/ 1x = 0 og TD = 0 i likning (3). Proporsjonalitetskonstanten i likning (3) er et rorvinkelforhold Kp gitt ved følgende likning:

Proporsjonalitetskonstanten representerer verdien av den proporsjo-nale rorvinkel pr. enhet awiksvinkel. Innstilling eller regulering av rorvinkelforholdet Kp kan oppnås ved endring av noen av størrelsene k, kg, k^, R^ og R^ som vist i likning (4). Med syste-mer av den type hvor rorvinkelen justeres ved endring av k,'k„ og Rq,. har man imidlertid at dersom følsomheten B for den reléliknende manøvreringsanordning 5 for eksempel er 1° uttrykt ved inngangsavviket ©e når rorvinkelforholdet Kp = 1, blir følsomheten 6 for den reléliknende manøvreringsanordning 5 lik 3° uttrykt ved. avviket"6 når rorvinkelforholdet Kp = 1/3, slik at nøyaktigheten for servoutrustningen blir meget dårlig. T det tilfelle at rorvinkelforholdet Kp = 3, blir videre følsomheten 0 for den reléliknende manøvrerings-anordning 5 lik 1/3° uttrykt ved avviket 6e, og blir unødvendig høy, i hvilket tilfelle antall operasjoner for den reléliknende manøvre-ringsanordning 5 øker og resulterer i kortere levetid for anordningen 5 og kraftenheten 6. Man vil følgelig innse at rorvinkeljusteringssystemer som benytter k, k^ og R^, er upraktiske. På den annen side er rorvinkeljusteringssystemer som benytter k^ og R^ , uten de foran omtalte ulemper, og blir derfor benyttet i praksis.

I det følgende skal gis en beskrivelse av virkningen a<y >den oscillasjnnshindrende krets som består av motstanden R og kondensatoren C i tilbakekoplingskretsen 9 i den på fig. 1 viste servoutrustning.. Dersom en tilbakekoplingsstrøm betegnes med 1^> kan denne uttrykkes ved følgende likning: Som vist i telleren i det andre ledd i likning (5) , tjener kondensatoren C til å tilveiebringe et derivatsignal for rorvinkelen 6, og derivattiden for dette er RgC, ved hjelp av hvilken servosløyfen er stabilisert. Som vist i nevneren i det andre ledd i likning (5) , gjør motstanden R tjeneste som et filter for det derivatsignal som er tilveiebragt ved kondensatoren C. Ved benyttelse av likning (4), kan likning (5) uttrykkes ved følgende likning:

I et system hvor rorvinkelforholdet Kp justeres ved hjelp av k

eller R^, står forsterkningen for tilbakekoplingsstrømmen ^(S) i inverst forhold til rorvinkelforholdet Kp som vist i likning (6).

En minskning av rorvinkelforholdet Kp forårsaker følgelig en økning

av forsterkningskonstanten for servoutrustningehs servosløyfe, slik at servosløyfens stabilitet reduseres. Dersom den oscillasjonshindrende krets velges slik at servosløyfen kan holdes stabil også

når rorvinkelforholdet Kp er lite, blir servosløyfens stabilitet uheldig øket når rorvinkelforholdet Kp er stort, og kraftenhetens 6 funksjon stoppes mange ganger for rorvinkelen <S når en ønsket verdi. Den reléliknende manøvreringsanordning 5 skrus nemlig fortløpende på

og av mange ganger, .hvilket fører til forkortning av levetiden for anordningen 5 og kraftenheten 6. Dersom innstillingsområdet for rorvinkelforholdet Kp velges så lite at sådanne ulemper ikke opptrer, er ikke noe problem tilstede, men for å gjøre rorvinkelforholdet regulerbart over et stort område, er det nødvendig å benytte en oscillasjonshindrende krets som overvinner disse mangler.

I et system hvor rorvinkelforholdet Kp justeres med k^,

har justeringen ingen forbindelse med derivattiden R^C og filtertidskonstanten RC i den .oscillasjonshindrende krets,: slik som" uttrykt i likning (6). Dette system oppviser derfor bare én viss grad av oscillasjonshindrende virkning, uten hensyn til en endring i forsterkningskonstanten for servosløyfen når rorvinkelforholdet Kp endres ved forandring av k^, slik at sådanne ulemper som er nevnt ovenfor opptrer for å gjøre det umulig å realisere en rorvinkeljustering over

. et stort område.

I et system hvor justering av rorvinkélforholdet Kp skjer ved hjelp av Rg , har justeringen innvirkning på-derivattiden R^C i den oscillasjonshindrende krets, slik som uttrykt i likning (6). Når rorvinkelforholdet Kp minskes ved reduksjon av Rg, blir derivattiden RgC kort slik at stabiliseringsvirkningen minskes, men forsterkningskonstanten for servosløyfen økes, slik at stabiliteten senkes av begge. Dette system er følgelig underlegent i forhold til det som benytter endring av k^.

I eksempelet på fig. 1 er en motstand Rf i forsterkeren 4 en tilbakekoplingsmotstand i forsterkeren, og en kondensator C f er en støyfUtrerende kondensator.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives under henvisning til fig. 2 som viser et eksempel på en servoutrustning ifølge oppfinnelsen for en skipsautopilot. På denne figur er de deler som svarer til tilsvarende deler på fig. 1, betegnet med samme henvisningstall og for korthets skyld skal en beskrivelse av disse ikke <g>jentas.

Det på fig. 2 viste eksempel på oppfinnelsen anvender i servosløyfen en tilbakekoplingskrets 10 som har forskjellig konstruksjon i forhold til tilbakekoplingskretsen 9 i eksempelet på fig. 1. Tilbakekoplingskretsen 9 omfatter en parallellkopling av en motstand R^ og en seriekopling av en motstand R^ og en kondensator C^, samt en variabel motstand R.^ som er koplet i serie med den nevnte parallellkopling. Den variable motstand R2 er tilveiebragt for justering av rorvinkelforholdet. Dersom motstandsverdiene for motstandene R^ og R^ settes lik R-^ henholdsvis R3, kapasiteten for kondensatoren C-^ settes lik C-^ og en valgt verdi for den variable motstand R2 settes

lik R2/ kan tilbakekoplingsstrømmen 1^ uttrykkes ved følgende likning:

hvor R^//R2 er parallellmotstandsverdien av R^ og R2- Dersom R • + R2 = R6 ' ^ 1°- s~^ er likning (4 ) i forbindelse med rorvinkelforholdet Kp, slik at likning (7) kan omskrives til den ene eller den andre av følgende to likninger:

Likning (9) svarer til den foran angitte likning (6) som er liknin-gen for en konvensjonell servoutrustning, slik at likning (9) skal beskrives. En reduksjon av den innstilte motstandsverdi R2 ^or den variable motstand R2 forårsaker reduksjon av Rg, hvilket resulterer i reduksjon av rorvinkelforholdet Kp. Forsterkningskonstanten for tilbakekoplingsstrømmen 1^ eller med andre ord forsterkningskonstanten for servosløyfen øker ved dette tidspunkt i inverst forhold til rorvinkelforholdet Kp. Imidlertid øker derivattiden ( R-^ - R^/Z^JC^ for den oscillasjonshindrende krets, og samtidig avtar filtertidskonstanten (R1//R2 + R3)C]_ f°r å tilveiebringe øket sta-biliseringseffekt for den oscillasjonshindrende krets, slik at stabiliteten blir tilstrekkelig opprettholdt selv om forsterkningskonstanten for servosløyfen er stor. Der hvor videre R^ gjøres stor ved å velge motstandsverdien R2 stor for å øke rorvinkelforholdet Kp, blir forsterkningskonstanten for servosløyfen liten. Ved dette tidspunkt blir derivattiden (R^-R^//R2)ved. den oscillasjonshindrende krets kort, og filtertidskonstanten (R^/VR^ + R3^cx bl±x stor for å minske stabiliseringseffekten for den oscillasjonshindrende krets, slik at stabiliteten ikke blir overdreven selv om servosløy-fens forsterkningskons.tant er liten. Det er' derfor ingen mulighet for opptreden av den mangel ved den konvensjonelle utrustning at en økning, av antall operasjoner for den reléliknende manøvreringsanord-ning fører til reduksjon av levetiden for. den reléliknende. manøvre-ringsanordning og kraftenheten, slik som beskrevet foran i forbindelse med: fig. 1. Ved den foreliggende: oppfiirjielse utføres justeringen av rorvinkelforholdet Kp ved hjelp av R^ i tilbakekoplingskretsen for servoutrustningen, slik at. følsomheten for servoutrustningen ifølge oppfinnelsen uttrykt ved inngangsavviket €fi ikke påvirkes ugunstig av rorvinkelforholdet Kp.

I den på fig.-. 2. viste servoutrustning; ifølge oppfinnelsen kan, slik som foran beskrevet, servosløyfen holdes tilstrekkelig stabil der hvor rorvinkelforholdet Kp er litev slik at det ikke. forårsakes noen oscillasjon. Når rorvinkelforholdet Kp er stort, blir stabiliteten for servosløyfen ikke overdreven, men holdes moderat,-og derfor opptrer ingen nedsettelse av levetiden for den reléliknende manøvreringsanordning og kraftenheten. Det er således mulig å oppnå en mekanisme for regulering eller justering av rorvinkelforholdet over et stort område. Følsomheten for servoutrustningen ifølge oppfinnelsen uttrykt ved inngangsawiket ©e holdes videre på en nødven-dig verdi i praktisk bruk, og blir ikke ugunstig påvirket av rorvinkelforholdet Kp.

Fig. 3 viser en modifisert utførelse ifølge oppfinnelsen av servoutrustningen fer en skipsautopilot. På denne figur er det benyttet samme henvisningstall som fo± tilsvarende deler på fig. 2.

I stedet for tilbakekoplingskretsen 10 i servosløyfen på fig. 2 benyttes det i eksempelet på fig. 3 en krets 11 med den viste oppbyg-ning. Kretsen 11 er identisk med kretsen 10 på fig. 2 bortsett fra at en seriekopling av en motstand R4 og en kondensator C2 er koplet parallelt med seriekoplingen av motstanden R^ og den variable motstand R2 i kretsen 10 på fig. 2. Dersom motstandsverdien for motstanden R4 settes lik R^, kapasiteten for kondensatoren C2 settes lik C2 og de andre verdier bibeholdes som beskrevet i forbindelse med fig. 2, er tilbakekoplingsstrømmen I^(S) gitt ved den ene eller den andre av følgende to likninger:

I praksis bortses det fra faktorer med høyere frekvens og likning (11) kan derfor tilnærmet uttrykkes ved den ene eller den andre av følgende to likninger:

Dersom R^ + R2 = R^ , holder derfor likning (4) med hensyn til rorvinkelforholdet Kp, slik at likning (13) kan uttrykkes på følgende form:

En sammenlikning mellom likning (14) som representerer til-bakekoplingsstrømmen i eksempelet på fig. 3, .og likning (9) som representerer tilbakekoplingsstrømmen i eksempelet på fig. 2, viser at derivattiden i telleren i det andre ledd på høyre side av likning (14) adderes til leddet (R1+R2)C2 = R^C^ på grunn av nærvær av kondensatoren C2, og at filtertidskonstanten i nevneren i det andre ledd adderes til leddet R^ C2• I eksempelet på fig. 3 er imidlertid leddet som frembringes ved nærvær av kondensatoren C-^, selvsagt viktigst. Med disse ekstra ledd er det mulig å utforme mer passende endringstendensen for derivattiden og filtertidskonstanten med endringstendensen for motstandsverdien . Da kretskonstanten for den oscillasjonshindrende krets kan velges fritt, er det således mulig å oppnå en servoutrustning som er tilstrekkelig stabil og meget pålitelig i drift med hensyn til rorvinkelinnstillingsverdien over et

stort område.

Fig. 4 viser en ytterligere modifikasjon av servoutrustningen ifølge oppfinnelsen, hvor det også er benyttet samme henvisningstall for tilsvarende deler som på fig. 2. I stedet for tilbake- , koplingskretsen 10 i servosløyfen på fig. 2 benyttes det i dette eksempel en krets 12. Kretsen 12 er nøyaktig identisk med kretsen 10 på fig'- 2, bortsett fra at en seriekopling av en motstand R5 og en kondensator C-^ er koplet parallelt med den variable motstand R2

i kretsen 10 på fig. 2. Dersom motstandsverdien for motstanden R^ settes lik R,., kapasiteten for kondensatoren C 3 settes lik C3 og de andre verdier bibeholdes slik som beskrevet i forbindelse med fig. 2, er tilbakekoplingsstrømmen Io.(S) i eksempelet på fig. 4 gitt ved følgende likning:

Da det i praktisk bruk kan ses bort fra ledd med høyere frekvens , kan likning (15) tilnærmet uttrykkes ved nedenstående likning (16). Dersom man har at R^ + R2 = R^ og likning (4) angående rorvinkelforholdet Kp benyttes,,kan likning (15) uttrykkes på følgende form:

En sammenlikning av likningene (16) og (9) som representerer tilbakekoplingsstrømmene i eksemplene på fig. 4 og 2, viser at derivattiden i nevneren i andre ledd på høyre side av likning (16) adderes til leddet (R2-R-1//R2) c3' D<3 filtertidskonstanten i nevneren i andre ledd adderes til leddet ( R1// R2+ R^)C3 på grunn av nærvær av kondensatoren C^. Det er følgelig mulig å frembringe tilstrekkelig nøyaktig endringstendensen for derivattiden og filtertidskonstanten med endringen av motstandsverdien Rj. Også i eksempelet på fig. 4

er selvsagt hovedkompontentene i derivattiden og filtertidskonstanten de som frembringes i nærvær av kondensatoren C^.

I eksempelet på fig. 4 kan slik som beskrevet ovenfor, kretskonstanten for den oscillasjonshindrende krets velges fritt på samme måte som i eksempelet på fig. 3, og det er også mulig å oppnå en servoutrustning som er tilstrekkelig stabil og meget pålitelig i drift med hensyn til rorvinkelinnstillingsverdien over et stort område.

Med den ifølge oppfinnelsen tilveiebragte servoutrustning for bruk i en skipsautopilot oppnår man slik som foran beskrevet,

at tidskonstanten for den oscillasjonshindrende krets varierer automatisk i forbindelse med rorvinkeiinnstillingsmekanismen uten at det kreves noen spesiell sperremekanisme. Videre oppnås at når rorvinkelforholdet Kp er lite, er servosløyfens stabilitet tilstrekkelig sik-ret til å hindre oscillasjon eller pendling, og når rorvinkelforholdet Kp er stort, opprettholdes passende stabilitet til å hindre

reduksjon av levetiden for den reléliknende manøvreringsanordning og kraftenheten. En rorvinkelinnstillingsmekanisme kan derfor oppnås over et stort område.

Videre blir inngangsfølsomheten for servoutrustningen ifølge oppfinnelsen ikke påvirket av rorvinkelforholdet Kp, slik at nøyaktigheten av servoutrustningen holdes på en verdi som er nød-vendig for praktisk bruk.

Claims (3)

1. Servoutrustning for en skipsautopilot, omfattende en servosløyfe som inneholder en servoforsterker, en reléliknende manøvreringsanordning, en kraftenhet, en omformer og en tilbakekoplingskrets, karakterisert ved at tilbakekoplingskretsen inneholder en første seriekopling av en fast motstand (R-^) og en variabel motstand (R->) og en andre seriekopling parallelt med nevnte faste motstand, bestående av en motstand (R^) og en kondensator (C^) for stabilisering, idet stabiliseringsvirkningen på servosløyfen av den andre seriekopling (R^, C^) varieres ved endring av motstandsverdien for den nevnte variable motstand (R2)•

2. Servoutrustning for en skipsautopilot ifølge krav 1, karakterisert ved at en tredje seriekopling av en motstand (R^) og en kondensator (C2) er koplet til den første seriekopling (R^, R2) i parallell.

3. Servoutrustning for en skipsautopilot ifølge krav 1,' karakterisert ved at en tredje seriekopling av en motstand (R^V og en kondensator (C^) er koplet i parallell med den variable motstand (R2) i -den første seriekopling (R^, R,,) .