NO129841B - - Google Patents

Description

Rorinnstillingsaggregat for skips-styringsanlegg.

Oppfinnelsen angår et rorinnstillingsaggregat for skips-styrings-anlegg. Ved et rorinnstillingsaggregat skal det forstås den del av et skipsstyreanlegg som mottar et rorinnstillings-signal, som representerer rorets onskede innstillingsvinkel, samt sorger for at roret faktisk blir innstilt i denne vinkel. Rorinnstillings-signalet kan mottas direkte fra styreanleggets kommandosignal-giver,. som kan være et ratt for manuell styring eller en autopilot for automatisk styring. I sistnevnte tilfelle vil rorinnstillingssignalet være identisk med rorkommandosignalet, som i seg selv kan være et sammensatt signal som avhenger både av skipets kursavvikelse og av dets dreiehastighet. Under tiden fore-trekkes det imidlertid, f.eks. for å kompensere for dårlige styre-egenskaper for skipet, at det anbringes en signalomformer mellom rorkommandosignalgiveren og rorinnstillingsaggregatet, og i dette tilfelle vil rorinnstillings-signalet være forskjellig fra rorkommandosignalet. For den foreliggende oppfinnelse er det uten betydning hvorledes rorinnstillings-signalet avledes, idet rorinnstillingsaggregatets funksjon er begrenset til å innstille roret i en vinkel som så noyaktig som mulig er proporsjonal med det rorinnstillingssignal som aggregatet mottar.

Det angitte rorinnstillingsaggregat er av den art som omfatter

en balansekobling med innganger for et rorinnstillings-signal og et tilbakekoblingssignal samt en utgang for et balansesignal, som tjener som styresignal for start og stopp av skipets styremaskin i den ene eller den annen retning. Et rorinnstillingsaggregat av denne art er f.eks. beskrevet i britisk patentskrift nr. 627.974, som tilsvarer dansk patentskrift nr. 71.097, samt i tysk patentskrift nr. 1.268.255.

Ved kjente aggregater av denne art avledes tilbakekoblingssignaler direkte fra rorstillingen, idet det f.eks. avgis fra et potensiometer hvis bevegelige kontaktarm er forbundet med roret.

Man har funnet at sådanne rorinnstillingsaggregater lider av visse mangler, som henger sammen med at styremaskinen uunngåelig arbeider med en viss etterslepning, hvilket betyr at det fra det oyeblikk da styremaskinen mottar ordre til start eller stopp,

går en viss tid innen styremaskinen henholdsvis kommer igang med full hastighet og kommer til fullstendig stillstand. Når balansesignalet således når stoppverdien, vil derfor styremaskinen og dermed roret etterbeveges, d.v.s. lope litt for langt, og tilbakekoblingssignalet, som direkte representerer rorvinkelen, vil derfor også nå en verdi tilsvarende etterbevegelsen. Hvis etterbevegelsen av tilbakekoblingssignalet er så stort at balånse-signalet når verdien for start av styremaskinen i den motsatte retning blir styremaskinen således startet og kan igjen etterbeveges og innlede en ny vending, o.s.v. En sådan pendlende

tilnærmelse ved utforelsen av en styreordre betegnes som ustabilitet i styringen.

Det vil innses at man for å unngå ustabilitet må velge forskjellen mellom de balansesignaler som henholdsvis utloser stopp i den

ene retning og start i den motsatte retning, den såkalte dodgangsbredde, storre enn etterlbpet av styremaskinen, representert ved tilbakekoblingssignalet. På den annen side er det imidlertid med henblikk på styringens noyaktighet onskelig å holde dodgangsbredden så liten som mulig. Dette volder ikke i seg selv noen vanskelighet, selv om balansesignalets styrefunksjon utfores ved hjelp av elektromekaniske releer, slik som det i alminnelighet er tilfelle, og som i seg selv har en viss dodgangsbredde, idet dodgangsbredden kan reduseres med en vilkårlig verdi ved forsterkning av balansesignalet. Men som ovenfor forklart setter styremaskinens etterbevegelse en nedre grense for dodgangsbredden. Etterbevegelsen vil i alminnelighet vokse med styremaskinens hastighet, og jo storre denne hastighet er, desto storre vil

derfor den nedre grense for dodgangsbredden bli, hvilket er uheldig, da det selvsagt er onskelig at styremaskinen skal

bringe styreordrer til utforelse så hurtig som mulig.

Av de ovenfor anforte grunner er det i alminnelighet nodvendig

å avfinne seg med et kompromiss mellom dodgangsbredde, hastighet av styremaskinen og stabilitet. Dette kompromiss er ikke alltid tilfredsstillende, og særlig ved automatisk styring under anvendelse av en autopilot som rorkommandogiver, ikke alltid forenelig med den presisjon som man venter av en automatisk styring.

Oppfinnelsen går ut på å avhjelpe eller forminske disse ulemper

ved et rorinnstillingsaggregat av den angivende art, idet det særtrekk i henhold til oppfinnelsen består i at det aggregat som frembringer tilbakekoblings-signalet har en styremaskinsimulator med mindre etterslepning enn styremaskinen, og som er innrettet for, under innvirkning av balansesignalet, å startes og stoppes i den ene eller den annen retning i takt med styremaskinen samt derved å frembringe et signal som representerer styremaskinsimulatorens avvikelse fra dens signalstilling og som påtrykkes

balansekoblingen som tilbakekoblingssignal, idet det forefinnes midler for langsom synkronisering av simulatoren med styremaskinen.

Da styremaskinsimulatorens eneste funksjon er å levere et elektrisk styresignal, kan den lett innrettes til å arbeide med en meget liten etterslepning eller praktisk talt helt uten etterslepning, og på grunn av dens langsomme synkronisering med styremaskinen vil den likevel representere rorvinkelen på tilfredsstillende måte. Man har funnet at ved anvendelse av en sådan styremaskinsimulator, kan det oppnås et tilfredsstillende kompromiss mellom dodgangsbredde, hastighet av styremaskinene samt stabilitet.

Når styreanlegget tas i bruk, kan det være en betydelig avvikelse mellom simulatoren og styremaskinen, og med den beskrevne langsomme synkronisering kan det ta. noe tid for det oppnås regelmessig styring. Ved en foretrukket utforelsesform av oppfinnelsen omfatter rorinnstillingsaggregatet derfor i tillegg midler for hurtig synkronisering av simulatoren med styremaskinen når det opptrer en forut bestemt innbyrdes avvikelse mellom disse. Den hurtige synkronisering kan også-utnyttes under drift i tilfelle av hurtige og store endringer av rorinnstillingssignalet, nemlig hvis hellingen av simulatorens arbeidskarakteristikk ikke er identisk med hellingen av styremaskinens arbeidskarakteristikk, således som det skal forklares nærmere nedenfor.

En særlig hensiktsmessig form for en styremaskinsimulator er en integratorkrets. En sådan krets er i stand til å simulere styremaskinens mekaniske funksjon rent elektrisk og er derfor praktisk talt uten etterslepning. Om det onskes vil det imidlertid også være mulig å anvende en elektromekanisk simulator, som f.eks.

en liten elektrisk motor, som driver den bevegelige kontaktarm på et potensiometer.

Oppfinnelsen skal i det folgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, der: Fig. 1 viser et koblingsskjema for en utforelsesform av et ror-

innstillingsaggregat i henhold til oppfinnelsen,

fig. 2 er en grafisk fremstilling av arbeidsfunksjonen for et konvensjonelt rorinnstillingsaggregat av tilbakekoblingstypen,

fig. 3 er en grafisk fremstilling av arbeidsfunksjonen for det rorinnstillingsaggregat som er vist i fig. 1, og

fig. 4 er en lignende grafisk fremstilling som i fig. 3, men med rorinnstillingsaggregatet innstilt på en litt annen måte.

Det viste rorinnstillingsaggregat omfatter en releforsterker i form av en operatorforsterker 1. Et rorinnstillings-signal påtrykkes gjennom en inngangsmotstand RI og sammenlignes med et tilbakekoblings-signal fra den nedenfor beskrevne styremaskin-simulator, idet dette signal påtrykkes gjennom en inngangsmotstand R3. Begge disse signaler kan uttrykkes som spenninger, men da disse spenninger representerer rorvinkler, kan signalene også uttrykkes i vinkelgrader. Forskjellen mellom de to signaler representerer det signal som ovenfor er betegnet som balansesignaler, og som påtrykkes forsterkeren 1 som inngangs-signal. Forsterkerens inngangssignal driver et styrbordsrele Re 1 (også merket med styrbordssymbolet SB) og et babordsrele Re 2 (også merket med babordssymbolet P) gjennom dioder Dl og D2. Dodgangsbredden av relearrangementet i henhold til den ovenfor gitte definisjon, bestemmes av forsterkerens 1 folsomhet eller forsterkning, som atter bestemmes av en motkoblingsmotstand R2 samt et innstillbart potensiometer Pl.

Aggregatet inneholder en styremaskinsimulator, som utgjores av

en operatorforsterker 2, som er innkoblet i en integratorkrets i kombinasjon med en kondensator Cl og en inngangsmotstand R4.

Når styrbords- eller babordsreleet aktiveres, forbindes mot-standen R4 gjennom kontakter på vedkommende rele til den ene eller den annen av to spenningskilder med konstant spenning, henhv.

+ 20 V og - 20 V. Alternativt kan det benyttes særskilte brytere, f.eks. elektroniske brytere, for å opprette disse forbindelser i direkte avhengighet av forsterkerens 1 utgangssignalspenning, og

ved de samme verdier av denne som bevirker aktivering av releene Re 1 og Re 2.

Når inngangsmotstanden R4 tilsluttes spenningen + 20 V eller

- 20 V, bygges det opp i integratorkretsen et utgangssignal som vil stige med konstant takt i positiv eller negativ retning og dermed simulere bevegelsen av styremaskinen og dermed av roret i styrbord- eller babordsretning. Når ingen av releene Re 1

og Re 2 er aktivert, forblir integratorkretsens utgangsspenning konstant, og tilsvarende stillstand av styremaskinen. Kalibreringen av integratorkretsen kan f.eks. være slik at utgangs-signalet representerer 0,5 V/grad med nullverdien svarende til midtskipsrorstillingen.

Releene Re 1 og Re 2 har også kontakter som starter og stopper

den virkelige styremaskinen SG i styrbords- eller babords retning. Styremaskinen dreier atter roret R i styrbords- eller babords-retningen, slik som angitt ved de piler som er markert med SB

og P.

Ved variasjon av mdstanden R4 kan hastigheten av styremaskin-simulatoren, uttrykt i vinkelgrader pr. tidsenhet, innstilles i overensstemmelse med den hastighet som roret R dreies av styremaskinen SG.

Som angitt ved den strek-prikkede linje 11 er potensiometeret

P3 mekanisk forbundet med roret på en sådan måte at potensiometeret måler vinkelstillingen av roret og dermed stillingen av styremaskinen, samt overforer denne stilling tilbake i form av et elektrisk tilbakekoblings-signal, f.eks. med en kalibrerings-verdi på 0,5 V/vinkelgrad.

Tilbakekoblings-signalene fra styremaskin-simulatoren og fra potensiometeret P3, eller med andre ord vinkelstillingen av styremaskinen og den ekvivalente vinkelstilling av simulatoren, sammenlignes i et forbindelsespunkt mellom to motstander R6 og R7. Hvis det er en forskjell mellom de to tilbakekoblingssignaler, blir denne forskjell gjennom en motstand R5 påtrykt integrator-

kretsens summasjonspunkt og bringer derved denne krets til å

drive meget langsomt i retning mot styremaskinens stilling, slik at simulatoren langsomt nærmer seg til synkronisme med styremaskinen.

Forbindelsespunktet mellom motstandene R6 og R7 er videre tilsluttet integratorkretsens inngang over et potensiometer P2

og to silisiumdioder D3 og D4. Hvis forskjellen mellom stillingene av styremaskinen og simulatoren overskrider en viss verdi, som kan innstilles ved hjelp av potensiometeret P2, blir en av diodene D3 eller D4 ledendé. Derved blir integratorkretsen på grunn av

de forholdsvis lave verdier av R6 og R7, hurtig fort tilbake til et arbeidspunkt, der forskjellen mellom stillingene av styremaskinen og simulatoren ikke lenger overskrider denne nevnte verdi. Dette er den funksjon som ovenfor er betegnet som hurtig synkronisering.

Ved den viste utforelsesform dekker potensiometeret P2 en avvikelse mellom simulatoren <p>g styremaskinen innenfor et ubegrenset område utover fra - 2^.

Et eksempel på de elektriske verdier av de forskjellige komponenter er angitt i fig. 1.

Fig. 2 anskueliggjor funksjonen av et konvensjonelt rorinnstillingsaggregat, der. et signal som direkte representerer rorstillingen, kobles tilbake til balansekretsen. Absissen representerer tid og ordinaten spenninger eller de tilsvarende vinkler i overensstemmelse med aggregatets kalibrering.

Kurven a illustrerer stillingen av styremaskinen, uttrykt som rorets vinkelstilling, idet det antas at styremaskinen ved tidspunktet t=0 startes fra sin midtstilling under innvirkning av et rorinnstillings-signal VP, som bringer styrbordsreleet til å trekke til. I ethvert punkt av kurven a representerer ordinat-verdien VR også det tilbakestillings-signal som er avhengig av rorstillingen. Avstanden opp til den vannrette VP-linje representerer fblgelig balansesignalet VB = VP - VR. VP-linjen representerer således også nullverdi av balansesignalet og kan folgelig også betegnes som balanselinjen. De spenninger ved hvilke styrbord- og babordsreleet henholdsvis trekker til og faller ut, ligger på hver sin side av balanselinjen og er betegnet med SB on og SB off for styrbordsreleet og P on og P off fpr babordsreleet.

Som det fremgår av kurven a, startes styremaskinen med en viss forsinkelse og beveger seg deretter med konstant hastighet, inntil den når punktet A, der styrbordsreleet faller ut. Styremaskinen .etterbeveges nå, d.v.s. loper et visst stykke videre. Hvis etterbevegelsen er tilstrekkelig liten til å slutte mellom SB off og P on, forblir styremaskinen i den stilling den har inntatt, jfr. kurvedelen b. Hvis på den annen side etterbevegelsen er så stor, at den overskrider P on-grensen, startes styremaskinen i babordsretning og kan igjen overskride SB on-grensen, således at styremaskinen på ny startes i styrbords-retningen o.s.v., som angitt ved kurvedelen c. Styringen er således blitt ustabil. For å unngå ustabilitet må dodgangsbredden mellom SB off og P on (eller P off og SB on) velges storre enn etterbevegelsen.

I fig. 3 er den styremaskin-simulator som er vist i fig. 1, tilfoyet, idet den er representert ved kurven d. Styrbordsreleet faller ut der hvor kurven d skjærer SB off-linjen, altså punktet B. I dette oyeblikk befinner styremaskinen seg i punktet C, altså betydelig under SB off-linjen. Denne etterbevegelse som kan tillates uten at kurven a overskrider P on-linjen, er derfor betydelig storre enn i fig. 2. Hvis etterbevegelsen slutter noyaktig ved SB off, er simulatoren stadig i synkronisme med styremaskinen. Hvis etterldpet slutter over SB off, som vist, innledes det automatisk en langsom synkronisering av simulatoren med styremaskinen, således som angitt i sammentrykt tidsskala ved kurvedelen e.

Det vil forstås at man i fig. 3 med en viss verdi av etterbevegelsen kan innsnevre dodgangsbredden vesentlig sammenlignet med fig. 2, uten at det oppstår ustabilitet, hvorved det kan oppnås en mere noyaktig styring.

For enkelthets skyld er det i fig. 2 og 3 sett bort fra at rorinnstillings-signalet kan ha forandret seg innen det oppnås balanse. Dette vil imidlertid bare bety, at mens styremaskinen og simulatoren vandrer opp langs sine respektive kurver, beveges hele systemet av linjer VP, SB-on, SB-off, P-on og P-off opp eller ned. Hvis man derfor larVP representere rorinnstillingssignalet, ikke ved tidspunktet t = 0, men ved det tidspunkt når styrbords-, releet faller ut vil figurene også ha gyldighet i dette tilfelle.

Synkroniseringen av simulatoren med styremaskinen behover ikke

å være avsluttet, for den neste rorinnstillingsoperasjon utloses av en endring av rorinnstillings-signalet.

Fig. 4 illustrerer funksjonen av rorinnstillingsaggregatet idet tilfelle styremaskinsimulatoren innstilles slik at den loper litt hurtigere enn styremaskinen. I overensstemmelse hermed vil det i figuren ses at hellingen av den kurve d, som representerer simulatoren, er storre enn hellingen av den kurve a som representerer styremaskinen.

Opp til punktet D på kurven d vil funksjonen være den samme som tidligere beskrevet. I dette punkt er avvikelsen mellom simulatoren og styremaskinen kommet opp på den verdi f, der en av diodene D3, D4 blir ledende for å frémbringe hurtig synkronisering. Fra dette punkt vil kurven d fortsette parallelt med kurven a fordi den ledende diode vil hindre simulatoren i å foroke sitt forsprang. I skjæringspunktet B mellom kurven d og SB off-linjen faller styrbordsreleet ut, og styremaskinen begynner sin etterbevegelse fra punktet C på tilsvarende måte som i fig. 3.

Samtidig setter den langsomme synkronisering inn.

Verdien f og dermed den verdi Pqg av rorinnstillings-signalet,

der den hurtige synkronisering settes inn, bestemmes ved inn-stilling av potensiometeret P2. Så lenge rorinnstillings-signalet ikke overskrider denne verdi, vil funksjonen være den samme som

forklart under henvisning til fig. 2.

I praksis er det funnet mest hensiktsmessig å innstille aggregatet

slik at den hurtige synkronisering bare settes inn i tilfelle av forholdsvis store og hurtige endringer av rorinnstillings-

signalet, d.v.s. i tilfelle av forholdsvis steile rorkommandoer eller steilt inntredende avvikelser av skipet fra en innstilt kurs,

mens bare den langsomme synkronisering er aktiv så lenge styringen nærmest har karakter av en korrigerende funksjon til fastholdelse av skipet på en innstilt kurs under rolige styreforhold.

Claims (5)

1. Rorinnstillingsaggregat for skips-styreanlegg, og som omfatter en balansekobling (RI, R2) med innganger for et rorinnstillings-signal og et tilbakekoblingssignal samt en utgang for et balansesignal, som tjener som styresignal for start og stopp av skipets styremaskin (SG) i den ene eller den annen retning, karakterisert ved at det aggregat som frembringer tilbakekoblings-signalet har en styremaskinsimulator (2, Cl, R4)

med mindre etterslepning enn styremaskinen, og som er innrettet for, under innvirkning av balansesignalet, å startes og stoppes i den ene eller den annen retning i takt med styremaskinen (SG) samt derved å frembringe et signal som representerer styremaskinsimulatorens avvikelse fra dens signalstilling og som påtrykkes balansekoblingen (RI, R2) som tilbakekoblingssignal, idet det forefinnes midler (R5, R6, R7) for langsom synkronisering av simulatoren (2, Cl, R4) med styremaskinen (SG).

2. Rorinnstillingsaggregat som angitt i krav 1,karakterisert ved at det også omfatter midler (P2, D3, D4) for hurtig synkronisering av simulatoren (2, Cl, R4) med styremaskinen (SG) når det opptrer en forutbestemt avvikelse mellom disse.

3. Rorinnstillingsaggregat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at styremaskinsimulatoren består av en integratorkrets (2, Cl, R4).

4. Rorinnstillingsaggregat som angitt i krav 3, karakterisert ved at integratorkretsen (2, Cl, R4) har en inngang, som i avhengighet av balansesignalet over en inngangsmotstand (R4) kan kobles til kilder for to forskjellige faste spenninger (- 20 V, + 20 V), og som dessuten over en annen inngangsmotstand (R5) er koblet til et sammenligningspunkt mellom integratorkretsens signal og et signal som er avhengig av rorstillingen.

5. Rorinnstillingsaggregat som angitt i krav 4, karakterisert ved at integratorkretsens (2, Cl, R4) inngang dessuten over en dobbeltvirkende terskelbryter (D3, D4) er koblet til nevnte sammenligningspunkt (R6, R7).