Vorrichtung zur Steuerung eines Zykloidenpropellers für Wasserfahrzeuge

Abstract

 Um den Steuerpunkt eines Zykloidenpropellers (1) ("Voith-­Schneider-Propellers") exakt und schnell verstellen zu können, sind hydraulische Stellzylinder (25y) mit elek­trischen Proportionalventilen (26y) vorgesehen, deren Soll­wert - vorzugsweise über einen unterlagerten Ventil­strom-Regelkreis und einen Ventilstellungs-Regelkreis - ­von einem Zylinderhub-Regelkreis geliefert wird. Die Fahrt- und Ruderbefehle werden mittels Hochlaufgebern, die die Verstellgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Belastung und der Fahrtrichtung begrenzen, nach geeigneten Kennlinien in Steurgrößen umgewandelt, die von Schiffskoordinaten auf Stellglied-Koordinaten transformiert und nach dem Lehrsatz des Pythagoras in die Sollwerte für die Zylinderhübe umgerechnet werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Zykloidenpropellers für Wasserfahrzeuge mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

[0002] Um Fährschiffe, Schwimmkrane, Fahrgastschiffe, Tonnen­leger, Schleppfahrzeuge oder andere Wasserfahrzeuge exakt auf engstem Raum manövrieren oder exakt auf der Stelle halten zu können, werden sie vorteilhaft mit mehreren Zykloidenpropellern ("Voith-Schneider-Propel­ler") ausgestattet. Dies sind aus dem Schiffsboden he­rausragende, jeweils um eine annähernd vertikale Achse rotierende Flügelräder, an deren Radumfang jeweils um ebenfalls annähernd vertikale Achsen schwingende Flügel angeordnet sind. Aus der deutschen Patentschrift 2 029 995 ist eine Steuerung dieser Flügel bekannt, deren Prinzip in Figur 1 dargestellt ist.

[0003] Auf einem Flügelrad 1 sind drei bis maximal sieben Schwenkflügel 2 bis 6 angeordnet, die gegenüber der Radtangente um einen Winkel verschwenkt werden, der bei einer ganzen Umdrehung des Flügelrades zwischen einem maximalen positiven und maximalen negativen Winkelwert (der sogenannten "Steigung") verändert wird. Das Flügelrad ist mit seiner Drehachse vertikal am Boden des Schiffes angeordnet, so daß das Wasser auf die Schwenkflügel die Kräfte K2 - K6 ausübt. Die Vektoraddition dieser Kräfte ergibt eine resultierende Kraft und wächst mit wachsendem Maximalwinkel, den die Schwenkflügel gegenüber der Radtangente bei einem Um­lauf annehmen.

[0004] Sind mit F eine in Längsrichtung des Schiffes zeigende Achse und mit 7,7′ die Schnittpunkte dieser Achse mit dem Kreis 1 bezeichnet, so wird der Winkel f der Schwenk­flügel in den Punkten 7,7′ oder ein anderes geeignetes Maß für diesen Winkel "Fahrtsteigung" genannt und be­wirkt einen Schub, der das Schiff in Richtung der Längs­achse F (Fahrtachse) bewegt.

[0005] Wird abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Stellung den Schwenkflügeln auch eine "Rudersteigung" vorgegeben, die beim Passieren der Punkte 8 und 9 die Winkelstellung der Schwenkflügel gegenüber der Radtangente bestimmt, so tritt auch eine Kraftkomponente in Richtung der "Ruder­achse" R auf.

[0006] Um die Stellung der Schwenkflügel einzustellen, ist in dem Flügelrad-Getriebe ein sogenannter "Steuerpunkt" A verfahrbar, dessen Exzentrizitäten bezüglich des Flügel­rades (d.h. kartesische Komponenten DF, DR im Koordina­tensystem F, R) die Steigung bestimmen.

[0007] Die in den Richtungen F und R auftretenden, von den Flü­gelrädern und ihrem Antrieb aufzubringenden Schubkräfte sind von der Anströmung der Flügelräder,also insbeson­dere von den geometrischen Verhältnissen unter dem Schiffsboden und der relativen Fahrtgeschwindigkeit ab­hängig. Dies kann durch Steuerkennlinien berücksichtigt werden. Dabei zeigt es sich für die Belastung des Antriebs und die Begrenzung der Exzentrizitäten vor­teilhaft, wenn die Fahrtsteigung in Abhängigkeit der Rudersteigung reduziert wird (Kennlinie 10 in Fig.1).

[0008] Die Steuerachse A des Flügelrad-Getriebes wird mit zwei elektrisch steuerbaren Stellgliedern 11 und 12 und einer (nicht dargestellten) Mechanik verfahren. Liegen diese Stellglieder in den Achsen F und R, so sind die Verstell­wege DX und DY gleich den Exzentrizitäten DF und DR. Die räumlichen Verhältnisse erfordern aber je nach Schiffstyp häufig eine andere Anordnung der Stellglie­der 11 und 12, z.B. in Richtung der Achsen X und Y der Figur 1. Für die Steuerung der Stellglieder müssen da­her die Exzentrizitäten DF und DR entsprechend einer Drehung des Koordinatensystems in Steuergrößen Dx und Dy für die Verstellwege DX und DY umgerechnet werden.

[0009] Hierzu dient die den Steuereingängen der Stellglieder vorgeschaltete Transformationseinrichtung 13, deren Eingangssignale an einem Rechenwerk 14 abgegriffen und aus den Führungsgrößen F und R abgeleitet sind. Die Führungsgröße F für die Fahrtsteigung ist bestimmt durch einen Fahrtbefehl, der z.B. mittels eines Ge­schwindigkeitssteuerhebels 15 an einem entsprechenden Geber 16 eingestellt ist, und die Führungsgröße R für die Rudersteigung durch einen Ruderbefehl, der mittels eines Ruderrades 17 an einem entsprechenden Geber 18 eingestellt ist.

[0010] Die mechanischen Kräfte zum Verstellen der Steuerachse werden nach der DE-PS 2 029 995 von Servomotoren aufge­bracht, die miteinander verkoppelt sind, da sie gemein­sam am Steuerpunkt A angreifen.

[0011] Es hat sich nun gezeigt, daß an sich der Zykloidenpro­peller eine sehr exakte und schnelle Steuerung des Schiffes zuläßt, die hauptsächlich durch die Eigen­schaften der Servomotoren und ihrer Steuerung beschränkt ist. Die Servomotoren und ihre Steuerungen sind dabei jedem Schiffstyp konstruktiv anzupassen.

[0012] Die Erfindung gibt daher eine Steuerung an, die an die jeweiligen Gegebenheiten verschiedener Schiffstypen und den jeweiligen Antrieb der Propeller sehr einfach (nämlich durch Setzen elektrischer Parameter) anpaß­bar ist und den Steuerpunkt schnell, exakt und ohne großen Aufwand verstellt. Sie ist auch robust und mög­lichst wartungsfrei. Dies wird erreicht durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

[0013] In einem Hydraulikkreislauf gestatten Proportionalven­tile eine stetige Regelung des Durchflusses in beiden Richtungen. Dadurch können Stellzylinder sehr genau positioniert werden, wobei erhebliche Kräfte einfach, exakt und schnell gesteuert werden können.

[0014] Ein schnelles Hochfahren der Steigung belastet den Pro­pellerantrieb und die Mechanik zum Verstellen der Schwenkflügel, unabhängig vom Vorzeichen der Steigung selbst; ein Herunterfahren der Steigung, d.h. ein An­legen der Schwenkflügel, stellt dagegen eine Entlastung dar, die u.U. rasch vorgenommen werden kann. Daher sind für plötzliche Änderungen der Führungsgrößen vorteil­haft Hochlaufgeber vorgesehen, die die Sollwerte der Fahrsteigung bzw. Rudersteigung kontinuierlich auf einen neuen Wert hoch- bzw. runterfahren, wobei sowohl die Ge­schwindigkeit der Steigungserhöhung wie der Steigungs­erniedrigung jeweils für die Rudersteigung und die Fahrsteigung unabhängig einstellbar ist. Diese Begren­zung der Anstiegsgeschwindigkeit kann insbesondere von der Belastung des Antriebs und/oder von der Drehzahl und/oder von der Stellung des Ruderrades und des Fahrt­hebels selbst abhängig sein.

[0015] Vorteilhaft wird die Fahrtsteigung in Abhängigkeit von der Rudersteigung, insbesondere in Form eines ruder­ steigungsabhängigen Faktors, verringert. Bevorzugt kann auch die Rudersteigung in Abhängigkeit von der Fahrt­steigung, insbesondere in Abhängigkeit von der Fahrt­steigung und der Fahrtrichtung, gesteuert werden. Werden die Rudersteigung und die Fahrtsteigung auf einen dem maximal zulässigen Hub der Stellzylinder entsprechenden Wert begrenzt, so können mechanische Anschläge für die maximale Zylinderauslenkung entlastet oder entbehrlich werden. Bevorzugt werden die Grenzwerte in Abhängigkeit vom Lastzustand des Antriebs vorgegeben, wodurch der Antrieb und seine Regelung entlastet sind.

[0016] Schließlich können vorteilhaft die vom Rechenwerk ge­bildeten Sollwerte , die den Exzentrizitäten des Steuerpunktes in Schiffskoordinaten entsprechen, in die Exzentrizitäten bezüglich der den Zylindern zuge­ordneten Koordinaten X, Y transformiert werden, wo­bei der Hub der um vertikale Achsen Ax, Ay drehbar gelagerten Zylinder entsprechend dem geometrischen Satz von Pythagoras aus diesen transformierten Ex­zentrizitäten berechnet wird.

[0017] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden anhand von einem Ausführungsbeispiel und weiteren Figuren erläu­tert.

[0018] Es zeigen:

Figur 1 das bereits erläuterte, aus dem Stand der Tech­nik bekannte Prinzip einer Zykloiden-Propeller-­Steuerung,

Figur 2 das Prinzip einer bevorzugten Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Figur 3 die Steuerung der Steuerachse in Abhängigkeit von Sollwerten für Fahrtsteigung und Ruderstei­gung,

Figur 4 eine Begrenzerschaltung zur lastabhängigen Be­grenzung der Sollwerte,

Figur 5 ein umgeformtes Steuerdiagramm für die Soll­werte,

Figur 6 die Bildung der Sollwerte für Fahrtsteigung und Rudersteigung aus dem Fahrt- und Ruderbe­fehl.

[0019] In Figur 2 ist nur ein Propeller (Flügelrad 1) darge­stellt, der von einem Dieselmotor 20 auf einer ein­stellbaren, innerhalb eines größeren Betriebsbereichs praktisch konstanten Drehzahl gehalten wird. Die opti­male Anpassung an den jeweiligen aktuellen Betriebszu­stand erfolgt über typenmäßig oder individuell ange­paßte Parameter der Steuerung.

[0020] Das Antriebsmoment ist über ein geeignetes Stellglied, z.B. das Einlaßventil 21 des Dieselmotors 20, von einer Antriebsregelung 22 vorgegeben, die z.B. einen Dreh­zahlregler enthalten kann. Mit 23 ist ein mechanisches Glied bezeichnet, an dem der Drehzahl-Istwert abgegrif­fen werden kann und/oder das zur Ankopplung von Öldruck­pumpen dient, um den Druck in den (vorteilhaft voneinan­der getrennten) Schmieröl- und Steuerölkreisläufen des Flügelradpropellers aufrechtzuerhalten. Das mechanische Glied 23 kann dabei auch eine Kupplung enthalten.

[0021] Über Verbindungsleitungen 24 kann der Lastzustand des Antriebs (im Beispiel: der am Einlaßventil 21 eingestell­ten Füllgrad des Dieselmotors 20) eingreifen. Auch kann die Steuerung des Antriebs von den Soll- und Istwerten der Steigungen beeinflußt werden, z.B. damit der Antrieb nur angelassen werden kann, wenn die Flügel 2 - 6 tangen­tial am Ruderrad 1 anliegen, das Flügelrad 1 also mit keinen Schub- und Ruderkräften belastet ist.

[0022] Zum Verstellen der Steuerachse werden gemäß der Erfin­dung Stellzylinder 25x, 25y verwendet, in deren Hydrau­likkreislauf (Steueröl-Kreislauf) elektrohydraulische Proportionalventile 26x und 26y direkt eingesetzt sind. Sie gestatten eine stetige, in beiden Richtungen sehr feinfühlige Verstellung des Zylinderhubes der beiden Stellzylinder. Die Stellzylinder selbst sind z.B. um die Punkte Ax, Ay schwenkbar, wobei sich die für die Lage des Punktes A erforderlichen Zylinderhübe aus des­sen Abstand von Ax und Ay gemäß dem pythagoräischen Lehrsatz ergeben.

[0023] Diese Stellzylinder 25x und 25y besitzen Istwert-Aus­gänge, an denen mittels Meßumformern 27x und 27y Ist­werte Hx, Hy für den Zylinderhub abgegriffen sind. Diese werden zusammen mit entsprechenden Sollwerten Hx*, Hy* jeweils einem Zylinderhub-Regler 28x, 28y in einem Zylinderhub-Regelkreis zugeführt, um aus der Regelabweichung die Sollwerte Ix*, Iy* für die Ventil­ströme der Ventile 26x, 26y zu bilden.

[0024] Vorteilhaft ist dem Zylinderhub-Regelkreis ein Ventil­weg-Regelkreis unterlagert. An einem Istwert-Ausgang jedes Ventils 26x, 26y ist über Meßwertumformer 29x, 29y der Istwert der Ventilstellung abgegriffen und zu­sammen mit dem Ausgang der Zylinderhub-Regler 28x, 28y einem Ventilweg-Regler 30x, 30y zugeführt. Der Ausgang dieser unterlagerten Ventilweg-Regler bildet die Strom-­Sollwerte Ix*, Iy*, die ihrerseits vorteilhaft jeweils einem Ventilstrom-Regler 31x, 31y eines unterlagerten Ventilstrom-Regelkreises zugeführt sind.

[0025] Um die auf die Stellzylinder 25x, 25y arbeitenden Soll­werte Hx*, Hy* zu bilden, ist gemäß Fig. 2 der am Fahr­hebel 15 eingestellte Fahrbefehl F und der am Ruderrad 17 eingestellte Ruderbefehl R im Rechenwerk 14 in die Sollwerte DF und DR für die Fahrtsteigung bzw. die Ru­dersteigung umgerechnet, die den Exzentrizitäten des Steuerpunktes A im Schiffskoordinatensystem F, R ent­sprechen. Die Transformationseinrichtung 13 dient der erwähnten Umrechnung in die Koordinaten X, Y der Stell­glieder. Der vorteilhafte Aufbau der Transformations­einrichtung 13 und des Rechenwerkes 14 wird später er­läutert.

[0026] Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, die Hubistwerte Hx, Hy auch einem invers zur Transformationseinrichtung 13 arbeitenden Istwert-Transformationsglied 32 zuzuführen, um an einer Anzeige 33 die rückgerechneten Istwerte von Rudersteigung und Fahrtsteigung anzuzeigen. Bevorzugt ist dem Istwert-Transformationsglied ein invers zum Re­chenwerk 14 arbeitendes Istwert-Rechenglied 34 zur Bil­dung rückgerechneter Istwerte für die Führungsgrößen der Fahrtsteigung und der Rudersteigung nachgeschaltet. Ist z.B. der Schiffsantrieb in einen stationären Zustand eingelaufen, so zeigt eine Gleichstellungsanzeige 35 die Gleichheit der rückgerechneten Istwerte mit dem Fahrtbefehl F und dem Ruderbefehl R entsprechenden Wer­ten, wobei die Anzeige 33 dann die tatsächlichen Stel­lungen der Schwenkflügel angibt. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Steuerhebel 15 und das Ru­derrad 17 abgeschaltet wird, um auf eine Fernsteuerung, z.B. für ein Geleit aus mehreren Schiffen, oder auf eine Handsteuerung des Steuerpunktes A umzuschalten.

[0027] Durch die räumliche Anordnung der Stellglieder ist der Winkel w zwischen den Achsen X, Y der Stellglieder und den Schiffsachsen R, F für jeden Schiffstyp festge­legt. Dazu kann es erforderlich sein, vom rechtshändi­gen Schiffskoordinatensystem auf ein linkshändiges X-, Y-Koordinatensystem überzugehen, was durch einen Para­ meter BX bzw. BY zum Vorzeichenwechsel der X- bzw. Y-­Koordinate vorgegeben werden kann. Die Koordinatentrans­formation transformiert dann die Sollwerte DR und DF in die Exzentrizitäten DX, DY nach den Beziehungen
DX = BX (DR . cos w + DF . sin w)
DY = BY (-DR . sin w + DF . cos w).
Für derartige Transformationen sind sogenannte "Vektor­dreher" bekannt. In der Transformationeinrichtung 13 ist ein entsprechendes Rechenelement 36 (Fig. 3) in Reihe mit einem weiteren Rechenelement 37 geschaltet, das ge­mäß dem geometrischen Lehrsatz des Pythagoras den je­weiligen Stellzylinder-Hub-Sollwert Hx*, Hy* aus den Exzentrizitäten berechnet. Wird der Abstand der Schwenk­achsen Ax, Ay der Stellzylinder vom Koordinatenschnitt­punkt mit ax bzw. ay bezeichnet, so ergibt sich z.B. für das Rechenglied 37 der Figur 3 die Beziehung
(ax + Hx*)² = (ax + DX)² + DY²
(ay + Hy*)² = (ay + DY)² + DX².

[0028] Gemäß Figur 3 bildet ein entsprechendes inverses Rechen­glied 37′ und ein inverser Vektordreher 36′ aus den tatsächlichen Istwerten Hx, Hy die rückgerechneten Ist­werte DFo′, DRo′ von Rudersteigung und Fahrtsteigung.

[0029] Die weitere Verarbeitung des Steuersignals für die Stellglieder, d.h. der Hubsollwerte Hx*, Hy* ist in Fig. 3 nur für den Stellzylinder 25x gezeigt. Vorteil­haft wird als Hubregler 28x ein Proportionalregler ver­wendet. Soll ein Überschwingen vermieden werden, so wird der Verstärkungsfaktor durch ein entsprechendes Kennlinienglied 38 nichtlinear eingestellt. Dadurch kann die Geschwindigkeit, mit der der Zylinder verstellt wird, insbesondere ungefähr proportional zur Wurzel aus der Regelabweichung vorgegeben werden. Damit der elek­trisch verstellbare Ventilsteuerhebel keine ruckartigen Bewegungen ausführt, die große Druckänderungen zur Folge hätten, ist in Reihe mit dem Kennlinienglied 38 ein Hoch­laufgeber 39 geschaltet.

[0030] Der unterlagerte Ventilweg-Regler 30x hat vorzugsweise PI-Verhalten. Seinem Ausgangssignal ist eine rechteckige Schwingung überlagert, die von einem Zusatzsollwertgeber 41 als "Ventilstrom-Dither" erzeugt wird. Dadurch wird eine ständige geringfügige Bewegung des Ventilsteuerhe­bels und damit eine Verringerung der Haftreibung im Pro­portionalventil 26x erreicht.

[0031] Der nachgeordnete Ventilstrom-Regler 31x ist als Zwei­punkt-Regler ausgeführt. Hierzu wird der Ventilstrom-­Sollwert gleichgerichtet und entsprechend seinem Vor­zeichen (d.h. der gewünschten Vergrößerung oder Ver­kleinerung des Zylinderhubes) jeweils einem eigenen, der jeweiligen Durchflußrichtung des Steueröls durch Stellzylinder und Proportionalventil zugeordneten Re­gelkanal zugeführt. Jeder Regelkanal enthält hierbei ein Schwellwertglied 42, 42′, das einen Schalttran­sistor 43, 43′ für den Ventilstrom ansteuert.

[0032] Vorteilhaft sind die Rudersteigung und die Fahrtsteigung, d.h. die Exzentrizitäten des Steuerpunktes A, auf einen vom Lastzustand des Antriebs abhängigen Wert begrenzt. Hierzu dient die Begrenzerschaltung in Figur 4, die einen Begrenzungsregler enthält und sowohl für die Fahrt­steigung wie für die Rudersteigung jeweils einen Grenz­wert vorgibt, der für positive und negative Steigungen unterschiedlich sein kann. Dadurch wird, je nach Be­triebszustand des Antriebs 20, eine Überlastung vermie­den und die Steuerung der Schwenkflügel kann flexibel den jeweiligen Schiffs- und Antriebstypen angepaßt werden.

[0033] Über die Verbindungsleitung 24 kann als Lastzustands-­Istwert z.B. der Füllgrad der Maschine, d.h. die Ein­stellung des Einlaßventils 21 vorgegeben werden. Handelt es sich dabei um einen Analogwert, so kann die Abwei­chung von der zulässigen Maximallast Lmax einem analogen Regler, vorzugsweise einem Regler mit integralem und differenzierendem Anteil (PI-DT1-Regler 44) zugeführt werden, dessen Ausgangssignal FL über eine Begrenzungs­schaltung 45 auf einen Maximalwert FL max begrenzt ist, für den höchstens der Wert 1 vorgegeben ist. Auch der Minimalwert ist auf einen eingestellten Wert FLmin (z.B. FLmin = 1/2) begrenzt. Solange daher der Istwert L den Grenzwert Lmax nicht erreicht, steigt das Reglerausgangs­signal FL, bis es den Wert FLmax annimmt. Ist dagegen Lmax überschritten, so wird FL ständig verringert bis entweder der Last-Maximalwert eingehalten oder der Wert FLmin erreicht ist.

[0034] Wird dagegen ein digitaler Istwert L verwendet, so kann ein Zweipunktregler (Schwellwertglied 46 mit dem Schwell­wert Lmax) verwendet werden, dessen Ausgangssignal als Polaritätssignal einem Integrator 47 zugeführt wird. Das Integrator-Ausgangssignal wächst oder fällt je nach der vorgegebenen Polarität, mit konstanter Steigung bis entweder FLmax bzw. FLmin erreicht ist, oder das Aus­gangssignal FL pendelt um den Wert Lmax.

[0035] Das Ausgangssignal FL dient Multiplizierern 48 als Fak­tor für das Ausgangssignal DF* und DR* des Kennlinien­gliedes 14. Die Produkte können zusätzlich Kennlinien­gliedern 49 zugeführt werden, um sie den entsprechenden Antriebstypen individuell anzupassen. Z.B. kann vorge­sehen sein, daß bei Maximallast bzw. bei FL = 1 die tatsächliche Fahrsteigung DF für Vorwärtsfahrt auf 95%, für Rückwärtsfahrt aber auf z.B. 80% der durch DF* vorgegebenen Fahrtsteigung begrenzt wird. Für die Ru­dersteigung können unabhängig davon eigene Maximalwer­te für beide Polaritäten der Steigung vorgegeben werden.

[0036] Der lastabhängigen Begrenzerschaltung 50 entspricht ein inverses Rechenglied 50′, das zunächst invers zu den Kennliniengliedern 49 durch Kennlinienglieder 49′ die Maximalsteigung und durch Division mit dem Faktor FL die Wirkung der Multiplizierer 48 kompensiert.

[0037] Ferner sind weitere Ausgänge vorgesehen, an denen die lediglich um die Maximalsteigung korrigierten, rückge­rechneten Istwerte DF", DR" der Fahrtsteigung und Rudersteigung abgegriffen werden können.

[0038] Im erwähnten Stand der Technik ist bereits vorgeschla­gen, aus dem Fahrtbefehl F die entsprechende Fahrt­steigung oder Exzentrizität als Funktion der Ruder­steigung (Kennlinie 10 der Figur 1) zu bilden. Sind z.B. ein Flügelrad am Bug und ein oder zwei nebeneinan­derliegende Flügelräder am Heck des Schiffes vorgese­hen, so strömt das Wasser die einzelnen Flügelräder mit einer Richtung an, die in einer typenabhängigen Weise von der Schiffslängsachse F je nach Fahrgeschwindigkeit und -Richtung, d.h. Größe und Vorzeichen der Fahrtstei­gung, abweicht. Um einen gewünschten Schub in R-Richtung einzustellen, werden also unterschiedliche Ruderstei­gungen benötigt, die durch eine Kennlinienverschiebung berücksichtigt werden. In Fig. 5 ist eine Kennlinie 10 gezeigt, die z.B. für die Fahrtsteigung einen von den Führungsgrößen F und R abhängigen Wert DF* (F,R) ergibt. Zur Kennlinienverschiebung wird die Rudersteigung - je nach vorwärts oder rückwärts gerichtetem Fahrschub - ­gegenüber der Kennlinie 10 um einen Wert DF* . F+ (Gerade 51) bzw. DF* .F- (Gerade 52) verschoben und es ergibt sich die Exzentrizität DR*:
DR* = R + DF* . F+ bzw.
DR* = R + DF* . F-.

[0039] Die Mechanik zum Verstellen des Steuerpunktes A läßt aber nur eine begrenzte maximale Auslenkung um den Mit­telpunkt zu, die durch den Kreis 53 in Figur 5 angege­ben ist und durch die Bedingung

konst
gegeben ist. Daher ergibt sich, daß das Rechenwerk aus den als Führungsgrößen vorgegebenen Befehlen F und R die Steigungen DF* und DR* ermittelt, die innerhalb der in Fig. 5 gezeigten Grenzkurve 54 liegen. Gemäß Fig. 6 wird diese Diagrammverschiebung durch ein entsprechen­des Kennlinienglied 55 im Rechenwerk 14 erreicht. Für die rückgerechneten Istwerte DF′ und DR′ enthält das Istwert-Rechenglied 34 ein entsprechendes inverses Kennlinienglied 55′, während die Werte DF" und DR" durch das inverse Kennlinienglied 55" rückgerechnet werden. An den Anzeigen 57 kann dann bei einer ent­sprechenden Stellung des Umschalters 58 abgelesen werden, welchen rückgerechneten Exzentrizitäten in Schiffskoordinaten die momentan vorliegenden Zylinder­hübe entsprechen. Tritt ein Rechnerausfall ein, so spricht das Relais 58′ an und legt den Umschalter 58 um, so daß die Anzeigen 57 dann die tatsächlichen Zy­linderhübe in den entsprechenden, um den Winkel w ge­drehten Koordinaten zeigen.

[0040] Die Führungsgrößen F und R werden im Rechenwerk 14 durch ein Kennlinienglied 56 nach einem Zusammenhang umgeformt, für den vorteilhaft gewählt wird:
DF* = F . N,
wobei N durch die Funktion
N = (1 - M|R|^B)
mit einstellbaren Parametern M und B gegeben ist.

[0041] Eine andere vorteilhafte Kennlinie geht ebenfalls von einem derartigen Faktor N aus, setzt aber die Fahrtstei­gung DF* gleich dem Fahrtbefehl F, solange dieser be­tragsmäßig kleiner oder gleich dem Faktor N ist. Im an­deren Fall wird DF* = (sign F) . N gesetzt. Vorteilhaft kann das Kennlinienglied so ausgebildet werden, daß zwi­schen den beiden Kennlinienformen wahlweise umgeschaltet werden kann, wobei es zweckmäßig sein kann, gleichzei­tig mit der Umschaltung auf die andere Kennlinienform auch in den anderen Bauteilen der Steuerung auf einen anderen Parametersatz überzugehen.

[0042] Dem entsprechenden Kennlinienglied 56 im Rechenwerk 14 entspricht im Istwert-Rechenglied 34 das inverse Kenn­linienglied 56′ zur Rückrechnung der Hub-Istwerte. Ist die Steuerung in einen stationären Zustand eingelaufen, so entsprechen dann die am Istwert-Rechenglied 34 abge­griffenen, rückgerechneten Führungsgrößen F′ und R′ den am Steuerhebel 15 und am Ruderrad 17 eingestellten Be­fehlen. Dieser abgeglichene Zustand kann an der erwähn­ten Gleichstellungsanzeige 35 (Fig. 2) abgelesen werden, um damit den Übergang auf eine Fernsteuerung oder eine Handsteuerung vor Ort freizugeben. Dieser Übergang kann durch einen Betriebswahlschalter 59 erfolgen. Über die­sen Betriebswahlschalter ist es auch möglich, die rück­gerechneten Führungsgrößen auf den Eingang der Steuerung durchzuschalten, um die Hochlaufgeber der Steuerung den Istwerten beim Handbetrieb nachzuführen, bei dem die Regler außer Eingriff sind.

[0043] Um plötzliche Verstellungen der Schwenkflügel und damit verbundene Lastsprünge des Antriebs zu vermeiden, ist für die Führungsgrößen F und R der Rudersteigung und der Fahrtsteigung jeweils ein Hochlaufgeber zweckmäßig, um die Verstellgeschwindigkeit bei schnellen Änderungen des Fahrtbefehls und des Ruderbefehls zu begrenzen. Die Ver­stellgeschwindigkeit ist dabei kein konstanter Wert, sondern ändert sich mit der Größe der jeweiligen Kompo­nente. Auch kann die Richtung, d.h. ein Hochlauf vom Nullpunkt weg oder ein Runterlauf zum Nullpunkt hin, berücksichtigt werden. Da die Steuerölpumpe an den An­trieb gekoppelt ist, ist auch eine Abhängigkeit der Verstellgeschwindigkeit von der Drehzahl zweckmäßig. Zusätzlich kann die Hochlaufgeschwindigkeit in Abhängig­keit von der Last des Antriebs verringert werden, um eine Überlastung des Antriebmotors zu vermeiden.

[0044] Gemäß Figur 6 ist daher am Eingang des Rechenwerks 14 eine Schaltung 60 zur Begrenzung der Verstellgeschwin­digkeit angeordnet, die jeweils einen Hochlaufgeber 61F und 61R enthält, um bei einer Änderung des Fahrt­befehls die Fahrtsteigung F bzw. bei einer Änderung des Ruderbefehls die Rudersteigung R kontinuierlich auf den neuen Wert hochzufahren, wobei bevorzugt die Änderungsgeschwindigkeit für eine Steigungszunahme und eine Steigungsabnahme für die Rudersteigung bzw. für die Fahrtsteigung unabhängig einstellbar sind.

[0045] Die Änderungsgeschwindigkeit VF der Führungsgröße F für die Fahrtsteigung ist am Hochlaufgeber 61F im Beispiel der Figur 6 auf einen konstanten Wert VF_o voreingestellt, der z.B. auf die Propellergröße abgestimmt ist und in Abhängigkeit von der Fahrtsteigung, dessen Änderungs­richtung,der Antriebsleistung L und der Drehzahl N_o des Motors bzw. der Steuerölpumpe korrigiert werden kann. Die Erfassung der Fahrtsteigung ist durch einen Betrags­bildner 62 für deren Führungsgröße F bzw. am Fahrthebel 15 abgegriffenes Steuersignal F_o dargestellt, während ein Detektor 63 die Erfassung der Änderungsrichtung, d.h. die Unterscheidung zwischen Steigungszunahme und Steigungsabnahme gemäß
sign


symbolisiert.

[0046] Ein vom Detektor 63 angesteuerter Umschalter 63′ gestat­tet durch richtungsabhängiges Umschalten zwischen zwei Kennliniengebern 64, 64′ eine von der Fahrtsteigung und deren Änderungsrichtung abhängige Korrekturfunktion FF(F_o), vorzugsweise einen Polygonzug, einzustellen. Ebenso wird durch den Umschalter und zwei Kennlinienge­ber 65, 65′ eine leistungsabhängige Korrekturfunktion HF(L) eingestellt, wobei eine Steigungsabnahme insbe­sondere auch unabhängig von der Leistung rasch vorge­nommen werden kann, so daß an dem im Fall d|F|/dt <0 aktivierten Kennliniengeber 65′ insbesondere der Wert "1" konstant eingestellt sein kann.

[0047] Ein von der Drehzahl N_o angesteuerter Kennliniengeber 66 liefert ferner eine Korrekturfunktion G(N_o), so daß der Hochlaufgeber die Änderungsgeschwindigkeit VF der Führungsgröße F bestimmt nach der Beziehung:
VF = VF_o . FF(F_o) . G(N_o) . HF(L).

[0048] Für die Führungsgröße R der Rudersteigung, die gemäß dem Signal R_o des Ruderrades 17 gebildet wird, werden durch entsprechende Kennliniengeber in Verbindung mit einem entsprechenden Detektor die Funktionen FR(R_o)und HR(L) gebildet, die aus der voreingestellten Hochlauf­geschwindigkeit VR_o die Änderungsgeschwindigkeit VR der Führungsgröße R liefern gemäß der Beziehung
VR = VR_o . FR(R_o) . G(N_o) . HR(L).

[0049] Die Erfindung schafft somit eine Steuerung für den Steuerpunkt A eines Zykloidenpropellers, die durch ein­fache Justierung der einzelnen Parameter und Kennlinien auf einfache Weise an ganz unterschiedliche Schiffsty­pen und Erfordernisse angepaßt werden kann. Sie ist robust, nahezu wartungsfrei und einfach zu bedienen.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Steuerung eines mit einem Antrieb (20) gekuppelten Zykloidenpropellers (1 - 6) für Wasserfahr­zeuge mit

a) einer Mechanik, die die Schwenkflügelsteigungen des Propellers in Abhängigkeit von den Exzentrizitäten (DX, DY) eines Steuerpunktes (A) verstellt,

b) zwei miteinander verkoppelten elektrisch steuerbaren Stellgliedern, die den Steuerpunkt der Mechanik ver­fahren,

c) einem Rechenwerk (14), das in Abhängigkeit von einem Fahrbefehl (F) und einem Ruderbefehl (R) je einen auf Schiffskoordinaten bezogenen Sollwert für die Fahrstei­gung (DF) und die Rudersteigung (DR) bildet, und

d) einer Transformationseinrichtung (13), die aus den Sollwerten die auf die Stellglieder bezogenen Exzen­trizitäten bildet,

gekennzeichnet durch einen hy­draulischen Kreislauf mit zwei elektrohydraulischen, jeweils auf einen um eine vertikale Achse (Ax, Ay) drehbaren Stellzylinder (25x, 25y) zur Verfahrung des Steuerpunktes arbeitenden Proportionalventilen (26x, 26y), ein Rechenglied (37 in Fig. 3), das aus den Exzentrizitäten Hubsollwerte für die Stellzylinder errechnet, und jeweils einen Zylinderhub-Regelkreis (25x - 31x, 25y - 31y), der aus dem Hubsollwert und dem Hub-Istwert (Hx) einen Sollwert (Ix*; Iy*) für den Ven­tilstrom des auf den Zylinder arbeitenden Ventils bildet (Figur 2).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Rechenwerk ein erstes Kennlinienglied (56) enthält, das aus einer vom Fahrtbefehl abgeleiteten Führungsgröße F, einer die Ru­dersteigung bestimmenden Größe R und einstellbaren Pa­rametern M und B einen Sollwert DF für die Fahrtstei­gung nach dem Zusammenhang
DF = F . (1-M|R|^B)
bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Rechenwerk ein erstes Kennlinienglied enthält, das aus einer aus dem Fahrtbefehl abgeleiteten Führungsgröße F und einer aus dem Ruderbefehl abgeleiteten Führungsgröße R sowie ein­stellbaren Parametern M und B den Sollwert DF für die Fahrtsteigung ermittelt, für den gilt:
DF = F, falls |F| ≦ N = 1 - M|R|^B ist, und im anderen Fall DF = (signF) . N.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Rechenwerk ein zwei­tes Kennlinienglied enthält, das die Rudersteigung in Abhängigkeit von einer Führungsgröße für die Fahrtstei­gung, insbesondere in Abhängigkeit von der Führungsgröße für die Fahrtsteigung und von der Fahrtrichtung, steuert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Rechenwerk Hochlauf­geber (61F, 61R) enthält, die bei einer Änderung des Fahrtbefehls (F_o) und bei einer Änderung des Ruderbe­fehls jeweils eine Führungsgröße für die Fahrtsteigung und die Rudersteigung kontinuierlich auf einen neuen Wert hochfahren, wobei für eine Steigungszunahme und eine Steigungsabnahme die Änderungsgeschwindigkeit der Führungsgröße unabhängig einstellbar ist. (Figur 6)

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Hochlaufgeber am Eingang des Rechenwerks angeordnet sind und aus dem Fahrtbefehl F_o und dem Ruderbefehl R_o die Führungsgrö­ßen F und R bilden, deren Änderungsgeschwindigkeit VF und VR gemäß
VF = VF_o . FF(F_o) . G(N) . HF(L)
VR = VR_o . FR(F_o) . G(N) . HR(L)
bestimmt werden, wobei FF(F_o) und FR(R_o) jeweils von F_o bzw. R_o und deren Vorzeichen abhängige Funktionen (insbesondere entsprechend einer Zunahme oder Abnahme des Steigungsbetrages ausgewählte Funktionen) G(N) eine von der Drehzahl des Propellers bzw. Antriebs abhängige Funktion und HF(L) und HR(L) vom Lastzustand des An­triebs abhängige Funktionen sind, insbesondere Funk­tionen mit HF(L) = 1 bzw. HR(L) = 1 für eine Verringe­rung der Fahrtsteigung bzw. Rudersteigung (Figur 6).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Sollwerte für die Rudersteigung und die Fahrtsteigung auf einen dem ma­ximal zulässigen Hub der Stellzylinder entsprechenden Wert begrenzt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Sollwerte jeweils auf einen vom Lastzustand des Antriebs abhängigen Wert begrenzt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich­net durch eine Begrenzerschaltung, die die Sollwerte jeweils auf einen vom Ausgangssignal eines Begrenzungsreglers, der von einer vom Lastzustand des Antriebs entsprechenden Größe gespeist ist, vorgegebenen Wert begrenzt, vorzugsweise einen für positive und ne­gative Sollwerte unterschiedlich vorgegebenen Wert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Hub-Istwerte auch einem invers zur Transformationseinrichtung und zum Re­chenglied arbeitenden Istwert-Transformationsglied zu­geführt sind zur Bildung von rückgerechneten Istwerten für die Rudersteigung und die Fahrtsteigung.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß dem Istwert-Transforma­tionsglied ein zum Rechenwerk invers arbeitendes Ist­wert-Rechenglied nachgeschaltet ist zur Bildung rück­gerechneter Istwerte für die Führungsgrößen von Fahrt­steigung und Rudersteigung.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Zylinderhub-Regel­kreis einen nichtlinearen Proportionalverstärker (38) und einen Hochlaufgeber (39) enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinderhub-­Regelkreis ein Ventilweg-Regelkreis mit einem pI-Regler (40) unterlagert ist, dessen Ausgangssignal ein alter­nierender Ventilstrom-Zusatzsollwert aufgeschaltet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß jeder Ventilstrom-Soll­wert einem unterlagerten Regelkreis für den Ventilstrom zugeführt ist.

Zeichnung