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Einrichtung zur Regelung von Betriebsgrössen, insbesondere zur Regelung der Leistungsabgabe elektrischer Stromerzeuger.
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Mit 1 ist eine an sich bekannte Vergleichsanordnung für den Ist-und Sollwert bezeichnet. Sie enthält das Fortschaltwerk 2, welches über die magnetische Kupplung. 3 den Kontaktarm 4 antreibt. Es sei angenommen, dass die Umlaufsgeschwindigkeit des Kontaktarmes der Leistungsabgabe eines Stromerzeugers proportional ist. Der Kontaktarm 4 spielt zwischen der Gabel des Kontaktarmes 5, die von dem Motor 6 angetrieben wird und deren Umlaufsgesehwindigkeit dem Sollwert der Leistung entspricht. Die Kontakte der Kontaktgabel 5 sind mit den Wicklungen des Relais 7 verbunden. Sobald der Kontaktarm 4 mit einem der Kontakte der Kontaktgabel 5 in Berührung kommt, wird das Relais 7 erregt und schliesst einen der Stromkreise der Relais 8 und 9. Diese Relais sind mit Selbsthaltekontakten 10 und 11 sowie je einem weiteren Kontakt 12 und 73 ausgerüstet.
Die Kontakte 12, 1. 3 steuern den Erregerstromkreis der eigentlichen Steuerrelais 14 und 15. Die Kontakte 16 und 17 dieser Steuerrelais sind in Reihe geschaltet und liegen im Stromkreis der Magnetkupplung 3. Die Kontakte 18 und 19 liegen im Stromkreis des Hilfsmotors 20, durch den die zu regelnde Grösse, z. B. die Dampfzufuhr zu einer einen Stromerzeuger antreibenden Maschine, verstellt wird. Zur zeitweisen Entkupplung des Hebelarmes 4 der Vergleichsanordnung 1 vom Fortschaltwerk 2 und zur Begrenzung der Laufdauer des Motors 20 dient die Vorrichtung 21. Sie besteht aus einem umlaufenden Arm 22, der über die Differentialgetriebe 23 und 24 vom Motor 25 mit einer konstanten, vorzugsweise durch den Widerstand 26 einstellbaren Geschwindigkeit angetrieben wird.
Der umlaufende aus Isoliermaterial bestehende Arm 22 läuft zwischen dem Kontaktpaar 27 hindurch und öffnet daher periodisch die Kontakte, die im Haltestromkreis der Relais 8 und 9 sowie der Magnetkupplung 3 liegen. Durch die periodische Öffnung der Kontakte 27 wird erreicht, dass die Regelanordnung nur beim Überschreiten einer bestimmten Differenz zwischen Ist-und Sollwert anspricht und daher unnötige Regulierungsimpulse vermieden werden.
Wenn nämlich die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Hebelarm 4 und der Kontaktgabel 5 nicht so gross ist, dass während eines Umlaufes des rotierenden Armes 22 der Kontaktweg zwischen dem Arm 4 und der Gabel 5 durchlaufen ist, so kann kein Kontaktschluss zustande kommen, weil unter dem Einfluss des Armes 22 vorher die magnetische Kupplung 3 gelüftet wird und der Kontaktarm 4 unter der Wirkung der Feder 28 gegenüber der Gabel 5 seine Ruhelage einnimmt. Durch Verändern der Geschwindigkeit des Motors 25, d. h. der Umlaufsgeschwindigkeit des Armes 22, kann also die Grenze, bei der der Regler anspricht, verändert werden.
Für das weitere Verständnis der Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels ist es notwendig, darauf hinzuweisen, dass der Winkel, den der Kontaktarm 22 nach dem Unterbrechen der Kontakte 27 durchläuft und der in der Abbildung beispielsweise durch den Pfeil 29 bezeichnet ist, der Differenz zwischen Ist-und Sollwert umgekehrt proportional ist, u. zw. aus folgendem Grunde :
Da der Arm 22 mit konstanter Geschwindigkeit umläuft, so ist der Winkel, den dieser Arm vom Beginn der Vergleichsperiode, die zeitlich mit dem Öffnen der Kontakte 12 und 13 zusammenfällt (Schliessen der Kupplung 3), bis zur Abgabe eines Regelimpulses durch die Vergleichsanordnung 1 zurücklegt, ein Mass für die Zeit, die der Kontaktarm 4 zum Durchlaufen des Kontaktweges benötigt.
Da die Geschwindigkeit des Kontaktarmes 4 gegenüber der Gabel 5 der Differenz zwischen Ist-und Sollwert proportional ist und daher die Zeitdauer, die der Kontakt zum Durchlaufen des Kontaktweges benötigt, umgekehrt proportional dieser Differenz ist, so ist der durch den Pfeil 29 bezeichnete Winkel ebenfalls umgekehrt proportional der Differenz zwischen Ist-und Sollwert.
Um eine konstante Regelgeschwindigkeit zu erhalten, muss man bei Reglern der in der Fig. 4 dargestellten Art dafür sorgen, dass bei rascher Aufeinanderfolge der Regelimpulse, d. h. bei einer grossen Differenz zwischen Ist-und Sollwert, die Dauer, während der der Motor 20 umläuft, umgekehrt proportional der Differenz zwischen Ist-und Sollwert ist. Die Abhängigkeit der Reglergeschwindigkeit für diesen Fall ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Mit Hilfe der Vorrichtung 21 lässt sich dies in einfacher Weise erreichen. Wie weiter oben erläutert ist, ist nämlich der Winkel, der durch den Arm 22 vom Beginn der Vergleichsperiode bis zum Ansprechen des Reglers durchlaufen ist (Pfeil 29), umgekehrt proportional der Differenz zwischen Ist-und Sollwert.
Wenn man daher nach dem Ansprechen der Vergleichsanordnung den Arm in umgekehrter Richtung mit konstanter Geschwindigkeit laufen lässt, so ist die Zeit, die er vom Beginn der Umkehr seiner Drehrichtung bis zum Öffnen des Kontaktpaares 27 benötigt, oder mit andern Worten, die er zum Durchlaufen des Winkels 29 in entgegengesetzter Richtung benötigt, umgekehrt proportional der Differenz zwischen Ist-und Sollwert. Da durch Öffnen der Kontakte 27 die Anordnung in die Ruhelage geführt und auch der Motor 20 stillgesetzt wird, so wird dadurch erreicht, dass die Dauer, während der der Motor 20 durch jeden Regelimpuls in Umlauf versetzt wird, umgekehrt proportional der Differenz zwischen Ist-und Sollwert ist. Dies ist aber, wie oben erläutert, die Bedingung dafür, dass die mittlere Regelgesehwindigkeit konstant ist.
Eine Umkehr der Drehrichtung des Armes 22 beim Ansprechen der Vergleichsanordnung kann man mit Hilfe der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung 21 leicht erreichen, wenn man mit Hilfe der Relais 14 und 15 durch die Kontakte 30 und 31 den Stromkreis für den Rückstellmotor 32 steuert, dessen Umlaufsgesehwindigkeit zweckmässig durch den Widerstand 33 eingestellt werden kann. Die Umlaufsrichtung und Drehgeschwindigkeit dieses Motors ist so gewählt, dass er imstande ist, den Arm 22 entgegen seiner bisherigen Drehriehtung zu bewegen, sobald einer der Kontakte 30 und 31 geschlossen wird.
Wenn nach der Umkehr der Drehriehtung der Arm 22 den Kontakt 27 trennt, so werden
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der Kontakte 57, 58 liegt. Die Stromzufuhr zu den Stromkreisen der Kontakte 16, 17, 57 und 58 führt über die Kontakte des Relais 60, das vom Kontaktgeber 127 gesteuert wird. Sobald dieses Kontaktpaar durch den Nocken 61 unterbrochen wird, lässt das Relais 60 seinen Anker fallen und öffnet den Stromkreis der Magnetkupplung 3 und des Relais 56. Durch das kurzzeitige Lüften der Kupplung 3 wird eine neue Vergleichsperiode eingeleitet.
Wenn innerhalb der Vergleichsperiode jedoch der Regler zum Ansprechen gebracht worden ist, so werden nach dem Ansprechen des Reglers sowohl die Kontakte 16 und 57 bzw. 17 und 58 geöffnet und damit die Vergleichsanordnung in die Ruhelage geführt. Eine kurze Zeit nach dem Ansprechen des Reglers lässt aber das Verzögerungsrelais 56 seinen Anker los und schliesst damit einen Überbruckungs- stromkreis für die Kontakte 16 und 17. Es wird dadurch die Kupplung 3 wieder erregt und die Vergleichsperiode läuft von neuem. Da beim Ansprechen des Reglers die Nockenscheibe 50 mit Hilfe des Elektro-
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führbar. Als Zeitmass wird jetzt die Verdrehung des Sperrades 52 verwendet. Dieses verdreht sich gegen- über der Nockenscheibe und spannt dadurch die Feder 53.
Sobald nun der Regelvorgang dadurch beendet worden ist, dass das Kontaktpaar 127 mit dem Nocken 61 in Berührung gekommen ist, wird auch die Bremse 62 gelüftet, so dass nunmehr die Nockenscheibe 52 unter dem Einfluss der Feder 53 in die jeweilige Lage des Sperrades 52 springt. Es wird also gewissermassen die Nockenscheibe 50 nachträglich auf den Wert eingestellt, den sie einnehmen würde, wenn ihre Bewegung nicht durch die Bremse 62 gehemmt worden wäre.
Die Anordnung arbeitet nun in folgender Weise :
Es sei angenommen, dass durch den Nocken 61 das Kontaktpaar 127 eben geöffnet worden ist.
Durch dieses Öffnen werden die Haltestromkreise für die Relais 8, 9 und 40 unterbrochen. Ferner wird das Relais 60 während der Unterbrechung des Kontaktpaares 127 stromlos. Die Unterbrechung der Haltestromkreise der Relais 8 und 9 hat zur Folge, dass das Relais 14 bzw. 15 seinen Anker fallen lässt und dadurch der Motor 20 stillgesetzt wird. Ferner lässt das Relais 40 seinen Anker fallen, sofern er während der vorhergehenden Vergleichsperiode angezogen worden ist. Durch die Unterbrechung des Stromkreises des Relais 60 wird der Stromkreis der magnetischen Kupplung 3 sowie des Verzögerungs- relais 56 unterbrochen. Die Verzögerung dieses Relais ist aber so gross, dass es während der kurzzeitigen Unterbrechung des Kontaktpaares 127 noch nicht seinen Anker fallen lassen kann.
Durch das Unterbrechen des Kontaktpaares 127 ist also die ganze Regelanordnung in die Ruhelage geführt worden. Sobald der Nocken 61 das Kontaktpaar verlassen hat, so dass die Kontakte wieder einander berühren, wird dem Relais 60 wieder Strom zugeführt. Dieses Relais zieht seinen Anker an. Dadurch erhält die Kupplung 3 sowie das Verzëgerungsrelais 56 wieder Strom. Durch das Erregen der Kupplung wird eine Vergleichsperiode eingeleitet.
Es sei angenommen, dass die Vergleichsanordnung einen ihrer Kontakte schliesst, wenn der Nocken 61 die in der Fig. 8 dargestellte Lage erreicht hat. Durch das Schliessen eines der Kontakte der Vergleichsanordnung 1 ist eines der Relais 8 oder 9, z. B. das Relais 8, erregt worden. Es hält sich selbst über den Haltekontakt 10 und schliesst den Kontakt des Steuerrelais 14. Dieses Relais zieht seinen Anker an und setzt dadurch den Tourenverstellmotor 20 in Umlauf. Durch dieses Relais wird gleichzeitig mit Hilfe des Kontaktes 30 die Wicklung der Bremse 62 erregt und über den unteren Kontakt des Relais 40 dem Motor 32 Strom zugeführt. Ferner wird der Kontakt 16 geöffnet, so dass der Stromkreis zur Magnetkupplung 3 unterbrochen wird. Ferner wird der Kontakt 57 geöffnet und dadurch das Verzögerungrelais 56 stromlos.
Nach einer bestimmten Zeit fällt der Anker dieses Relais jedoch ab und schliesst den Kontakt 59, über welchen nunmehr die Magnetkupplung 3, wieder Strom erhält, so dass der Vergleichsvorgang von neuem beginnt.
Durch das Erregen der Bremse 62 wird die Nockenscheibe 50 festgebremst. Die Sperrscheibe 52 bewegt sich nun gegenüber der Nockenscheibe in Richtung des Pfeiles 51. Der Verdrehungswinkel gegen- über der Nockenscheibe ist dann der Zeit proportional, die seit dem Ansprechen des Reglers vergeht. Da diese Zeit sich nur um die Verzögerungszeit des Relais 56 von der Zeit unterscheidet, die seit Beginn (Schliessen der Kupplung 3) der neuen Vergleichsperiode vergeht, so ist der Verdrehungswinkel der Nockenscheibe mit genügender Genauigkeit auch der Zeitdauer proportional, während der ein neuer Vergleich zwischen Ist-und Sollwert stattfindet.
Nach dem Ingangsetzen des Motors 32 mit Hilfe des Kontaktes 30 des Relais 14 bewegen sich die Kontaktpaare 127 und 139 im Sinne des Pfeiles 51 und durchlaufen den Winkel, den die Nockenscheibe vom Beginn der Vergleichsperiode bis zum Ansprechen des Reglers zurückgelegt hatte. Die Zeitdauer, die die Kontakte zum Durchlaufen der Wegstrecke brauchen, ist daher umgekehrt proportional der Differenz zwischen Ist-und Sollwert. Sobald nun das Kontaktpaar 127 gegen den Nocken 61 läuft und die Kontakte geöffnet werden, wird der Haltestromkreis für das Relais 8 stromlos. Dadurch wird der Kontakt 12 unterbrochen und das Steuerrelais 14 lässt seinen Anker fallen. Dadurch wird der Motor 20 stillgesetzt. Ausserdem wird der Kontakt 30 geöffnet, so dass der durch den Motor 32 und die Magnetbremse 62 fliessende Strom unterbrochen wird.
Die Bewegung der Kontaktpaare 127 und 139 hört damit auf. Durch das Lüften der Bremse 62 schnappt nun unter dem Einfluss der Feder 53 die Nockenscheibe 50
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in die Stellung, die inzwischen die Sperrscheibe 52 eingenommen hat. Dadurch wird die Lage der Nockenscheibe 50 gewissermassen korrigiert, so dass ihre Stellung gegenüber der Lage der Kontaktpaare 127 und 139 der Zeitdauer entspricht, die seit dem letzten Ansprechen der Vergleichsanordnung vergangen ist, denn die Lage der Kontaktpaare 127 und 139 stimmt nun mit der Lage der Nockenscheibe 50 überein, in der sie beim Ansprechen der Vergleichsanordnung durch die Bremse 62 festgehalten wurde. Sobald die Vergleichsanordnung von neuem anspricht, arbeitet die gesamte Anordnung in der gleichen Weise.
Wenn die Differenz zwischen Ist-und Sollwert klein ist, so wird vor dem Ansprechen des Reglers das Kontaktpaar 139 durch den Nocken 55 geschlossen und damit das Relais 40 erregt. Dieses schaltet nun an Stelle des Motors 32 den Motor 42 in den Stromkreis des Kontaktes 30. Wenn nun die Vergleichsanordnung anspricht, so verläuft der Schaltvorgang in der gleichen Weise wie bisher beschrieben, nur mit dem Unterschied, dass an Stelle des Motors 32 nun der Motor 42 in Gang gesetzt wird und dass die Kontaktpaare 127, 139 nicht in Richtung des Pfeiles 51, sondern entgegen der Richtung des Pfeiles 51 verdreht werden. Diese Bewegung entspricht der Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des Armes 22 bei der Einrichtung nach Fig. 4 in Richtung des Pfeiles 45.
Durch Öffnen des Kontaktpaares 127 durch den Nocken 61 wird die gesamte Anordnung wieder in die Ausgangslage zurückgeführt.
Die Form des Verlaufes der Regelgeschwindigkeit kann durch Verändern der Drehgeschwindigkeit der Motoren 32 und 42 in der gleichen Weise eingestellt werden wie bei der Einrichtung nach Fig. 4.
Die zulässige Abweichung zwischen Ist-und Sollwert, bei der der Regler noch nicht anspricht, kann durch Beeinflussung der Drehgeschwindigkeit des Motors 25 verändert werden.
Der Erfindungsgegenstand kann natürlich nicht nur bei Regelanordnungen, wie sie in Fig. 4 und 8 dargestellt sind, benutzt werden, sondern man kann auch ähnlich gebaute Anordnungen verwenden, wenn man anders geartete Vergleichsanordnungen für den Ist-und Sollwert, z. B. Fallbügelregler, benutzt.
Dadurch, dass man die Umlaufsgeschwindigkeit der Motoren 32 bzw. 42 abhängig von der Differenz zwischen Ist-und Sollwert macht, indem man beispielsweise in der Bahn des Armes 22 weitere Kontakte anordnet, bei deren Ansprechen Widerstände in die Stromkreise der Motoren ein-bzw. ausgeschaltet werden, kann man die Abhängigkeit, in der die Regelgeschwindigkeit bzw. mittlere Regelgeschwindigkeit von der Differenz zwischen Ist-und Sollwert besteht, in weiten Grenzen beeinflussen. Man kann beispielsweise den durch die in Fig. 7 eingezeichnete Kurve dargestellten Verlauf erteilen. Den mit 46 bezeichneten Teil der Kurve kann man beispielsweise erhalten, wenn man die Umlaufsgeschwindigkeit des Motors 42 von einer gewissen Differenz zwischen Ist-und Sollwert an ändert.
Bei der beschriebenen Anordnung ist die Regelgeschwindigkeit unabhängig von der jeweiligen Grösse des Ist-und Sollwertes. Sie hängt lediglich von der Differenz zwischen Ist-und Sollwert ab. Es ist nun vielfach erwünscht, die Regelgeschwindigkeit bei kleinen Ist-oder Sollwerten ebenfalls herabzusetzen. Man kann dies erreichen und gleichzeitig auch eine von der Grösse des Ist-und Sollwertes unabhängige prozentuale Unempfindlichkeit erzielen, wenn man die Umlaufsgeschwindigkeit des Schaltgliedes, das die Regelgeschwindigkeit bestimmt und das in Fig. 4 mit 22 und in Fig. 8 mit 50 bezeichnet ist, abhängig vom Ist-oder Sollwert macht. Man kann alle vorkommenden Geschwindigkeiten des Schaltgliedes also sowohl vor als auch nach Ansprechen der Vergleichsanordnung abhängig vom Istbzw. Sollwert machen.
Zu diesem Zweck werden beispielsweise die Antriebsmotoren für das Schaltglied, die in den Fig. 4 und 8 mit 25, 32 und 42 bezeichnet sind, zu einer der Antriebsvorrichtungen für die Vergleichsglieder 2 bzw. 6 parallel oder mit ihr in Reihe geschaltet. Da der Sollwert im allgemeinen konstanter ist als der Istwert, so empfiehlt es sich, diese Motoren zum Motor 6 (Fig. 4 und 8) parallel zu schalten. In vielen Fällen wird es genügen, nur die Geschwindigkeit des Schaltgliedes vor dem Ansprechen der Vergleichsanordnung vom Ist-bzw. Sollwert abhängig zu machen. In diesem Falle genügt es, nur die Umlaufsgeschwindigkeit des Motors 25 in Abhängigkeit vom Sollwert oder Istwert zu verändern.
Bei den dargestellten Anordnungen bleibt dann zwar eine gewisse Abhängigkeit vom Ist-und Sollwert vorhanden, die aber gegenüber den Zusatzgeschwindigkeiten keine erhebliche Rolle spielt. Man kann diese Abhängigkeit auch ganz vermeiden, wenn man nach dem Ansprechen der Vergleichsanordnung den Motor 25 ausschaltet.
Bei den dargestellten Anordnungen wird ein umlaufendes Schaltglied verwendet, dessen Stellung im Augenblick des Ansprechens der Vergleichsanordnung für den Ist-und Sollwert ein Mass für die Differenz zwischen Ist-und Sollwert bildet. Die dargestellten Ausführungsbeispiele eignen sich in erster Linie für Regelanordnungen, bei welchen ein die zu regelnde Grösse verstellender Motor während einer bestimmten Zeit umläuft. Sie lassen sich jedoch auch in einfacher Weise für Anordnungen umändern, bei welchen beispielsweise auf einen die zu regelnde Grösse verstellenden Hubmagneten Stromstösse einwirken. Zu diesem Zweck kann man längs der Bahn des umlaufenden Schaltgliedes 22 (Fig. 4) oder 50 (Fig. 8) eine Kontaktvorrichtung anordnen, die von der umlaufenden Kontaktvorrichtung beeinflusst wird.
Wenn man dieser Kontaktanordnung beim Ansprechen des Reglers Strom zuführt, so erhält der die zu regelnde Grösse verstellende Hubmagnet nur so viel Stromstoss, wie der Zahl der Kontaktsegmente entspricht, die vom Schaltorgan bis zum Erreichen seiner Nullstellung beeinflusst werden. Da in diesem Falle nicht die Umlaufsgeschwindigkeit des Schaltgliedes für die Grösse des Regelschrittes massgebend ist, so kann man die Umlaufsgeschwindigkeit beliebig wählen. Man kann sie beispielsweise für alle Drehrichtungen
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gleichmachen.
Zur praktischen Durchführung der Erfindung kann man beispielsweise in der Weise vorgehen, dass man längs der Bahn des umlaufenden Schaltgliedes Kontaktsegmente anbringt, die in solchem Abstande voneinander angeordnet sind, dass eine darüber hinweglaufende, mit dem Schaltglied gekuppelte Bürste abwechselnd den Stromkreis schliesst und wieder unterbricht. Dieser Bürste kann dann beim Ansprechen der Regelanordnung Strom zugeführt werden. Die Stromzuführung zu dieser Bürste wird unterbrochen, sobald das Schaltglied seine Nullage erreicht. Sämtliche längs der Kontaktbahn des Schaltgliedes angeordneten Kontakte können untereinander parallel und mit dem die regelnde Grösse verstellenden Magneten in Reihe geschaltet sein.
Es muss ausserdem noch eine Umschaltvorrichtung vorgesehen werden, durch die erreicht wird, dass, je nachdem, ob der Istwert grösser oder kleiner als der Sollwert ist, die zu regelnde Grösse in dem einen oder andern Sinne verstellt wird. Man kann beispielsweise zwei Hubmagnete vorsehen, von welchen der eine zur Erhöhung, der andere zur Verminderung der zu regelnden Grösse dient. Diese Hubmagnet werden, je nachdem, ob der Istwert vom Sollwert in der einen oder andern Richtung abweicht, eingeschaltet. Wenn man als Schaltorgane Nockenscheiben verwendet, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, so kann man längs der Bahn des Schaltgliedes Kontaktpaare anordnen, die beim Vorbeilaufen des Nockens der Nockenscheibe geschlossen bzw. geöffnet werden.
Sämtliche Kontakte werden parallel geschaltet. Der einen Gruppe der parallel geschalteten Kontakte wird nur beim Ansprechen der Vergleichsanordnung Strom zugeführt.
Die beschriebene Vorrichtung gestattet auch den Verlauf der Regelgeschwindigkeit innerhalb der Regulierperiode beliebig einzustellen. Dies kann man in einfacher Weise dadurch erreichen, dass man die längs der Bahn des Schaltorgans liegenden Kontakte in kleineren oder grösseren Abständen aufeinanderfolgen lässt. Man kann beispielsweise die Regelgeschwindigkeit gegen das Ende der Regelperiode abnehmen lassen, wenn man in der Nähe der Nullstellung des Schaltorgans die Kontakte in grösserem Abstande anordnet als an den benachbarten Stellen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Regelung von Betriebsgrössen, bei der der Istwert der zu regelnden Grösse mit Hilfe einer integrierenden Vergleichsanordnung mit einem Sollwert verglichen wird und bei der durch die
Vergleichsanordnung eine die zu regelnde Grösse allmählich verstellende Vorrichtung in Gang gesetzt wird, insbesondere zur Regelung der Leistungsabgabe elektrischer Stromerzeuger, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, durch die der Mittelwert der Änderung, den die zu regelnde Grösse unter dem Einfluss des Reglers je Zeiteinheit erfährt (mittlere Regelgeschwindigkeit), beim Überschreiten einer bestimmten Differenz zwischen Ist-und Sollwert sprunghaft geändert wird.