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Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Positionierantrieb, wobei der Positionierantrieb einen doppelt wirkenden Pneumatikantrieb aufweist,
wobei der Pneumatikantrieb mindestens einen Zwischenboden aufweist, der das Innere des Pneumatikantriebs in einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum unterteilt,
wobei der erste Druckraum an eine erste Leitung und der zweite Druckraum an eine zweite Leitung angeschlossen sind,
wobei in der ersten Leitung ein erstes Ventil und in der zweiten Leitung ein zweites Ventil vorgesehen sind,
wobei der Positionierantrieb eine Steuerung aufweist zur Lagesteuerung des Pneumatikantriebs,
wobei der Positionierantrieb derart ausgebildet ist, dass die Steuerung die Ventile mittels Steuersignalen steuert,
wobei die Steuerung einen Lageregler aufweist, der den Positionierantrieb von einer Ist-Position in eine Soll-Position steuert. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Positionierantriebs.
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Im industriellen Umfeld müssen häufig Positionieraufgaben gelöst werden. Ein Beispiel dafür ist z.B. der Leitschaufelantrieb an Turbomaschinen. Besonders kostengünstige Stellantriebe – hier Positionierantriebe – werden häufig pneumatisch ausgeführt. Prinzipiell kann zwischen einfach- und doppeltwirkenden Antrieben unterschieden werden. Dabei arbeitet die Druckluft entweder gegen eine Feder an (einfachwirkender Antrieb) oder ein Zylinder kann auf beiden Seiten mit Druck beaufschlagt werden (doppeltwirkend), so dass aktiv in beide Richtungen eine Kraft aufgebaut werden kann. Ein genereller Nachteil der pneumatischen Positionierung ist in der Kompressibilität des Druckmediums begründet. So können wechselnde Lastkräfte oder Reibungskräfte die Position ändern, da erst eine merkliche Verschiebung des Zwischenbodens zum Aufbau einer Gegenkraft führt. In diesem Zusammenhang ist die sogenannte Laststeifigkeit [cL] eine wichtige Kenngröße (cL = dF/dx mit dF = Kraftinkrement, dx = Weginkrement).
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Eine dem Erfinder bekannte Vorkehrung zur Verbesserung der Laststeifigkeit ist die Verwendung fester Abluftdrosseln oder eine entsprechende konstruktive (feste) Gestaltung der Steuerschieber an den pneumatischen Wegeventilen, mit denen die Bewegung gesteuert wird (Steuerkante auf der Abluftseite mit festgelegter Vor- oder Nacheilung). Auf diese Weise wird der Druck auf der entlüfteten Zylinderseite angehoben, so dass in Folge auch der Druck auf der Zuluftseite ansteigt. Es lässt sich zeigen, dass die Laststeifigkeit proportional zum (absoluten) Druckniveau im Zylinder ist, während die Kraft (näherungsweise) von der Druckdifferenz zwischen beiden Zylinderkammern abhängt. Somit kann man durch die Maßnahme „Abluftdrosselung" die Laststeifigkeit doppeltwirkender pneumatischer Positionierantriebe erhöhen. Diese Methode hat den Nachteil, dass ein besonders steifer doppeltwirkender pneumatischer Positionierantrieb langsamer ist.
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Eine weitere dem Erfinder bekannte Möglichkeit ist der Einsatz eines sehr schnellen und straff eingestellten Reglers bzw. regelungstechnische Maßnahmen im Allgemeinen. Dazu können auch Methoden wie adaptive Regler, Fuzzi-Logik, Zustandsregler usw. gehören.
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Die Nachteile der dem Erfinder bekannten Lösungen sind zusammengefasst:
- a) Feste Abluftdrossel: Die maximale Geschwindigkeit des Antriebs wird reduziert. Die Wirksamkeit der Maßnahme ist stark geschwindigkeitsabhängig Die Einstellung kann schwierig sein.
- b) Abgestimmte Steuerkanten: Es gibt keine Einstell-/Optimierungsmöglichkeit. Die Geometrie ist fest und kann den Einfluss unterschiedlicher Lastkräfte nicht berücksichtigen. Fertigungstoleranzen bestimmen den Drosselgrad.
- c) Gemeinsamer Nachteil von a) und b): Antreibende Kräfte können zur Überlast auf der Abluftseite des Zylinders führen, daher kann die Abluft nur moderat angedrosselt werden oder es ist eine entsprechend höhere Druckfestigkeit des Zylinders erforderlich.
- d) Regelungstechnische Maßnahmen: Sehr schnelle Reaktionszeit aller Komponenten (Sensorik, Verarbeitung, Aktorik) ist notwendig aber physikalische Grenzen, wie z.B. die Schallgeschwindigkeit in den Anschlussleitungen, begrenzen die Dynamik und damit die Wirksamkeit regelungstechnischer Maßnahmen. Ggf. ist eine aufwändige und komplizierte Parametrierung nötig.
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Die von der Erfindung zu lösende Aufgabe ist also die beschränkte Laststeifigkeit doppeltwirkender pneumatischer Antriebe unter Vermeidung obiger Nachteile.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Positionierantrieb der eingangs definierten Art vorgeschlagen mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Der unabhängige Verfahrensanspruch löst die erfindungsgemäße Aufgabe mittels eines Verfahrens zum Betrieb eines Positionierantriebs, insbesondere eines Positionierantriebs nach der Erfindung.
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Grundsätzlich kann der Pneumatikantrieb vorteilhaft als Pneumatikzylinder ausgebildet sein. Dann ist es weiterhin zweckmäßig, wenn der Zwischenboden ein Kolben ist. Es ist auch denkbar, dass der Pneumatikantrieb als Membranantrieb (z.B.
EP 2028377 A2 ) ausgebildet ist und der Zwischenboden als eine Membran ausgebildet ist. Eine Anwendung der Erfindung auf doppeltwirkende Schwenkantriebe ist auch möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Steuerung beziehungsweise der Druckanheberegler derart ausgebildet sind, dass die Ventile derart ansteuerbar sind, dass ohne Veränderung der Ist-Position des Positionierantriebs der Druck in dem ersten Druckraum und dem zweiten Druckraum veränderbar ist. Insbesondere ist der Druck in diesen Druckräumen anhebbar, so dass eine höhere Laststeifigkeit erreichbar ist. Die maximale Laststeifigkeit ist hierbei durch das maximale verfügbare Druckniveau und die maximale Druckbelastbarkeit der Gesamtanordnung gegeben. Hat das Druckreservoir beispielsweise einen maximalen ersten Druck, der im Betrieb der Anordnung konstant bleibt, handelt es sich hierbei um den zur Versteifung des Positionierantriebs maximal verfügbaren Druck, sofern die Anordnung bzw. die Dimensionierung des Positionierantriebs keine engeren Druckgrenzen erforderlich macht, die in der Druckregelung der Steuerung bevorzugt als oberer Druckgrenzwert Berücksichtigung finden.
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Bevorzugt werden die Steuersignale an die Ventile des Lagereglers und des Druckanhebereglers additiv überlagert. Unter einer additiven Überlagerung wird in der Terminologie dieser Erfindung eine Summenbildung verstanden. Geht der additiven Überlagerung eine Vorzeichenänderung voraus, entspricht die Kombination der Vorzeichenänderung und der additiven Überlagerung einer Subtraktion, wobei in der Terminologie dieser Erfindung eine additive Überlagerung diese Subtraktion mit einschließt.
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Bevorzugt ist für jeden Druckraum oder für jede Zuleitung zu einem Druckraum des Positionierantriebs ein Drucksensor vorgesehen, der den jeweils gemessenen Druck an die Steuerung meldet. Alternativ kann eine Differenzdruckmessung zwischen den beiden Druckräumen beziehungsweise Zuleitungen vorgesehen sein. Zusätzlich zu der Differenzdruckmessung oder als Alternative zu einer der beiden Druckmessungen kann auch der Druck im Druckreservoir gemessen und an die Steuerung übergeben werden. Die meisten Möglichkeiten bietet die Messung des Drucks in beiden Druckräumen und im Druckreservoir.
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Eine Messung in beiden Druckräumen ermöglicht die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung die Verstellkraft beziehungsweise die Lastkraft durch die Steuerung auf Basis dieser Messungen zu ermitteln und gegebenenfalls an eine übergeordnete Steuerung zu melden und/oder auf einem Display zur Anzeige zu bringen.
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Auf diese Weise kann auch die Lastkraft bevorzugt permanent mit einem Grenzbelastungswert des Positionierantriebs verglichen werden, so dass beim Überschreiten dieser Lastgrenze durch die Lastkraft die Überlastung des Positionierantriebs auf dem Display angezeigt wird und/oder an eine übergeordnete Steuerung gemeldet wird.
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Besonders bevorzugt ist ein Wegsensor vorgesehen, der mit der Steuerung verbunden ist und die Ist-Position des Positionierantriebs an die Steuerung meldet. Auf diese Weise kann die Messung des Verstellweges an einer anderen Stelle der Gesamtvorrichtung möglicherweise eingespart werden. Zur Harmonisierung des Betriebsverhaltens des Positionierantriebs ist es zweckmäßig nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ein Funktionselement zur Ventillinearisierung als Bestandteil der Steuerung vorzusehen, der die Steuerungssignale an mindestens einem Ventil – bevorzugt an beiden Ventilen – derart ändert, dass der Zusammenhang zwischen einer Öffnungsfläche des Ventils (der aufgrund der Öffnung des Ventils entstehende Durchtrittsquerschnitt) und dem Steuerbefehl der Lageregelung der Steuerung aufgrund der Änderung mittels des Funktionselements zur Ventillinearisierung für den gleichen Verstelleffekt linearer sein kann als wenn dieses Funktionselement zur Ventillinearisierung nicht vorgesehen wäre. Bevorzugt sorgt das Funktionselement zur Ventillinearisierung für eine von der Lageregelung der Steuerung aus gesehen im Wesentlichen lineare Ventilkennlinie. Hierzu ist es vorteilhaft möglich als Funktionselement zur Ventillinearisierung einen Kurvenzug in der Steuerung zu hinterlegen; eine andere Variante sind mathematische Funktionen der Form y = f(x), zum Beispiel Polynome.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Steuerung ein Funktionselement zur Lastdruckkompensation und/oder ein Funktionselement zur Versorgungsdruckkompensation aufweist, derart, dass eine Verstärkung des Lagereglers in Abhängigkeit von dem Lastdruck und/oder dem Druck des Druckreservoirs variiert wird.
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Vorteilhaft ist es auch möglich, dass mittels dieser Verstärkung des Lagereglers und mittels einer Auswertung der Verstellgeschwindigkeit die Steuerung bestimmte Verstellgeschwindigkeitssollwerte regelt. Auf diese Weise ist es auch vorteilhaft möglich, dem jeweiligen Verstellweg des Positionierantriebs ein bestimmtes Geschwindigkeitsprofil aufzuprägen, so dass beispielsweise gegen Ende des voraussichtlichen Verstellweges bereits eine Geschwindigkeitsabsenkung der Verstellbewegung erfolgt.
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Das von der Erfindung vorgeschlagene System verfügt bevorzugt über zwei unabhängig voneinander verstellbare Proportionalventile. Diese besonders bevorzugt als 3/2-Wege-Proportionalventile ausgeführten Ventile versorgen jeweils einen von zwei Druckräumen des Pneumatikantriebs, die beidseitig des Zwischenbodens angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine Steuerkante des Ventils, die den Zustrom steuert, und eine Steuerkante des Ventils, über die Abluft entweichen kann, unabhängig voneinander angesteuert werden. In 1 ist die pneumatische Schaltung für die Lösung mit 3/2-Wege-Proportionalventilen zu sehen.
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Alternativ können die Ventile auch als 3/3-Wege-Auf-Zu-Ventile ausgebildet sein, wobei dann eine erste Schaltmöglichkeit die erste bzw. zweite Leitung sperrt, eine zweite Schaltmöglichkeit den jeweiligen Druckraum des Pneumatikantriebs auf die Drucksenke schaltet und in einer dritten Schaltmöglichkeit den jeweiligen Druckraum des Pneumatikantriebs auf das Druckreservoir schaltet. Die Ventile werden dann derart geschaltet und/oder getaktet, dass der Zustrom oder Abstrom zu der gewünschten Verstellung und Steifigkeit führt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass mindestens ein Ventil als eine Kombination von zwei 2/2-Wegeproportionalventile ausgebildet ist, wobei die zwei 2/2-Wegeproportionalventile derart miteinander und mit der jeweiligen Leitung verschaltet sind, dass die Funktion eines 3/2-Wegeproportionalventile von dieser Kombination übernommen wird. Diese ventilseitige Alternative kann bei Umsetzung für beide Ventile die Verwendung von 4 Stück 2/2-Wege Ventilen in Form einer sogenannten Brückenschaltung vorsehen. Auch diese können entweder proportional oder schaltend (impulsweise) verwendet werden. Beide Anschlüsse des Antriebs werden jeweils mit einem ersten dieser Ventile mit dem Druckreservoir und einem zweiten Ventil mit der Senke/Umgebung verbunden. Die Ansteuerung erfolgt gegensinnig, so dass sich die beiden Ventile in ihrer Kombination wie ein 3/2-Wegeventil verhalten.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf zwei Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer pneumatischen Schaltung nach der Erfindung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Steuerung für einen erfindungsgemäßen Positionierantrieb.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines pneumatischen Positionierantriebs PA nach der Erfindung. Der pneumatische Positionierantrieb PA weist einen doppelt wirkenden Pneumatikantrieb PZ auf, der im inneren einen Zwischenboden PI aufweist, der das Innere des Pneumatikantriebs PZ in einen ersten Druckraum PC1 und einen zweiten Druckraum PC2 unterteilt. Der erste Druckraum PC1 ist mittels einer ersten Leitung C1 unter Zwischenschaltung eines ersten Ventils V1 an ein Druckreservoir PR angeschlossen. Der zweite Druckraum PC2 ist mittels einer zweiten Leitung C2 unter Zwischenschaltung eines zweiten Ventils V2 an das Druckreservoir PR angeschlossen. Das erste Ventil V1 und das zweite Ventil V2 sind als 2/3-Wege-Propotionalventile ausgebildet. Während ein erster Anschluss an den jeweiligen Druckraum angeschlossen ist und ein zweiter Anschluss an das Druckreservoir, ist der dritte Anschluss des 2/3-Wege-Propotionalventils an eine Drucksenke PL angeschlossen. Diese Drucksenke PL kann die Umgebung sein, insbesondere, wenn als Betriebsgas für die Pneumatik Umgebungsluft dient.
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In einer ersten Stellung des jeweiligen Ventils V1, V2 lässt sich die Größe der Öffnung zwischen dem Druckreservoir PR und dem jeweils angeschlossenen Druckraum PC1, PC2 regulieren und in einer zweiten Stellung kann diese Ventilöffnung von dem jeweiligen Druckraum PC1, PC2 zu der Drucksenke PL eingestellt werden.
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In der ersten Druckleitung C1 wird der erste Druck PP1 gemessen und in der zweiten Druckleitung der zweite Druck PP2. Hierzu werden Druckmessinstrumente PPP1, PPP2 verwendet. Ein weiteres Druckmessinstrument PPPR misst den Druck PPR in dem Druckreservoir PR. Der Pneumatikantrieb PZ weist einen Wegsensor PS auf, der die gegenwärtige Stellung beziehungsweise Ist-Position CP erfasst. Die Ergebnisse der Druckmessung und der Messung des Wegsensors werden mittels Signalleitungen an eine Steuerung CU übermittelt. Die Steuerung CU steht mit einer übergeordneten Steuerung SCU in Verbindung. Die Steuerung CU dient der unmittelbaren Regelung des Positionierantriebs PA. Das erste Ventil V1 und das zweite Ventil V2 erhalten entsprechende Steuersignale von der Steuerung CU.
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Der Positionierantrieb PA erzeugt in Folge der Drücke in den Druckräumen PC1, PC2 eine Verstellkraft MF, die einer Lastkraft LF zum Zwecke der Verstellung entgegenwirkt. Die Steuerung CU berechnet aus der Druckdifferenz zwischen den beiden Druckräumen PC1, PC2 die Richtungen und den Betrag der Verstellkraft MF und bringt diese auf einen Display DS zur Anzeige sowie meldet diese an die übergeordnete Steuerung SCU weiter. Beim Überschreiten einer Grenzbelastung durch die Verstellkraft MF zeigt die Steuerung CU diese Überlastungen auf dem Display DS an und meldet diese Überlastung auch an die übergeordnete Steuerung SCU weiter. Die übergeordnete Steuerung SCU teilt der Steuerung CU eine Soll-Position SP des Positionierantriebs PA mit, so dass die Steuerung CU die Ist-Position CP mittels des in 2 wiedergegebenen Schemas an die Soll-Position SP angleicht.
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Die Steuerung CU erhält von der übergeordneten Steuerung SCU die Eingangsgröße SP. Von dem Wegsensor erhält die Steuerung CU die Eingangsgröße der Ist-Position CP. Von dem ersten Drucksensor PPP1 erhält die Steuerung CU den ersten Druck PP1 aus dem ersten Druckraum PC1 und von dem zweiten Drucksensor PPP2 den zweiten Druck PP2 aus dem zweiten Druckraum PC2. Eine weitere Eingangsgröße für die Steuerung CU ist der Druck PPR aus dem Druckreservoir PR gemessen von dem Drucksensor PPPR. Weiterhin erhält die Steuerung CU die Vorgabe eines Maximaldrucks PRMAX und einer Regeldruckdifferenz dP_r von der übergeordneten Steuerung SCU.
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Bei einer Abweichung der Ist-Position CP zu der Soll-Position SP erzeugt ein Lageregler PCU eine Steuerungsgröße, die um einen Faktor aus einer Versorgungsdruckkompensation (Funktionselement zur Versorgungsdruckkompensation PRCC) und einer Lastdruckkompensation (Funktionselement zur Lastdruckkompensation LCC) verstärkt mit unterschiedlichen Vorzeichen auf die elektromagnetisch arbeitenden Ventile V1, V2 gegeben werden.
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Ein optionaler Bestandteil zwischen dem verstärkten Steuerbefehl für die Ventile V1, V2 und den Ventilen V1, V2 ist ein Funktionselement zur Ventillinearisierung VLIN für das erste Ventil V1 (V1LIN) und für das zweite Ventil V2 (V2LIN). Beispielsweise kann das Funktionselement zur Ventillinearisierung einen Kurvenzug vorsehen, mittels dessen die Ventilcharakteristik linearisiert wird.
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Gleichzeitig zu dem Verstellen des Positionierantriebs PA in die Soll-Position SP regelt die Steuerung CU auch die gewünschte Steifigkeit des Positionierantriebs PA mittels eines Druckanhebungsreglers PIU. In zeitlicher Abhängigkeit steigert der Druckanhebungsregler PIU die Drücke in den beiden Druckräumen PC1, PC2, wobei er die Differenz zwischen
- – dem Maximum der beiden Drücke aus den Druckräumen PC1, PC2 und
- – dem kleineren Wert von dem zulässigen Maximaldruck PRMAX und dem Druck des Druckreservoirs PPR dezimiert um die Regeldruckdifferenz dP_r als Eingangsgröße erhält und im Falle einer positiven Eingangsgröße mittels einer additiven Überlagerung der Ausgangsgröße aus dem Druckanhebungsregler PIU über die Steuerbefehle aus der Lageregelung PCU die Öffnung bzw. Verstellung der Ventile V1, V2 beeinflusst.
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Durch eine ausgangsseitige Verschaltung an der Steuerung CU wird erreicht, dass der Druckanhebungsregler PIU die Ventile V1, V2 gleichsinnig verstellt, der Lageregler PCU jedoch gegensinnig. So wird erreicht, dass die beiden Regler primär ihre eigene Regelgröße beeinflussen und die jeweils andere jedoch nur schwach. Der Sollwert des Druckanhebungsreglers wird so bestimmt, dass ein vorgegebener (konstanter) Maximaldruck PRMAX nicht überschritten wird und auch stets eine vorgebbare Regeldruckdifferenz dp_r nicht unterschritten wird. Die Regelgröße des Druckanhebereglers PIU ist das Maximum der beiden Druckraumdrücke PP1, PP2.
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Der Druckanhebungsregler PIU kann ein einfacher P-Regler, ein PI oder PID-Regler sein. Der Lageregler PCU kann ein beliebiger Algorithmus sein, exemplarisch ist hier ein sogenannter dreischleifiger Regler mit Geschwindigkeits (Kv)- und Beschleunigungsrückführung (Ka) gezeigt. Der Positionierantrieb in 2 umfasst optionale Elemente, z.B. die Last- und/oder Versorgungsdruckkompensation LCC, PRCC, bei der die Verstärkung des Lagereglers PCU druckabhängig variiert wird. Auch ist es eine vorteilhaft Option, Nichtlinearitäten der Ventilkennlinien elektronisch zu kompensieren. Das Signal des Druckanhebungsreglers PIU ist mit Vorteil in positive Richtung (Druck steigt) so zu begrenzen, dass sich durch seinen Eingriff bevorzugt keine Beschränkung der max. Verstellgeschwindigkeit ergibt. Dies ist der Fall, wenn eines der beiden Ventile Vollöffnung erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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