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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Fluids und eine entsprechende Regelung sowie ein Computerprogramm. Die Erfindung betrifft insbesondere geschlossene Regelkreise in komplexen Umgebungen, wie z.B. der Gebläseregelung in Verbrennungsprozessen.
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In modernen Brennwertgeräten finden viele Regelprozesse statt, um z.B. Störeinflüsse auszugleichen und dem Kunden ein reproduzierbares Nutzererlebnis zu garantieren. Normalerweise werden diese Regler auf Basis von einfachen PI-Reglern realisiert. Bei der traditionellen Regelung z.B. mittels eine PI-Reglers ergibt sich bei großer Streckendynamik häufig das Problem von zu großen dynamischen Abweichungen (Über-/Unterschwinger).
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Einer der wesentlichen Nachteile der oben beschriebenen Vorgehensweise ist, dass dem Regelalgorithmus nur Streckeninformationen in Form von P- und I-Anteil kenntlich gemacht werden können.
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Als Beispiel einer klassischen Regelung mit (adaptiver) Vorsteuerung sei auf die Offenbarung der
DE 42 37 810 A1 verwiesen. Dort wird ein Verfahren zum Betreiben einer Regeleinrichtung mit einem Regler vorgeschlagen, der aus der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert eine Stellgröße generiert, wobei ein Mikroprozessor aus dem Soll-Wert und einer Streckenkennlinie eine erste Stellgröße vorberechnet und der Regler der ersten Stellgröße eine zweite Stellgröße als Korrekturwert überlagert, wobei die Streckenkennlinie den Zusammenhang zwischen Stellgröße und Regelgröße charakterisiert. Das soll eine schnellere Überwindung der Regelabweichung bei geändertem Soll-Wert gestatten, wobei gleichzeitig eine Verringerung des Unter- beziehungsweise Überschwingens angestrebt ist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Verfahren und Regelungen anzugeben, mit denen das Regelverhalten weiter verbessert und/oder vereinfacht wird. Insbesondere soll hierfür ermöglicht werden, z.B. (betriebspunktabhängige) Totzeiten und/oder nichtlineares Verhalten der Regelstrecke dem Regler bereitzustellen.
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Zudem soll die Erfindung die Komplexität eines Heizgerätes, dessen Betrieb hier in besonderem Maße im Fokus steht, zumindest nicht wesentlich erhöhen, nur geringe bauliche Veränderungen an einem Heizgerät erfordern und/oder eine einfache Integration in einen bestehenden Produktionsprozess ermöglichen.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren und einer Regelung gemäß der jeweiligen Hauptansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Hierzu trägt ein Verfahren zur Regelung eines Fluids durch eine vorbestimmte Durchströmungsanordnung mittels mindestens eines Reglers bei, welches zumindest folgende Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen eines Streckenmodells, umfassend Informationen betreffend das Durchströmverhalten des Fluids durch die Durchströmungsanordnung;
- b) Betrieb des mindestens einen Reglers in Abhängigkeit einer Abweichung eines aktuellen Durchströmverhaltens vom Streckenmodell.
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Die Schritte a) und b) können dabei mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Gegebenenfalls können die Schritte a) und b) (zumindest teilweise) parallel bzw. zeitgleich durchgeführt werden.
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Das Verfahren betrifft insbesondere die Regelung einer Strömung eines gasförmigen Fluids, insbesondere eine Brennstoff-Gasströmung und/oder eine Verbrennungsluft-Gasströmung. Die Strömung kann z. B. mittels Armaturen, Ventile, Gebläse, etc. durch eine vorbestimmte, also bekannte oder existierende Durchströmungsanordnung geführt werden, insbesondere in einer volumen- und/oder massenmäßig vorbestimmten Menge. Dabei ist es insbesondere Ziel, die Menge des Fluids bzw. eines Gemisches aus Brennstoff und Verbrennungsluft automatisch so einzustellen, dass eine vorgegebenes Verbrennungsverhältnis am Brenner eingestellt wird. Die Durchströmungsanordnung kann gekennzeichnet sein durch die Strömungsleitung(en) (Querschnitte, Umlenkungen, Isolierungen, Längen, etc.) und den darin installierten Komponenten (Druckverluste, Verweilzeiten, Anlauf- und Ausschaltverhalten, elektrische und/oder mechanische Charakteristik eines Stellmotors, Turbulenzen, etc.). Es ist möglich, dass die Durchströmungsanordnung mehrere Regler aufweist, die unmittelbar die Menge des Fluids einstellen, wobei bei mindestens einem dieser Regler das Verfahren bzw. die Regelung installiert ist.
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Gemäß Schritt a) wird dem Regler ein Streckenmodell bereitgestellt, insbesondere durch eine Zugriffsmöglichkeit auf ein gespeichertes Datenmodell. Es ist möglich, dass das Streckenmodell unmittelbar bei dem Regler bevorratet wird, also z.B. auf einer elektronischen Regler-Kontrolleinheit. Das Streckenmodell umfasst Informationen betreffend das Durchströmverhalten des Fluids durch die Durchströmungsanordnung.
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Unter einem Streckenmodell wird hier insbesondere ein Algorithmus verstanden, der Eingangsgrößen, die auch auf die mit dem Streckenmodell nachgebildeten realen Durchströmungsanordnung einwirken, so zu Ausgangsgrößen verknüpft, dass die berechneten Ausgangsgrößen den Ausgangsgrößen der realen Durchströmungsanordnung möglichst genau entsprechen. Die reale Durchströmungsanordnung ist im betrachteten Fall bevorzugt die gesamte zwischen den Eingangsgrößen und den Ausgangsgrößen liegende physikalische Strecke. Im Streckenmodell können wesentliche dynamische Eigenschaften der Durchströmungsanordnung mathematisch formuliert sein. Dies kann in Form von Größen erfolgen, die aus physikalischen Parametern abgeleitet sind. Beim Streckenmodell kann ein mathematisches Modell verwendet werden, mit dem die Regelstrecke, insbesondere bezüglich ihres Ein-/Ausgangsverhaltens beschrieben wird. Sobald sich die Eingangsgröße des Modells, d.h. ein indizierter Strömungsparameter, ändert, so ändert sich auch die Ausgangsgröße des Streckenmodells, d.h. das Verbrennungsluftgemisch. Durch eine Kombination des Streckenmodells mit einer angepassten Signalverarbeitung ist es möglich ein Verhalten der Regelstrecke mitsamt der entsprechenden Totzeit vorherzusagen.
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Gemäß Schritt b) erfolgt der Betrieb des mindestens einen Reglers in Abhängigkeit einer Abweichung eines aktuellen Durchströmverhaltens vom Streckenmodell. Es ist möglich, dass sich auf Basis des Streckenmodells ein Erwartungswert für die Regelgröße ergibt, der vom tatsächlichen Ist-Wert abweicht. Für diesen Fall kann der Regler so eingerichtet sein, dass er die Abweichung reduziert oder sogar ausgleicht.
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Es ist also vorgesehen, dem Regler das Streckenverhalten über ein Modell der Strecke im Regler zuzuführen. Dadurch ist auch eine wechselnde Dynamik über den ganzen Arbeitsbereich dem Regler bekannt. Dies führt zu einer deutlich höheren Regelgüte. Durch dieses Streckenmodell kennt der Regler nun einen Erwartungswert der realen Strecke und regelt nur die Abweichung zwischen Streckenmodell und realer Strecke aus. Ein so ausgeführter Gebläse-Regler kann in Bezug auf die reale Systemumgebung sehr genau und schnell regeln.
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Das Streckenmodell kann den gesamten Arbeitsbereich des mindestens einen Reglers abbilden. Für den Fall eines Reglers eines Gebläses ist es also möglich, dass dem Streckenmodell Informationen zu jeder Drehzahl bzw. über den Drehzahl-Arbeitsbereich vorliegen.
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In Vorbereitung zu Schritt a) kann ein Lernprozess vorgelagert werden, wobei die Informationen des Streckenmodells in einem Lernbetrieb der Durchströmungsanordnung ermittelt und bevorratet werden. Insbesondere wird im Rahmen des Lernprozesses der Arbeitsbereich des Reglers komplett angefahren, wobei (physikalische, elektrische, ...) Daten über den Betrieb des Reglers und/oder der Durchströmungsanordnung erfasst werden. Ausgehend von diesen Daten kann dann das Streckenmodell erstellt und/oder gespeichert werden. Bevorzugt ist, dass das Streckenmodell bei einem konkreten Aufbau der Durchströmungsanordnung (des Heizgerätes) erlernt wird und dann bei allen baugleichen bzw. entsprechend qualifizierten Durchströmungsanordnungen bzw. Heizgeräten eingesetzt wird. Es ist möglich, dass dieser Lernprozess zu vorgegebenen Zeitpunkten und/oder Situationen nochmals ausgeführt wird, insbesondere zur Prüfung / Anpassung des Streckenmodells (wegen Alterung, Drift, etc.). Dementsprechend können vor Inbetriebnahme des Reglers mit einer Diagnoseeinrichtung Streckendaten gewonnen werden, die aus den Streckendaten automatisch oder teilautomatisch ein parametrisches Streckenmodell berechnen und dem Regler bereitstellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Regelung zum Strömen eines Fluides durch eine Durchströmungsanordnung mittels eines Reglers vorgeschlagen, wobei Mittel vorgesehen sind, die so angepasst sind, dass sie die Schritte des hier vorgeschlagenen Verfahrens ausführen. Die (elektronische) Regelung kann im Regler selbst implementiert sein. Insbesondere kann die Regelung mit Einrichtungen (Stellantrieben, Sensoren, etc.) des Reglers und/oder der Durchströmungsanordnung kommunizieren bzw. derart auf diese einwirken oder deren Betriebsweise beeinflussen. Die Mittel können einen Prozessor zur Datenverarbeitung und/oder einen Datenspeicher umfassen, ebenso wie ggf. Signalleitungen zum Empfang/Versenden von Daten.
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Die Durchströmungsanordnung kann Teil eines Heizgerätes zur Verbrennung eines gasförmigen Brennstoff-Luft-Gemisches sein. Bei dem Heizgerät handelt es sich insbesondere um ein Gasheizgerät, das dazu eingerichtete ist, ein Brenngas, wie Erdgas oder insbesondere Wasserstoff unter Zufuhr von Umgebungsluft zu verbrennen und Wärmeenergie, beispielsweis zur Erwärmung eines Wärmeträgers eines Heizkreislaufes oder auch zur Bereitstellung einer Warmwasserversorgung zu erzeugen. Insbesondere kann es sich bei dem Heizgerät um ein Brennwertgerät handeln, welches bevorzugt zur Verbrennung von Wasserstoff oder eines wasserstoffhaltigen Gemisches eingerichtet sein kann. Das Heizgerät weist in der Regel eine Brennkammer und eine Fördereinrichtung bzw. ein Gebläse auf, die ein Gemisch von Brennstoff und Verbrennungsluft über einen Gemischkanal in eine Brennkammer, in der ein Brenner angeordnet ist, fördern kann. Die Verbrennungsprodukte können anschließend durch einen Abgaskanal des Heizgerätes einer Abgasanlage zugeführt werden.
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Das Heizgerät kann insbesondere die Brennerleistung an den Bedarf anpassen (modulieren). Hierzu kann bei einem Erkennen eines geänderten Wärmebedarfs, beispielsweise unter Einbeziehung einer Vorlauf- und Rücklauftemperatur eines mit dem Heizgerät verbundenen Heizkreises, ein Regel- und Steuergerät des Heizgerätes eine Leistung des Gebläses des Heizgerätes und damit den Massestrom Verbrennungsluft an den Wärmebedarf anpassen. Gleichzeitig passt eine Regelung den Brennstoffmassestrom an den sich ändernden Massestrom Verbrennungsluft an.
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Der Brenner kann mindestens ein Lochblech umfassen, das mit einem Brennerhohlraum verbunden ist. Der Brennerhohlraum ist mit dem Gemischkanal verbunden, so dass Verbrennungsgemisch über den Hohlraum durch das Lochblech strömen und verbrannt werden kann. Im Bereich des Lochbleches kann zudem eine Zündeinrichtung angeordnet sein, dazu eingerichtet, einen durch das Lochblech austretenden Massestrom Verbrennungsgemisch zu entzünden. Der Brennerhohlraum, auch als Brennerkörper bezeichnet, kann dabei insbesondere als Zylinder (gerader Kreiszylinder) ausgebildet sein, wobei eine Grundfläche des Zylinders mit dem Gemischkanal verbunden und die gegenüberliegende Grundfläche verschlossen sein kann. Alternativ kann der Brennerhohlraum auch quaderförmig ausgebildet sein, der obenseitig von dem Lochblech begrenzt ist.
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Der Brenner kann in der Brennkammer des Heizgerätes in einer Brennertür der Brennkammer angeordnet sein. Hierzu kann eine Öffnung in der Brennertür den Brennerhohlraum mit dem Gemischkanal verbinden und der Brenner an der Brennertür befestigt sein. Zudem kann eine Flammenüberwachung gleichfalls an oder in der Brennertür befestigt sein.
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Das Heizgerät kann eine Flammenüberwachung aufweisen, die das Vorhandensein einer Flamme am Brenner erfassen und, bei einem Erlöschen der Flamme, die Gaszufuhr unterbrechen kann. Dabei kann ein Signal der Flammenüberwachung zur Regelung und Steuerung des Heizgerätes, insbesondere zum Ermitteln und Regeln eines Verbrennungsluftverhältnisses des Gasgemisches, herangezogen werden. Die Flammenüberwachung hat einen ersten und einen zweiten Sensor zum Erfassen von der Flamme emittierter UV- Strahlung. Die Flammenüberwachung kann zusätzlich noch weitere Sensoren, wie beispielsweise eine lonisationselektrode zum Erfassen eines lonisationsstromes der Flamme und/oder mindestens einen Temperatursensor zum Erfassen einer Flammentemperatur aufweisen.
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Die Durchströmungsanordnung kann zumindest eine oder mehrere folgender Streckenkomponenten umfassen bzw. kann das Streckenmodell deren Verhalten mitberücksichtigen: eine Fluidfördereinrichtung, eine Förderleitung, einen Wärmetauscher (Heizkreislauf), einen Brenner und eine Abgasleitung.
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Die Informationen sind insbesondere solche, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: Temperatureinflüsse, Druckveränderungen, Verhaltenscharakteristika von Streckenkomponenten der Durchströmungsanordnung. Zum Beispiel ist es möglich, dass der Temperatureinfluss auf mindestens ein gefördertes Fluid (insbesondere Brenngas und Luft) berücksichtigt wird. Es ist möglich, dass ein Druckverlustmodell über den Wärmetauscher und/oder die Abgasanlage berücksichtigt wird. Es ist möglich, dass das Anfahren und/oder Abbremsen von Stellantrieben (des Gebläses) berücksichtigt wird. Es ist möglich, dass innere Zustände der Durchströmungsanordnung berücksichtigt werden, wie z. B. Abgasrohrlängen, Abgasrohrblockaden, Wind, oder dergleichen.
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Bevorzugt ist die (elektronische) Regelung einem Gebläse eines Heizgerätes (insbesondere der hier offenbarten Art) zugeordnet.
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Schließlich wird auch ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bewirken, dass die hier angegebene Regelung die offenbarten Verfahrensschritte ausführt. Es kann ein computerlesbares Medium vorgesehen sein, auf dem dieses Computerprogramm gespeichert ist, wobei das Medium Teil des Gebläses eines Heizgerätes sein kann.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: ein Heizgerät zur Durchführung des hier angegebenen Verfahrens,
- 2: eine Übersicht einer Regelung der hier vorgeschlagenen Art, und
- 3: eine weitere Übersicht einer Regelung der hier vorgeschlagenen Art.
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1 zeigt schematisch ein Heizgerät 4, welches eine Durchströmungsanordnung 1 umfasst. Die Durchströmungsanordnung 1 umfasst links eine erste Förderleitung 6, über die Verbrennungsluft aus der Umgebung angesaugt werden kann. Rechts daneben ist eine zweite Förderleitung 6 mit einem Ventil 16 vorgesehen, durch die Brenngas mit einer vorgegebenen Menge eingeleitet bzw. der Verbrennungsluft beigemengt wird. Das Gemisch wird durch eine gemeinsame Förderleitung 6 mittels einer Fluidfördereinrichtung 5 nach Art eines Gebläses 11 hin zu einem Brenner 8 gefördert. Der Brenner 8 umfasst eine Zündeinrichtung 12 und ein mit Löchern versehenes Lochblech 14, mittels derer das Gemisch dann verbrannt wird. Die dabei entstehende Wärme wird über Wärmetauscherrohre 13 eines Wärmetauscher 7 abgeführt, beispielsweise in einen Wasser-Heizkreislauf. Die Abgase der Verbrennung aus dem Brenner 8 werden einer Abgasleitung 9 zugeführt, wo das Abgas gereinigt werden kann. Die Verbrennung wird wesentlich von einer (gerätezentralen) Regel- und Steuereinheit 15 beeinflusst, vorgegeben bzw. ausgeführt.
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2 stellt vereinfacht einen Schaltplan der Regelung 10 dar, wobei diese in einem Gebläse 11 des Heizgerätes oder der zentralen Regel- und Steuereinheit 15 nach 1 implementiert ist. Dem Regler 2 (des Gebläses 11) ist eine Strecke der Durchströmungsanordnung (ggf. zumindest teilweise mit deren Streckenkomponenten) zugewiesen, wobei dem Regler 2 ein Streckenmodell 3 zur Verfügung gestellt wird. Der Betrieb des Reglers 2 erfolgt demnach in Abhängigkeit einer Abweichung eines aktuellen Durchströmverhaltens vom Streckenmodell 3.
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Als Beispiel kann man sich einen reinen PI-Regler vorstellen, der das Gebläse 11 regelt. Dabei ist es nur möglich Energie hinzuzuführen und das System nicht zu bremsen. Somit führt eine Reduktion der Solldrehzahl dazu, dass das Gebläse 11 nur auslaufen kann und dieser Prozess Zeit kostet. Da ohne Modell die Information zum Auslaufverhalten nicht vorliegt, wird die I-Summe stark verändert und es kommt zu Unter-/Überschwingern. Mit Hilfe des hier vorgeschlagenen Streckenmodells und dem darin abgebildeten Auslaufverhalten, steuert der modell-basierte Regler 2 so gut wie gar nicht über und die Regelgüte ist deutlich erhöht.
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Je nach Detaillierungsgrad des Streckenmodells können auch innere Zustände der Strecke ermittelt werden. Z.B. Abgasrohrlängen, Abgasrohrblockade, Wind, o.ä.
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Bezogen auf einen einfachen Gebläse-Regler bildet ein Streckenmodell 3 mindestens die Geräte-Charakteristika innerhalb des Betriebsfeldes ab. Diese beeinflussen das Hochlaufen, aber noch viel stärker das Auslaufverhalten bei nicht aktiv gebremsten Gebläsen 11. Ohne Kenntnis dieses, über den Arbeitsbereich meist nichtlinearen, Verhaltens kann ein linearer Regler 2 diese Problemstellung nicht zufriedenstellend bewerkstelligen.
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Das Streckenmodell 3 in der Regelung 10 bildet somit system- und/oder anlagenspezifische Charakteristika ab und stellt somit z.B. (betriebspunktabhängige) Totzeiten und nichtlineares Verhalten dem Regler 2 indirekt zu Verfügung. Dadurch kann unter gewissen Randbedingungen auch ein einfacher linearer Regler 2 ein nichtlineares System mit betriebspunktabhängigen Totzeiten ausreichend gut regeln.
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3 veranschaulicht beispielhaft ein Streckenmodell 3 samt Einbindung in die Regelung. Das Streckenmodell 3 umfasst zum Beispiel Temperatureinflüsse auf die geförderten Fluide Brenngas und Verbrennungsluft (siehe bei „T“) sowie Druckverlustmodelle eines Wärmetauschers 7 und einer Abgasleitung 9.
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Treten nun konkrete Störgrößen (z. B. eine zu harte Zündung) auf, kann der Reglers 2 in Abhängigkeit einer Abweichung eines aktuellen Durchströmverhaltens vom Erwartungswert des Streckenmodells 3 schnell entgegensteuern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Durchströmungsanordnung
- 2
- Regler
- 3
- Streckenmodell
- 4
- Heizgerät
- 5
- Fluidfördereinrichtung
- 6
- Förderleitung
- 7
- Wärmetauscher
- 8
- Brenner
- 9
- Abgasleitung
- 10
- Regelung
- 11
- Gebläse
- 12
- Zündeinrichtung
- 13
- Wärmetauscherrohr
- 14
- Lochblech
- 15
- Regel- und Steuereinheit
- 16
- Ventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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