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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven
Stellgliedes gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie eine Anordnung zum Betreiben eines kapazitiven
Stellgliedes gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 9.
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Derartige
kapazitive Stellglieder bzw. Piezo-Stellglieder werden üblicherweise
durch Zuleiten und/oder Ableiten eines elektrischen Betätigungsstromes über eine
unmittelbar mit dem Stellglied verbundene elektrische Leitung betätigt. Sie
verändern dabei
in Abhängigkeit
von der zugeführten
oder abgeführten
Ladung ihre Position oder ihre Abmessungen, so dass sie in der Lage
sind, als Betätigungseinrichtung
zu fungieren bzw. auf eine solche einzuwirken.
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Insbesondere,
wenn das kapazitive Stellglied als Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems
Verwendung findet, wird eine hohe langzeitstabile Genauigkeit beim
Zeitablauf der Betätigung
gefordert, um einerseits zu jedem Zeitpunkt genau die richtige Einspritzmenge
zu erhalten und andererseits zu hohe Geräuschemissionen zu vermeiden.
Zudem sollen die Stellbewegungen des kapazitiven Stellgliedes eine
möglichst
gute Reproduzierbarkeit aufweisen.
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Aus
der
DE 199 44 733
A1 ist eine Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven
Stellgliedes bekannt. Die Vorrichtung weist einen Transformator auf,
dessen Sekundärwicklung über eine
elektrische Leitung unmittelbar mit dem Stellglied verbunden ist. Im
Sekundärkreis
befindet sich in Reihe zu dem Stellglied geschaltet ein Messwiderstand,
der die Mes sung eines Ladestroms erlaubt. In Abhängigkeit von dem Ladestrom
und weiteren Messgrößen, wie
der Stellgliedspannung und dem primärseitigen Ladestrom, kann die
Auf- oder Entladung des Stellgliedes geregelt werden. Dies dient
insbesondere dazu, den Betrieb unabhängig von Temperaturänderungen
und von Toleranzen der Schaltung, insbesondere des Transformators,
zu gestalten. Konkret wird in der
DE 199 44 733 A1 vorgeschlagen, Stromschwellwerte vorzugeben
und diese mit den mittels der Messwiderstände ermittelnden Lade- oder
Entladeströmen
zu vergleichen.
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Aus
der
DE 199 52 950
A1 ist eine Ansteuereinheit für ein kapazitives Stellglied
bekannt, die einen sogenannten Flyback-Konverter mit einem Transformator
aufweist, der es ermöglicht,
die bei einem Ladevorgang des kapazitiven Stellgliedes eingespeiste
elektrische Energie beim Entladen abhängig vom Wirkungsgrad des Stellgliedes
größten Teils zurückzugewinnen,
im Konverter zwischenzuspeichern und bei einem nachfolgenden Ladevorgang, beispielsweise
eines weiteren kapazitiven Stellgliedes, wieder zu verwenden.
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Aus
DE 100 63 080 A1 ist
eine Aktorsteuerung und ein zugehöriges Verfahren bekannt, bei dem
zur Einstellung eines vorgegebenen Hubs eines Aktors, insbesondere
eines piezoelektrischen Aktors für
einen Injektor einer Einspritzanlage eine erste elektrische Zustandsgröße des Aktors
eingestellt wird. Als erste Zustandsgröße wird die Ladung verwendet,
die den Hub des Aktors bestimmt, wobei die Ladung in Abhängigkeit
von der Temperatur des Aktors gewählt wird, um temperaturbedingte
Schwankungen des Aktorhubs zu vermeiden.
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Aus
DE 199 58 262 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufladen eines piezoelektrischen
Aktors bekannt, bei dem die Aufladung gemäß einer Referenzkurve in mehreren
Schritten durchgeführt
wird. Nach jedem Schritt wird die am Aktor anliegende Spannung gemessen
und mit der entsprechenden Spannung der Referenzkurve verglichen. Aus
der Spannungsabweichung wird die dem Aktor zuzuführende Energie berechnet. Aus
der berechneten Energie wird eine Aufladezeit bestimmt, mit der der
Aktor auf die nächste
Spannungsstufe aufgeladen wird.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern
eines kapazitiven Stellgliedes zur Verfügung zu stellen, das eine hohe
Reproduzierbarkeit der vorgegebenen Auslenkungen und insbesondere
die Korrektur von Sollwertabweichungen der Auslenkung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 bzw. durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
7 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ermöglicht eine Korrektur von Abweichungen
einer tatsächlichen Auslenkung
von einer Sollauslenkung des kapazitiven Stellgliedes, indem die
am kapazitiven Stellglied anliegende Ladungsmenge gemessen und in
einer Regeleinrichtung zur Korrektur der Auslenkungen verarbeitet
und damit die auf das kapazitive Stellglied zu übertragende Energiemenge geregelt
wird. Das Verfahrens sieht vor, dass einzelne Ladungsquanten gemessen
und zur Regelung eines darauffolgenden Ladungsquantums verwendet
werden. Auf diese Weise erfolgt eine Quasi-Echtzeitkorrektur eines
einzelnen Voll- oder Teilhubs, indem jeweils die einzelnen Ladungsquanten
auf Abweichungen untersucht werden und aus diesen Werten ein entsprechender Regeleingriff
erzeugt wird. Mit einzelnen Ladungsquanten sind in diesem Zusammenhang
Teilladungsmengen gemeint, die auf das kapazitive Stellglied übertragen
werden, bis dieses eine vorgegebene Vollauslenkung erreicht hat.
Die auf das Stellglied während
eines Ladevorgangs übertragene
bzw. während
eines Entladevorgangs abfließende
Ladungsmenge kann durch Erfassung einer Stellgliedspannung sowie
einer zeitlichen Integration des Stromes erfasst werden. Damit kann
ein wegproportionales Signal gewonnen werden, da der Stellweg des
Stellglieds der Ladung proportional ist. Auf diese Weise kann zu
jedem Zeitpunkt eine Korrektur der Auslenkung und damit eine hochpräzise Ansteuerung
des kapazitiven Stellgliedes gewährleistet
werden. Diese Ladungssteuerung kann auch als Energiesteuerung des
kapazitiven Stellglieds bezeichnet werden.
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Vorzugsweise
sieht das Verfahren auch eine Messung einer rückfließenden Ladung bei sich komprimierendem
kapazitivem Stellglied vor. Auf diese Weise ist auch eine Messung
von negativen Spannungen bei einem Rückfluss der Ladung vorgesehen,
so dass sowohl eine Ausdehnung wie auch eine Kompression des kapazitiven
Stellgliedes durch Messung der dabei fließenden Ladung erfasst werden
kann. Die Ladung wird durch Integration der gemessenen Spannungswerte
ermittelt. Die Verarbeitung der gemessenen Spannungen und daraus
errechneten Ladungen kann jeweils über einen gesamten Hub des
kapazitiven Stellglieds erfolgen. Bei einer Auslenkung des kapazitiven
Stellgliedes werden typischerweise eine Vielzahl von Ladungsquanten nacheinander übertragen,
die bei einer Ermittlung der Gesamtladung addiert werden. Die Verarbeitung jeweils
einer Ladungssumme eines Hubs ermöglicht eine Regelung eines
darauffolgenden Hubs, beispielsweise durch Anpassung eines Kennfeldes
oder einer Sollkurve der Auslenkung.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht eine zyklische Regelung und zyklische Anpassung bzw. Korrektur
eines Sollwertes bzw. eines Kennfeldes oder einer Sollkurve vor.
Hierbei kann in größeren Abständen von
bspw. 100 oder 1000 Hubvorgängen
jeweils eine Messung erfolgen, die zur Anpassung oder Korrektur
der Sollauslenkung verwendet werden. Hierzu kann bspw. ein Kennfeld
oder eine Sollkurve modifiziert werden, so dass Auslenkungsabweichungen,
die über
einen größeren Zeitraum
entstehen, korrigiert werden können.
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In
gleicher Weise können
die Ladungsquanten während
eines vollständigen
Entladevorgangs gemessen und korrigiert werden.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
zum Betreiben eines kapazitiven Stellgliedes mit den Merkmalen des
Anspruchs 7 sieht eine Messung einer auf das kapazitive Stellglied übertragenen
Ladungsmenge und deren Verarbeitung in einer Regelein richtung zur
Korrektur von Abweichungen einer tatsächlichen Auslenkung von einer
Sollauslenkung des Stellglieds vor. Dabei ist vorgesehen, dass die
auf das Stellglied übertragene
Ladungsmenge geregelt wird. An einem Messwiderstand im Stromkreis
des kapazitiven Stellglieds kann eine Spannung gemessen und zur
Ermittlung einer Ladungsmenge verwendet werden. Dies erfolgt typischerweise
mittels einer Integriereinrichtung, in der eine zeitliche Integration
der Spannung vorgenommen wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Anordnung
werden mittels eines Energiewandlers mehrere kleine Ladungsquanten
auf ein kapazitives Stellglied bzw. einen Piezowandler übertragen,
die auf der Sekundärseite
gemessen wird. Die Erfassung erfolgt vorzugsweise durch Messung
eines Spannungsabfalls an einem Messwiderstand, aus dem ein Stromfluss
errechnet werden und dieser zur Ermittlung der Ladungsmenge über die
Zeit integriert werden kann. Die Ladungsregelung je einzelnem Ladungspaket
kann hierbei nur adaptiv erfolgen, da jeweils nur ein folgender
Ladungsquant beeinflusst werden kann.
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Je
nach gewünschter
Regelgüte
kann innerhalb eines Voll- oder
Teilhubs des Stellgliedes geregelt werden, was einer Quasi-Echtzeitregelung
entspricht. Wahlweise kann auch eine summierte Ladungsmenge eines
Voll- oder Teilhubs gemessen und zur Korrektur eines folgenden Voll-
oder Teilhubs und/oder zur Korrektur oder Anpassung eines Sollwertes
verwendet werden. Diese Regelstrategie wird im Allgemeinen als adaptive
Regelung bezeichnet.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft
näher erläutert. Sie
ist jedoch nicht auf die Beispiele beschränkt. Die einzelnen, schematisch
zu verstehenden Figuren der Zeichnung zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild zur Ansteuerung und zum Betreiben eines kapazitiven
Stellgliedes,
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2 ein
qualitatives Diagramm zur Verdeutlichung einer ersten Regelstrategie,
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3 und 4 qualitative
Diagramme zur Verdeutlichung einer alternativen Regelstrategie.
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Bei
der in 1 dargestellten Prinzipschaltung einer Vorrichtung
zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes P, beispielsweise eines
Kraftstoffeinstellventils einer Brennkraftmaschine, ist einer Energiequelle
vorgesehen, welche in diesem Ausführungsbeispiel aus einem von
einem Bordnetz gespeisten DC/DC-Wandler V mit einstellbarer Ausgangsspannung
und einem auf dessen jeweilige Ausgangsspannung aufgeladenen Ladekondensator C1
besteht. Die Spannungsquelle V kann allgemein als Leistungsendstufe
bezeichnet werden.
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Parallel
zum Ladekondensator C1 liegt eine Reihenschaltung einer Primärspule W1
eines Transformators TR und eines Ladeschalters S1. Zwischen Bezugspotential
GND und dem mit dem Ladeschalter S1 verbundenen Anschluss der Primärspule W1
ist eine vom Bezugspotential GND zu Primärspule W1 hin Strom leitende
Diode D1 angeordnet, die somit parallel zum Ladeschalter S1 angeordnet
ist.
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Der
eine Anschluss der Sekundärspule
W2 des Transformators TR ist über
einen Entladeschalter S2 mit dem Bezugspotential GND verbunden,
wobei zwischen Bezugspotential GND und dem mit dem Entladeschalter
S2 verbundenen Anschluss der Sekundärspule W2 eine vom Bezugspotential
GND zur Sekundärspule
W2 hin Strom leitende weitere Diode D2 angeordnet ist, die somit
parallel zum Entladeschalter S2 angeordnet ist.
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Zwischen
dem anderen Anschluss der Sekundärspule
W2 und dem Bezugspotential GND ist eine Reihenschaltung aus dem
anzusteuernden kapazitiven Stellglied P und einem Messwiderstand
RM angeordnet. Sind mehrere Stellglieder P vorgesehen, so sind diese
parallel zueinander angeordnet. Auf eine Darstellung mehrerer Stellglieder
wird hier aus Gründen
der Vereinfachung verzichtet. Der Messwiderstand RM wird üblicherweise
auch als Messshunt bezeichnet. An diesem Messwiderstand RM wird
ein Spannungsabfall UR gemessen und in der
Reglerschaltung RS verarbeitet. Der Spannungsabfall UR am
Messwiderstand RM erlaubt aufgrund des durch das Stellglied P und
den Widerstand RM fließenden Stroms
und der bekannten ohmschen Widerstände eine Berechnung der am
kapazitiven Stellglied P abfallenden Spannung, woraus die darin
gespeicherte Ladungsmenge errechnet werden kann.
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Parallel
zur Reihenschaltung aus Stellglied P und Messwiderstand RM ist ein
zweiter Kondensator C2 angeordnet, der als Filter zur Glättung der
impulsförmigen
Sekundärspannungen
dient.
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Die
Steuersignale des Ladeschalters S1, des Entladeschalters S2 und
ein Steuersignal SV zum Einstellen der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers
V werden von einer Regelschaltung RS ausgegeben, die Teil eines
Motorsteuergeräts
sein kann.
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Die
Stellgliedspannung wird auf die beschriebene Weise durch Erfassung
des Spannungsabfalls UR am Messwiderstand
RM indirekt gemessen und mit vorgegebenen Sollwerten verglichen. Die
Stellgliedspannung lässt
erkennen, wann das Stellglied P auf eine bestimmte Spannung aufgeladen
ist, die jeweils einer bestimmten Ladung bzw. einem bestimmten Hub
zugeordnet ist. Die Stellgliedspannung kann auch zum Nachladen eines
Stellgliedes während
einer längeren
Haltephase zwischen Laden und Entladen ausgewertet werden, wenn
sich das Stellglied über
parasitäre
Widerstände
langsam selbst entlädt.
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In
Reihe zu den Dioden D1 und D2 bzw. in Reihe zur jeweiligen Parallelschaltung
aus Lade- bzw. Entladeschaltern S1, S2 und den Dioden D1, D2 sind
vorzugsweise jeweils Messwiderstände
(nicht dargestellt) angeordnet. Damit ist es möglicht, den primärseitigen
Ladestrom sowie den sekundärseitigen
Entladestrom zu messen und in der Reglerschaltung RS ggf. mit vorgegebenen
Sollwerten zu vergleichen.
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Aus
der errechneten Stellgliedspannung kann mittels einer Integrierschaltung
in der Reglerschaltung RS durch Integration über der Zeit eine Ladungsmenge
Q errechnet werden, die einer bestimmten Auslenkung des kapazitiven
Stellglieds proportional ist. Diese Information über den Stellweg wird zur Erzeugung
entsprechender Ansteuersignale für
den Ladeschalter S1 und den Entladeschalter S2 verwendet. Abhängig von
den genannten gemessenen Größen können mittels
Konstantwerten oder durch Variation der Ladekondensatorspannung,
der Frequenz und des Tastverhältnisses
der pulsweiten, modulierten Steuersignale für die Schalter S1, S2 alle möglichen
Formen und Dauern der Lade- und Entladekurve der Stellgliedspannung
für jedes
einzelne Stellglied dargestellt werden.
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Da
in der Integrierschaltung der Reglerschaltung RS vorzugsweise auch
negative Spannungswerte verarbeitet werden können, ist es möglich, nicht
nur den Ladevorgang des kapa zitiven Stellgliedes P und damit seine
Expansion exakt zu überwachen
und zu regeln, sondern auch dessen Entladevorgang, bei dem das Stellglied
zurück
in den Ursprungszustand gesetzt wird. Bei einem Kraftstoffeinspritzventil
kann somit nicht nur die Hubbewegung geregelt werden, bei der das
Ventil öffnet,
sondern auch die Rückhubbewegung,
bei der das Ventil wieder schließt.
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Anhand
des Diagramms der 2 kann eine Quasi-Echtzeitreglung der
Stellgliedauslenkung verdeutlicht werden. Aufgetragen ist eine treppenartige Kurve,
welche die kumulierte Ladungsmenge Q über der Zeit verdeutlicht,
welche im kapazitiven Stellglied während einer vollständigen Hubbewegung
gespeichert ist. Die Kurve verdeutlicht den Anstieg der Ladung Q
im kapazitiven Stellglied bis zu einem Maximalwert, was einer maximalen
Auslenkung (Weg s) entspricht. Die Ladung Q ist proportional zum
Auslenkungsweg s des kapazitiven Stellgliedes. Die Ladungskurve
fällt von
einem Maximum anschließend wieder
auf einen Wert Null ab, wobei das kapazitive Stellglied zurück in den
Ausgangszustand geht. Hierbei stellt jede Stufe der Kurve ein Ladungsquantum dQ
dar, das während
eines Ladevorgangs auf das Stellglied übertragen wird.
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Die
Erfassung der einzelnen Ladungsquanten dQ durch Messung der Spannung
UR am Messwiderstand RM kann in der Regelerschaltung
RS zur Zumessung bzw. Korrektur des jeweils darauf folgenden Ladungsquantums
dQ verwendet werden.
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Wird
bspw. festgestellt, dass ein erstes Ladungsquantum dQ1 nicht
mit einem vorgegebenen Sollwert übereinstimmt,
so kann das darauf folgende Ladungsquantum dQ2 oder
eines der folgenden Ladungsquanten dQx entsprechend
angepasst werden, so dass der vorgegebene Summenwert für die Ladung
mit einem Sollwert übereinstimmt.
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Diese
in 2 dargestellte Regelstrategie kann auch als Mikroregelung
bzw. als Echtzeitregelung bezeichnet werden, da ein Regeleingriff
während
einer einzelnen Hubauslenkung des kapazitiven Stellgliedes erfolgt,
so dass in Echtzeit Sollwertabweichungen ausgeregelt und korrigiert
werden können.
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Die 3 und 4 zeigen
anhand qualitativer Schaubilder eine alternative Regelstrategie,
die einen reduzierten Rechenaufwand erfordert. Hierbei ist eine
Erfassung eines gesamten Voll- oder Teilhubs während eines Auslenkungswegs,
beispielsweise über
einen gesamten Einspritzzyklus, vorgesehen. Die hierbei für einen
Voll- oder Teilhub erforderliche Ladungsmenge wird gemessen und
zur Regelung für einen
darauffolgenden Voll- oder Teilhub verwendet.
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3 verdeutlicht
eine Variation der Ladungsmenge Q bzw. des dazu proportionalen Stellwegs
s über
der Zeit t für
eine Stellvorrichtung, bei der wahlweise eine Vollhub- oder eine
Teilhubsteuerung vorgesehen sein soll. Für das Beispiel einer Kraftstoffzumesseinrichtung
kann damit eine Voreinspritzung VE und eine nachfolgende Hautpeinspritzung
HE gesteuert werden, ohne dass das Ventil vollständig geschlossen werden muss.
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4 verdeutlicht
eine Variation der Ladungsmenge Q bzw. des dazu proportionalen Stellwegs
s über
der Zeit t für
eine Stellvorrichtung, bei der ausschließlich eine Vollhubsteuerung
vorgesehen sein soll. Für
das Beispiel einer Kraftstoffzumesseinrichtung kann damit eine Voreinspritzung
VE, eine Hautpeinspritzung HE sowie eine Nacheinspritzung NE gesteuert
werden, wobei das Ventil zwischen den Einspritzimpulsen jeweils
vollständig
geschlossen wird.
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Die
Regelung entsprechend der 3 und 4 stellt
eine adaptive bzw. eine Makroregelung dar, da die Ladungsmenge eines
vollständigen Öffnungs-
und Schließzyklus
gemessen und erst der nachfolgende oder einer der folgenden Zyklen
auf Basis dieser Messsignale geregelt bzw. verändert wird.
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Alternativ
kann auch vorgesehen sein, dass eine zyklische Erfassung der Abweichungen
von Soll- und Istwerten erfolgt und dass auf dieser Basis eine Korrektur
von Kennfeldern oder Sollkurven erfolgt, so dass der Rechenaufwand
insgesamt deutlich reduziert ist. Die Regelschaltung kann auf diese Weise
zum Ausgleich von Wärmedehnungen,
von Alterungserscheinungen oder von anderen, langsamer ablaufenden
Effekten genutzt werden.