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Elektrisches Regelsystem _ Die Erfindung betrifft ein elektrisches
Regelsystem mit einem äußeren Regelkreis und einem inneren Regelkreis, der als Nachlaufwerk
mit einem Dreipunktzeitglied, einem Stellmotor und einer Rückführsignalquelle zur
Erzeugung eines Gleichstromsignals entsprechend der Stellung dieses Stellmotors
ausgebildet ist, wobei dieser innere Regelkreis gleichzeitig als Rückführkreis für
diesen äußeren Regelkreis dient, bei dem ein verzögerter, nachgebender oder Vierpol-Rückführkreis
derart geschaltet ist, daß auf ihn ein Stellsignal von dieser Rückführsignalquelle
gegeben wird, um das gewünschte dynamische Zeitverzögerungsverhalten zu erzielen.
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Die Anwendung von elektrischen Regelsystemen auf die automatische
Schiffskurssteuerung ist bereits bekannt. Derartige Regelsysteme umfassen einen
äußeren und einen inneren Regelkreis. Auf das Ausführungsbeispiel einer Kursregelung
angewandt, bedeutet dies, daß der äußere Regelkreis durch das Steuerrad, den Kreiselkompaß,
eine Vergleichsstelle und das Ruder gebildet wird, während als innerer Kreis des
Kursregelers ein aus Relais, Stellmotor und Potentiometer bestehendes Nachlaufwerk
dient. Dies ist ebenfalls bekannt, bei einem solchen Nachlaufwerk PI- oder PD-Verhalten
für den äußeren Regelkreis durch Zuhilfenahme von geeigneten RC-Gliedern hinter
dem von dem Stellmotor verstellten Potentiometer zu erzielen.
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Ein elektrisches Regelsystem, wie es z. B. für eine automatische Schiffskurssteuerung
benutzt wird, muß gute Dämpfungseigenschaften im Interesse einer sicheren Fahrt
bei Änderungen des Kurses aufweisen, wofür eine starke Differentialwirkung vorgesehen
wird. Zudem muß aber aus wirtschaftlichen Gründen, insbesondere bei festem Kurs,
wenn Kursabweichung und Winkelgeschwindigkeit gering sind, die Steuerzahl über eine
bestimmte Zeit abnehmen, was eine hohe Haltbarkeit der Steuereinrichtung erfordert.
Außerdem sollen relativ kleine Ruderwinkel mit geringer Regelung vorliegen, damit
der Widerstand des Schiffes gegen die Steuerung möglichst herabgesetzt wird. Die
starke Differentialwirkung zur Verbesserung der Dämpfung der Schiffsdrehrichtung
bei einer Kursänderung steht jedoch dazu im Gegensatz, denn es wird dadurch eine
Empfindlichkeit gegen eine Störung von außen her hervorgerufen, wodurch Steuerzahl
und Ruderwinkel vergrößert werden. Daraus ist ersichtlich, daß die bisher bekannten
Regelsysteme derartigen Erfordernissen gleichzeitig nicht gerecht werden können.
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Diese Nachteile werden dadurch beseitigt, daß ein Impedanzglled mit
wenigstens einer Kapazität und
wenigstens einer nichtlinearen Impedanz, die
hiermit in Reihe geschaltet ist, im Nebenschluß in die Vierpol-Rückführung geschaltet
ist.
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Da gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kreis verwandt wird, der nichtlineare
Halbleiterdioden enthält, kann vorteilhafterweise der D-Betrieb wirksam durchgeführt
werden, wenn die zu regelnde Größe stark von dem Stellwert abweicht, und der D-Betrieb
kann auch automatisch verringert werden, wenn die zu regelnde Größe nicht so sehr
von dem Stellwert abweicht. Gleichzeitig wirkt der Kreis bzw. das Element als ein
Tiefpaßfilter für den äußeren Regelkreis einschließlich des zu regelnden Gegenstandes.
Dementsprechend kann das System so ausgebildet werden, daß das System nicht so leicht
auf eine äußere Störung anspricht, deren Frequenz höher als die des Tiefpaßfilters
ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt weiterhin den Vorteil, daß
ein Schiff, wenn es die vorliegende Erfindung verwendet, bei einer automatischen
Kursänderung des Schiffes seinen Kurs automatisch im Bereich der kritischen Dämpfung
auf einen neuen Kurs ändern kann. Gleichzeitig spricht die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung kaum auf äußere Störungen, wie z. B. Wellen, Schlingern u. dgl., an, während
es geradeaus weiterfährt, so daß die Steuervorrichtung des Schiffes, welches die
vorliegende Erfindung verwendet, bedeutend weniger betätigt wird als bei den bisher
bekannten Vorrichtungen. Daraus ergibt sich, daß durch Verwendung der vorliegenden
Erfindung
die Lebensdauer der automatischen Lotsenvorrichtung selbst und die der hiermit verbundenen
Steuereinrichtung erhöht wird.
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Besonders einfach ist das erfindungsgemäße Impedanzglied aus einer
Kapazität, einem Diodenpaar, das mit zueinander entgegengesetzter Durchlaßrichtung
parallel zueinander geschaltet ist, wobei ein Verbindungspunkt dieses Diodenpaares
mit einer Elektrode dieser Kapazität verbunden ist, und aus einem Widerstand besteht,
von welchem ein Ende mit dem anderen Verbindungspunkt dieses Diodenpaares verbunden
ist.
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Besonders zweckmäßig ist dies, wenn der Vierpol-Rückführkreis einen
Kreis mit einem Widerstand und einer hierzu parallelgeschalteten Kapazität besitzt,
wobei dieser Kreis in eine Leitung des Vierpol-Rückführungskreises auf der Eingangsseite
in bezug auf den Verbindungspunkt des Impedanzgliedes mit diesem Vierpol-Rückführungskreis
geschaltet ist.
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Es ist weiterhin für die Betriebssicherheit von Vorteil, wenn das
Impedanzglied einen Reihenwiderstand enthält, und der Vierpol-Rückführungskreis
einen Kreis besitzt, der zwei Widerstände, die in Reihen miteinander geschaltet
sind, und eine Kapazität enthält, die über die äußeren Klemmen dieser beiden Widerstände
geschaltet ist, wobei dieser Kreis derart in eine Leitung dieses Vierpol-Rückführungskreises
geschaltet ist, daß der zwischen diesen beiden Widerständen liegende Verbindungspunkt
mit der äußeren Klemme des Reihenwiderstandes verbunden ist.
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Außerdem kann der Vierpol-Rückführungskreis vorteilhafterweise einen
Widerstand enthalten. der auf der Eingangsseite dieses Kreises mit Bezug auf den
Verbindungspunkt des Impedanzgliedes mit dem Vierpol-Rückführungskreis in eine Leitung
des Vierpol-Rückführungskreises geschaltet ist.
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Schließlich kann dieser Vierpol-Rückführungskreis einen Widerstand
und eine Kapazität enthalten. die beide in Reihe in einer Leitung dieses Vierpol-Rückführungskreises
in bezug auf den Verbindungspunkt dieses Impedanzgliedes mit diesem Vierpol-Rückführungskreis
geschaltet sind.
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Es können auch mehrere erste Widerstände in Reihe in einer Leitung
dieses Vierpol-Rückrührungskreises geschaltet werden. während mehrere zweite Widerstände
jeweils mit einem ihrer Enden mit den Verbindungspunkten dieser ersten Widerstände
verbunden sind, während das andere Ende dieser zweiten Widerstände wahlweise mit
einem dieser Impedanzglieder verbunden wird.
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Schließlich ist es besonders vorteilhaft. daß das erfindungsgemäße
Impedanzglied zwei Dioden besitzt, die im wesentlichen dieselbe Charakteristik aufweisen,
wobei diese beiden Dioden mit zueinander entgegengesetzter Flußrichtung parallel
zueinander geschaltet sind.
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Die Anwendung eines derartigen Regelsystems auf eine automatische
Schiffskurssteöerung ergibt sich aus den dabei gestellten Forderungen und der Überlegenheit
des erfindungsgemäßen Regelsystems gegenüber bisher bekannten.
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Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Regelsystem, welches gegen
PI-Regelvorgänge oder PID-Regelvorgänge stabil ist, können die verschiedenen Motorenarten
verwendet werden. ohne daß irgendeine Änderung an den anderen Teilen des Systems
vorgenommen werden muß.
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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden an Hand der
beiligenden Zeichnung erläutert, in der F i g. 1 ein Blockdiagramm eines elektrischen
Regelsystems mit Relaiswirkung darstellt; F i g. 2, 3, 4, 5 und 6 sind Schaltbilder
von beispielsweisen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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An Hand von F i g. 1 wird ein bekanntes elektrisches Regelsystem,
das im allgemeinen bei Schiffskurssteuerungen verwendet wird, erläutert. Wenn bei
einer derartigen Steuerung die Verstärkung und die Stehzeit der automatischen Steuerung
über einen gewissen Bereich einstellbar ist, so kann man den PD-Regelvorgang theoretisch
für die meisten Schiffe erhalten. Jedoch hängt der Ausgang der automatischen Steuerung
von dem Eingangsenergieniveau und der Rudermaschinenart des Schiffes ab. Es ist
daher erforderlich, verschiedene Servomotoren der automatischen Steuerung mit verschiedenen
Ausgängen vorzusehen. Das üblichste Verfahren dabei besteht darin, den Servomotor
über elektrische Relais zu betreiben. Das in F i g. 1 dargestellte Blockdiagramm
ist die gewöhnlich verwendete Ausführungsform. Dabei bedeutet (-) einen Azimut des
zu regelnden Kompaßkurses des Schiffes, hl; ist ein vorgegebener Kurs und 3 ist
ein Servomotor, dessen Unterfunktion ungefähr
ist. wobei S der Operator der Laplace-Transformation ist, T" die Zeitkonstante des
Servomotors und k= eine Verstärkungskonstante des Servomotors.
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0, 1 und 4 sind Elemente, deren jeweilige Verstärkungen
k", k1 und k3 sind. 2 ist ein elektrisches Relais mit Hysterese. Die Größen (-)
und (-), addieren sich am Sammelpunkt P,. dieser Wert wird durch das Element in
ein elektrisches Signal k" (A); - (-» umgeformt. 1 ist ein Verstärker. dessen
Verstärkung k ist und durch dessen Ausgang das Relais an- oder abgeschaltet wird.
4 ist ein Umformer. dessen Verstärkung bei der Umformung eines mechanischen Winkels
oder einer Abweichung in eine elektrische Energie k3 dient. Zum Beispiel besteht
der Umformer 4
aus einem Zahnradvorgelege und einem Potentiometer. Hierbei
ist 5 ein Element, dessen Unterfunktion F (s) ist. Ist die Unterfunktion des Elementes
5 eine Konstante. so ist der Ausgang des Regelsystems (@ proportional zu (-); -
(-) wie bekannt. Ist die Verstärkung k1 des Verstärkers groß genug und f(s) = 1
im obigen Beispiel. so folgt. daß k"(h)l-(-»-k3'@ = 0
ist. wie aus dem Blockdiagramm
hervorgeht und also
Für das in F i g. 1 gezeigte Element 5 kann eine Vielzahl von Kreisen verwendet
werden. um einen stabilen Regelkreis und sichere Ausführung des PD-Vorganges zu
erhalten. Dabei hat das Element 5 a) eine Verzögerungskonstante erster Ordnung.
deren Anlaufzeit notwendig ist. um den D-Vorgang beim Regelsystem zu ermöglichen.
und b) eine Voreilkonstante erster Ordnung. die notwendig ist, um den Regelkreis
zu stabilisieren. oder es weist eine Voreilung höherer Ordnung auf. wodurch der
Regelkreis stabilisiert wird.
F i g. 2 zeigt einen Schaltkreis,
bei dem ein nichtlineares Element in Reihe zu einem Widerstand R, und einer Kapazität
C liegt. Für das nichtlineare Element kann ein Paar Dioden oder ein Varistor verwendet
werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind Halbleiterdioden D, und D, parallel mit
umgekehrter Polarität verbunden und bilden so eine Parallelschaltung, die in Reihe
zu R= und C liegt. Die Halbleiterdiode hat einen hohen Widerstand, bis die angelegte
positive Spannung einen bestimmten Wert erreicht. Der wirksame Widerstand des nichtlinearen
Elementes steigt mit dem Abfall des Stromes, der durch die Kapazität C fließt, und
dementsprechend kann das obengenannte Ziel automatisch erreicht werden.
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Gleichzeitig steigt die Stabilität des Regelkreises auf Grund des
Einbaus des nichtlinearen Elementes. Es ist also möglich, den Widerstand R, zu vermindern
oder auf Null herabzusetzen, abhängig von der Art des nichtlinearen Elementes. so
daß der Vorgang bei der Kursänderung auf ein gutes Ergebnis hin gefördert wird.
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In F i g. 2 bezeichnet E,) die Ausgangsspannung des Elementes
4 in F i g. 1, und mit E,. ist die Ausgangsspannung des Elementes 5 bezeichnet,
nämlich die Spannung die zu dem Summierungspunkt P= zurückgeleitet werden soll.
Ein Widerstand R,, stellt, wenn man von dem Element 5 aus auf den Summierungspunkt
P, schaut. eine innere Impedanz dar. Das heißt. in Praxis stellt R,, den Eingangswiderstand
des Verstärkers 1 oder eine Impedanz des Elementes 0 dar. R, bzw. R= bezeichnen
Widerstände, deren Widerstandswerte diesem entsprechen. und C stellt eine Kapazität
dar. deren Kapazitätswert diesem entspricht. Mit den Bezugszeichen D, und D, sind
Beispiele eines nichtlinearen Elementes bezeichnet, die sowohl in Reihe zu der Kapazität
C als auch dem Widerstand R, geschaltet sind. Ein Beispiel für dieses nichtlineare
Element ist eine Diode. Das nichtlineare Element besitzt einen beträchtlich hohen
Widerstandswert, wenn der Strom. der über die Kapazität C fließt, gering ist, was
bereits bekannt ist. jedoch werden ihre Widerstandswerte entsprechend der Erhöhung
des Stromes. der über die Kapazität fließt. klein. Für den Fall. daß das nichtlineare
Element (Diode) z. B. aus Silizium hergestellt ist. so zeigt das nichtlineare Element
einen konstanten Spannungsabfall von ungefähr 0.9 Volt bei großem Strom.
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Eine Ubertragungsfunktion für das Element einschließlich der nichtlinearen
Elemente kann nicht durch die Ubertragungsfunktion eines linearen Elementes ausgedrückt
werden. Wenn jedoch zum Zweck der Erläuterung angenommen wird. daß der Widerstand
eines nichtlinearen Elementes annähernd konstant sei und in den Widerstandswert
des Widerstandes R_, mit hineingenommen werden kann. so kann die Übertragungsfunktion
/'(s) des Elementes einschließlich des nichtlinearen Elementes durch die folgende
Gleichung ausgedrückt werden:
Die Regeleigenschaften des in F i g. 1 gezeigten Regelsystems. deren Übertragungsfunktion
in Gleichung 1 dargestellt ist, werden annähernd wie folgt angenommen: ko (-)i -
H) = k3 ' .1(s) @@ (2)
da die Elemente 1, 2 und 3 in F i g.
1 immer so wirken, daß der Ausgang des Summierungspunktes verringert wird, d. h.
die dem Element 1 zugeführte Eingangsleistung Null wird.
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Dementsprechend kann aus den Ausdrücken der Gleichungen 1 und 2 die
folgende Gleichung erhalten werden
Aus dem Zähler der Gleichung 3 wird offensichtlich, daß die Vorrichtung für die
Winkelfrequenz die kleiner als diejenige Frequenz ist, die durch
bestimmt wird, im PD-Betrieb arbeitet. Da der Widerstand R, den Widerstand des nichtlinearen
Elementes mit einschließt, wie es oben angenommen wurde. so ist der Widerstand R,
in Praxis nicht konstant, sondern verändert sich_ entsprechend der Größe des Stromes,
der durch die Kapazität C fließt.
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Das heißt, wenn der Strom, der durch die Kapazität C fließt, groß
ist. so verändert sich die Ausgangsspannung E,@ sehr weitgehend, was dem Fall entspricht.
bei dem der Stellkurs geändert wird und oder das Schiff einer entsprechenden großen
äußeren Störung ausgesetzt wird. Der Widerstand R= ist gewöhnlich klein, so daß
die Vorrichtung für verhältnismäßig hohe Frequenzen im PD-Betrieb arbeiten kann.
Dementsprechend kann der D-Betrieb wirksam eine Dämpfungswirkung auf den äußeren
Regelkreis einschließlich des zu regelnden Gegenstandes ausüben. der dem automatisch
zu steuernden bzw. zu regelnden Schiff entspricht. Als Ergebnis der oben beschriebenen
Regelung fällt der Azimuth (-) im wesentlichen mit dem Stellkurs Hi zusammen. Dementsprechend
wird die Änderung des Ausganges des Regelsystems klein. der Strom, der durch die
Kapazität C fließt. wird klein, der Widerstand R, wird groß. der Wert des Faktors
wird klein, und die obere Grenzfrequenz, die dem D-Betrieb unterliegt. wird klein.
Dies bedeutet, daß der Wert des Nenners R,C in erster Näherung gleich dem Wert des
Zählers
wird. Dementsprechend wird die Wirkung des D-Betriebes herabgesetzt. Gleichzeitig
tritt, da die obige Tatsache einschließt. daß die Vorrichtung kaum auf eine äußere
Störung einer Frequenz ansprechen kann. die höher ist als diejenige Frequenz, die
durch
bestimmt wird. eine verbreiterte, nicht ansprechende Zone für die äußere Störung
mit hoher Frequenz auf. Das heißt, das Ansprechen der Regelung des äußeren Regelkreises
auf eine Änderung des Stellkurses oder eine große äußere Störung. die
einem
Regelwert (-) entspricht, kann schroff bzw. steil gedämpft werden, und die Vorrichtung
wird für eine äußere Störung unempfindlich, wenn sich der Azimuth U dem Stellkurs
Hi nähert.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Widerstand, der
mit den nichtlinearen Elementen in Reihe geschaltet ist, fortzulassen, sofern der
innere (oder kleinere) Regelkreis, nämlich der Regelkreis, der die Elemente 1, 2,
3, 4 und 5 in F i g. 1 enthält, stabil ist.
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F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Anwendung
bei einer automatischen Steuerung. Der Azimut l-) des Kompaßkurses wird von einem
Kreiselkompaß 6 über einen Verstärker auf ein Differentialgetriebe 9 übertragen.
Der Winkel an der Ausgangsseite des Differentialgetriebes ist die Differenz zwischen
dem Winkel (-) des Verstärkers 7 und dem Winkel Hi des festgesetzten Kurses, der
durch ein Steuerrad 8 festgelegt ist. Ein Potentiometer 10 arbeitet im Verhältnis
von (0 - 01), wodurch eine Spannung Ei erzeugt ist, die (0 - Ui) proportional
ist. Die Spannung Ei wird mit einer Rückkopplungsspannung E f verglichen,
die über das erfindungsgemäße Element übertragen wird, und die sich daraus ergebende
Differenzspannung wird durch einen Verstärker 1 verstärkt und treibt ein Relais
2, erzeugt dadurch einen Ruderwinkel r@ über ein Zahnradvorgelege 11 über
einen Motor 3 und betreibt gleichzeitig ein Rückkopplungspotentiometer
12, wodurch eine Spannung & proportional zum Ruderwinkel erzeugt wird.
E,5 wird in die Schaltung nach F i g. 3 übertragen, jedoch sind die Widerstände
R1 und R2 variabel. Am Ausgang wird E,- erzeugt. Hierbei wird die Anlaufzeit durch
gleichzeitiges Verstellen von R1 und R2 geändert, bis RZC einen geeigneten Wert
für einen stabilen Betrieb der Servoschleife ergibt. Die Verstärkung der P-Regelung
wird gesteuert, indem eine an das Potentiometer 12 gelegte Spannung eingestellt
wird. Unter der obengenannten Einstellung versteht man die Einstellung von k3 in
F i g. 1.
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Als Element 5 gemäß F i g. 1 kann eine Vielzahl von Kreisen verwendet
werden, um einen stabilen Regelkreis und sichere Ausführung des PD-Vorganges zu
erhalten. Ein solches Beispiel ist in F i g. 4 gezeigt. Eine Kapazität liegt parallel
zum Widerstand R1, und eine Kapazität Cl liegt parallel zur Impedanz RL. Deren Unterfunktion
f (s) heißt
wird ein Wert ausgewählt, wie er für die Durchführung des D-Regelvorgangs nötig
ist und für R1C2 wird ein Wert gewählt, der ausreicht, um den Regelkreis zu stabilisieren.
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Einen in F i g. 5 gezeigten Schaltkreis erhält man, wenn man einen
Widerstand R3 in Reihe mit der Impedanz RL legt; die Widerstände R1 und R2 liegen
dann im Nebenschluß mit der Kapazität C_, und der Widerstand R3 und die Impedanz
R, liegen im Nebenschluß mit einer Reihenschaltung aus dem Widerstand R2 und der
Kapazität Cl, aus Einfachheitsgründen wird auf die ausführliche Erläuterung
verzichtet, da die Wirkungen' des Schaltkreises aus der vorstehenden Beschreibung
verständlich sind.
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Wie aus der vorhergehenden Beschreibung hervorgeht, kann die gleiche
Wirkung wie bei dem in F i g. 2 gezeigten Kreis auftreten, wenn eine Schaltung mit
einem nichtlinearen Element, das in Reihe mit einer Kapazität C liegt, nach den
F i g. 4 und 5 als Rückführungskreis verwandt wird. Dieser besondere D-Regelvorgang
kann nur in einfacher Weise gemäß der Erfindung erhalten werden, während der gleiche
Regelvorgang bei bekannten automatischen Schiffskurssteuerungen nur auf sehr schwierigem
Wege zu erreichen ist, bei dem die Winkeldrehgeschwindigkeit mittels einer Einrichtung
erhalten wird. die einen Integrator verwendet.
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Der in F i g. 6 dargestellte Kreis ist ein Beispiel für ein Rückführungselement,
mit dem ein PID-Regelvorgang ausgeführt werden kann.
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In der in F i g. 6 gezeigten Schaltung ist eine Kapazität C; in Reihe
mit einem Widerstand R1 gelegt, und eine Reihenschaltung aus dem Widerstand R2 und
der Kapazität C liegt parallel zu der Impedanz RL, woraus folgt, daß
Die allgemeine Charakteristik. die man hierdurch rhält, ist
d. h., daß der PID-Vorgang durchgeführt wird.