DE1588276A1 - Regeleinrichtung - Google Patents

Description

Dipl. ing. R, Mertens V₁^ ♦. ■ _M · V- ι·-·--

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Patentanwalt B i

FranWi:rVa._r Neue Mainzerstr.40-42 ^den

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HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Regeleinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Regler, welche aus zwei ankommenden Signalen, die beispielsweise dem Istwert und dem Sollwert einer Regelgröße entsprechen, zunächst durch Vergleich dieser beiden Signale ein die Regelabweichung kennzeichnendes Signal und aus diesem ein als Stellgröße verwendbares Signal ableiten, welches gegebenenfalls über Verstärker und Umformer einem die Regelgröße beeinflussenden Stellglied in dem Sinne zugeführt wird, daß die Regelabweichung verringert, d.h. die Regelgröße ihrem Sollwert nachgeführt wird. Es ist dabei zunächst gleichgültig, ob der Sollwert fest vorgegeben oder in Form einer sich ändernden Führungsgröße dem Regler aufgeschaltet wird.

Das aus der Regelabweichung abgeleitete Stellgrößensignal enthält zumeist mehrere Komponenten, welche zu einem mehr oder weniger proportionalen, integrierenden und/oder differenzierenden Regelverhalten führen. Bei bekannten Reglern sind die vorhandenen und zumeist einstellbaren Komponenten des Stellgrößensignals nur von der Regelabweichung abhängig, gleich-. gültig,ob diese auf eine Änderung der Regelgröße oder/Sollwertes bzw. der Führungsgröße zurückzuführen ist. Sowohl die

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P- als auch die D-Komponente der Stellgröße verursachen bei plötzlicher Änderung der Regelabweichung eine plötzliche Verstellung des Stellgliedes. Eine plötzliche Änderung des Sollwerts hat also eine plötzliche Änderung der Regelgröße zur Folge. Ein Regler mit diesen Eigenschaften ist beispielsweise aus der USA Patentschrift 3 08l 425 bekannt.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es in den meisten Fällen unerwünscht ist, wenn sich bei einer plötzlichen Änderung des Sollwertes auch die Regelgröße schlagartig mit ändert. Vielmehr ist es meistens günstiger, wenn der durch den Regler beeinflußte Prozeß allmählich auf den neuen Sollwert hingeführt wird. Man war deshalb bisher gezwungen, entweder den Sollwert nur langsam, schrittweise zu verstellen oder besondere Maßnahmen zu ergreifen, um während der Umstellung des Sollwertes die P- und die D-Komponente des Stellgroßensignals zu unterdrücken oder im Regler gar nicht erst zu erzeugen. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile bekannter Regeleinrichtungen zu vermeiden, und zwar ohne daß während des Überganges von einem Sollwert auf einen anderen am Regler oder in dessen Verbindung zum Stellglied irgendwelche Ab- oder Umschaltungen erforderlich sind.

Bei einer Regeleinrichtung mit zwei Signaleingängen und einer aus dem Vergleich der beiden Eingangssignale ein Ausgangssignal ableitenden Anordnung besteht die Erfindung darin, daß der Eingang eines das Ausgangssignal liefernden Verstärkers einerseits über verzögernde Glieder; an die Vergleichsvorrichtung und andererseits über nichtverzögernde Glieder an den einen Signaleingang angeschlossen ist. Bezogen auf einen Regler, dem an seinem einen Eingang das Istwert-Signal und an seinem anderen Eingang das Sollwert-Signal einer Regelgröße zugeführt wird, bedeutet dies, daß plötzliche Änderungen des Istwert-Signals über die nichtverzögernden Glieder unmittelbar zum Verstärkereingang gelangen und damit das Stel-lgrößensignal beeinflussen, während plötzliche Änderungen

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des Sollwert-Signals, die ebenso wie solche Änderungen des Istwert-Signals eine plötzliche Änderung der Regelabweichung zur Folge haben, nur langsam auf den Verstärker einwirken können, weil zwischen der die Regelabweichung erzeugenden Vergleichsanordnung und dem Verstärkereingang verzögernde Glieder eingeschaltet sind. Schnelle Änderungen der Regelgröße führen also, wie gewünscht, zu einer schnellen Reaktion des Reglers, während bei plötzlicher Änderung des Sollwertes ein die Regelgröße allmählich auf den neuen Sollwert führendes Stellgrößen-Signal erzeugt wird.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Schaltüngsbeispiels eines elektronischen Reglers erläutert. Die durch den Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung ist jedoch mit denselben Vorteilen auch auf andere Reglerarten, beispielsweise pneumatische und hydraulische Regler sowie Regeleinrichtungen mit Fluidverstärkern, anwendbar. Auch dort sind verzögernde und nicht verzögernde Schaltglieder bekannt, mit denen die Erfindung gerätetechnisch realisiert werden kann. Die Zeichnungen zeigen in

Figur 1 das Schaltungsbeispiel eines elektronischen Reglers,

Figur 2 die Antwort des Stellgrößen-Signals auf eine sprungförmige Änderung des Sollwert-Signals und

Figur 3 die Antwort des Stellgrößen-Signals auf eine sprungförmige Änderung des Istwert-Signals der Regelgröße.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Regler 10 ist jede der beiden Eingangsklemmen 16 und 18 an je einen Vorverstärker 12 bzw. angeschlossen, während das vom Reglerausgang gelieferte Stellgrößen-Signal über einen Leistungsverstärker 20 das Stellglied 22 steuert. Der Eingangsklemme 16 wird der Sollwert bzw. eine Führungsgröße zugeführt. Die Klemme l6 ist mit der Basis eines pnp-Transistors 24 verbunden, dessen Kollektor an eine auf

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einem Potential von -12V liegende Stromversorgungsklemme 26 und dessen Emitter über einen Widerstand 28 an eine zweite, auf +12V liegende Stromversorgungsklemme 30 angeschlossen ist. Der Klemme 18 wird ein dem Istwert der Regelgröße entsprechendes Signal zugeführt. Sie steht mit der Basis des npn-Transistors 32 in Verbindung, dessen Emitter über den Widerstand 34 an die Klemme 26 und dessen Kollektor an die Stromversorgungsklemme 3P angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt des Emitters des Transistors 24 mit dem Widerstand 28 ist über einen Widerstand 36 und die Verbindungsstelle des Emitters des Transistors J>2 mit dem Widerstand 34 ist über einen Widerstand 40 den gemeinsamen Summierpunkt 38 angeschlossen. Mit diesem steht ein Widerstand 42 und ein Einstellwiderstand 44 in Verbindung, dessen Schleifer an den Summierpunkt 48 am Eingang des Gleichstromverstärkers 46 angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors 3.2 ist ferner mit der einen Belegung eines Kondensators 50 verbunden, dessen andere Belegung am Verbindungspunkt 52 liegt. Durch eine Leitung 53 werden die beiden Verbindungsstellen 48 und 52 auf gleichem Potential gehalten. ■

Der Verstärker 46 ist mit seiner zweiten Eingangsklemme 54 an Massepotential angeschlossen. Es könnte statt dessen auch ein anderes Potential als Bezugspotential verwendet werden. Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 46 und dem Eingang eines dem Stellglied 22 vorgeschalteten Leistungsverstärkers 20 ist ein Verbindungspunkt 56 angeordnet, von dem aus eine Gegenkopplungsschaltung zum Verstärkereingang 48 hin eingeschaltet ist. Diese enthält ein einseitig an den Verstärkerausgang 56 und mit dem anderen Ende an die Masseklemme 60 angeschlossenes Potentiometer 58 zur Einstellung des Proportionalbandes. Zwischen den Schleifer des Potentiometers und die Masseklemme 60 ist ein Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen 64 und 62 eingeschaltet. Der Schleifer des Potentiometers 58 ist ferner mit dem einen Ende eines Einstellwiderstandes 66 ver-

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bund-en, dessen Schleifer an die eine Belegung eines Kondensators 68 angeschlossen ist. Die andere Belegung liegt am Verbindungspunkt 59 des Spannungsteilers 64, 62. Der Einstellwiderstand 66 dient zur. Vorgabe des differenzierenden oder Vorhaiteanteils im Stellgrößen-Signal. Sein Schleifer ist mit der einen Belegung eines weiteren Kondensators 70 verbunden, dessen andere Belegung an den Verbindungspunkt 52 und - damit den Verstärkereingang 48 angeschlossen ist. Die beiden Kondensatoren 70 und 50 bilden zusammen einen Spannungsteiler, welcher zusammen mit dem Einstellwiderstand 44 in einer später noch zu beschreioenden Weise eine integrierende Komponente im Reglerausgangssignal erzeugt.

Ein Anzeigeinstrument 72 ist einerseits über einen Einstellwiderstand 74 an den Summierpunkt 38 und andererseits an Masse angeschlossen. Es zeigt die Größe der Regelabweichung an. Auch der Verbindungspunkt der beiden Widerstände 42 und ist über einen Widerstand 76 mit Masse verbunden.

Der Verstärker 46 arbeitet zusammen mit der Gegenkopplungsschaltung in der beschriebenen Weise als stromsummen-gesteuerter Operationsverstärker und erzeugt ein Ausgangssignal, dessen rückgekoppelter Teil den Verstärkereingang praktisch auf Null-Potential hält. Der Aufbau des Verstärkers ist an sich beliebig; er kann beispielsweise dem des im erwähnten USA Patent 3 081 425 beschriebenen Verstärkers entsprechen.

von
Im Betrieb halten die/den beiden Stromversorgungsquellen 26 und 30 zugeführten Spannungen die beiden Vorverstärker-Transistoren 24 und 32 im durchgeschalteten Zustand. Über geeignete Schaltungen wird der Eingarigsklemme l8 ein Regelgrößensignal zugeführt, welches beispielsweise zwischen 0 und +4V schwankt/während an die Eingangsklemme 16 ein Sollwert-Signal gelangt, welches sich zwischen 0 und -4v ändert. Stimmen Ist- und Sollwert überein, so sind die den Klemmen l6 und l8 zugeführten Signale gleich groß, aber von entgegengesetzter Polari-

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tat. Die genannten Spannungswerte sind selbstverständlich·., nur als Beispiele zu betrachten. Bei abgeglichenem Prozeß, d.h. bei Gleichheit von Ist- und Sollwert der Regelgröße,sind auch die von den beiden Vorverstärkerstufen 12 und 14 an die Widerstände 36 und 4θ gelieferten Signale gleich groß und von entgegengesetzter Polarität. Am Summierpunkt 38 entsteht alsp ' die Spannung Null. Dies hat zur Folge, daß auch dem Verstärkereingang 48 das Signal Null zugeführt wird und der Verstärker an seinem Ausgang 56" ebenfalls das Signal Null liefert.

Es sei zunächst die Wirkung einer plötzlichen Änderung des der Eingangsklemme 16 zugeführten Sollwert-Signals, beispielsweise von -2V auf -JV, betrachtet, wobei das Istwert-Signal an der Klemme l8 unverändert +2V betragen soll. Durch die genannte Änderung wird der Emitter des Transistors .24 negativerund demzufolge auch das Potential am Summierpunkt 38. Die Schaltung ist derart bemessen, daß die nunmehr am Summierpunkt ^8 stehende Spannung praktisch vollständig am Widerstand 40 abfällt und deshalb keine Änderung des vom Transistor 32 an den Kondensator 50 abgegebenen Signals eintritt. Das negative Potential am Summierpunkt 38 gelangt also nur über die beiden Widerstände 42 und 44 und nicht über den Kondensator 50 zum Verstärkereingang 48. Da mit den beiden Widerständen 42 und 44 der Kondensator 70 in Reihe geschaltet ist, wird dieser über die beiden Widerstände 42 und 44 allmählich aufgeladen. Die genannten beiden Widerstände und der Kondensator 70 bilden also ein Integrierglied, welches bekanntlich eine Verzögerung der Signalübertragung zur Folge hat. Wenn also am Summierpunkt 38 plötzlich ein negatives Potential auftritt, so leitet die Schaltung 42, 44, 70 hieraus ein sich mit der Aufladung des Kondensators 70.allmählich änderndes Eingangssignal für den Verstärker 46 ab. Demzufolge nimmt auch das Ausgangssignal des Verstärkers 46 nur allmählich zu. Aufgrund der gewählten Ausbildung des Verstärkers und der Gegenkopplungsschaltung, welche neben dem Potentiometer 58 und.dem Einstellwiderstand 66 auch den Kondensator 70 enthält, entsteht ein Gegenkopplungssignal,

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welches das vom Summierpunkt 38 ankommende negative Eingangssignal fortlaufend kompensiert und damit den Summierpunkt 48 praktisch auf Null-Potential halt.

Das sich allmählich ändernde Ausgangssignal des Verstärkers wird als Stellgrößen-Signal dem Leistungsverstärker 20 zugeführt, welcher das Stellglied.22 in einem solchen Sinne verstellt, daß die Regelabweichung verringert wird.

Die soeben beschriebene Betriebsweise ist schematisch in Figur 2 dargestellt, wo die obere Linie 92 den zeitlichen Verlauf des Sollwert-Signals wiedergibt. Der Kurvenzug 92 stellt eine Sprungfunktion dar, die beispielsweise einer plötzlichen Spannungsänderung von -2 auf -^V entspricht. Die untere Kurve 94 zeigt, wie sich das vom Verstärker 46 gelieferte Stellgrößensignal bei einem solchen Spannungssprung nur allmählich ansteigend ändert.

Nunmehr soll die Wirkung einer plötzlichen Änderung des der Eingangsklemme l8 zugeführten Regelgrößen-Istwert-Signals erörtert werden. Es sei angenommen, daß dieses plötzlich von +2V auf +1V absinkt, während das Sollwert-Signal .an der Klemme l6 auf einen Wert von -2V beharrt. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus der Vorverstärker- und Vergleichsschaltung ergibt sich am Summierpunkt 38 dieselbe Wirkung wie bei einer plötzlichen Änderung des Sollwert-Signals. Am Summierpunkt 38 entsteht diesmal allerdings ein positives Potential an Stelle eines negativen. Diese positive Spannung am Summierpunkt 38 gelangt wiederum über die Widerstände 42 und 44 allmählich . zum Eingang 48 des Verstärkers 46, wobei der Kondensator 70 allmählich geladen wird. Es entsteht wie zuvor bereits beim · Auftreten eines negativen Potentials beschrieben wurde, ein sich allmählich änderndes Ausgangssignal am Verstärker 46, welches die das Integralverhalten des Reglers bestimmende Komponente darstellt.

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Der Ausgang des an die Klemme 18 angeschlossenen Vorverstärkers 14 ist jedoch gleichzeitig über den Kondensator 50 mit dem Eingang 48 des Verstärkers 46 verbunden. Jede plötzliche Änderung der Spannung an der Klemme 18 gelangt also nach Verstärkung im Transistor 32 über den Kondensator 50 gleichzeitig an den Eingang des Verstärkers 46. Dieser erzeugt deshalb sofort eine zweite Ausgangssignal-Komponente, welche den Vorhai tkondens at or 68 über die Widerstände 58, 64 und 62 auflädt. Das Gegenkopplungssignal wird hierdurch verzögert, weil es erst dann in voller Größe an den Kondensator 70 gelangen kann, wenn sich der Kondensator 68 über den Widerstand 66 entladen hat. Erst dann kann die sich am Kondensator 70 auf- bauende Spannung das plötzlich angestiegene Eingarigspotential in zunehmendem Maße kompensieren und damit das verhältnismäßig große Ausgangssignal des Verstärkers verringern. Diese zweite Komponente des Ausgangssignals bildet den D-Anteil der Stellgröße und führt zu einem vorübergehenden Überschwingen der Stellgröße und damit auch der Regelgröße, welches der zuvor eingetretenen, plötzlichen Änderung der Regelgröße entgegenwirkt.

Eine dritte Komponente, die sogenannte Proportionalkomponente des Verstärkerausgangssignals, wird durch direkte Rückführung eines Teils des Ausgangssignals vom Verbindungspunkt 56 über den Proportionalband-Widerstand 58 und den Einsteilwiderstand 66 an den Kondensator 70 erzeugt. Diese Komponente folgt ohne Verzögerung jeder plötzlichen Potentialänderung am Verstärkereingang 48.

Das soeben geschilderte Verhalten des Reglers ist schematisch in Figur J dargestellt. Hier zeigt die obere Kurve 96 den plötzlichen Sprung im Verlauf der an der Klemme 18 auftretenden Regelgröße, während die untere Kurve 88 den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals des Verstärkers 46 wiedergibt. Dieser setzt sich aus den geschilderten drei Komponenten zusammen. Die plötzliche Änderung der Regelgröße hat zunächst

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einen plötzlichen Anstieg 82 der die Stellgröße wiedergebenden Kurve 88 zur Folge, an den sich ein Kurventeil 84 anschließt, in dessen Verlauf das Stellglied in seine Ausgangslage zurückkehrt. Diese Kurventeile 82 und 84 werden durch die differenzierende Komponente, manchmal auch Vorhalt genannt, des Reglers erzeugt. Im Anschluß an den Kurventeil nähert sich das Stellgrößen-Signal einem durch die gestrichel-. te Linie 8o angedeuteten, konstanten Wert, welcher durch die Proportionalkomponente des -Reglerausgangssignals gegeben ist. Wegen der bereits beschriebenen Integralwirkung Jedoch, die oben als erste Komponente geschildert wurde, geht die Kurve in einen dieser Nachstell- oder Integralkomponente entsprechenden, ansteigenden Teil 86 über, in dessen Verlauf die Regelgröße auf den Sollwert zurückgeführt wird.

Aus Vorstehendem ist ersichtlich, daß eine plötzliche Änderung des Sollwert-Signals weder das differenzierende noch das proportionale Verhalten des Reglers wirksam werden'läßt, weil nur ein sich allmählich änderndes Signal zum Verstärkereingang gelangt. Nur bei einer plötzlichen Änderung der Regelgröße treten auch das differenzierende und das proportionale Verhalten des Reglers in Erscheinung, weil jetzt die plötzliche Spannungsänderung über den Kondensator 50 unmittelbar an den Verstärkereingang gelangt. Das Integralverhalten ist in beiden Fällen vorhanden. Man könnte also sagen, daß der Regler bei einer plötzlichen Änderung des Sollwert-Signals wie ein I-Regler reagiert und bei einer plötzlichen Änderung des Istwert-Signals hingegen wie ein PI-Regler bzw. ein PID-Regler. Man erreicht dies dadurch, daß die P- und die D-Komponente direkt vom Regelgrößen-Eingangssignal abgeleitet werden, und zwar ohne Vergleich mit dem Sollwert-Signal, und deshalb nur bei Änderungen der Regelgröße entstehen. Der I-Anteil hingegen wird aus dem Vergleich von Istwert und Sollwert der Regel- . größe, also aus der Regelabweichung, abgeleitet und liefert bei einer plötzlichen Änderung einer Eingangsgröße eine allmähliche Spannungsänderung unabhängig davon, welches der

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beiden Eingangssignale sich plötzlich ändert.

Mathematisch können die einzelnen, vom Regler gelieferten Signalkomponenten, wie folgt beschrieben werden:

Die Integralkomponente = K¹ Ix dt,

¹ Ix c J ^W

worin K¹ eine Konstante, χ die Regelabweichung, also die

Differenz zwischen Regelgröße χ (Istwert) und Führungsgröße bzw. Sollwert w, und dt das zeitliche Differential bedeuten.

κ dx

Die differenzierende Komponente = K ^r

worin Kⁿ eine Konstante und χ die Regelgröße ist. Die proportionale Komponente = K · x,

worin K wiederum eine Konstante ist. Für das dem Stellglied zugeführte Stellgrößen-Signal y bzw. die jeweilige Stellung des Stellgliedes ergibt sich demzufolge die Gleichung

χ + K'Jx_wdt + K" §

y = κ

Für einen herkömmlichen Regler lautet diese Gleichung hingegen

y = κ . χ_ω + κ» Ix dt + κ"

\ ^{+ K}' Jv

d.h. bisher wurden alle drei Komponenten (Proportional-, Integral- und Differential-Anteil) jeweils aus der Regelabweichung x_w abgeleitet. Beim Regler gemäß der Erfindung hingegen wird nur die Integral-Komponente aus der Regelabweichung χ , die Proportional-Komponente und auch die Differential-

Komponente hingegen aus· der Regelgröße χ gewonnen.

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Die Erfindung offenbart somit eine Regeleinrichtung, bei der plötzliche Änderungen des Sollwertes nicht zu plötzlichen sondern entsprechend dem Integralverhalten des Reglers nur zu langsamen Änderungen der Stellgröße führen, während das Proportional- und das Differentialverhalten des Reglers nur bei Änderungen der Regelgröße zum Tragen kommen. Dies wird beim Regler gemäß der Erfindung ohne äußere Schaltmaßnahmen zur vorübergehenden Aufhebung des Differential- und Proportionalverhaltens erreicht.

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   Regeleinrichtung mit zwei Signaleingängen und einer aus dem Vergleich der beiden Eingangssignale ein Ausgangssignal ableitenden Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (48) eines das Ausgangssignal liefernden Verstärkers (46) einerseits über verzögernde Glieder (42, 44, 70) an die Vergleichsvorrichtung (36, j58, 4o) und andererseits über nicht verzögernde Glieder (50) an den einen Signaleingang (l8) angeschlossen ist.
2. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (56) des Verstärkers (46) über eine Gegenkopplungsanordnung (58, 62, 6ti, 66, 68, 70) mit dem Verstärkereingang (48) verbunden ist.
3. ^. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsanordnung vorzugsweise einstellbare Schaltglieder (66, 68) zur Erzeugung eines differenzierenden Regelverhaltens enthält.
4. 4. Regeleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennze ichnet, daß die Gegenkopplungsanordnung Schaltungsmittel (58) zur Einstellung des Proportionalbandes enthält.

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5. 5· Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis ^,'dadurch gekennzeichnet, daß als verzögerndes Glied zwischen der der Vergleichsanordnung (56, 38, 4o) und dem Verstärkereingang (48) ein RC-Integrierglied (42, 44, 70) dient, dessen Kapazität (70) zugleich Teil der Gegenkopplungsanordnung ist.
6. 6. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5> d a durch gekennzeichnet, daß als nicht

   ; verzögerndes Glied zwischen dem einen Signaleingang (l8) und dem Verstärkereingang (48) ein Kondensator (50) eingeschaltet ist.
7. 7. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a durch gekennzeichnet, daß die beiden Signaleingänge (l6, 18) über je einen Vorverstärker (12, 14) an die Vergleichsschaltung (36, J>8, 4o) angeschlossen sind.
8. 8. Regeleinrichtung nach Anspruch 6 und 7* dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (50) zwischen den Ausgang des an den einen Signaleingang (l8) angeschlossenen Vorverstärkers (l4) und den Eingang (48) des das Ausgangssignal liefernden Verstärkers (46) eingeschaltet ist,
9. 9. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a durch gekennzeichnet, daß der Verstärker (46) ein Oleichstromverstärker hohen Verstärkungsgrades ist.
10. 10. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a durch gekennzeichnet, daß dem Über nicht verzögernde Glieder mit dem Verstärkereingang (48) verbundenen Signaleingang (l8) ein der gemessenen Regelgröße entsprechendes Signal und dem anderen Signaleingang ein dem Sollwert der Regelgröße entsprechendes Signal zugeführt und vom Ausgangssignal des Verstärkers (46) ein die Regelgröße beeinflussendes Stellglied (20, 22) gesteuert wird.

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