DE2207677C3 - Regelanordnung zum Positionieren eines beweglichen Konstruktionselementes - Google Patents
Regelanordnung zum Positionieren eines beweglichen KonstruktionselementesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung zum Positionieren eines beweglichen Konstruktionselementes
(Stellglied) mit einer Vergleichsvorrichtung für ein vorgegebenes, die gewählte Stellung des Stellgliedes
bezeichnendes Führungssignal sowie ein eine Position des Stellgliedes wiedergebendes Istwertsignal, die ein
die Regelabweichung darstellendes Abweichungssignal bildet, das nach Verstärkung durch mindestens einen,
eine Verzögerungscharakteristik aufweisenden Regelverstärker änderbaren Übertragungsverhallens einem
als hydraulische Servovorrichtung ausgebildeten Stellmotor derart zugeführt wird, daß das Abweichungssignal
gegen den Wert Null zurückgeführt wird, wobei das Übertragungsverhalten des Regelverstärkers durch
eine Detektorvorrichtung bestimmt wird, welche im Zuge der Bildung der Stellgröße auftretende Signale auf
Einhaltung bzw. Überschreitung eines vorgegebenen Stellwertes überwacht.
Derartige Steueranordnungen werden eingesetzt, wenn auf vorgegebene Steuerkommandos (Führungsgröße)
hin eine schnelle und insbesondere genaue Einstellung von Stellgliedern erfolgen soll. Solche
Stellglieder können Teile einer Maschine, ein Manipulator zum Halten und Richten eines Werkstückes, oder
aber auch ein Teil einer Werkzeugmaschine sein.
Zum einfachen Anfahren gewünschter Positionen kann ein steuerbarer, elektrohydraulischer Stellmotor
vorgesehen sein. Wird dagegen eine schnelle und exakte Positionierung des Stellgliedes gewünscht, so lassen sich
Drifterscheinungen im Hydrauliksystem selbst dann nicht vermeiden, wenn aufwendige Steuerventile, eine
Hydraulikflüssigkeit mit hoher Temperaturkonstanz verwendet werden oder dergl. Wirtschaftliche Gründe,
der Platzbedarf oder dergl. machen es jedoch wünschenswert, relativ kleine und billige Steuer- bzw.
Servoventile zu verwenden; es zeigt sich jedoch, daß weder der Verstärkungsfaktor des elektrohydraulischen
Systems noch dessen Genauigkeit den Ansprüchen genügen und damit sowohl die Schnelligkeit als auch die
Exaktheit der Positionierung zu wünschen übrig lassen.
Um eine exakte Positionierung des Stellgliedes zu erreichen ist die Verstärkung des eingeschlossenen
Regelkreises, und zwar so lange das System stabil ist, groß zu halten. Da der Verstärkungsfaktor des
elektrohydraulischen Stellmotors üblicher Weise gering ist, wird die Regelstrecke mit einem elektrischen
Verstärker ausreichenden Verstärkungsfaktors ausgestattet. Hierbei werden Regelvorrichtung mit Integralverhalten bevorzugt, um die Regelabweichung gering zu
halten. Dieses Integral- oder Verzögerungsverhalten des elektrischen Reglers führt aber insbesondere im
Bereiche der unteren Frequenzen zu einer Phasenverschiebung und zusätzlich zu einem Überschwingen bei
der Einstellung des Stellgliedes. Die Phasenverschiebung wiederum bedingt eine Verringerung der Stellgeschwindigkeit,
während das Überschwingen die Einstellgenauigkeit verringert.
Durch die US-PS 32 83 229 ist eine Steueranordnung offenbart, bei der die am Ausgang der Regelvorrichtung
anstehende Stellgröße mittels einer Detektorvorrichtung mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen
und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis die Verstärkung des Regelverstärkers geändert wird.
Hierbei wird über eine stetig wirksame Regelstrecke die vorgegebene Stellgröße überwacht; als nachteilig
erweist es sich hierbei, daß insbesondere bei hohen Stellgeschwindigkeiten unerwünscht hohe Regelabweichungen
auftreten können sowie ein Überschwingen der Endlage festgestellt werden kann.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Regelvorrichtung der oben bezeichneten Gattung zu
schaffen, die bei relativ geringem Aufwände hohe
Stellgeschwindigkeiten mit geringem Überschwingen und minimaler Regelabweichung vereint.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Detektorvorrichtung das Abweichungssignal zugeführt
wird, daß, so lange das Abweichungssignal den vorgegebenen Schwellwert einhäh, der Regelverstärker
mit einer ersten Verzögerungscharakteristik arbeitet und daß die Detektorvorrichtung beim Überschreiten
des vorgegebenen Schwellwertes den Regelverstärker auf eine geringere Verzögerung umschalter
Hierdurch wird erreicht, daß bei einer starken Abweichung des Istwert-Signales vom Führungssignal
die vorgegebene Position des Stellgliedes mit hoher Stellgeschwindigkeit angelaufen wird, während, nachdem
das Abweichungssignal den Schwellwert unterschreitet, die verbliebene Abweichung durch Regeln mit
bzw. mit erhöhtem Integralverhalten behoben wird.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, den der Detektorvorrichtung vorgegebenen Schwellwert der
Regelabweichung entsprechen ode- diese überschreiten zu lassen. Vorteilhaft ist es, beim mit einem Rückführungskreis
ausgestatteten Regelverstärker gemäß der Erfindung dem Rückführkreis, in Serie geschaltet, einen
Widerstand sowie einen in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Detektorvorrichtung kurzschließbaren
Kondensator aufweisen zu lassen.
Weiterhin wurde als vorteilhaft erkannt, der Detektorvorrichtung ein auf dessen Ausgangssignal entsprechendes
Relais nachzuordnen, dessen Kontakte dem Kondensator parallel geschaltet sind.
Bei Steueranordnungen mit digital ausgebildeter, parallele Ausgänge aufweisender Vergleichsvorrichtung
hat es sich bewährt, die Detektorvorrichtung eine ODER-Schaltung aufweisen zu lassen, deren Eingänge
die den Schwellwert unterschreitenden oder aber die den Schwellwert überschreitenden Ausgänge der
Vergleichsvorrichtung erfassen. — Bei Steueranordnungen mit analog wirkender Vergleichsvorrichtung für die
Führungs- und Regelgröße kann die Detektorvorrichtung als Vergleichsvorrichtung ausgebildet sein.
Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit
diese darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen hierbei:
Fig. 1 das vereinfachte Blockschaltbild einer Regelvorrichtung
zum Positionieren eines beweglichen Konstruklionselementes,
Fig.2a und 2b das Betriebsverhalten der Regelvorrichtung
nach F i g. 1 erläuternde Kennlinie, und
Fig.3 das Blockdiagramm eines abgeänderten Ausführungsbeispieles einer Regelvorrichtung zum
Positionieren eines Konstruktionselementes.
In Fig. 1 ist als bewegliches Konstruktionselement ein Stellglied 10 dargestellt. Dieses Stellglied kann ein
Teil einer Werkzeugmaschine, eines Manipulators oder dergleichen sein, das unter Steuerung eines dem
Regelkreis aufgeschalteten Sollwert-Signales zu bewegen ist. Die jeweilige Lage des Stellgliedes 10 wird
mittels eines Detektors 11 ermittelt, der die Lage des Signales als elektrisches oder mechanisches Signal
aufnimmt und ein der Lage des Stellgliedes iO entsprechendes, im Ausführungsbeispiel binär aufgebautes
Istwert-Signal abgibt.
Zur Ermittlung der Abweichung ist ein digitales Zählwerk 12 vorgesehen, an dessen summierenden
Eingang I das Sollwert-Signal angelegt wird, während das Istwert-Signal des Detektors 11 am subtrahierenden
Eingang 2 ansteht. Damit bildet das Zählwerk 12 ein binäres n-stelliges Abweichungssignal, das an seinen
Ausgängen Aq bis An ansteht. Durch Digitalleitungen
sind die Ausgänge mit Eingängen eines Digital-Analog-Umsetzers 13 verbunden, dessen Eingang 3 zusätzlich
ein das Vorzeichen des Zählstandes des Zählwerkes 12 darstellendes Signal zugeführt wird. Das um Ausgange
des Digital-Analog-Umsetzers 13 anstehende Abweichungssignal wird mittels eines Verstärkers 14 verstärkt,
der aus Eingangswiderstand 15, Operationsverstärker 16 und Rückführungswidurstand 17 besteht. Das
verstärkte Abweichungssignal wird einem weiteren Verstärker 18 zugeführt, dessen Verstärkungsverhalten
änderbar ist: Die Signalspannung wird über einen Vorwiderstand 19 einem Operationsverstärker 20
zugeführt, dessen Verstärkungsverhalten durch eine Rückführungsschaltung 21 bestimmt wird, die aus der
Serienschaltung eines Widerstandes 22 mit einem Kondensator 23 besteht. Dem Kondensator 23 ist ein
Arbeitskontakt 24 eines Relais 25 parallelgeschaltet, das den Kondensator 23 zu überbrücken vermag. Die am
Ausgange des Verstärkers 18 ansiehende Spannung wird über einen Endverstärker 26 dem Servoventil eines
vom Hydrauiikbehälter 28 gespeisten elektro-hydraulischen Servosystems 27 zugeführt, das die hydraulische
Betätigungsvorrichtung für das Stellglied 10 aufweist und dessen Stellung korrigiert.
Dem Zählwerk 12 ist eine Vorrichtung nachgeordnet, welche feststellt, ob das am Ausgang des Zählwerkes i2
anstehende Abweichungssignal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Im Ausführungsbeispiel ist
dieser Schwellwert zweistellig, und die Ausgänge Ao sowie A] werden daher von dieser Vorrichtung nicht
erfaßt. Die folgenden Ausgänge höheren Stellenwertes, nämlich die Ausgänge At bis An sind mit Eingängen
einer ODER-Stufe 29 verbunden. Tritt ein mindestens einen dieser Ausgänge Ai bis An aktivierendes Signal
auf, so tritt auch am Ausgange der ODER-Stufe 29 ein Signal auf, das, durch den Verstärker 30 verstärkt, das
Relais 25 betätigt und mittels seines Arbeitskontaktes 24 den Kondensator 23 kurzschließt. Zur Erläuterung der
Wirkungsweise der Anordnung sei davon ausgegangen, daß das Stellglied 10 um 10 cm in Vorwärtsrichtung zu
verschieben ist und das Zählwerk 12 die Anzahl der zu verschiebenden Millimeter angibt. Wird dementsprechend
dem Eingange 1 des Zählwerkes 12 ein Sollwert-Signal aufgeschaltet, welches das Istwert-Signal
um 100 überschreitet, so werden die Ausgänge A2,
Λ5 und Af, erregt und bewirken am Ausgange der
ODER-Stufe 29 ein Signal, das über den Verstärker 30 das Relais 25 erregt und mittels dessen Arbeitskontakt
24 den Kondensator 23 kurzschließt. Damit ist in der Rückführungsschaltung 21 allein der Widerstand 22
wirksam, so daß das Integralverhalten des Verstärkers 18 aufgehoben wird und das Stellglied 10 mit hoher
Stellgeschwindigkeit in Richtung auf die vorgegebene Soll-Position verschoben wird.
Entsprechend der bereits zurückgelegten Verschiebung und damit der Annäherung an die vorgegebene
Position sinkt das vom Zählwerk 12 digital abgegebene Abweichungssignal, bis es den vorgegebenen Schwellwert,
im Ausführungsbeispiel den Wert 3, erreicht. Hierbei sind nur noch die Ausgänge A0 und A\ des
Zählwerkes 12 beaufschlagt, alle Ausgänge höheren Stellwertes, die ja mit der ODER-Stufe 29 verbunden
sind, sind freigegeben. Damit entfällt am Ausgange der ODER-Stufe 29 das Schaitsignai, das Relais 25 fällt ab,
und sein Arbeitskontakt 24 wird geöffnet. Damit aber wird innerhalb der Rückführungsschaltung 21 der
Kondensator 23 wirksam, so daß die Zeitkonstante des Verstärkers erhöht wird. Der Umschaltvorgang selbst
vollzieht sich weich: Während des ersten, wesentlichen Teiles des Stellvorganges war der Kondensator
kurzgeschlossen und damit entladen. Direkt nach dem Umschalten bzw. Aufheben des Kurzschlusses ist er
weiterhin laclungs- und spannungsfrei, und erst mit zunehmender, in seiner Zeitkonstante durch die Werte
des Widerstandes 22 und des Kondensators 23 bestimmter Ladung wird am Kondensator 23 eine
Spannung aufgebaut, die in der Rückführungsschaltung 21 zusätzlich wirksam wird.
Diagrammatisch wird das Betriebsverhalten an Hand der F i g. 2 erläutert.
In F i g. 2a ist das Weg-Zeit-Verhalten des Stellgliedes
10 gezeigt, das sich mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ergibt. Wird im Zeitpunkt des Ursprunges der
Koordinaten das Sollwert-Signal vom Ursprung auf die Ordinate 4 angehoben, so verläuft der mit der Änderung
des Sollwert-Signales eingeleitete Slellvorgang entlang der Kurve 5. Mit der Änderung des Sollwert-Signales
und damit Ansteigen des Abweichungssignales werden das Relais ,25 erregt und der Kondensator 23
kurzgeschlossen. In diesem ersten Betriebszustande des Verstärkers 18 erfolgt zunächst die Lageänderung des
Stellgliedes 10 schnell, und dementsprechend verläuft der Anfang der Kurve 5 steil.
Mit der Annäherung an die Sollposition des Stellgliedes 10 sinkt das Abweichungssignal unter den
vorgegebenen Schwellwert, das Relais 25 fällt ab, öffnet seinen Arbeitskontakt 24 und schaltet damit den
Verstärker 18 in seinen zweiten Betriebszustand um. Mit weichem, in der Kurve 5 als Knick praktisch nicht
erkennbaren Übergang wird damit das Arbeitsverhalten des Verstärkers 18 geändert, und die noch
verbleibende Positionskorrektur wird schnell und mit nur geringem Überschwingen bewirkt. Die an sich
geringere Stellgeschwindigkeit dieses zweiten Betriebszustandes vermag sich nicht nachteilig auszuwirken, da
dieser Betriebszustand erst bei geringen verbliebenen Abweichungen einsetzt. Das Überschwingen des Stellgliedes
über die vorbestimmte Position hinaus bleibt im wesentlichen vernachlässigbar, weil bereits die Ausgangsamplitude
dieses Schaltzustandes gering ist. Die Betriebsverhalten im ersten und zweiten Schaltungszustand
sind an Hand der Fig. 2 erläutert. Ein Bewegungsablauf nach der Kurve 6 ergibt sich, wenn
der gesamte Stellvorgang mit kurzgeschlossenem Kondensator 23 durchgeführt ist. Nach anfänglich
steilem Anstieg der Kurve flacht diese immer mehr ab, so daß die Stellgeschwindigkeit im Endbereich gering ist
und eine stetige Abweichung verbleibt. Wird dagegen der gesamte Bewegungsvorgang des Stellgliedes 10 mit
ίο in die Rückführungsschaltung 21 des Verstärkers 18
wirksamen Kondensator 23 durchgeführt, so ergibt sich das durch die Kurve 7 veranschaulichte Stellverhalten:
Bei geringerer anfänglicher Stellgeschwindigkeit entsprechend dem flacheren Anstieg der Kurve 7 aus dem
Koordinatenursprung ergibt sich ein relativ starkes Überschwingen und ein langsames, da von größeren
Amplituden ausgehendes Einschwingen auf den Positions-Sollwert.
Die Erfindung ist nicht auf das in Fig. 1 dargestellte
Die Erfindung ist nicht auf das in Fig. 1 dargestellte
Ausführungsbeispiel beschränkt. In Fig.3 ist, ebenfalls
im Blockschaltbild, eine der Fig. 1 entsprechende Anordnung dargestellt, bei der das Sollwert- sowie das
Istwert-Signal in Analogform bewirkt und verarbeitet werden.
Im wesentlichen sind aus der Fig. 1 bekannte Bauelemente in die Fig.3 mit gleicher Bezeichnung
übernommen. Der mit dem Stellglied 10 verbundene Detektor 33 bewirkt jedoch ein analoges Istwert-Signal,
das im Analog-Komparator 31 mit dem ebenfalls
analogen, dem Eingang 8 des Komparators zugeführten Sollwert-Signal verglichen wird. Das durch Subtrahieren
erhaltene Abweichungssignal wird in aus Fig. 1 bekannter Weise über die Verstärker 14,18 und 26 dem
elektrohydraulischen Servosystem 27 zugeführt. Paral-IeI hierzu wird es einem Abweichungsdetektor 32
zugeleitet, der bspw. als Schmitt-Trigger ausgeführt sein kann und im Falle des Überschreitens eines vorgegebenen
Schwellwertes ein Signal abgibt, das mittels des Verstärkers 30 und des Relais 25 die Umschaltung des
Verstärkers 18 bewirkt. — In entsprechender Weise können weitere Änderungen vorgenommen sein; bspw.
kann der als mechanische Schalter symbolisierte Arbeitskontakt 24 durch einen elektronischen Schalter
gebildet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Regelvorrichtung zum Positionieren eines beweglichen Konstruktionselementes (Stellglied)
mit einer Vergleichsvorrichtung für ein vorgegebenes, die gewählte Stellung des Stellgliedes bezeichnendes
Führungssignal sowie ein die Position des Stellgliedes wiedergebendes Istwertsignal, die ein
die Regelabweichung darstellendes Abweichungssignal bildet, das nach Verstärkung durch mindestens
einen, eine Verzögerungscharakteristik aufweisenden Regelverstärker änderbaren Übertragungsverhaltens
einem als hydraulische Servovorrichtung ausgebildeten Stellmotor derart zugeführt wird, daß '5
das Abweichungssignal gegen den Wert Null rückgeführt wird, wobei das Übertragungsverhalten
des Regelverstärkers durch eine Detektorvorrichtung bestimmt wird, welche im Zuge der Bildung der
Stellgröße auftretende Signale auf Einhaltung bzw. 2a
Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes überwacht, da du rch gekennzeichnet, daß
der Detektorvorrichtung (29, 32) das Abweichungssignal zugeführt wird, daß, so lange das Abweichungssignal
den vorgegebenen Schwellwert einhält, der Regelverstärker (18) mit einer ersten Verzögerungscharakteristik arbeitet, und daß die
Detektorvorrichtung beim Überschreiten des vorgegebenen Schwellwertes eine ihr nachgeordnete
Schaltvorrichtung (25) betätigt, welche den Regel-Verstärker auf eine geringere Verzögerung umschaltet.
2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der Detektorvorrichtung
(29, 32) vorgegebene Schwellwert der Regelabweichung entspricht oder diese überschreitet.
3. Regelvorrichtung, deren Regelverstärker mit einem Rückführkreis ausgestattet ist, nach Ansprüchen
1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführkreis in Serie geschaltet einen Widerstand
(22) sowie einen in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Detektorvorrichtung (29,32) kurzschließbaren
Kondensator (23) aufweist.
4. Regelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorvorrichtung (29,
32) ein auf dessen Ausgangssignal ansprechendes Relais (25) nachgeordnet ist, dessen Kontakte (24)
dem Kondensator (23) parallel geschaltet sind.
5. Regelvorrichtung digital ausgebildeter Vergleichsvorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung eine ODER-Schaltung (29) aufweist, deren Eingänge die
den Schwellwert unterschreitenden oder den Schwellwert überschreitenden Ausgängen der Vergleichsvorrichtung
(12) erfassen.
6. Regelvorrichtung mit analog wirkender Vergleichsvorrichtung für die Führungs- und Regelgröße
nach Ansprüchen Ί bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung (32) als Vergleichsvorrichtung ausgebildet ist.
Applications Claiming Priority (2)
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JP46007172A JPS5218355B1 (de) | 1971-02-18 | 1971-02-18 | |
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Publications (3)
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DE2207677A1 DE2207677A1 (de) | 1972-08-31 |
DE2207677B2 DE2207677B2 (de) | 1977-01-27 |
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