DE2354916A1 - Controller circuit with PI or PID action - has switches to cut out I action using clamping circuit with operational amplifier - Google Patents
Controller circuit with PI or PID action - has switches to cut out I action using clamping circuit with operational amplifierInfo
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Abstract
Description
Reglers chaltungController circuit
Die Erfindung betrifft.eine Reglerschaltung mit PI- oder PID-Verhalten mit Schalteinrichtungen zum Abschalten des I-Verhaltens nach Erreichen eines einstellbaren Wertes der Stellgröße. ..■"-■-■",'The invention relates to a regulator circuit with PI or PID behavior with switching devices to switch off the I-behavior after reaching an adjustable value of the manipulated variable. .. ■ "- ■ - ■", '
Eine vorbekannte Reglerschaltung mit automatischer Strukturumschaltung, wie sie in dem Typenblatt 531 000 vom Februar 1963 der Firma J.G-. Eckardt AG beschrieben ist, besitzt zwei parallele Zweige, von denen jeder einen Verstärker mit einer Rückkopplung zur Erzielung des P- bzw. I-Verhaltens umfaßt. Die. Ausgänge der beiden .parallelen Zweige sind bei der bekannten Schaltung mit einem Summierverstärker verbunden, dessen Ausgang den Ausgang der Heglerschaltung darstellt. Die bekannte Schaltung stellt die Stellgröße in Form eines Stromes zur Verfügung, der über einen Widerstand geleitet wird, wobei die an diesem Widerstand abfallende Spannung bei Erreichen einer einge-A previously known controller circuit with automatic structure switching, as described in data sheet 531 000 from February 1963 of the company J.G-. Eckardt AG is described has two parallel Branches, each of which comprises an amplifier with a feedback to achieve the P or I behavior. The. Outputs of the two .parallel branches are in the known circuit connected to a summing amplifier, the output of which represents the output of the Hegler circuit. The well-known circuit provides the manipulated variable in the form of a current, which is passed over a resistor, which is connected to this Resistance drop in voltage when reaching a certain
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stellten Vergleichsspannung eine Kippstufe zum Ansprechen bringt, die den einen der beiden parallelen Zweige, und zwar den das I-Verhalten bestimmenden Zweig abschaltet. Nachteilig an dieser bekannten Reglerschaltung ist es, daß in mindestens einem Zweig hochwertige und damit teure Verstärker mit einem sehr hohen Innenwiderstand benötigt werden, was insgesamt zu einem hohen Preis der bekannten Reglerschaltung führt. Darüberhinaus ist es auch ein Nachteil der bekannten Reglerschaltung, daß in Abhängigkeit von dem zeitlichen Ablauf des Regelvorganges bzw. in Abhängigkeit von der Vorgeschichte des Regelvorganges das Umschalten bei sehr stark unterschiedlichen Werten der Regelabweichung erfolgen kann, d. h. daß der P-Anteil und I-Anteil des Ausgangssignales bzw. der Stellgröße unbekannt sind und daß das Ausgangssignal des eingangsseitig vom Reglereingang getrennten I-Verstärkers sich allmählich infolge des unvermeidlichen Eingangsstromes des I-Verstärkers allmählich verschiebt. set comparison voltage a flip-flop to respond that brings one of the two parallel branches, namely switches off the branch that determines the I behavior. A disadvantage of this known regulator circuit is that in at least a branch high-quality and thus expensive amplifier with a very high internal resistance are required, which is a total of leads to a high price of the known regulator circuit. In addition, it is also a disadvantage of the known regulator circuit, that depending on the timing of the control process or depending on the history of the control process the switchover can take place at very different values of the control deviation, d. H. that the P component and I component of the output signal or the manipulated variable is unknown and that the output signal of the input from the controller input separate I-amplifier gradually as a result of the inevitable Input current of the I-amplifier gradually shifts.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Eigenschaften der bekannten Reglerschaltung war es bei dieser möglich, daß trotz der automatischen Strukturumschaltung in ungünstigen Fällen ein Überschwingen der Stellgröße erfolgte.Due to the properties described above of the known With this controller switching it was possible that in unfavorable cases despite the automatic structure switching an overshoot of the manipulated variable occurred.
Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine figglerschaltung vorzuschlagen, bei der ein Überschwingen mit Sicherheit vermieden wird.On the basis of the prior art described above, the invention is therefore based on the object of a figgler circuit to propose in which an overshoot is avoided with certainty.
Diese Aufgabe wird durch eine Reglerschaltung der eingangs beschriebenen Art gelöst, die durch eine Begrenzerschaltung zum Begrenzen der Stellgröße auf den einstellbaren Wert bisThis object is achieved by a regulator circuit of the type described at the outset, which is implemented by a limiter circuit to limit the manipulated variable to the adjustable value up to
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; ν '/-/-,V^ 235Λ916; ν '/ - / -, V ^ 235Λ916
zum Erreichen eines einstellbaren Wertes der Regelabweichung gekennzeichnet ist. > ~ .;..-to achieve an adjustable value of the control deviation is marked. > ~.; ..-
Die Erfindung wird nachstehend anhand ,einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen-:; .../--"" The invention is explained in more detail below with reference to a drawing. In the drawing show- :; ... / - ""
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Reglerschaltung gemäß der Erfindung und : ."-,_,Fig. 1 is a basic circuit diagram of a regulator circuit according to the invention and : "-, _,
Fig. 2 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einerReglerschaltung gemäß der Erfindung>Fig. 2 is a circuit diagram of a preferred embodiment a regulator circuit according to the invention>
Den Eingang der Reglerschaltung gemäß der Fig:. 1 bildet der nicht invertierende Eingang (+) eines Operationsverstärkers 1. Diesem Eingang wird d.ie Regelabweichung χ zugeführt.The input of the regulator circuit according to the figure :. 1 does not form inverting input (+) of an operational amplifier 1. This The input is supplied with the control deviation χ.
Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers A bildet gleichzeitig den Ausgang der Reglerschaltung, an welchem die Stellgröße y. erzeugt wird. ^The output of the first operational amplifier A simultaneously forms the output of the regulator circuit at which the manipulated variable y. is produced. ^
Zwischen dem Ausgang der Reglerschaltung und dem invertieren-; den Eingang (-) des erstenOperationsverstärkers 1liegt ein Rückkopplüngszweig, welcher- zwei weitere Operationsverstärker 2 und 3 enthält, sowie einen Kondensator C und einen veränderlichen Widerstand 7» die.einen Hochpaß bilden, welcher die Reglerschaltung gemäß Fig. 1 bis zum Erreichen eines.einstellbaren Wertes der Stellgröße .als PI-Regler arbeiten läßt. Zwischen dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 2, welcher, wie in der Zeichnung'dargestellt, als Impedanzwandler arbeitet, und dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 1 liegt ein Potentiometer 5zur Einstellung des Pröportionalitätsfaktors für das P-Verhalten. .-..--.-:'- Between the output of the regulator circuit and the inverting; the input (-) of the first operational amplifier 1 is a feedback branch, which contains two further operational amplifiers 2 and 3, as well as a capacitor C and a variable resistor 7 »which form a high-pass filter which the regulator circuit according to FIG The value of the manipulated variable as a PI controller. Between the output of the second operational amplifier 2, which, as shown in the drawing, works as an impedance converter, and the inverting input of the first operational amplifier 1 is a potentiometer 5 for setting the proportionality factor for the P behavior. .-. . - .-: '-
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Die bis hierher betrachteten Schaltungsteile bilden eine Schaltung zur Durchführung einer PI-Regelung.The circuit parts considered so far form a Circuit for implementing a PI control.
Um nun bei größeren Störungen oder beim Anfahren eines Regelprozesses, ein Überschwingen der Reglergröße zu verhindern, ist gemäß der Erfindung eine Begrenzerschaltung vorgesehen, welche anspricht sobald die Stellgröße y. am Ausgang der Reglerschaltung den einstellbaren Wert Jq erreicht. Die Begrenzerschaltung umfaßt einen vierten Operationsverstärker 4, dessen nicht negierter Eingang mit dem Ausgang der Reglerschaltung verbunden ist und dessen negiertem Eingang ein Signal y-Q zugeführt wird. Der Ausgang des vierten Operationsverstärkers ist über eine Diode 6 und einen Spannungsteiler aus den Widerständen 7 und 8 mit dem Eingang des als Impedanzwandler dienenden Operationsverstärkers 2 verbunden. Die Diode 6 wird bei der beschriebenen Schaltung leitend, sobald die Stellgröße yA am Ausgang der Reglerschaltung den Wert y,-> erreicht. Durch das Leitendwerden der Diode 6 ergibt sich nunmehr ein neuer Rückkopp lungspfad, welcher den vierten Operationsverstärker 4· enthält, der seine Ausgangsspannung so einstellt, daß, solange die Regelabweichung Xy bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel positiv ist, die Stellgröße yA auf dem Wert yQ gehalten wird. Um nun zu verhindern, daß die erstrebte PI-Regelung erst wieder bei einem Vorzeichenwechsel der Regelabweichung einsetzt, sind weitere Schalteinricht.ungen vorgesehen, welche einen fünften Operationsverstärker 9 sowie ein Relais 10 umfassen. Der fünfte Operationsverstärker 9 ist mit seinem nicht negierten Eingang mit dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers 3 und mit seinem negierten .Eingang über eine Diode 12 mit dem Ausgang des vierten Operationsverstärkers 4 verbunden. Der negierte Eingang des fünften Operationsverstärkers 9 ist außerdem überIn order to prevent the controller variable from overshooting in the event of major disruptions or when starting a control process, a limiter circuit is provided according to the invention which responds as soon as the manipulated variable y. reaches the adjustable value Jq at the output of the regulator circuit. The limiter circuit comprises a fourth operational amplifier 4, whose non-negated input is connected to the output of the regulator circuit and whose negated input is supplied with a signal yQ. The output of the fourth operational amplifier is connected via a diode 6 and a voltage divider made up of resistors 7 and 8 to the input of the operational amplifier 2 serving as an impedance converter. In the circuit described, the diode 6 becomes conductive as soon as the manipulated variable y A at the output of the regulator circuit reaches the value y, ->. When the diode 6 becomes conductive, there is now a new feedback path which contains the fourth operational amplifier 4, which adjusts its output voltage so that as long as the control deviation Xy is positive in the exemplary embodiment under consideration, the manipulated variable y A is set to the value y Q is held. In order to prevent the desired PI control only starting again when the sign of the control deviation changes, further switching devices are provided which include a fifth operational amplifier 9 and a relay 10. The fifth operational amplifier 9 is connected with its non-negated input to the output of the third operational amplifier 3 and with its negated .Eingang connected via a diode 12 to the output of the fourth operational amplifier 4. The negated input of the fifth operational amplifier 9 is also over
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den Widerstand 9a mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers verbunden.the resistor 9a to the output of the second operational amplifier tied together.
Die Diode 12 ist so gepblt, daß sie gesperrt wird, sobald die Diode 6 leitend wird. Dies hat zur Folge, daß bei Erreichen der Ausgangsspannung Jq der Reglerschaltung die Ausgangsspannung TJ. des zweiten Operationsverstärkers 2 an den negierten Eingang des fünften Operationsverstärkers 9 angelegt wird. Da an dem negierten Eingang des dritten Operationsverstärkers 3, dessen nicht negiertem Eingang zu diesem Zeitpunkt die Ausgangsspannung y0 zugeführt wird, eine Spannung y^ angelegt ist, liefert der fünfte Operationsverstärker 9 an seinem Ausgang, mit welchem das Relais 10 verbunden ist, solange eine positive Spannung, wie die Spannung U, am Ausgang des zweiten- Operations-Verstärkers 2 kleiner ist als die Ausgangsspannung J0- yp am Ausgang des dritten Operationsverstärkers 3. Sobald nun aber die Spannung U. den Wert Jq - y^ übersteigt, erscheint am Ausgang des fünften Operationsverstärkers 9 eine negative Spannung, welche das Relais 10 zum Ansprechen bringt. Das Relais 10 schaltet einen Arbeitskontakt 11, welcher den Kondensator C überbrückt* Durch das Schließen des Arbeitskontaktes 11 ergibt sich ein Rückkopplungszweig, lielcher die 3egrenzersehaltung unwirksamrimacht, so daß die Reglerschaltung nunmehr als reiner P-Regler arbeitet, für dessen Ausgangssignal die folgende Gleichung gilt: -The diode 12 is so gepblt that it is blocked as soon as the diode 6 becomes conductive. As a result, when the output voltage Jq of the regulator circuit is reached, the output voltage TJ. of the second operational amplifier 2 is applied to the negated input of the fifth operational amplifier 9. Since a voltage y ^ is applied to the negated input of the third operational amplifier 3, the non-negated input of which the output voltage y 0 is supplied at this point in time, the fifth operational amplifier 9 supplies at its output, to which the relay 10 is connected, as long as one positive voltage, like the voltage U, at the output of the second operational amplifier 2 is smaller than the output voltage J 0 - yp at the output of the third operational amplifier 3. As soon as the voltage U. exceeds the value Jq - y ^, appears on The output of the fifth operational amplifier 9 has a negative voltage which causes the relay 10 to respond. The relay 10 switches a normally open contact 11, which bridges the capacitor C. * Closing the normally open contact 11 results in a feedback branch which makes the 3 limiter ineffective, so that the controller circuit now works as a pure P controller, for whose output signal the following equation applies: -
wobei cc gleich dem Proportionalitätsfaktor ist, welcher durch das Potentiometer 5 einstellbar ist. .where cc is equal to the proportionality factor, which is given by the potentiometer 5 is adjustable. .
Aufgrund der Tatsache, daß für die Ausgangsspannung U^ des zweiten Operationsverstärkers 2 die folgende Gleichung gilt:Due to the fact that for the output voltage U ^ des second operational amplifier 2 the following equation applies:
ut u t
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erfolgt also die Umschaltung auf eine Proportionalregelung bei der Reglerschaltung gemäß, der Erfindung bei einem vorgebbaren Wert der Regelabweichung Xy und nicht wie bei den bekannten Schaltungen bei einem vorgebbaren V/ert der Stellgröße y. Auf diese Weise wird verhindert, daß eine Proportional regelung bereits zu einem Zeitpunkt einsetzt, zu welchem ein großer Wert der Stellgröße y möglicherweise durch einen hohen I-Anteil verursacht ist, während die Regelabweichung xw verhältnismäßig klein ist. Andererseits verhindert die Begrenzerschaltung bis zum Erreichen des vorgegebenen Wertes der Regelabweichung Xy ein übermäßiges Ansteigen der Stellgröße y.The switchover to proportional control in the regulator circuit according to the invention therefore takes place at a specifiable value of the control deviation Xy and not, as in the known circuits, at a specifiable value of the manipulated variable y. In this way, it is prevented that a proportional control begins at a point in time at which a large value of the manipulated variable y is possibly caused by a high I component, while the control deviation x w is relatively small. On the other hand, the limiter circuit prevents the manipulated variable y from increasing excessively until the specified value of the control deviation Xy is reached.
Wenn nun nach Abklingen der starken Störung die Regelabweichung absinkt und das Ausgangssignal yA unter den Wert yQ absinkt ändert sich wieder das Potential am Ausgang des vierten Operationsverstärkers 4, wodurch die Diode 6 gesperrt und die Diode 12 geöffnet wird. Das Öffnen der Diode 12 hat unmittelbar zur Folge, daß die Spannung U. vom Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 2 nicht mehr auf den negierten Eingang des fünften Operationsverstärkers 9 durchgreifen kann, so daß dieser an seinem Ausgang wieder ein positives Potential liefert, wodurch das Relais 10 abfällt, so daß der Arbeitskontakt 11 geöffnet wird; die Reglerschaltung arbeitet daraufhin wieder als PI-Regler, ohne daß ein Vorzeichenwechsel der Regelabweichung x erforderlich wäre.If the control deviation drops after the severe disturbance has subsided and the output signal y A drops below the value y Q , the potential at the output of the fourth operational amplifier 4 changes again, whereby the diode 6 is blocked and the diode 12 is opened. The opening of the diode 12 has the immediate consequence that the voltage U. from the output of the second operational amplifier 2 can no longer reach through to the negated input of the fifth operational amplifier 9, so that the latter again supplies a positive potential at its output, whereby the relay 10 drops, so that the normally open contact 11 is opened; the controller circuit then works again as a PI controller without the need to change the sign of the control deviation x.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß mit der erfindungsgemäßen Reglerschaltung eine schnelle Regelung möglich ist, ohne daß ein Überschwingen zu befürchten wäre. Ferner wird deutlich, daß von den in der Schaltung verwendeten Operationsverstärkern lediglich der erste Operationsverstärker eine hohe Qualität besitzen muß, während alle übrigen VerstärkerIt is clear from the above description that rapid regulation is possible with the regulator circuit according to the invention is without fear of overshoot. It is also clear that of the operational amplifiers used in the circuit only the first operational amplifier must be of high quality, while all other amplifiers
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billige Baueinheiten sein können, ohne daß dadurch die Quali-' tat der Reglerschaltung beeinträchtig würde. Berücksichtigt man, daß hochwertige Operationsverstärker, wie sie beispielsweise bei der eingangs erwähnten bekannten !Schaltung erforderlich sind, wo die P-Regelung und die I-Regelung in.getrennten Zweigen erfolgen, um mehr als das Zehnfache von einfachen Operationsverstärkern kosten, wie sie in der erfindungsgemäßen Schaltung als zweiter bis fünfter Operationsverstärker eingesetzt werden, so ergibt sich gegenüber der bekannten Schaltung nicht nur eine Funktionsverbesserung,· sondern darüberhinaus auch noch eine entscheidende Verbilligung.can be cheap building units without compromising the quality did the regulator circuit would be affected. Considered one that high-quality operational amplifiers, such as those for example required for the known circuit mentioned at the beginning are where the P-control and the I-control are separated Branches are made to be more than ten times simple Operational amplifiers cost as in the invention Circuit used as a second to fifth operational amplifier are, so results compared to the known circuit not only an improvement in function, but also a decisive reduction in price.
Während Pig. 1 ein Prinzips chaltbild einer erfindungsgemäßen Reglerschaltung zeigt, ist in Fig. 2 der Zeichnung das Schaltbild einer praktisch ausgeführten rieglersehaltung gemäß der Erfindung dargestellt. Der wesentliche Unterschied der Reglerschal tung gemäß Fig. 2 gegenüber der Reglerschaltüng gemäß Fig. 1 besteht.dabei darin^ daß anstelle eines Relais, d. h. anstelle eines mechanischen Umschalters eine Diode vorgesehen ist, die zur Verdeutlichung der Entsprechung mit dem Arbeitskontakt 11 in Fig.1 mit dem Bezugszeichen 11' bezeichnet ist. Ein weiterer Unterschied der Schältung gemäß Fig. 2 gegenüber derjenigen genäß Fig. 1 besteht darin, daß die während des ITormalbetriebes, d. h. bei Arbeiten der Regel schäl tung als PI-Regler v;irksaiae ,lückführschleife unter Verwendung niederohmigerV/iderstände gemäß der deutschen Auslegeschrift 2 019 so ausgebildet ist, daß der Proportionalitätsfaktor für die P-Regelung und die IJachs teil zeit für die !-Regelung getrennt eingestellt werden können. Die entsprechenden Potentiometer sind dabei mit 5' bzw. -15 bezeichnet.While Pig. 1 is a schematic diagram of an inventive Regulator circuit shows, in Fig. 2 of the drawing is the circuit diagram a practically executed stalking posture according to the Invention shown. The main difference of the regulator scarf device according to FIG. 2 compared to the regulator circuit according to Fig. 1 consists in this ^ that instead of a relay, i. H. instead of a mechanical changeover switch, a diode is provided, which is denoted by the reference numeral 11 'in FIG. 1 to clarify the correspondence with the normally open contact 11. Another difference compared to the peeling according to FIG. 2 that genäß Fig. 1 is that the during the Normal operation, d. H. when working, usually peeling as PI controller v; irksaiae, feedback loop using low-ohmic resistors is designed according to the German Auslegeschrift 2 019 so that the proportionality factor for the P-control and the IJachs part time for the! -Control are separated can be adjusted. The corresponding potentiometers are denoted by 5 'and -15.
Entsprechend der Reglerschaltung gemäß Fig. 1 arbeitet die Reglerschaltung gemäß Fig. 2 im. ITormälbetrieb, d. h. fürCorresponding to the regulator circuit according to FIG. 1, the regulator circuit according to FIG. 2 operates in. ITormal operation, ie for
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kleiner yQ als Pl-Hegler, wobei die Diode 6 Gesperrt und die Diode 12 leitend ist, so daß auch die Diode 11* gesperrt ist. Bei dieser Betriebsart sind die Operationsverstärker Z.L und 9 praktisch unwirksam. Erreicht nun y. den Wert Vq, äo wird über den Operationsverstärker 4- die Diode 6 leitend gesteuert und die Diode 12 gesperrt. Damit wird - wie oben beschrieben - die Begrenzerschaltung wirksam und y| wird auf dein Wert yQ festgehalten bis die Regelabweichung x, r bzw. die zu ihr proportionale Spannung- U. den Wert y^ - y~ erreicht. Bei Erreichen dieses "Wertes der bpannung U. steuertless y Q than PI-Hegler, with the diode 6 blocked and the diode 12 conducting, so that the diode 11 * is also blocked. In this operating mode, the operational amplifiers Z. L and 9 practically ineffective. Now reaches y. the value Vq, äo is controlled by the operational amplifier 4-, the diode 6 conductive and the diode 12 blocked. Thus - as described above - the limiter circuit becomes effective and y | is held on your value y Q until the control deviation x, r or the voltage U. proportional to it reaches the value y ^ - y ~. When this value is reached, the voltage U. controls
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der Operationsverstärker 9 dis Diode 11' leitend und stellt seine Ausgangs spannung· so ein, daß seine Eingangs spannung zu 0 wird, vas bedeutet, daß der Kondensator C überbrückt ist. Bis zu einen Absinken der Hegelabweichung xT, unter den vorstehend angegebenen Wert arbeitet die Reglerschaltung gemäß J?ig. 2 nun wieder als P-Regler mit dem Arbeitspunkt y„.the operational amplifier 9 dis diode 11 'conductive and adjusts its output voltage so that its input voltage becomes 0, which means that the capacitor C is bridged. The regulator circuit works according to J? Ig until the Hegel deviation x T drops below the value specified above. 2 now again as a P controller with the operating point y “.
Anschließend sei noch darauf hingewiesen, daß es durch Verdoppeln der Begrenzungschaltung und der Schalteinrichtungen zum Umschalten von PI-Terhalten auf P-Verhalten möglich ist, außer einen oberen Umschaltpunlct für positive Werte der Stellgröße auch einen unteren Unschaltpunkt für negative Werte der Stellgröße vorzusehen. Es versteht sich, daß bei den entsprechenden ibchaltungen für den unteren ünschaltpunlct die Dioden umgekehrt gepolt v/erden nüssen.Then it should be pointed out that by doubling the limiting circuit and the switching devices to switch from PI behavior to P behavior is possible, except for an upper switchover point for positive values of the manipulated variable also a lower switching point for negative values of the Control variable to be provided. It goes without saying that with the corresponding connections for the lower switching point the Diodes polarized in reverse v / earth nuts.
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BADBATH
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| US4914564A (en) * | 1986-02-28 | 1990-04-03 | Messerschmitt-Bolkow-Blohm Gesellschaft Mit Beschrankter Haftung | Adaptive control system of high accuracy and low corrective energy consumption |
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|---|---|---|---|---|
| DE3219964C2 (en) * | 1982-05-27 | 1986-09-18 | ANT Nachrichtentechnik GmbH, 7150 Backnang | Switching controller with a PI and a D controller in the control loop |
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1973
- 1973-11-02 DE DE19732354916 patent/DE2354916B2/en not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|---|
| US4914564A (en) * | 1986-02-28 | 1990-04-03 | Messerschmitt-Bolkow-Blohm Gesellschaft Mit Beschrankter Haftung | Adaptive control system of high accuracy and low corrective energy consumption |
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| DE2354916B2 (en) | 1980-10-30 |
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