DE2715220A1 - Verfahren zur regelung einer veraenderlichen groesse - Google Patents

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PATENTANWÄLTE TISCHER <£"«. KERN

ALBERT- ROSSHAUPTER- STRASSE

D - βΟΟΟ MÖNCHEN 7O

WEST- GERMANY

CON SE ILS EN BREVETS

071

riSCHE» *. KHN · ALIlHT-KOSSHAUFTiH-JTR. «9 · D- S MONCHIN 7O

DIPU-INC. HERBERT TISCHER DIPL.- INC. WOLFCANC KERN

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1

Anwaltsakte;

VISCOSUISSE SA CH-6020 Emmenbrücke Schweiz

"Verfahren zur Regelung einer veränderlichen Grosse."

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POSTSCHECKKONTO MÖNCHEN NK. USI 47-603 <ILZ 700 100 MONCHNEK SANK. MÖNCHEN. KONTO NR. 60 33S («LZ 701 «Öl 00)

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf geschlossene Regelkreise, insbesondere auf Regeleinrichtungen innerhalb solcher Systeme.

Ein geschlossener Regelkreis in der einfachen Form enthält ein Element zur messtechnischen Erfassung der zu regelnden Grosse, deren Wert in ein entsprechendes Signal umgesetzt vird, eine Signalquelle, welche ein den Sollwert der zu regelnden Grosse repräsentierendes Signal liefert, ein Vergleichselement, im allgemeinen einen Differenzverstärker, welcher ein Signal erzeugt, das in erster Näherung proportional ist zur Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert der zu regelnden Grosse, sowie einen Regler, welcher den Prozess so beeinflusst, dass die Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert der zu regelnden Grosse zum Verschwinden oder zumindest auf einen erwünschten geringen Wert gebracht vird. Es ist dabei nicht unbedingt erforderlich, dass der gemessene Parameter mit demjenigen identisch ist, den der Regler unmittelbar beeinflusst. Es können unter

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Umständen sogenannte vermaschte Regelkreise vorliegen, aufgrund deren Abhängigkeiten der Regelkreis erst als geschlossen betrachtet verden kann.

Ein wesentlicher Problem beim Betrieb solcher Kegelsystcme stellt die Tatsache dar, das3 der Energieaustausch zwischen dem zur Verfügung stehenden Speicher und dem zu regelnden Prozess nur in "begrenztem Masse stattfinden kann und dass innerhalb der Regelstrecke deshalb Zeitverzögerungen auftreten. Dies resultiert in funktionalen Abhängigkeiten, die durch einen oder mehrere reale oder komplexe Ausdrücke beschrieben werden. Das hat zur Folge, dass innerhalb einer geschlossenen Regelstrecke als Antwort auf eine sprunghafte Sollwertünderung eine exponentielle Zeitfunktion beobachtet wird, die in vielen Fällen die Form einer gedämpften Sinusschwingung aufweist. Diese Art der Reaktion kann in einigen Anwendungsfallen nützlich sein oder zumindest toleriert werden, zumal man durch entsprechende Optimierung der Regelstrecke die zeitliche Reaktion auf Sollwertänderungen in gev;isser V/eise beeinflussen kann. 3ei verschiedenen Anwendungen ist jedoch eher eine monotone oder sogar lineare Zeitfunktion als Antwort auf eine Gollwertänderung erwünscht. Darüberhinaus wird verschiedentlich die Forderung nach einer definierten und frei wählbaren Aenderungsgeschviindigkeit der Regelgrösse gestellt.

Mit dem vorliegenden erfindungsgemässen Verfahren wird beides gewährleistet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Regelungsverfahren arbeitet das erfindungsgemnsse Verfahren so. dass

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al3 Folße einer sprunghaften Aenderung des Sollwertes der Regclgrösse das Referenzsignal sich in Form einer vorwiegend linearen Zeitfunktion so lange verändert, bis der dem neuen Sollwert entsprechende V.'ert ganz oder nahezu erreicht ist. Durch Optimieren der Regelstrecke kann daher erreicht werden, dass sich die zu regelnde Grosse ebenfalls weitgehend in Form einer linearen Zeitfunktion auf den neuen Sollwert einstellt.
Eine erfindungsgemösse Regelungseinrichtung enthnlt:

- ein Element zur Erzeugung eines Fehlersignals, welches

in erster Näherung proportional zur Differenz zwischen einem ersten, dem Wert der zu regelnden Grosse proportionalen Messignal und einem zweiten Referenzsignal ist,

- einen Signalgenerator zur Erzeugung des Referenzsignals, der einen Integrator enthält und durch Integration eines ihm zugeführten weiteren Signals das Referenzsignal als weitgehend lineare Zeitfunktion erzeugt,

- Einrichtungen zur Erzeugung eines den Sollwert der zu regelnden Grosse darstellenden Sollwertsignals.

Die Anordnung ist in einer solchen Weise gewählt, dass bei einer Aenderung des Sollwertes das Ausgangssignal des Integrators sich so lange vorwiegend linear mit der Zeit verändert, bis es den V.'ert, der dem. neuen Sollwert entspricht, nahezu oder ganz erreicht hat.

Die Erfindung betrifft auch geschlossene Regelstrecken, die mindestens eine erfindungsgcmässe Regelungseinrichtung enthalten und auch die erforderlichen Verbindungselemente

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zu dem zu regelnden Prozess oder Apparat aufveisen. In einer ersten erfindungegemässen Vorrichtung v:ird ein Integrator mit einem konstanten Eingangssignal und konstanter Verstärkung benutzt. Ausserdem ist eine Schvcllvertschaltun vorgesehen, so dass immer dann venn das Fehlersignal, welches zweckmnssigerweise von einem Differenzverstärker erzeugt wird, einen vorgegebenen V,^Tert überschreitet, dar Ausgangssignal des Integrators auf den augenblicklichen V.'crt des Messignals. welches mit dem V/ert der zu regelnden Wessgrösse korreliert ist, zurückgesetzt vird. Diese Vorrichtung basiert auf der inneren Sättigungscharakteristik des Integrators. Nachdem das Ausgangssignal des Integrators, welches als Referenzsignal dient, auf den augenblicklichen V/ert des Messignals gesetzt worden ist, steigt der V.'ert dieses Referenzsignals linear mit der Zeit so lange an, bis der Scttigungswert des Integratorausganges erreicht ist. Die zeitliche Aenderungsgeschvindigkeit des Integratorausgangssignals kann durch die Einstellung des Wertes des Integratoreingangssignals oder durch den Verstärkungsgrad gewählt v.'erden.

Um eine Zuordnung des Sättigungswertes des Integratorausgangssignals zu dem gewünschten Wert der zu regelnden Grosse zu erhalten, ist es erforderlich, dass man das Messignal in einer solchen Weise erzeugt, dass es einerseits proportional zum Wert der zu regelnden Grö'3se ist und dass man es andererseits um einen definierten Betrag parallel zu sich selbst verschiebt. Die Farallelverschiebung des Mcss-

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signals lot, wie später gezeigt wird, abhängig sowohl vom ftfittigungsvert des Integratorsignals als auch von dem gewünschten Sollwert der zu regelnden Grosse. Der Vorteil einer solchen erfindungsgemnssen Vorrichtung besteht unter anderem auch darin, dass dann, wenn innerhalb der Regelstrecke eine grosse Störung auftritt, die Schwellwertschaltung, die mit dem Fehlersignal verkoppelt ist, anspricht und den Integrator auf den gerade vorliegenden Uert der zu regelnden Grosse zurücksetzt, worauf die geregelte Grosse in vorgegebener V/eise auf den Sollwert geführt, beziehungsweise zurückgeführt wird.

Sine zweite erfindungsgemässe Vorrichtung verzichtet auf die Benutzung des Sättigungswertes des Integratorsignals als Begrenzung. Hierbei wird die Rückführung des Integrators selbst zur Begrenzung des Ausgangssignals benutzt. In diesem Falle kann das Messignal, welches dem Wert der zu regelnden Grosse zugeordnet ist, direkt dem Element zur Erzeugung des Fehlersignals zugeführt werden. Die Schwellwertschaltung und die Möglichkeit, das Integratorsignal 'jeweils auf den aktuellen Y.'ert des Kessignals zu setzen, sind jedoch auch hier vorgesehen. Der Sollwert wird hierbei durch eine Regelung innerhalb der Rückführung des Integrators vorgegeben. Dieser Rückführungskreis enthält einen Differenzverstärker, dessen Ausgangssignal über eine Signalbegrenzungseinrichtung dem Integrator zugeführt wird. Die Signalbegrenzungseinrichtung begrenzt das Integratoreingangssignal auf einen definierten positiven oder negativen Wert, solange dac Ausgangssignal

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des Differenzverstärkers ausserhalb dieses Bereiches liegt. Das oollvertsignal, welches im Falle einer elektrischen Einrichtung zum Beispiel von einem variablen Widerstand abgegriffen werden kann, wird dem einen Eingang des Differenzverstärkers zugeführt, während-dem anderen Eingang dac Ausgangssignal des Integrators zugeführt wird. Diese Vorrichtung arbeitet so, dass infolge einer Sollvertrnderung, die gross genug sei, dass die Signalbegrenzungseinrichtung in Funktion treten kann, sich das Ausgangssignal des Integrators linear mit der Zeit verändert, und zwar so lange, bis der V.'ert des Ausgangssignals des Differenzverstärkers kleiner wird als der Begrenzungswert.

In diesem Falle wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers direkt dem Integrator zugeführt. Das hat zur Folge, dass sich das vom Integrator erzeugte Referenzsignal von diesem Moment an nicht mehr linear mit der Zeit verändert sondern in Form einer abklingenden Exponentialfunktion, bis es gleich dem Wert des Gollwertsignals ist. Die Aenderungsgeschwindigkeit des Integratorausgangssignals kann für den linearen Teil mit Hilfe des Signalbegrenzungswertes eingestellt werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird im folgenden anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben. Figur 1 stellt ein Blockdiagramm einer konventionellen Regelstrecke dar.

Figur 2 zeigt eine typische Reaktion einer solchen Regelstrecke auf eine sprunghafte Sollwertänderung.

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Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Regelkreises, der eine erste erfindungsgemrisse Vorrichtung enthalt. Figur 4 zeigt eine typische Reaktion einer Regelstrecke entsprechend Figur 3 auf eine sprunghafte Gollvcrtrindcrung. Figur 5 stellt ein Blockdiagramm einer weiteren Regelstrecke dar, die eine zweite erfindungsgemässe Vorrichtung enthalt. Figur 6 zeigt eine typische Reaktion innerhalb der Rückführung des Integrators auf eine Sollwertänderung. Figuren 7 und 8 zeigen weitere Details der Vorrichtungen in den Figuren 3 und 5.

Figuren 9 bis 11 zeigen, wie das Verhalten der Vorrichtung gemäss Figur 5 verändert werden kann.

In Figur 1 ist eine einfache Form eines konventionellen Regelkreises schematisch dargestellt. Innerhalb eines Prozesses wird die zu regelnde Grosse χ mit Hilfe eines Ke-sselementes S nesstechnisch so erfasst, dass irgendeine charakteristische physikalische Grosse, z.B. der elektrische Widerstand im Falle eines Platinwiderstandsthermoneters, sich entsprechend der Aenderung der liessgrösse verändert. Ein Transmitter T, der dem Messelement nachgeschaltet ist, setzt diese charakteristische Grosse um in ein Signal U , dessen Wert proportional zum Wert der zu regelnden Grosse χ ist. Dieses Signal U_v wird mittels eines Differenzverstärkers Λ mit einem Referenzsignal U_ verglichen, welches von einer Vorrichtung G, beispielsweise von einem Potentiometer in Form eines elektrischen Signals abgegriffen vrird. Der Wert des Signals U ist so gewählt, dass er den gewünschten

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Wert χ, dor zu regelnden Grosse χ entspricht. Das signal des Differenzverstärkers Λ stellt das Fehlersignal U dar, v:elches in erster Näherung folgender Beziehung genügt:

^Ue = S (U₈ -V·
Diesec Signal U wird einem Regler C zugeführt, welcher seinerseits ein Stellsignal y erzeugt, dessen Wert proportional zum V.'ert des Fehlersignals U ist. Häufig ist der Regler C so konzipiert, dass da3 Stellsignal nicht sofort jeder Aenderung des Fehlersignals folgt sondern noch ein zusätzliches Zeitverhalten aufweist, so dass man die Funktion dieses Signals generell beschreiben kann mit y = h(U_e,t).

Das Signal y wird einem Stellglied E zugeführt, welches derart auf den Prozess einwirkt, dass der V/ert des Fehlersignals U absolut genommen verkleinert wird. \!enn zum Beispiel die zu regelnde Grosse χ eine Prozesstemperatur ist und der Regelkreis vollelektrisch arbeitet, können alle Signale U , U und U elektrische Spannungen oder Ströme sein,und das Stellsignal y des Reglers C kann so arbeiten, dass es die Stromversorgung einer elektrischen Heizung entsprechend variiert.

In der Praxis weist jedes der in Fig. 1 dargestellten Elemente eine Uebertragungsfunktion mit entsprechendem Zeitverhalten auf. Im allgemeinen wird die Charakteristik der Regeleinrichtung so optimiert, dass sie das für den Prozess erforderliche Verhalten auf v/eist. Dies geschieht dadurch, dass man innerhalb des Prozesses vorliegende Zeitfunktionen

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durch entsprechende inverse Zeitfunktionen innerhalb der Kegelstrecke kompensiert.

Kin typisches Zeitverhalten einer Regelstrecke gemrss Fig. ist in Fig. 2 dargestellt. Als Antwort auf eine sprunghafte Üollvertr-nderung reagiert die zu regelnde Grosse χ in For.-?. einer Kombination von einer exponentiellen und einer sinusförmigen Funktion. Obwohl sowohl die Aenderungsgeschvindigkeit der Mecsgrösse χ als auch ihr Ueberschwingen über den Sollwert U durch Abstimmung der internen Zeitglieder des Kegelkreises optimiert werden kann, ist sowohl die Aenderungsgeschwindigkeit als auch der Betrag des Ueberschwingens, wenn ein solches stattfindet, immer abhängig von der Grosse des Sollwertsprunges.

Es gibt jedoch Prozesse, die eine zeitlich lineare Aenderung der Regelgrösse zwischen zwei Sollwerten erfordern. Es ist auch oft erstrebenswert, dass die Aenderungsgeschwindigkeit selbst regelbar ist und gegebenen Falles vorgegeben werden kann.

Figur 3 zeigt eine erste erfindungsgemäss? Vorrichtung. Man sieht, dass hier einige Elemente die gleichen sind, wie bei der Vorrichtung in Fig. 1, nämlich das Me3selement S, der Transmitter T, der Differenzverstärker A, der Regler C und das Stellglied E. Jedoch wird hier, im Gegensatz zur Vorrichtung gemäss Fig. 1, dem Differenzverstärker Λ an Stelle des Sollwertsignals U_g das zeitlich variable Ausgangssignal U₁ eines Integrators I als Referenzsignal zugeführt. Am Eingang des Integrators liegt ein Signal U. _an, velehes von einer

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variablen Signalquelle entnommen vird, welche hier beispielsweise als variabler Widerstand dargestellt ist. Zv.'ischen den Ausgang dec Transmitters T und den Fingang der Differenzverstärker Λ ist ein Summierglied geschaltet, nit dessen Hilfe dem Messignal U ein weiteres Signal V hinzuaddiert wird, welches ebenfalls einer variablen Signalquelle entnommen wird.

Ein Schwellwertschalter L vergleicht da3 Fehlersignal b , welches vom Differenzverstärker A erzeugt wird, mit einem Hilfssignal U.. Er liefert immer dann ein Ausgangssignal, v:enn der Absolutwert des Fehlersignals grosser ist als der i.'ert des Signals U. . Mit diesem Signal wird ein Schaltungsmechanisraus SD, z.B. ein Relais,angesteuert. Auf diese Weise wird immer dann, wenn das Fehlersignal grosser als U. ist, dem Integrator I das Signal U , welches am Ausgang des Sumniergliedes P ansteht, zugeleitet und dadurch das Ausgangssignal U. des Integrators I auf den V.'ert des Signals U gesetzt.

Ss ist evident, dass bei dieser Vorrichtung das Signal U , welches den Wert der Regelgröcse χ repräsentiert, nicht mit einen fixen Sollwertsignal sondern mit dem zeitlich variablen Ausgangssignal U. des Integrators I verglichen wird, welches das Zeitintegral über das Integratoreingangssignal U, darstellt, Es wird bei dieser Vorrichtung von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass das Signal U.nicht unbegrenzt ansteigen kann sondern auf einen positiven oder negativen SLttigungswert +U₁ begrenzt vird. Das Ausgangs signal TJ. steigt oder fällt

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daher linear mit der Zeit, bis es den positiven oder negativen Cättigungowert erreicht hat. Ec erfüllt die Bedingung U₁ - k-u_kt

mit der Einschränkung

-U₁ ^. U₁ * +U₁.

Die Konstante k entspricht dem Verstärkungsgrad dec Integratorc, und drr V.'ert des Signals I), kann am Potentiometer vorgegeben verdcn. Mit Hilfe des Signals U, wird sowohl die Aenderungsrichtung als auch die Aenderungsgecchvindigkeit des Ausgangssignals U. vorbestimmt. Das Verfahrensprinzip dieser Vorrichtung beruht darauf, dass man Vorkehrungen trifft, dass der Sättigungswert des Integratorsignals U. mit dem erwünschten stationärer» V.'ert der Regelgrösse r. in Bezug gebracht wird. Anstatt den Sättigungswert des Integrators so zu verändern, dass er als Sollwert für die Regelgrösse arbeitet, ist es einfacher, das Ausgangssignal U des Transmitters T so parallel zu sich selbst zu verschieben. dass das Signal U dann gleich dem Sättigungsv.-ert des Integrators ist, wenn die Messgrösse χ ihren Sollwert erreicht hat. Das Signal V, welches zu dem Transmitterausgangssignal U hinzuaddiert wird, wird so gewählt, dass der Wert des Signals U (x) zu Beginn des RegelungsVorganges innerhalb des Variationsbereichs des Referenzsignals U. liegt und dass der dem Sollwert x, der Messgrösse zugeordnete Wert U (x,) gleich dem positiven oder negativen Sättigungswert U, des Integratorausgangs ist. Somit wird der Sollwert für die

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Regelgrösse χ effektiv durch die Einstellung des Signals V vorgegeben.

Die Arbeitsweise dieser erfindungsgcmnsscn Vorrichtung sei im folgenden beschrieben:

Ec wird von der Annahne ausgegangen, dass sich der Regelkreis in stationären Zustand befindet, das heisst, das Referenzsignal U. des Integrators I befindet sich in der Gpttigung, und das Fehlersignal U- ist minimalisiert. 3ei Veränderung des Sollwertes fur die Regelgrösse χ durch die Vorgabe eines anderen V/ertcs des Signals V resultiert eine grosse Regelabweichung, was ein Ueberschreiten des Schwellvcrtes U₊ durch das Fehlersignal U zur Folge hat. Dies führt zum Ansurechen des Schaltmechanismus SD, wodurch der Ausgang des Integrators auf den neuen Wert von U gesetzt wird. Dies wiederum hat zur Folge, dass das Fehlersignal U verschwindet, und die Verbindung zwischen den Ausgang des Sumnierglicdes t> und dem Integrator I wird unterbrochen. Von diesen Woment an tritt der Integrator in Funktion dergestalt, dass sich das Signal U. als Zeitintegral über das Integratoreingangcsignal U linear mit der Zeit verändert, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die dem Wert des Signals U proportional ist. Das Fehlersignal U steigt entsprechend an und veranlasst den Regler C eine entsprechende Regelfunktion via das Stellglied E auf den Wert der Regelgrösse χ auszuüben. Wenn der Integratorausgang U. wieder den Sättigungswert erreicht hat, wird auch die Regelgrösse χ ihren neuen Sollwert erreichen.

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Die Arbeitsweise diecer Vorrichtung lässt sich vie mathematisch beschreiben:

Das Mecnignal U möge der gemessenen und zu regelnden Grösce χ im wesentlichen proportional sein, so dass gilt

U = a + b-x (1).

l)ies stellt natürlich nur eine lineare Näherung dar, jedoch seien hier und im folgenden höhere Ordnungen zugelassen aber vernachlässigt.

Das Ausgangssignal U des Integrators I kann innerhalb des Arbeitsbereichs n?-iherungsweise beschrieben werden durch die Beziehung

U₁ = c + ^k-\"^t (2)·

wobei die Aenderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals proportional zun Verstärkungsgrad k und zum Wert des Signals U₁ ist. Die Aenderungsrichtung hängt von der Polarität des Signals U. ab.

Das Signal U stellt effektiv das parallel zu sich selbst verschobene Messignal U dar, wobei der Betrag der Verschiebung so gewählt ist, dass der Wert von U dann gleich dem positiven oder negativen Snttigungswert von U. ist, wenn die Regelgrösse χ ihren Sollwert τ. erreicht hat:

U_p(r_d) = _±U_X (3),

das heisst

a + b-x_d + V = + U₁ (4).

Das bedeutet, dass für einen bestimmten Sollwert x, dac Signal V nach der Beziehung

V = +U₁ - a - b.x_d (5)

gewühlt werden muss. 709844/0701

Die Verschiebung V ict somit abhängig vom Sättigungswert dec Integratorsignala + IL und vom Sollwert χ,. Das Vorzeichen des Söttigungsverten deutet darauf hin, dass man entweder den positiven oder den negativen V/ert wählen muss, je nachdem, ob der V/ert der Regelgrösse χ erhöht oder erniedrigt werden soll. Niiint man an, dass die Konstante b in Gleichung (1) positiv ist und der Sollwert von χ erhöht werden soll, dann ist der positive Gnttigungswert + U, zu wühlen. Somit gilt die Beziehung

V = U₁ - a - b-x_d (6).

Nimmt man weiter an, dass die Zeitkonstanten aller nachgeschalteten Elemente innerhalb des Regelkreises klein sind im Vergleich zur Aenderungsgeschwindigkeit des Integratorausgangs U , dann gilt für die Zeit bis zum Erreichen des Sättigungswertes nnherungsweise die Beziehung

U_{p Ä} U₁ ' (7),

und da

U = U + V (8)

P ν

ist, kann man zeigen, dass

U₁ - b-(x_d - χ) » c + k'ü^'t (9) ist.

Für den Fall, dass die Regelgrösse χ vor der Sollwertgnderung den V.'ert χ besessen hat, lässt sich für die Konstante c in Gleichung (9) ableiten

c = U₁ - b-(x_d - x_o) (10).

Demnach kann für die Zeit nach der Sollwertänderung die Zeitfunktion für die Regelgrösse χ durch den Ausdruck

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k-υ -t

χ t* χ + —r^— (11)

ο ο

beschrieben werden. Daraus ist ersichtlich, dass sich die Kcgclgrössr χ vNhrcnd des Zeitraumes, innerhalb dessen der Integrator arbeitet, ebenfalls weitgehend linear verändert und dacs dann, wenn der Integrator seinen Sättigungsvert LL erreicht hat, die Regelgrösse ebenfalls ihren neuen Sollwert

x, erreichen wird,
α

Selbstverständlich ist die effektive Abweichung der Rcgelgrösse χ von den in Gleichung (11) definierten Verlauf abhängig von den Zeitkonstanten der übrigen Elemente innerhalb des Regelkreises. Fine typische Reaktion der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung auf eine Sollwertenderung ist in Fig. 4 dargestellt. Man sieht, dass sich die Regelgrösce χ nahezu linear mit der Zeit von ihrem Ausgangsvert zum neuen Collwert hin verändert. In diesen Beispiel sind die Uebertragungsfunktionen für alle Elemente innerhalb des Kegelkreises, für den Kessfühler G, den Transmitter T, den Kegler C, das Stellglied £ und den Prozess selbst die genau gleichen vie bei den in Fig. 1 dargestellten Regelkreis, dessen Verhalten auf den gleichen Gollwertsprung in Fig. 2 dargestellt ist. Das in Fig. 4 dargestellte Zeitverhalten für die Vorrichtung gerrrlss Fig. 3 zeigt deutlich den Vorteil ,dieser crfindungsgen*'^:ssen Vorrichtung gegenüber der konventionellen. Der Regelkreis gemäss Fig. 3 weist nicht nur ein deutlich lineares Zcitverhalten sondern auch ein wesentlich geringeres Ueberschvingen auf. Der Führungsfehlcr kann selbstverständlich durch die bekannten Optimicrungsmrthoden fUr den Regler C

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noch vielter mininalicicrt werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser erfindung3gem;<sscn Vorrichtung in Fig. 3 besteht darin, dass auch die Acnderungcgeschwindigkeit der Regelgrössc zwischen zwei Sollwerten in weitem Bereich variiert werden kann. Hierzu ist cc lediglich erforderlich, den V/ert des Signals U^ zu verändern oder den VersUirkungcgrad des Integrators I, vobei die crc.tr Massnahme grundsätzlich die einfachere ict.

In Fig. 7 ict eine Möglichkeit der Realisierung der in Fig. gezeigten Vorrichtung vereinfachend dargestellt. Fig. 7 zeigt, v:ie rnan das erfindungsgenässe Verfahren auf rein elektrische Weise durchführen kann, jedoch ist die Durchführung dieses Verfahrens nicht auf die elektrische Schaltungctechnik beschränkt. Grundsätzlich kann das erfindungsgemässe Verfahren auch mit anderen, beispielsweise mit pneumatischen oder hydraulischen Schaltungstechniken realisiert werden. Bei dem in Fig. 7 dargestellten elektrischen Beispiel erzeugt der Transmitter T ein Signal in Form einer elektrischen Spannung U , deren Wert proportional zum Wert der Regelgrösse χ ist. Das Verschiebungssignal V ist ebenfalls eine elektrische Spannung, die von einem Potentiometer abgegriffen wird. Die Spannung V wird mit Hilfe des Sunmiergliedes ?, welches im wesentlichen aus einen Operationsverstärker besteht, zur Spannung U des Transmitterausgangs hinzuaddiert. Der das Fehlersignal U erzeugende Differenzverstärker ist ebenfalls ein Operationsverstärker, an dessen einem Eingang das Signal U_v zugeführt vird. Der zreite Eingang des Differenzverstärker Λ ist mit dem Ausgang des Integrators I verbunden.

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Der Integrator I besteht im wesentlichen aus einem Operationsverstärker, der in der Betriebsart der virtuellen Erdung mit der üblichen kapazitiven Rückführung arbeitet, wobei der Kondensator C. zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Verstärkers geschaltet ist. Der invertierende Eingang ist über einen Widerstand P^ mit dem Abgriff eines Potentiometers verbunden, welches auf diese Weise die zu integrierende Spannung U, liefert. Die Zeitkonstante des Integrators ist wie üblich durch die Werte von R. und C. gegeben. Die Anstiegsrate des Integrators innerhalb des linearen Arbeitsbereichs ist bestimmt durch den V.'ert der Spannung U, und kann manuell eingestellt werden. Der Schaltungsmechanisraus L enthält zwei veränderliche V.'iderstände, von denen die positive und negative Schwellwcrtspannung abgenomnen wird, mit welcher das Fehlercignal U verglichen wird. Dies geschieht mit Hilfe je eines Operationsverstärkers. Diese arbeiten als Komparatoren und liefern jeweils dann ein Ausgangssignal an eine logische ODER-Schaltung, wenn das Fehlersignal den zugeordneten Schwellwert + U. überschreitet. Da3 Ausgangssignal der ODER-Schaltung wird einem NPN-Transistor zugeführt, in dessen Kollektorkreis ein Relais mit einem Arbeitskontakt geschaltet ist. Bei Ansprechen des Relais wird über einen ''/iderstand der Ausgang des Summiergliedes P mit dem virtuellen Erdpunkt des Integrators I verbunden, wodurch dessen Ausgang U. gleich dem V.'ert von U gesetzt vird. Diese Schaltung arbeitet im wesentlichen no. vie bereits

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anhand den Blockschaltbildes in Fig. 3 beschrieben wurde, wobei das Fehlcrsignal U dem hier nicht dargestellten Reeler C zugeführt und über das Stellglied E der Kreis zum Prozess hin geschlossen v:ird.

Für den Fall,dass die Kegelgrösse eine Temperatur sei, kann das Signal U zur Regelung der Spannungsversorgung eines elektrischen Heizers benutzt werden. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass man in Reihe mit dem Heizer einen Thyristor oder Triac schaltet und diesen entweder in der Thasenanrchnitt- oder Impulssteuerung betreibt.

Eine andere mögliche Realisierung des erfindungrgexrisscn Verfahrens ist in Fig. 5 schenatisch dargestellt. Diese macht von einer anderen Möglichkeit gebrauch, eine Korrelation zwischen dem gewünschten Sollwert und dem stationären Endwert des Integrators herzustellen. Diejenigen Elemente, welche die gleichen Funktionen erfüllen wie in der in Fig. 3 gezeigten Anordnung, sind entsprechend bezeichnet. Im Gegensatz zu der Vorrichtung gemrlss Fig. 3 ist hier, in Fig. 5, dar. Addierglied P weggelassen. Das vom Transmitter T erzeugte Messignal U wird direkt dem einen Eingang des Differenzverstärkers A zugeführt. Der Integrator I ist hier Bestandteil eines eigenen Regelkreises, der verschiedene variable Signalquellcn zur Erzeugung eines Sollwertsignals U sowie zv.eier weiterer Begrenzungssignale + U. und - U, , einen Differenzverstärker D sov:ie zvei Schwellwertschalter LS und HC enthalt. Bei dieser Vorrichtung wird der Sollwert U direkt mit Hilfe einer entsprechenden variablen Gignalauelle vor-

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gegeben. Dae Sollwertsignal wird mit Hilfe des Differenr,-versti.rkers D nit dem Ausgangssignal U. des Integrators I verglichen. Fs wird ein Differenz3ignal U, gebildet, reiches in erster Näherung proportional zur Differenz zwischen den Signalen U^ und U. ist. Dieses Signal U, v:ird als Signal U,

«-» 1 Cl D

via die beiden Schwellwertschalter HS und T-C dem Eingang den Integrators I zugeführt. Die Aufgabe der beiden Schwellwertschalter besteht darin, das Signal U, auf den Bereich zwischen den beiden Signalen -U, und +IL zu begrenzen. Aus Symmetriegründen sei in folgenden angenommen, dass die Absolutwerte der beiden Signale +U, und -U, gleich seien, obwohl dies keine notwendige Bedingung darstellt. Durch die beiden Schwellwertschalter HS und LS wird erreicht, dass dem Integratoreingang das Differenzsignal U, dann und nur dann direkt zugeleitet wird, renn dessen Absolutbetrag kleiner als der des Signals U. ist. V.'enn hingegen der Absolutbetrag des Differrnzsignals Ug den Wert von U, überschreitet, vird das dom Integrator zugeführte Signal U, auf den jeweiligen positiven oder negativen Wert von U, begrenzt. 3ei dieser Vorrichtung gemäss Fig. 5 wird nicht mit der internen Sättigung des Integrators I gearbeitet. Diese Vorrichtung arbeitet folgendermassen:

Der gewünschte Sollwert für die Kegelgröcse χ wird durch Kinstellung des Sollwertsignals U an der variablen Signalquelle vorgegeben. Die erwünschte Aenderungsgeschwindigkeit für dir Regclgrösse χ wird mit Hilfe der Signale +U, und -U, eingestellt. Als Folge einer hinreichend grocsen S

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änderung wird der Absolutwert des Differenzsignals U, grosser sein als der V.'ert den Signals U. . Dies hat zur Folge, dass entweder der eine oder der andere Schwellwertschalter in Funktion tritt, so dasc am Integratorcingang lediglich das begrenzte Signal U^ - + U, anließt. Demzufolge ändert sich ■das lntegratorausgangssignal U. linear mit der Zeit so lange, als der Absolutwert von U, grosser als U, ist. Unter den gleichen Annahmen, vie sie bei der Beschreibung der in Fig. 3> dargestellten Vorrichtung gemacht wurden, wird sich in diesem Falle, bei zeitlich linearer Aendcrung des Integratorsignals U.,auch die Regclgrösse χ nit konstanter Geschwindigkeit verändern.

Die Aenderung des Integratorsignals hat gleichzeitig eine Verringerung der Differenz zwischen diesem und dem Sollwertsignal U zur Folge. Vorausgesetzt, dass der Differenzverstrirker D im wesentlichen linear arbeitet, erfolgt die Verringerung dieser Differenz ebenfalls linear mit der Zeit. Dies geschieht so lange, bis die Differenz so gering ist, dass der Absolutwert des Differenzsignals U kleiner als U, wird. In diesem Falle üben die beiden Schwellwertschalter HS und LS keine Begrenzungsfunktion mehr aus, so dass das Differcnzsignal direkt dem Integratoreingang zugeführt wird. Von diesem Zeitpunkt an verändert sich das Integratorsignal U. nicht mehr mit konstanter Geschwindigkeit sondern mit exponentiell abklingender Geschwindigkeit, bis es stetig in den stationären V.'ert, der dem Sollwert U gleich ist, einmündet.

Im Gegensatz zu der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung

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treten die beiden Schaltelemente L und SD nicht bei SoIlwertrindcrungcn in Aktion. Das Ansprechen dieser Elemente ist lediglich auf die beiden Fälle des Einschalten3 der Regeleinrichtung bzv:. des Auftretens grosser Störungen innerhalb des Regelkreises beschränkt.

Bei der Vorrichtung gemäcG Fig. 5 ist dac Sollwertsignal U„ direkt mit den Signal U korreliert, welches dem gev.-üncchten Vert der P.egelgrösse χ entspricht, so dass

s ν "d
oder

U_Q = a + b-x_d (12)

ist. Dieses Signal U_o wird zusammen mit dem Integratorsignal U. dem Differenzverstärker D zugeführt, so dass für dessen Ausgangssignal die Bedingung gilt

^Ud - ^e*^(Us - V ⁽¹⁵⁾·

Das Ausgangssignal des Integrators I wird in erster Nnherung durch die Beziehung

U₁ = c + k-ju_d dt (14)

beschrieben. Würde nan das Signal U. direkt dem Integrator zuführen, so würde dessen Ausgangssiganl U₁ der Funktion

^Ui ^{= U}s - (U₀ - U₁₀). expl-(t-t_o)/r3 (15) genügen, wobei U. der V.'ert von U. zur Zeit t wäre. Die Zeitkonstante T ist umgekehrt proportional zum V.'ert der Konstanten e und k aus den Gleichungen 13 und 14. Das bedeutet, dass bei direkter Zuführung des Differenzsignals U, zum Integrator dessen Ausgangssignal sich in Form einer exponentiellen Zeitfunktion verändern würdr. Da aber

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eine vorwiegend lineare Acnderung der Regelgrösse zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sollwerten angestrebt wird, sind bei diener Vorrichtung ?prx?.zr, Fig. 5 zwischen den Ausgang des DiffercnzvcrstJirkers D und den Eingang des Intcgratorc I die beiden Schwellwertschalter HS und LS geschaltet, so dac^ für das dem Integrator effektiv zugeleitete Signal U folgende Zusatzbedingungen gelten:

U_b = U_d für -U_k * U_d * ₊ü_k, U_b = -U_k für U_d < -U_k und

^Ub = ^+Uk ^{fUr U}d > ⁺V

Aus SynraetriegrUnden sei (-Uy| = |+U, j, so dass der Absolutwert des Signale U, solange auf konstantein Viert gehalten wird, als gilt

wobei die Konstante e gleich dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers D ist.

Demnach verändert sich das Integratorsignal U. so lange linear mit der Zeit,wie das Differenzsignal U, ausserhalb der durch + U gesetzten Grenzen liegt, wobei die Acnderungsgeschwindigkcit proportional zum Absolutwert von U, ist. Unter den bereits oben gemachten Annahmen bezüglich des Zeitverhaltcns des Regelkreises ändert sich demnach auch die Regelgrösse χ weitgehend linear mit der Zeit. V/enn hingegen das Differenzsignal U, innerhalb der Grenzen + U, liegt, ändert sich das Integratorausgangssignal U. in Form einer abklingenden Exponentialfunktion, bis es den Sollwert U,. π reicht hat. Die Rcgelgröccc ζ folgt dieser Aendcrung

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entsprechend dem Zeitvcrhalten des Regelkreisen. Üin typisches Verhalten des in Fig. 5 dargestellten Systeme ist in Fig. 6 dargestellt. Hier wird zur Zeit t = O der Sollwert vom V'crt 1 auf den Wert 8 (in villkürli chcn hinheiten) verrindert. Das dem Integrator zugeführte LJignal U, vird v;^:hrend ca. 16 Zeiteinheiten auf den Wert U = 10 limitiert. Als Folge davon verändert sich das Signal U. linear mit der Zeit, bis das Diffcrenzsignal U, kleiner als 10 Einheiten vird. Dann vird die bis zu dienern Zeitpunkt lineare Zeitfunlction für das Signal U. durch eine exponentielle Funktion abgelöst, so dass das Signal U. in Form einer in der ersten zeitlichen Ableitung stetigen Funktion auf den Sollwert U einmündet. Als Folge des in diesem 3eispiel gefühlten Verstfirkungsfaktors des Differenzverstärker D, e = 16, vird durch den entsprechenden Schwellwertschalter der Vert dec Signals U, so lange auf den Y.'crt U = 10 gehalten, bis die Differenz zwischen dem Integratorsignal U. und dem Sollvrertsignal U auf weniger als 0.7 Einheiten abgcnornncn hat. Dann tritt der Schwellwertschalter auseer Funktion, und die Steigung des Signaln U. nimmt exponentiell ab, bis sie nit Erreichen des Sollwertes U zu null wird.

Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung weist gegenüber derjenigen in Fig. 3 zwei Vorteile auf. Da der stationäre Wert des Integratorsignals nicht durch dessen Sättigungswert sondern durch eine Regelung des Integratoreingangs vorgegeben wird, können Regelstörungen, die zum Ansprechen der Schaltungnvorrichtung L und GD führen,

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unabhängig von ihrer Richtung den Integrator auf den cnt-

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cprechcndcn Istwert setzen, vährcnd dieses bei der Vorrichtung genuins Fig. 3 nur in einer Richtung möglich int. jlei der Vorrichtung gcnu-iss Fig. 3 ist der Uebergang vom zeitlich variablen zum stationären Teil der: Integratorrignalc U. sehr scharf, was eich in einer starken zeitlichen Veränderung dc~r Gtellgrösse y, die ihrerseits den in den Regelkreis fliecscnden Energiestrom beeinflusst, bemerkbar macht. Dies kann zu sehr starken Laständerungen fuhren, die unter gevässen Umstanden unerwünscht sind. Die Vorrichtung gemhss Fig. 5 hingegen arbeitet so, dass ein sanfter Uebergang zwischen dem zeitabhängigen und dem stationären Teil der Plurve des Integratorausgangssignals U. stattfindet. Der Zeitbereich, innerhalb dessen der exponentiell Uebergang in den stationären Zustand stattfindet, ist abhängig von Verstärkungsfaktor e des Differenzverstärker:; D. In den Figuren 9 bis 11 ist der Einfluss des Verstärkungsfaktors auf den zeitlichen Verlauf der Signale U.. y und der Regelgrösse χ dargestellt. Der Verstärkungsfaktor e betrrgt in Beispiel von Fig. 9 e = 2, e = 4 für das von Fig. 10 und e = 16 in 3eispiel von Fig. 11. Alle übrigen Parameter des Kegelkreises sind die gleichen vie bei den j η Fig. 2 und 4 dargestellten Beispielen. Man sieht, dass der Uebergang des Referenzsignals U. in den stationären Zustand umso schrrfer wird, je grosser der Faktor e ist. Desgleichen neigt auch die Regelgrösse χ umso mehr zum Ueberschwingcn, je höher der Verst.*rkungsgrad gevnhlt '.:ird. Fir;. 0 stellt eine elektrische Schaltung dar, mit der nan

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das anhand von Fig. 5 dargestellte Verfahren realisieren kann. Die Schaltungsblöcke T, L, SD, Λ und I sind die gleichen wie in Fig. 7. Dagegen wird hier das Ausgangssignal U_v des Transmitters T direkt dem einen Eingang des Differenzvers tr; rkers A zugeführt. Der Differenzverstärker D enthült einen Operationsverstärker, an dessen einem Eingang das Sollv.ertsignal U , welches von einem variablen Widerstand abgegriffen vird, anliegt. Dem zv/citen Eingang dieses Verstf.rkers rird das Integratoraucgangssignal U. zugeführt. Als Korabination der Schwellwertschalter HS und LS ist zwischen den Ausgang des Differenzversth'rkers D und den Eingang den Integrators T ein Diodenring geschaltet. Die zur Begrenzung des Signals U, erforderlichen Hilfssignale +U. und -U werden von zwei veiteren variablen Widerständen abgegriffen. Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist die gleiche, vie bereits anhand der Figur 5 dargestellten Vorrichtung beschrieben, wobei das Ausgangssignal U wiederum einem hier nicht dargestellten Regler C zugeführt vird.

Obwohl beide Vorrichtungen gemr'ss Fig. 3 und 5 anhand von elektrischen Schaltungsbeispielen beschrieben './orden cind . ist εε möglich, das erfindungsgemSsse Verfahren auch unter Anwendung von pneumatischer oder hydraulischer Schaltungstechnik durchzuführen. Des weiteren sind selbstverständlich auch Kombinationen von zwei oder mehreren Signalarten zur Durchführung des Verfahrens möglich. Aueserden ist die elektrische Anwendung dieses Verfahrens nicht auf die reine Analogtechnik beschränkt. Die in den

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in Fig. 3 und 5 dargestellten Signale können auch bin:"r

kodierte V.'orte oder Impulsfrequenzen sein, wobei in letzterem Falle die Anwendung eines digitalen Vorwrirts-Hiickvcrts-Zühlers an Stelle des durch einen Operationsverstärker gebildeten Integrators fungieren kann.

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Claims (2)

1. Patentansprüche:
   , I..Verfahren zur automatischen Regelung einer veränderlichen physikalischen Grosse χ durch Vergleich einer dirrrr Grosse zugeordneten und ihr im wesentlichen proportionalen Hi^nals U mit einem zeitlich veränderlichen Referenzsignal U.. welches von einem Integrator erzeugt wird, hrzeugunr eines Fehlersignals U , '.reiches proportional zur Differenz zwischen den beiden genannten Gignalcn ist, bekannte Hassnahmen, welche geeignet sind, die zu regelnde Grosse χ co zu beeinflussen, dass der Absolutwert des Fehlersignals U rainimalisiert ird,

   dadurch gekennzeichnet, dass

   das von dem Integrator generierte Referenzsignal U. sich im vosentlichen linear mit der Zeit verändert, genres der Beziehung

   IL = c + k-U_k-t,

   die Aenäerungsgeschv.'indigkeit des Referenzsignals mittels eines Hilfssignals U, frei Wr.hlbar vorgegeben .-.'ird, der Aenderungsbereich des Referenzsignals U ,durch die positive oder negative Sättigung des Integrators begrenzt i:ird, so dass gilt

   - ^ui * ^ui * ^{+ u}r

   das der zu regelnden Grosse χ zugeordnete Signal U zusätzlich von einem Hilfssignal V anhängig ist, so dacs es der Bedingung genügt

   U = a + b-x + V,
   vobci das Hilfssignal so gcWr'hlt tfird, dass dann.in/tnn die

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   zu regelnde Grössc χ ihren Sollwert erreicht hat, dac ihr zugeordnete Signal U gleich den positiven oder negativen S^:tticung3..ert des Integrators ist, und dan generierte Fehlcrsignal U mit einem weiteren Hilfssignal U^ verglichen und bei Ueberschreitcn von dessen positivem oder negativem Wert automatisch dac Referenzsignal U. auf den augenblicklichen V.'rrt des der Messgrösse zugeordneten oignals U gebracht vird.
2. 2. Verfahren zur automatischen Regelung einer veränderlichen physikalischen Grosse χ durch Vergleich eines dieser Grosse zugeordneten und ihr im esentlichen porportionalen Signals U_r mit einem von einem Integrator erzeugten Referenzsignal U., Urzeugung eines Fehlersignals U , ..elches proportional zur Differenz zischen diesen beiden Signalen ist, bekannte Massnahnen, i.-elche geeignet sind, die zu regelnde Grosse χ so zu beeinflussen, dass der Absolutwert des Fehlersignals U roininalisiert vird,
   dadurch gekennzeichnet, dass

   das Referenzsignal U. eine Kombination von einer zeitlich linearen mit einer zeitlich exponentiellen Funktion darstellt, dadurch dass dieses Referenzsignal U. mit einem den Sollwert der zu regelnden Grosse χ repräsentierenden Signal U verglichen v;ird, ein Hilfssignal U, gebildet wird, welches proportional zur Differenz zwischen dem Sollv/ertsignal b*

   und dem Referenzsignal IL ist, entsprechend der Beziehung

   ^Ud = ^e'(^Us -V·
   vobei die Proportionalitätskonstante mindestens gleich, vor-

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   zugsweise grosser ala eins ist, durch ein weiteres Hilfssi/:- nal U. der Bereich des Signals U, auf den Bereich zwischen den Werten -U und +U. begrenzt wird, das zeitlich veränderliche Referenzsignal U. durch Integration dieses so begrenzten Hilfssignals U, gebildet wird, dergestalt, dacs sich da-Referenzsignal solange vorzugsweise linear mit der Zeit verändert, als der Absolutwert des Signale U, grosser als der V.ert des Hilfssignals U, ist, und dass sich das Referenzsignal U. in Form einer zeitlichen Exponentialfunktion verändert, wenn der Absolutwert des Signals U, kleiner als der V.'ert des Hilfssignals U_k ist, die zeitlich lineare Aenderungsgcschwindigkeit des Referenzsignals U. durch den V.'ert des HilfsDignals U, bestimmt wird, der Zeitpunkt des Uebergangs von der linearen zur exponentiellen Zeitfunktion durch entsprechende V.'ahl der Proportionalitätskonstanten e vorgegeben wird, und das generierte Fehlersignal U mit einen weiteren Hilfssignal U. verglichen und bei Uebercchreiten von dessen positivem oder negativen V.'ert automatisch das Referenzsignal auf den augenblicklichen Viert des c!or Mcssgrösse χ zugeordneten Signals U gebracht wird.

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