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Hierdurch ist die neue Überwachungseinrichtung nicht auf sich drehende
schwingungsfähige Systeme beschränkt, sondern kann beispielsweise auch für Anlagen
angewendet werden. wo zwischen den einzelnen Massen in den Verbindungsgliedern im
wesentlichen Biege- oder Zug- und Druckmomente auftreten; Die Lösung der erfindungsgemäßen
Aufgabe besteht dabei darin, daß ein durch Kopplung der einzelnen Schwinger gebildeter
Ausgangswert (Drehzahl, Moment) der Oberwachungseinrichtung auf ein Summierglied
zum Soll-Istwertvergleich mit einem entsprechenden Meßwert des nachzubildenden Systems
gegeben wird, daß der Ausgang des Summiergliedes über
Proportionalverstärker
mit einstellbaren Verstärkungsfaktoren an die Eingänge der Integratoren zur Beeinflussung
der Schwingungen der einzelnen Schwinger im Sinne einer Verminderung der Abweichung
zwischen dem Schwingungszustand der Überwachungseinrichtung und des zu überwachenden
Systems aufgeschaltet ist und daß dem Summierglied Filter vor-oder nachgeschaltet
sind, die bevorzugt die Eigenfrequenzen des nachzubildenden Systems durchlassen.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an Hand
der Zeichnungen beschrieben. Hierbei wird davon ausgegangen, daß das nachzubildende
System eine mit vier Turbinenstufen versehene Welle eines Dampfturbinensatzes ist,
auf der außerdem noch ein Generator und die Erregermaschine des Generators angeordnet
ist Ein derartiges System kann man als schwingungsfähiges System auffassen, das
sechs Massen und fünf zwischen den Massen angeordnete Federn besitzt Die Massen
werden dabei von den einzelnen Stufen der Dampfturbine vom Rotor des Generators
und der Erregermaschine dargestellt, während die Federn die zwischen den einzelnen
Massen befindlichen Wellenstücke sind. Dieses System kommt dann ins Schwingen, wenn
beispielsweise infolge eines Fehlers im elektrischen Netz eine plötzliche Änderung
des auf den Generator wirkenden Drehmomentes vorhanden ist Mit Hilfe des Gerates
sollen nun moglichst genau die dabei auftretenden Momente in den einzelnen Wellenabschnitten
nachgebildet werden. Derartige Meßwerte gestatten es dann, besondere Beanspruchungen
und die Dauerbelastung einzelner Wellenabschnitte zu erkennen und in einem nachgeschalteten
Rechner den Ermüdungszustand festzustellen, um so eine Aussage über die Dauerbeanspruchung
der einzelnen Wellenpunkte zu gewinnen. Mit Hilfe dieser Schaltung ist es also möglich,
ziemlich exakt festzustellen, wann unter Umständen eine Revision oder eine Erneuerung
der Welle notwendig wird.
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F i g. 1 zeigt nun das nachgebildete System, bestehend aus Massen
mit den Trägheitsmomenten 11 bis 14 für die Trägheitsmomente der Turbinenstufen
sowie jG und JE für die Trägheitsmomente des Generators und der Erregermaschine.
Die Federkonstante der zwischen je zwei Massen angeordneten federnden Elemente sind
mit C1, 2; C2, 3; C3, 4; C4, G und CG, E gekennzeichnet. In diesen Federn wirken
die Wellenmomente M1, 2; M2, 3; M3, 4; M4, Gund MG, die von dem Gerat zu ermitteln
sind. Außerdem übt der Ständer des Generators auf den Läufer ein Drehmoment aus,
das mit MG bezeichnet ist Auf die Turbinenstufen wirken entsprechende vom eingespeisten
Dampf herrührende Momente M1 bis M4. Diese genannten Torsionsmomente lassen sich
aus dem Frischdampfdruck und dem Dampfdurchsatz durch die einzelnen Turbinenstufen
ermitteln Außerdem ist mit einer der schwingenden Massen ein Meßgeber 1 verbunden,
der im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 die Drehzahl n 1 mißt.
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Beispielsweise für die Torsionsschwingungsmessung eines Turbogenerators
kann das Signal des Meßgebers aus den Nutoberwellen des Rotors gewonnen werden.
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Eine Meßschleife im Luftspalt des Generators mit der Polteilung, die
der Rotornutteilung entspricht, enthält als Ausgangsgröße praktisch nur die Nutoberwelle.
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Diese Ausgangsgröße kann unmittelbar als ein feinfühliges Signal für
die Drehzahl mit der überlagerten Torsionsschwingung benutzt werden, wenn der Generator
nur eine Nutteilung hat Das Modell zur Nachbildung dieses Systems ist für einen
Teil der Massen in F i g. 2 dargestellt. Von dem Meßgeber 1, der im Ausführungsbeispiel
aus einer Impulsscheibe auf der Welle besteht, die eine Impulsfolge abhängig von
der Drehbewegung der Welle abgibt, wird ein Umsetzer 2 zur Umsetzung des interessierenden
Frequenzbereiches in eine Spannung angesteuert.
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Die Ausgangsspannung des Umsetzers 2 ist proportional der Drehzahl
n 1. An den Ausgang des Umsetzers 2 ist ein Hochpaß 3 geschaltet, der aus der die
Drehzahl darstellenden Kurve die niedrigen Frequenzen (z. B. O bis 2 Hz) aussiebt.
Nach dem Hochpaß ist ein Filter 4 geschaltet, das die über den zu erwartenden Schwingungsfrequenzen
liegenden Störfrequenzen aus dem Meßwert eliminiert, so daß am Ausgang des Filters
4 eine Drehzahl nm erscheint, die nur noch die Frequenzen im Bereich von etwa 3
bis 35 Hz enthält.
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Diese Frequenz gelangt auf ein Summierglied 5, dem eine entsprechende
Frequenz über die Leitung 6 aus dem Modell mit negativem Vorzeichen zugeführt wird.
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Auf der Ausgangsleitung 7 des Summiergliedes 5 erscheint also die
Differenz der beiden dem Summierglied 5 zugeführten Spannungsverläufe, die immer
dann Null ist, wenn der Schwingungszustand des Modells vollständig mit dem Schwingungszustand
des nachzubildenden Systems übereinstimmt. Die Ausgangsleitung 7 ist über Proportionalverstärker
8 bis 14 an Summierglieder 16 bis 22 geschaltet, die vor jedem Eingang eines Integrators
23 bis 29 liegen. Ein Proportionalverstärker 15 ist unmittelbar einem weiteren Integrator
30 vorgeschaltet, dessen Ausgang über Anpassungsbausteine 31 bis 33 mit den Summiergliedern
17, 19 und 21 verbunden ist Der Proportionalverstärker 15 ist dabei wie die übrigen
Proportionalverstärker 8 bis 14 auf einen bestimmten, von dem nachzubildenden System
abhängigen und berechenbaren Verstärkungsfaktor eingestellt, so daß am Ausgang jeweils
ein dem Eingang proportionaler Wert auftritt. Die Anpassungsbausteine 31 bis 33
sind im wesentlichen Widerstandsschaltungen, die bestimmte Anteile des Ausgangs
vom Integrator 30 auf die Summierglieder 17, 19 und 21 gelangen lassen.
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Diese Anteile sind in Verbindung mit der Integrationskonstante des
Integrators 30 und dem Verstärkungsfaktor des Proportionalverstärkers 15 so ausgelegt,
daß auf die Summierglieder 17, 19 und 21 immer dann ein Korrektursignal über die
Anpassungsbausteine 31 bis 33 gelangt, wenn die Summe aller in das System eingespeisten
Momente (Summe von M1 bis M4 und MG) nicht den Wert Null hat. Der Proportionalverstärker
15 mit dem Integrator 30 und den Anpassungsbausteinen 31 bis 33 dienen also dazu,
Meßfehler, die bei der Ermittlung der einzelnen Momente auftreten, dann zu kompensieren,
wenn durch diese Meßfehler die Summe aller Momente von Null verschieden ist.
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Die Integratoren 23, 25 und 27 haben eine Integrationskonstante,
die von den Trägheitsmomenten der zugehörigen Massen 11, J2 und l6 abhängen. Die
übrigen für die anderen vorhandenen Massen beim Ausführungsbeispiel vorgesehenen
Integratoren sind in gleicher Weise geschaltet und der Übersicht halber in Fig.
2 nicht mit dargestellt. Jedem der Integratoren 23, 25, 27 ist ein Rückkopplungsverstärker
34, 35, 36 parallel geschaltet, der mit negativem Vorzeichen auf das jeweilige,
dem Integrator 23, 25, 27 vorgeschaltete Summierglied 17, 19,21einwirkt. Diese Rückkopplungsverstärker
besitzen Verstärkungsfaktoren, die der Dämpfung bei der Schwingung der einzelnen
Massen entsprechen. Diese Dämpfung ist beispielsweise bei einer Turbinenstufe durch
die Reibung zwischen den
Turbinenschaufeln und dem Dampf gegeben.
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An den Ausgang der Integratoren 23,25,27ist außer den Eingängen der
Rückkopplungsverstärker34,35 und 36 je ein Summierglied 18,20 und 22 geschaltet.
An dem Ausgang dieser Summierglieder liegen Integratoren 24, 26 und 28, deren lntegrationskonstanten
der jeweiligen Federkonstante des federnden Elementes zwischen je zwei Massen entspricht
Jeder Ausgang dieser Integratoren 24,26 und 28 stellt eine Ausgangsleitung 37,38,39
des Systems dar, die ein Signal entsprechend den Momenten M1, 2; M5 3 bis MG, E
führt Die Integratoren 23,24; 25,26; n, 28 ergeben je paarweise einen Schwinger,
der mit einer Frequenz schwingt, die mit der Eigenfrequenz zweier benachbarter Massen
des nachzubildenden Systems übereinstimmt Wenn diese Frequenz verschieden ist von
der entsprechenden Frequenz bei dem nachzubildenden schwingungsfahigen System, entsteht
eine Abweichung zwischen der Ausgangsdrehzahl des Modells auf der Leitung 6 und
dem Ausgang des Filters 4, so daß ein Korrektursignal über die Ausgangsleitung 7
des Summiergliedes 5 und beispielsweise über die Proportionalverstarker 9 und 10
auf den Eingang der Integratoren 23 und 24 derart gegeben wird, daß sich die Schwingungsfrequenz
wieder dem nachzubildenden Modell angleicht Dies hat zur Folge, daß sich bei nicht
exakt eingestellten, dem Trägheitsmoment bzw. der Federkonstanten entsprechenden
Integrationskonstanten für die Integratoren 23 und 24 immer die gleiche Schwingungsfrequenz
wie beim entsprechenden Teil des nachzubildenden Systems einstellt Die Ausgänge
der Integratoren 24, 26 und 28 sind einmal mit negativen und einmal mit positiven
Vorzeichen an Summierglieder 40,41,42 geschaltet, zu denen die Eingangsleitungen
mit den Momenten M 1 bis M4 und MG entsprechenden Meßwerten führen. Die Ausgänge
dieser Summierglieder 40 bis 42 sind an die Summierglieder 17, 19 und 21 angeschlossen
und stellen damit je eine Rückkopplung für den aus den Integratoren 23, 24; 25,
26; n, 28 bestehenden Schwingern dar. In diese Rückkopplungsleitungen sind Rückkopplungsverstärker
43 bis 45 eingeschaltet, deren Verstärkungsfaktoren dem Verhältnis der Trägheitsmomente
jeweils benachbarter Massen des nachzubildenden Systems entsprechen. So ist beispielsweise
der Verstarkungsfaktor des Rückkopplungsverstärkers 43 proportional zum Verhaltnis
der Trägheitsmomente der Massen 12: Die Wirkungsweise des Modells ist dabei wie
folgt: Im Summierglied 41 wird die Differenz der Momente der zugehörigen benachbarten
Abschnitte des Systems M 1,2 und M2, 3 gebildet Dazu wird das auf die Masse 2 wirkende
Moment M2 addiert Unterstellt man, daß das Moment M 1, 2 kleiner ist als der entsprechende
Wert im nachzubildenden System, so erscheint am Ausgang des Summiergliedes 41 eine
negative Ausgangsgröße, die über den Rückkopplungsverstärker 43 entsprechend dem
Verhältnis der Trägheitsmomente der Massen 1 und 2 verstärkt wird und am Ausgang
des Rückkopplungsverstärkers 43 ein negatives Signal erzeugt Dieses negative Signal
erhöht den Ausgangswert des Summiergliedes 17, da der Ausgang des Rückkopplungsverstärkers
43 mit negativen Vorzeichen an das Summierglied 17 angeschlossen ist Damit wird
der Eingangswert des Integrators 23 erhöht, so daß in der Folge eine Erhöhung des
Ausgangs des Integrators 24 die Folge ist. Diese Beeinflussung über die Rückkopplungsstrecke
wirkt so lange, bis der Ausgang des Integrators 24 dem auf die Feder mit der Federkonstante
C1, 2 wirkenden Moment M 1, 2 entspricht Dies wird vor allem deshalb sichergestellt,
weil die Proportionalverstärker 9 und 10 dafür sorgen, daß zwischen den Integratoren
23 und 24 ein Signal erscheint, das immer der Differenzdrehzahl zwischen den Massen
mit den Trägheitsmomenten 11 und 12 entspricht.
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In gleicher Weise sorgt der. Proportionalverstärker 8 in Verbindung
mit dem Ausgang des Summiergliedes 40 dafür, daß am Ausgang des dem Summierglied
16 nachgeschalteten Integrators 29 ein Meßwert erscheint, der der Drehzahl des nachzubildenden
Systems an der Stelle entspricht, an der der Meßgeber 1 im nachzubildenden System
angeschlossen ist Aus dieser Drehzahl werden durch einen dem Integrator 29 nachgeschalteten
Hochpaß 46 und ein Filter 47 wiederum die interessierenden Frequenzen herausgesiebt
Das Filter 47 kann über weitere Proportionalverstärker 48 noch im Sinne einer Stabilisierung
des Regelkreises beeinflußt werden.
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An Stelle des Integrators 29 und des nachgeschalteten Hochpassens
46 kann auch ein rückgekoppelter Integrator eingesetzt werden. Dies ist insbesondere
vorteilhaft bei der Nachbildung eines sich drehenden Systems, das Torsionsschwingungen
ausführt, da sonst zwischen dem Integrator 29 und dem Hochpaß Keine sehr hohe, der
Nenndrehzahl entsprechende Spannung auftritt Bei dem in F i g. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel
können sich insbesondere bei schwingungsfahigen Systemen mit vielen miteinander
verbundenen Massen Verstärkungsfaktoren für die Proportionalverstärker 8 bis 15
ergeben, die wegen des geringen Einflusses einzelner Schwingungen von zwei benachbarten,
insbesondere kleineren Massen auf den im Meßgeber 1 gemessenen Schwingungsverlauf
sehr hohe Werte erfordern. Um auch derartig komplexe schwingungsfahige Systeme mit
handelsüblichen Bausteinen (Verstarkern, Widerständen) mit ausreichender Genauigkeit
nachbilden zu können, wird ein Transformationsmodell mit voneinander entkoppelten
Schwingern vorgeschlagen. Während im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 benachbarte,
aus je zwei in Reihe geschalteten Integratoren bestehende Schwinger mit der gleichen
Rückkopplung versehen sind, sind im folgenden Ausführungsbeispiel die einzelnen
Schwinger voneinander entkoppelt, so daß jeder Schwinger eine bestimmte Eigenfrequenz
besitzt.
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Das schwingungsfähige System, wie es in Wirklichkeit vorliegt und
wie es im Prinzip in F i g. 1 dargestellt ist, mit denselben Massen und dazwischen
angeordneten Federn läßt sich durch mathematische Schwingungsgleichungen beschreiben.
Genau so wie beispielsweise zwei in Reihe geschaltete Widerstände das gleiche Verhalten
aufweisen, wie zwei parallel geschaltete Widerstände, wenn die Widerstandswerte
entsprechend verändert sind, so läßt sich dieses in F i g. 1 dargestellte schwingungsfähige
System mathematisch transformieren in ein schwingungsfähiges System mit Massen,
die jede für sich über eine Feder mit einer festen Unterlage verbunden sind. Die
Transformationsgleichungen sind beispielsweise aus dem Buch »Control and Dynamic
Systems« von T a k a h a sh i zu entnehmen. Ein derartiges transformiertes System
- angewendet auf das Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 - würde beispielsweise so
aussehen, wie in F i g. 3 dargestellt Nach den Transformationsgleichungen ergeben
sich dann sechs
Massen mit den Trägheitsmomenten TM 1 bis TM 6 und
den Federn mit den Federkonstanten T1 bis f5. Die Masse mit dem Trägheitsmoment
TM6 ist dabei nicht mit der Unterlage 49 verbunden.
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In Fig.4 ist nun eine Schaltung dargestellt, in der gleiche Teile
mit den gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 2 bezeichnet sind. Wiederum ist ein
Summierglied 5 vorgesehen, das die Schwingungen bzw. Drehzahlen von Modell und nachzubildendem
System vergleicht.
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Der besondere Vorteil dieses Modells besteht darin, daß die auf die
transformierten Massen einwirkenden, eine Schwingung erregenden Momente nur noch
für zwei bis maximal drei der sechs Massen so groß sind, daß sie in dem Modell berücksichtigt
werden müssen. Man kommt also mit zwei (bis drei) Schwingern, die jeweils wieder
aus je zwei Integratoren bestehen können, bei der Nachbildung dieses transformierten
Systems aus.
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Infolgedessen führt die Ausgangsleitung 7 des Summiergliedes 5 zu
nur noch vier Proportionalverstärkern 50 bis 53. In die Ausgangsleitung 7 ist zusätzlich
gegenüber Fig.2 ein Integrator 85 mit einer Rückkopplung 86 eingeschaltet. Dieser
bewirkt eine Zeitverzögerung bei der Weiterleitung des Signals in der Ausgangsleitung
7, die größer ist als die durch parasitäre Zeitkonstanten der Bauelemente sich ohnehin
einstellende Zeitverzögerung. Bei der Auslegung der Verstärker 50 bis 53 und der
Rückkopplung 86 läßt sich die Zeitkonstante des Integrators 85 berücksichtigen.
Hierdurch sind die unbekannten parasitären Zeitkonstanten der Bauelemente vernachlässigbar
und haben einen geringeren Einfluß auf die Genauigkeit und die Stabilität der Nachbildungsschaltung.
In F i g. 4 ist dem Proportionalverstärker 50 ein Schwinger 54 und dem Proportionalverstärker
51 ein Schwinger 55 nachgeschaltet. Jeder Schwinger schwingt mit einer bestimmten,
in der gemessenen Drehzahl am Eingang des Summiergliedes enthaltenen Eigenfrequenz,
wird aber von allen Momenten in unterschiedlicher Weise angeregt. Die Schwinger
54 und 55 sind zur Berücksichtigung dieser Anregung zwischen zwei Verknüpfungsschaltungen
56 und 57 und zwei Aufteilungsschaltung 58 und 59 geschaltet.
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Eine derartige Verknüpfungsschaltung ist in Fig.5 dargestellt. Sie
besitzt fünf Eingangsleitungen für die Momente M 1 bis M4 und MG und je zwei Proportionalverstärker
60 und 61 für jede Eingangsleitung. Die Ausgänge aller Proportionalverstärker 60,
die entsprechend den errechenbaren Koeffizienten aus der Transformation unterschiedliche
Verstärkungsfaktoren besitzen, werden in Summiergliedern 62 und die Ausgänge der
Proportionalverstärker 61 in Summiergliedern 63 summiert. Der Ausgang der Summierglieder
62 ist beispielsweise an den vorgeschalteten und der Ausgang der Summierglieder
63 an den nachgeschalteten Integrator des der Verknüpfungsschaltung nachgeschalteten
Schwingers geführt. Von der Verknüpfungsschaltung 56 beispielsweise führen also
zwei Leitungen zum Schwinger 54.
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Entsprechend sind die Aufteilungsschaltungen 58 und 59 aufgebaut,
wie im einzelnen aus F i g. 6 hervorgeht.
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Sie besitzen je eine Eingangsleitung 64, 65 und jeweils sechs Proportionalverstärker
66 und 67. Die Ausgänge der Proportionalverstärker 66 und 67 entsprechen den Ausgangswerten
für die einzelnen Momente M1, 2; M2, 3; M3, 4; M4, G und M6, g und dem Ausgangswert
für die Drehzahl n 1. Da beide Eigenfrequenzen der Schwinger 54 und 55 zu allen
Teilmomenten Beiträge liefern, sind die Ausgänge von je zwei Proportionalverstärkern
der Proportionalverstärker 66 und 67 über ein Summierglied 68 miteinander und mit
der jeweiligen Ausgangsleitung verbunden.
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Zur Berücksichtigung der freien Masse in F i g. 3 ist zu den beiden
Schwingern 54 und 55 ein einzelner Integrator 69 parallel geschaltet, der wiederum
zwischen eine Verknüpfungsschaltung 70 und eine Aufteilungsschaltung 71 geschaltet
ist. Der Integrator 69 besitzt eine Rückkopplung, so daß er gleichzeitig die Wirkung
des Hochpasses 46 in F i g. 2 übernehmen kann. Parallel zu diesem rückgekoppelten
Integrator liegt ein weiterer Integrator 72, der über den Proportionalverstärker
53 wie der Integrator 30 an die Ausgangsleitung 7 des Summiergliedes 5 angeschlossen
ist und ein Korrektursignal abgibt, wenn die Summe aller gemessenen Momente nicht
Null ergibt. Dieses Korrektursignal gelangt über eine Aufteilungsschaltung 73 zu
einem Summierglied 74, dessen Ausgang zusammen mit dem Ausgang des Summiergliedes
68 und dem Ausgang der Aufteilungsschaltung 71 zu einem Summierglied 75 führt, von
dem die Ausgangsleitungen 76 des Modellteiles abgehen, das von der Frequenz beeinflußt
ist.
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Wegen der geringen Anregungsamplituden für die Massen mit den Trägheitsmomenten
TM3, TM4 und TM5 in F i g. 3 sind für diese Massen keine Schwinger vorgesehen. Trotzdem
treten zwischen diesen Massen statische Torsionsmomente auf, die im transformierten
Modell nach F i g. 3 dazu führen, daß die Federn mit den Federkonstanten f3 bis
f5 mehr oder weniger vorgespannt sind. Diese Vorspannung jeder Feder ist Wiederum
abhängig von allen Eingangsmomenten. Zur Berücksichtigung dieses Einflusses liegt
parallel zu den Schwingern und Integratoren eine Verstärkermatrix 77, die ebenfalls
an den Ausgang einer Verknüpfungsschaltung 78 angeschlossen ist und deren Ausgänge,
die in der Zahl den Ausgangsleitungen 76 entsprechen, zu einem Summierglied 79 für
jede Ausgangsleitung geführt sind.
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Auch die Ausgangsleitungen 76 sind an die Summierglieder 79 geführt.
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Am Ausgang der Summierglieder 79 können die Ausgangsgrößen des Modells
abgegriffen werden. Eine dieser Ausgangsleitungen 80 führt zu einem Summierglied
81, dessen zweiter Eingang an ein Filter 82 geschaltet ist. Das Filter 82 liegt
parallel zu den bisher beschriebenen Schwingern und Integratoren und ist ebenfalls
zwischen einer Verknüpfungsschaltung 83 und einer Aufteilungsschaltung 84 angeordnet.
Es entspricht in seiner Funktion dem Filter 47 in Fig.2, so daß sich in der Ausgangsleitung
6 des Summiergliedes 81 ein Wert ergibt, der der Summe aller Einzelschwingungen
der Massen mit den Trägheitsmomenten TM 1 bis TM6 entspricht. Diese Schwingung kann
dann im Summierglied 5 wie auch im ersten Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 mit
der gemessenen Schwingung des nachzubildenden Systems verglichen werden.