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Verfahren zur Erfassung der Horizontal komponente
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des Erdmagnetfeldes Die Erfindung betriff-t ein Verfahren zur Erfassung
der Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes mit einer Erdfeldsonde, deren Signale
einer ersten Auswerteschaltung zugeführt werden, zur Ermittlung der Größe und Richtung
der Horizontal komponente.
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Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 30 06 384 bekannt.
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Eine dort verwendete Erdfeldsonde enthält einen kardanisch gelagerten
Kern aus einem magnetischen, hochpermeablen Material. Der Kern ist von einer gleichmäßig
um diesen gewickelten Erregers pu 1 e umgeben, welche rn..i ttels einer periodischen
Spannung bzw. Strom derart angesteuert wird, daß der Kern weit genug in den Sättigungsbereich
ausgesteuert ist.
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Die vier Abgriffspulen sind über den Umfang um jeweils 90"
gegeneinander
versetzt angeordnet, wobei die einander diametral gegenüberliegenden Abgriffspulen
gegeneinander geschaltet sind. Durch Differenzbildung in diesen Abgriffspulenpaaren
hebt sich in diesen grundsätzlich die transformierte Spannung auf. Ein externes
Magnetfeld, insbesondere die Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes, bewirkt jedoch
eine Verschiebung des Arbeitspunktes auf der Magnetisierungskennlinie. Damit verbunden
ist eine Phasenverschiebung, die einen sich nicht aufhebenden Spannungsanteil zur
Folge hat. Dieser besteht im wesentlichen aus Harmonischen gerader Ordnung der Erregerfrequenz,
wobei deren Amplituden dem externen Magnetfeld proportional sind. In einer mit den
Abgriffspulen verbundenen Auswerteschaltung wird die zweite Harmonische der Erregerfrequenz
ausgewertet, um ein der Richtung des externen Magnetfeldes entsprechendes Signal
zu erhalten. Die Auswerteschaltung enthält ein Filter, welches das Nutzsignal, also
die zweite Harmonische der Grundfrequenz ausfiltert und einen phasenempfindlichen
Gleichrichter dem die Signale der Abgriffspulen abwechselnd über Schalter zugeführt
werden. Die gleichgerichteten Sionale gelangen über einen Analog-Di gital-Wandler
an einen Rechner, welcher aus Amplitude und Phasenlage der Signale die Richtung
des auf die Abgriffspulen einwirkenden Magnetfeldes bestimmt. Bekannterweise wirken
neben Erdmagnetfeld weitere Magnetfelder auf eine Erdfeldsonde ein. Besonders in
Ball ungsräumen, im Bereich von Starkstroml eitung bzw.
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Oberleitungen schienengebundener Fahrzeuge, treten Magnetfelder unterschiedlichster
Richtungen auf, die durch den oft nur geringen Ausbreitungsradius nicht durch gegengerichtete
Felder kompensiert werden können. Dadurch entstehen zwischenzeitlich Signale die
von diesen Störungen überlagert sind und bei der Auswertung grobe Fehler bewirken.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Erfassung der
Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes mit einer Erdfeldsonde anzugeben, mit welchem
Fehler bei der Bestimmung des Erdmagnetfeldes durch störend einwirkende Magnet felder
vermieden werden.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mittels einer zweiten Auswerteschaltung
eine Störung der Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes aufgrund weiterer Magnetfelder
durch Vergleich mehrerer Messungen des Betrages des resultierenden Magnetfeldes
festgestellt, und bei einer auftretenden Störung der Horizontal komponente die ermittelte
Richtung des resultierenden Magnetfeldes, bei der Auswertung nicht oder nur eingeschränkt
berücksichtigt wird.
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Das Verfahren geht davon aus, daß der Betrag der Horizontalkomponente
des Erdfeldvektors über Zeit und Ort annähernd konstant ist. Wird dem Erdmagnetfeld
ein magnetisches Störfeld überlagert, ändert sich in den meisten Fällen auch der
Betrag des resultierenden Magnetfeldvektors. Diese Änderung kann zur Erkennung einer
Störung benutzt werden.
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In einer vcrteilhaften Weise wird der Betrag der Horizontalkomponente
des ungestörten Erdmagnetfeldes durch Filterung der Sondensignale gewonnen. Dadurch
wird die ortsabhängige Änderung des Erdmagnetfeldes erfaßt. Dabei ist außerdem das
Verfahren unabhängig vom Absolutwert der Sondensi gnal e bzw.
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vom Abgleich der Verstärkung.
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Die Filterung besteht aus einem Tiefpaß mit unsymmetrischer Begrenzung
des Eingangssignals, welches von der Erdfeldsonde erzeugt wird, um den Wert des
AusgangssNgnals, dieses ist als Horizontalkomponentenwert bezeichnet. Bei einem
typischen
magnetischen Störfeld, beispielsweise verursacht durch
schienengebundene Fahrzeuge, liegt der Betrag des Störvektors in der Größenordnung
des Betrags des Erdfeldmagnetfeldes. Bei der Addition von betraosgleichen Vektoren
wird der Betrag des resultierenden Vektors nur innerhalb eines Winkel bereichs von
1200 kleiner, während er sich im Bereich von 240° vergrößert. Den Grenzfall bildet
das gleichseitige Dreieck. Um diese unsymmetrische Betragsänderung des resultierenden
Vektors durch Störfelder bei der Auswertung zu berücksichtigen, wird der Horizontalkomponentenwert
innerhalb zweier unsymmetrisch begrenzende Grenzwerte gelegt. liegt das Eingangssignal
außerhalb der Grenzwerte, so erfährt der Horizontalkomponentenwert und mit diesem
die Grenzwerte ei -ne Verschiebung in Richtung des Eingangssignals aufgrund der
Tiefpaßwirkung. Diese Verschiebung erfolgt auch dann, wenn das Eingangssignal innerhalb
der Grenzwerte liegt, allerdings mit einer kleineren Integrationskonstanten.
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Der so ermittelte Horizontalkomponentenwert weicht auch bei länger
andauernden Störungen nur gering von dem tatsächlichen Wert der Horizontal komponente
des Erdmagnetfeldes ab.
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Weicht das Eingangssignal von dem Horizontalkomoonentenwert um etwa
10%, je nach Genauigkei tsforderuno kann dieser Wert niedriger oder höher gewählt
werden, ab, so wird eine Störung erkannt. Aus den vorausgegangenen Messungen der
Erdmagnetfeldrichtung insbesondere -den letzten beiden Messungen wird der ungestCrte
Winkelwert durch Mittelwertbildung bestimmt und den weiteren Berechnungen zugrunde
gelegt. Das Ende der Störung wird erkannt, wenn bei zwei aufeinanderfolgenden Messungen
der Betrag des Eingangs, onals nicht mehr als einen bestimmten Prozentsatz, insbesondere
l0° von dem Horizontalkomponentenwert abweicht. Der
hierbei erhaltene
Winkelwert kann nun wieder den Berechnungen zugrunde gelegt werden. Besonders vorteilhaft
kann dieses Verfahren in einer Fahrzeugnavigationsanlage eingesetzt werden. Fahrzeugnavigationsanlagen
dieser Art werden bevorzugt in dicht besiedeltem Gebiet mit einem hohen Grad an
Störfelder eingesetzt. Hier macht sich eine wesentliche Verbesserung der Navigationsergebnisse
durch das beschriebene Verfahren bemerkbar. Unterscheiden sich die Winkelwerte die
vor Beginn und nach Ende der Störung ermittelt werden, so wurde während der Störung
eine Richtungsänderung vorgenommen. Diese Richtungsänderung kann in einer Ausgestaltung
der Erfindung dadurch erfaßt werden, daß die während der Störung zurückgelegte Strecke
an einen Bogen angenähert wird und die Fahrzeugausrichtung vor und nach der Störung
Tangenten an diesen Bogen bilden. Dieser Bogen kann auch durch das Festlegen von
drei gleichgroßen Streckenabschnitten ersetzt werden, die Richtung des ersten und
des letzten Streckenabschnitts stimmen mit der Richtung der Winkelwerte vor und
nach der Störung überein, während der mittlere Streckenabschnitt die Verbindung
der erstgenannten darstellt.
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Bei Kurvenfahrt wird in den meisten Fällen durch Scheinlotfehler eine
Vektorstörung sensiert, außerdem treten durch Beschleunigung oder Verzögerung weitere
Scheinlotfehler auf die ebenfalls Störungen vortäuschen. Deshalb erscheint es vorteilhaft
eine Kurvenfahrt während einer Störung zu erkennen und entsprechend zu berücksichtigen,
d. h. Scheinlotfehler zu kompensieren oder eine Berechnung der Navigationsdaten
aufgrund der Messungen der Winkelwerte vor und nach der Störung nur dann vorzunehmen,
wenn die Differenz der Winkelwerte nur einen bestimmten Wert beträgt, d.h. eine
maximale Fahrzeugdrehung nicht überschritten wurde. Dabei
wird
beispielsweise in einem Zwischenspeicher eine Koppelrechnung nach dem bekannten
Koppelnavi gationsverfahren mit den durch die Störung verfälschten Werten durchgeführt
und nach Ende der Störung anhand bestimmter Kriterien eine Auswahl über die für
die nachfolgende Berechnung der Navigationsdaten zu verwendende Daten getroffen.
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Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde,
daß bei einer bestimmten Betragsänderung des resultierenden Vektors,durch Addition
des Störvektors, der Winkel des resultierenden Vektors, in der weit überwiegenden
Mehrzahl der Fälle,einen bestimmten Betrag nicht überschreitet. Wird jedoch eine
größere Winkeländerung gemessen, so ist diese mit großer Wahrscheinlichkeit durch
eine Fahrzeugdrehung erzeugt worden. Daher wird ein Kurvenfaktor gebildet, welcher
als Ouotient aus Winkeländerung und Vektoränderung ein Maß für eine Kurvenfahrt
darstellt.
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Aus großen Winkeländerungen bei relativ kleinen Vektoränderungen resultiert
ein großer Kurvenfaktor. Je größer der Kurvenfak tor wird, um so größer wird auch
die Wahrscheinlichkeit, daß tatsächlich eine Kurve vorliegt. iibersteigt der Kurvençektor
einen Grenzwert während einer Magnetfeldstörung öfter als 3 mal, so wird dies als
Kurve interpretiert und anschließend keine Korrekturrechnung durchgeführt.
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Der Grenzwert des Kurvenfaktors wurde in der Auswertung so festgelegt,
daß kurze S-Kurven, bestehend aus 90"-Kurven, noch deutlich erkannt werden. Der
Widerholungsfaktor 3 wurde gewähitj damit einzelne Ergebnisse z.3. während einer
Störflanke
nicht sofort als Kurvenfahrt interpretiert werden.
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Während einer Störung wird die Koppel rechnung mit dem gestörten Sondenwinkel
weiter durchgeführt. Zusätzlich wird der zurückgelegte bzw. einlaufende Weg in einem
Zwischenspeicher sowie die verrechneten Koodinateni nkremente aufsum-Wert.
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So liegen auch während einer Störung aktuelle (wenn auch fehlerbehaftete
Positionskoordi naten) vor. Am Ende einer Störung wird nach dem zuvor beschriebenen
Verfahren entschieden ob eine Kurve durchfahren wurde. Wenn ja, werden die während
der Störung berechneten Positionskoordinaten beibehalten und keine Korrekturrechnung
durchgeführt. Im anderen Fall wird zunächst auf die Positionskoordinaten zu Beginn
der Störung zurückgerechnet.
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Mit dem eingelaufenen Weg und den Winkelwerten zu Beginn und am Ende
der Störung sowie dessen Mittelwert kann nun die Korrekturrechnung in bekannter
Wiese durchgeführt werden.
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Da die Winkeländerung zwischen Beginn und Ende der Störung nun maximal
45" betragen kann, ist es ausreicherd, wenn je die Hälfte des eingelaufenen Weges
mit dem Winkel vor und nach der Störung verrechnet wird.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus
den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels naher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild
mit einer Erdfeldsonde und nachgeschalteter Auswerteschaltung Fig, 2 in einer Flußdiagrammdarstel
1 ung der Verfahrensablauf Fig. 3 ein Teilablauf des Verfahrens Das im folgenden
dargestellte Ausführungsbeispiel findet seine Anwendung in einer Fahrzeugnavi gationsanl
age. Hierbei dient eine Erdfeldsonde zur Richtungserkennung bzw. als Bezugsrichtungsgeber,
wobei natürlich vorausgesetzt wird, daß die Sonde fahrzeugfest angeordnet ist. Ein
Weggeber beispielsweise in der Art eines Drehzahlmessers zur Messung der Raddrehzahl
ermittelt die zurückgelegte Fahrzeugstrecke. Aus Fahrstrecke und Fahrzeugausrichtung
ist der Kurs und anhand der bekannten Koppel rechnung die Position zu erkennen.
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in Fig. 1 ist ein Meßgeber 1 dargestellt, an dessen Ausgängen 2, 3
Signale anstehen, die zumindest Anteile aufweisen, deren Amplituden sich mit dem
Kosinus bzw. Sinus der Winkel -stellung zu eines Magnetfeldes in Richtung des Pfeiles
H ändern. Ist der Meßgeber beispielsweise als Revolver ausgebildet, dessen Sekundärwicklungen
4, 5 räumlich senkrecht zueinander angeordnet sind, so wird durch die an der Primärwicklung
(nicht dargestellt) liegende Eingangs-Wechselspannung mit der Frequenz f1 ein magnetisches
wechselfeld in Richtung des Pfeiles H erzeugt. Ist der Meßgeber hingegen als Erdfeldsonde
ausgebildet, so sei durch die Richtung des Pfeiles H das Erdmagnetfeld angedeutet
und mit 4 bzw. 5 die jeweils hintereinander geschalteten, diametral auf einem Ringkern
gegenüberliegenden Sekundärwicklungen. Die Spannungen an den Ausgängen 2, 3 der
Erdfeldsonde setzen sich zusammen aus der durch Unsymmotrien bedingten Grundwelle,
welche
die gleiche Frequenz f1 aufweist wie die Eingangswechselspannung an der ringförmigen
Primärwicklung, sowie ihrer zweiten harmonischen Schwingung und aus Oberwellen höherer
Ordnung. Die Amplituden der zweiten harmonischen Schwingung ändern sich mit dem
Kosinus bzw. Sinus der Winkelstellung zur Erdfeldrichtung. Die Ausgänge 2, 3 sind
mit zwei gegensinnig drehenden RC-Brücken 6, 7 verbunden, wobei für die ohmschen
bzw. kapazitiven Widerstände die Bedingung R = 1/4 n f1 C gilt. Bei dieser Dimensionierung
wird die zweite harmonische Schwingung derart gedreht, daß zwischen dem Phasenwinkel
a , der an den Brückenausgängen 8,9 anstehenden phasenbeweglichen Signalen U1 und
U2 und der Winkelstellung e die Beziehung besteht: e = 2 a + 90".
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Die Signale gelangen zu der ersten Auswerteschal tung 14 die sowohl
den Winkel e als auch den Betrag des Vektors H ermittelt. Dieser Vektor beinhaltet
den Erdmagnetfeldvektor, bzw. ein durch diesen und Störfel der verursachter resultierender
Vektor. Betrag und Richtung des resultierenden Vektors werden über Signalleitungen
21, 22 einer weiteren Auswerteschaltung 15 zugeführt, die anhand Vergleiche zeitlich
aufeinander folgender Meßwerte einen Störvektor erkennt und entsprechende Steuersignale
über Leitung 20 an d;e Auswerteschaltung 14 abgibt. Diese bildet aus der aus der
zweiten Harmonischen der Erregerfrequenz abl ei tbaren Winkelstellung des Vektors
H und aus Wegsignalen die der Weggeber 16 erzeugt sowie den Steuersignalen den momentanen
Kurs und Standort des Fahrzeuges und führt diese einer Anzeigeeinheit 17 zu.
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Nachfolgend ist der Ablauf der Störvektorerkennung mit der Auswerteschaltung
15 anhand yon Flußdiagrammen daroestellt.
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zur besseren Übersichtlichkeit des Verfahrens wird auf eine Erläuterung
eines Schaltungsaufbaus zur Durchführung des Verfahrens verzichtet. Zumal mittels
eines Mi crop rozess ors das gesamte Verfahren in einfacher Weise durchgeführt werden
kann.
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Fig. 2 beschreibt in Flußdiagrammdarstellung den Ablauf des obengenannten
Verfahrens.
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Zuerst wird in Block 1 die proportionale Abweichung VD zwischen dem
ungestörten Horizontalkomponente VM und dem von der Sonde ermittelten resultierenden
Vektor VO berechnet, wobei VM in einem weiter unten beschriebenen Unterprogramm
ermittelt wird. Ist VD größer als eine Konstante K1;beispielsweise 10%, (Block 3)
so wird der zugehörige Fahrzeugwinkel bzw. die ermittelte Richtung des Erdmagnetfeldes
als gestört gewertet.
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In Block 2 wird der ermittelte Richtungswinkel AO mit A1 definiert,
der durch die Sonde ermittelte Richtungswinkel ALPHA erhält die Definition AO. Mittels
einer Ablaufsteuerung (Block 5) wird mit einem sogenannten Flag IFL die Abfolge
der Verfahrensabläufe festgelegt. Ist ein gectörter Fahrzeugwinkel festgestellt,
so wird in Block 4 das Flag auf den Wert -1 gesetzt und nachfolgend die von dem
Weggeber einlaufenden Weginkremente DS in einem Speicher DSZ aufsummiert.
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Ebenfalls wird die Winkeländerung DA die aus den kontinuierlich ermittelten
Richtungswinkel ALPHA gebildet ist aufsummiert. In Block 7 wird aus den letzten
beiden Richtungswinkeln AO, Al ein Mittelwert der mit A2M bezeichnet und abgespeichert
ist, gebildet und in Block 8 durch Koppelrechnuno aus eingelaufenem Weg DS und Winkel
A2M die aktuellen Standortkoordinaten E als Ostwert und N als Nordwert ermittelt.
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Die aus der Koppel rechnung resultierenden Koordinatenänderungen DE
der Ostkoordinate und DN der Nordkoordinate
werden in dem Speicher
DE1, DN1 aufsummiert. Weiter wird in Abfrageblock 10 und Block 11 VD auf den Wertebereich
VD > K1 begrenzt und unter der Bedingung, daßtDAi> 45" ist, (Block 12) wird
ein Kurvenfaktor KF in Block 13 berechnet und in Block 14 mit einem bestimmten Grenzwert
KFGR verglichen. Ist die Bedingung KF > KFGR erfüllt, dann wird ein Speicherinhalt
KZAHL, der zu Beginn des Verfahrens auf 0 gesetzt wurde um 1 erhöht (Block 15),
zum Schluß wird das Flag IFL inkrementiert und damit auf den Wert 0 gesetzt (Block
16).
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Das erste Mal nach Auftreten einer Störung (VD > K1) ist das Flag
IFL auf Q gesetzt und damit wird noch einmal die gleiche Rechnung wie während der
Störung durchgeführt. Dac 2. Mal nach einer Störung ist IFL auf 1 gesetzt. Der Speicher
A2M1 enthält noch den letzten gemittelten Winkelwert vor der Störung. Dieser wird
nun nach A2M3 zwischengespeichert (Block 17).
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Die Winkeländerung DA wird ebenfalls in Block i7 aufsummiert und die
Koppel rechnung mit dem Mittelwert der beiden letzten Sondenwinkel A2M1 und dem
Weg DS durchgeführt (Block 18,19).
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Danach wird entschieden, ob während der Störung eine Kurve durchfahren
wurde (Block 20). Ist 1 DA 1> 45" oder der Speicherinhalt KZAHL > 3, liegt
eine Kurve vor, und es wird keine Korrekturrechnung durchgeführt (Block 21). Bei
der Korrekturrechnung wird je die Hälfte des Weges DSZ (Block 22) mit dem Winkel
vor der Störung A2M3 (Block 23) und nach der Störung A2M1 (Block 24) verrechnet
und als Koordinatenänderung DE2 und DN2 zwischengespeichert. Darauf werden von den
Positionskoordinaten E und N die während der Störung
addierten
Anteile DE1 und DN1 subtrahiert und die korrigierten Werte DE2 und DN2 addiert (Block
25).
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Am Ende dieses Zweiges werden die während einer Störung benötigten
Zwischenspeicher DSZ, DS, DE1, DN1 KZAHL gelöscht (Block 26) und IFL inkrementiert
(Block 16). Damit hat IFL den Wert 2. Bis zur nächsten Störung wird nur noch die
normale Koppel rechnung (Block 27, 28) durchgeführt.
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Der Horizontalkomponentenwert VM wird in einem Unterprogramm (Block
29) berechnet, gleichzeitig wird hier auch eine Begrenzung des Eingangssignals VO
vorgenommen. Ist das Eingangssignal VO größer als der obere zulässige Grenzwert
(Block 30), in dIesem Falle 1,05 VM so wird VO auf den Wert 1,05 VM gesetzt (Block
31), anderenfalls behält VO seinen Wert. In einer zweiten Abfrage (Block 32) wird
geklärt, ob VO sich innerhalb des unteren Grenzwertes, in diesem Fall 0,9 VM, befindet,
auch hier wird eine Begrenzung von VO innerhalb der festgelegten Grenzen erreicht
(Block 33). Anschließend wird VM neu berechnet (Block 34), wobei mit RK eine Verstärkungskonstante
bezeichnet ist, die in der Größenordnung von 0,01 liegt und dadurch ein langsames
Einschwingen des Horizontalkomponentenwertes auf das mittlere Eingangssignal bewirkt.
Das Unterprogramm wird bei jedem neuen Eintreffen des Eingangssignals wiederholt.
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