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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lager zum Abstützen bzw.
Tragen von Lasten an Trägerstrukturen,
und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Traglager für Maschinen
in Schiffen.
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Es
werden traditionell passive Federn oder Gummilager benutzt, um Maschinen
in Schiffen abzustützen
und um die Übertragung
des Maschinenlärms
auf den Rumpf derartiger Schiffe zu vermeiden. Es gibt einen grundlegenden
Konstruktionskompromiss zwischen der Begrenzung der Bewegung der Maschine
relativ zum Rumpf und der Vibrationsisolation. Steifere Federn begrenzen
die Bewegungen der Maschine besser, aber verschlechtern das Isolationsverhalten
und umgekehrt. Weiter ist die auf den Schiffsrumpf übertragene
Kraft allein abhängig
von der örtlichen
Versetzung gegenüber
der Gleichgewichtsstellung der Federn und der Frequenz der Vibration.
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Beträchtliche
Verbesserungen im Hinblick auf die Lagerung von Maschinen in Schiffen
wurden möglich
durch Benutzung elektromagnetischer Schwebe-Traglager bzw. -Stützlager
und durch die elektronische Steuerung derartiger elektromagnetischer
Lager, die im Folgenden als "Stützaktoren" bezeichnet werden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf diese Stützaktoren
bzw. Tragaktoren und Verfahren zur räumlichen Kopplung von Elektromagneten,
um die Anker derartiger Elektromagneten derart aufzuhängen oder
abzustützen,
dass die Bewegung von Elektromagnet oder Traganker die Kraft, die
zwischen dem Elektromagneten und dem Traganker wirkt, nicht wesentlich ändert. Außerdem bezieht
sich die Erfindung auf eine Traglagervorrichtung, die mehrere Tragaktoren
aufweist.
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Es
ist gegenwärtig
möglich,
einen eine vibrierende Last tragenden Anker magnetisch mit einer darüberliegenden
Bezugsstruktur zu koppeln, indem ein Elektromagnet benutzt wird,
der in der Bezugsstruktur montiert ist. Der Elektromagnet erzeugt
bei Erregung mit einem geeigneten festen Strom ein Magnetfeld, das
eine Anziehungskraft auf den Traganker ausübt, so dass dieser Traganker
nach oben nach dem Elektromagneten angezogen wird, wenn der Traganker
in dem Magnetfeld befindlich ist. Die Anziehungskraft ist der Schwerkraft
entgegengesetzt, die auf die Last einwirkt. Es ist klar, dass ein physikalischer
Spalt zwischen dem Traganker und dem Elektromagneten besteht und
dass Vibrationen der am Traganker montierten Last Veränderungen
in dem physikalischen Spalt verursachen, wenn eine Vibration stattfindet.
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Ein
Elektromagnet kann als Vorrichtung mit einem Zweifacheingang und
einem Einfachausgang betrachtet werden. Der Ausgang ist die Anziehungskraft,
die durch das Magnetfeld auf den Traganker ausgeübt wird. Die Anziehungskraft
ist abhängig
von den Eingängen,
und der erste Eingang wird von dem Strom gebildet, der benutzt wird,
um den Elektromagneten zu erregen, und der zweite Eingang ist abhängig von
der Größe des Spaltes.
Beispielsweise steigt die Anziehungskraft, die auf den Traganker
ausgeübt wird,
an, wenn der Traganker dichter am Elektromagneten liegt, d.h. wenn
die Größe des Spaltes
vermindert wird, und die Anziehungskraft fällt ab, wenn der Traganker
weiter von dem Elektromagneten entfernt liegt, d.h. die Größe des Spaltes
steigt an. Die durch den Elektromagneten auf den Traganker ausgeübte Kraft
ist analog einer kräftigen
negativen Feder.
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Wenn
jedoch der gleiche elektromagnetische Aktor benutzt wird, um eine
Struktur im Abstand zu einer Bezugsstruktur abzustützen und
um Resonanzen zu verhindern oder zu dämpfen, die in der Struktur
durch die Wirkungen von Vibrationen der Struktur verursacht werden,
dann müssen
zusätzliche
Kräfte
zwischen dem Traganker bzw. dem Stützanker und dem Elektromagneten
eingeführt
werden. Die Erzeugung dieser zusätzlichen
Kräfte
führt unvermeidbar
zu einem Kompromiss der Vibrationsisolation zwischen dem Traganker
und dem Elektromagneten.
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Bei
einem bekannten Tragaktor wird eine Rückkopplungssteuerung hoher
Verstärkung
von einem magnetischen Flusssensor bei einem Elektromagneten benutzt,
um zu versuchen, die stark negative Feder in eine schwach negative
Feder umzuwandeln, so dass eine präzisere Steuerung der Anziehungskraft
des Elektromagneten möglich
wird. Die Rückkopplung
mit hoher Verstärkung
kann jedoch nicht über
einen unendlichen Bereich von Lastvibrationsfrequenzen aufrecht
erhalten werden, und in der Praxis fällt die Verstärkung der
Rückkopplung
auf Null ab, wenn sich die Frequenz erhöht. Diese Wirkung, die gelegentlich
als "roll oft" bezeichnet wird, bewirkt
eine Änderung
in der Phase und die schwach negative Feder tendiert dann zu einem
Verhalten, das einem negativen Dämpfer
in diesem "roll off"-Frequenzbereich ähnlicher
wird. Dies führt
wiederum Energie in die Veränderungen
im physikalischen Spalt ein, die leicht irgendeine strukturelle
Resonanz in diesem "roll
off"-Frequenzbereich
erregen und unerwünschte
Resonanzen in der abgestützten Struktur
erzeugen können.
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Diese
oben erwähnten
Nachteile sind bei einem weiter bekannten System vermieden, bei
dem ein Spaltsensor oder ein Proximeter vorgesehen ist, um Veränderungen
in dem physikalischen- Spalt zu detektieren und so flussdichte Veränderungen
im Magnetfeld vorherzusehen. Der Ausgang des Proximeters wird benutzt,
um ein Mitkopplungssteuersignal einem Stromsteuergerät zuzuführen, das
einen variablen Strom dem Elektromagneten liefert. Eine Rückkopplungssteuerung
vom Flusssensor, die die tatsächlichen
Veränderungen
in der magnetischen Flussdichte misst, kann auch benutzt werden,
um den Stromregler derart einzustellen, dass das Signal verfeinert
wird, das durch die Mitkopplungssteuervorrichtung geliefert wird.
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Durch
Bestimmung der richtigen Übertragungsfunktion
für den
Stromregler ändert
die Mitkopplungssteuerung radikal die Charakteristiken des Elektromagneten
derart, dass er sich verhält
wie eine schwach positive Feder mit Phasenverschiebungen, die der
sich vergrößernden
Frequenz zugeordnet sind, was bewirkt, dass sich der Elektromagnet
als positiver Dämpfer
verhält.
Der Mitkopplungssteuerpfad kann eine sehr breite Bandbreite besitzen,
die breiter ist als jene, die durch eine einfache Rückkopplungssteuerung
erreicht wird, aber die Präzision
der Steuerung ist abhängig
von der Präzision
der Messung des physikalischen Spaltes, der benutzt wird, um die Übertragungsfunktion
zu bestimmen.
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Die
Rückkopplungssteuerung
mit hoher Verstärkung,
die vom Flusssensor geliefert wird, modifiziert weiter die Charakteristiken
des Elektromagneten, um dessen Verhalten einer noch schwächer positiven
Feder anzunähern.
Wenn demgemäß die Rückkopplungssteuerung
vom Flusssensor mit sich vergrößernder
Frequenz abfällt,
dann erzeugen die zugeordneten Phasenverschiebungen, die durch die Mitkopplungssteuerung
vom Spaltsensor verursacht werden, eine positive Dämpfung im
Elektromagneten, wodurch Energie aus irgendwelchen Veränderungen
im physikalischen Spalt im "roll
off"-Frequenzbereich
extrahiert wird. Daher wird jede strukturelle Resonanz im "roll off"-Frequenzbereich
gedämpft,
und es wird keine weitere Resonanz im Traganker erzeugt.
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Die
Feststellung der Flussdichte, die vom Elektromagneten erzeugt wurde,
ist zweckmäßig zur Messung
von Kraftänderungen
bei kleinen Änderungen
im physikalischen Spalt. Es können
jedoch keine Kraftänderungen
für größere Änderungen
im physikalischen Spalt gemessen werden. Der Erfinder hat erkannt,
dass dies eine Folge des Magnetfeldes ist, das seine Form und seine
Stärke
bei großen
Spaltänderungen ändert, derart,
dass die Messung von Flussdichte-Änderungen
nicht mehr die tatsächliche Kraftänderung
reflektiert.
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Weiter
hat die Steuerung der strukturellen Resonanz, die von einer vibrierenden
Last zwischen einem Elektromagneten und einem Traganker erzeugt
wurde, bisher die Erzeugung zusätzlicher
Kräfte
zwischen dem Elektromagneten und dem Traganker erfordert. Die Erzeugung
derartiger Kräfte
hat jedoch den Nachteil eines Kompromisses der Vibrationsisolation
zwischen dem Traganker und dem Elektromagneten.
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Die
US-A-5,387,851 beschreibt eine Regelschleife, die Frequenzfilter
benutzt, um die Breite eines Luftspaltes in einem elektromagnetischen Schwebesystem
zu regeln. Das Ziel besteht darin, den Magnetfluss und demgemäß die Schwebekraft konstant
zu halten. Es sind jedoch weitere Verbesserungen bei der Behandlung
der auftretenden Bewegung der Masse erwünscht, die abgestützt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile zu mildern
oder auszumerzen, die bekannten vorstehend erwähnten Tragaktoren zugeordnet
sind.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Traglagervorrichtung
mit mehreren elektromagnetischen Tragaktoren, die in einer Gruppierung
angeordnet und mit dem Fundament einer Last derart gekoppelt sind,
dass die Last durch einen elektromagnetischen Schwebevorgang getragen
wird, wobei jeder Tragaktor einen Stromregler aufweist, der einen variablen
Strom erzeugt und ein Elektromagnet derart geschaltet ist, dass
er den variablen Strom empfängt
und ein von dem variablen Strom abhängiges Magnetfeld erzeugt,
wobei ein Traganker vom Elektromagneten durch einen Arbeitsspalt
getrennt ist und durch das Magnetfeld getragen wird und wobei Steuermittel
die Kraft erkennen, die vom Elektromagneten erzeugt wird und den
Stromregler in Abhängigkeit von
Veränderungen
in der erzeugten Kraft betätigen und
die Steuermittel so angeordnet sind, dass der variable Strom im
Elektromagneten derart geändert wird,
dass die erzeugte Kraft im Wesentlichen einem gegebenen Kraftbedarfswert
gleich ist, während
der Spalt sich ändern
kann, gekennzeichnet durch wenigstens ein Sensormittel, das auf
dem Fundament gelagert und so angeordnet ist, dass es ein Signal
erzeugt, das eine Bewegung des Fundamentes anzeigt, wobei ein Gesamtsteuergerät betriebsmäßig so angeordnet
ist, dass es das Bewegungssignal von jenem Sensormittel empfängt und
den gegebenen Kraftbedarfswert gemäß wenigstens einem Starrkörpermodus
des Fundamentes erzeugt.
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Gemäß der Erfindung
kann die durch einen Elektromagneten erzeugte Kraft direkt gemessen und
so verändert
werden, dass sie im Wesentlichen gleich ist einem gegebenen Kraftbedarfswert.
Die erzeugte Kraft ist unabhängig
von dem Betriebsspalt zwischen dem Elektromagneten und dem zugeordneten
Traganker. Diese Vibrationsisolation wird aufrecht erhalten, da
keine Änderung
in der vom Tragaktor erzeugten Kraft infolge der Resonanz des Tragankers
erfolgt. Es ist klar, dass der Traganker normalerweise an einer
Last montiert wird, die vibriert und eine Resonanz verursachen kann
und dass die Resonanz des Tragankers ein Ansprechen in der Resonanz
der Vibrationslast ist, die daran festgelegt ist. Im Kontext dieser
Beschreibung ist der Kraftbedarfswert jener Wert, der durch ein
getrenntes Gesamtsystem bestimmt wird, damit selektiv ein jeweiliger
Starrkörpermodus
einer Struktur gesteuert werden kann, die von einem oder mehreren
Tragaktoren getragen wird. Dieser Tragaktor ermöglicht eine Steuerung der durch
den Elektromagneten über
größere Frequenzbereiche
erzeugten Kraft und über
größere Amplitudenspaltvariationen
als es möglich
wäre, wenn
eine einfache Rückkopplungssteuerung
von einem magnetischen Flusssensor benutzt würde oder wenn eine Kombination
einer Mitkopplungssteuerung von einem Spaltsensor und eine Rückkopplungssteuerung von
einem Flusssensor benutzt würde.
Außerdem
erzeugt jeder Tragaktor keine zusätzlichen Kräfte zwischen dem Elektromagneten
und dem Traganker.
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Die
ersten Steuermittel können
ein Dehnungsmessgerät
aufweisen, um die Kraft festzustellen, die vom Elektromagneten erzeugt
wird. Die ersten Steuermittel können
so angeordnet werden, dass sie ein erstes Steuersignal erzeugen,
das von der Kraft abhängt,
und das erste Steuersignal kann das Stromsteuergerät betätigen. Die
ersten Steuermittel können
in einem Rückkopplungspfad
vom Dehnungsmessgerät
nach dem Stromsteuergerät
angeordnet werden. Das Dehnungsmessgerät kann zwischen dem Traganker
und einer Lagerposition für den
Traganker angeordnet werden. Das Dehnungsmessgerät kann ein Dehnungsmessstreifen
sein.
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Vorzugsweise
können
zweite Steuermittel vorgesehen werden, um Änderungen im Betriebsspalt
festzustellen und das Stromsteuergerät in Abhängigkeit von Änderungen
im Betriebszustand so einzustellen, dass Kraftänderungen vorhergesagt werden.
Die zweiten Steuermittel können
so angeordnet sein, dass der Strom im Elektromagneten geändert wird,
wodurch die Kraft im Wesentlichen konstant gehalten wird, während sich
der Betriebsspalt ändern
kann. Die zweiten Steuermittel können
einen Spaltsensor aufweisen, der Veränderungen im Betriebsspalt
feststellt. Die zweiten Steuermittel können so angeordnet werden,
dass ein zweites Steuersignal erzeugt wird, das von Veränderungen
im Betriebsspalt abhängig
ist, und das zweite Steuersignal kann so angeordnet werden, dass
das Stromsteuergerät
betätigt
wird. Die zweiten Steuermittel können in
einem Rückkopplungspfad
vom Spaltsensor nach dem Stromsteuergerät angeordnet werden. Die Arbeitsweise
des Stromsteuergerätes
kann durch eine Übertragungsfunktion
einer Beziehung zwischen einem gegebenen Kraftbedarfswert dem zweiten
Steuersignal und dem variablen Strom bestimmt werden, der dem Elektromagneten
zugeführt
wird und das Stromsteuergerät
ist derart ausgebildet, dass der variable Strom in Abhängigkeit
von der Übertragungsfunktion
erzeugt wird.
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Der
Tragaktor kann so angeordnet werden, dass Vibrationskräfte zwischen
einer durch den Elektromagneten getragenen Last und einer Trägerstruktur
isoliert werden, an der der Traganker montiert ist, oder stattdessen
kann der Tragaktor so angeordnet werden, dass die Vibrationskräfte zwischen
einer vom Traganker getragenen Last und einer Trägerstruktur isoliert werden,
an der der Elektromagnet montiert ist.
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Die
den Traganker tragende Struktur und der Elektromagnet können mechanisch
und elastisch miteinander, beispielsweise durch eine oder mehrere mechanische
Federn, verbunden werden. In diesem Fall ist das Dehnungsmessgerät oder die
Belastungszelle so angeordnet, dass die Gesamtkraft gemessen wird,
die durch die Federn und den Elektromagneten erzeugt werden. Diese
Federunterstützung
trägt einen
Teil der Last und vermindert die Größe des erforderlichen Elektromagneten.
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Die
Last ist vorzugsweise an einem Lagerfundament montiert und die Tragaktoren
sind gruppenweise zwischen dem Lagerfundament und einer Trägerstruktur
angeordnet, so dass das Lagerfundament getragen wird.
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Das
Gesamtsteuergerät
ist betriebsmäßig derart
angeordnet, dass das Datensignal von jedem Beschleunigungsmesser
und das zweite Steuersignal von jedem Spaltsensor empfangen wird
und der gegebene Kraftbedarfswert gemäß wenigstens einem Starrkörpermodus
des Lagerfundamentes erzeugt wird. Das Gesamtsteuergerät kann eine
modale Matrix-Zerlegungsfunktion aufweisen, die derart angeordnet
ist, dass wenigstens ein Starrkörpermodus
des Lagerfundamentes aus dem Datensignal und dem Steuersignal und
einer inversen modalen Matrixfunktion identifiziert wird, um einen
geeigneten gegebenen Kraftbedarfswert für jeden Aktor in Abhängigkeit
von dem identifizierten Starrkörpermodus zu
erzeugen.
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Die
jeden Tragaktor tragende Struktur kann mechanisch und elastisch
mit dem Lagerfundament, beispielsweise durch eine oder mehrere mechanische
Federn, verbunden werden, um die Aufnahme der Last zu unterstützen und
die Größe des erforderlichen
Elektromagneten zu verringern.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur räumlichen
Kopplung eines Tragankers mit einem Elektromagneten, welches Verfahren
die folgenden Schritte umfasst:
es wird ein Kraftbedarfswert
entsprechend einem gewünschten
Starrkörpermodus
jener Struktur erzeugt, die durch das Magnetfeld getragen wird,
das durch Zusammenwirken von Anker und Elektromagnet erzeugt wird,
es
wird dem Elektromagneten ein Strom zugeführt, um ein vom Strom abhängiges Magnetfeld
zu erzeugen und es wird das Magnetfeld derart angeordnet, dass der
Traganker mit einem Arbeitsspalt dazwischen getragen wird,
es
wird der Strom in Abhängigkeit
von dem Kraftbedarfswert geregelt, und
es wird der Arbeitsspalt
zwischen dem Traganker und dem Elektromagneten dadurch eingestellt,
dass die vom Elektromagneten erzeugte Kraft festgestellt und der
von der Kraft abhängige
Strom eingestellt wird, wodurch eine Kraft erzeugt wird, die im
Wesentlichen gleich ist dem Kraftbedarfswert, wobei sich jedoch
der Arbeitsspalt ändern
darf.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele anhand
der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 veranschaulicht
in allgemeiner Form die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
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2 veranschaulicht
den Tragaktor gemäß der Erfindung;
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3 veranschaulicht
eine alternative Ausbildung des Tragaktors gemäß 2;
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4 veranschaulicht
schematisch in einem Blockschaltbild die Gesamtsteuerung von mehreren Tragaktoren
gemäß der Erfindung;
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5 veranschaulicht
schematisch einen gegenüber 2 und 3 abgewandelten
Tragaktor; und
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6 ist
ein Blockschaltbild eines Gesamtsteuer-Kraftbedarfs-Erzeugungssystemsfür ein Tragaktorsystem
eines Schiffes.
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Gemäß 1 umfasst
eine Trägervorrichtung
ein Lagerfundament 10 aus mehreren flexiblen, quer übereinander
liegenden Trägern 11 und 12,
wobei das Lagerfundament 10 eine nicht dargestellte Last
abstützt.
Auf dem Lagerfundament 10 sind außerdem mehrere Tragaktoren 13 montiert,
die aus einem Traganker 14 bestehen, der im Abstand von
einem Elektromagneten 15 liegt, der ein nicht dargestelltes
Magnetfeld derart erzeugt, dass der Traganker 14 im Abstand
gegenüber
dem Elektromagneten 15 gehalten wird, um dazwischen einen
Betriebsspalt 16 zu definieren.
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Es
ist verständlich,
dass durch Benutzung von Tragaktoren 13 Lagerfundamente 10 benutzt werden
können,
um eine nicht dargestellte vibrierende Last abzustützen, beispielsweise
eine Maschine. Demgemäß kann das
Lagerfundament 10 flexibel sein, dass jede Resonanz, die
von der Last übertragen
wird, vollständig
durch die Tragaktoren 13 ignoriert wird, wenn diese richtig
gesteuert werden.
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Wenn
das Lagerfundament 10 unendlich steif wäre, dann gäbe es überhaupt keine Resonanz und
die Gesamtsteuerung wäre
sehr einfach. Es ist jedoch zu erwarten, dass das Lagerfundament 10 in Resonanz
gerät,
wenn die Resonanzfrequenzen des Lagerfundamentes 10 erregt
werden.
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Der
Erfinder hat erkannt, dass zum Erreichen einer kollektiven oder
globalen Steuerung aller Tragaktoren 13 jeder Tragaktor 13 so
gestaltet werden muss, dass eine Kraft erzeugt wird, die sich nicht
mit Änderungen
des Betriebsspaltes 16 ändert,
wobei die Änderungen
des Betriebsspaltes durch Resonanzen verursacht werden können, die
durch die Last erzeugt werden. Die Kraft ist abhängig von einem gegebenen Kraftbedarfswert,
der durch ein nicht dargestelltes Gesamtsteuergerät diktiert
wird und die Kraft sollte sich nur dann ändern, wenn das Gesamtsteuergerät bestimmt,
dass sich ein gegebener Kraftbedarf ändern sollte. Demgemäß können die
Kräfte,
die durch die Tragaktoren 13 erzeugt werden, durch Veränderung
eines gegebenen Kraftbedarfs für
jeden Tragaktor 13 geändert werden,
so dass das Lagerfundament 10 in einer gegebenen ursprünglichen oder
gewünschten
Position verbleibt.
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Der
Erfinder hat weiter erkannt, dass durch Abstützen des Lagerfundamentes 10 in
seinem Festkörpermodus,
das ist die mittlere Bewegung des Lagerfundamentes 10,
die Festkörpermoden
nicht durch irgendeine Kraftverteilung erregt werden können, die
ein lineares Gesamtmoment von Null oder ein gesamtes Winkelmoment
von Null aufweisen. Da alle Biegemoden des Lagerfundamentes 10,
d.h. die Resonanzen, die auf das Lagerfundament 10 einwirken,
lineare Gesamtmomente und lineare Winkelmomente von Null haben,
beeinflussen diese nicht die Festkörpermoden-Steuerung des Lagerfundamentes 10 und
sie sollten keine zusätzlichen
Gesamtbedarfskräfte
auf eine Lagerposition (nicht dargestellt) erzeugen, auf der der
Elektromagnet 15 montiert ist.
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Da
die Starrkörpermoden
der Erregung des Lagerfundamentes 10 senkrecht zu seinen
strukturellen Erregermoden verlaufen, ist es für eine Gesamtsteuerung möglich, die
Starrkörpermoden
auszufiltern und einfach alle strukturellen Moden zu ignorieren,
die erregt werden.
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2 veranschaulicht
das Basisprinzip der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung, wobei
ein Tragaktor 20 einen Elektromagneten 21 aufweist,
der betriebsmäßig über ein
Stromsteuergerät 23 mit
einer Eingangsstromquelle 22 verbunden und so angeordnet
ist, dass ein Magnetfeld 24 erzeugt wird, das eine veränderbare
Intensität
gemäß einem
veränderbaren
Strom 25 hat, der über
das Stromsteuergerät 23 zugeführt wird.
Die Intensität
des Magnetfeldes 4 wird in der Weise gesteuert, dass gewährleistet
wird, dass der Elektromagnet 21 von einem Traganker 26, der
eine nicht dargestellte Last trägt,
durch einen Betriebsspalt 27 getrennt ist.
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Dies
wird dadurch erreicht, dass betriebsmäßig eine Lastzelle 28 zwischen
den Traganker 26 und eine Lagerposition 29 für den Traganker 26 geschaltet
wird. Ein durch ein nicht dargestelltes Gesamtsteuergerät zugeführtes Gesamtkraftbedarfssignal
D wird dem Stromsteuergerät 23 so
zugeführt,
dass die gegebene Kraft bestimmt wird, die notwendigerweise durch
den Tragaktor 20 erzeugt werden muss, damit dann, wenn
der Tragaktor 20 in Betrieb mit mehreren anderen Tragaktoren 20 ist,
der gegebene Kraftbedarf D auf die Steuerung der Starrkörperbewegungen einwirkt.
Eine Gesamtsteuerung von mehreren Tragaktoren 20 unter
Benutzung eines Gesamtsteuergerätes
wird weiter unten in Verbindung mit 4 beschrieben.
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Die
Lastzelle 28 erzeugt ein erstes Steuersignal 30,
das Änderungen
in der vom Magnetfeld 24 erzeugten Kraft repräsentiert
und auf eine Last wirkt, die auf der Lagerposition 29 montiert
ist, und durch Zuführung
des ersten Steuersignals 30 nach hinten längs eines
Rückkopplungssteuerpfades 31 nach dem
Stromsteuergerät 23 wird
der variable Strom 25 eingestellt.
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Die
Arbeitsweise des Stromsteuergerätes 23 wird
durch den Rückkopplungssteuerpfad 31 mit
hoher Verstärkung
bestimmt, der versucht, das erste Steuersignal 30 im Wesentlichen
gleich dem gegebenen Bedarfskraftsignal D zu machen, indem der variable
Strom 25 geändert
wird, der dem Elektromagneten 21 zugeführt wird, um das Magnetfeld 24 zu
erzeugen.
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Wenn
der Traganker 26 über
die Lagerposition 29 mit einer nicht dargestellten vibrierenden
Last verbunden wird, bewegt er sich gegenüber dem Elektromagneten 21,
und wenn der dem Elektromagneten 21 zugeführte Strom 25 konstant
gehalten würde, dann
würde sich
die Kraft, die durch den Elektromagneten 21 ausgeübt wird, ändern. Es
werden jedoch Veränderungen
der Kraft durch die Belastungszelle 28 festgestellt, und
es wird das erste Steuersignal 30 in Abhängigkeit
von der Größe der Kraftänderungen erzeugt.
Das erste Steuersignal 30 und das gegebene Bedarfskraftsignal
D steuern den Eingangsstrom 22, der benutzt wird, um den
variablen Strom 25 zu erzeugen, der seinerseits die Stärke des
Magnetfeldes 24 ändert,
das durch den Elektromagneten 21 erzeugt wird, wodurch Änderungen
in der Kraft, die auf den Traganker 26 einwirken, kompensiert
werden. Auf diese Weise wird die durch den Elektromagneten 21 erzeugte
Kraft gleich einer gegebenen Bedarfskraft D durch geeignete Veränderung über den
variablen Strom 25, und die erzeugte Kraft wird unabhängig von Änderungen
des Betriebsspaltes 27.
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Wenn
die Frequenz auf den Grenzwert des Rückkopplungssteuerpfades 31 ansteigt,
dann fällt die
Verstärkung
des Steuersignals 30 ab und die zugeordnete Phasenverschiebung über den
Rückkopplungssteuerpfad 31 ändert sich
progressiv von –180° auf –90° und wird
schließlich
0°. Da sich
die Phasenverschiebung ändert,
wird ein negativer Dämpfungseffekt
durch den Tragaktor 20 erzeugt, der seinen Maximalwert
bei der Frequenz erreicht, die der –90°-Phasenposition entspricht.
Die Wirkung der negativen Dämpfung
besteht darin, dass alle Resonanzen in der Nähe der Frequenz entsprechend
der –90°-Phasenposition
erzeugt werden können.
Alle Resonanzen in der Nähe
dieser –90°-Position
werden eine Energie haben, die durch die negative Dämpfung injiziert
wurde. Wenn diese negative Dämpfung
die natürliche
positive Dämpfung überschreitet,
wodurch diesem Modus zugeordnete Energie abgezogen wird, dann erfolgt
eine Erregung – eine
unerwünschte
Situation.
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In 3 wurden
gleiche Bezugszeichen für entsprechende
Teile nach 2 benutzt. Gemäß 3 kann
die Steuerung des Elektromagneten 21 noch weiter verbessert
werden, indem ein Spaltsensor 32 benutzt wird, der auch
auf das Stromsteuergerät 23 einwirkt,
um den variablen Strom 25 einzustellen. Der Spaltsensor 32 misst
Veränderungen
im Betriebsspalt 27 und erzeugt ein zweites Steuersignal 33,
welches der jeweiligen Änderung
entspricht. Das zweite Steuersignal 33 wird längs eines
Mitkopplungssteuerpfades 34 nach vorn dem Stromsteuergerät 23 zugeführt, das
aus dem zweiten Steuersignal 33 eine Vorhersage von Veränderungen
in der vom Elektromagneten 21 erzeugten Kraft liefert.
Die Vorhersage von Veränderungen
in der Kraft ermöglicht
es dem Stromsteuergerät 23,
den variablen Strom 25 so einzustellen, dass eine negative Dämpfung im
Frequenzabfallbereich verhindert wird, wenn sich die Verstärkung des
ersten Rückkopplungssteuersignals 30 mit
der Frequenz verringert.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird die Arbeitsweise des Stromsteuergerätes 23 durch eine Übertragungsfunktion
der beobachteten Beziehung zwischen einem gegebenen Bedarfskraftwert
D dem zweiten Steuersignal 33 und dem variablen Strom 25 bestimmt,
der dem Elektromagneten 21 zugeführt wird, um ein Magnetfeld 24 derart
zu erzeugen, dass der Elektromagnet 21 eine Kraft liefert,
die gleich ist einem gegebenen Bedarfskraftwert D, unabhängig von
Spaltänderungen.
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Durch
Bestimmung der richtigen Übertragungsfunktion
des Stromsteuergerätes 23 kann
der Mitkopplungssteuerpfad 34 so vorgespannt werden, dass
die Charakteristiken des Elektromagneten 21 radikal geändert werden,
so dass der Elektromagnet 21 sich wie eine schwache positive
Feder mit Phasenverschiebungen verhält, die der vergrößerten Frequenz
zugeordnet sind. Dies bewirkt, dass der Elektromagnet 21 sich
verhält
wie ein positiver Dämpfer.
Der Mitkopplungssteuerpfad 34 kann eine sehr breite Bandbreite
besitzen im Vergleich mit einer einfachen Rückkopplungssteuerung, aber
die Präzision
der Steuerung ist abhängig
von der Präzision der
Messungen, die benutzt werden, um die Übertragungsfunktion zu steuern
und von der Kenntnis der Charakteristiken des Tragaktors 20.
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Wenn
das Rückkopplungssteuersignal 30 in Verbindung
mit einem Mitkopplungssteuersignal 33 benutzt wird, wenn
die Verstärkung
des Rückkopplungssteuersignals 30 abfällt, wird
eine negative Dämpfung
verhindert und demgemäß wird die
Resonanz mit dem Abfall der Frequenz nicht erregt. Die Kombination
eines Rückkopplungssteuersignals 30 mit
einem Mitkopplungssteuersignal 33 bedeutet, dass das Mitkopplungssteuersignal 33 progressiv eine Übernahme
vom Rückkopplungssteuersignal 30 bei
ansteigender Frequenz bewirkt.
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Die
Steuerung eines jeden Tragaktors 20 entweder mit einem
Rückkopplungssignal 30 von
einer Belastungszelle 28 oder einem Mitkopplungssignal 30 von
einem Spaltsensor 32 in Kombination mit einem Rückkopplungssignal 30 von
einer Belastungszelle 28 wird daher als örtliche
Steuerung bezeichnet.
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Es
ist klar, dass die Vibrationsbelastung alternativ auch am Elektromagneten 21 festgelegt
werden kann und nicht am Traganker 26 und die Belastungszelle 28 zwischen
den Elektromagneten 21 und einer Lagerposition 29 derart
verbunden werden kann, dass die nicht dargestellte Last mit dem
Elektromagneten 21 und nicht mit dem Traganker 26 verbunden
ist.
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Wenn
eine Gruppe von Tragaktoren 20, bei der jeder Aktor eine örtliche
Steuerung wie oben beschrieben durchführt, benutzt wird, um eine
dreidimensionale Struktur zu tragen, ist eine zusätzliche Gesamtsteuerung
erforderlich, um den Kraftbedarfswert D, der jedem Tragaktor 20 zugeführt wird,
so zu modifizieren, dass die erforderliche Mittelstellung und Orientierung
der Struktur bei vorbestimmten Werten erhalten wird.
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Im
Folgenden wird wiederum auf 1 Bezug
genommen. Das Fundament 10 trägt eine Anzahl von Beschleunigungsmessern 17,
die ein Datensignal (nicht dargestellt) entsprechend den Bewegungen
des Fundamentes liefern, an dem sie festgelegt sind. Stattdessen
können
einige oder alle Beschleunigungsmesser 17 durch einen Sensor
ersetzt werden, der entweder die Bewegung oder die Nähe einer Struktur,
in diesem Falle des Fundamentes 10, feststellt, an dem
der Sensor befestigt ist, und er erzeugt ein Datensignal entsprechend
der Bewegung oder Annäherung
oder Änderung
in der Bewegung oder Annäherung
der Struktur, an der er montiert ist. Außerdem kann ein Ausgangssignal
von einem Spaltsensor (nicht dargestellt), der jedem Tragaktor 13 zugeordnet
ist, um eine örtliche
Steuerung durchzuführen,
auch benutzt werden, um ein zweites Steuersignal dem Gesamtsteuergerät zuzuführen. Es
ist klar, dass Spaltsensoren, die unabhängig von jenen sind, die bei
der örtlichen Steuerung
benutzt werden, benutzt werden können,
um so die örtliche
Steuerung unabhängig
von der Gesamtsteuerung zu halten.
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In 4,
wo gleiche Bezugszeichen benutzt wurden, um entsprechende Teile
gemäß 1 zu kennzeichnen,
ist ein Gesamtsteuergerät 40 zwischen
jedem Beschleunigungsmesser 17 und Spaltsensor 42 und
jedem Tragaktor 13 angeordnet, d.h. das Gesamtsteuergerät 40 wäre auch
in dem Rückkopplungspfad
vom Beschleunigungsmesser 17 und vom Spaltsensor 42 durch
das Gesamtsteuergerät 40 zurück zum Tragaktor 13.
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In
diesem Fall wurde eine Gruppe von vier Beschleunigungsmessern 17 über das
Fundament 10 verteilt, um drei Starrkörpermoden des Fundamentes 10 so
zu berechnen, dass vier Tragaktoren 13 gesteuert werden,
die ebenfalls über
das Fundament 10 verteilt waren und jeweils vier Spaltsensoren 42 zugeordnet
sind, und zwar jeweils einen für
jeden Tragaktor 13. Jeder Beschleunigungsmesser 17 erzeugt
ein Datensignal 41 und jeder Spaltsensor 42 erzeugt
ein zweites Steuersignal 43, das von der Starrkörpermodal-Transformationsmatrix 44 empfangen
wird, wo die Amplitude des Starrkörpermodus berechnet wird, d.h.
die Messungen des Betriebsspaltes 16 und die Messungen
von den Beschleunigungsmessern 17 liefern eine detaillierte
Analyse der Bewegungen von jedem Teil des Fundamentes 10. Die
Amplitude der Starrkörpermoden
liefert die Abweichungen von der augenblicklichen Position und Orientierung
des Fundamentes 10 gegenüber einem erforderlichen Mittelwert.
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Die
modale Transformationsmatrix 44 ist so angeordnet und ausgebildet,
dass ein Erregerausgang 45 für jeden zu steuernden Starrkörpermodus erzeugt
wird. Im Einzelnen filtert die modale Transformationsmatrix 44 räumlich spezielle
Starrkörpermoden
des Fundamentes 10 aus, d.h. eine entsprechend jedem Erregerausgang 45 und
liefert ein Modell der Eigenschaften des Fundamentes 10.
Jeder Erregerausgang 45 wird benutzt, um einen Steueralgorithmus 46 zu
liefern, und zwar jeweils einen für jeden zu steuernden Starrkörpermodus,
und in diesem Fall drei Starrkörpermoden.
Jeder Steueralgorithmus 46 erzeugt eine modale Steuerbedarfskraft 47,
die das Fundament 10 in die erforderliche Mittelstellung und
Orientierung auf gegebene Weise zurückführt. Dies könnte eine Dämpfung des Fundamentes 10 derart
bewirken, dass dieses schließlich
zur Ruhe kommt.
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Jede
modale Steuerbedarfskraft 47 wird durch eine inverse modale
Transformationsmatrix 48 in einen gegebenen Kraftbedarfswert
D transformiert, der benutzt wird, um jeden Tragaktor 13 zu
steuern. Es ist klar, dass, obgleich vier Beschleunigungsmesser 17 und
Spaltsensoren 42 benutzt werden, um jeweils Datensignale 41 und
zweite Steuersignale 43 zur Steuerung von vier Tragaktoren 13 zu
liefern, die Zahl von Beschleunigungsmessern 17 oder Tragaktoren 13 und
demgemäß zugeordneten
Spaltsensoren 42 geändert
werden kann, je nach der Anwendung, und dies beeinflusst wiederum
die Größe der modalen
Transformationsmatrix 44 und der inversen modalen Transformationsmatrix 48.
Außerdem ändert sich
die Zahl der Steueralgorithmen 46, die erforderlich ist
in Abhängigkeit
von den festzustellenden und zu steuernden Starrkörpermoden,
wobei die maximale Zahl von Starrkörpermoden natürlich sechs beträgt. Normalerweise
würde man
alle sechs Starrkörpermoden
steuern.
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Das
Gesamtsteuergerät 40 misst
die augenblickliche Position und Orientierung des Fundamentes 10 unter
Benutzung von Datensignalen 41 und zweiten Steuersignalen 43.
Die Kombination der modalen Transformationsmatrix 44 mit
den Algorithmen 46 und der inversen modalen Transformationsmatrix 48 ergibt
eine Berechnung der gegebenen Bedarfskraftwerte D für jeden
Tragaktor 13 derart, dass das Fundament 10 in
seine vorbestimmte mittlere Position und Orientierung mit einer
vorbestimmten Geschwindigkeit zurückgeführt wird.
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Die
mittleren Bewegungen des Fundamentes 10 sind seine Starrkörperbewegungen.
Wenn das Fundament 10 in einer seiner Resonanzfrequenzen erregt
würde,
dann können
sehr große örtliche
Amplitudenversetzungen des Fundamentes 10 erzeugt werden.
Diese Versetzungen ändern
nicht die Kräfte, die
durch jeden Tragaktor 13 erzeugt werden, da die Kraft auf
einem gegebenen Kraftbedarfswert D durch die örtliche Steuerung aufrecht
erhalten wird, wobei solche Versetzungen erwartet werden können, um die
augenblickliche mittlere Position und Orientierung des Fundamentes 10 zu
modifizieren.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die im Fundament 10 durch
Resonanz erzeugten Bewegungen senkrecht zu den Starrkörperbewegungen
des Fundamentes 10 verlaufen. Infolgedessen ändert jede
Resonanz des Fundamentes 10 die Starrkörpermoden des Fundamentes 10 nicht,
obgleich sich jeder Betriebsspalt 16 ändern kann, so dass das Gesamtsteuergerät 40 einfach
jede Resonanz -ignoriert und keine zusätzlichen Kräfte gemäß der Erregung irgendeiner
Resonanz des Fundamentes 10 erzeugt werden. Das heißt, alle Resonanzen
niedriger Frequenz des Fundamentes 10, die in der gleichen
Bandbreite der örtlichen
Steuerung liegen, werden ignoriert.
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Die
Konstruktion der modalen Transformationsmatrix 44, der
Algorithmen 46 und der inversen modalen Transformationsmatrix 48 und
ihre Koeffizienten sind abhängig
von der Anwendung und sie können
aus einer Analyse empirischer Methoden bestimmt werden, bevor die
Beschleunigungsmesser 17 und die Tragaktoren 13 montiert
werden, oder sie können
bestimmt werden, nachdem die Beschleunigungsmesser 17 und
die Tragaktoren 13 bereits am Fundament 10 montiert
sind.
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Es
ist klar, dass minimal sechs Tragaktoren 13 für ein Fundament 10 erforderlich
sind, um in drei Dimensionen arbeiten zu können, da es sechs Starrkörpermoden
gibt, die gesteuert werden müssen.
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5 zeigt
eine gegenüber
den Ausführungen
nach 2 und 3 abgewandelte Ausführungsform
eines Tragaktors 20, wobei gleiche Bezugszeichen benutzt
wurden, um entsprechende Teile zu kennzeichnen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind
die Struktur, die den Elektromagneten 21 trägt und die
Struktur, die den Traganker 26 trägt, mit Federbefestigungsansätzen 51 bzw. 52 versehen.
Zwei parallele mechanische Federn 50 erstrecken sich zwischen
den Ansätzen 51 und 52.
Die Federn 50 nehmen einen Teil der aufgehängten Last
(nicht dargestellt) auf, und demgemäß kann der Elektromagnet 21 in
seiner Größe im Vergleich
mit jenen Elektromagneten vermindert werden, die bei den Ausführungsbeispielen
gemäß 2 und 3 Anwendung
fanden.
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6 zeigt
ein System zur Erzeugung eines Gesamtkraft-Bedarfssignals D für das äußere Gesamtmitkopplungs-Bedarfssignal
D, das dem Stromsteuergerät 23 bei
einem der Ausführungsbeispiele des
Tragaktors gemäß 2, 3 oder 5 zugeführt wird.
Das System zeigt die Benutzung bei Anwendung in einem Schiff, wo
Starrkörpermoden
sowohl der Schiffsmaschinen als auch des Rumpfes extrahiert werden.
Die Beschleunigungsmesser 52 und 53 liefern Signale 52' und 53', die abhängig sind
von Beschleunigungen bzw. Versetzungen von Rumpf und Maschinen gegenüber Rumpf-Starrkörpermoden-Signalgeneratoren 54 bzw.
Maschinen-Starrkörpermoden-Signalgeneratoren 55.
Der Ausgang des Rumpf-Signalgenerators 54 wird
mit der jeweiligen Masse in der Schaltung 56 multipliziert
und einem Eingang eines Betriebsverstärkers 58 zugeführt, während der
Maschinen-Signalgenerator 55 einen Ausgang über eine
frequenzabhängige
Steifheitsfunktionsschaltung 57 einem zweiten Eingang des Betriebsverstärkers 58 liefert.
Der kombinierte Ausgang des Betriebsverstärkers 58 wird einer
inversen modalen Transformationsschaltung 59 zugeführt, um das
Gesamtkraft-Bedarfssignal
D zu liefern, wodurch die Maschine den Bewegungen des Schiffsrumpfes nachgeführt wird.
Wenn das Bedarfssignal D dem Mitkopplungseingang des Stromsteuergerätes 23 eines
der Tragaktoren gemäß 2, 3 oder 5 zugeführt wird,
erhält
der Tragaktor die Fähigkeit
einer konstanten Positionierung und trennt dieses Erfordernis von
der Vibrationsisolations-Durchführung, die
durch die Rückkopplungsschaltung
nach den Stromsteuergeräten 23 eingestellt
wird.
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Bei
Ausführungsbeispielen
gemäß 4, wo
mehrere Tragaktoren auf ein eine Last tragendes Fundament einwirken,
wird der individuelle Gesamtkraftbedarf für jeden Tragaktor durch die
inverse Transformationsschaltung 59 berechnet.
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Das
Hauptmerkmal des Systems gemäß 6 besteht
darin, dass mechanische Resonanzen der Schiffsmaschinen aus dem
Beobachtungssystem (Beschleunigungsmesser oder Näherungssensoren) ausgefiltert
und durch die örtlichen
Federn mit Null-Steifheit ignoriert werden, wie dies durch die Tragaktoren
repräsentiert
ist. Die einzige auf den Rumpf übertragene
Kraft resultiert von der Gesamtfederwirkung gemäß den Versetzungen der Starrkörpermoden
der Maschinen.