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Steuereinrichtung für Schiffsstabilisierungsanlagen Zur Steuerung
der querschiffs bewegten Dämpfungsmassen (Tankflüssigkeit, Wagen, Gewichte o. dgl.)
von Schiffsstabilisierungsanlagen ist es bekannt, zwei unabhängig voneinander arbeitende
Gruppen von Steuermitteln vorzusehen, von denen die eine lediglich die Umschaltung
des Antriebes, also die Richtungssteuerung bewirkt, und die andere lediglich die
Leistung der Aktivierungsrnaschine regelt (vgl. z. B. die deutschen Patente
617 861 und 7o6 o86). Die Umschaltkommandos werden dabei von den Ausschlägen
eines die Schiffsschwingungen anzeigenden Gerätes, z. B. eines als Kreiselpendel
ausgebildeten Schlingerwinkelzeigers, abgeleitet. Die getrennte Regelung ermöglicht
eine große Freiheit in der baulichen Durchbildung der Steuerorgane; die Anpassungsfähigkeit
an schwankende Betriebsverhältnisse wird erhöht und die Anlage in wirtschaftlicher
und wirkungsvoller Weise ausgenutzt. Voraussetzung ist allerdings das Vorhandensein
einer bestimmten, von der Frequenz der erregenden Wellenperiode und anderen Einflüssen
abhängigen Phasenverschiebung zwischen der Bewegung der Dämpfungsmassen und den
Schiffsschwingungen, damit das von den Dämpfungsmassen ausgeübte Moment in jedem
Phasenzeitpunkt dem schwingungsanfachenden äußeren Moment entgegenwirkt und somit
die größtmögliche Dämpfungswirkung ausübt. Deshalb wird bei der angegebenen Steuerungsart
zusätzlich eine Phasensteuerung vorgesehen, die -den Zeitpunkt der Bewegungsumkehr
der Dämpfungsmassen in bezug auf die Schiffsschwingungsperiode überwacht und regelt.
Diese Phasensteuerung wird im allgemeinen so durchgeführt, daß ein Periodenmeßgerät,
auch Phasenwähler genannt, die jeweilige, durch den erregenden Wellengang bedingte
Schwingungsdauer des Schiffes zu seiner Eigenschwingungsperiode in Vergleich setzt
und danach Steuerimpulse zur Herbeiführung der erforderlichen Phasenlage auslöst.
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Eine grundsätzlich andere Steuerungsart beruht auf der Methode der
Momentenmessung. Hierbei werden die Stabilisierungsmomente
der
Dämpfungsmassen gemäß den Anzeigen des Momentenmeßgerätes so gesteuert, daß sie
den schwingungsanfachenden, resultierenden äußeren Momenten entgegenwirken und diesen
möglichst das Gleichgewicht halten. Es liegt im Prinzip dieser Steuerungsart begründet,
daß die vom Momentenmeßgerätgelieferten Steuerkommandos in jedem Augenblick von
vornherein hinsichtlich Richtung, Größe und Phase die richtigen Werte darstellen,
so daß keine zusätzlichen Steuereinrichtungen, wie Leistungsregler oder Phasenwähler,
erforderlich sind.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Steuereinrichtung für den Aktivierungsantrieb
der querschiffs bewegten Dämpfungsmassen (Tankflüssigkeit, Waagen, Gewichte o..dgl.)
von Schiffsstabilisierungsanlagen mit zwei Gruppen von Steuermitteln für getrennte
Richtungssteuerung und Leistungsregelung; das wesentliche erfinderische Kennzeichen
besteht darin, daß für die Kommandogabe der Richtungssteuerung ein Momentenmeßgerät
ver-. wendet wird, das das auf das Schiff in jedem Augenblick einwirkende, sich
aus der Summe des Wellenmomentes und des Dämpfungsmomentes ergebende resultierende
Moment vorzugsweise nur dem Vorzeichen nach ermittelt. Hierbei wird also unter Verwendung
einer Momentenmeß- oder Anzeigereinrichtung die getrennte Leistungs- und Richtungssteuerung
mit ihren vielen Vorzügen durchgeführt. Der Vorteil gegenüber den bekannten Einrichtungen
mit getrennter Steuerung liegt darin, daß keine besondere Phasensteuerung erforderlich
ist, da ja das auf die resultierenden Momente ansprechende Meßgerät von vornherein
das phasenrichtige Umschaltkommando liefert. Der Fortfall des Phasenwählers ist
deshalb ein erheblicher Fortschritt, da dieser der am schwierigsten zu beherrschende
Teil der bekannten Steuergeräte ist. Zur weiteren Beschreibung der Erfindung wird
Bezug genommen auf die Figuren in der Zeichnung.
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An Hand der Diagramme Fig. i und 2 soll der Erfindungsgedanke genauer
erläutert werden; die Fig. 3 und q. bringen zwei Ausführungsbeispiele. Für die nachfolgenden
Ausführungen wird eine Tankstabilisierungsanlage mit zu beiden Seiten des Schiffes
angeordneten Flüssigkeitstanks zugrunde gelegt, deren Tankflüssigkeit im Takte der
Schiffsschwingungen hin und her pendelt und durch eine Fördermaschine (Gebläse,
Pumpe o. dgl.) aktiviert wird.
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In Fig. i bedeutet 117, den zeitlichen Verlauf des schwingungsanfachenden
äußeren Momentes, also im wesentlichen des Wellenmomentes. Es verlaufe zunächst
etwa sinusförmig und dann für längere Zeit in einseitiger Richtung, also im Sinne
der Erzielung einer statischen Schräglage. Die gestrichelt gezeichnete Kurve Mt
bezeichnet das von der Tankflüssigkeit hervorgerufene Moment, das bei- richtiger
Steuerung im wesentlichen in jedem Augenblicke dem Wellenmoment entgegenwirken,
also ihm gegenüber um i8o° phasenverschoben sein muß. Praktisch wird jedoch auch
bei guter Steuerung stets ein kleiner Phasenfehler d vorhanden sein, der dadurch
bedingt ist, daß die Steuerung den Umschaltkommandos nicht sofort folgen bzw. die
Zeitverzögerung nicht genau erfaßt werden kann, und weil die Größe der maximalen
Förderleistung der Aktivierungsmaschine begrenzt ist. Die geometrische Summe beider
Momente ergibt das in Fig. 2 dargestellte Moment der resultierenden Kräfte M,. =
A?,, + 117t. Angestrebt wird ein möglichst kleines Restmoment 11T,.; je kleiner
nämlich 117,, ist, um so wirkungsvoller ist die Stabilisierung, im Idealfalle müßte
M,, = 0 sein. Der Idealfall ist nicht nur aus rein technischen Gründen nicht zu
verwirklichen, sondern auch deshalb unmöglich, weil eine kleine Restschlingerbewegung
bestehen bleiben muß, damit das Steuergerät überhaupt Kommandos geben kann. Beim
Vorzeichenwechsel des resultierenden Momentes 117,. wird erfindungsgemäß das Umschaltkommando
gegeben (Richtungssteuerung). Die Amplitude des resultierenden Momentes spielt bei
diesem Steuersorgang keine Rolle. Als Kommandogeber genügt also ein Meßgerät, das
die resultierenden Momente lediglich dem Vorzeichen nach und natürlich zeitlich
richtig anzeigt.
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Die Momentenmessung bzw. Anzeige kann mittels bekannter Geräte auf
die verschiedenste Weise vorgenommen werden, z. B. durch Messung des Schlingerwinkels
und seiner Abgeleiteten, durch Vergleich der Druckhöhen des Seewassers zu beiden
Seiten des Schiffe. und des Wasserstandes in den Tanks, oder das Moment kann unmittelbar
ermittelt werden. Das Meßgerät braucht nur einen ein zigen Steuerwert, das Umschaltkommando,
genau herzugeben. Es kann daher besonders klein, leicht und billig gebaut werden.
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Die Leistungsregelung erfolgt in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit
von der Maximalamplitude des Schlingerwinkels. Es kann aber auch das Momentenmeßgerät
zur getrennten Leistungsregelung herangezogen werden. In diesem Falle ist ein Momentenmeßgerät
erforderlich, das die resultierenden Momente nicht nur dem Vorzeichen nach, sondern
auch ihre Größe anzeigt. Letztere braucht jedoch nicht mit der sonst erforderlichen
hohen Genauigkeit ermittelt zu werden.
Fig, 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit Leistungsregelung in Abhängigkeit von der Maximalamplitude des
Schlingerwinkels, also mit besonderem Leistungsregler. Zu beiden Seiten des im Querschnittgezeichneten
Schiffes befinden sich die Tanks i und 2, die oben durch einen Luftkanal ¢ und unten
durch einen Wasserkanal 3 miteinander verbunden sind. Im Luftkanal q ist die Rückschlagkappe
5 vorgesehen, deren Dürchlaßrichtung mittels der Magnete 6 und 7, an deren Ankern
die Riegel 8 und 9 sitzen, umsteuerbar ist. Die elektrische Erregung der beiden
Magnete verläuft über eine aus dem Kontakthebel io und den Kontaktsegmenten i i
und i2 bestehende Kontakteinrichtung. Parallel zur Rückschlagklappe 5 liegt die
Förderleitung 13', 13" mit dem Drehschieber 14, an den ferner über eine Saugleitung
15 und eine Druckleitung 16 das Gebläse 17 angeschlossen ist. Zur Verstellung des
Drehschiebers 14 -dienen zwei Elektromagnete 18 und ig, deren gemeinsame Ankerstange
im Mittelteil als Zahnstange 2o ausgebildet ist. Diese kämmt mit einem auf der Drehachse
des Drehschiebers 14 sitzenden Zahnrad. Auf dieser Drehachse sitzt auch der Kontakthebel
io, der also entsprechend den Verstellungen des Drehschiebers bewegt wird. Die Erregerkreise
der Magnete 18 und ig liegen an einer Schaltvorrichtung, die aus dem beweglichen
Kontakthebel2i und den beiden festen Segmenten 22 und 23 besteht. Der Kontakthebel
2i sitzt auf der Welle bzw. Meßachse des Momentenmeßgerätes und wird je nach dem
Vorzeichen des resultierenden Momentes aus seiner gezeichneten Mittelstellung, die
dem resultierenden Moment Null entspricht, nach oben oder nach unten bewegt.
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Zur Regelung der auf die Tankflüssigkeitsbewegung zu übertragenden
Aktivierungsenergie ist in der Saugleitung 15 des Gebläses eine Drosselklappe 24
angeordnet, die von einem Magneten 25 entsprechend der verlangten Leistung mehr
oder weniger geöffnet wird. Die Erregung des Magnetgn 25 wird von einem Stufenkontakt
26,27 in Verbindung mit dem Widerstand 28 geregelt. Zu der Leistungsregeleinrichtung
gehört noch der hydraulische Integrator H, der einen mit Öl
gefüllten Dämpfungszylinder
30 mit Kolben 31 enthält. In dem Kolben 31, der mittels der Stange 29 an
den Anker des Magneten 25 angeschlossen ist, sind Rückschlagventile 32 vorgesehen.
Auf der linken Seite des Kolbens sitzt im Zylinder die Zugfeder 33, ferner ist noch
ein Umgehungskana131 mit Drossel-.
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venti135 vorgesehen.
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Bei abgeschalteter Anlage und ebenso wenn sich das Schiff in der Nullage
befindet, haben die Schalt- und Steuerorgane der Fig. 3 die gezeichnete Stellung.
Tritt ein schwingungserregendes Moment auf, dann ergibt sich folgende Wirkungsweise:
Das resultierende Moment sei positiv und der Kontakthebel2t der Momentenanzeigeeinrichtung
mache dementsprechend einen Ausschlag nach oben. Dadurch wird der Kontakt 21, 22
hergestellt und der Magnet 18 erregt, während Magnet ig stromlos bleibt. Der Magnet
18 verschiebt die Zahnstange 2o nach rechts, so daß der Drehschieber 14 entgegen
dem Uhrzeigersinne verstellt wird. Es ist nunmehr der Leitungsstrang 13" mit der
Saugleitung 15 und der Leitungsstrang 13' mit der Druckleitung 16 verbunden. Das
Gebläse stellt somit oberhalb des Wasserspiegels im Tank 2 eine Luftverdünnung,
oberhalb des Wasserspiegels im Tank i eine Luftverdichtung her. Gleichzeitig mit
der Kontaktgabe 21,:22 und Verdrehung des Drehschiebers ist der Kontakt io, 12 geschlossen
worden, so daß der Magnet 7 den Riegel g anzieht und die Klappe 5 wohl in der Richtung
von links nach rechts, nicht aber in umgekehrter Richtung durchlässig ist. Ein Ausgleich
der zwischen den Tanks i und 2 bestehenden bzw. hervorgerufenen Druckdifferenzen
ist also während des Fördervorganges nicht möglich, so daß bei den erhaltenen Schaltstellungen
Wasser aus dem Tank i in den Tank 2 gefördert wird.
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Bei negativem Moment 117,. werden die Kontakte 21, 23 und i o, i i
hergestellt. Nunmehr ist der Leitungsstrang 13' mit der Saugleitung 15 und 13" mit
der Druckleitung 16 verbunden und der Riegel 8 angezogen. Im Augenblick des Umschaltens
konnte sich deshalb die zwischen den beiden Tanks bestehende Luftdruekdifferenz
über die Rückschlagklappe kurzzeitig ausgleichen. Unmittelbar darauf wird jedoch
durch den angezogenen Riegel e die Durchlaßrichtung der Klappe 5 in der Richtung
von links nach rechts gesperrt, und es findet nunmehr eine Förderung von Tankwasser
aus dem Tank 2 in den Tank i statt. Der bei jedem Kommandowechsel erforderliche
kurzzeitige Druckausgleich über die parallel zur Förderleitung 13', 13" liegende
Rückschlagklappe 5 bezweckt in bekannter Weise- eine Entlastung des Gebläses 17,
so daß dieses kleiner dimensioniert werden kann.
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Die Regelklappe 24 in der Saugleitung 15 ist zur Leistungsregelung
in Abhängigkeit von der Maximalamplitude des jeweiligen i Schlingerwinkels einzustellen.
Hierzu wird der Kontakthebel 27 des Stufenkontaktes von einem Schlingerwinkelzeiger
(z. B. Kreiselpendel) periodisch verstellt. Der Stufenkontakt 26, 27 bildet mit
dem Widerstand 28 i einen Spannungsteiler, der entsprechend den Anschlägen des Kontakthebels,
d. h. in Abhängigkeit
vom Schlingerwinkel die Erregung des Magneten
25 regelt. Damit die Leistungsreglerklappe 24 nicht die periodischen Bewegungen
mitmacht, sondern lediglich auf die Maximalamplituden des Schlingerwinkels anspricht,
ist der hydraulische Integrator H vorgesehen. Einer vom Magneten 25 ausgeübten Zugwirkung
nach rechts, die bei eingeschalteter und stärker werdender Erregung eintritt, kann
der Kolben 3 r entgegen der rückziehenden Kraft der Feder 33 leicht folgen, weil
sich die Rückschlagventile 32 öffnen und eine Verdrängung des Öles ermöglichen.
Wenn beim Nachlassen der Magneterregung; (d. i. bei kleiner werdendem Ausschlag
des Kontakthebels) die Feder 33 den Kolben 3 i zurückzuziehen bestrebt ist, schließen
sich die Rückschlaagventile 32, so daß eine Verdrängung (des Ölas nur über den Umlaufkanal
34 möglich ist. Die dabei eintretende, mittels des Ventils 35 einstellbare Drosselung
ist so stark, daß der Magnetanker und damit die Reglerklappe 24 praktisch in der
der Maximalamplitude des Schlingerwinke:ls entsprechenden Stellung verharrt.
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Auf diese Weise sind Richtungssteuerung und Leistungssteuerung völlig
getrennt voneinander,_ sowohl in ihrer Wirkungsweis :e wie auch in, der baulichen
Durchbildung und Anordnung. Von den Steuerimpulsen der einen Art können keinerlei
schädliche Rückwirkungen auf die der anderen Art ausgeübt werden. Die phasenrichtigen
Umschaltkommandos sind durch die Verwendung der auf die resultierenden Momente ansprechenden
Kontakteinrichtung 2r bis 23 gewährleistet.
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Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung mit Leistungsregelung in Abhängigkeit
von der Größe des angezeigten Momentes ist in Fig. 4 dargestellt, die ebenfalls
eine Tankstabilis.ierungsanlage mit Tanks 41 und 42, oben und unten durch einen
Luftkanal 44 und Wasserkanal 43 verbunden, zum Gegenstand hat. Zur Aktivierung der
Tankflüssigieitsbewegung ist im Flüssigkeitskanal 43 dieVerstellpropellerPumPe 45
vorgesehen, die über das Getriebe 46 von einem Motor 47 angetrieben wird, der bei
eingeschalteter Anlage dauernd, und zwar im gleichbleibenden Drehsinne läuft. Die
Einstellung -der Propellerflügel auf den jeweils verlangten Anstellwinkel (Leistungssteuerung)
erfolgt über einen Servomotor 47'.
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Das Momentenmeßgerät soll bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl die
Richtung als auch die Leistung steuern, wobei jedoch, er- . findungsgemäß die Kommandogaben
völlig getrennt und unabhängig voneinander sein müssen. Die gleichzeitige Leistungssteuerung
erfordert ein Momentenmeßgerät, das nicht nur bei Vorzeichenwechsel anspricht, sondern
auch diie Amplitude des zu messenden resultierenden Momentes richtig anzeigt. Das
eigentliche Momentenmeßgerät ist, weil es nicht den Gegenstand dieser Erfindung
bildet, in der Fig. 4 nicht näher dargestellt, es sind lediglich die vom Momenten
meßgerät betätigten Kontakteinrichtungen gezeichnet. Äuf der Dreh- oder Zeigerachse
des Gerätes sitzt ein Kontakthebel 48, dem die festen Kontaktsegmente 49 und So
zugeordnet sind. Aus der gezeichneten Mittelstellung heraus bewegt sich der Kontakthebel
48 abwechselnd auf die obere oder untere Kontaktbahn. Jedesmal beim Überwechseln
erfolgt das Umschalten der Propellerflügel (Richtungssteuerung), und zwar ist hierzu
die folgende Einrichtung vorgesehen. Dem Steuerorgan des Servomotors 47' ist eine
Steuerwelle 5 r zugeordnet, auf der ein doppelarmiger Hebel 52 befestigt
ist. An den beiden Endpunkten des Hebels 52 greifen die Anker 53 und 54 zweier Elektromagnete
55 und 56 an, deren Erregungsstromkreis durch das Kontaktwerk 48 bis So gesteuert
wird. Je nachdem, ob sich der Kontakthebel auf dem Segment 49 oder auf dem Segment
So befindet, ist der Magnet 56 oder 55 erregt, der zugehörige Anker also angezogen.
Bei der als Folge davon auftretenden Ankerbewegung wird die Steuerwelle
51 im einen oder anderen Sinne, und zwar abwechselnd im Takte der Schiffsschwingungen
erregt. Auf der Steuerwelle 51 sitzt ein Zahnradsegment 57, das in eine Zahnstange
58 eingreift, die das Steuerorgan des Servomotors 47' verstellt, so daß auf diese
Weise die Propellerflügel 45 ebenfalls periodisch umgeschaltet werden.
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Für die gleichzeitige Leistungsregelung ist eine weitere Kontaktanordnung,
bestehend aus dem beweglichen Kontakthebel 59 und den festen Widerständen
6o und 61 vorgesehen. Der Kontakthebel 59 wird zweckmäßig mit dem Kontakthebel
48 gemeinsam bewegt: da für eine feinstufige Leistungsregelung jedoch größere Ausschläge
erforderlich sind, wird man z. B. zwischen den Antrieben der beiden Kontakthebel
die Übersetzungsräder 62, 63 einschalten. Je größer die Ausschläge des Kontakthebels
59 nach rechts oder links sind. um so mehr werden die Widerstände 6o und 61 ausgeschaltet,
also der Magnet 6.1 um so stärker erregt. Zur Leistungsregelung ist aus dem gleichen
Grunde wie bei der Anordnung in Fig.3 eine Integrationseinrichtung erforderlich,
die also die Aufgabe hat, die Maximalamplitude des Schlingerwinkels zu ermitteln.
Dargestellt ist der im früheren Beispiel beschriebene hydraulische Integrator H,
dessen Kolben mit dem Anker des Magneten 64 gekuppelt ist. Die verlängerte Magnetankerachse
65 trägt an ihrem Ende eine Verzahnung
66, die auf ein Zahnräderpaar
67, 68 einwirkt. Die Drehwellen der Zahnräder 67 und 68 tragen je einen Arm 69 bzw.
7o, die in der dargestellten Lage mit ihren freien Endpunkten einen auf der Steuerwelle
51 sitzenden Hebel 7 1 eingrenzen.
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Die Hebel und -Gestänge sind in Fig. 4 für die abgeschaltete Anlage
gezeichnet. Bei Einschaltung der Stabilisierung vollführen die Kontakthebel 48 und
59 schwingende Bewegungen entsprecfiend den Schiffsschwingungen. Dadurch werden
einmal vom Kontaktwerk 48 bis 5o die Propellerflügel 45 periodisch umgeschaltet,
ferner wird von dem Kontaktwerk 59 bis 61 in Verbindung mit dem Integrator H die
Zahnstange 66 entsprechend der Maximalamplitude des Schlingerwinkels verstellt.
Die Zahnräder 67 und 68 drehen sich dabei gegenläufig, so daß die. Begrenzungsarme
69 und 70 in die gestrichelt gezeichnete Lage gelangen. Wenn nun die Magnetanker
53. und 54 bei der Richtungssteuerung wechselseitig angezogen werden, so wird die
sich dadurch ergebende Verdrehung der Steuerwelle 5 1 für die eine Hälfte
einer Schlingerperiode durch den Arm 69, für die andere Hälfte durch den Arm 7o
begrenzt, so daß also der Propelleranstellwinkel nach den Angaben des Leistungsreglers
eingestellt wird. .
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Bei der Ableitung der Umschaltkömmandos aus den Ausschlägen des Momentenanzeigegerätes
kann es sich als notwendig erweisen, zum Ausgleich von mechanischen oder elektrischen
Verzögerungen den Umschaltzeitpunkt etwas vor den theoretisch erforderlichen Zeitpunkt
zu legen. Dieses Vorumschalten kann durch bekannte Mittel erfolgen, z. B. durch
Zeitrelais, Dämpfungsglieder q. dgl., etwa, indem das Aktivierungsorgan kurz vor
dem neuen Kommando in Nullstellung gefahren wird. Da die Ausbildung der Vorumschalteinrichtung
und ihr Zusammenwirken mit den übrigen Steuerorganen wesentlich von der Bauart des
Momentengerätes abhängt, ist von einer zeichnerischen Darstellung dieser Maßnahme
in den Fig. 3 und .4 Abstand genommen worden.
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Bekanntlich sind die Restmomentsteuerungen grundsätzlich unvollkommen,
wenn die Tankmomente nicht ausreichen, um die Wellenmomente zu bekämpfen, da dann
die Umschaltkommandos zu spät kommen, falls eicht eine übermäßig große Aktivierungsitnaschine
vorgesehen wird. Es empfiehlt sich daher, insbesondere die beschriebene einfache
Steuerung vorzugsweise bei Schiffen mit kleiner metazentrischer Höhe bzw. bei Schiffen
mit durch freie Oberflächen verkleinerter metazentrischer Höhe anzuwenden.