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Aktivierte Tankstabilisierungsanlage zur Schlingerdämpfung und Schräglagenbekämpfung
Bei den sog. aktivierten 'Scrhitdngerdämpffungsanlagen wird bekanntlich die im Takte
der Schiffsschwingungen erfolgende hin und hergehende Bewegung der Dämp@fungsmas,sen
(Flüssigkeit, schwere Massen, Wagen o. dgl.) durch Maschinenkraft gesetzmäßig beeinflußt.
In dem praktisch wichtigsten Teil der Benutzung von Flüssigkeit als Dämpfungsmasse
(Tankstabilisierungsanlagen) dient z. B. als Aktivierungsmaschine ein Gebläse, das
über einen Drehschieber an die beiden querschiffs angeordneten Flüssigkeitstanks
angeschlossen ist; durch periodisches Umschalten des Drehschiebers wird .der Wechsel
der Förderrichtung erreicht. Bei Aktivierung der Tankflüssigkeitsbewegung durch
eine Pumpe wird vorzugsweise eine solche mit Verstellpropellern benutzt, da hier
durch Änderung des Propelleranstellwinkels in einfacher Weise das Umschalten der
Förderrichtung möglich ist. Zur Erreichung kleinster Förderleistung ist die Tankeigenschwingungsdauer
auf die Schiffsschwingungsdauer weitgehend abzustimmen.
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Sehr wesentlich ist bekanntlich für eine wirkungsvolle Schlingerdämpfung
die richtige Phasenlage des Umschaltzeitpunktes des Drehschiebers, Verstellpropellers
oder sonstigen Steuerorgans. Entsprechend den Erkenntnissen der Schwingungslehre
wird im Resonanzfalle, d. h. wenn ,die Periodenlänge des erregenden Seeganges im
Bereiche der Eigenschwingungsperiode des Schiffes liegt, eine Phasenverschiebung
von etwa 90;° zwischen Tankflüssigkeitsbewegung und Schiffsschwingungen verlangt
(Deckabförderung); mit zunehmender Periodenlänge, also bei den langen, erzwungenen
Schwingungen, isst auch die Phasenverschiebung zu vergrößern im Sinne der Annäherung
an den Grenzwert von rßo° (Deckaufförderung). Eine Phasenverschiebung von 9o° ist
dann erreicht, wenn die Bewegungsrichtung der Tankflüssigkeit im Augenblicke des
Durchganges des Schiffes durch seine Mittel- oder Nullage (beim sog. Nulldurchgang)
umkehrt. Es ist bekannt, das Steuerorgan (Drehschieber, Verstellpropeller o. dgl.):
phasengleich mit den Ausschlägen eines Schlingerwinkelzeigers zu verstellen, um
diesen Bewegungsverlauf der Tankflüssigkeit und damit eine Phasenverschiebung von
9o° zu erzielen. Die Verstellung des Steuerorgans
kann diskontinuierlich
jeweils beim Nulldurchgang dos Schiffes (Schl.i,ngerwink e1 Null) erfolgen, wobei
für die in der Regel wünschenswerte Leistungsreglung gesonderte Organe vorzusehen
sind, oder aber das Steuerorgan wird kontinuierlich verstellt und erfüllt damit
gleichzeitig die Aufgabe eines Leistungsreglers. Die bekanntlich regelmäßig vorliegende
Überlagerung der Schlingerbewegung mit Schiffsschräglagen zwang dazu, die' sog.
abgeleitete Schräglage einzuführen, die durch Mittelbildung aus den auftretenden
Schlingerwinkeln erhalten und mit .diesen in Zusammenarbeit gebracht wird, indem
die Ausschläge des Schlingerwinkelzeigers auf einen stark gedämpften und einen schwach
gedämpften Phasenregler oder Integrator übertragen werden, deren Relativbewegungen
gegeneinander die Umschaltkommandos liefern. Dieses Steuergerät ist gut brauchbar
für Schräglagen und Resonanzschlingern, mit ausreichender Genauigkeit auch noch
für ein beträchtliches Schlingergebiet unterhalb und oberhalb der Resonanz; es liefert
aber ein falsches Steuergesetz für den Einschwingvorgang beim Schlingerbeginn sowie
für die weit außerhalb der Resona.nz liegenden langen, erzwungenen Schwingungen.
Es kann, wie ebenfalls bekannt ist, in Hinsicht auf den letztgenannten Punkt durch
Hinzunahme eines sog. Phasenwählers vervollkommnet werden, dessen Aufgabe die Phasensteuerung
ist, d. h. die Anpassung der Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz
des erregenden Wellenganges an den jeweils günstigsten Wert. Doch ist der Phasenwähler
in seinem Aufbau und in seiner Schaltung weniger übersichtlich; das Steuergerät
wird dadurch kompliziert und störanfälliger. Die Berücksichtigung der Einsch:wins-vorgänge
erfordert hierbei weitere bekannte Maßnahmen, die das Steuergerät noch umfangreicher
machen und den Betrieb noch schwieriger gestalten.
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Nimmt man entsprechend den praktisch vorliegenden Verhältnissen an,
daß der Schlingerwi.nkel sinusförmig verläuft, dann ist die Kurve der Schlingerwinkelbeschleunigung
in allen Fällen des Schlingerns genau um i8o° versetzt gegen die Schlingerwinkelkurve.
Wegen dieser mathematischen Beziehung kann man die bekannte Steuerung nach dem SchlingerWinkel
ersetzen durch die Steuerung nach der Schlingerwinkelbeschleunigung, indem das die
Förderrichtung der Aktivierungsmaschine regelnde Steuerorgan (Drehschieber, Verstellpropeller
o. dgl.) phasengleich mit den Ausschlägen eines Beschleunigungsmessers verstellt
wird. Von dieser Kenntnis ausgehend, betrifft die vorliegende Erfindung eine aktivierte
Tankstabilisierungsanlage zur Schlingerdämpfung und Schräglagenbekämpfung mit diskontinuierlicher
Anpassung der Phasenlage der von dem Steuerorgan gegebenen Umschaltkommandos an
die verschiedenen Periodenbereiche der Schitfsschwingungen unter Verwendung eines
Schlinger@vinkelbeschleunigungsmessers zur Bildung des Steuerkommandos; das wesentliche
Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß die Anzeigen des Schlingerwinkelheschleunigungsinessers
mit dein Anzeigen eines Sahlinglerwinkelzeigers in einem derartigen Verhältnis überlagert
sind, daß bei resonanznahem Schlingern der Winkelbeschleunigungswert und bei langsamen
Schwingungen der Schlingerwinkelwert überwiegt, und daß das Steuerorgan phasengleich
mit den resultierenden Ausschlägen verstellt wird.
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Die Möglichkeit einer Ableitung der Umschaltkommandos aus der Schlingerwinkelbeli
schleunigung an Stelle des Schlingerwinkels ist nach dem oben Gesagten einleuchtend.
Die Steuerung kann hierbei, wie es auch bei der erwähnten Steuerung nach dem Schlingerwinkel
bekannt ist, stetig oder unstetig erfolgen. Im ersteren Falle wird das Steuerorgan
stetig nach der Beschleunigungskurve verstellt; es übernimmt damit gleichzeitig
die Funktion der Leistungsregelung. Bei der unstetigen Steuerung erfolgt die Verstellung
des Steuerorgans jeweils beim Vorzeichenwechsel der Beschleunigung, und zwar ruckweise
bis in die jeweils mögliche Grenzlage des Anstellwinkels; die Leistungsregelung
muß dann in an sich bekannter Weise durch gesonderte Organe geschehen, welche z.
B. entweder die vorerwähnte Grenzlage verändern oder eine besondere Drosseleinrichtung
in der Förderleitung regeln.
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Da gemäß der Erfindung die Anzeigen des Schlingerwinkelbeschleunigungsmessers
mit den Anzeigen eines Schlingerwinkelzeigers in einem bestimmten Maßstab und mit
richtigen Vorzeichen überlagert werden und die Verstellung des Steuerorgans in Abhängigkeit
von den resultierenden Ausschlägen erfolgt, werden gleichzeitig auch überlagerte
Schräglagen bekämpft; würde man lediglich die angezeigten Beschleunigungswerte gegen
die Mittellage (Symmetrielage) des Schiffes messen und in das Steuergerät geben,
dann würde die Bekämpfung von sich den Schlingerbewegungen überlagerten statischen
Schräglagen bekanntlich unterbleiben. An Stelle des der Beschleunigung zu überlagernden
Schlingerwinkels kann auch die durch mechanische oder elektrische Integration des
Schlingerwinkels gewonnene mittlere Schräglage eingeführt werden.
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Der Vorteil der Einführung der Beschleunigung statt des Schlingerwinkels
liegt einmal
in der richtigen Berücksichtigung aller Einschwingvorgänge,
so daß in Hinsicht auf die ersten Schwingungsimpulse keine zusätzlichen Mittel vorzusehen
sind. Ferner ist -unabhängig von der Schiffsperiode - sowohl bei kontinuierlicher
Steuerung der Umschaltzeitpunkt der Förderanlage immer genau zusammenfallend mit
dem Nulldurchgang des Schiffes als auch .bei diskontinuierlicher Steuerung die zum
Ausgleich. der mechanischen Verzögerung erforderliche Vorumschaltzeit praktisch
auf dem gleichen absoluten Wert bleibend, während die entsprechenden Zeitpunkte
bekanntlich bei der Steuerung nach dem Schlingerwinkel mittels Integratoren mit
zunehmender Schwingungsdauer vorverlegt werden, so daß der Umschaltzeitpunkt dann
zu früh liegt.
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Der wichtigste Vorteil des erfindungsgemäßen Steuergerätes ist die
sich mit ihm ergebende automatische Phasenwahl, d. h. die richtige. -Anpassung der
Steuerung an den jeweils vorliegenden Schwingungszustand des Schiffes. Diese Wirkung
beruht auf der Tatsache, daß die Winkelbeschleunigung mit zunehmender Schiffsperiodendauer
in ihrem Absolutwert schnell zurückgeht, und zwar bekanntlich mit dem Quadrat der
Periodendauer. Wählt man also den Maßstab bzw. die überlagerungsfaktoren von Schlingerwinkel
und Schlingerwinkelbeschleunigung derart, daß bei resonanznahem der Winkelbeschleunigungswert
und bei langsamen Schwingungen der Schlingerwinkelwert überlagert, so wird von einer
bestimmten Periodendauer an die algebraische Summe aus Schlingerwinkel und Beschleunigung
praktisch gleich Null sein und somit die Schlingeranlage gestoppt; bei noch größerer
Periodendauer wird dagegen die Beschleunigung praktisch gleich Null; so daß der
Schlingerwinkel, d. h. in diesem Falle der Schräglagenwinkel, allein das Kommando
gibt, und zwar jetzt im Sinne der Deckaufförderung. Es ergibt sich hier also ganz
von selbst eine selbsttätige, -allerdings diskontinuierliche Phasensteuerung, wie
sie die Aufgabe des bei .dein bekannten .Steuergeräten benutzten Phasenwählers ist.
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Die Steuerung der Dämpfungsmassen einer Schiffsstabilisierungsanlage
nach der Schlingerwinkelbeschleunigung ist in anderer Form -bereits bekannt. Auf
Grund einer momentenmäßigerl Betrachtung des Schlingervorganges ist eine Steuerung
entwickelt worden, nach der die Tankflüssigkeitsgeschwindigkeit in jedem Augenblicke
proportional der Schlingerwinkelbeschleunigung sein soll. Diese Steuerung erfordert
a:1so außer dem Beschleunigwngsrnesser noch eine die Tiüssigkeitsgeschwindigkeit
anzeigende Vorrich--. tung. Nach der Differenz der beiden Meßwerte wird ein Steuermotor
geschaltet, der Fördersinn und Geschwindigkeit _ der Tankflüssigkeitsbewegung regelt.
Von dieser bekannten Momentensteuerung ist der Erfindungsgegenstand grundsätzlich
verschieden, da ja die an sich bekannte Steuerung nach dem Schlingerwinkel auf Grund
mathematischer Überlegungen durch den Ersatz des Schlingerwinkels durch die Schlingerwinkelbeschleunigung
abgewandelt und durch die Einführung des Schlingerwinkels eine Anpassung der Phasenlage
der Umschaltkommandos an die verschiedenen Periodenbereiche der Schiffsschwingungen
erzielt wird.
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Es ist ferner eine Schlingerdämpfungsanlage mit einem sich auf einer
Rollbahn bewegenden Dämpfungsgewicht bekannt, wobei zur Vergrößerung der Dämpfungswirkung
die Rollbahn um einen dem Schlingerwinkel oder der Beschleunigung proportionalen
Winkel relativ zum Schiffe periodisch geneigt wird. Dieses Verfahren beruht auf
der nicht zutreffenden Voraussetzung, daß die Dämpfungskraft bzw. das Dämpfungsmoment
mit dem Schlingerwinkel bzw. der Schlingerwinkelbeschleunigung phasengleich ist.
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Auf Grund theoretischer Überlegungen ist ein elektromechanisches Steuerwerk
für Tankstabilisierungsanlagen vorgeschlagen worden, bei dem ;die Tourenzahl der
Förderpumpe nach einem Steuerwert geregelt wird, der neben dem Schlingerwinkel und
der Beschleunigung noch weitere Größen enthält. Es liegt also ein grundsätzlicher
Unterschied gegenüber der erfindungsgemäßen Einrichtung vor, bei der unter Beschränkung
auf Schlingerwinkel und Beschleunigung als Steuergrößen ein ganz bestimmtes überlagerungsverhältnis
dieser beiden Werte angegeben wird.
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An Hand der in der Zeichnung dargestellten Diagramme und Ausführungsbeispiele
sollen nun das Wesen der Erfindung, die Bauart und die Wirkungsweise des neuen Steuergerätes
eingehend entwickelt und besdhriebe;n, werden. Es zeigen Fig. i bis 3 Diagramme
zur Erläuterung des bisherigen und neuen Steuergerätes, Fig. q. bis 7 Ausführungsbeispiele
des neuen Steuergerätes, Fig.8 und 9 Ausführungsbeispiele von Schlingertankanlagen,
Fig. io Diagramme zur Erläuterung einer Weiterbildung des neuen Steuergerätes.
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Aus Fig. ia und ib ist die Wirkungsweise der bekannten Steuerung nach
dem Schlingerwinkel, bei .der das Steuerorgan (Drehschieber, Verstellpropeller o.
dgl.) phasengleich mit den Ausschlägen eines Schlingerwinkelzeigers verstellt wird,
erkennbar. Das Steuergerät
enthält einen stark gedämpften und einen
schwach gedämpften, vom Schlingerwinkelzeiger bewegten Phasenregler oder Integrator,
durch deren Zusammenwirken die Kommandos für die Umschaltung der Förderrichtung
gegeben werden. Ersterer verstellt z. B. einen Kontakthebel, der über eine von dem
zweiten Integrator angetriebene, mit zwei Umschaltsegmenten versehene Scheibe hinwegstreicht.
jedesmal beim Überwechseln des Kontakthebels von dem einen Segment auf das andere
wird ein Umschaltkommando gegeben (diskontinuierliche Steuerung).
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Das Diagramm Fig. ia enthält unter der Annahme resonanznahen Schlingerns
die Schlingerwinkelkurve p und die Bewegungskurven des schwach und stark gedämpften
Integrators cpi und cT2. Die Kurve T1 ist wegen der schwachen Dämpfung nur -wenig
gegenüber (f phasenverschoben, -während (I-= einen erheblichen Phasenunterschied
aufweist. Die Schnittpunkte S bestimmen die Kommandogaben für die Umschaltung der
Flüssigkeitsförderung. Theoretisch sollten die Umschaltzeitpunkte mit dem Nulldurchgang
des Schiffes zusammenfallen, also bei Z liegen. Wegen der unvermeidlichen mechanischen
Verzögerung vom Steuergerät, Übertragungsmechanismus und Fördermaschine muß die
1sommandogabe jedoch schon etwas vor den Punkten Z erfolgen; daher werden die Kommandos
aus den Schnittpunkten der beiden Kurven cpl und qa2 abgeleitet. Die Zeitspanne
t, zwischen den Zeitpunkten S und Z ist die sog. Vorumschaltzeit.
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Fig. i b zeigt die Verhältnisse bei langen, erzwungenen Schwingungen
und läßt den grundsätzlichen Fehler des bekannten Steuergerätes erkennen, nämlich
die Abhängigkeit der Vorumschaltzeit i,, von der Frequenz. Dieser Fehler ist bekanntlich
in der Verwendung von Dämpfungsgliedern begründet, deren Einfluß bei sich ändernder
Frequenz im falschen Sinne wirkt und somit den Umschaltzeitpunkt zu früh legt. Theoretisch
sollte die Vorumschaltzeit 1y bei langsamen Schwingungen kleiner ausfallen, in Wirklichkeit
wird sie aber vergrößert. Bei kontinuierlicher Steuerung ist wegen der stetigen
Verstellung des Steuerorgans keine Vorumschaltzeit zu berücksichtigen. Gleichwohl
treten auch hier die gleichen Fehler auf. Auf die weiteren Mängel dieser Steuerung
ist bereits oben hingewiesen worden.
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An Hand der Diagramme der Fig. 2a bis 2e soll die Wirkungsweise der
erfindungsgemäßen Steuerung bei kontinuierlicher Verstellung des Steuerorgans (Drehschieber,
Verstellpropeller o. dgl.) besprochen werden. Das Steuergerät ist so ausgebildet,
daß auch überlagerte Schräglagen bekämpft werden, zu -welchem Zwecke also die Anzeigen
des Schlingerwinkelbeschleunigungsmessers mit den Anzeigen eines Schlingerwinkelzeigers
addiert werden müssen. Fig. 2 a gibt den Fall des resonanznahen Schlingerns -wieder.
Die Schlingerbewegung ist mit 9p bezeichnet, dazu verläuft, genau um i8o° versetzt,
die vom Beschleunigungsmesser ermittelte Schlingerwinkelbeschleunigung @. Das Steuergesetz
lautet: c.-W. Die Konstanten cl und e2 bestimmen das gegenseitige Verhältnis der
beiden Steuerkomponenten. il ist der Steuerwert, nach dem das Steuerorgan (Drehschieber,
Verstellpropeller o. dgl.) zu verstellen ist; bei 7i=0 wird die Bewegungsrichtung
der Tankflüssigkeitsförderung umgekehrt. Um 17 sofort graphisch ermitteln zu können,
ist in Fig. 2 a die Steuerkurve c@ # yp j mit entgegengesetztem Vorzeichen aufgetragen.
Aldann ergibt der jeweilige senkrechte Abstand zwischen den Kurven cl # g- und c2
# i,p den Steuerwert 7i nach Betrag und Vorzeichen. Die Umschaltung der Förderrichtung
findet statt im Schnittpunkt S der beiden Kurven cl # ip und c2 # (,r, der im kontinuierlichen
Schwingungszustand mit dem Nulldurchgang Z der Schlingerbewegung zusammenfällt.
Diese Phasenlage des Umschaltzeitpunktes bleibt unabhängig von Frequenzänderungen
bestehen, weil ja die Beschleunigungskurve gesetzmäßig stets um i 8o' gegenüber
der Bewegungskurve des schlingernden Schiffes verschoben ist. Die Bewegung c2 #
99 wird möglichst ungedämpft in das Steuergerät eingeführt, damit sie in dem Punkt
Z die Nullachse schneidet. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Umschaltkommandos
stets genau im richtigen Zeitpunkt, und zwar beim Nulldurchgang des Schiffes gegeben
werden. Auch M langen, erzwungenen Schwingungen bleibt die Phasenlage des Umschaltzeitpunktes
unverändert (vgl. Fig. 2b). Die geforderte Frequenzunabhängigkeit der Steuerung
ist also vorhanden. i Bei der Steuerung gemäß Fig. ia findet keine Berücksichtigung
der Einschwingvorgänge statt, so daß beim Schlingerbeginn zunächst stets falsche
Kommandos gegeben werden. Bei der erfindungsgemäßen Steuerung wird dagegen, wie
Fig.2a zeigt, sofort bei einsetzender Schlingerbewegung ein Steuerkommando zi gebildet,
das dem schwingungsanfachenden Moment entgegenwirkt. Die neue Steuerung zeichnet
sich also durch die automatische Berücksichtigung der Einschwingvorgänge aus, ohne
daß hinsichtlich Ausbildung oder Bedienung des Gerätes zusätzliche Maßnahmen zu
treffen wären.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuergerätes ist
in Fig. q. dargestellt. Der schematisch angedeutete Beschleunigungsmesser
i
kann beliebiger Bauart sein. Es kann sich beispielsweise um ein Kreiselpendelgerät
handeln, um einen Kohdedruckbeschletuvigungsmes-ser, oder die Beschleunigung kann
durch zweifache Ableitung aus dem Schlingerwinkel gewonnen werden. Vorzugsweise
wird bei Benutzung eines Pendels mit Federfesselung ein Kurzschwinger verwendet,
der z. B. in dem Verhältnis i :3 gegenüber der Schiffseigenschwingungsperiode verstimmt
sein möge. Der Beschleunigungsmesser ist so dimensioniert und übersetzt, daß an
der Ausgangswelle 2 der Wert c, - ip erscheint, der auf das eine Glied des
Differentiadgetriebes 3 gegeben wird. Der Schlingerwinkel T wird mittels des Schlingerwinkelzeigers
4 ermittelt und an der Ausg angswelle 5 als Steuerwert c2 - 9p erhalten.
Er kann unmittelbar auf das zweite Glied des Differentialgetriebes 3 gegeben werden
oder unter Zwischenschaltung eines an sich bekannten Integrators oder Phasenrdglers,
der beispielsweise aus der Federdose 6 und dem Wirbelstromdämpfer 7 besteht. Die
Federdose enthält eine rechtsgängige und eine linksgängige Spirälfeder, die einerseits
-auf der Welle 5, andererseits an der Federdose befestigt sind, die auf der mit
dem Differentialgetriebe 3 verbundenen Welle 8 sitzt. Ebenfalls auf der Welle 8
sitzt die Wirbelstrombremse 7. Durch die Überlagerung der beiden Bewegungen cl
- ip und c2 - cp wird die Resultatwelle des Differentialgetriebes
nach dem Steuerwert qi bewegt. Der Steuerwert wird über die Getriebeteile 9, i o
.und i i auf eine Welle i 2 gegeben, die bei kontinuierlicher Steuerung unmittelbar
oder unter Zwischenschaltung von Servomotoren, Kraftverstärkern o. dgl. das Steuerorgan
(Drehschieber, Verstellpropeller o. dgl.) periodisch verstellt.
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Bei sehr langsamen Schwingungen weit außerhalb des Resonanzgebietes
tritt bekanntlich die Erscheinung der aufgespaltenen Resonanzen auf.- Um dieser
Gefahr auszuweichen, muß in diesem Schwingungsbereiche die Stabilisierungsanlage
gestoppt werden. Diese Maßnahme wird bei richtiger Bemessung der Koeffizienten ei
und e2 mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät automatisch erreicht, wie Fig. 2 c,
die sich auch auf kontinuierliche Steuerung bezieht, erkennen läßt. Bei den langsamen
Schiffsschwingungen ist die Beschleunigung so weit zurückgegangen, daß der Steuerwert
17 praktisch gleich Null ist, d. h. die Schlingertankanlage ist gestoppt.
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Bei noch längeren Schwingungsdauern, die als reine Schräglagen anzusprechen
sind, ist die Beschleunigung i praktisch gleich Null, so daß praktisch der Schwingungswinkel
9z allein das Kommando übernimmt. Die Steuer- j kommandos sind jetzt jedoch gegenüber
der Schlingerbekämpfung um i8o° versetzt, d. h. e§ findet Schräglagenbekämpfung
mit i8o° Phasenverschiebung zwischen Schiffsschwingungen und Tankflüssigkeitsbewegungenstatt
(Deckaufförderung). Dieser Vorgang ist durch Fig. 2 d erläutert.
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Durch die Einführung des Schlingerwinkels cp in das Steuergerät wird
gleichzeitig die Bekämpfung von statischen Schräglagen, die sich den Schlingerbewegungen
überlagern, erreicht. Diese Eigenschaft ist .aus Fig. 2 e erkennbar. Das Schlingern
des Schiffes um eine von der Horizontallage abweichende Symmetrielage bedeutet bei
der graphischen Darstellung bekanntlich gegenüber dem Horizont H eine Verschiebung
der Mittellinie M der Schlingerbewegung cp nach oben oder nach unten, je nachdem,
auf welcher Seite die Schräglage ist. Die Umschaltzeitpunkte, die durch die Schnittpunkte
S der beiden Kurven cl -qi und c2 - #p (:Letztere ist wiederum mit entgegengesetztem
Vorzeichen aufgetragen) bestimmt sind, fallen jetzt nicht mehr mit den Durchgängen
des Schiffes durch seine Horizontallage zusammen, sondern es findet eine derartige
Verschiebung statt, daß die Förderhalbperioden abwechselnd verschieden Lang ausfallen
und die Tankflüssigkentsförderung nach der tiefer liegenden Seite kürzere Zeit,
nach der höher liegenden Seite dagegen längere Zeit stattfindet, was sich im Sinne
einer Beseitigung der Schräglage auswirkt. In Fig.2e ist eine Schräglage nach Backbord
dargestellt bei resonanznahem Schlingern. Die Tankflüssigkeitsförderung erfolgt
ständig deckab, jedoch länger nach der Steuerbordseite als nach der Backbordseite.
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Der Schlingerwinkel 99 kann auch über einen Integrator (z. B. Teile
6 und 7 :in Fig.4) zugeführt werden, der in an sich bekannter Weise aus den auf
der Steuerbord- und Backbordseite ungleichen Schwingungsamplituden die mittlere
Schräglage ermittelt. Bei der graphischen Darstellung geht dabei die Kurve c2 -
99 der Fig. 2 e praktisch in die durch die Punkte S gehende gerade Linie über. Dieses
Steuerungsverfahren hat den Vorteil, .daß die UmschaltIcommandos sauberer gegeben
werden. Der Integrator muß hierbei so ausgebildet werden, daß die Bewegupgskurve
c2 - 9p keine Phasenverschiebung erleidet.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen diskontinuierlichen Steuerung
zeigen die Fig. 3a und 3 b für resonanznahes Schlingern (Fig. 3 a) bzw. für .die
langen, erzwungenen Schwingungen (Fig.3b). Damit hier die Schnittpunkte S der Steuerkurven
cl - @ und c2 - (p vor den Nulldurchgängen Z liegen und sich somit
eine Vorurnschaltzeit i"
ergibt, teuf die Kurve c2 - 99, die wiederum
mit umgekehrten Vorzeichen aufgetragen ist, eine Phasenverschiebung aufweisen. Fig.3b
zeigt, daß sich mit langsamer werdenden Schwingungen zwar die Vorumschaltzeit ebenfalls
im falschen Sinne ändert, jedoch ist diese Änderung wegen der konstant bleibenden
Phasenlage von cl - @ so geringfügig. daß sie praktisch keine Rolle spielt und somit
eine wesentliche Verbesserung gegenüber der bekannten Steuerung nach Fig. i a und
i b vorliegt.
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Das oben beschriebene Steuergerät nach Fig. q. ist auch für diskontinuierliche
Steuerungen zu gebrauchen. Hierfür wird beispielsweise auf der Welle 12 ein Kontakthebel
15 angebracht, der über zwei feststehende Kontaktsegmente 13 und 1.4 hi@nwegstreicht.
Jedesmal beim Hinfiberwechseln des Konta.ktliebel:s von dem einen Segment zum anderen
werden die Umschaltkommandos für den Wechsel der Förderrichtung gegeben. Das Gerät
ist so einzujustieren, daß sich bei der Nullage des Schiffes auch der Kontakthebel
15 in der Mittelstellung bezüglich der Segmente 15 und 1 4. befindet. Um die Vorumschaltzeit
zu erzielen, muß natürlich jetzt der Schlingerwinkel #p mittels eines gedämpften
Integrators, der eine Phasenverschiebung bewirkt, eingeführt werden.
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Da die Berücksichtigung der Vorumschaltzeit durch denselben Integrator,
der die durch überlagerte Schräglagen bedingte Korrektur liefert, unter Umständen
nicht zuverlässig genug ist, empfiehlt es sich, das in Fig. q. beschriebene Steuergerät
durch eine gesonderte Einrichtung für die Bildung der Vorumschaltzeit zu erweitern.
Beispiele dafür -zeigen die Fig. 5 und 6. In Fig. 5 ist 12 die mit der gleichen
Ziffer bezeichnete Resultatwelle des Steuergerätes nach Fig. 4., von der aus mittels
der Zahnräder 16, 17 und 18 zwei gedämpfte Phasenregler oder Integratoren, die etwa
von der gleichen Ausbildung wie der in Fig. 4. dargestellte Integrator 6, 7 sind,
angetrieben werden. Der erste Integrator ist schwach gedämpft und besteht aus der
Federdose 19 und dem Wirbelstromdämpfer 21, der -zweite Integrator enthält die Federdose
2o und die eine kräftige- Dämpfung bewirkende Wirbelstrombremse 22. Die Ausgangsbewegungen
der Integratoren werden über Schneckengetriebe 23 und 24. ins Langsame übersetzt.
Das Schneckengetriebe 23 bewegt einen Kontaktltebel 15, dein zwei Kontaktsegmente
13 und 14. zugeordnet sind. Die Kontaktsegmente sitzen auf einer Scheibe 25, die
von dem Sclineckenradgetriebe 24. bewegt wird. Die Teile 13, 14 und 1 5 übernehmen
die Funktion der hei Fig.:l beschriebenen Teile mit den gleichen Bezugszeichen.
Durch Regulierung der Wirbelstrombremsen 21 und 22 ist es möglich, die Vorumschaltzeit
f" in weiten Grenzen zu verändern und vor allen Dingen unalihängig vorn iil>rigen
Steuervorgang zu halten.
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Die Einrichtung für die Einstellung der Vorumschaltzeit nach Fig.
6 ist gegenüber der eben beschriebenen dadurch vereinfacht, daß nur ein Phasenregler
19, 21 benötigt wird. Die Kontaktsegmentscheibe 25 wird hierbei unmittelbar von
der Steuerwelle 12, die die Funktion des zweiten Phasenreglers übernimmt, angetrieben.
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Ein rein elektrisch aufgebautes, die Vorumschaltzeit berücksichtigendes
Steuergerät zeigt Fig.7. Hierbei wird von der an sich bekannten Tatsache GQbrauch
gemacht, daß die üherlagerung der Steuerbewegung mit der Schlingerivinkelgeschwindigkeit
eine Vorverlagerung der Umschaltkommandos ergibt. `Zähere Untersuchungen haben :gezeigt,
daß die durch Überlagerung ,der Schlingerwink e:lgeschw=indigkeit erhalte:neVoruimsch
Faltzeit weitgehend frequenzunabhängig - und natürlich völlig amplitudenunabhängig
- ist, so d:aß das Steuergerät nach Fig. 7 besonders vorteilhaft ist.
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Die einzelnen Komponenten der Steuerbewegung werden zweckmäßig an
Drehtransformatoren eingestellt und die so erhaltenen, den Werten T, @p und (p proportionalen
Wechselspannungen auf Transformatoren 81, 82, 83 g8geben, deren Sekundärspulen hintereinandergeschaltet
sind. Im Transformator 87 ergibt sich dann eine resultierende Wechs@eilspannung
17 = c, - (p -1- c_> - (1, -1- k - j. Das oben entwickelte
Grundgesetz der Steuerung nach tp und ip ist beibehalten, denn wird nur für die
Bildung der Vorumschaltzeit herangezogen und zu diesem Zweck in einem i geeigneten
Maßstab überlagert. Die Gröl-')e der Konstanten cl, c2 und h,.. die die Anteile
der einzelnen Komponenten bestimmen, kann an den Regelwiderständen 8q., 85. 86 eingestellt
werden.
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Entsprechend .der verlangten period@isclien Umschaltung des Steuerorgans
müssen die Phasenänderungen des resultierenden Wechselstroms in Richtungsänderungen
eines Gleichstroms umgewandelt werden. Hierzu ist die Gleichrichterschaltung 89
(Ringniodulator) vorgesehen, die ihre Vorerregung vorn dem Transformator 88 erhält.
In an sich bekannter Weise werden durch diese Anordnung in der Ausgangsspule 9o
Gleichstromstöße hervorgerufen, die mit jeder halben Periode der Schiffsschwingung
ihre Rielitung ändern und so den Drehmagneten 91 im einen oder anderen Sinne verstellen.
Der Drehmagnet 9 t kann unmittelbar oder über Verstärkereinrichtttngen das Stenerorgan
(Di-eliscliit#-ber, Verstellpi-opeller o. dgl.) umschalten.
Das
Steuergerät nach Fig.7 kann in gleicher Weise für kontinuierliche Steuerung benutzt
werden; alsdann können die Teile 82 und 8 5 fortfallen.
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Ein Ausführungsbeispiel einer aktivierten Tankstabilisierungsanlage,
die mit dem erfindungsgemäßen kontinuierlichen Steuergerät betrieben werden kann,
zeigt Fig. B. Als Aktivierungsmaschine dient eine Verstellpropellerpumpe. . Die
Prop,ellemfiügelbestimmen durch ihren Anstellwinkel Richtung und Intensität der
Flüssigkeitsförderung und sind somit das gemeinsame Steuerorgan für die Richtungs-und
Leistungssteuerung.
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Das im Querschnitt gezeichnete Schiff enthält an der Steuerbord- und
an der Backbordseite je einen Tank 31 bzw. 32. Die beiden Tanks sind unten durch
einen Flüssigkeitskanal 33 und oben durch einen Luftkanal 34 miteinander verbunden.
Im Flüssigkeitskanal 33 ist die Verstellpropellerpumpe 35 vorgesehen, die über das
Getriebe 36 von einem bei eingeschalteter Anlage dauernd im gleichen Drehs,in,ne
umtaufenden Motor 37 angetrieben wird. Die Einstellung der Propellerflügel auf den
jeweils erforderlichen Anstellwinkel erfolgt durch das erfindungsgemäße Steuergerät
nach Fig.4 oder 7 über einen Servomotor 38. Aus dem in Fig._8 schematisch dargestellten"
Steuergerät ¢1 führt die nach dem Steuergesetz i - ci # qi @-- c2 # 99 bewegte
Steuerwelle 12 hinaus, die mit der Welle 12 der Fig.4 identisch ist bzw. von dem'
Drehmagneten 91. in Fig. 7 bewegt wird. Auf der Steuerwelle 12 sitzt ein Zahnradsegment
4o; das mit einer Zahnstange 39 zusammenarbeitet. Die Zahnstange 39 verstellt die
Steuerung des Servomotors 38, was die kontinuierliche Verstellung der Propellerflügel
synchron mit den Bewegungen der Steuerwelle 12 zur Folge hat.
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Als Beispiel für die diskontinuierliche Steuerung ist in Fig.9 eine
Schlingertankanlage mit Aktivierung der Tankflüssigkeitsförderung durch ein Gebläse
5o dargestellt. Als Steuerorgan für die erfindungsgemäß auszuführende Richtungssteuerung
dient ein Drehschieber 51. Dieser ist jedoch nicht unmittelbar im Luftverbindungskanal
34, sondern in einer dazu parallel liegenden Leitung 52 angeordnet und ist reit
vier AnschluB-stellen versehen, zwei für die Leitung 52 und zwei weitere für die
Saugleitung 53- und die Druckleitung 54 des Gebläses 50. Im Luftkana134 sitzt die
einseitig durchlässige und hinsichtlich der Durchlaßrichtüng umsteuerbare Rückschlagklappe
55. Die Umsteuerung der Durchlaßrichtung erfolgt mittels der Magnete 56 und 57,
an deren Ankern die Blokkierungsriege158 und 59 sitzen.
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Die Wirkungsweise der Gebläseaktivierung beruht bekanntlich darauf,
daß eine halbe Periode lang in den Lufträumen oberhalb der Tankflüssigkeitsspiegel
der beiden Tanks abwechselnd Unterdruck und Überdruck erzeugt wird. Die Förderrichtung
ist durch die Stellung des Drehschiebers 51 bestimmt und wird gesteuert durch die
Magnete 6o und 61. Die Anker dieser Magnete sind durch eine Stange 62 miteinander
verbunden, die in der Mitte eine Verzahnung 63 trägt. Mit dieser Verzahnung kämmt
ein auf der Drehachse des Drehschiebers sitzendes Zahnradsegment. Dargestellt ist
der Drehschieber in seiner Mittelstellung bzw. bei abgeschalteter Anlage. Demgemäß
ist auch die die Magneterregung steuernde Kontaktanordnung 13, 14, 15 in der Mittelstellung
gezeichnet. Diese Kontaktanordnung ist mit den Teilen 13 bis 15 der Fig.4 bis 6
identisch. Bei Verwendung des Steuergerätes nach Fig. 7 wird die Zahnstange 63 unmittelbar
von dem Drehmagneten 91 verstellt.
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Der Kontakthebel 15 bewegt sich im Takte der Schiffsschwingungen relativ
zu den Segmenten 13 und 14 und bewirkt so über die Magnete 6o und 61 jedesmal beim
Kontaktwechsel ein abwechselndes Umschalten der Förderrichtung. Wenn z. B. der Kontakt
15, 13 besteht, dann ist der Magnet 61 erregt und der Magnet 6o stromlos. Der Magnet
61 hat also seinen Anker angezogen, und der Drehschieber ist im Uhrzeigersinne verstellt,
so daß der Tank 31 an die Saugseite und der Tank 32 an die Druckseite des Gebläses
angeschlossen ist. Es findet somit eine Luftförderung von Steuerbord nach Backbord
und somit eine Flüssigkeitsförderung von Backbord nach Steuerbord statt. Wechselt
der Kontakthebel 15 über das Kontaktsegment 14, dann kehren sich die Verhältnisse
in leicht erkennbarer Weise um, und es 'wird jetzt Flüssigkeit von Steuerbord nach
Backbord gefördert.
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Gleichzeitig mit dem Umschalten des Drehschiebers 51 wird die Durchlaßrichtung
der Rückschlag-klappe 55 umgesteuert, indem entweder der Riegel 58 oder der
Riegel 59 angezogen ist. Die Rückschlagklappe soll. bekanntlich im Augenblicke
des Wechsels der Förderrichtung einen plötzlichen Druckausgleich zwischen den beiden
Tankseiten bewirken, durch den das Gebläse selbst nicht belastet wird. Die weitere
Förderung erfolgt dann durch das Gebläse 5o über den Umgehungskanal 52. Die Blockierungsriegel
58 und 59 werden gesteuert durch die Kontaktanordnung 64 bis 66, deren Kontakthebel
64 auf der Drehwelle des Drehschieibers sitzt.
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Da das erfindungsgemäße Steuergerät nur die Richtungs- und Phasensteuerung
übernimmt, muß, noch eine besondere Leistungs-
Steuerung vorgesehen
werden. Zu diesem Zwecke ist in der Saugleitung 53 des Gebläses
50 eine Drosselklappe 67 angeordnet, die von einem Magneten 68 entsprechend
der verlangten Leistung mehr oder weniger geöffnet wird. Die Erregung des Magneten
68 wird von einem Stufenkontakt 69 in Verbindung mit dem Widerstand 7o geregelt.
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Die Reglerklappe 67 in der Saugleitung ist in Abhängigkeit von der
Maximalamplitude des Schlingerwinkels einzustellen. Um dies zu erreichen, ist an
die Ankerachse des Magneten 68 ein hydraulischer Integrator angeschlossen, der einen
mit Öl gefüllten Dämpfungszylinder 7 i mit Kolben 72 enthält. In dem Kolben 72 sind
Rückschlagventile 73 vorgesehen. Auf der linken Seite des Kolbens sitzt im Zylinder
die Zugfeder 74., ferner ist noch ein Umgehungskanal 75 mit Drosselventil
76 vorgesehen. Der Stufenkontakt 69 bildet mit dem Widerstand 70 einen Spannungsteiler,
der entsprechend den Ausschlägen des z. B. von einem Schlingerwinkelzeiger bewegten
Kontakthebels 69" die Erregung des Magneten 68 regelt. Die Leistungsreglerklappe
67 macht jedoch nicht die periodischen Bewegungen mit, sondern wird lediglich entsprechend
der Maximalamplitude des Schlingerwinkels verstellt wegen der integrierenden Wirkung
der Dämpfungseinrichtung 7 i bis 76. Einer vom Magneten 68 ausgeübten Zugwirkung
nach rechts, die bei eingeschalteter und stärker werdender Erregung eintritt, kann
der Kolben 72 entgegen der rückziehenden Kraft der Feder 74. leicht folgen, weil
sich die Rückschlagventile 75 öffnen und eine Verdrängung des Öles ermöglichen.
Wenn beim Nachlassen der Magneterregung, also bei kleiner werdendem Schlingerwinkel,
die Feder 7¢ den Kolben 72 zurückzuziehen bestrebt ist, schließen sich die Rückschlagventile
73, so daß eine Verdrängung des öles nur über den Umlaufkana175 möglich ist. Die
dabei eintretende, mittels des Ventils 76 einstellbare Drosselung ist so stark,
daß der Magnetanker und damit die Reglerklappe 67 praktisch in der der Maximalamplitude
des Schlingerwinkels entsprechenden Stellung verharrt.
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Der Leistungsregler kann seine Steuerkommandos von dem erfindungsgemäßen,
die Richtung und Phase steuernden Steuergerät erhalten, indem z. B. der Kontakthebel
69"
auf der Achse des Kontakthebels 15 und der Stufenkontakt 69 auf
der Achse der Segment-Scheibe 25 (Fig. 5 und 6) angeordnet wird. Wird das Steuergerät
nach Fig.7 benutzt, dann kann der Drehschieber 9i gleichzeitig die Kontakte für
den Leistungsregler betätigen.
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Bei der diskontinuierlichen Steuerung werden für das Steuergeriit
Phasenregler finit Dämpfungseinrichtungen für die Einstellung der Vorumschaltzeit
benötigt. Bei der kontinuierlichen Steuerung sind diese Teile entbehrlich; dafür
ergeben sich jedoch die folgenden Nachteile: Einmal wird die Förderleistung wegen
der kontinuierlich, etwa sinusförmig verlaufenden Zuführung der Aktivierungsenergie
nicht voll ausgenutzt. Die diskontinuierliche Steuerung ergibt in dieser Beziehung
den Vorteil, daß jedesmal beim Umschalten sofort die volle Leistung einsetzt. Zweitens
erfolgt die Leistungsregelung für Schlingerdämpfen und Schräglagenbekämpfung in
gleicher Weise, obgleich für die letztere andere Gesichtspunkte gelten. Diese beiden
Mängel können bei Benutzung des erfindungsgemäßen Steuergerätes durch folgende Maßnahmen
beloben werden: Das Verhältnis zwischen Verstellwinkel des Drehschiebers bzw. der
Propellerflügel und Schlingerwinkel wird so gewählt, daß bereits bei etwa q. bis
5" Schlingerwinkel der größte Ausschlag des Drehschiebers bzw. der Propellerflügel
erreicht ist, so daß nun die volle Leistung einsetzt. Dann ergibt sich für die Schiffsschwingungen
mit einem größeren Schlingerwinkel, bei denen eine besonders kräftige Aktivierung
notwendig ist, eine halbdiskontinuierliche Steuerung gemäß dem Diagramm der Fig.
ioa, in dem als Ordinaten die Schlingerwinkel cp und die Steuerwerte aufgetragen
sind. Bei allen Schlingerwinkeln über d.° tritt eine trapezförmige Umsteuerbewegung
ein mit einem schnellen Umsteuern durch Null ohne Beeinträchtigung der Förderung
durch eine Sinusbewegung. Da im Bereiche des Nulldurchganges die Steuerung kontinuierlich
ist, ergibt sich von selbst die rechtzeitige Umschaltung des Drehschiebers bzw.
der Propellerflügel, die bei der diskontinuierlichen Steuerung durch die Zeitreglerwirkung
und Einführung der Vorumschaltzeit erreicht wurde.
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Der zweite Nachteil wird in der Weise beseitigt, daß be'i der Schräglagenbekämpfung
das ü bersetzungsverhältnis zwischen Schlingerwinkel und Anstellwinkel des Drehschiebers
bzw. Verstellpropellers verringert wird, indem hier etwa bei einer Schräglage von
8 bis i o° der maximale Aasstellwinkel erreicht ist (s. Eig. iob).
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Die Phasenwählerfunktion des erfindungsgemäßen Steuergerätes gestattet
die autoasiatische Umschaltung des übersetzungsverhältnisses, d. h. den Wechsel
vom Betrieb nach Fig. ioa auf den Betrieb nach Fig. iob, die z. B. immer dann erfolgt,
wenn der Beschleunigungsmesser praktisch den Wert Null anzeigt. Diese Umschaltung
kann auch gleichzeitig dazu benutzt werden, um bei Gebläiseaktivierung das Gebläse
auf die für den
vorliegenden Betriebszustand zweckmäßigste Druckhöhe
zu schalten, indem etwa die Gebläsedrelizahl oder die Parallel- und Reihenschaltung
der Gebläselaufräder verändert wird. -Das beschriebene Steuergerät ist auch für
das Aufschlingern von Schiffen zu gebrauchen, was gelegentlich fütz Versuchs- und
Ausbildungszwecke vorgenommen wird. Hierbei müssen die Steuerkommandos der Winkelbeschleunigung
mit umgekehrten Vorzeichen gegeben werden, während die Steuerkommandos des Schlingerwinkels
ihr Vorzeichen behalten. Bei elektrischen Kommandos kann die Vorzeichenumkehr der
Winkelbeschleunigung durch Umpolung erreicht werden.
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Die Bauart des neuen Steuergerätes kann gegenüber den gebrachten Ausführungsbeispielen
auf .mannigfache Weise in seinem mechanischen und elektrischen Teil variiert werden,
z. B. können, die Steuerwerteij auch auf elektrischem Wege mittels Potentiometer,
Drehtransformatoren o. dgl. gebildet werden.