EP0168864A1 - Regel- und Verbraucherkreis - Google Patents

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EP0168864A1
EP0168864A1 EP85200955A EP85200955A EP0168864A1 EP 0168864 A1 EP0168864 A1 EP 0168864A1 EP 85200955 A EP85200955 A EP 85200955A EP 85200955 A EP85200955 A EP 85200955A EP 0168864 A1 EP0168864 A1 EP 0168864A1
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control
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switch
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Eberhard Dr. Schwerdtel
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Hasler AG
Ascom Hasler AG
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/575—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices characterised by the feedback circuit

Definitions

  • the invention relates to a control and consumer circuit for providing and consuming a regulated output variable according to the preamble of claim 1.
  • control loops Numerous types of control loops are known from control technology and in particular from electrical control technology. These control loops are used to derive an output variable from an input variable, which is regulated, for example kept constant, according to one or more parameters of the output variable.
  • the object of the invention is to provide a control and consumer circuit in which the output variable has improved properties by avoiding or at least reducing regulatory restrictions by announcing sudden changes in consumption.
  • the control loops are to be supplied beforehand to the control loops in order to enable them to be activated; to react specifically and, above all, with foresight to the subsequent changes in consumption of the converter.
  • the control circuit 11 comprises an actuator 15, by means of which an input variable 16, e.g. an electrical current is converted into a regulated output variable 17.
  • the output variable 17 can in turn be an electrical current that is regulated, for example, with regard to its voltage.
  • the regulation is carried out in a known manner by tapping an actual value signal 20 from the output variable 17 by means of a sensor and comparing it with a setpoint signal 22 in a controller 21, an actuating signal 23 being generated to set the actuator 15.
  • the consumer group 12 comprises two different types of consumers.
  • One consumer 26 has an essentially constant consumption of the output variable 17 and is, for example, electronic circuits.
  • the second consumers 27, on the other hand, are switched by a controller 30 and thus have consumption which changes in a very complex manner.
  • there are electromechanical converters such as stepper motors or ballistic needle drives of a matrix printer.
  • the controller 30 of the consumer circuit 12 is now connected to a second controller 33 via a connection 31. Via this connection 31, the controller 30 outputs information about an impending change in consumption of the consumers 27 to be triggered by the controller 30 at the controller 33. This evaluates this information and outputs a second control signal 34 to the actuator 15.
  • the actuator responds to the second control signal 34 in such a way that the output variable 17 is available at the output of the control circuit 11 at the same time as the announced and then occurring change in consumption so that the new consumption, e.g. in the form of an increased current, is covered in equal quantities. Announced abrupt changes in consumption therefore produce no or at most only slight control movements on the actual value signal 20 and on the controller 21, which thus significantly improves the constancy of the output variable 17.
  • the remaining fluctuations in the actual value can be fed to the second controller 33 via a connection 24.
  • this enables the latter to adapt adaptively to the fluctuations in consumption and / or input variables in such a way that a minimum of the remaining fluctuations in the actual value of the output variable 17 is maintained.
  • FIG. 2 shows, as a concrete example for the control circuit 11 of FIG. 1, a direct current / direct current converter based on the principle of the switching regulator with a rigid clock frequency and pulse length modulation.
  • Fig. 3 shows the associated pulse diagram.
  • the input current to be converted is applied to the primary winding of a pulse transformer 39 with a voltage U e via a controllable switch 38.
  • the secondary winding of the transformer 39 is connected in a known manner via diodes 40, 41, a choke 42 and a capacitor 43 to the output of the control circuit 11 and supplies an output current of constant voltage U a to it .
  • This voltage U a is supplied as the actual voltage to one controller 21 and is compared by this with the target voltage U s .
  • the controller 21 emits an assigned actuating signal to the switching controller 47 in each period of the rigid clock 1 / T, which then switches the switch 38, for example a switching transistor, conductive for an interval p.
  • Fig. 3 shows this process in the form of a pulse or time diagram.
  • the clock intervals T of the converter follow each other on the time axis t, at each of which a subinterval p represents the switch-on pulses of the primary current described.
  • An edge of these intervals p is time-variable for the purpose of regulation, which is indicated by double arrows.
  • Each of these subintervals r corresponds to a switched-on consumer 27 from FIG. 1 and supplies exactly the current strength required by it. If several consumers 27 are switched on at the same time, the sub-interval q consists of a corresponding number of sub-intervals r, for example four. If no consumer 27 is switched on, the subinterval q is omitted.
  • the length of the subintervals r can be made dependent on the type of consumer switched on and / or on its temporal consumption characteristic.
  • FIG. 2 further shows the consumer circuit 12, to which electronic circuits 50, a stepper motor 51 and, for example, nine needle drives of a matrix print head 52 belong.
  • the latter is controlled by a selection controller 55, for example in the form of a microprocessor controller, and the stepper motor 51 by a motor controller 56.
  • the selection controller 55 selects the sequentially actuated needle drives of the matrix pushbutton 52 and outputs the information that has arisen here, e.g. via the respective number of drives, to the second controller 33 of the control circuit 11. This transmits corresponding control signals to the switch control 47 at the correct time.
  • the control circuit 11 uses the controller 33 to provide the required current strength precisely and in time, while the controller 21 provides for the supply of the electronic circuits 50 in a normal function.
  • the training of the controller 33 lies in the ability of the person skilled in the art. It can be hardwired logic using e.g. Counters for counting the number of required partial intervals t. However, it can also be logic using a microprocessor with an associated memory. In this case e.g. Save information about the length of the partial intervals r to be used in the memory without any problems and for as long as desired.
  • the results of the respective controller inserts can be checked and, if necessary, the stored information values can be easily adapted or changed if there are variations in the consumption change in the consumers 51 and 52, e.g. due to temperature changes or if the input voltage U e is subject to greater fluctuations.
  • the selection control 55 and the second controller 33 are combined in this logic in terms of hardware and functionally differentiated on the basis of software.

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Abstract

Der Regelkreis (11) umfasst ein Stellglied (15) zur Umwandlung einer Eingangsgrösse (16)'in eine geregelte Ausgangsgrösse (17) und einen Regler (21) zur Abgabe eines Stellsignals (23) in Abhängigkeit vom Ist- (20) und Sollwert (22). Der Verbraucherkreis (12) umfasst Verbraucher konstanten (26) und gesteuert variablen (27) Verbrauchs. Die Steuerung (30) gibt ihre zur Ansteuerung der gesteuerten Verbraucher (27) benötigte Information vorgängig der Ansteuerung an einen zweiten Regler (33) ab. Dieser beeinflusst das Stellglied (15) so, dass zeitgleich mit jeder Verbrauchsänderung der gesteuerten Verbraucher (27) eine mengengleiche Veränderung der Ausgangsgrösse (17) resultiert. Die Anordnung besitzt verbessertes Regelverhalten bei Lastsprüngen und dient zur kombinierten Speisung von elektronischen Schaltkreisen und elektromechanischen Wandlern, insbesondere bei Matrixdrucken.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Regel- und Verbraucherkreis zur Bereitstellung und zum Verbrauch einer geregelten Ausgangsgrösse entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Aus der Regeltechnik und insbesondere der elektrischen Regeltechnik sind zahlreiche Arten von Regelkreisen bekannt. Diese Regelkreise dienen dazu, aus einer Eingangsgrösse eine Ausgangsgrösse abzuleiten, die nach einem oder auch mehreren Parametern der Ausgangsgrösse geregelt, beispielsweise konstant gehalten, wird.
  • Starke und vor allem sprunghafte Verbrauchsänderungen führen bei den bekannten Regelkreisen jeweils zu Regelschwankungen der Ausgangsgrösse, die störend wirken können. Wegen dieser Störungen ist es beispielsweise heute üblich, in elektronischen Geräten mit elektromechanischen Wandlern, z.B. mikroprozessorgesteuerten Matrixdruckern, für die elektronischen Schaltkreise und für die elektromechanischen Wandler, insbesondere die Nadelantriebe und Schrittmotoren des Matrixdruckers, getrennte Speiseeinheiten zu verwenden. Dies ist relativ material-und platzaufwendig.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Regel- und Verbraucherkreis anzugeben, bei dem die Ausgangsgrösse verbesserte Eigenschaften aufweist, indem Regelschrankungen durch Vorankündigung von sprunghaften Verbrauchsänderungen vermieden oder zumindest vermindert werden. Insbesondere soll bei elektrischen Regelkreisen, die gesteuerte elektromechanische Wandler speisen, durch Ausnützung der zur Ansteuerung der Wandler bereitgestellten Information vorgängig ihrer Ausnutzung zur besagten Ansteuerung den Regelkreisen zugeführt werden, um diese in die Lage zu versetzen; gezielt und vor allem vorausschauend auf die nachfolgend ausgelösten Verbrauchsänderungen der Wandler zu reagieren.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ist durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gegeben. Die anderen Ansprüche geben Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
  • Der im wesentlichen durch die Aufgabenstellung genannte Erfindungsgedanke ist bei Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlern nach dem Prinzip des Schaltreglers mit starrer Taktfrequenz und Pulslängenmodulation besonders einfach technisch zu realisieren. In der nachfolgenden, beispielsweisen Beschreibung wird auf diese Art von Regelkreis daher besonders eingegangen. Der Erfindergedanke ist aber nicht auf diese Art Wandler beschränkt, sondern auf eine Vielzahl anderer Regelkreise ebenfalls anwendbar.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Figuren beispielsweise näher beschrieben Es zeigen:
    • Fig. 1 - Prinzipschaltbild eines Regel- und Verbraucherkreises
    • Fig. 2 - Verfeinertes Blockschaltbild eines elektrischen Regel- und Verbraucherkreises
    • Fig 3. - Zugehöriges Pulsdiagramm.
  • Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Regelkreises 11 und eines zugehörigen Verbraucherkreises 12. Der Regelkreis 11 umfasst ein Stellglied 15, mittels dessen eine Eingangsgrösse 16, z.B. ein elektrischer Strom, in eine geregelte Ausgangsgrösse 17 umgesetzt wird. Die Ausgangsgrösse 17 kann wiederum ein elektrischer Strom sein, der beispielsweise bezüglich seiner Spannung geregelt ist. Die Regelung erfolgt in bekannter Weise, indem von der Ausgangsgrösse 17 mittels eines Fühlers ein Istwertsignal 20 abgegriffen und in einem Regler 21 mit einem Sollwertsignal 22 verglichen wird, wobei ein Stellsignal 23 zum Stellen des Stellgliedes 15 entsteht.
  • Der Verbraucherkreis 12 umfasst zwei verschiedene Sorten von Verbrauchern. Die einen Verbraucher 26 weisen einen im wesentlichen konstanten Verbrauch der Ausgangsgrösse 17 auf und sind beispielsweise elektronische Schaltungen. Die zweiten Verbraucher 27 dagegen werden durch eine Steuerung 30 geschaltet und weisen damit sich spruchhaft ändernden Verbrauch auf. Es sind beispielsweise elektromechanische Wandler wie Schrittmotoren oder ballistische Nadelantriebe eines Matrixdruckers.
  • Die Steuerung 30 des Verbraucherkreises 12 ist nun über eine Verbindung 31 mit einem zweiten Regler 33 verbunden. Ueber diese Verbindung 31 gibt die Steuerung 30 jeweils Information über eine bevorstehende, durch die Steuerung 30 auszulösende Verbrauchsänderung der Verbraucher 27 an der Regler 33 ab. Dieser wertet diese Information aus und gibt ein zweites Stellsignal 34 an das Stellglied 15 ab. Das Stellglied reagiert auf das zweite Stellsignal 34 so, dass am Ausgang des Regelkreises 11 zeitgleich mit der angekündigten und dann eintretenden Verbrauchsänderung die Ausgangsgrösse 17 so angepasst zur Verfügung steht, dass der neue Verbrauch, z.B. in Form einer erhöhten Stromstärke, mengengleich gedeckt ist. Vorangekündigte sprunghafte Verbrauchsänderungen erzeugen daher keine oder höchstens geringe Regelbewegungen am Istwertsignal 20 und am Regler 21, was damit die Konstanz der Ausgangsgrösse 17 wesentlich verbessert.
  • Über eine Verbindung 24 lassen sich die verbleibenden Schwankungen des Istwertes dem zweiten Regler 33 zuführen. Hierdurch wird dieser bei geeigneter Ausbildung in die Lage versetzt, sich adaptiv so an die Verbrauchs- und/oder Eingansgrössenschwankungen anzupassen, dass ständig ein Minimum der verbleibenden Schwankungen des Istwertes der Ausgangsgrösse 17 eingehalten wird.
  • Fig. 2 zeigt als konkretes Beispiel für den Regelkreis 11 von Fig. 1 einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler nach dem Prinzip des Schaltreglers mit starrer Taktfrequenz und Pulslängenmodulation. Fig. 3 zeigt das zugehörige Pulsdiagramm. Der zu wandelnde Eingangstrom liegt mit einer Spannung Ue über einen steuerbaren Schalter 38 an der Primärwicklung eines Impulstransformators 39 an. Die Sekundärwicklung des Transformators 39 ist in bekannter Weise über Dioden 40,41, eine Drossel 42 und einen Kondensator 43 mit dem Ausgang des Regelkreises 11 verbunden und liefert an diesen einen Ausgangsstrom konstanter Spannung Ua. Diese Spannung Ua wird als Istspannung dem einen Regler 21 zugeführt und durch diesen mit der Sollspannung Us verglichen. Der Regler 21 gibt entsprechend diesem Vergleich in jeder Periode des starren Taktes 1/T ein zugeordnetes Stellsignal an die Schaltsteuerung 47 ab, die hierauf den Schalter 38, z.B. einen Schalttransistor, für ein Intervall p leitend schaltet.
  • Fig. 3 zeigt diesen Vorgang in Form eines Puls- bzw. Zeitdiagrammes. Auf der Zeitachse t folgen sich die Taktintervalle T des Wandlers, bei denen jeweils ein Unterintervall p die beschriebene Einschaltpulse des Primärstromes darstellt. Eine Flanke dieser Intervalle p ist zum Zwecke der Regelung zeitvariabel, was durch Doppelpfeile angedeutet ist.
  • Fig. 3 zeigt weiter in jedem Taktintervall T ein zusätzliches Unterintervall q, das sich aus einer Zahl n ( n = 0,1,2,...) nicht notwendiger Weise gleichlanger Teilintervalle r zusammensetzt. Jedes dieser Teilintervalle r entspricht einem eingeschalteten Verbraucher 27 von Fig. 1 und liefert genau die von diesem benötigte Stromstärke. Sind mehrere Verbraucher 27 gleichzeitig eingeschaltet, so besteht das Unterintervall q aus einer entsprechenden Anzahl von Teilintervallen r, z.B. vier. Ist kein Verbraucher 27 eingeschaltet, dann entfällt das Unterintervall q. Die Länge der Teilintervalle r kann abhängig gemacht sein von der Art des eingeschalteten Verbrauchers und/oder von dessen zeitlicher Verbrauchscharakteristik.
  • Es ist vorteilhaft, wenn je zwei Unterintervalle q und p aneinandergrenzen zur Bildung eines gemeinsamen Einschaltintervalles, da dann pro Taktinterwall T nur ein Ein- und Ausschaltvorgang nötig ist. Es ist weiter vorteilhaft, wenn die Taktintervalle T klein sind gegenüber den Einschaltintervallen der Verbraucher 27, da in diesem Fall eine feine Anpassung an den tatsächlichen Verbrauch möglich ist.
  • Fig. 2 zeigt weiter den Verbraucherkreis 12, dem Elektronikschaltungen 50, ein Schrittmotor 51 und beispielsweise neun Nadelantriebe eines Matrixdruckkopfes 52 angehören. Letzterer wird durch eine Auswahlsteuerung 55, beispielsweise in Form einer Mikroprozessorsteuerung, angesteuert, der Schrittmotor 51 durch eine Motorsteuerung 56.
  • Sobald ein Zeichen, z.B. der Buchstabe Y, gedruckt werden soll, wählt die Auswahlsteuerung 55 die nacheinander anzusteuernden Nadelantriebe des Matrixdruckknopfes 52 aus und gibt die hierbei entstandene Information, z.B. über die jeweilige Anzahl von Antrieben, an den zweiten Regler 33 des Regelkreises 11 ab. Dieser gibt zeitrichtig entsprechende Stellsignale an die Schaltersteuerung 47 ab. Sobald nun mit dem Druck des Zeichens begonnen wird, d.h. ein oder mehrere Nadelantriebe zum ersten Abdruck betätigt werden, hieran anschliessend der Schrittmotor 51 einen Schritt ausführt, ein oder mehrere Nadelantriebe zum zweiten Ausdruck betätigt werden, usw., stellt der Regelkreis 11 über den Regler 33 jeweils genau und zeitrichtig die benötigte Stromstärke zur Verfügung, während der Regler 21 in normaler Funktion für die Versorgung der Elektronikschaltungen 50 sorgt.
  • Die Ausbildung des Reglers 33 liegt im Können des Fachmannes. Es kann sich hierbei um eine fest verdrahtete Logik handeln unter Verwendung von z.B. Zählern zum Abzählen der Zahl von jeweils benötigten Teilintervallen t. Es kann sich aber auch um eine Logik unter Verwendung eines Mikroprozessors mit zugeordnetem Speicher handeln. In diesem Fall lässt sich z.B. Information über die Länge der jeweils zu verwendenden Teilintervalle r im Speicher problemlos und beliebig lang speichern.
  • Ferner lassen sich aufgrund der Rückkopplung der Schwankungen der Ausgangspannung Ua zum Regler 33 die Ergebnisse der jeweiligen Reglereinsätze kontrollieren und gegebenenfalls die gespeicherten Informationswerte leicht anpassen oder abändern, wenn bei den Verbrauchern 51 und 52 Variationen der Verbrauchsänderung eintreten, z.B. aufgrund von Temperaturänderungen, oder wenn die Eingangsspannung Ue grösseren Schwankungen unterliegt.
  • Bei Verwendung einer Logik mit Mikroprozessor können weiter z.B. die Auswahlsteuerung 55 und der zweite Regler 33 in dieser Logik hardwaremässig zusammengefasst und funktionsmässig aufgrund von Software unterschieden sein.
  • Unabhängig von der Erfindung ist es, ob die Verbraucher 50, 51, 52 alle für die gleiche Nominalspannung Ua ausgebildet sind oder ob durch geeignete Ausbildung der sekundärseitigen Schaltkreise des Regelkreises 11 neben der beschriebenen Ausgangsspannung Ua noch eine oder mehrere zusätzliche, geregelte Ausgangsspannungen für andere Spannungen benötigende Verbraucher vorhanden sind. Wichtig dagegen ist, dass primärseitig nach dem Prinzip der Erfindung jeweils genausoviel Leistung in den Transformator 39 eingebracht wird, wie sekundärseitig abgezogen wird.

Claims (8)

1. Regel - (11) und Verbraucherkreis (12) zum Bereitstellen und zum Verbrauch einer geregelten Ausgangsgrösse (17),
wobei der Regelkreis (11) ein Stellglied (15), einen Regler (21) und ein Abfühlelement umfasst, mittels derer ein Istwert (20) der Ausgangsgrösse (17) entsprechend einem Sollwert (22) konstant gehalten wird,
und wobei der Verbraucherkreis (12) neben anderen Verbrauchern (26) wenigstens einen variablen Verbraucher (27) aufweist, dessen Verbrauch mittels einer Steuerung (30) sprunghaft veränderbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Steuerung (30) ausgebildet ist zur Abgabe von Information über jeweils eine bevorstehende, durch sie auszulösende, sprunghafte Verbrauchsänderung an einen zweiten Regler (33),
- und das der zweite Regler (33) ausgebildet ist zur Auswertung dieser Information und zur Abgabe eines Stellsignals (34) an das Stellglied (15), derart, dass zeitgleich mit der ausgelösten Verbrauchsänderung die Ausgangsgrösse (17) mengengleich zum veränderten Verbrauch zur Verfügung steht.
2. Regel- und Verbraucherkreis nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Regelkreis (11) ein spannungsgeregelter Stromwandler ist,
- dass die variablen Verbraucher (27) elektromechanische Wandler (51, 52) sind,
- dass die anderen Verbraucher (26) elektronische Schaltkreise (50) sind,
- dass die Steuerung (30) eine Auswahlsteuerung (55,56) zum gezielten Ein- und Ausschalten der elektromechanischen Wandler (52,51) ist,
- und dass die Information wenigstens eine Angabe über die Anzahl gleichzeitig zu schaltender elektromechanischer Wandler (51,52) umfasst.
3. Regel- und Verbraucherkreis nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der spannungsgeregelte Stromwandler ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (38 bis 43) nach dem Prinzip des Schaltreglers mit starrer Taktfrequenz und Pulslängenmodulation ist, wobei die Taktintervalle (T) klein sind gegenüber den Einschaltintervallen der elektromechanischen Wandler (51,52),
- dass der Stromwandler einen ersten Regler (21) umfasst, der in bekannter Weise in jedem Taktintervall (T) ein von der Differenz des Ist- und des Sollwertes abhängiges erstes Einschaltintervall (p) für den Primärstrom festlegt, und
- dass der Stromwandler einen zweiten Regler (33) umfasst, der in jedem Taktintervall (T) aufgrund der Information der Auswahlsteuerungen (55,56) ein zweites Einschaltintervall (q) für den Primärstrom festlegt, dessen Länge sich aus einer der Anzahl jeweils eingeschalteter elektromechanischer Wandler (51, 52) entsprechenden Anzahl (n) von Teilintervallen (r) zusammensetzt, derart, dass der Verbrauch der elektromechanischen Wandler (51,52) hierdurch mengenmässig jeweils gerade gedeckt wird.
4. Regel- und Verbraucherkreis nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeweils ein erstes (p) und ein zweites (q) Einschaltintervall aneinandergrenzen.
5. Regel- und Verbraucherkreis nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass alle Teilintervalle (r) gleich lang sind.
6. Regel- und Verbraucherkreis nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichent,
dass die Teilintervalle (r) verschieden lang sind.
7. Regel- und Verbraucherkreis nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Regler (33) zur Rückkopplung an den Ausgang des Regelkreises (11) angeschlossen und so ausgebildet ist, dass durch Variation der Länge der Teilintervalle (r) für alle vorangekündigten Verbrauchsänderungen adaptiv minimale Schwankungen der Ausgangsspannung (Ua) erreichbar sind.
8. Regel- und Verbraucherkreis nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Regler (33) eine Logik ist, die unter Verwendung eines Mikroprozessors und eines zugeordneten Speichers aufgebaut ist.
EP85200955A 1984-07-03 1985-06-18 Regel- und Verbraucherkreis Expired EP0168864B1 (de)

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