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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Dämpfung
von niederfrequenten Lastschwingungen bei einem geregelten Antrieb,
bei dem eine Last mechanisch mit einem Motor gekoppelt ist.
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In
der Antriebsregelung wird häufig
eine Last 2 über
eine Welle 4 von einem geregelten Antrieb, bestehend aus
einem Stellglied, beispielsweise ein Stromrichtergerät, und einem
Motor 6, bewegt. Eine derartige Antriebskonfiguration ist
in der 1 näher dargestellt.
Eine weitere Antriebskonfiguration ist in der 2 schematisch
veranschaulicht. Bei dieser weiteren Antriebskonfiguration wird
die Last 2 über ein
Getriebe 8 vom Motor 6 eines geregelten Antriebs bewegt.
Dabei ist es unerheblich, ob es sich beim Motor 6 oder
Last 2 um eine lineare oder eine rotatorische Bewegung
handelt und ob das Getriebe 8 eine rotierende Bewegung
in eine lineare Bewegung umsetzt oder umgekehrt, ob eine rotierende
Bewegung in eine andere rotierende Bewegung oder eine lineare Bewegung
in eine andere lineare Bewegung umgesetzt werden.
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In
der 3 ist ein Blockschaltbild einer Regelungsstrecke
für eine
dominante Eigenfrequenz näher
dargestellt. Bei diesem Blockschaltbild ist mit 10 ein
Stromregler, mit 12 ein erster Integrator, mit 14 ein
zweiter Integrator, mit 16 ein dritter Integrator, mit 18 ein
vierter Integrator und mit 20 und 22 jeweils ein Addierer
bezeichnet. Dem Stromregler 10 wird ein Motormoment-Sollwert
Msoll zugeführt. Der Addierer 20 ist
zwischen dem Stromregler 10 und dem ersten Integrator 12 angeordnet.
Am Ausgang dieses ersten Integrators 12 steht ein Motordrehzahl-Istwert ωMist an, der dem zweiten Integrator 14 zugeführt ist.
Ausgangsseitig dieses zweiten Integrators steht ein Motorlage-Istwert ΦMist an, der einem ersten Eingang des Addierers 22 zugeführt ist.
Der invertierende Eingang dieses Addierers 22 ist mit einem
Ausgang des vierten Integrators 18 verbunden, der eingangsseitig mit
einem Ausgang des dritten Integrators 16 verknüpft ist.
Am Ausgang des dritten Integrators 16 steht ein Lastdrehzahl-Istwert ωList an, wogegen am Ausgang des vierten Integrators 18 ein
Lastlage-Istwert ΦList ansteht. Die beiden Integratoren 12 und 14 bilden
einen Motorkreis 24, wogegen die beiden Integratoren 16 und 18 einen
Lastkreis 26 veranschaulichen. Dieser Motorkreis 24 und
der Lastkreis 26 sind mittels einer Welle 4 bzw.
eines Getriebes 8 miteinander gekoppelt. Regelungstechnisch
ist diese mechanische Kopplung durch ein P-Glied 28 veranschaulicht,
dessen Proportionalitätsfaktor
korrespondierend zur Elastizität
der Welle 4 bzw. des Getriebes 8 ist. Der am Ausgang
des vierten Integrators 18 anstehende Lastlage-Istwert ΦList wird auf dem Addierer 22 gegengekoppelt
aufgeschaltet. Das Federmoment MF des P-Gliedes 28 wird
auf den Addierer 20, an dem ein Momenten-Istwert Mist ansteht, geschaltet. Außerdem wird
das Federmoment MF mittels eines weiteren
Addierers 29 auf ein Lastmoment ML geschaltet.
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Bei
bestimmten Verhältnissen
von Motor- und Lastträgheit
und der Elastizität
der Welle 4 bzw. des Getriebes 8 entstehen niederfrequente
Schwingungen zwischen Motor 6 und Last 2, die
auch als Lastschwingungen bezeichnet werden. Diese Lastschwingungen
sind häufig
sehr störend
und regelungstechnisch schwer beherrschbar.
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Dieses
Problem hat man prinzipiell auch, wenn man Aufschaltwerte auf ein
Drehmoment erzeugt, da ein Drehzahlregler diese Aufschaltung zum Teil
wieder wegregelt und damit beeinflusst. Dies könnte man verhindern, wenn man
den Motordrehzahlregler langsam einstellt. Allerdings muss man dann
mit einem langsamen und wenig steifen Regler leben. Ein gutes Störverhalten
gelingt damit kaum.
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Aus
der
DE 101 37 496
A1 ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dämpfung von
niederfrequenten Lastschwingungen bekannt. Bei diesem bekannten
Verfahren wird ein Lastdrehzahl-Istwert zur Dämpfung niederfrequenter Lastschwingungen
verwendet, aus der mittels eines Differenziergliedes ein Lastbeschleunigungs-Istwert
ermittelt wird. Mittels eines Filters werden eventuelle Probleme,
die durch eine Rauschverstärkung
der Differentiation des Lastdrehzahl-Istwertes entstehen, beseitigt.
Dieser gefilterte Lastbeschleunigungs-Istwert wird mit einem Faktor multipliziert,
wobei der Faktor eine gewünschte
Dämpfung
bestimmt. Der gewünschte
und gefilterte Lastbeschleunigungs-Istwert wird einem ermittelten
Motordrehzahl-Sollwert gegengekoppelt aufgeschaltet. Dieser Motordrehzahl-Sollwert
wird in Abhängigkeit
des Lastdrehzahl-Istwertes
und eines vorbestimmten Drehzahl-Sollwertes bestimmt. Der korrigierte
Motordrehzahl-Sollwert wird zusammen mit einem ermittelten Motordrehzahl-Istwert
einem schnell geregelten Motordrehzahlregler zugeführt, der
dem Stromregler
11 der
3 der
DE 101 37 496 A1 überlagert
ist. Bei diesem bekannten Verfahren wird aus einem ermittelten Lastdrehzahl-Istwert eine Korrekturgröße ermittelt,
die auf einen vorbestimmten Motordrehzahl-Sollwert gegengekoppelt
aufgeschaltet wird. Somit erfolgt die Dämpfung einer niederfrequenten
Lastschwingung erst in einen dem Motordrehzahlregler überlagerten
Lastdrehzahlregler. Den Grad der Dämpfung wird mittels eines einstellbaren Faktors
eingestellt. Dieses bekannte Verfahren ermöglicht die Dämpfung niederfrequenter
Lastschwingungen bei Antrieben mit Motor und Last, wodurch bei guten
Regelungsergebnissen auch eine einfache Inbetriebnahme ermöglicht wird.
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Aus
der nicht vorveröffentlichten
DE 102 46 093 C1 ist
ebenfalls ein Verfahren zur Dämpfung
mechanischer Schwingungen von Achsen von Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen
oder Robotern bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Last-Istwert
einer Achse der Werkzeugmaschine ermittelt und durch Differentiation
ein Lastdrehzahl-Istwert berechnet. Aus diesen Lastdrehzahl-Istwert
wird ein Signal mit einer Eigenfrequenz wenigstens einer zu bedämpfenden
niederfrequenten Lastschwingung derart ermittelt, dass diese im
Bereich der zu unterdrückenden
Schwingung eine geeignete Verstärkung und
Phasenreserve aufweist. Ein derart ermitteltes und bearbeitetes
Signal wird gegengekoppelt auf einen Motordrehzahl-Sollwert aufgeschaltet.
Bei diesem Verfahren können
Lastschwingungen einfach und kostengünstig gedämpft werden.
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Beiden
bekannten Verfahren gemeinsam ist der Aufschaltpunkt zur Dämpfung niederfrequenter Schwingungen.
Beim erstgenannten Verfahren werden jeweils ein Messsystem für die Istwerte
einer Last- und einer Motordrehzahl benötigt. Außerdem wird neben dem Motordrehzahlregler
auch noch ein Lastdrehzahlregler benötigt. Beim zweiten bekannten
Verfahren wird nur ein Messsystem zur Ermittlung eines Istwertes
einer Lastlage verwendet. Ein Lastdrehzahlregler wird nicht mehr
benötigt.
Dadurch hat sich der Aufwand erheblich reduziert. Trotzdem setzt auch
dieses zweite Verfahren auf eine Messung auf der Lastseite (Lastlage).
D. h., es muss weiterhin ein Signal von einer zu bewegenden Last
zum geregelten Antrieb geführt
werden. Dazu müssen
mechanische Komponenten am geregelten Antrieb und an der Last angeschlossen
werden, die kostspielig sind, Platz beanspruchen und einen Montageaufwand
verursachen.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren
zur Dämpfung
von niederfrequenten Lastschwingungen derart weiterzubilden, dass
auf lastseitige Messsysteme verzichtet werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 7 gelöst.
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Dadurch,
dass aus einem Signal eines Reglers eines Drehzahlregelkreises des
Motors des geregelten Antriebs ein Eigenfrequenz-Signal der niederfrequenten
Lastschwingungen ermittelt wird, das anschließend entsprechend einem vorbestimmten Dämp fungsgrad
verstärkt
wird und dann auf einen vorbestimmten Motordrehzahl-Sollwert gegengekoppelt
aufgeschaltet wird, kann auf ein lastseitiges Messsystem verzichtet
werden. Damit entfallen auch die dadurch bedingten Nachteile. Die
Erkenntnis der Erfindung liegt darin, dass sich die auftretenden
niederfrequenten Schwingungen nicht nur auf der Lastseite bemerkbar
machen, sondern auch auf der Motorseite, insbesondere in den Signalen
des Drehzahlregelkreises des Motors. Dadurch besteht die Möglichkeit,
diese auftretenden niederfrequenten Lastschwingungen aus einem Signal
des Reglers des Drehzahlregelkreises zu isolieren. Die weitere Bearbeitung
eines Eigenfrequenz-Signals der auftretenden niederfrequenten Lastschwingungen
entspricht annähernd
Verfahrensschritten der bekannten Verfahren. Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren
ist eine einfache Inbetriebnahme möglich, wobei trotzdem gute
Regelungsergebnisse erreicht werden, ohne dass Information von der
Lastseite mehr benötigt
werden.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
ist die Vorrichtung zur Dämpfung
von niederfrequenten Schwingungen integraler Bestandteil einer Antriebsregelung
eines geregelten Antriebs mit Motor und Last, wobei keine Verbindung
mehr zur Last aufgebaut werden muss. Außerdem vereinfacht sich der Aufbau
der bekannten Dämpferaufschaltung,
da in jedem Dämpfungskanal
neben einem Bandpass nur noch ein Verstärker geschaltet ist. Bei der
Inbetriebnahme kann in Abhängigkeit
des Verstärkungsfaktors
jedes Dämpfungskanals
ein ermitteltes Eigenfrequenz-Signal
derart verstärkt
werden, dass in den niederfrequenten Lastschwingungen durch eine
gegengekoppelte Aufschaltung ausgewählter Eigenfrequenzen gedämpft bzw.
ausgelöscht
werden können. Somit
ergibt sich eine einfache Inbetriebnahme, ohne dass der Drehzahlregelkreis
des Motors modifiziert werden muss. D. h., man erhält einerseits
sehr gute Regelungsergebnisse und andererseits eine sehr einfache
Inbetriebnahme.
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Bei
einem vorteilhaften Verfahren wird ein ermitteltes Eigenfrequenz-Signal
gefiltert, bevor dieses entsprechend eines vorgegebenen Dämpfungsgrades
verstärkt
wird. Mittels der Filterung kann die Phasenreserve für die Eigenfrequenz
des Eigenfrequenz-Signals verändert
werden.
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Bei
einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird zunächst ein Eigenfrequenz-Signal
aus der erzeugten Drehzahl-Stellgröße, auch als Drehmoment-Sollwert
bezeichnet, isoliert und entsprechend einer vorgegebenen Dämpfung verstärkt. In
dieser am Ausgang des Reglers des Drehzahlregelkreises des Motors
anstehenden Drehzahl-Stellgröße sind die
niederfrequenten Lastschwingungen bezogen zur Stellgröße am sichersten
zu isolieren.
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Zur
weiteren Erläuterung
wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Dämpfung
von niederfrequenten Lastschwingungen bei einem geregelten Antrieb
schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt
eine erste Antriebskonfiguration, in der
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2 ist
eine zweite Antriebskonfiguration dargestellt, die
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3 zeigt
ein Blockschaltbild einer Regelungsstrecke für eine dominante Eigenfrequenz,
die
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4 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei einem geregelten Antrieb, und in der
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5 ist
eine weitere Ausführungsform
der Vorrichtung zur Dämpfung
von niederfrequenten Lastschwingungen dargestellt.
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In
der 4 ist eine Antriebsregeleinrichtung 30 eines
geregelten Antriebs 32 mit Motor 6 und Last 2 näher dargestellt,
wobei Teile dieser Antriebsregeleinrichtung 30 detaillierter
dargestellt sind. Eine handelsübliche
Antriebsregeleinrichtung 30 weist ein Stellglied 34,
beispielsweise ein Stromrichter, insbesondere ein selbstgeführter Pulswechselrichter,
und eine Regelung 36 auf. Diese Regelung 36 besteht bei spielsweise
aus einem Stromregelkreis 38, einem Drehzahlregelkreis 40 und
einem Lageregelkreis 42. Diese Regelkreise 38, 40 und 42 bilden
eine Regelkaskade. D. h., dem Drehzahlre gelkreis 40 ist
der Lageregelkreis 42 überlagert
und dem Stromregelkreis 38 ist der Drehzahlregelkreis 40 überlagert.
Die Regelkreise 38 und 42 sind hier im einzelnen
nicht angegeben, da diese zum Verständnis der Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht benötigt
werden.
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Außerdem weist
diese Antriebsregeleinrichtung 30 eine Dämpferaufschaltung 44 auf,
die ausgangsseitig mittels eines Addierers 46 auf einen
bereitgestellten Motordrehzahl-Sollwert ωLsoll aufgeschaltet
wird. Dabei steht dieser Motordrehzahl-Sollwert ωLsoll an
einem nicht invertierenden Eingang an und die Dämpferaufschaltung 44 ist
ausgangsseitig mit dem invertierenden Eingang des Addierers 46 verknüpft. Dadurch
wird das Ausgangssignal SDA der Dämpferaufschaltung 44 gegengekoppelt
auf den Motordrehzahl-Sollwert ωLsoll aufgeschaltet. Eingangsseitig ist die
Dämpferaufschaltung 44 bei
dieser vorteilhaften Ausführungsform
mit einem Ausgang des Reglers 50 des Drehzahlregelkreises 40 verbunden.
Dieser Drehzahlregelkreis 40 weist eingangsseitig einen
Vergleicher 48 und ausgangsseitig einen Regler 50 auf.
Dieser Regler 50 ist eingangsseitig mit einem Ausgang des
Vergleichers 48 verknüpft.
Mittels dieses Vergleichers 48 wird eine Regelabweichung,
hier die Abweichung ωe eines Drehzahl-Istwertes ωMist von einem vorbestimmten Drehzahl-Sollwert ωLsoll, bestimmt. Mittels des Reglers 50 wird
eine Stellgröße y erzeugt,
die so beschaffen ist, dass die Regelabweichung ωe zu
Null wird. Damit ist dann der Drehzahl-Istwert ωMist dem
Drehzahl-Sollwert ωLsoll nachgeführt. Als Stellgröße y des
Reglers 50 erhält
man bei einem Drehzahlregelkreis 40 einen Drehmoment-Sollwert
Msoll, dem beispielsweise ein Störmoment
MZ, z. B. Nutrasten, mittels eines Addierers 52 aufgeschaltet
wird. Am Ausgang dieses Addierers 52 steht somit ein modifizierter
Drehmoment-Sollwert
M'soll an,
der mittels eines Filters 54 mit einem Eingang des unterlagerten
Stromregelkreises 38 verbunden ist.
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In
dieser vorteilhaften Ausführungsform weist
die Dämpferaufschaltung 44 zwei
Dämpferkanäle 561 und 562 auf,
die aus gangsseitig mittels eines weiteren Addierers 60 miteinander
verknüpft
sind. Eingangsseitig ist jeder Dämpferkanal 561 und 562 mit
dem Ausgang des Reglers 50 verbunden. Der Dämpferkanal 561 bzw. 562 weist
eingangsseitig ein Bandpass 621 bzw. 622 , dem ein Filter 641 bzw. 642 nachgeschaltet ist, und ausgangsseitig
einen Verstärker 661 bzw. 662 auf,
der eingangsseitig mit einem Ausgang des Filters 641 bzw. 642 verknüpft ist. Der Verstärker 661 bzw. 662 ist
außerdem
mit einem einstellbaren Faktor 681 bzw. 682 verbunden. Mittels dieser zweikanaligen
Dämpferaufschaltung 44 sollen zwei
Eigenfrequenzen fE1 und fE2 der
niederfrequenten Lastschwingungen gedämpft werden, wobei diese beiden
Eigenfrequenzen fE1, fE2 unterschiedlich bedämpft werden
sollen, da den Verstärkern 661 und 662 jeweils
unterschiedliche Verstärkungsfaktoren
K1 und K2 zugeführt
werden. Am Ausgang eines jeden Verstärkers 661 und 662 steht ein Ausgangssignal SFEK1 und SFEK2 eines
Dämpferkanals 561 und 562 an. Diese
Ausgangssignale SFEK1 und SFEK2 der
Dämpferkanäle 561 und 562 werden
mittels des Addierers 60 zum Ausgangssignal SDA der
Dämpferaufschaltung 44 zusammengesetzt.
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Die
im geregelten Antrieb 32 auftretenden niederfrequenten
Lastschwingungen werden erfindungsgemäß aus dem Stellsignal "Drehmoment-Sollwert
Msoll" des
Drehzahlregelkreises 40 isoliert. Dabei werden im dargestellten
Beispiel nur zwei Eigenfrequenzen fE1 und
fE2 aus den niederfrequenten Lastschwingungen
isoliert. Am Ausgang des Bandpasses 621 bzw. 622 steht ein Eigenfrequenzsignal SFE1 bzw. SSF2 an.
Bei der Inbetriebnahme werden die Eigenfrequenzen fE1,
fE2, ..., fEn der
auftretenden niederfrequenten Lastschwingungen gemessen. Anhand
dieser Messungen wird zumindest ein Bandpass 621 eines
Dämpfungskanals 561 der Dämpferaufschaltung 44 so
eingestellt, dass nur eine Eigenfrequenz fE1 der Lastschwingung
durchgelassen wird. Am Ausgang dieses Bandpasses 621 erhält man ein
Eigenfrequenz-Signal SFE1 mit der Eigenfreqeunz
fE1. In Abhängigkeit der Eigenfrequenz
fE1 und dem Grad der Dämpfung wird der Verstärkungsfaktor
K1 entsprechend gewählt.
Durch die ge gengekoppelte Aufschaltung des Ausgangssignals SDA der Dämpferaufschaltung 44 wird
diese Eigenfrequenz fE1 der niederfrequenten
Lastschwingung gedämpft.
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In
der 5 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Dämpfung
niederfrequenter Lastschwingungen veranschaulicht. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
gemäß 4 dadurch,
dass einerseits die Dämpferaufschaltung 44 eingangsseitig
mit einem Reglereingang des Reglers 50 des Drehzahlregelkreises 40 verbunden
ist und andererseits, dass diese Dämpferaufschaltung 44 mehr
als zwei Dämpferkanäle 561 , 562 ,
... aufweisen kann. Durch die Verlagerung der eingangsseitigen Verbindung
der Dämpferaufschaltung 44 vom
Ausgang des Reglers 50 auf dessen Eingang, ändert sich
nichts am erfindungsgemäßen Verfahren
zur Dämpfung
niederfrequenter Lastschwingungen. Einzig und allein wird sich das Verhältnis von
Nutzsignal (Regeldifferenz) und Störsignal (Lastschwingungen) ändern. Bei
der Verwendung der Regeldifferenz ωe in
der Dämpferaufschaltung 44 wird
die Isolierung von Eigenfrequenzen fE1, fE2, ... der Lastschwingung anfälliger,
so dass die Bedämpfung
einer ausgewählten
Eigenfrequenz fE1 fE2 ...
der Lastschwingungen nicht immer den gewünschten Erfolg zeigt.
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Das
wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Dämpfung niederfrequenter Lastschwingungen
ist die Verwendung eines Signals (Drehmoment-Sollwert Msoll bzw.
Regeldifferenz ωe) des Drehzahlregelkreises 40 des
geregelten Antriebs 32. Dadurch werden keine Informationen
mehr von der Lastseite 26 benötigt, die nicht ohne Messeinrichtungen
ermittelt werden können.
Außerdem
ist dadurch die Dämpferaufschaltung 44 integraler
Bestandteil der Antriebsregeleinrichtung 30, insbesondere
des Drehzahlregelkreises 40. Bei der Inbetriebnahme des
geregelten Antriebs 32 müssen nur die Eigenfrequenzen
fE1, fE2, ..., fn einer auftretenden Lastschwingung gemessen
werden, wenigstens ein Bandpass 621 bzw. 622 derart eingestellt werden, dass an
dessen Ausgang ein Signal SFE1 bzw. SFE2 mit einer ausgewählten Eigenfrequenz fE1 bzw. fE2 der Lastschwingung
ansteht, und entsprechend eines Dämpfungsgrades ein Verstärkungsfaktor
K1 bzw. K2 eingestellt werden. Somit vereinfacht sich die Inbetriebnahme
wesentlich.