DE894624C - Einrichtung zur Integration von Differentialgleichungen erster und hoeherer Ordnung - Google Patents

Einrichtung zur Integration von Differentialgleichungen erster und hoeherer Ordnung

Info

Publication number
DE894624C
DE894624C DES10528D DES0010528D DE894624C DE 894624 C DE894624 C DE 894624C DE S10528 D DES10528 D DE S10528D DE S0010528 D DES0010528 D DE S0010528D DE 894624 C DE894624 C DE 894624C
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
integration
drive
control element
equation
stage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
DES10528D
Other languages
English (en)
Inventor
Siegfried Dr-Ing Reisch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DES10528D priority Critical patent/DE894624C/de
Application granted granted Critical
Publication of DE894624C publication Critical patent/DE894624C/de
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06GANALOGUE COMPUTERS
    • G06G3/00Devices in which the computing operation is performed mechanically
    • G06G3/08Devices in which the computing operation is performed mechanically for integrating or differentiating, e.g. by wheel and disc

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Description

  • Einrichtung zur Integration von Differentialgleichungen erster und höherer Ordnung Die Erfindung betrifft eine Recheneinrichtung zur mechanischen Lösung von Differentialgleichungen erster oder höherer Ordnung mit konstanten oder auch veränderlichen Koeffizienten, die in der Technik überall dort verwendet werden kann, wo eine schnelle und bequeme Integration solcher Gleichungen erwünscht ist. Dies kann beispielsweise bei einem Modellversuch zur Demonstration und Nachbildung von Steuer- und Regelvorgängen oder auch zur Erzeugung von Schwingungssystemen großer Schwingungsdauer und beliebiger Dämpfung, zur Vornahme von Fehlerkorrekturen, Durchführungen von Mittelwertbildungen u. dgl. der Fall sein. Die Erfindung gestattet die Integration solcher Differentialgleichungen mit verhältnismäßig einfachen und betriebssicheren Mitteln in der Weise, daß eine der Ordnung der Differentialgleichung entsprechende Anzahl von jeweils aus einem Geschwindigkeitsregelorgan und einem daran angeschlossenen Antrieb, z. B. Integrationsmotor, bestehenden Integrationsstufen funktionell derart hintereinandergeschaltet ist, daß jeder Antrieb das Regelorgan des Antriebes der nächstfolgenden Stufe einstellt und der letzte Antrieb das primär entsprechend der Veränderlichen (Störfunktion) einstellbare Regelorgan der ersten Stufe im rückstellenden Sinne beeinflußt und dadurch den Lösungswert der Gleichung bildet.
  • Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an Hand der Zeichnung für den Fall der Lösung bestimmter Differentialgleichungen näher erläutert. -Die-in Fig. i schematisch wiedergegebene Recheneinrichtung gestattet die Integration von Differentialgleichungen erster Ordnung mit konstantem Koeffizienten etwa folgender Form x -E- a x = f (t) = Y (I) Der Sektör i trägt einen Spannungsteilerwiderstand 2, der mit seinen Enden an Spannung gelegt ist. Der Winkelhebel 3 trägt an seinem aufwärts gerichteten Arm einen Kontakt 3'. Die von dem Potentiometer 2, 3' abgegriffene Spannung treibt, erforderlichenfalls über einen Verstärker, den Integrationsmotor 4, der über ein Schneckenradgetriebe 5 oder über ein geeignetes anderes Vorgelege den Sektor i verstellt.
  • Mit y ist die Vorstellung des Winkelhebels 3 aus seiner Nullage, mit x die Verdrehung-des Sektors 3 bezeichnet. Der Integrationsmotor 4 soll eine lineare Laufcharakteristik besitzen, d. h. seine Drehzahl soll der angelegten Spannung innerhalb eines weiten Bereichs linear verhältig sein. Die Zeitkonstante des Motors wird als vernachlässigbar klein angenommen. Dies ist erlaubt, solange die für die gesamte Einrichtung sich ergebende Zeitkonstante groß ist gegen die Anlaufzeitkonstante des Motors. Es ergeben sich dann die Beziehungen e = ki (y - x) (2) x = k2 f e d t , (3) wenn e die von dem Potentiometer 2, 3' abgegriffene Spannung ist.
  • Aus Gleichung (3) folgt durch Differenzieren z = k2 e. (4) Aus den Gleichungen (4) und (2) erhält man durch Wegschaffen von e x = ki k2 (Y - x) _ und durch Trennung der Veränderlichen x + k3 x = k3 Y . (5) Diese Gleichung ist aber formal indentisch mit (i). Daraus folgt, daß die Verstellung x des Sektors i die Lösung der Gleichung (i) ist, wenn k3 = a gemacht wird und die Stellung des Winkelhebels 3 der Störfunktion f (t) entspricht.
  • Die Einstellung der Konstanten k3 kann beispielsweise durch Regelung der Spannung am Potentiometer 2 oder durch geeignete Wahl des Untersetzungsverhältnisses des Schneckengetriebes 5 erfolgen. Die einstellbare Zeitkonstante des Systems (T = i/k3) ist nach oben unbegrenzt, da die Übersetzung ins Langsame beliebig hoch gemacht werden kann. Nach unten ist jedoch eine Grenze durch die Trägheit des Integrationsmotors gegeben, die bei zu kleinen Werten von T = i/k, eine Fälschung herbeiführt. Die Systemzeitkonstante soll daher zweckmäßig nicht kleiner als die zehnfache Motorzeitkonstante sein.
  • Selbstverständlich schließt die Einrichtung auch die Lösung der homogenen Gleichung x+ax=0 (6) in sich. Es muß dazu nur der Winkelhebel 3 in der Nullage festgeklemmt werden. Bei einer Anfangsauslenkung des Sektors = um den Wert x. wird dieser dann nach der Funktion x= xae ac in seine Nullage zurückkehren.
  • Durch Umpolen des Motors ist auch die Lösung der Gleichung z - a x = 0 (8) möglich, die aber nicht stabil ist und daher kaum einen praktischen Wert besitzt.
  • Das in Fig.2 dargestellte Ausführungsbeispiel ermöglicht die Integration von Differentialgleichungen zweiter Ordnung, beispielsweise der für eine ungedämpfte Schwingung geltenden Gleichung x -f- c z = Y (t) = f -(t) (9) Der Sektor i trägt wiederum einen Potentiometerwiderstand 2. Über diesem schleift ein Abgriffskontakt, der auf dem aufwärts gerichteten Teil des Winkelhebels 3 befestigt ist. Die vom Potentiometer 2, 3 abgegriffene Spannung ei treibt den Integrationsmotor 4, der über das Schneckengetriebe 5 den Kontaktarm 6 des Potentiometers 6, 7 verstellt. Die von diesem abgegriffene Spannung e, treibt den Integrationsmotor 8, .der über das Schneckengetriebe 9 oder ein anderes geeignetes Vorgelege den Sektor i verstellt.
  • Der Verdrehungswinkel des Sektors i aus seiner Nullage sei wiederum mit x bezeichnet, der des Winkelhebels aus der Nullage mit y. Unter den gleichen Voraussetzungen, wie sie oben für den Integrationsmotor der Einrichtung nach Fig. i gemacht wurden, erhält man die Beziehungen ei - ki (Y - x) (=O) e2 = k2 f ei dt, (ii) x=k3fe2dt. (i2) Aus den Gleichungen (ii) und (i2) ergibt sich x=k,k, fdtfeidt (IS) und durch zweimaliges Differenzieren x = k2 k3 ei - (I4) Aus den Gleichungen (i4) und (io) erhält man x = ki k2 k3 (Y - x) (I5) und durch Trennung der Veränderlichen z+k4x=k4y, (i6) wenn k, k2 k3 = k4 gesetzt wird.
  • Wenn also die Stellung y des Winkelhebels 3 nach einer gegebenen Zeitfunktion,. der Störfunktion f (t), verändert wird, gibt die Stellung y des Sektors i immer die Lösung der Gleichung (9). Wenn im besonderen die Störfunktion eine periodische Funktion ist, führt der Sektor eine erzwungene Schwingung aus. Auch die Lösung der homogenen Gleichung x + c x = 0 . (i7) ist wieder durch Festklemmen des Winkelhebels in der Nullage gegeben. Sie stellt die Gleichung der ungedämpften harmonischen Schwingung dar. Eine solche tritt auf, wenn man dem System eine Anfangsauslenkung erteilt und es darauf sich selbst überläßt. Es ist klar, daß durch ausreichend große Untersetzungen der Schneckengetriebe beliebig große Schwingungszeiten erzielt-werden können. Dies ist eine Besonderheit der vorliegenden Einrichtungen, da es bisher weder mit rein mechanischen noch mit rein elektrischen Mitteln gelungen ist, die Schwingungsdauer über ein gewisses Maß heraufzusetzen. So ist beispielsweise auf diese Art mit Leichtigkeit ein Schwingungssystem von 84 Minuten Schwingungsdauer zu erzielen, das bei der Kompensation von Störbeschleunigungen bei Kreiselpendeln u. dgl. eine bedeutende Rolle spielt.
  • Die oben beschriebenen Mittel lassen sich in sehr einfacher Weise dahingehend ergänzen, daß die für gedämpfte Systeme geltende Differentialgleichung zweiter Ordnung x+ ax+ bx=Y(t) (18) lösbar wird. Es muß dazu auch ein Bewegungsanteil, der verhältig x ist, additiv auf die Sektorscheibe übertragen werden. Dies kann an sich auf verschiedene Arten geschehen. In Fig.3 ist eine beispielsweise Ausführungsform wiedergegeben.
  • Der Sektor i trägt wiederum den Spannungsteilerwiderstand 2. Der Winkelhebel 3 trägt den zugehörigen Schleifkontakt 3'. Die vom Potentiometer 2, 3' abgegriffene Spannung treibt den Integrationsmotor 4, der zunächst über die Vorgelege io, ii und das Schneckengetriebe 3' den Arm 6 verdreht. Dieser trägt den Schleifkontakt für den Potentiometerwiderstand 7, über welchen der Motor 8 gespeist wird. Dieser überträgt seine Bewegung über das Vorgelege 12, Differentialgetriebe 13 und Schneckengetriebe 9 auf den Sektor i. Die zweite Eingangswelle des Differentialgetriebes 13 wird über ein stetig veränderliches Übersetzungsgetriebe 15 von dem Motor 4 aus angetrieben. Das Übersetzungsgetriebe 15 kann durch die Handkurbel 16 eingestellt werden.
  • Die Wirkungsweise ergibt sich wieder aus den folgenden Beziehungen: ei = ki (Y - x) (19) es = k, .% ei d t , h - k3 f e2 d t -f- k4 e.. (21) Durch Einführen der Beziehung (2o) in die Gleichung (21) erhält man x=k5fdtfeidt+ksfeidt. (22) Durch Differenzieren ergibt sich x = k5 ei -!- k, ei (23) und durch Einführen von ei aus Gleichung (i9) x = k, (Y - x) -f- ks (Y - x) - (24) Durch Trennung der Veränderlichen ergibt sich x+ksx+k7x=k7YrtksY (25) Bei festgeklemmtem Winkelhebel 3 wird also durch die Einrichtung ein gedämpftes Schwingungssystem abgebildet, das der Gleichung gehorcht: z+az+bx=0. (26) Bei gegebenem y = f (t) muß gemäß Gleichung (25) für die laufende Integration allerdings auch noch das Glied k, - y erzeugt werden. Auf einzelne Varianten und Durchbildungsmöglichkeiten soll hier nicht eingegangen werden.
  • Es ist leicht ersichtlich, daß das an Hand der vorhergehenden Beispiele erläuterte Prinzip auch auf Differentialgleichungen höherer Ordnung anwendbar ist. Das Bildungsgesetz der Modellanordnung läßt sich aus den Beispielen ohne weiteres ersehen. Auf die Ausführung weiterer Beispiele soll daher verzichtet werden: Es besteht an sich auch die Möglichkeit, das Prinzip auf Gleichungen mit nicht konstanten Koeffizienten auszudehnen. Da die Koeffizienten durch- die Übersetzungsverhältnisse der Getriebe und die Speisespannungen der Potentiometer beeinflußt werden können, ist es möglich, sie nach Funktion von x, y oder t zu steuern, und zwar einerseits durch stetig veränderliche Übersetzungsgetriebe, andererseits durch Widerstände mit geeigneten Steuercharakteristiken.
  • Man erkennt, daß es erfindungsgemäß möglich ist, mit einem Satz von relativ einfachen Elementen einen Modellbaukasten zu schaffen, mit dem man in der Lage ist, durch geschickte Ausnutzung der mechanischen und elektrischen Schaltungsmöglichkeiten eine große Anzahl von Aufgaben zu lösen.
  • Für die Vornahme von grundsätzlichen Untersuchungen wird die praktische Durchbildung vorteilhaft derart getroffen, daß der zeitliche Verlauf von x und y laufend auf einem Papierstreifen mit Schreibscbrift aufgezeichnet wird.
  • Statt der Potentiometer können natürlich andere Einrichtungen zur Umsetzung von mechanischen Bewegungen in Stromänderungen zur Anwendung kommen, z. B. Flüssigkeitswiderstände, Fotozellen, Induktionsabgriffe, rotierende Abgriffe, veränderliche Kopplungen usw. Die Integration kann natürlich ebenfalls mit anderen bekannten Mitteln ausgeführt werden, z. B. mit Planimeterintegratoren, mit Kreiseln u. dgl. mehr.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur Integration von Differentialgleichungen erster oder höherer Ordnung unter Verwendung von in ihrer Geschwindigkeit stetig regelbaren Antrieben, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Ordnung der Differentialgleichung entsprechende Anzahl von jeweils aus einem Geschwindigkeitsregelorgan und einem daran angeschlossenen Antrieb bestehenden Integrationsstufen funktionell derart hintereinandergeschaltet ist, daß jeder Antrieb das Regelorgan des Antriebs der nächstfolgenden Stufe einstellt und der letzte Antrieb das primär entsprechend der Veränderlichen [Störfunktion f (t)] einstellbare Regelorgan der ersten Stufe im rückstellenden Sinne beeinflußt und dadurch den Lösungswert der Gleichung bildet.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lösung von Differentialgleichungen mit veränderlichenQKoeffizienten diese Koeffizienten durch Regelung des Druckes bzw. der Spannung des durch das Regelorgan beeinflußten Triebmittels des Antriebs oder durch Regelung des Übersetzungsverhältnisses der von den Antrieben verstellbaren Getriebe einstellbar sind.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch i, zur Lösung derji Differentialgleichung x + a x = y, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem elektrischen Regelorgan mit daran angeschlossenem Integrationsmotor mit der Auslenkung des Regelorgans linear verhältiger Drehzahl besteht und hierbei das Regelorgan laufend oder zu Beginn (für die homogene Lösung) eine Auslenkung entsprechend der Veränderlichen y und eine rück- oder nachführende Auslenkung durch den Integrationsmotor erhält (Fig. x).
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch r zur Lösung der Differentialgleichung z + c x = y (t), dadurch gekennzeichnet, daß ein für die erste Integrationsstufe vorgesehenes elektrisches Regelorgan (Potentiometer 2, 3) laufend oder zu Beginn (für die homogene Lösung) eine Auslenkung entsprechend der Veränderlichen y und eine Rückführung durch einen den Antrieb der zweiten Integrationsstufe bildenden Integrationsmotor (8) erhält.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch i zur Lösung der Differentialgleichung z + a z -j- b x = y (t), dadurch gekennzeichnet, daB das laufend oder zu Beginn (für die homogene Lösung) entsprechend der Störfunktion y (t) ausgelenkte Regelorgan (Potentiometer 2, 3') der ersten Integrationsstufe außer durch den Antrieb (8) der zweiten Integrationsstufe noch über ein vorzugsweise einstellbares Übersetzungsgetriebe (i5) von dem Antrieb (4) der ersten Integrationsstufe rückstellbar ist.
DES10528D 1941-06-28 1941-06-28 Einrichtung zur Integration von Differentialgleichungen erster und hoeherer Ordnung Expired DE894624C (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DES10528D DE894624C (de) 1941-06-28 1941-06-28 Einrichtung zur Integration von Differentialgleichungen erster und hoeherer Ordnung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DES10528D DE894624C (de) 1941-06-28 1941-06-28 Einrichtung zur Integration von Differentialgleichungen erster und hoeherer Ordnung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE894624C true DE894624C (de) 1953-10-26

Family

ID=7473350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DES10528D Expired DE894624C (de) 1941-06-28 1941-06-28 Einrichtung zur Integration von Differentialgleichungen erster und hoeherer Ordnung

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE894624C (de)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2219755B2 (de) Vorrichtung zum konstanthalten des fadenzuges an praezisionskreuzspulmaschinen
DE894624C (de) Einrichtung zur Integration von Differentialgleichungen erster und hoeherer Ordnung
DE2534239A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur bildstoerung an einer kreuzspuleinrichtung
DE1919433C3 (de) Vorrichtung zum Wickeln von Spulen für elektrische Maschinen
DE1299452B (de) Stabilisierung von verzoegerungsarmen Regel- oder Steuerstrecken
DE1563207B1 (de) Anordnung fuer polumschaltbare Motoren bei Waschmaschinen
DE2120459A1 (de) Elektronischer Regler für die Geschwindigkeit eines Maschinenelementes
DE2057492C3 (de) Einrichtung zum Regeln eines elektrischen Achswickel-Gleichstromantriebs
DE715454C (de) Werkzeugmaschine, insbesondere Drehbank oder Abstechmaschine, mit einer die Regeleinrichtung fuer die Drehzahl beeinflussenden Einstellvorrichtung zum Gleichhalten der Schnittgeschwindigkeit
DE1299754B (de) Einrichtung zur Regelung und Konstanthaltung des Verhaeltnisses der Drehzahlen eines Leitmotors und eines durch einen Regler gesteuerten Antriebsmotors
DE671442C (de) Einrichtung zum Konstanthalten der linearen Aufwickelgeschwindigkeit von Kettenfaeden auf einem Kettenbaum
DE655621C (de) Regelvorrichtung zur planmaessigen Veraenderung oder Konstanthaltung der Leistung von Stromerzeugern
DE1498226B2 (de) Schreibgeraet zur graphischen dar ellung von folgezeiten kurven
DE704992C (de) Einrichtung zur Steuerung von Schiffsstabilisierungsanlagen
DE636516C (de) Einrichtung zur Regelung von Kraftmaschinen zum Antrieb parallel arbeitender Generatoren
DE3022760A1 (de) Steuerschaltung fuer den abbremsvorgang und das definierte anhalten eines naehmaschinen-wechselstrommotors und verfahren zum abbremsen und stillsetzen des motors unter verwendung dieser steuerschaltung
DE633630C (de) Elektrische Regeleinrichtung zur Beeinflussung von zwei oder mehr zu regelnden Maschineneinheiten einer technischen Anlage hinsichtlich deren Anteilnahme an einer Belastung
DE899422C (de) Integrieranlage zum Loesen von Differentialgleichungen
DE974157C (de) Einrichtung zur Einstellung des Drehzahlsollwertes fuer einen drehzahl-geregelten Elektromotor unter Verwendung eines Stellmotors
DE667348C (de) Anordnung zur Einregulierung technisch-physikalischer Betriebsgroessen, insbesondereder Leistungsabgabe elektrischer Stromerzeuger
DE899430C (de) Differentialquotienten-Messwerk
DE1087238B (de) Regelkreis mit einer Messeinrichtung mit IP-Verhalten
DE626641C (de) Streifenziehvorrichtung mit einer Tellerkupplung
DE643227C (de) Gangueberwachungseinrichtung fuer Zeitwerke, insbesondere fuer elektrische Uhren
DE403001C (de) Fliehkrafttourenregler fuer Elektromotoren