DE10009120A1 - Verfahren zur zustandsorientierten Regelung einer Gurtförderanlage - Google Patents

Verfahren zur zustandsorientierten Regelung einer Gurtförderanlage

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellgestützten Onlineschätzung des Zustandes der Gurtförderanlagen zur Systemstabilisierung und Erhöhung der Systemrobustheit bei Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen sowie zur Erhöhung der Systemsensitivität bei auftretenden Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium bei der Onlineüberwachung, um auftretende Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium usw. rechtzeitig erkennen und von nicht relevanten Einflüssen, wie beispielsweise Modellungenauigkeiten, unterscheiden zu können, und zur Unterstützung der zustandsorientierten Regelunbg einer Gurtförderanlage, um das Regelverhalten zu verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellgestützten Onlineschätzung des Zustandes einer Gurtförderanlage, das bei Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen die Systemstabilisierung und -robustheit sowie Erhöhung der Systemempfindlichkeit bei auftretenden Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium bei der Onlineüberwachung gewährleistet und eine zustandsorientierten Regelung ermöglicht.
Der Stand der Technik der Systemstabilisierung und Erhöhung der Systemrobustheit bei Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen sowie der Systemempfindlichkeit bei der Überwachung von Gurtförderanlagen stellt sich wie folgt dar.
In der Patentschrift 199 08 317.7-22 wird ein Verfahren zur Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage beschrieben. Diese technische Lösung ist gerade bei Langzeitbetrachtungen anfällig bezüglich der Systemstabilität. Durch Modellungenauigkeiten und auftretende Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen, wie zum Beispiel sich ändernde Umwelteinflüsse (Temperatur, Feuchtigkeit), wird die Stabilität des bekannten Verfahrens stark gefährdet. Damit ist das Erreichen des Ziels, eine frühzeitige Erkennung von Fehler- bzw. Störungszuständen zu realisieren, nicht mehr gewährleistet. So führen beispielsweise Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen zu Abweichungen vom nominalen Systemzustand und somit zur Unempfindlichkeit auf zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium.
Der Nachteil des Standes der Technik liegt darin begründet, dass das Verfahren aus der Patentanmeldung 199 08 317.7-22 keine Möglichkeiten zur Systemstabilisierung und Erhöhung der Systemrobustheit sowie Systemempfindlichkeit bei der Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage aufzeigt. Somit existieren derzeit keine Stabilitätsmaßnahmen bei der Online- und/oder Offlineüberwachung von Gurtförderanlagen, die nicht durch das dynamische Verhalten der Gurtförderanlage wiedergegeben werden.
Aus diesem Grund sind geeignete Maßnahmen zur Erhöhung der Systemrobustheit gegen die Einflüsse von Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen durch nicht relevante Einflüsse sowie Beeinträchtigungen durch Umwelteinflüsse zu realisieren. Gleichzeitig ist jedoch die Systemempfindlichkeit für die zu detektierenden Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungszustand zu erhalten bzw. zu erhöhen.
Der Stand der Technik der Regelung von Gurtförderanlagen stellt sich zurzeit wie folgt dar. Wie aus der Fig. 3 - einer Kaskadenregelung des Gurtförderers - zu entnehmen ist, verwenden die Hersteller der Antriebssysteme von Gurtförderanlagen als Regelungskonzept die Kaskadenregelungsstruktur zur Regelung von Gurtförderanlagen, in der der Betrieb des Gurtförderers als eine unbekannte Last behandelt wird.
Dem Vorteil dieser klassischen Regelungsstruktur (Kaskadenregelung mit PI-, PID-Reglern o. ä.), dass der Entwurf, die Realisierung und Implementierung relativ einfach sind und das Regelsystem (aber ausschließlich) ein zufriedenstellendes stationäres Regelverhalten gewährleistet, stehen vor allem die folgenden Nachteile gegenüber:
  • - Verschlechterung des Regelverhaltens bei Änderungen der Umgebungsbedingung und Veränderungen der Arbeitsbedingung des Gurtförderers, zum Beispiel beim Abraum (starke Änderung der Dichte des Fördergutes), und
  • - eine betriebszustandsabhängige (Abhängigkeit vom Zustand des Gurtförderers) Regelung und damit eine Optimierung und Anpassung an Umgebungsänderungen ist nicht möglich.
Die Ursache für die Verschlechterung des Regelverhaltens ist darauf zurückzuführen, dass die Dynamik des Gurtförderers nur als unbekannte Last behandelt und der Regelalgorithmus ausschließlich auf dem Modell des Antriebssystems basiert.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur modellgestützten Onlineschätzung des Zustandes der Gurtförderanlagen zu finden, das die Stabilität, Robustheit und Empfindlichkeit bei auftretenden Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium des Überwachungssystems gewährleistet und eine zustandsorientierte Regelung der Gurtförderanlagen ermöglicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu realisieren, das eine zusätzliche Struktur das Modell des Verfahrens zur Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage zwecks Schätzung des Zustandes der Gurtförderanlage so erweitert, dass der Betrieb des Modells zur Onlineschätzung des Zustandes der Gurtförderanlage stabilisiert und ferner dessen Robustheit gegen Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen sowie Empfindlichkeit bei auftretenden Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium des Überwachungssystems gewährleistet wird. Es soll auch eine zustandsorientierte Regelung der Gurtförderanlagen ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Verfahren zur modellgestützten Onlineschätzung des Zustandes einer Gurtförderanlage, Systemstabilisierung und Erhöhung der Systemrobustheit bei Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen sowie Erhöhung der Systemempfindlichkeit bei auftretenden Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß, Prozessschäden im Entstehungsstadium usw. bei der Onlineüberwachung und zur Unterstützung der zustandsorientierten Regelung der Gurtförderanlage gemäß des Anspruches 1 mit seinen Unteransprüchen ausgeführt wird.
Aufgabengemäß wird ein Verfahren zur zustandsorientierten Regelung von Gurtförderanlagen, die in der modernen Regelungstechnik als Zustandsregelung bekannt ist, durchgeführt. Der wichtige Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass der Regler schneller auf die Änderungen in der Gurtförderanlage reagieren kann, als der konventionelle PI-, PID-Regler o. ä. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der erfinderischen Lösung.
Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispieles die Grundlagen für das Verfahren zur Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlagen zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage als Voraussetzung für die weitere erfinderische Lösung des Verfahrens zur zustandsorientierten Regelung beschrieben.
Es wird ein Verfahren für Gurtförderanlagen beschrieben, das sowohl online unter Echtzeitbedingungen während des laufenden Betriebes als auch offline nicht gemessene bzw. nicht messbare Prozessgrößen (z. B. Antriebskraft, Beschleunigung) berechnet und gemessene Prozessgrößen (z. B. Geschwindigkeit, Gurtspannkraft, Motordrehzahl) rekonstruiert.
Auf der Basis physikalischer Gesetzmäßigkeiten, technischer Daten, Parameter und der Konstruktion von Gurtförderanlagen erfolgt eine analytisch­ wissensbasierte Beschreibung des realen Prozessablaufs. Eine auf dieser Basis entwickelte Prozessbeschreibung wird als zeitdiskretes, analytisch-wissensbasiertes Prozessmodell für die dynamischen Vorgänge bei Gurtförderanlagen bezeichnet.
Das Verfahren ist mit Hilfe eines Rechners durchführbar. Dies ist realisierbar, indem man die analytisch-wissensbasierte Beschreibung des realen Prozessablaufs einer Gurtförderanlage als Softwarerealisierung auf einem Rechner implementiert. Dem Rechner stehen online unter Echtzeitbedingungen bzw. aufgezeichnete oder softwaretechnisch erzeugte Prozessführungs- und Prozessmessgrößen (z. B. Sollgeschwindigkeit, Motormoment, Beladung, Massenstrom) der entsprechenden Gurtförderanlage zur Verfügung. Das entwickelte Verfahren zur Schätzung nicht gemessener bzw. nicht messbarer Prozessgrößen und die Rekonstruktion gemessener Prozessgrößen verarbeitet die Prozessführungs- und Prozessmessgrößen online unter Echtzeitbedingungen bzw. offline zur Simulation. Als Ergebnis dieser automatischen Verfahrensabarbeitung erhält man fortlaufend die geschätzten, nicht gemessenen bzw. nicht messbaren und die rekonstruierten, gemessenen Prozessgrößen. Weiterhin ist es möglich, durch die Rekonstruktion gemessener Prozessgrößen auf der Basis des genannten Verfahrens zukünftig die Hardwarekosten für diese Sensorik zu reduzieren, indem man nur noch eine geringe Anzahl an realen Prozessmessungen vornimmt. Auf der Basis reduzierter Prozessmessungen werden weitere Prozessmessgrößen durch das beschriebene Verfahren erzeugt und äquivalent zu den gemessenen Prozessgrößen verwendet.
Die unter Echtzeitbedingungen durch Schätzung ermittelten Prozessgrößen werden zur Onlineüberwachung der Gurtförderanlage eingesetzt. Die unter Echtzeitbedingungen durch das entwickelte Verfahren rekonstruierten Prozessgrößen werden durch Vergleichen mit den Prozessmessgrößen zur Merkmalgenerierung verarbeitet. Somit wird durch das genannte Verfahren eine Onlineüberwachung und eine Merkmalgenerierung von Gurtförderanlagen realisiert. Weiterhin werden aufgezeichnete oder künstlich erzeugte Prozessführungs- und Prozessmessgrößen zur Offlinesimulation von Gurtförderanlagen angewendet. Infolgedessen sind Fragestellungen bezüglich der Dimensionierung und Belastungsanalysen zur Realisierung von Rückschlüssen auf die Projektierung, die Lastaufteilung und den Energieverbrauch während der Entwurfsphase von Gurtförderanlagen möglich. Das beschriebene Verfahren ermöglicht sowohl online unter Echtzeitbedingungen als auch offline zur Simulation eine sehr genaue Qualitätsverfolgung des Fördergutes, so dass sich Anwendungen für die Überwachung und Merkmalgenerierung sowie zur Simulation von Gurtförderanlagen ergeben.
Der Aufbau und die Grundlagen des entwickelten Verfahrens werden nachfolgend beschrieben. Das entwickelte Verfahren wurde entsprechend dem technisch-physikalischen Aufbau einer Gurtförderanlage in die drei Teilelemente Antriebsstation, Bandstraße und Umlenkstation unterteilt. Die Fig. 1 stellt den strukturellen Aufbau des entwickelten Verfahrens dar.
Als Eingangsgrößen werden die Prozessgrößen Moment [Motormomente Mi(z)], Massenstrom [zugeführter zeitdiskreter Massenstrom Q(z)], und diverse Umweltgrößen (z. B. Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Windstärke) verwendet. Die Verbindungen zwischen den drei Komponenten Antriebsstation, Bandstraße und Umlenkstation kennzeichnen die Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung und die elastische Federkraft zwischen den einzelnen Fördergurtelementen sowie den Massentransport [zeitdiskreter Massenstrom qi(z)] über den elastischen Fördergurt. Weiterhin werden eine Vielzahl von Parametern zur Beschreibung und Identifikation der Anlage benutzt, die in den folgenden Abschnitten näher erläutert werden. Als Ausgangsgrößen stehen durch das beschriebene Verfahren nicht messbare bzw. nicht gemessene Prozessgrößen (z. B. Antriebskraft, Beschleunigung, Frequenzspektrum und Auslenkung des Fördergurtes durch Systemschwingungen) und rekonstruierte, messbare Prozessgrößen (z. B. Gurtgeschwindigkeit, Motordrehzahl) der Gurtförderanlage zur Verfügung. Zusätzlich wird zum Zweck der Qualitätsverfolgung die aktuelle Position des Fördergutes auf dem Gurtförderer ermittelt und angezeigt.
Die Fig. 2 stellt das Blockdiagramm einer Gurtförderanlage zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens dar. Die eingesetzten Blöcke sind in den Anlagen der Beschreibung in Bezug auf Funktion, Parameter, optionale Parameter sowie Ein- und Ausgangssignale beschrieben. Im folgenden wird die Beschreibung des Modellaufbaus und die Dokumentation der einzelnen Abläufe dargelegt.
Der strukturelle Aufbau des entwickelten Verfahrens wird nachfolgend ausgeführt. Die genannten Teilstrukturen untergliedern sich grundsätzlich in Feder-Masse-Dämpfer-Systeme (siehe Fig. 5 der Beschreibung), Massen-Transport-Verfahren (siehe Fig. 6 der Beschreibung) und Übertragungsfunktionen der Baugruppen Getriebe, Kupplung, Bremse und Antriebstrommel (siehe Fig. 7 der Beschreibung). Sie bilden das Grundgerüst zur dynamischen zeitdiskreten Beschreibung einer Gurtförderanlage.
Die Bandanlage (Gurtförderer) wird nach der Grobgliederung in Antriebsstation, Bandstraße und Umlenkstation in weitere Einzelabschnitte unterteilt. Diese Unterteilung basiert auf der Diskretisierung des Fördergurtes in ein System diskreter durch Feder- Dämpfungselemente gekoppelter Punktmassen. Die elastische Kopplung der einzelnen diskretisierten Punktmassen erfolgt durch Feder-Dämpfersysteme, deren Verhalten durch die aus dem Gurttyp resultierenden Feder- und Dämpfungseigenschaften resultieren. Bei der Unterteilung des Fördergurtes sind die Grundlagen der Schwingungslehre zu beachten. Die Eigenschaften, wie beispielsweise der horizontale bzw. vertikale Kurvenverlauf sowie die unterschiedliche technologische Realisierung und Ausrüstung der Bandstraße wird durch eine weitere Unterteilung der bereits diskretisierten Gurtabschnitte realisiert. Diese Unterteilung wird ebenfalls wesentlich durch die Realisierung des Massen-Transport-Verfahrens bestimmt. In Abhängigkeit der Gütefunktion zwischen maximaler Genauigkeit des zu simulierenden Massentransportes und der zur Verfügung stehenden Rechenleistung ist ein Optimum zu finden und entsprechend zu realisieren. Die Berücksichtigung von starren und beweglichen Spannvorrichtungen sind durch den modularen Aufbau und optionalen Parametern wahlweise an jeder Steile des Gurtbandförderers möglich. Das gleiche trifft für die Art, Anzahl und Kombination der verwendeten Antriebe, Bremsen, Getriebe, Kupplungen und Antriebstrommeln zu. Beispielsweise ist es möglich, für den Zwei-Trommel- Kopf- bzw. Heck- oder kombinierten Kopf- und Heckantrieb die durch Dehnschlupf auftretende unterschiedliche Lastverteilung auf die einzelnen Antriebstrommeln zu berücksichtigen. Zu dem können Einflüsse durch unterschiedliche Antriebstrommeldurchmesser aufgrund von Verschleiß und Fertigungsungenauigkeiten betrachtet und simuliert werden. Als Ergebnis dieser Diskretisierung lässt sich das entwickelte Verfahren laut Fig. 2 darstellen und durchführen.
Das Antriebssystem
Der Block GMF(z) (siehe Fig. 7 der Beschreibung) charakterisiert das Antriebssystem eines Gurtbandförderers. Je nach Art, Anzahl und Ausrüstung (z. B. Bremssysteme, Kupplungen, Getriebe, Antriebstrommeln) der Antriebsstation ist die Art, Anzahl und Parametrierung des Blocks GMF (z) zu wählen und einzusetzen. Die Fig. 2 zeigt die Realisierung bei einem umrichtergesteuerten Zwei-Trommel- Kopfantrieb. Als Eingangssignale werden beispielsweise die Prozessmessgrößen Motormoment (M1, M2, M3, M4) verarbeitet und als Ausgangssignal die nicht gemessene Prozessgröße Antriebskraft für die weitere Verarbeitung ermittelt. Für die Berücksichtigung von Dehnschlupf bei Mehrtrommelantrieben, der beim Einsatz von Anlaufwiderständen (z. B. Flüssigkeitsanlasser) oder auch bei Flüssigkeitskupplungen als Anlaufhilfe auftritt und den daraus resultierenden unterschiedlichen Lastaufteilungen, ist die Parametrierung des jeweiligen Blocks GMF(z) entsprechend zu verändern und einzusetzen.
Der Gurtförderer
Das Ausgangssignal des Blocks GMF(z), die Antriebskraft Fantrieb' wird als Eingangssignal im Block GCF(z) genutzt. Der Block GCF(z) wird durch das Massen-Transport-Verfahren (MTVi) und Feder-Massen- Dämpfer-Systeme (FMDx,i) charakterisiert. Entsprechend der Anordnung und Anzahl der Antriebssysteme am Gurtförderer erfolgt die Einspeisung der Antriebskraft an den jeweiligen FMDx,i-Blöcken, beispielsweise am Block FMDu,l laut Fig. 2. Der Block FMDx,i charakterisiert das dynamische Verhalten eines Fördergurtabschnittes und wird als Grundbaustein für Ober- und Untertrum eingesetzt. In Abhängigkeit von der Antriebskombination können durch diesen Block entsprechende Antriebs- oder auch eingeprägte Kräfte an der jeweiligen Position eingespeist werden. Im Obertrum wird somit die Widerstandskraft infolge der Beladung aus dem Block MTVi eingebracht. Die Kombination und Verbindung der Ein- und Ausgangssignale im GCF(z)-Block stellt ein lineares Differentialgleichungssystem mit zeitabhängigen Koeffizienten dar, dass mit Hilfe der MTVi-Blöcke die orts- und zeitabhängige Beladungen berechnet und somit stochastisch, zeitabhängige Koeffizienten liefert.
Darstellung der Zustandsgrößen
In der Fig. 2 sind die Ausgangsgrößen der Blöcke FMDx,i und MTVi (elastische Federkraft, Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung, zeitdiskreter Massenstrom) zur Anzeige über einen Bus nach außen geführt. Durch einen MUX-Block können die entsprechenden Daten der verschiedenen Blöcke vom Datenbus ausgelesen und zur Anzeige gebracht werden.
Gemäß der Beschreibung des Ausführungsbeispieles bzw. des beanspruchten Verfahrens werden folgende Vorteile durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht.
Die mit der Erfindung gezielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die erfassten Prozessmessgrößen online unter Echtzeitbedingungen während des laufenden Betriebes als auch offline automatisch verarbeitet werden, um auftretende Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch beispielsweise Fehler, Störungen und Verschleiß rechtzeitig zu erkennen. Die Konstruktion neuer Gurtförderanlagen kann durch Simulationen bezüglich Dimensionierung, Belastungsanalysen, Lastaufteilung und Energieverbrauch während der Entwurfsphase unterstützt werden.
Des weiteren kann die Anzahl der Messwertgeber auf eine notwendige Anzahl (bestimmt durch das im Patentanspruch genannte Verfahren) reduziert werden, wobei die Ausgangsgrößen des genannten Verfahrens die ursprünglich gemessenen Prozessgrößen äquivalent ersetzen können.
Zur Feststellung der Lage des Fördergutes auf dem Gurtförderer wird ständig eine sehr genaue Qualitätsverfolgung realisiert.
Somit werden durch das Verfahren folgende Problemstellungen gelöst:
Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegen die Probleme zugrunde:
  • - an Gurtförderanlagen sowohl online unter Echtzeitbedingungen während des laufenden Betriebes als auch offline nicht gemessene bzw. nicht messbare Prozessgrößen (z. B. Antriebskraft, Beschleunigung) zu berechnen und gemessene Prozessgrößen (z. B. Geschwindigkeit, Gurtspannkraft, Motordrehzahl) zu rekonstruieren,
  • - auf dieser Basis und der daraus folgenden Merkmalgenerierung die Offline- und/oder Onlineüberwachung von Gurtförderanlagen zu automatisieren und wesentlich zu erweitern,
  • - mit Hilfe von aufgezeichneten oder simulationstechnisch erzeugten Prozessführungs- und Prozessmessgrößen eine Offlinesimulation von Gurtförderanlagen zu realisieren,
  • - die Hardwarekosten für die vorhandene Sensorik zu reduzieren und
  • - eine sehr genaue Qualitätsverfolgung des Fördergutes zu erzielen.
Fig. 5 der Beschreibung Feder-Masse-Dämpfer-System Funktion
Der Block FMD beschreibt das dynamische Verhalten eines Fördergurtabschnittes der Länge L als ein Feder-Masse-Dämpfer-System. Eine Differential­ gleichung 2. Ordnung bildet das Grundgerüst der analytischen und wissensbasierten Realisierung des Verfahrens zur Verarbeitung der entsprechenden ein- und Ausgangsdaten. Die Masse des Blocks FMD ist eine diskrete Punktmasse, der Dämpfer arbeitet viskos mit einer geschwindigkeitsproportionalen Dämpfung, die Feder arbeitet linear mit einer Federsteifigkeit. Der FMD Block ist so ausgelegt, dass sich die jeweilige Masse diskret und in Abhängigkeit der Berechnungsschritte ändern kann. Auf jede Masse kann zusätzlich eine äußere Kraft wirken. Weiterhin ist es möglich, verschiedene Eingangsverschiebungen und Anfangsgeschwindigkeiten vorzugeben. Somit ist es möglich, solche Blöcke als eine kinematische Kette hintereinander schalten zu können.
Parameter
Erdbeschleunigung
Federkonstante
Dämpfungskonstante
Teilmassenanzahl
Gurtbreite
Elastizitätsmodul
längenbezogene Masse des Fördergurtes
Tragrollenbestückung (Anzahl der Tragrollenstationen) rotierenden Gesamtmasse einer Tragrollenstation
Massenträgheitsmoment der Rollen einer Tragrollenstation
Tragrollenstationsabstand
Länge des zu betrachtenden Fördergurtabschnitts
Neigungswinkel der Teilstrecke eines Gurtförderers
Konstanten für die Berechnung des Bewegungswiderstandsbeiwertes (fiktive Reibungszahl)
Optionale Parameter
auf den Gurt reduzierte Masse von Antriebs- bzw. Umlenkstation
Trommelradien
Massenträgheitsmomente der Trommeln
Massenträgheitsmomente der Bremsen
Massenträgheitsmomente der Getriebe
Massenträgheitsmomente der Kupplungen
Getriebeübersetzung
mechanischer Wirkungsgrad
Eingangssignale
Vektor 1: Verschiebung
Geschwindigkeit
Skalar 2: Kraft
Vektor 3: Daten vom nachfolgenden Block c.x + bd
.
Federkonstante des Gurtabschnittes: c
Dämpfungskonstante des Gurtabschnittes: bd
Gesamtmasse: M
Anlage A der Beschreibung Ausgangssignale
Vektor 1: Verschiebung
Geschwindigkeit
Beschleunigung
Skalar 2: elastische Federkraft
Vektor 3: Daten vom Vorgängerblock c . x + bd
.
Federkonstante des Gurtabschnittes: c
Dämpfungskonstante des Gurtabschnittes: bd
Fig. 6 der Beschreibung Massen-Transport-Verfahren Funktion
Der Block MTV beschreibt auf der Basis des dynamischen Verhaltens eines Fördergurtabschnittes der Länge L den Massentransport über den jeweiligen Betrachtungsabschnitt. Mit Hilfe von Orts- und Zeitabhängigkeiten wird der Massenstrom durch ein analytisches Verfahren realisiert.
Der Block MTV untergliedert sich intern in Abhängigkeit von der Gütefunktion bezüglich maximaler Genauigkeit des zu simulierenden Massentransportes und der zur Verfügung stehenden Rechenleistung in weitere Berechnungsabschnitte. Durch Lösen der Gütefunktion wird die optimale Anzahl der Berechnungsabschnitte zur Realisierung der Qualitätsverfolgung ermittelt.
Parameter Erdbeschleunigung Länge des zu betrachtenden Fördergurtabschnitts Anzahl der Teilmassen eines Längenabschnittes (Anzahl der internen Berechnungsabschnitte) Optionale Parameter Abstand der Messeinrichtung von der Gutaufgabestelle Eingangssignale
Vektor 1: zugeführter zeitdiskreter Massenstrom Q(z)
Vektor 2: Verschiebung
Geschwindigkeit
Beschleunigung
Ausgangssignale
Vektor 1: abgegebener zeitdiskreter Massenstrom Q'(z)
Vektor 2: eingeprägte Kraft
Fig. 7 der Beschreibung Übertragungsfunktion der Baugruppen Getriebe, Kupplung, Bremse, Antriebstrommel Funktion
Der Block GMF(z) beschreibt das dynamische Verhalten der Baugruppen Getriebe, Kupplung, Bremse, Antriebstrommel als Übertragungsfunktion, wobei beispielsweise für den Zwei-Trommel-Kopfantrieb der auftretende Dehnschlupf berücksichtigt werden kann.
Parameter Erdbeschleunigung
auf den Gurt reduzierte Masse von Antriebs- bzw. Umlenkstation
Trommelradius
Massenträgheitsmomente der Trommeln
Massenträgheitsmomente der Bremsen
Massenträgheitsmomente der Getriebe
Massenträgheitsmomente der Kupplungen
Geriebeübersetzung
mechanischer Wirkungsgrad
Gurtbreite
Elastizitätsmodul
Eingangssignale
Skalar 1: Motormoment 1 M
1
Skalar 2: Motormoment 2 M
2
Skalar 3: Motormoment 3 M
3
Skalar 4: Motormoment 4 M
4
Ausgangssignale
Skalar 1: Antriebskraft Fantrieb
Des weiteren wird in der nachfolgenden Beschreibung eine erfinderische Lösung des Verfahrens zur zustandsorientierten Regelung einer Gurtförderanlage auf Grundlage des Verfahrens zur Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage, wie diesseitig beschrieben, ausgeführt.
Es wird eine strukturelle Erweiterung des Modells des Verfahrens zur Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage beschrieben, das online unter Echtzeitbedingungen während des laufenden Betriebes eine Systemstabilisierung und Erhöhung der Systemrobustheit bei Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen sowie Erhöhung der Systemempfindlichkeit bei auftretenden Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß, Prozessschäden im Entstehungsstadium usw. realisiert und somit auch die Realisierung einer zustandsorientierten Regelung ermöglicht.
Das auf der Basis physikalischer Gesetzmäßigkeiten, technischer Daten, Parameter und Konstruktion von Gurtförderanlagen entwickelte zeitdiskrete, analytisch-wissensbasierte Prozessmodell (siehe Fig. 2), das die dynamischen Vorgänge von Gurtförderanlagen rekonstruiert und somit den realen Prozessablauf nachbildet, wird durch die Erfindung zum Zweck der Systemstabilisierung und Erhöhung der Systemrobustheit bei Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen sowie zur Unterstützung der zustandsorientierten Regelung erweitert.
Das Verfahren ist mit Hilfe eines Rechners durchführbar. Dies ist realisierbar, indem man die analytisch-wissensbasierte Beschreibung des realen Prozessablaufs einer Gurtförderanlage (siehe Fig. 2) durch die Verarbeitung und Wichtung zusätzlicher Messinformationen ausbaut. Laut vorheriger Beschreibung wird das dynamische Verhalten jedes Fördergurtabschnittes mit der Länge L der Gurtförderanlage durch jeweils einen FMD-Block (Feder-Masse-Dämpfer-System) repräsentiert. Die FMD- Blöcke, denen im realen Prozessablauf zusätzliche, physische Messpunkte zur Ermittlung der Fördergurtgeschwindigkeit zugeordnet wurden, werden durch die Erfindung laut Patentanspruch 1 erweitert. Für die Erfindung laut Patentanspruch 1 werden die zusätzlichen, physischen Messpunkte zur Ermittlung der Fördergurtgeschwindigkeit an den einzelnen Antriebstrommeln der Gurtförderanlage genutzt. Im folgenden Beispiel werden die Drehzahlmessungen an den Antriebstrommeln 1 und 2 zur Ermittlung der Gurtgeschwindigkeit und somit für das Verfahren laut Patentanspruch 1 verwendet. Die Antriebstrommel 1 wird dem FMD-Block FMDo,N und die Antriebstrommel 2 dem FMD-Block FMDu,l zugeordnet. Somit werden die beiden genannten FMD-Blöcke durch die im folgenden näher erläuterte Struktur erweitert.
Für die FMD-Blöcke der vorhergehenden Beschreibung bildet eine Differentialgleichung 2. Ordnung das Grundgerüst der analytischen und wissensbasierten Realisierung zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens eines Fördergurtabschnittes der Länge L und somit zur Verarbeitung der genannten Ein- und Ausgangsdaten. In der Differentialgleichung 2. Ordnung
werden die Dämpfungskonstante bd und Federkonstante c mit den veränderlichen Größen der Gesamtmasse m(t), Kraft F(t), den berechneten Größen Fördergurtbeschleunigung
Fördergurtgeschwindigkeit
und Verschiebung (t) miteinander analytisch verknüpft. Die Differentialgleichung (1) kann durch die Transformation in den Zustandsraum wie folgt dargestellt werden
In Fig. 8 wird die Zustandsdarstellung der Gleichung (1) eines FMD-Blocks aufgezeigt.
Die Erfindung ergänzt die Zustandsdarstellung der ausgewählten FMD-Blöcke, in deren Abbildungsbereich physische Messpunkte zur Ermittlung der Fördergurtgeschwindigkeit vorhanden sind, um die in Fig. 9 dargestellte Erweiterung, wobei 2 die rekonstruierte Prozessgröße und y2 die zugehörige gemessene Prozessgröße (Ermittlung der Fördergurtgeschwindigkeit auf der Basis der Antriebstrommeldrehzahlmessung) zu verkörpern.
Die rekonstruierte Fördergurtgeschwindigkeit 2 wird mit der gemessenen Fördergurtgeschwindigkeit y2 verglichen sowie die Differenz mit der Parametrierungsmatrix L gewichtet und anschließend zur Stabilsierung auf den Eingang zurückgeführt.
Die Auswahl der Parametrierungsmatrix L kann nach unterschiedlichen Optimierungsverfahren erfolgen. Das Gütekriterium für die Auswahl der Parametrierungsmatrix L lautet maximale Systemrobustheit gegen Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen bei maximaler Systemempfindlichkeit durch auftretende Abweichungen vom nominalen Systemzustand aufgrund zu detektierender Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium. In diesem Zusammenhang ist eine optimale Wahl der Parametrierungsmatrix L zu treffen.
Die Differenz zwischen der analytischen Redundanz, berechnete Fördergurtgeschwindigkeit 2, und der gemessenen Fördergurtgeschwindigkeit y2 wird als Residuum bezeichnet. Das ermittelte Residuum bildet die Abweichungen der realen Gurtförderanlage vom nominalen, fehlerfreien Prozessmodell der Gurtförderanlage ab und wird nach einer Klassifikation bzw. Residuenauswertung zur Störungs- und Fehleranalyse verwendet.
Fig. 10 zeigt das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Systemstabilisierung und Erhöhung der Systemrobustheit bei Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen sowie zur Erhöhung der Systemempfindlichkeit bei auftretenden Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß, Prozessschäden im Entstehungsstadium usw. bei der Onlineüberwachung und zur Unterstützung der zustandsorientierten Regelung, bei der die Differenz zwischen der analytischen Redundanz und dem physischen Messwert mit einer Parametrierungsmatrix bewertet und an der Summationsstelle den Eingangsgrößen aufgeprägt wird.
In der Fig. 10 wird beispielsweise den diskretisierten FMD-Blöcken 1 und N aus der Fig. 2 je ein physischer Messpunkt für die Fördergurtgeschwindigkeit zugeordnet. Im FMD-Block FMDu,l wird der Messpunkt Drehzahl Trommel 2 und im FMD-Block FMDo,N wird der Messpunkt Drehzahl Trommel 1 zusätzlich verwendet. Aus den Messwerten der Drehzahlmessung Trommel 1 und Trommel 2 werden die jeweiligen Fördergurtgeschwindigkeiten νTr1 und νTr2 ermittelt und neben den Eingangsdaten für FMD-Blöcke zusätzlich verarbeitet.
Aus den Eingangssignale F1, mu,l, bzw. FN, mo,N, werden mit Hilfe der Dividierer 1 und 2 die Beschleunigungen
berechnet. Die diskreten Differenzierer 5 und 6 sind durch den ihrer Funktion beschreibenden Z-Operator symbolisiert. Mit Hilfe der diskreten Differenzierer werden aus den Beschleunigungen aN und a1 die Fördergurtgeschwindigkeiten νN und ν1 berechnet. An den Summierstelle 7 und 8 werden die berechneten Fördergurtgeschwindigkeiten νN und ν1 mit den gemessenen Fördergurtgeschwindigkeiten νTr1 und νTr2 verknüpft. Die Ausgangssignale der Summierstellen 7 und 8 werden als Residuum 1 und Residuum N bezeichnet und durch die Parametrierungsmatritzen LN und L1 in den Wichtungsteilen 11 und 12 bewertet. Die bewerteten Signale werden an den Summierstellen 3 und 4 den Eingangsgrößen
aufgezwungen.
Die Rückkopplung der bewerteten Signale an den Summierstellen 3 und 4 dient der Systemstabilisierung und der Systemrobustheit bei Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen. Die auftretenden Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium werden im Anschluss an eine Residuenauswertung bzw. Klassifikation der Residuensignale analysiert. Das Auftreten von zu detektierenden Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium soll nach optimaler Auswahl der Parametrierungsmatritzen zu signifikanten Veränderungen der ausgewerteten Residuensignale führen.
Die Systemstabilität und Systemrobustheit bei Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen sowie die Systemempfindlichkeit bei auftretenden Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium wird somit durch die Parametrierungsmatritzen LN und L1 in den Wichtungsteilen 11 und 12 bestimmt.
Gemäß der Beschreibung des Ausführungsbeispiel bzw. des beanspruchten Verfahrens werden folgende Vorteile durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das vorher beschriebene Verfahren zur Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage für Langzeitbetrachtungen ohne Stabilitätsprobleme eingesetzt werden kann. Die Auswirkungen von Modellungenauigkeiten und nicht relevanten Einflüssen, wie beispielsweise Umwelteinflüsse, werden die Stabilität des Verfahrens nicht mehr beeinflussen.
Weiterhin wird die Systemempfindlichkeit bezüglich der zu detektierenden Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium wesentlich erhöht.
Ferner verfügt das Regelungssystem mit der Schätzung des Anlagenzustandes über zusätzliche Informationen des Betriebszustands des Gurtförderers. Diese kann zur Verbesserung des Regelverhaltens durch den Einsatz eines Zustandsreglers genutzt werden.
Somit werden durch das Verfahren folgende Problemstellungen gelöst:
  • - die Stabilität beim Langzeitbetrieb des Verfahrens zur Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage zu gewährleisten,
  • - den Einfluss von Modellungenauigkeiten und nicht relevanten Einflüssen auf die Stabilität des Verfahrens zur Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage zu reduzieren,
  • - eine hohe Empfindlichkeit des Verfahrens zur Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage bezüglich der zu detektierenden Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium zu erzielen,
  • - eine optimale Einstellung des Verhältnis zwischen der Systemstabilisierung und Systemrobustheit bei Modellungenauigkeiten sowie Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen und der Systemempfindlichkeit bei auftretenden Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium beim Verfahren zur Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage zu erzielen.
  • - Zustandsorientierte Regelung der Gurtförderanlage durch die Einbeziehung der Schätzung des Zustandes der Gurtförderanlage in das Regelungskonzept.
Bezugszeichen
1
Dividierer
2
Dividierer
3
Summierstellen
4
Summierstellen
5
Differenzierer
6
Differenzierer
7
Summierstellen
8
Summierstellen
9
Prozessdaten
10
Prozessdaten
11
Wichtungsstellen
12
Wichtungsstellen

Claims (5)

1. Verfahren zur zustandsorientierten Regelung einer Gurtförderbandanlage auf der Basis einer Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage mit Hilfe zusätzlicher Prozessdaten, welche während des Betriebes aus den Steuerungs- und Regelungseinrichtungen der Gurtförderanlage zusätzlich ausgelesen und als zusätzliche Eingangsgrößen zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass sich im jeweiligen Ausbildungsbereich des Verfahrens Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage physikalische Messpunkte, wie eine Fördergurtgeschwindigkeit (9, 10), aus der Drehzahlmessung an den Antriebstrommeln oder mitlaufenden Trommeln angeordnet werden, wobei eine rekonstruierte Prozessgröße, wie eine Fördergurtgeschwindigkeit mit der gemessenen Prozessgröße Fördergurtgeschwindigkeit aus der Drehzahlmessung in den Summierstellen 7 und 8 verglichen werden, die Differenz der rekonstruierten und gemessenen Prozessgrößen mit einer Parametriermatrix (11, 12) gewichtet und zum Zweck der Systemstabilisierung, Erhöhung der Systemrobustheit, Systemempfindlichkeit sowie zur Realisierung der zustandsorientierten Regelung in das Verfahren der Offline- und/oder Onlineüberwachung und Grundlage zur Merkmalgenerierung einer Optimierung sowie Bearbeitung des Zustandes einer Gurtförderanlage in den Summierstellen 3 und 4 zurückzukoppeln und einzuprägen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Parametrierungsmatrix (11, 12) zur Wichtung der Differenz zwischen den durch das genannte Verfahren rekonstruierten und durch weitere Messwertgeber an der Gurtförderanlage gemessenen Prozessmessgrößen [Drehzahlmessung (9, 10)] auf der Basis einer optimalen Einstellung des Verhältnisses zwischen der Systemstabilisierung, Systemrobustheit bei Modellungenauigkeiten und Prozessabweichungen infolge von nicht relevanten Einflüssen sowie der Systemempfindlichkeit bei auftretenden Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auftretende Abweichungen vom nominalen Systemzustand durch zu detektierende Störungen, Fehler, Verschleiß und Prozessschäden im Entstehungsstadium usw. rechtzeitig erkannt und von nicht relevanten Einflüssen, wie beispielsweise Modellungenauigkeiten und Umwelteinflüssen (Temperatur, Feuchtigkeit), im Residuumsignal signifikant voneinander unterschieden werden können.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen der analytischen Redundanz und dem physischen Messwert mit einer bestimmten Parametrierungsmatrix (11, 12) bewertet, zurückgekoppelt und aufgeprägt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Onlineschätzung des Zustandes der Gurtförderanlage zur zustandsorientierten Regelung der Gurtförderanlage angewandt werden kann.
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