DE10036717A1 - Universelles Verfahren zur Vorausberechnung von Parametern industrieller Prozesse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorausberechnung von Parametern industrieller Prozesse, wobei ein Vektor zulässiger Prozess-Eingangsgrößen mit jeder Größe zugeordneten Definitionsbereichen und ein Vektor von Prozess-Ausgangsgrößen mit den vorausberechenbaren Prozessparametern festgelegt ist, wobei in einer Datenbank bekannte Informationen über den Prozess hinterlegt sind und diesen Informationen Gültigkeitsbereiche für die Prozess-Eingangsgrößen zugewiesen sind, und wobei zu jedem eingegebenen Prozess-Eingangsvektor aus einem zulässigen und mit gültigen Informationen belegten Definitionsbereich gemäß den hierfür gültigen Informationen genau ein Prozess-Ausgangsvektor bestimmt wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein universelles Verfahren zur Vorausberechnung oder Schätzung von Parametern industrieller Prozesse.

Größer, schneller, besser - diese Schlagworte charakterisie­ ren die Entwicklung zu immer leistungsfähigeren industriellen Anlagen. Im Gegensatz zu der weitverbreiteten Massenfertigung bei Konsumartikeln sind daher neu zu erstellende Großanlagen oft ohne Beispiel, so dass bei der Projektierung, aber auch bei der erstmaligen Inbetriebnahme derartiger Anlagen kaum auf gültige Erfahrungswerte zurückgegriffen werden kann. Dies resultiert u. a. daraus, dass derartige Großanlagen im Gegen­ satz zu Kleingeräten nur unzulänglich in Laborversuchen mo­ delliert und daher nur eingeschränkt getestet werden können. Andererseits finden in der chemischen Industrie sowie in der Hüttenindustrie ständige Neuentwicklungen von verbesserten Werkstoffen statt, die während der Inbetriebnahme einer Anla­ ge noch gar nicht bekannt sind. Dennoch soll eine Anlage auch zur Verarbeitung derartiger Stoffe mit noch unbekannten Ei­ genschaften geeignet sein, so dass die hohen Anlagenkosten auf einen ausreichenden Betriebszeitraum verteilt werden kön­ nen. Für diesen Anwendungsfall ist gar die Vorausschätzung von Eigenschaften wie beispielsweise Wärmekapazität, Zähig­ keit, Erstarrungstemperatur, etc. künftig zu entwickelnder Werkstoffe erforderlich. Da allein bei der Stahlherstellung durch Beimengung von mehr als 20 unterschiedlichen Legie­ rungselementen die unterschiedlichsten Eigenschaften erzeugt werden können, ist bei einer derartigen Abschätzung der che­ mischen und physikalischen Eigenschaften zukünftiger Stahlle­ gierungen oder sonstiger Mischwerkstoffe der "gesunde Men­ schenverstand", der zum gegenwärtigen Zeitpunkt bei einer Extrapolation bekannter Werkstoffeigenschaften auf bislang unbekannte Produkte als einzig wirtschaftliches Kalkulations­ mittel zur Verfügung steht, infolge der nicht mehr durch­ schaubaren Zusammenhänge völlig überfordert. Dies resultiert u. a. auch daraus, dass die für eine derartige Vorausschätzung notwendigen Informationen zumeist über eine Vielzahl von Per­ sonen und Industriebetrieben verstreut sind und aufgrund ih­ res Umfangs gar nicht mehr in einer einzigen Person vereinigt werden können, selbst wenn dieselbe beispielsweise über Pa­ tentschriften Zugang zu einem großen Anteil der verfügbaren Informationen hätte.

Aus diesen Nachteilen des bekannten Stands der Technik resul­ tiert das die Erfindung initiierende Problem, ein Verfahren zur Vorausberechnung oder Schätzung von Parametern indus­ trieller Prozesse zur Verfügung zu stellen, welches bei Zu­ gang zu einer großen Menge von Informationen in die Lage ver­ setzt ist, die gewünschten Parameter mit einer möglichst gro­ ßen Genauigkeit vorherzubestimmen.

Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass für ein technisches Fachgebiet, beispielsweise das Hüttenwesen, ein Vektor zulässiger Eingangsgrößen eines industriellen Prozes­ ses und/oder Produkts (im folgenden: Prozess-Eingangsgrößen) mit jeder Größe zugeordneten Definitionsbereichen und ein Vektor von zu bestimmenden Ausgangsgrößen des industriellen Prozesses und/oder Produkts (im folgenden: Prozess-Ausgangs­ größen) mit den vorausberechenbaren Prozess- und/oder Pro­ duktparametern festgelegt ist, wobei in einer Datenbank be­ kannte Informationen über den Prozess und/oder das Produkt hinterlegt sind und diesen Informationen Gültigkeitsbereiche für die Prozess-Eingangsgrößen zugewiesen sind, und wobei zu jedem eingegebenen Prozess-Eingangsvektor aus einem zulässi­ gen und mit gültigen Informationen belegten Definitionsbe­ reich gemäß den hierfür gültigen Informationen genau ein Pro­ zess-Ausgangsvektor bestimmt wird.

Ein erster Schritt zur Annäherung an die Lösung des äußerst umfangreichen Problems ist eine Unterteilung in technische Fachgebiete mit jeweils in sich weitgehend abgeschlossenem Expertenwissen. Beispielsweise können die Prozesse bei der Stahlherstellung von übrigen, chemischen Verfahren weitgehend abgetrennt werden, da sich Kombinationen derartiger Anlagen allenfalls auf Hilfseinrichtungen zur Unterstützung des Hüt­ tenwesens beschränken. Sodann werden in einem weiteren Schritt die Eingangsgrößen der zu betrachtenden Prozesse, welche direkt von außen beeinflussbar sind wie insbesondere die Zusammensetzung einer Stahlsorte, deren aktuelle Tempera­ tur, sowie gegebenenfalls bestimmte Verfahrensschritte des Herstellungsverfahrens, von den davon zwar beeinflussten, aber zunächst unbekannten Ausgangsgrößen des Prozesses unter­ schieden, wie beispielsweise den chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften der durch die Be- oder Verar­ beitung entstehenden Produkte, beispielsweise neuer Stahlle­ gierungen. Sofern weitere Informationen über Abhängigkeiten der Prozess-Ausgangsgrößen von weniger interessanten Zu­ standsgrößen bekannt sind, beispielsweise von der Dichte, so können zusätzliche Zustandsgrößen festgelegt werden, deren tatsächliche Kenntnis für den Anwender zwar uninteressant, für die Bestimmung der gewünschten Ausgangsgrößen jedoch unerlässlich ist. Ist somit die Grundstruktur des zu betrach­ tenden Prozesses in Form von dessen Eingangs-, Ausgangs- so­ wie gegebenenfalls Zustandsgrößen festgelegt, so wird in ei­ nem weiteren Schritt das zur Verfügung stehende Wissen über die internen Zusammenhänge zwischen diesen Größen zusammenge­ tragen und in einer Datenbank gespeichert. Infolge der Viel­ falt beispielsweise im Hüttenwesen verwendbarer Legierungs­ elemente sowie gegebenenfalls zusätzlicher Verfahrensparame­ ter wird das verfügbare Wissen in fast allen Anwendungsfällen äußert lückenhaft einzustufen sein, wobei die Kenntnisse bei besonders häufigen Prozessparametern dichter, bei exotischen und daher seltenen Kombinationen der Eingangsgrößen dünner sind. Demzufolge wird die Genauigkeit einer Vorhersage in den von der Technik verstärkt angewendeten Bereichen deutlich hö­ her sein als dort, wo technisches Neuland beschritten wird. Dennoch dürfte auch bei gängigen Prozessen der Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Eingangsgrößen nur für einzelne, kon­ krete Verfahrensparameter bekannt sein, sofern das betreffen­ de, technische Verfahren nicht naturwissenschaftlich restlos untersucht und mit einem geschlossenen Gleichungssystem mo­ dellierbar ist. Von einer derartigen Informationsdichte, wie sie beispielsweise auf dem elektrischen Antriebssektor mitt­ lerweile erreicht worden ist, können die Fachleute anderer Industriezweige nur träumen. Hier setzt die Erfindung ein, indem sie aus den lückenhaften, aber bekannten Informationen durch Interpolation für möglichst alle denkbaren Anwendungs­ fälle, d. h. Kombinationen von Eingangsparametern, eine Ab­ schätzung der Ausgangsgrößen liefert, wobei ein ständiger An­ sporn zur Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin zu sehen ist, die Abweichungen der vorauszuberechnenden Para­ meter von den tatsächlichen Parametern durch eine ständige Verdichtung der zur Verfügung stehenden Daten gegen null streben zu lassen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass bei neu bearbeiteten und wissenschaftlich noch nicht völlig verstandenen Sachgebieten die zur Verfügung stehenden Informationen in Form von Messwerten gespeichert werden, wo­ bei im Fall einer Anfrage nach Zwischenprodukten sodann eine möglichst gute Interpolation zwischen bekannten Werten vorge­ nommen werden soll; mit zunehmender Verdichtung der Informa­ tionen können beispielsweise anstelle einzelner Messpunkte Regressionskurven gespeichert werden, die - noch ohne restlo­ ses wissenschaftliches Verständnis - eine gute Näherung der Vorausschätzung ermöglichen, schließlich können nach wissen­ schaftlicher Ergründung der Zusammenhänge die dabei aufgefun­ denen Funktionen einprogrammiert werden, so dass die Präzisi­ on des erfindungsgemäßen Verfahrens sich im Laufe der Zeit asymptotisch dem Ideal einer fehlerfreien Vorhersage von Pa­ rametern technisch noch nicht realisierter Prozesse annähert. Diese Fähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens, durch Er­ gänzung der Datenbank zu lernen, um dadurch ständig seinen Wissensstand zu steigern, kann dazu genutzt werden, um dem Anwender zusätzlich zu den vorausberechneten und/oder -geschätzten Parametern noch die Dichte des hierfür erforder­ lichen Wissens oder daraus abgeleitet eine Abschätzung der möglichen Rechen- oder Schätzfehler zu liefern. Wird hierbei sodann mit den für den jeweiligen Anwendungsfall anzunehmen­ den "worst case" gerechnet, so befindet sich der Anwender beispielsweise bei der Dimensionierung einer neu zu erstel­ lenden Anlage stets auf der sicheren Seite, so dass die tech­ nische Veralterung einer derartigen Anlage gehemmt werden kann.

Es hat sich als günstig erwiesen, dass als Prozess- Eingangsgrößen Informationen über Edukte, insbesondere Roh­ stoffe und/oder -produkte, sowie Randbedingungen des Verar­ beitungsverfahrens verwendet werden. Da bei industriellen Prozessen zumeist eine Verarbeitung eines oder mehrerer Eduk­ te zu Zwischen- oder Endprodukten erfolgt, bietet es sich an, als direkt beeinflussbare Größen vor allem die bekannten Ei­ genschaften der verwendbaren Rohstoffe zu verwenden, sowie die von außen steuerbaren Verfahrensparameter.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Prozess- Ausgangsgrößen Informationen über durch den Prozess erhaltene Produkte enthalten, beispielsweise deren chemischen, physika­ lischen oder mechanischen Eigenschaften, sowie gegebenenfalls Informationen über Prozess-Zustandsgrößen. Für die Konzipie­ rung einer Anlage sind sodann vor allem chemische, physikali­ sche und mechanische Eigenschaften der Zwischen- und Endpro­ dukte interessant, wobei dieselben von der Temperatur oder weiteren Randbedingungen abhängig sein können. Während hier­ bei vor allem diejenigen Eigenschaften wichtig sein können, welche die Interaktion mit äußeren Größen betreffen, bei­ spielsweise die chemische Aggressivität, die Strom- und Wär­ meleitfähigkeit, etc., so können weitere Eigenschaften, wel­ che während des Prozesses kaum zu Tage treten, dennoch von Bedeutung für die Bestimmung der relevanten Ausgangsgrößen sein; hierunter sind beispielsweise innere Eigenschaften wie Dichte oder dergleichen zu nennen.

Bei einem n-dimensionalen Definitionsraum für die Prozess- Eingangsvektoren und einem m-dimensionalen Werteraum für die Prozess-Ausgangsvektoren ist es möglich, dass die Informatio­ nen über den Prozess als wenigstens (n+1)-dimensionale Infor­ mations-Vektoren mit einem vollständigen Eingangsvektor und einem dabei gemessenen Wert wenigstens einer Ausgangsgröße gespeichert sind. Derartige Informationsvektoren haben erst dann einen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ver­ wendbaren Informationsgehalt, wenn sie bei vollständiger Kenntnis der Eingangsgrößen wenigstens auch eine Ausgangsgrö­ ße zusätzlich spezifizieren, so dass durch entsprechende Vor­ gabe der Eingangsgrößen die bekannte Ausgangsgröße einge­ stellt werden kann. Andererseits können bei einem speziellen Eingangsvektor auch sämtliche Ausgangsgrößen gemessen und in der erfindungsgemäßen Datenbank hinterlegt worden sein, so dass sich maximal die Dimension (n+m) für einen gültigen In­ formations-Vektor ergibt. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können ohne weiteres Informationsvektoren mit un­ terschiedlichen Informationen verarbeitet werden, so dass hinsichtlich mancher Ausgangsgrößen eine genauere Berechnung, bei anderen Ausgangsgrößen dagegen nur eine grobe Schätzung möglich ist. Die Dimension der Informationsvektoren richtet sich jeweils nach dem zugänglichen und in eine Datenbank einspeicherbaren Wissen. Da hierbei die Spezifikation einfach durch Eingabe der eingestellten und gemessenen Werte erfolgt, sind hierzu keinerlei Kenntnisse über das grundsätzliche Ver­ halten des Systems notwendig. Somit kann jede Art von Wissen über die Ausgangsgrößen, sofern zusätzlich die dabei vorgege­ benen Eingangsgrößen hinlänglich bekannt sind, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwertet werden.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Ausgangsgrößen zu ei­ nem gegebenen Prozess-Eingangsvektor durch Interpolation von Informations-Vektoren mit für den Eingangsvektor gültigen De­ finitionsbereichen berechnet werden. Eine große Bedeutung für das erfindungsgemäße Verfahren hat die Vorgabe von gültigen Definitionsbereichen, in denen ein Informations-Vektor noch verwendbar sein soll. Für die Werkstoffwissenschaften charak­ teristisch ist die Tatsache, dass sich an bestimmten Be­ reichsgrenzen die Strukturen eines Werkstoffs oder Prozesses grundsätzlich ändern, beispielsweise kann in dem in Fig. 1 beigefügten Eisen-Zementit-Diagramm, welches für Stähle ty­ pisch ist, eine Liquiduslinie ABCD festgelegt werden, welche die bei höheren Temperaturen als reine Schmelze vorliegende Substanz von der darunter befindlichen Mischform aus Schmelze und Kristallen trennt, ferner kann die sog. Soliduslinie AECF eingezeichnet werden, unterhalb derer die Substanz in verfes­ tigtem Zustand vorliegt. An diesen Linien ändert eine durch ihre Zusammensetzung spezifizierte Substanz bei einer Tempe­ raturveränderung ihren Aggregatzustand und somit auch eine Reihe ihrer physikalischen Eigenschaften wie beispielsweise Zug- und Druckfestigkeit schlagartig. Andererseits herrscht beispielsweise in dem Bereich 2 des Zustandsschaubildes 1 α- Ferrit vor, wo das Eisengitter in kubisch-raumzentrierten α- Mischkristallen vorliegt und die Kohlenstoffatome weitgehend aus dem Eisengitter verdrängt sind, während in dem teilweise angrenzenden Bereich 3 die austenitische Phase in Form von δ- Mischkristallen mit kubisch-flächenzentriertem Eisengitter existiert, usf. Man erkennt daraus, dass Formeln, welche bei­ spielsweise mechanische oder magnetische Eigenschaften kenn­ zeichnen, an bestimmten Bereichsgrenzen ihre Gültigkeit ver­ lieren, da sich sodann die Struktur des betreffenden Werk­ stoffs grundsätzlich ändert. Aus diesem Grunde ist es wich­ tig, für jeden Informations-Vektor einen Gültigkeitsbereich zu definieren, innerhalb desselben die an Hand dieses Infor­ mationsvektors getroffenen Aussagen über die Zusammenhänge zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen grundsätzlich noch ver­ wendbar sind, und ab wo die Verwendung der betreffenden In­ formationen sodann zu völlig falschen Ergebnissen führen wür­ de. Daraus folgt, dass bei der Bestimmung der Ausgangsgrößen für gegebene Eingangsgrößen zunächst festzustellen ist, wel­ che Informationen für die betreffende Zusammensetzung, Tempe­ ratur, etc. überhaupt Gültigkeit entfalten, und welche Infor­ mationen hierbei nicht mehr zutreffen. Sodann kann mit den als gültig eingestuften Informationen eine Näherung für das Verhalten der Ausgangsgrößen bei den gegebenen Eingangsgrößen ermittelt werden.

Die Erfindung sieht ferner vor, dass bei der Interpolation die Ausgangsgrößen zu einem gegebenen Prozess-Eingangsvektor durch gewichtete Addition der einander entsprechenden Aus­ gangsgrößen von Informations-Vektoren mit für den Eingangs­ vektor gültigen Definitionsbereichen berechnet werden. Die Überlagerung der als gültig eingestuften Informationen kann nach verschiedenen Interpolationsmethoden erfolgen. Obzwar auch beispielsweise Spline-Interpolationen denkbar sind, so dürfte in einer Vielzahl der Anwendungsfälle aufgrund der na­ hezu beliebigen Streuung der bekannten Informations-Vektoren eine Interpolation höheren Grades zur Erzeugung von Regressi­ onsformeln, welche einer durch die Endpunkte aller bekannten Informations-Vektoren gehenden Hyperfläche entsprechen, wenig Sinn machen bzw. einen immensen Aufwand verglichen mit der damit erreichbaren Genauigkeit bedeuten. Sinnvoller erscheint demgegenüber eine lineare Interpolation, wobei sich bei­ spielsweise die Methode der kleinsten Fehlerquadrate oder ähnliches anbietet.

Es hat sich bewährt, die Gewichtungsfaktoren für die Bestim­ mung einer Ausgangsgröße derart zu normieren, dass die Summe aller Gewichtungsfaktoren für die Berechnung einer Ausgangs­ größe gleich 1 ist. Durch eine derartige Normierung ist si­ chergestellt, dass konstante Ausgangsgrößen, d. h., Größen, auf die eine oder mehrere der Eingangsgrößen keinen Einfluss haben, durch die Interpolation unverfälscht wiedergegeben werden.

Die Erfindung lässt sich dahingehend weiterbilden, dass bei der Interpolation die Abstände der Informations-Vektoren in dem n-dimensionalen Definitionsraum für die Prozess- Eingangsvektoren bei der Bildung der Gewichtungsfaktoren für die Ausgangsgrößen des betreffenden Informations-Vektors ver­ wendet werden. Dadurch kann für jeden Eingangsvektor eine spezifische Kombination aus den gültigen Informations- Vektoren gebildet werden, welche nicht von der absoluten Lage des Eingangsvektors, sondern von dessen relativer Lage zu den auf den n-dimensionalen Definitionsraum projizierten Informa­ tions-Vektoren abhängig ist. Somit kann der Einfluss einzel­ ner Informations-Vektoren individuell dem jeweiligen Ein­ gangsvektor angepasst werden.

Bei der Interpolation lassen sich gute Ergebnisse erzielen, wenn die Gewichtungsfaktoren mit zunehmendem Abstand eines Informations-Vektors von dem Eingangsvektor in dem n- dimensionalen Definitionsraum kleiner werden. Diese Maßnahme stellt sicher, dass diejenigen Informations-Vektoren, deren Projektion auf den n-dimensionalen Definitionsraum dem aktu­ ellen Eingangsvektor am nächsten liegt, den größten Einfluss auf die Berechnung oder Abschätzung der Ausgangsgrößen aus­ üben.

Eine modifizierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist dadurch charakterisiert, dass die Informationen über den Prozess als für die Ausgangsgrößen spezifische Funk­ tionen des Eingangsvektors sowie gegebenenfalls eines inter­ nen Zustandsvektors hinterlegt sind. Diese Informationsdar­ stellung eröffnet die Möglichkeit, bei einer zunehmenden Ver­ dichtung der Informationen eine Aufbereitung vorzunehmen, welche einer Komprimierung der Datenmenge entspricht, mit der nun nicht mehr eine Vielzahl von Informations-Vektoren, son­ dern eine oder mehrere daraus abgeleitete Funktionen hinter­ legt werden, welche sodann den zusätzlichen Vorteil einer be­ schleunigten Berechnung der Ausgangsgrößen bieten.

Im Rahmen dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Funktionen durch Regressionsformeln aus bekannten Informa­ tions-Vektoren gebildet sind. Dies ist die einfachste Methode zur Generierung von Funktionen für die Ausgangsgrößen, welche nach mathematischen Gesetzmäßigkeiten von einer entsprechend programmierten Datenverarbeitungsanlage völlig ohne äußeres Zutun durchgeführt werden kann, wenn anhand einer beispiels­ weise automatischen Überprüfung festgestellt wurde, dass die Informations-Vektoren-Dichte in einem bestimmten Bereich ei­ nen vorgegebenen Wert überschritten hat. Hier kann eine line­ are oder polynominale Regression mit Bestimmung der Regressi­ onskoeffizienten in Abhängigkeit von einer, mehreren oder al­ len Eingangsgrößen vorgenommen werden. Fließen alle Eingangs­ größen in die Regressionsformel ein, so kann bei Auswertung derselben sofort der zugeordnete Wert der Ausgangsgröße be­ rechnet werden; anderenfalls kann bei Auswertung einer Reg­ ressionsformel allenfalls ein Näherungswert für die betref­ fende Ausgangsgröße ermittelt werden, der anschließend durch eine Interpolation mittels Informations-Vektoren korrigiert werden kann, welche linear unabhängig von demjenigen Teilraum des Definitions-Raums sind, für den die Regressionsformel gültig ist. Oftmals wird beispielsweise die Temperaturabhän­ gigkeit einer oder mehrerer Eigenschaften einer Substanz durch eine größere Anzahl von Messpunkten bestimmt, und an­ stelle dieser Vielzahl von Messpunkten kann auch je eine tem­ peraturabhängige Regressionsformel für die betreffende Eigen­ schaft der ansonsten unveränderten Substanz verwendet werden. Aus dieser Regressionsformel kann sodann die betreffende Aus­ gangsgröße bei der gegebenen Temperatur für eine Substanz ab­ geschätzt werden, welche dem zu überprüfenden Werkstoffs mög­ lichst ähnlich ist. Der Einfluss zusätzlicher Legierungsele­ mente kann sodann durch Interpolation dieses Wertes mit für andere Substanzen ermittelten Messwerten berücksichtigt wer­ den.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann eine weitere Optimierung erfahren, indem die Funktionen in einer Matrixform angeordnet sind, die bis zu m Zeilen und bis zu (n+z) Spalten aufweist, wobei z die Dimension des für den Prozess festgelegten Zu­ standsvektors ist. Diese mathematische Verfahrensweise geht aus von der Erkenntnis, dass die Ausgangsgrößen eindeutig durch die Eingangsgrößen sowie durch sämtliche Zustandsgrößen des betrachteten Prozesses vorgegeben werden. Ferner macht die Erfindung hierbei Gebrauch von der Möglichkeit einer Li­ nearisierung in der Praxis durchaus nichtlinearer Abhängig­ keiten, was beispielsweise durch von verschiedenen Parametern abhängige Koeffizienten dieser Matrix realisiert werden kann. Dabei kann die Spaltenzahl dieser Matrix variieren, je nach­ dem, ob die Zustandsvektoren gleichzeitig als Ausgangsvekto­ ren auftauchen, wodurch die Spaltenzahl maximal gleich n ge­ setzt werden kann, oder ob die Zustandsgrößen implizit be­ rechnet werden, jedoch kein Bestandteil des Ausgangsvektors sind, wodurch die Spaltenzahl auf das Maximum von (n+z) an­ steigen kann.

Die Erfindung erlaubt eine Reduzierung des Rechenaufwandes, indem der Ausgangs-Vektor oder Elemente desselben durch Mul­ tiplikation der Funktions-Matrix mit einem aus Eingangs- und Zustandsgrößen gebildeten Vektor berechnet wird. Hierdurch kann bei konsequenter Linearisierung des gesamten Prozessver­ haltens eine höchst einfache Berechnungsmethode geschaffen werden, wobei der Ausgangsvektor im Idealfall durch eine ein­ zige Matrizenmultiplikation ermittelbar ist. Oftmals kann ei­ ne derartige Linearisierung auch durch Einführung zusätzli­ cher Zustandsvariablen erreicht werden.

Die Erfindung lässt sich dahingehend weiterbilden, dass die Berechnung der Zustandsgrößen vor der Berechnung davon abhän­ giger Prozessparameter vorgenommen wird. Hierbei kann die Zu­ standsdifferentialgleichung

dc(t)/dt = A.c(t) + B.x(t) (I);

vor der Lösung der Ausgangsgleichung

y(t) = C.c(t) + D.x(t) (II);

erfolgen. In den meisten Fällen interessiert hierbei nicht die Dynamik des Übergangs von einem Prozesszustand in einen anderen, so dass die Bestimmung der Zustandsgrößen durch die weitere Annahme dc/dt = 0; dx/dt = 0 stark vereinfacht werden kann:

c = -A^-1.B.x (III);

y = C.*c + D.x (IV);

mit

x = [Z,H,A]^T

und
Z: = Zusammensetzungsparameter
H: =Strukturbestimmende Vorgeschichte, z. B. Umformparameter, Temperaturführung
A: = Arbeitspunktbestimmende Größen, z. B. Temperatur, Umformparameter

Die Anwenderfreundlichkeit kann weiter gesteigert werden, in­ dem die Prozess-Informationen für verschiedene Zustandsgrößen und/oder Ausgangsparameter unterschiedlich hinterlegt sind, d. h., als Informations-Vektoren einerseits und als Funktio­ nen, insbesondere Regressionsformeln, andererseits. Die Be­ rechnungsmethoden für unterschiedliche Ausgangsgrößen können bei identischem Satz der Eingangsgrößen voneinander völlig abweichen, beispielsweise kann für eine Ausgangsgröße eine vollständige Berechnungsformel unter Berücksichtigung aller Eingangsgrößen angegeben sein, während andere Ausgangsgrößen aufgrund einer dünneren Informationsdichte nur durch die ein­ zelnen Messpunkte repräsentiert sind, so dass hier von Fall zu Fall eine Interpolation vorzunehmen ist.

Eine übersichtliche Datenbankstruktur lässt sich erreichen, wenn die Berechnungsregeln für Zustandsgrößen und/oder Pro­ zessparameter in Tabellen hinterlegt sind, deren Elemente Verweise auf weitere Tabellen enthalten können, so dass sich eine relationale Tabellenstruktur ergibt. Diese Berechnungs­ struktur erlaubt eine möglichst rechenzeitökonomische Vorge­ hensweise bei der Bestimmung voneinander abhängiger Größen.

Eine Steigerung der Funktionalität des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist dadurch möglich, dass in Abhängigkeit einer oder mehrerer Zustandsgrößen eine Auswahl zwischen hierfür gülti­ gen Berechnungs-Informationen, insbesondere in Form von Ta­ bellen bzw. Berechnungsformeln, vorgenommen wird. Wie oben bereits ausgeführt, treten an bestimmten Bereichsgrenzen, insbesondere Phasenumwandlungstemperaturen, strukturelle Än­ derungen des Verhaltens einer Substanz auf, wodurch bestimmte Berechnungsformeln ihre Gültigkeit verlieren und durch andere ersetzt werden müssen. Wird in diesem Fall beispielsweise die Temperatur als Zustandsgröße aufgefasst, so kann je nach den für die betreffende Substanz berechneten Umwandlungstempera­ turen zwischen verschiedenen Berechnungsformeln, -tabellen oder dergleichen umgeschalten werden.

Der Vermeidung größerer Abweichungen eines berechneten Para­ meters von dem idealen Wert dient eine Weiterbildung der Er­ findung, wonach an den Grenzen zwischen den Gültigkeitsberei­ chen von unterschiedlichen Berechnungs-Informationen ein ste­ tiger Übergang stattfindet, wobei die Ergebnisse der Berech­ nungen nach den in den benachbarten Bereichen gültigen Be­ rechnungs-Informationen mit einer Gewichtung versehen werden. Dieses Näherungsverfahren kann insbesondere bei derartigen Eingangsgrößen zu einer Verbesserung der Vorhersagegenauig­ keit führen, die sehr weit von allen bekannten Informations- Vektoren und insbesondere von verdichteten Bereichen dersel­ ben entfernt sind. Deshalb kann hier die Zuordnung zu einem Berechnungsbereich, dessen Formeln oder Informationen in der­ art großer Entfernung deutlich an Prägnanz verloren haben, zu starken Abweichungen führen, während die Zuordnung zu einem anderen Bereich, dessen Kern verdichteter Informationen eben­ falls weit entfernt ist, zu anderen, aber ebenfalls sehr un­ präzisen Ergebnissen führen kann. Durch Überlagerung zweier oder mehrerer derartiger Rechenergebnisse können dieselben entweder gegenseitig bestätigt werden oder durch interpolati­ ve Bestimmung eines mittleren Wertes relativiert und regu­ liert werden. Für eine derartige Interpolation sind aus­ schließlich Bereichsgrenzen zu verwenden, an denen keine ab­ rupte Änderung des Verhaltens einer Substanz zu erkennen ist, beispielsweise allmähliche Änderungen der Zusammensetzung, während beispielsweise Temperaturgrenzen, an denen Phasenum­ wandlungen stattfinden, auch durch einen abrupten Übergang von einer Berechnungsmethode auf eine andere modelliert wer­ den müssen.

Im Rahmen einer derartigen Ergebniskorrektur kann ferner vor­ gesehen sein, dass die Gewichtung der verschiedenen Rechener­ gebnisse nach Zugehörigkeitsfunktionen vorgenommen wird, wel­ che in dem Kernbereich der betreffenden Berechnungs- Informationen gleich 1 und außerhalb der umgebenden Über­ gangsbereiche gleich 0 sind und in den Übergangsbereichen Werte zwischen 0 und 1 annehmen. Diese Zugehörigkeitsfunktio­ nen können ähnlich den Gewichtungsfaktoren einer numerischen Interpolation aufgefasst werden, indem die nach den für die betreffenden Kernbereiche gültigen Formeln ermittelten Ergeb­ nisse mit der von der Lage des Eingangsvektors abhängigen Zu­ gehörigkeitsfunktion multipliziert werden. Indem die Kernbe­ reiche verschiedener Berechnungsformeln sich vorzugsweise ge­ genseitig ausschließen, ist für jeden Kernbereich nur die den gültigen Berechnungsformeln zugeordnete Zugehörigkeitsfunk­ tion gleich 1, alle anderen sind dort 0, so dass die restli­ chen Berechnungsformeln keinen Einfluss auf das Gesamtergeb­ nis haben. In den Übergangsbereichen sind dagegen mehrere Zu­ gehörigkeitsfunktionen ungleich 0 und vorzugsweise auch un­ gleich 1, so dass alle betroffenen Berechnungsformeln in das Gesamtergebnis einfließen. Sofern hierbei sichergestellt ist, dass bei jedem Punkt eines Übergangsbereichs stets die Summe aller Zugehörigkeitsfunktionen gleich 1 ist, so findet gleichzeitig eine Normierung statt, welche dazu führt, dass in dem Idealfall, dass zwei oder mehrere, hier gültige Be­ rechnungsformel dasselbe Ergebnis liefern, auch das Gesamter­ gebnis diesen bestätigten Wert annimmt.

Eine Vorkehrung zur Vermeidung von Fehlberechnungen besteht darin, dass die berechneten Ausgangsgrößen einer Plausibili­ tätsprüfung unterzogen werden. Bei einer präzisen Eingabe be­ kannter Berechnungsformeln und hierfür jeweils gültiger Defi­ nitionsbereiche ist die Wahrscheinlichkeit eines Prädiktions­ fehlers äußerst gering; andererseits kann mit dünner werden­ der Informations-Vektor-Dichte durch eine pauschale Interpo­ lation möglicherweise ein erheblich von dem tatsächlichen Wert abweichendes Ergebnis errechnet werden, ohne dass dies infolge der sehr vielschichtigen Zusammenhänge sogleich be­ merkt würde. Deshalb sieht die Erfindung eine nachgeschaltete Plausibilitätsprüfung vor, wo generell gültige Kenntnisse und/oder Erfahrungswerte verifiziert werden müssen, bis das berechnete Ergebnis dem Anwender präsentiert werden kann. Wird eine Plausibilitätsprüfung von einem Rechenergebnis nicht bestanden, so kann dies gegebenenfalls in Verbindung mit dem falschen Ergebnis angezeigt werden, oder im Rahmen des Verfahrens wird versucht, das von den Erfahrungswerten abweichende Ergebnis bis zu dessen Ursache zurückzuverfolgen und beispielsweise auf fehlerhaft eingegebene Informations- Vektoren oder dergleichen hinzuweisen.

Die Erfindung zeichnet sich weiterhin aus durch einen Daten­ austausch mit angeschlossenen Hard- und/oder Softwarebaustei­ nen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl als stand­ alone-Informationsdatenbank verwendet werden, indem ein An­ wender durch Spezifikation von Eingangsparametern beispiels­ weise unter Zuhilfenahme eines Bildschirms und einer Tastatur eine Frage an die Datenbank formuliert und die Antwort in Form des Rechenergebnisses auf einem Drucker ausgedruckt wird. Andererseits kann ein nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren arbeitendes Softwaremodul auch im Rahmen von Simula­ tionsprogrammen als Datenlieferant für bestimmte Parameter verwendet werden, die sodann von dem Simulationsprogramm an gegebenem Ort eingesetzt werden, um die Simulationsergebnisse zu optimieren. Darüber hinaus ist es auch möglich, bei Onli­ ne-Regelungen interne, nicht messbare Größen als Zustandsgrö­ ßen zu definieren; sofern dieselben nicht durch ein simples Rechenmodell bestimmt werden können, so kann das erfindungs­ gemäße Expertensystem gute Dienste bei der Schätzung der ak­ tuellen Zustandsparameter anhand der bekannten Eingangsgrößen leisten. Hierbei findet ein ständiger Datenaustausch zwischen der Regelungseinrichtung und dem erfindungsgemäßen Experten­ system statt, wobei dieses über Steuerungen vorgegebene und/oder über Sensoren ermittelte Eingangs- und Zustandsgrö­ ßen empfängt und daraus die benötigten Informationen bestimmt und diese der Regelungsschaltung wiederum zur Optimierung der Regelcharakteristik übermittelt.

Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass die gespeicherten und/oder zu übertragenden Daten zumindest teil­ weise verschlüsselt sind. Da das erfindungsgemäße Experten­ system ein immenses Wissen in sich vereinigt, könnte es von Konkurrenzbetrieben für die vielfältigsten Zwecke missbraucht werden. Infolge der ganze Fachgebiete umfassenden Fähigkeiten sind die Anwendungsfälle nahezu unbegrenzt. Andererseits könnte bei einem unkritischen Gebrauch des Verfahrens bei­ spielsweise aus nicht verifizierten Ergebnissen auch ein gro­ ßer Schaden erwachsen. Deshalb ist erfindungsgemäß vorgese­ hen, dass das Expertensystem nur in kontrollierter Form Daten mit Peripheriegeräten austauscht, wobei die Ver- und Ent­ schlüsselung erst in den Peripheriegeräten vorgenommen wird. Zur Steigerung der Sicherheit kann auch vorgesehen sein, dass ein Datenaustausch überhaupt erst stattfindet, sofern von ei­ nem angeschlossenen Gerät oder Softwaremodul ein festgelegter Aktivierungscode gesendet worden ist.

Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Er­ findung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein vereinfachtes Beispiel für einen Definitionsbe­ reich zulässiger Eingangsvektoren;

Fig. 2 einen Überblick über die Datenstruktur bei der Pflege der dem erfindungsgemäßen Verfahren assis­ tierenden Datenbank;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung für die Eingabe und/oder Änderung von parameterabhängigen Größen;

Fig. 4 ein Struktogramm des erfindungsgemäßen Berechnungs­ verfahrens; sowie

Fig. 5 ein Struktogramm mit den bei einer Anwendung auszu­ führenden Schritten.

Das in Fig. 1 wiedergegebene, bekannte Eisen-Kohlenstoff- Zustandsdiagramm für den bei Stählen besonders häufigen, me­ tastabilen Zementit-Zustand soll nur beispielhaft zur Erläu­ terung der unterschiedlichen Zustände dienen, deren ein aus mehreren Komponenten bestehendes Werkstoffsystem fähig ist:

Zum einen existieren für den unlegierten Eisen-Stahl bereits in dem festen Aggregatszustand in Abhängigkeit von der Tempe­ ratur unterschiedliche Kristallzustände, α-Ferrit unterhalb von 911°C, Austenit bis zu einer Temperatur von 1.392°C, und darüber δ-Ferrit bis zu dem Schmelzpunkt von 1.530°C.

Darüber hinaus sinkt mit zunehmendem Gewichtsanteil des Koh­ lenstoffs einerseits die Schmelztemperatur auf 1.147°C in dem Punkt C ab, andererseits ändert sich auch der Aufbau des Gesamtgefüges über den Perlit 5 über eine Mischphase 6, 7 bis hin zum Ledeburit 8 und über eine weitere Mischphase 9 bis hin zum reinen Zementit 10. Während in dem Bereich von dem unlegierten Stahl bis zum Perlit 5 noch α-Ferrit-Kristalle vorliegen können, zeichnet sich der Bereich zwischen Perlit 5 und Ledeburit 8 dadurch aus, dass hier je nach Temperatur noch Austenit-Kristalle vorliegen können, während in dem übereutektoiden Bereich zwischen Ledeburit 8 und reinem Ze­ mentit 10 keinerlei reine Eisenkristalle mehr existieren, sondern ausschließlich noch ein Korngefüge aus Primärzementit und Ledeburit. Diese Substanzen unterscheiden sich hinsicht­ lich ihrer chemischen, physikalischen und werkstoffwissen­ schaftlichen Eigenschaften erheblich, beispielsweise sind übereutektoide Werkstoffe technologisch von geringerer Bedeu­ tung.

Bei der Fig. 1 soll die längs der Abszisse aufgetragene, va­ riable Zusammensetzung Z stellvertretend für einen in der Praxis vieldimensionalen Zusammensetzungsbereich der unter­ schiedlichsten Legierungssubstanzen aufgefasst werden, wäh­ rend die entlang der Ordinate aufgetragene Temperatur T stellvertretend für von der Zusammensetzung Z unabhängige Pa­ rameter A steht, die ebenfalls Einfluss auf den aktuellen Zu­ stand (Arbeitspunkt) eines Werkstoffs ausüben. Weitere, der­ artige Parameter könnten sein: Strukturbestimmende Vorge­ schichte H, insbesondere Wärmebehandlung wie Glühen, Tempern, etc. ferner Walzvorgänge, und Oberflächenbehandlungen wie beispielsweise Beizen, darüber hinaus aber auch aktuelle Pa­ rameter wie beispielsweise der auf der Schmelze lastende Druck oder dergleichen. Die Vielzahl von Zusammensetzungs-, Vorbehandlungs- und aktuellen Parametern, welche allesamt Einfluss auf das konkrete Verhalten bestimmter chemischer, physikalischer oder werkstoffwissenschaftlicher Größen (Aus­ gangsgrößen) ausüben, kann als Vektor [Z, H, A] der Eingangs­ größen zusammengefasst werden.

Dies lässt sich beispielsweise durch den folgenden Vektor (Tabelle 2) veranschaulichen, in welchem 24 Legierungsbe­ standteile zusammengefasst sind, welche zusammen mit dem Hauptlegierungsbestandteil Fe die Zusammensetzung des betref­ fenden Stahls definieren. Diese Zusammensetzung kann bei der Eingabe entsprechender Informationen über das Verhalten eines derartigen Werkstoffs anhand der Bildschirmdarstellung nach Fig. 2 in eine Datenbank eingegeben werden:

Nach Spezifizierung des Werkstoffes in dem Fenster 11 - "Be­ zeichnung", beispielsweise durch Vergabe einer fortlaufenden Nummerierung wie beispielsweise "St44", und Zuordnung zu ei­ ner Werkstoff -, insbesondere Stahlgruppe aus der folgenden Tabelle 1-1 gemäß Fenster 12 erfolgt die Eingabe von Informationen über diesen Stahl 11. Zunächst werden zu diesem Zweck die Ein­ gangsgrößen spezifiziert, welche zusammen den Eingangsvektor bilden. Dies erfolgt zum einen über das Fenster 13 - "Zusam­ mensetzung", wo die Legierungsanteile Z gemäß dem Komponen­ tenvektor nach Tabelle 2 konkretisiert werden.

Tabelle 1

Stahlgruppen

Tabelle 2

Legierungselemente

Weitere Eingangsgrößen sind die Herstellungs-, insbesondere die strukturbestimmende Vorgeschichte H, welche in dem Fens­ ter 14 zu spezifizieren sind, beispielsweise Informationen über Glüh- und Walzvorgänge wie beispielsweise Anwärmtempera­ tur, Walzanfangstemperatur, Fertigbandtemperatur, Haspeltem­ peratur, sowie gegebenenfalls weitere Informationen über Oberflächenbehandlungen oder dergleichen.

Ist solchermaßen der Eingangsvektor mit Ausnahme der Tempera­ tur T bestimmt, so können nun in dem Fenster 15 für eine ge­ gebene Temperatur T erhaltene Messwerte, beispielsweise Mate­ rialdaten gemäß der folgenden Tabelle 3, eingegeben werden.

Tabelle 3

Materialspezifische Daten

Hierbei sind auch weitere Materialparameter wichtig, die eine Temperaturabhängigkeit zeigen, beispielsweise der differen­ tielle, lineare Ausdehnungskoeffizient, der anschließend in einem Graph 16 visualisiert werden kann, ferner die spezifi­ sche Wärmekapazität 17, der temperaturabhängige Elastizitäts­ modul 18, die Wärmeleitfähigkeit 19 und die ebenfalls tempe­ raturabhängige Dichte 20. Für eine Plausibilitätsprüfung al­ ler eingegebenen Materialeigenschaften 15 können anschließend kurvenartige Darstellungen dieser Informationen 16-20 zur optischen Rückkopplung verwendet werden.

Die eingegebenen Informationen können als Informations- Vektoren aufgefasst werden, die aus je einem Wert der Ein­ gangsgrößen - Zusammensetzung Z (25 Legierungsbestandteile), Umformparameter H (beispielsweise 4 Größen: Anwärmtemperatur, Walzanfangstemperatur, Fertigbandtemperatur, Haspeltempera­ tur) und der Temperatur T (∈ A) gebildet sind (im vorliegen­ den Fall demnach 30 Parameter), während jedem derartigen Ein­ gangsvektor gerade ein Wert der Ausgangsgrößen 16 bis 20 (5 Größen) bzw. weiterer Größen, beispielsweise gemäß Tabelle 3 (12 Größen) und gegebenenfalls zusätzlicher Größen, bei­ spielsweise der Fließspannung, zugeordnet wird. In dem vor­ liegenden Beispiel hätte demnach jeder Informations-Vektor 30 Eingangsgrößen und beispielsweise 18 Ausgangsgrößen. Anderer­ seits muss nicht zu jedem Satz von Eingangsgrößen [Z,H,A]^T auch ein vollständiger Satz von Ausgangsgrößen vorhanden sein, vielmehr macht ein Informations-Vektor bereits dann Sinn, wenn nur eine einzige Ausgangsgröße spezifiziert ist.

Sind solchermaßen alle bekannten Informationen in Form derar­ tiger Informations-Vektoren in die erfindungsgemäße Datenbank eingegeben, so kann prinzipiell mit dem Verfahren 21 gemäß Fig. 4 die Bestimmung der gewünschten Ausgangsgrößen aus ei­ nem Satz von Eingangsgrößen und den eingegebenen Daten begon­ nen werden. Hierzu ist fast immer eine Interpolation erfor­ derlich, sofern zu einem vorgegebenen Eingangsvektor [Z,H,A]^T sich kein Informations-Vektor finden lässt, dessen Projektion auf den Definitionsraum der Eingangsgrößen sich mit dem Eingangsvektor [Z,H,A]^T deckt. Für die solchermaßen fast immer erforderliche Interpolation sind jedoch weitere Informationen über die Gültigkeitsbereiche einzelner Informa­ tions-Vektoren erforderlich, beispielsweise verlieren be­ stimmte Ausgangsgrößen wie die Zugfestigkeit bei Überschrei­ ten der Schmelztemperatur ihre Bedeutung und müssen anstelle einer weiteren Extrapolation bekannter Werte zu null gesetzt werden. Die Definition derartiger Gültigkeitsbereiche muss gleichzeitig mit dem Eingeben des betreffenden Informations­ vektors erfolgen, damit die Auswertung der Datenbank an­ schließend vollautomatisch vonstatten gehen kann.

Dieses Auswertungsverfahren 21 beginnt damit, dass bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der aktuell eingege­ bene Eingangsvektor [Z,H,A]^T im Rahmen eines ersten Verfah­ rensschritts 22 in die betreffende Werkstoffgruppe 12 einge­ ordnet wird, was beispielsweise durch eine grobe Auswertung der Legierungskomponenten Z erfolgen kann. Sodann findet die zur Auswertung verwendete Datenverarbeitungsanlage eine für die betreffende Werkstoffgruppe gültige Prozessinformation (Verfahrensschritt 23), die wiederum in einzelne Bereiche 2-10 untergliedert sein kann, für die unterschiedliche chemi­ sche Strukturen und/oder physikalische Aggregatzustände vor­ liegen. Sobald solchermaßen die für den konkreten Eingangs­ vektor gültige Prozessinformation gefunden 23 wurde, können zunächst interne Zustandsgrößen C aus der Zusammensetzung Z und der Temperatur T (∈ A) sowie gegebenenfalls aus weiteren Umformparametern H ermittelt werden 24, welche zwar von dem Anwender nicht benötigt werden, jedoch für die weiteren Be­ rechnungsschritte aufgrund von werkstoffcharakteristischen Abhängigkeiten ausschlaggebend sind (hier ist vor allem der Aggregatszustand wichtig; ferner ist beispielsweise die Dich­ te relevant für die Wärmeleitfähigkeit). Diese Auswertung 24 kann beispielsweise durch Interpolation zwischen den entspre­ chenden Parametern eingegebener Informations-Vektoren erfol­ gen, welche hierbei beispielsweise mit einem von dem Abstand gegenüber dem aktuellen Eingangsvektor abhängigen Gewich­ tungsfaktor multipliziert und sodann aufaddiert werden. Aus den solchermaßen berechneten Zustandsgrößen C sowie den Ein­ gangsgrößen Z, H, A kann sodann in einem abschließenden Ver­ fahrensschritt 25, vorzugsweise ebenfalls durch Interpola­ tion, der gewünschte Vektor der Ausgangsgrößen Y ermittelt werden.

Wie Fig. 3 zeigt, können beispielsweise für temperaturabhän­ gige Ausgangsgrößen Regressionsformeln gebildet werden, wel­ che für beliebige Temperaturwerte T exakte Ausgangswerte Y bestimmter Ausgangsgrößen liefern. Solchenfalls kann die Di­ mension der vorzunehmenden Interpolation und damit der Be­ rechnungsaufwand reduziert werden. Sofern dies durch eine ausreichende Dichte der Informations-Vektoren in einem be­ stimmten Zusammensetzungsbereich möglich ist, können diese Regressionsformeln auch auf mehrere oder alle Eingangsgrößen Z, H, A ausgedehnt werden, so dass im Idealfall keine Inter­ polation zur Auswertung mehr erforderlich ist, sondern ein­ fach durch Einsetzen der bekannten Eingangsgrößen in die Reg­ ressionsformel die betreffende Ausgangsgröße berechnet werden kann. Anstelle von Regressionsformeln können auch wissen­ schaftlich nachgewiesene Abhängigkeiten in Form von bekann­ ten, werkstoffwissenschaftlichen Formeln eingegeben werden.

Damit gestaltet sich die Anwendung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens bei einer Anwendung aus dem Hüttenwesen wie folgt:

In einem ersten Schritt 26 werden die bekannten Materialpara­ meter Z eingegeben, wodurch die hierbei verwendete, elektro­ nische Datenverarbeitungsanlage (EDV-Anlage) den Werkstoff identifizieren kann. Diese Spezifikation kann erfolgen durch Eingabe

• - der chemischen Komponenten und deren Anteile
• - der Werkstoffbezeichnung, beispielsweise "st37"
• - oder der Werkstoffgruppe, beispielsweise "allg. Bau- und Vergütungsstähle".

Erfolgt hierbei eine indirekte Spezifikation über die Werk­ stoffbezeichnung oder gar eine ungenaue Spezifikation über die Werkstoffgruppenbezeichnung, so kann von der EDV-Anlage durch beispielhafte Verwendung eines typischen Vertreters mit dieser Bezeichnung oder aus dieser Gruppe eine gültige Zusam­ mensetzung Z festgelegt werden.

In dem darauf folgenden Schritt 27 wird die bekannte struk­ turbestimmende Vorgeschichte H, insbesondere über

• - Umformung
• - Temperaturführung

und den aktuellen Arbeitspunkt bestimmende Parameter A, wie

• - Temperatur
• - aktueller Umformgrad bei Walzbearbeitung
• - aktuelle Umformgeschwindigkeit, etc.

eingegeben. Damit sind der EDV-Anlage alle Randbedingungen des zu berechnenden Hüttenprozesses bekannt.

Um nun die von der EDV-Anlage zu lösende Aufgabe zu definie­ ren, wird in dem Verfahrensschritt 28 festgelegt, welche ak­ tuellen Parameter Y die EDV-Anlage berechnen soll. Natürlich können die Eingabe-Verfahrensschritte 26-28 auch in einer beliebigen anderen Reihenfolge durchgeführt werden.

Ist dies geschehen, so kann die Berechnung gestartet werden, indem nun das Unterprogramm 21 aufgerufen wird. Dieses ermit­ telt die gewünschten Ausgangsgrößen Y als Funktion der Zusam­ mensetzung Z, der strukturbestimmenden Vorgeschichte H und der arbeitspunktbestimmenden Parameter A sowie gegebenenfalls anhand von nicht interessierenden, jedoch die Ausgangsparame­ ter Y beeinflussenden Zustandsparametern, beispielsweise die aktuelle Dichte. Hierbei kann auf abgespeicherte Datensätze, Regressionsgleichungen und/oder neuronale Netze zurückgegrif­ fen werden; Diskrepanzen zwischen bekannten Informationen und aktuellen Randbedingungen werden mit Interpolations- und/oder Extrapolationsverfahren überbrückt. Hilfsweise können einzel­ ne Werkstoffparameter, insbesondere -komponenten durch Para­ meter bzw. Komponenten mit ähnlichen Eigenschaften, insbeson­ dere Wirkungen ersetzt werden, um Beziehungen zu bekannten Informationen herzustellen und zu aussagekräftigen Ergebnis­ sen zu gelangen.

Die solchermaßen berechneten 21 Ausgangsparameter Y werden sodann im Verfahrensschritt 29 über ein Datenendgerät, bei­ spielsweise Bildschirm oder Drucker, ausgegeben.

Claims (22)

1. Universelles Verfahren zur Vorausberechnung von Parame­ tern industrieller Prozesse und/oder Produkte, dadurch gekennzeichnet, dass für ein technisches Fach­ gebiet, beispielsweise das Hüttenwesen, ein Vektor [Z,H,A]^T zulässiger Eingangsgrößen des industriellen Prozesses und/oder Produkts (im folgenden: Prozess-Eingangsgrößen) mit jeder Größe zugeordneten Definitionsbereichen und ein Vektor Y^T von Ausgangsgrößen des industriellen Prozesses und/oder Produkts (im folgenden: Prozess-Ausgangsgrößen) mit den vor­ ausberechenbaren Prozess- und/oder Produktparametern festge­ legt ist, wobei in einer Datenbank bekannte Informationen über den industriellen Prozess und/oder das Produkt hinter­ legt sind und diesen Informationen Gültigkeitsbereiche für die Prozess-Eingangsgrößen zugewiesen sind, und wobei zu je­ dem eingegebenen Prozess-Eingangsvektor [Z,H,A]^T aus einem zu­ lässigen und mit gültigen Informationen belegten Definitions­ bereich gemäß den hierfür gültigen Informationen genau ein Prozess-Ausgangsvektor Y^T bestimmt (24, 25) wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Prozess-Eingangsgrößen In­ formationen (Z, H) über Edukte, insbesondere Rohstoffe und/oder -produkte, sowie den Arbeitspunkt bestimmende Rand­ bedingungen (A) des Verarbeitungsverfahrens verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Prozess-Ausgangsgrößen Y^T Informationen (Y) über durch den Prozess erhaltene Produkte enthalten, beispielsweise deren chemische, physikalischen oder mechanischen Eigenschaften (16-20).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem n- dimensionalen Definitionsraum für die Prozess-Eingangs­ vektoren [Z,H,A]^T und einem m-dimensionalen Werteraum für die Prozess-Ausgangsvektoren Y^T, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Informationen über den Prozess als wenigstens (n+1)-dimensionale Informations-Vektoren mit einem vollständigen Eingangsvektor [Z,H,A]^T und einem dabei gemesse­ nen Wert wenigstens einer Ausgangsgröße (Y) gespeichert sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Ausgangsgrößen (Y) zu ei­ nem gegebenen Prozess-Eingangsvektor [Z,H,A]^T aus Informa­ tions-Vektoren mit für den Eingangsvektor [Z,H,A]^T gültigen Definitionsbereichen durch Interpolation berechnet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass bei der Interpolation die Aus­ gangsgrößen zu einem gegebenen Prozess-Eingangsvektor [Z,H,A]^T durch gewichtete Addition der einander entsprechenden Aus­ gangsgrößen (Y) von Informations-Vektoren mit für den Ein­ gangsvektor [Z,H,A]^T gültigen Definitionsbereichen berechnet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren für die Bestimmung einer Ausgangsgröße (Y) derart normiert sind, dass die Summe aller Gewichtungsfaktoren für die Berechnung einer Ausgangsgröße (Y) gleich 1 ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass bei der Interpolation die Ab­ stände der Informations-Vektoren in dem n-dimensionalen Defi­ nitionsraum für die Prozess-Eingangsvektoren [Z,H,A]^T bei der Bildung der Gewichtungsfaktoren für die Ausgangsgrößen (Y) des betreffenden Informations-Vektors verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren mit zunehmendem Abstand eines Informations-Vektors in dem n- dimensionalen Definitionsraum von dem Eingangsvektor [Z,H,A]^T kleiner werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Infor­ mationen über den Prozess als für die Ausgangsgrößen spezifi­ sche Funktionen (Y) des Eingangsvektors [Z,H,A]^T hinterlegt sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Funktionen (Y) durch Reg­ ressionsformeln aus bekannten Informations-Vektoren gebildet sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei so­ wohl einzelne Eingangs- wie auch Ausgangsgrößen (Z, H, A, Y) oder die letzteren beeinflussende, innere (praktisch nicht oder nur schwer messbare) Größen zu einem Zustandsvektor [C] zusammengefasst sein können, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Funktionen (Y) in einer Matrixform angeordnet sind, die bis zu m Zeilen und bis zu (n+z) Spalten aufweist, wobei z die Dimension des für den Prozess festgelegten Zustandsvektors [C] ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass der Ausgangs- Vektor [Y] oder Elemente (Y) desselben durch Multiplikation der Funktions-Matrix mit einem aus Eingangs- und Zustandsgrö­ ßen gebildeten Vektor [Z,H,A,C]^T berechnet wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pro­ zess-Informationen für verschiedene Zustandsgrößen und/oder Ausgangsparameter (Y) unterschiedlich hinterlegt sind, d. h., als Informations-Vektoren einerseits und als Funktionen, ins­ besondere Regressionsformeln, andererseits.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Be­ rechnung der Zustandsgrößen vor der Berechnung davon abhängi­ ger Prozessparameter (Y) vorgenommen wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Be­ rechnungsregeln für Zustandsgrößen und/oder Prozessparameter (Y) in Tabellen hinterlegt sind, deren Elemente Verweise auf weitere Tabellen enthalten können, so dass sich eine relatio­ nale Tabellenstruktur ergibt.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhän­ gigkeit einer oder mehrerer Zustandsgrößen eine Auswahl zwi­ schen hierfür gültigen Berechnungs-Informationen, insbesonde­ re in Form von Tabellen bzw. Berechnungsformeln, vorgenommen wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Grenzen zwischen den Gültigkeitsbereichen von unterschiedli­ chen Berechnungs-Informationen ein stetiger Übergang statt­ findet, wobei die Ergebnisse (Y) der Berechnungen nach den in den benachbarten Bereichen gültigen Berechnungs-Informationen mit einer Gewichtung versehen werden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Gewichtung der verschiede­ nen Rechenergebnisse (Y) nach Zugehörigkeitsfunktionen vorge­ nommen wird, welche in dem Kernbereich der betreffenden Be­ rechnungs-Informationen gleich 1 und außerhalb der umgebenden Übergangsbereiche gleich 0 sind und in den Übergangsbereichen Werte zwischen 0 und 1 annehmen.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die be­ rechneten Ausgangsgrößen (Y) einer Plausibilitätsprüfung un­ terzogen werden.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch einen Datenaustausch mit ange­ schlossenen Hard- und/oder Softwarebausteinen.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ge­ speicherten und/oder die zu übertragenden Daten oder Teile derselben verschlüsselt sind.