DE102005039563B4

DE102005039563B4 - Regelung einer totzeitbehafteten Regelstrecke

Info

Publication number: DE102005039563B4
Application number: DE200510039563
Authority: DE
Inventors: Konrad Koehler; Dr. Lankers Katharina; Marius Necel; Franz Reischauer; Wolfgang Wallat
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2025-08-23
Also published as: DE102005039563A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Regelung zumindest eines Parameters (Y) einer mit einer Totzeit (T1) behafteten Regelstrecke (100; Energie => Y) zwischen Stellgröße (Energie) und einem zu regelnden Parameter (Y) beim Schmelzen und/oder Läutern von Glas mit einer darin enthaltenen Strecke (Energie => YHilf), die einen messbaren Parameter YHilf ergibt, der gegenüber Y eine verkürzte Totzeit aufweist und die als Ersatz-Regelstrecke verwendet wird, mit zumindest einem Kompensator (20), welcher mit einer Störgröße (X) beaufschlagt werden kann, und zumindest einem mit dem Kompensator (20) verbundenen ersten Smith-Prädiktor (30), welcher statt einem Modell eine erste Darstellungs-Einrichtung (40) aufweist zur Vorhersage des Verhaltens der Regelstrecke (100; Energie => Y) durch die reale Ersatz-Regelstrecke (42; Energie => YHilf) zwischen Stellgröße (Energie) und einem messbaren Parameter (YHilf) und durch ein im wesentlichen totzeitfreies Vorhersageglied in einer Vorhersage-Einrichtung (45), die aus dem Parameter YHilf eine Vorhersage des zu regelnden Parameters Y bereitstellt,...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung zumindest eines Parameters einer mit einer Totzeit behafteten Regelstrecke beim Schmelzen und/oder Läutern von Glas insbesondere in einer Schmelz- und/oder Läuterwanne gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Regelung zumindest eines Parameters einer mit einer Totzeit behafteten Regelstrecke beim Schmelzen und/oder Läutern von Glas gemäß Anspruch 16.
Um beim Schmelzen von Glas eine gleichbleibend hohe Qualität sicherstellen zu können, sollten während des gesamten Schmelzprozesses in der Glasschmelzwanne konstante Temperatur- und Strömungsverhältnisse herrschen, so daß das die Glasschmelzwanne verlassende Glas über die Dauer des Schmelzprozesses im wesentlichen eine konstante Vorgeschichte erfährt.
Örtliche und zeitliche Temperaturdifferenzen sind neben der Auswirkung mechanischer Elemente wie beispielsweise Wall und Blasdüsen eine treibende Kraft für Strömungen in einer Glasschmelze. Diese Temperaturdifferenzen bilden in ihrer Gesamtheit die Temperaturverteilung in der Glasschmelzwanne. Die Temperaturverteilung aufrecht zu erhalten ist eine entscheidende Anforderung an ein Schmelzverfahren, welches Glas gleichbleibend hoher Qualität liefern soll. Bei einer durchschnittlichen Temperatur der Schmelze von 1500°C ist beispielsweise eine Genauigkeit von ±0,5 K eine übliche Anforderung an eine Regelung.
Auf die Temperaturverteilung kann durch Heizen und/oder durch Kühlen eingewirkt werden. Kühlen kann beispielsweise durch das Einblasen von Kühlluft in den Ofenraum erfolgen, während beim Heizen mehrere Parameter wie die Zufuhr von Brennstoff, Sauerstoff, Verbrennungsluft und/oder elektrischer Energie zur Verfügung stehen.
Außer durch Heizen und/oder Kühlen wird die Temperaturverteilung jedoch in hohem Maß von äußeren Einflußgrößen geprägt. Diese äußeren Einflußgrößen, im folgenden als Störgrößen bezeichnet, können zwar teilweise beobachtet und auch gemessen werden, stehen jedoch nicht als vorgebbare Parameter zur gezielten Einflußnahme auf die Temperaturverteilung beziehungsweise auf als Maß für das Vorliegen einer gewünschten Temperaturverteilung herangezogene Temperaturwerte an charakteristischen Punkten in der Glasschmelzwanne, beispielsweise in der Nähe des Wannenaustritts, zur Verfügung. Beispiele für solche Störgrößen sind die Außentemperatur, die Beschaffenheit des Schmelzgutes, das heißt insbesondere seine Zusammensetzung, der Scherbenanteil und seine Feuchte, der Heizwert beziehungsweise die Qualität der Brennstoffe sowie der Wannendurchsatz.
Des Weiteren ist das Konstanthalten der Temperaturverteilung in einer Glasschmelzwanne deshalb schwierig, weil Auswirkungen des Heizens und/oder Kühlens und Auswirkungen von Störgrößen auf die Temperaturverteilung beziehungsweise Temperaturwerte an charakteristischen Punkten der Glasschmelzwanne erst mit erheblichen Verzögerungen einsetzen. So sind Totzeiten von mehreren Stunden die Regel, wenn beispielsweise eine Schmelze von oben über Brenner beheizt wird, Temperaturmeßwerte aber in der Nähe des Wannenbodens erfaßt werden.
Schwimmen Gemengereste derart auf der Glasbadoberfläche, daß die Einkopplung der Wärme in die Schmelze abgeschirmt wird, wird ein niedrigerer Temperaturmeßwert erfaßt. Der dadurch ausgelöste Stelleingriff durch die Regelung wirkt sich jedoch erst mit der entsprechenden Verzögerung aus. Eine zuverlässige Regelung, welche gefährliche Überschwingungen aufgrund vermeintlicher Regelabweichungen vermeidet, ist daher für einen sicheren Schmelzprozeß unerläßlich.
Um die Temperaturverteilung in einer Glasschmelzwanne konstant zu halten, ist jedoch eine derart anspruchsvolle Regelung erforderlich, die mittels Standard-PID-Reglern nur in Ausnahmefällen gelingt, wenn nämlich keine signifikanten Totzeiten auftreten. Dies kann beispielsweise in Bezug auf die üblicherweise auf Änderungen der Brennerbeaufschlagung im wesentlichen spontan reagierende Gewölbetemperatur der Fall sein, nicht jedoch im Hinblick auf die Temperaturverteilung der Glasschmelze.
Eine Alternative zu Standard-PID-Reglern bietet der sogenannte Smith-Prädiktor. In DE 295 13 251 U1 wird eine Einrichtung zur Regelung eines Prozesses mit einem Smith-Prädiktor beschrieben. Grundlagen dazu finden sich beispielsweise in Jan Lunze: ”Regelungstechnik 1”, Springer-Verlag (1999), Seiten 429 bis 445. Anders als bei Standardreglern verändert beim Smith-Prädiktor eine Störgrößenaufschaltung die Reglerstruktur, was in der Publikation von Axel Gräser ”Erweiterung des Smith-Prädiktors bei Störgrößenaufschaltung”, Automatisierungstechnische Praxis 36 (1994), Seiten 46 bis 52, beschrieben wird.
In der Publikation ”Fuzzy-Regelung stark gestörter, verfahrenstechnischer Prozesse mit großer Meßtotzeit” von M. Sajidman und H.-B. Kuntze, 5. Workshop ”Fuzzy Control” des GMA-UA 1.4.2, S. 118 bis 133 wird ein Fuzzy-Regelungskonzept beschrieben, mit welchem der Totzeit-Problematik begegnet werden soll.
Bei diesem Fuzzy-Regelungskonzept wird heuristisches Prozeßwissen in Verbindung mit einem Smith-Prädiktor in einer Regelkreisstruktur für das Schmelzen von Glas eingebunden. Dabei werden basierend auf einem Modell der Regelstrecke Auswirkungen möglicher Stellgrößen auf das zukünftige Streckenverhalten vorhergesagt, um eine geeignete Regelstrategie beziehungsweise Stellfolge zu berechnen. Um heuristisches Prozeßwissen einbeziehen zu können, wird die Verwendung eines Fuzzy-Reglers vorgeschlagen.
Dabei werden unterschiedliche Phasen des Prozesses durch unterschiedliche Regelstrategien geregelt. Für den Fall stationärer, hauptsächlich durch stochastisches Störverhalten gekennzeichneter Phasen ist eine Kompensation von Störungen angedacht. Nachteilig ist dabei insbesondere, daß beim Anfahren und anderen so genannten transienten Übergangsphasen dagegen keine Kompensation von Störgrößen erfolgt und diese damit auf die Prozeßparameter durchschlagen.
Ferner wird vorgeschlagen, Schätzwerte für das Störverhalten zur Adaption der Reglerparameter und somit als Eingangsvariable der Fuzzy-Komponente zu verwenden, wenn bei einer Störregelung eine Anpassung des Regelverhaltens an die Störcharakteristik des Prozesses erfolgen soll. Andere Prozeßsignale, mit denen beispielsweise eine signifikante Unterscheidung unterschiedlicher Prozeßphasen möglich ist, können als Variable definiert und in die Regelbasis einbezogen werden. Eine strukturelle Erweiterung des Smith-Prädiktors ist unter anderem dann anwendbar, wenn ein realitätsnahes Modell vorliegt, mit dem Regelgrößenänderungen aus Änderungen von solchen Zustandsgrößen vorhergesagt werden können, die als weitere Meßgrößen zur Regelgrößenprädiktion einbezogen werden.
Damit wird eine Adaption des Reglers als solchem durchgeführt. Dies bedeutet jedoch, daß der Regler selbst an das Störverhalten angepaßt wird und damit nur für ein spezifisches Problem optimal eingesetzt werden kann. Mögliche Ursachen für die Störungen werden nicht betrachtet. Regelabweichungen werden durch den Fuzzy-Regler beseitigt, ungeachtet ihrer Herkunft. Entstehen also andere Störungen oder ändern sich die bisher aufgetretenen Störungen, muß der Regler neu adaptiert werden. Dadurch entsteht der Nachteil, den Regler selbst bei sich ändernder Aufgabenstellung ständig entsprechend anpassen zu müssen. Eine flexible Anwendung für unterschiedliche Anwendungen ist damit nicht möglich.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Regelungskonzept zur Verfügung zu stellen, welches generell eine Kompensation von Störgrößen ermöglicht, bevor Regelabweichungen eintreten.
Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Regelungskonzept zu ermöglichen, welches flexibel an beliebige Aufgaben angepaßt werden kann.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Regelungskonzept zur Verfügung zu stellen, welches zeitinvariant ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Stabilität des Glasschmelzprozesses zu erhöhen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, Glasfehler zu vermeiden und die Produktqualität zu erhöhen.
Diese Aufgaben werden auf überraschend einfache Weise bereits mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von jeweils zugeordneten Unteransprüchen.
Die Erfindung stellt damit erstmals eine Vorrichtung zur Regelung zumindest eines Parameters einer mit einer Totzeit T1 behafteten Regelstrecke beim Schmelzen und/oder Läutern von Glas insbesondere in einer Schmelz- und/oder Läuterwanne zur Verfügung, mit zumindest einem Kompensator, welcher mit einer Störgröße beaufschlagt werden kann, und zumindest einem mit dem Kompensator verbindbaren, insbesondere ersten, Smith-Prädiktor, welcher eine erste Darstellungs-Einrichtung, in welcher das Verhalten der Regelstrecke durch eine Ersatz-Regelstrecke in einer Ersatzdarstellungs-Einrichtung mit einer Totzeit T2, welche kleiner oder gleich der Totzeit T1 ist, und durch ein im wesentlichen totzeitfreies Vorhersageglied in einer Vorhersage-Einrichtung dargestellt werden kann, sowie eine mit der ersten Darstellungs-Einrichtung verbindbare zweite Darstellungs-Einrichtung, in welcher die Differenz Tdiff der Totzeiten T1 und T2 dargestellt werden kann und einen mit der ersten und zweiten Darstellungs-Einrichtung verbindbaren ersten Regler umfaßt, welcher insbesondere als zweiter Smith-Prädiktor ausgebildet ist, und eine dritte Darstellungs-Einrichtung, in welcher das totzeitfreie Verhalten der Regelstrecke dargestellt werden kann, sowie eine mit der dritten Darstellungs-Einrichtung verbindbare vierte Darstellungs-Einrichtung, in welcher die Totzeit T2 dargestellt werden kann, und einen mit der dritten und vierten Darstellungs-Einrichtung verbindbaren zweiten Regler aufweist, wobei die Vorrichtung zumindest einen Kopplungspunkt zum Einkoppeln zumindest eines Sollwertes für den zumindest einen zu regelnden Parameter aufweist und mit der Regelstrecke verbindbar ist.
Die Regelstrecke ist dabei die Strecke zwischen Stellgröße und zu regelndem Parameter Y. Die Ersatz-Regelstrecke ist die Strecke zwischen Stellgröße und Hilfsparameter YHilf. Mit der ersten Darstellungs-Einrichtung kann die Systemantwort der Regelstrecke ermittelt werden, und zwar schneller als in der Realität, da die Totzeit T2 der Ersatz-Regelstrecke kürzer ist als die Totzeit T1 der Regelstrecke.
Der Begriff ”verbindbar” bedeutet, daß die betroffenen Komponenten zumindest mittelbar miteinander in Verbindung gebracht werden können. Demnach können zwei Komponenten beispielsweise über jeweils eine Verbindung zu einer dritten Komponente miteinander verbindbar sein. Zwei Komponenten sind insbesondere auch verbindbar über eine Verbindung der einen Komponente zu einem Kopplungspunkt innerhalb der anderen Komponente, welche weitere Komponenten enthält, die über den Kopplungspunkt umfassende Verbindungen miteinander in Kontakt stehen.
Vorteilhafterweise wird im Rahmen der Erfindung nicht ein Regler als solcher adaptiert, sondern es werden Störeinflüsse auf die Reglerausgangsgröße kompensiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit ein Regelungssystem mit zeitinvariantem Verhalten, denn es erfolgt keine Adaption des Reglers. Vielmehr ist die Vorrichtung invariant gegenüber spezifischen Störeinflüssen. Damit kann mit der Erfindung der Vorteil realisiert werden, vorhandene Regler flexibel für unterschiedliche Aufgaben einsetzen zu können.
Der zumindest eine Kompensator bietet die Möglichkeit, eine Anpassung der Stellgröße bereits zu einem Zeitpunkt vorzunehmen zu können, zu dem die Störgröße sich noch nicht auf dem zu regelnden Parameter ausgewirkt hat. Das bedeutet, der störende Einfluß wird durch eine geeignete vorab vorgenommene Regelung kompensiert.
Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung der Kompensation lediglich in einzelnen Phasen des Schmelzprozesses, welche selbst erst detektiert werden müssen, ausgerichtet, sondern baut vielmehr auf der Grundidee der generellen Verwendung von Kompensatoren auf.
In einem Vorbereitungsschritt für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann, wenn der Störgrößenverlauf noch nicht bekannt ist, der Störgrößenverlauf beispielsweise durch Messung der Störgröße in Abhängigkeit von der Zeit für die interessierenden Bedingungen ermittelt werden. Aus einem bekannten – also nicht durch Schätzwerte lediglich angenäherten – Störgrößenverlauf wird ein mathematisches Modell ermittelt, welches die Grundlage der Kompensation bildet.
Das Regelverhalten bleibt jedoch von der konkreten Art der Kompensation unberührt, so daß sich der Vorteil bietet, unabhängig von einem bestimmten Reglertyp die erfindungsgemäße Vorrichtung einsetzen, also zum Beispiel auch in bestehende Regelkreise nachrüsten zu können.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Regelung umgesetzt werden, welche vorteilhafterweise die Stabilität des Glasschmelzprozesses erhöht, indem die Temperaturverteilung innerhalb der Glasschmelzwanne über die Zeit im wesentlichen konstant gehalten werden kann. So können auf einfache Weise Glasfehler vermieden und die Qualität der Schmelze für Weiterverarbeitungsprozesse beziehungsweise die Qualität der aus dem erschmolzenen Glas gefertigten Produkte erhöht werden.
Um der Gefahr zu begegnen, beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf den Verlauf des Hilfsparameters durch einen Reglereingriff derart zu reagieren, daß durch einen solchen Reglereingriff Störungen in das Regelsystem sozusagen eingeschleppt werden, welche sich auf den zu regelnden Parameter Y möglicherweise nicht oder nicht in so starkem Maße ausgewirkt hätten, bietet die Erfindung vorteilhafterweise die Möglichkeit, daß die Vorrichtung des Weiteren eine Gewichtungs-Einrichtung umfasst, welche mit den dritten und vierten Darstellungs-Einrichtungen sowie der ersten Darstellungs-Einrichtung verbindbar und derart ausgebildet ist, daß eine Gewichtung der Darstellung der Regelstrecke durch die erste Darstellungs-Einrichtung mit einem Faktor p und der Darstellung der Regelstrecke durch die dritten und vierten Darstellungs-Einrichtungen mit einem Faktor (1-p) durchführbar ist.
Die Darstellung der Regelstrecke durch die erste Darstellungs-Einrichtung, also durch die Ersatz-Darstellungseinrichtung und die Vorhersage-Einrichtung, liefert eine errechnete Schätzung anhand eines totzeitverkürzten Modells in Verbindung mit der Vorhersage. Die Darstellung der Regelstrecke durch die dritte und vierte Darstellungs-Einrichtung liefert das Ergebnis einer reinen Modellrechnung mit einem totzeitfreien Modell in Verbindung mit der Totzeit T2.
Mit der Gewichtungs-Einrichtung wird vorteilhafterweise eine stufenlose Einstellung zwischen der rein modellbasierten Vorhersage durch die dritte und vierte Darstellungs-Einrichtung und der errechneten Schätzung der ersten Darstellungs-Einrichtung ermöglicht. So kann je nach den momentan herrschenden Bedingungen der Einfluß von Störungen des Hilfsparameters auf die gesamte Regelung kontrolliert werden.
Die Vorrichtung kann ferner zumindest eine erste Erfassungs-Einrichtung zum Erfassen eines Istwertes Yist zumindest des zu regelnden Parameters Y aufweisen, so daß eine Information über den momentanten Wert der interessierenden Größe gewonnen werden kann, welcher dann vorteilhafterweise zur Verarbeitung im Rahmen der Regelung zur Verfügung steht.
Ferner kann die Vorrichtung zumindest eine zweite Erfassungs-Einrichtung zum Erfassen eines Istwertes YHilf_ist zumindest eines Hilfsparameters YHilf aufweisen, so daß eine Information über den momentanten Wert einer Hilfsgröße gewonnen werden kann, welcher dann vorteilhafterweise zur Verarbeitung im Rahmen der Regelung zur Verfügung steht.
Zudem kann die Vorrichtung zumindest ein Stellglied umfassen, mit welchem eine Einkopplung einer Reglerausgangsgröße in die Regelstrecke ermöglicht wird.
Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer vorteilhaften Weiterbildung eine weitere Erfassungs-Einrichtung zum Erfassen einer Information über die Prognosezuverlässigkeit der ersten Darstellungs-Einrichtung umfassen. Die weitere Erfassungs-Einrichtung ist zumindest mit der Gewichtungs-Einrichtung sowie der ersten Erfassungs-Einrichtung zum Erfassen des Istwertes des zu regelnden Parameters verbindbar.
In Anknüpfung an die oben dargestellte Gewichtung zwischen der rein modellbasierten Vorhersage durch die dritte und vierte Darstellungs-Einrichtung und der errechneten Schätzung der ersten Darstellungs-Einrichtung kann der Einfluß von Störungen des Hilfsparameters auf die gesamte Regelung mit Hilfe der Verwendung der von der weiteren Erfassungs-Einrichtung zur Verfügung gestellten Information über die Prognosezuverlässigkeit kontrolliert werden.
Damit stellt die Erfindung ein sehr effizientes Werkzeug zur Verfügung, um in Zeiten geringer Prognosezuverlässigkeit automatisch eine Regelung mehr anhand der modellbasierten Vorhersage durchzuführen, so daß sich Störeinflüsse auf den Hilfsparameter und mögliche andere Fehlerquellen der Vorhersage nicht auf die Prozeßgüte auswirken können. In Zeiten hoher Prognosezuverlässigkeit dagegen wird automatisch eine Regelung mehr anhand der errechneten Schätzung durchgeführt, welche eine deutlich schnellere Reaktion auf Regelabweichungen ermöglicht, da die in die Ersatz-Regelstrecke einfließende Totzeit T2 kürzer ist als die Totzeit der Regelstrecke T1.
Es können unterschiedlichste Informationen über die Prognosezuverlässigkeit herangezogen werden. Beispielsweise können die Meßwerte des zu regelnden Parameters in Abhängigkeit von der Zeit beobachtet und erlaubte Bereiche von Abweichungen vom gewünschten Verlauf definiert werden. Oder es kann ein Kontrollparameter, beispielsweise die Bedeckung der Schmelze mit Gemenge, beobachtet und mit Hilfe einer Bildauswertung ein Wert für den aktuellen Bedeckungsgrad bestimmt werden, wobei ebenfalls erlaubte Wertebereiche für den Bedeckungsgrad definiert werden.
Werden die erlaubten Bereiche verlassen, entspricht die Abweichung von dem erlaubten Bereich der Abnahme der Prognosezuverlässigkeit. Diese Abweichung kann in Form der Gewichtung berücksichtigt werden, so daß im Fall geringer Prognosezuverlässigkeit der Wert p entsprechend vermindert werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet damit vorteilhafterweise die Möglichkeit, die Regelung permanent, insbesondere automatisch optimieren zu können, indem die Qualität der der Regelung zugrundeliegenden Berechnungen quantitativ im Hinblick auf den aktuellen Prozeß kontrolliert werden kann.
Die Vorrichtung kann zudem eine Ermittlungs-Einrichtung aufweisen, welche eine Einrichtung zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs der zumindest einen Stellgröße umfaßt und derart ausgebildet ist, daß eine Ermittlung des zulässigen Bereiches für die Stellgröße in Abhängigkeit des innerhalb eines definierbaren Zeitbereichs erfolgten Stellgrößenverlaufs durchführbar ist.
Damit bietet die Erfindung die Möglichkeit, eine Änderung der Stellgröße, also beispielsweise der insgesamt einzubringenden Energie, über definierbare Grenzwerte hinaus zu verhindern. Die Differenz zwischen größtem und kleinstem Wert der Stellgröße innerhalb eines definierbaren vorangegangenen Zeitbereichs überschreitet dann einen vorgebbaren Wert für den zulässigen Wertebereich der Stellgröße nicht. So können insbesondere Materialschädigungen als Folge zu hohen Energieeintrags beziehungsweise unwirtschaftliche Fahrweisen des Prozesses infolge zu geringen Energieeintrags vermieden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung außerdem Aufteilungs-Einrichtung umfassen, welche derart ausgebildet ist, daß eine definierbare Aufteilung der Stellgröße auf mehrere Stellglieder durchführbar ist. Die Stellgröße kann zum Beispiel die insgesamt zuzuführende Energie sein, welche gemäß der Erfindung auf mehrere Stellglieder, insbesondere Brenner, aufgeteilt werden kann.
So kann vorteilhafterweise je nach Art der Stellgröße beziehungsweise zu regelndem Parameter eine angepaßte Regelung vorgenommen werden. Beispielsweise kann bei einer Regelung der Temperaturverteilung in einer Glasschmelzwanne unter Heranziehen einer charakteristischen Temperatur als Orientierungsgröße eine Verteilung der insgesamt eingebrachten Energie erfolgen, so daß die Temperaturverteilung gezielter und damit schneller geregelt werden kann.
Insbesondere wenn der Istwert des zu regelnden Parameters verrauscht ist oder periodische Anteile enthält, können von der Regelung oszillierende Stellgrößen ermittelt werden, welche je nach Art des Glases und Fahrweise des Schmelzprozesses die Glasqualität negativ beeinflussen können, indem beispielsweise bestimmte Grenzschichten, so genannte AZS-Grenzschichten angegriffen werden.
Die Abkürzung ”AZS” steht für ”Aluminium-Zirkon-Silikat”. In der Nähe der feuerfesten Steine, aus denen die Schmelzwanne gebaut sein kann, kann die Glasschmelze eine hohe AZS-Konzentration aufweisen, die sich aus der Diffusion dieser Bestandteile aus dem Feuerfestmaterial ergibt. Wenn durch heftige Temperaturschwankungen diese AZS-Grenzschichten mobilisiert werden, besteht häufig die Gefahr der Blasenbildung. Um derartiges zu vermeiden, ist ein relativ glatter Stellgrößenverlauf in Abhängigkeit von der Zeit erforderlich.
Um einen möglichst glatten Stellgrößenverlauf in Abhängigkeit von der Zeit zu gewährleisten, sieht die Erfindung vor, daß die Vorrichtung zumindest einen Filter, insbesondere einen Tiefpaßfilter aufweist, welcher insbesondere zur Filterung des Eingangssignals des ersten Reglers und/oder des zweiten Reglers einsetzbar ist. Somit wird die Möglichkeit geschaffen, die im Rahmen der Vorrichtung eingesetzten Regler keinen kurzwelligen Störungen auszusetzen, welche sie aufgrund der großen Totzeiten nicht mehr ausgleichen könnten. Dadurch kann der Stellgrößenverlauf im wesentlichen glatt gehalten werden.
Eine Möglichkeit zur Berücksichtigung von störenden Einflußgrößen wie beispielsweise Außentemperatur, Durchsatz und Scherbenanteil besteht erfindungsgemäß darin, den zumindest einen Kompensator mit einer derartigen Störgröße zu beaufschlagen, um durch den Kompensator den Einfluß der Störgröße zu eliminieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine Beaufschlagungs-Einrichtung aufweisen, welche derart ausgebildet ist, daß die erste Darstellungs-Einrichtung mit zumindest zwei Einflußgrößen beaufschlagt werden kann, von denen zumindest eine Einflußgröße eine Stellgröße ist.
Eine der Einflußgrößen kann beispielsweise die Verbrennungsluftmenge sein, also eine Stellgröße, welche die insgesamt zuzuführende Energie mit bestimmt. Eine weitere Einflußgröße kann die herrschende Außentemperatur sein, die sich zwar auf den zu regelnden Parameter Y auswirkt, aber keine Stellgröße ist. Zumindest diese beiden Einflußgrößen fließen dann in die Darstellung der Regelstrecke und damit in die Regelung ein, wodurch diese vorteilhafterweise wesentlich genauer wird, als wenn Einflüsse wie im genannten Beispiel die Außentemperatur unberücksichtigt blieben. Eine weitere Einflußgröße kann beispielsweise eine Änderung des Durchsatzes oder eine Änderung des Scherbenanteils sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Vorrichtung zudem eine Synchronisations-Einrichtung umfassen, welche derart ausgebildet ist, daß eine im Rahmen des Kompensators zu berücksichtigende Totzeit TK mit der in Summe zu berücksichtigenden Totzeit im Rahmen des Smith-Prädiktors synchronisierbar ist.
Die im Rahmen des Kompensators zu berücksichtigende Totzeit TK ist die im Modell des Kompensators, also dem Modell für die Störstrecke auf Basis des bekannten Störgrößenverlaufs verwendete Totzeit TK. Die in Summe zu berücksichtigende Totzeit im Rahmen des Smith-Prädiktors erfaßt die Totzeiten des Regelstreckenmodells.
Durch diese Weiterbildung stellt die Erfindung eine Möglichkeit zur Verfügung, den Kompensator so auszulegen, daß sich die Auswirkung der jeweiligen Störung und als Antwort auf die vom Kompensator vorgenommene Korrektur einsetzende Änderung des zu regelnden Parameters sich am Ausgang der Regelstrecke gerade aufheben. Dazu ist es erforderlich, daß die Stellgrößenkorrektur so vorgenommen werden kann, daß ihre Auswirkung auf den zu regelnden Parameter synchron mit der Auswirkung der Störung am Ausgang der Regelstrecke eintritt. Dies kann dann auf besonders einfache Weise realisiert werden, wenn die Totzeit der Regelstrecke nicht größer und insbesondere gleich ist wie die Totzeit der Störstrecke, was mit der oben erläuterten Weiterbildung der Erfindung gelingt.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung derartig ausgebildet sein, daß die zumindest eine erste Erfassungs-Einrichtung zum Erfassen eines Istwertes Yist zumindest des zu regelnden Parameters Y, die zumindest eine zweite Erfassungs-Einrichtung zum Erfassen eines Istwertes YHilf_ist zumindest eines Hilfsparameters YHilf, das zumindest eine Stellglied, der zumindest eine Kompensator, der insbesondere erste Smith-Prädiktor, die erste Darstellungs-Einrichtung, die Ersatzdarstellungs-Einrichtung, die Vorhersage-Einrichtung, die zweite Darstellungs-Einrichtung, der erste Regler, die dritte Darstellungs-Einrichtung, die vierte Darstellungs-Einrichtung, der zweite Regler, die Gewichtungs-Einrichtung, die weitere Erfassungs-Einrichtung, die Ermittlungs-Einrichtung, die Aufteilungs-Einrichtung, das zumindest eine Filter, die Beaufschlagungs-Einrichtung und die Synchronisations-Einrichtung über Kopplungspunkte mittelbar oder unmittelbar zumindest paarweise miteinander verbindbar sind.
Damit stellt die Erfindung vorteilhafterweise eine flexible Möglichkeit zur Verfügung, die einzelnen Einrichtungen separat bereit zu stellen und je nach Bedarf und örtlichen Gegebenheiten in geeigneter Weise miteinander derart zu verbinden, daß die Einrichtungen im Wechselspiel miteinander die ihnen jeweils zukommenden Aufgaben erfüllen können.
Insbesondere kann die Vorrichtung darauf abgestimmt sein, daß der zu regelnde Parameter die Temperatur des Glases ist. Die Temperatur des Glases, insbesondere an charakteristischen Stellen in der Schmelzwanne, wird aufgrund umfangreicher Erfahrungen mit dem Schmelzprozeß häufig als Kennzeichen für die Temperaturverteilung und die gewünschte Qualität der Schmelze herangezogen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher auf einfache Weise zur Regelung dieses häufig zur Charakterisierung des Schmelzprozesses herangezogenen Parameters eingesetzt werden. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, andere Parameter anstatt oder zusätzlich zur Temperatur des Glases mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu regeln, wie zum Beispiel eine Viskosität der Schmelze.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Vorrichtung dafür ausgebildet sein, daß der zu regelnde Parameter die Temperatur oder eine Viskosität des Glases an einem Punkt, insbesondere im Boden, im der Gemengeaufgabe abgewandten Abschnitt einer Glasschmelzwanne ist. Die Position des betreffenden Punktes kann je nach Anforderungen flexibel an oder in der Vorrichtung gewählt werden. Diese Weiterbildung bietet den Vorteil, beispielsweise die Temperatur des Glases am Ausgang der Wanne für die Weiterverarbeitung direkt vorgeben zu können. Ebenso können entsprechend dem oben Gesagten weitere Parameter, insbesondere in Abstimmung auf die Anforderungen für die Weiterverarbeitung, vorgegeben werden.
Die Erfindung stellt des Weiteren erstmals ein Verfahren zur Regelung zumindest eines Parameters einer mit einer Totzeit T1 behafteten Regelstrecke beim Schmelzen und/oder Läutern von Glas, zur Verfügung mit den Schritten

a Vorgeben eines Sollwertes Ysoll für den zu regelnden Parameter Y
b Erfassen eines Istwertes Yist des zu regelnden Parameters Y,
c Erfassen eines Istwertes YHilf_ist zumindest eines Hilfsparameters YHilf,
d Kompensieren zumindest einer Störgröße X,
e Darstellen des Verhaltens der Regelstrecke mit einer Totzeit T1 durch eine Ersatz-Regelstrecke mit einer Totzeit T2 <= T1 und ein im wesentlichen totzeitfreies Vorhersageglied V
f Ermitteln der Systemantwort Maus der Regelstrecke aus Schritt e,
g Rückkoppeln der Systemantwort Maus zur Verknüpfung mit zumindest dem Sollwert Y,
h Ermitteln der Differenz Tdiff der Totzeiten T1 und T2,
i Rückkoppeln der Differenz Tdiff zur Verknüpfung mit zumindest dem Sollwert Y,
j Darstellen des totzeitfreien Verhaltens der Regelstrecke,
k Ermitteln der Antwort Mrs aus des totzeitfreien Verhaltens der Regelstrecke S aus einer Stellgröße Raus,
l Rückkoppeln der Antwort Mrs aus zur Verknüpfung mit zumindest dem Sollwert Y,
m Darstellen der Totzeit T2 der Ersatz-Regelstrecke,
n Rückkoppeln der Totzeit T2 mit zumindest dem Sollwert Y,
o Ermitteln der Reglereingangsgröße Rein aus den rückgekoppelten und mit dem Sollwert Y verknüpften Werten aus den Schritten g, i, l, n,
p Bereitstellen einer Stellgröße Raus aus der Reglereingangsgröße Rein durch einen Regler,
q Einkoppeln der Stellgröße Raus in die Schritte e und k,
r Einkoppeln der Stellgröße Raus in die Regelstrecke S,
s Fortsetzen des Verfahrens bei Schritt b.

Die Regelstrecke ist, anhand der einzelnen Größen ausgedrückt, die Strecke zwischen der Stellgröße Raus zu dem zu regelndem Parameter Y. Die Ersatz-Regelstrecke ist die Strecke zwischen der Stellgröße Raus zu dem Hilfsparameter YHilf.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Reihenfolge der Schritte b bis s nicht zwingend. Insbesondere versteht es sich vor dem Hintergrund der zu Grunde liegenden Struktur mit mehreren Rückkoppelungen, daß die einzelnen, aufeinander folgenden Schritte vorteilhafterweise flexibel beispielsweise an die herangezogene Art der Darstellungen und/oder der Art der Kopplung der Einrichtungen der für die Durchführung des Verfahrens gewählten Vorrichtung angepaßt werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhafterweise eine Kompensation von Störgrößen ermöglicht, bevor Regelabweichungen eintreten. Zudem kann das Verfahren flexibel an beliebige Aufgaben angepaßt werden. Das Verfahren ermöglicht des Weiteren eine Regelung eines Glasschmelzprozesses, mit welcher die Stabilität des Glasschmelzprozesses erhöht werden kann. So können Glasfehler vermieden und die Produktqualität erhöht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann des Weiteren vorteilhafterweise einen Schritt des Gewichtens der Systemantwort Maus mit einem Faktor p und der Systemantwort MTrs_aus mit einem Faktor (1-p) umfassen.
Als Ergebnis der Gewichtung erhält man eine gewichtete Verknüpfung der Systemantwort Maus und der Antwort MTrs_aus. Dieses Ergebnis kann dann in das Verfahren rückgekoppelt und insbesondere mit dem zumindest einen Sollwert verknüpft werden.
Mit Hilfe des Schrittes der Gewichtung wird vorteilhafterweise die Möglichkeit geschaffen, eine insbesondere stufenlose Einstellung zwischen der rein modellbasierten Vorhersage und der errechneten Schätzung vornehmen zu können. So kann je nach den momentan herrschenden Bedingungen der Einfluß von Störungen des Hilfsparameters auf die gesamte Regelung kontrolliert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Verfahren außerdem einen Schritt des Erfassens einer Information über die Prognosezuverlässigkeit der Systemantwort Maus aufweisen.
Anhand der Information über die Prognosezuverlässigkeit der Systemantwort Maus kann auf einfache Weise in Zeiten geringer Prognosezuverlässigkeit automatisch eine Regelung mehr anhand der modellbasierten Vorhersage durchgeführt werden. Der Einfluß von Störeinflüssen auf den Hilfsparameter und mögliche andere Fehlerquellen der Vorhersage auf die Güte des Prozesses kann somit minimiert werden. In Zeiten hoher Prognosezuverlässigkeit dagegen wird automatisch eine Regelung mehr anhand der errechneten Schätzung durchgeführt, welche eine deutlich schnellere Reaktion auf Regelabweichungen durchführt, da die in die Ersatz-Regelstrecke einfließende Totzeit T2 kürzer ist als die Totzeit der Regelstrecke T1.
Es können, wie oben dargelegt, unterschiedlichste Informationen über die Prognosezuverlässigkeit herangezogen und durch Vorgeben erlaubter Bereiche in das Verfahren einbezogen werden. Werden die erlaubten Bereiche verlassen, entspricht die Abweichung von dem erlaubten Bereich der Abnahme der Prognosezuverlässigkeit.
Diese Abweichung kann in Form der Gewichtung berücksichtigt werden, so daß im Fall geringer Prognosezuverlässigkeit der Wert p entsprechend vermindert werden kann. Insbesondere sieht die Erfindung daher vor, daß der Faktor p in Abhängigkeit von der Prognosezuverlässigkeit festgelegt werden kann.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren des Weiteren einen Schritt des Erfassens des zeitlichen Verlaufs der zumindest einen Stellgröße, insbesondere in einem definierbaren, dem jeweils aktuellen Zeitpunkt vorangegangenem Zeitraum, aufweisen. Damit wird vorteilhafterweise die Möglichkeit geschaffen, die Dynamik des Regelungsprozesses selbst kontrollieren zu können.
Ferner sieht die Erfindung vor, daß ein Schritt des Ermittelns des zulässigen Bereiches für die Stellgröße in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der zumindest einen Stellgröße durchgeführt werden kann.
Die Stellbereichsgrenzen, welche den zulässigen Bereich der Stellgröße definieren, können somit vorteilhafterweise dynamisch an den Verlauf der Stellgröße über einen bestimmbaren, vorangegangenen Zeitraum adaptiert werden. Beispielsweise kann die Stellgröße die insgesamt einzubringende Energie sein. Durch einen Abfall der Außentemperatur kann ein erhöhter Energiebedarf entstehen, dann muß insbesondere die obere Stellbereichsgrenze einen ausreichend hohen Wert haben. In Zeiten geringeren Energiebedarfs jedoch muß insbesondere die obere Stellbereichsgrenze gesenkt werden, um ein Erwärmen auf zu hohe Temperaturen von vornherein ausschließen zu können. Dies wird mit der automatischen Ermittlung der jeweils einzustellenden Stellbereichsgrenzen auf einfache Weise realisiert.
Insbesondere stellt die Erfindung vorteilhafterweise die Möglichkeit zur Verfügung, daß das Verfahren einen Schritt des Aufteilens der Stellgröße auf mehrere Stellglieder umfaßt. Die Stellgröße kann dabei insbesondere in definierbarer Weise aufgeteilt werden. Dazu kann beispielsweise ein fester Anteil für jedes Stellglied vorgegeben werden, welcher für alle Stellglieder gleich sein oder zwischen den Stellgliedern variieren kann.
Es kann jedoch auch in Abhängigkeit beispielsweise der Regelabweichung an den Orten einzelner Stellglieder eine dynamische, automatisch der jeweiligen Situation anpaßbare Aufteilung erfolgen. In diesem Fall sind entsprechende Erfassungs-Einrichtungen für Istwerte der zu regelnden Parameter und Kopplungspunkte zur Verknüpfung mit jeweils zugehörigen Sollwerten vorgesehen.
Mit Hilfe des Ermittelns des zulässigen Bereiches für die Stellgröße in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der zumindest einen Stellgröße können somit vorteilhafterweise insbesondere Materialschädigungen als Folge zu hohen Energieeintrags beziehungsweise unwirtschaftliche Fahrweisen des Prozesses infolge zu geringen Energieeintrags vermieden werden.
Das Verfahren kann des Weiteren einen Schritt des Filterns, insbesondere des Tiefpaßfilterns des Eingangssignals des ersten Reglers und/oder des zweiten Reglers aufweisen, um einen möglichst glatten Stellgrößenverlauf in Abhängigkeit von der Zeit zu gewährleisten. Somit wird die Möglichkeit geschaffen, die im Rahmen der Vorrichtung eingesetzten Regler keinen kurzwelligen Störungen auszusetzen, welche sie aufgrund der großen Totzeiten nicht mehr ausgleichen könnten.
Zudem sieht die Erfindung vor, daß das Verfahren einen Schritt des Einkoppelns zumindest zweier Einflußgrößen, von denen zumindest eine Einflußgröße eine Stellgröße Raus ist, in Schritt e umfaßt.
Außer der zumindest einen Stellgröße Raus können sich weitere Einflußgrößen wie beispielsweise die herrschende Außentemperatur, eine Änderung des Durchsatzes oder eine Änderung des Scherbenanteils auf den zu regelnden Parameter Y auswirken. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können derartige weitere Einflußgrößen vorteilhafterweise in die Regelung eingekoppelt werden, wodurch diese wesentlich genauer wird, als wenn solche Einflüsse unberücksichtigt blieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zudem einen Schritt des Synchronisierens der im Rahmen des Kompensators zu berücksichtigenden Totzeit TK mit der in Summe zu berücksichtigenden Totzeit im Rahmen des Smith-Prädiktors P1 umfassen.
So kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dafür gesorgt werden, daß sich die Auswirkung der jeweiligen Störung und als Antwort auf die vom Kompensator vorgenommene Korrektur einsetzende Änderung des zu regelnden Parameters sich am Ausgang der Regelstrecke gerade aufheben. Die Kompensation der Störgrößen kann damit äußerst effizient vorgenommen werden.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas unter Verwendung eines oben beschriebenen Verfahrens zur Regelung zur Verfügung. Ein derartiges Verfahren zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas bietet vorteilhafterweise die Möglichkeit, bei bestehenden Schmelz- und/oder Läuteranlagen die Produktqualität sowie die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens durch effizienteren Einsatz der insgesamt einzubringenden Energie deutlich verbessern zu können.
Zudem stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Verfügung, welches zur Durchführung eines oben beschriebenen Verfahrens zur Regelung ausgebildet ist. Damit umfaßt die Erfindung auch Datenträger, auf denen ein derartiges Computerprogrammprodukt gespeichert ist. Mit Hilfe eines Computerprogrammproduktes wird die Möglichkeit geschaffen, einem mit einer Anlage zur Regelung eines Glasschmelz- und/oder Läuterverfahrens verbundenen Rechner, insbesondere einen PC (personal computer), alle wesentlichen Informationen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache Weise zur Verfügung zu stellen, so daß ein derartiger Rechner in die Lage versetzt wird, eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu veranlassen und/oder zu kontrollieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Dieselben Bauteile sind auf allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung einer Prinzipskizze für eine Regelung mit Einsatz von Kompensatoren,
2 Eine schematische Darstellung einer Regelung mit Einsatz eines Smith-Prädiktors,
3 eine schematische Darstellung einer Regelung mit Einsatz von zwei Smith-Prädiktoren,
4 eine schematische Darstellung einer Regelung mit Einsatz von zwei Smith-Prädiktoren und mit einer Gewichtungsfunktion,
5 eine schematische Darstellung einer Prinzipskizze zur Funktion eines Kompensators,
6 eine schematische Darstellung einer Regelung mit zwei Smith-Prädiktoren und mit einem Kompensator,
7 eine schematische Darstellung der Übertragungsstrecke zwischen einer Störgröße und einem von dieser beeinflußten Parameter,
8 eine schematische Darstellung zum qualitativen Verlauf einer Sprungantwort der in 7 gezeigten Übertragungsstrecke,
9 eine schematische Darstellung eines Diagramms für den Verlauf der Energie mit der Zeit,
10 eine schematische Darstellung eines Flußdiagramms zur Gesamtwirkung der Regelung
11 eine schematische Darstellung eines Flußdiagramms zur Aufteilung der Gesamtenergie.
Die Regelung wurde mit dem grundlegenden Ziel entwickelt, einen Parameter Y so zu regeln, daß er auch bei einer totzeitbehafteten Regelstrecke im wesentlichen konstant gehalten werden kann. Dieser Parameter kann insbesondere ein als Leittemperatur für die Temperaturverteilung der Wanne dienender Temperaturmeßwert sein. Durch Ruhighalten einer solchen Wannen-Leittemperatur Y wird die Stabilität des Schmelzprozesses erhöht und dadurch zur Geringhaltung des Glasfehlerniveaus und zu gleichbleibender Produktqualität beigetragen.
Da sich die thermischen Einflüsse auf die Wanne ständig ändern können, beispielsweise wegen schwankender Außentemperatur, veränderlicher Beschaffenheit des Schmelzguts, Heizwert der Brennstoffe, Wannendurchsatz, ist es günstig, zur Konstanthaltung einer Leittemperatur die zugeführte Energie auch laufend solchen Änderungen anzupassen.
Unter ”Energie” ist hier beispielsweise die der Wanne über mehrere Brenner zugeführte Brennstoffmenge (insbesondere Gas und/oder Öl) zu verstehen. Verbrennungsluft- beziehungsweise Sauerstoffmengen werden üblicherweise proportional zu den Gasmengen eingebracht.
Die Anpassung der Energie durch die Regelung erfolgt im Fall von Störungen X wie der Außentemperaturschwankung, Durchsatzänderung und/oder Änderung des Scherbensatzes bereits dann, wenn die jeweilige ”Störgröße” noch gar keine Wirkung auf die Leittemperatur gezeigt hat. Das heißt, der Störeinfluß wird durch eine geeignete vorab vorgenommene Energieverstellung kompensiert; daher der Begriff ”Kompensator”.
In den übrigen Fällen, das heißt bei Störungen X unspezifischer oder nicht gemessener Ursache, reagiert die Wannenregelung auf bereits eintretende Temperaturänderungen und sorgt durch dynamisches Verstellen der zugeführten Energie für eine effiziente Reduzierung der Regelabweichung.
Die Stellgröße, mit der auf das Temperaturgeschehen gezielt Einfluss genommen wird, ist die über Brenner in die Wanne eingebrachte Gesamtenergie.
Eine erste regelungstechnische Skizzierung der Grundlage des Systems ist in 1 dargestellt. In einer Wanne 100 wird zu heizendes Gut mit Energie beaufschlagt. Dieser Vorgang wird durch einen Regler 30 geregelt. Ziel ist die Regelung der Wannenleittemperatur Y. Einfluß auf den Wert von Y haben außer der Energiezufuhr Störungen X₁, X₂, X₃. Ihr Einfluß soll durch Kompensatoren 20 eliminiert werden. Die Struktur des Reglers 30 und der Kompensatoren 20 wird im weiteren detailliert dargelegt.
Die zu regelnde Temperatur Y reagiert auf Änderungen der Stellgröße Energie zeitverzögert und mit einer Totzeit, welche beispielsweise 100 Minuten betragen kann. Aus diesem Grund kann man für die Regelung gewöhnliche feedback-Regler nicht mit zufriedenstellenden Ergebnissen einsetzen, denn ein feedback-Regler funktioniert nur dann gut, wenn der Streckenausgang spontan auf Änderungen des Streckeneingangs reagiert. Es besteht daher der Bedarf, auf einen modellbasierten Ansatz zurückzugreifen, bei dem ersatzweise ein Totzeit-freies Streckenmodell spontan die Systemantwort liefert.
Die Regelung eines Totzeit-behafteten Prozesses ist um so empfindlicher gegenüber Modellunsicherheiten, je größer die Streckentotzeit ist. Es wäre daher hilfreich, wenn die Totzeit in irgendeiner Form ”verkürzt” werden könnte.
Es gibt Anzeichen, aus denen bereits vor Ablauf der genannten Streckentotzeit die auf eine Stellwertänderung zu erwartende Reaktion des Parameters Y zuverlässig prognostiziert werden kann. Mit einer solchen Vorhersage lassen sich notwendige Stellgrößenkorrekturen frühzeitig erkennen und einleiten, und somit auftretende Störungen besser ausregeln. Als ein solcher Indikator für den Verlauf des Parameters Y wird ein Hilfsparameter YHilf verwendet; auf die Beziehung zwischen YHilf und Y wird weiter unten eingegangen.
Bei einem Smith-Prädiktor, dessen Struktur in 2 dargelegt ist, wird ein Modell der Regelstrecke 100 verwendet, das aus einer totzeitfreien Komponente 45 und einem reinen Totzeitglied 58 besteht.
Der interne Regler 60 legt den Verlauf der Stellgröße auf der Grundlage der durch das totzeitfreie Modell 45 vorhergesagten Streckenausgangsänderung fest, deshalb der Begriff ”Prädiktor”.
Die erfindungsgemäße Idee des erweiterten Smith-Prädiktors, mit dem Information über den Verlauf von YHilf in die Regelung von Y eingebracht werden sollen, besteht darin, als nicht mehr totzeitfreies, aber immerhin noch totzeitverkürztes ”Modell” für die Regelstrecke
100: Energie => Y
die Strecke
120: Energie => YHilf
zusammen mit der totzeitfreien Komponente eines Übertragungsmodells, also ein Vorhersageglied
45: YHilf => Y
zu verwenden.
In 3 ist eine Skizze der erfindungsgemäßen Regelung mit einem solchen erweiterten Smith-Prädiktor dargestellt.
Im Vergleich mit der Darstellung in 2 erkennt man in der Abbildung in 3, daß der erste Smith-Prädiktor 30 eine erste Darstellungseinrichtung 40, insbesondere mit einem Modell, aufweist, in welcher das Verhalten der Regelstrecke 100 (Energie => Y) durch eine Ersatzregelstrecke 120 in einer Ersatzdarstellungseinrichtung 42 mit einer Totzeit, die kleiner oder gleich der Totzeit der Regelstrecke 100 ist, und ein im wesentlichen Totzeit-freies Vorhersageglied in einer Vorhersageeinrichtung 45 dargestellt werden kann. Die Ersatzregelstrecke 120 ist die Strecke Energie => YHilf. Mit der ersten Darstellungseinrichtung 40 ist eine zweite Darstellungseinrichtung 48 verbunden, in welcher die Differenz der Totzeiten der Regelstrecke 100 und der Ersatzregelstrecke dargestellt werden kann.
Ein erster Regler 60 ist mit der ersten und zweiten Darstellungseinrichtung verbunden. Dieser ist als zweiter Smith-Prädiktor ausgeführt und umfaßt eine dritte Darstellungseinrichtung 62, in welcher das Totzeit-freie Verhalten der Regelstrecke 100 dargestellt werden kann, und eine mit der dritten Darstellungseinrichtung 62 verbundene vierte Darstellungseinrichtung 68, in welcher die Totzeit der Ersatzregelstrecke dargestellt werden kann. Mit der dritten und vierten Darstellungseinrichtung 62 und 68 ist ein zweiter Regler 50 verbunden. In der Abbildung ist ein Kopplungspunkt 200 gezeigt, durch welchen ein Sollwert Ysoll für den zu regelnden Parameter Y eingekoppelt werden kann. Zudem sind weitere Kopplungspunkte erkennbar, an welchen rückgeführte Informationen über einzelne Werte und/oder Ausgangswerte der einzelnen Komponenten der Regelung miteinander verknüpft werden können.
Das zusammengesetzte Modell der ersten Darstellungseinrichtung 40 hat einerseits kürzere Totzeit als die Regelstrecke. Das bedeutet, YHilf reagiert früher auf Energieänderungen als Y. Zum anderen enthält es reale Information aus dem Prozeß beziehungsweise Informationen über Störungen, nämlich den Verlauf von YHilf, die sonst erst nach Ablauf der längeren Totzeit des Parameters Y verfügbar sind. Als Regler für dieses ”Modell” wird wiederum ein Smith-Prädiktor angesetzt, dieser ist der erste Regler 60 in 3. Das heißt, das Gesamtsystem ergibt sich als Ineinanderschachtelung von Smith-Prädiktoren 30 und 60.
In 3 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung der Kompensatoren 20 verzichtet. Der skizzierte Regelungsansatz erfordert eine Vorhersageeinrichtung 45, die aus dem Streckenausgang Y den (zukünftigen) Ausgangswert der Regelstrecke 100 liefert. Die Vorhersageeinrichtung 45 erfüllt damit die Funktion eines Modells für den äußeren Smith-Prädiktor 30.
Für den Zusammenhang zwischen Y und YHilf kann folgende Differentialgleichung angesetzt werden: b_Y(t) + T₁·b *_Y(t) = k·b_YHilf(t – T_T) wobei
b_Y(t) beziehungsweise b_YHilf(t)
für die zeitabhängigen und um zeitlich konstante Offsets bereinigten Werte der Temperaturmessstellen Y beziehungsweise YHilf steht. T₁ ist die Zeitkonstante, T_T die Totzeit des Übertragungssystems.
Als Datengrundlage für die Parameter-Identifikation, das heißt für eine Bestimmung von T₁, T_T und k, so dass sich die bestmögliche Anpassung des Modells an die Wirklichkeit, können Messwerte verwendet werden. Eine sehr gute Anpassung konnte unter Heranziehung von 6900 Datensätzen, 1 Datensatz pro Minute, gewonnen werden, indem für die Parameter-Bestimmung die ersten 4000 Datensätze herangezogen wurden und an Hand der restlichen Daten das Modell getestet wurde.
Die Verbesserung des Regelkreisverhaltens durch die beschriebene Erweiterung des Smith-Prädiktors hängt vom Totzeit-Unterschied zwischen den Stecken Energie => YHilf und Energie => Y ab. Die Totzeitdifferenz kann für verschiedene Wannen unterschiedliche Werte annehmen.
Die erfindungsgemäße Erweiterung des Smith-Prädiktors hat in der Praxis dazu geführt, dass eine Erhöhung oder Verringerung der Energie früher eingeleitet wurde als beim einfachen Smith-Prädiktor.
Ein mögliches Problem kann darin bestehen, daß dadurch, daß der erweiterte Smith-Prädiktor 30 auch auf den Verlauf von YHilf reagiert, wobei durch den Reglereingriff unter Umständen Störungen ”eingeschleppt” werden, die Y sonst gar nicht erleben würde. Dies können lokale Störungen an YHilf sein, denen nicht anzusehen ist, daß sie sich auf Y nicht auswirken werden.
Für die Praxis denke man in diesem Zusammenhang an YHilf-Schwankungen bei instabiler Gemengelage. Würde man in dieser Situation die Energieverstellung konsequent an der aus YHilf errechneten Prognose ausrichten, würde das zu heftigen und unter Umständen genauso unsinnigen Energieeingriffen – im ungünstigen Fall mit der Folge von erhöhten Glasfehlern – führen.
Ein Lösungsansatz, um auch für derartige Situationen gerüstet zu sein, stellt ein zur ersten Darstellungseinrichtung 40 parallelgeschaltetes totzeitverkürztes Modell für die Regelstrecke 100 und die Verwendung des gewichteten Mittelwerts dieser beiden parallelen Übertragungsstrecken als Gesamtmodell für den äußeren Smith-Prädiktor dar.
Diese Funktion ist schematisch in 4 dargestellt. Auf offensichtlich mögliche äquivalente Umformungen des Schemas wurde verzichtet, um den Vergleich mit der Abbildung in 3 zu erleichtern.
Mit den dritten und vierten Darstellungseinrichtungen 62 und 68 sowie der ersten Darstellungseinrichtung 40 ist eine Gewichtungseinrichtung 70 verbunden. Dadurch kann eine Gewichtung der Darstellung der Regelstrecke 100 durch die erste Darstellungseinrichtung 40 mit dem Faktor p und der Darstellung der Regelstrecke 100 durch die dritten und vierten Darstellungseinrichtungen 62 und 68 mit einem Faktor (1-p) durchgeführt werden.
Damit kann dieses Gesamtmodell durch geeignete Festlegung der Gewichtung p in der Gewichtungseinrichtung 70 stufenlos zwischen der rein modellbasierten Vorhersage und der aus YHilf errechneten Schätzung eingestellt werden. In Zeiten geringer Prognosezuverlässigkeit des Elements YHilf wird das Gewicht vollständig auf die rein modellbasierte Vorhersage gelegt und die Wanne quasi mit dem ursprünglichen ”einfachen” Smith-Prädiktor geregelt.
Hinter den Kompensatoren steckt das erfindungsgemäße Konzept, beispielsweise wegen Durchsatz-, Scherben- oder Außentemperaturänderungen erforderliche Korrekturen der Stellgröße (Energie) vorwegzunehmen, und es nicht erst zu einer Regelabweichung kommen zu lassen, auf die sonst viel später (nach Ablauf der Totzeit) der Regler mit der entsprechenden Energieanpassung reagiert.
Kann ein Störeinfluss X (zum Beispiel die Außentemperatur) gemessen und seine Wirkung auf die Regelgröße Y durch eine Störübertragungsfunktion G_Z quantitativ beschrieben, also vorhergesagt werden, ist der in 5 schematisch gezeigte Ansatz für den Kompensator 20 möglich.
Als Störgröße X kann zum Beispiel die Außentemperatur mitgenommen werden. Dieser Schritt ist aus zwei Gründen sinnvoll. Die Außentemperatur beeinflußt die Temperaturen in der Wanne grundsätzlich, weil sie den Wärmeübergang an den Wannenaußenseiten verändert. Im Fall einer regenerativ beheizten Wanne, der Energie in Form fossiler Brennstoffe zusammen mit vorgeheizter Verbrennungsluft zugeführt wird, wird sich außerdem eine durch Außentemperaturschwankungen verursachte Temperaturschwankung der in die Wanne eingebrachten Verbrennungsluft auf die Temperaturen in der Wanne auswirken.
Die erfindungsgemäße Regelung kann aber auch auf mehrere Eingänge für Störgrößen X ausgelegt werden. Bei einer Auslegung auf zwei Eingänge für Störgrößen X wird Y durch additive Überlagerung zweier PT₁T_t-Glieder approximiert. Das bedeutet, es wird unterstellt, dass die Änderung jedes Eingangs unabhängig von dem jeweils anderen zur Änderung der Temperatur beiträgt und sich diese Beiträge zur Gesamtänderung aufaddieren.
Ein weiterer Ansatz besteht darin, Y aus dem Verlauf der Verbrennungsluftverstellung und der Außentemperatur zu prognostizieren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Außentemperatur eine der entscheidenden Ursachen für Bodentemperaturschwankungen darstellt.
Der oder die Kompensatoren 20 werden so gewählt, dass sich bei einer Störung deren Auswirkung auf die Temperatur Y und die Temperaturänderung als Antwort der Regelstrecke 100 auf die vom Kompensator 20 vorgenommene Energieverstellung am Streckenausgang gerade aufheben. Mit Hilfe der jeweiligen Übertragungsfunktionen drückt sich das aus in der Forderung K·S = –G_Z
Dabei ist K die Übertragungsfunktion des Kompensators 20, S die Übertragungsfunktion der Regelstrecke 100 und G_Z die Störübertragungsfunktion. Ob es ein K gibt, das dieser Forderung genügt oder sie wenigstens näherungsweise erfüllt, hängt von der jeweils konkret vorliegenden Situation, das heißt von S und G_Z, ab.
Die Übertragungssysteme können in guter Näherung als PT₁T_T-Glieder beschrieben werden, deren Totzeit größer ist als die Totzeit der Regelstrecke Energie => Y.
Der Kompensator ist bevorzugt so ausgelegt, dass sich die Auswirkung einer Störung X (zum Beispiel einer Außentemperaturänderung) und die als Antwort der Regelstrecke auf die vom Kompensator vorgenommene Verbrennungsluft-Korrektur einsetzende Temperaturänderung am Streckenausgang gerade aufheben.
Die Darstellung in 6 veranschaulicht diese Struktur. Über ein Stellglied 550 wird die Regelstrecke 100 mit der Stellgröße Raus beaufschlagt. In einer Erfassungseinrichtung 10 kann der momentane Wert Yist des Parameters Y gemessen werden. Die Übertragungsfunktion X– aus den beiden Komponenten Kompensator 20 und Regelstrecke 100 stimmt dann bis auf das Vorzeichen mit der Übertragungsfunktion X+ der Störstrecke X => Y(X) überein. Im Additor A1 wird der Ausgang X– des Kompensators 20 mit der Stellgröße Raus, also der Energie, zusammengefaßt mit dem Ergebnis Raus + X–. Im Additor A2 wird dieses Ergebnis mit der Übertragungsfunktion X+ der Störstrecke verrechnet zu Raus + X– + X+ = Raus.
Voraussetzung für diesen Ansatz ist, die Stellgrößenkorrektur so vornehmen zu können, dass ihre Auswirkung auf die Regelgröße synchron mit der Auswirkung der Störung am Streckenausgang eintritt. Dies funktioniert nur dann, wenn die zeitliche Verzögerung (Totzeit) der Regelstrecke 100 nicht größer ist als die der Störstrecke.
Wenn diese ”Totzeiten-Bedingung” verletzt ist, ergibt sich ein zu bedenkender Punkt. Mit einem Kompensator den Einfluss der Störgröße (z. B. Außentemperatur) rechtzeitig auszugleichen ist dann insbesondere deswegen im wesentlichen nicht möglich, da Maßnahmen des Kompensators nicht rechtzeitig zum Tragen kommen. Es entsteht zunächst eine Regelabweichung, auf die der Regler mit einer zusätzlichen Verstellung der Stellgröße (z. B. Verbrennungsluftmenge) reagiert, weil der Regler nichts von der schon durchgeführten Korrektur der Stellgröße des Kompensators ”weiß”.
Ein möglicher Lösungsweg wäre die Einbeziehung der Störgröße in das Regelstreckenmodell innerhalb des Smith-Prädiktors 30, so dass die zeitlich überlagerten Aktivitäten von Regler und Kompensator 20 koordiniert erfolgen können.
Weiter ist es jedoch auch möglich, eine kleine Ungenauigkeit im Prozessmodell hinzunehmen, die es erlaubt, trotz der Totzeit-Situation den Regler und den Kompensator in gewohnter Weise zu formulieren. Die Vorhersage des Temperaturverlaufs Y aus dem Verlauf der Energie, beispielsweise der Verbrennungsluftmenge, und der Außentemperatur mit Hilfe des Modells bleibt etwa gleich gut, wenn die Parameter etwas ”verwackelt” werden.
Insbesondere ändert sich die Vorhersagegüte wenig, wenn gleichzeitig die Streckentotzeit verringert und die entsprechende Zeitkonstante erhöht wird (und umgekehrt). Dies kann ausgenutzt werden, um das Prozessmodell so zu formulieren, dass die Totzeiten des Regelstreckenmodells und des Störstreckenmodells übereinstimmen. Dann ist die oben formulierte Totzeiten-Bedingung wieder erfüllt.
Die Vorrichtung kann dazu eine Synchronisations-Einrichtung 98 umfassen, welche derart ausgebildet ist, daß eine im Rahmen des Kompensators zu berücksichtigende Totzeit TK mit der in Summe zu berücksichtigenden Totzeit im Rahmen des Smith-Prädiktors synchronisierbar ist. Die im Rahmen des Kompensators zu berücksichtigende Totzeit TK ist die im Modell des Kompensators, also dem Modell für die Störstrecke auf Basis des bekannten Störgrößenverlaufs verwendete Totzeit TK. Die in Summe zu berücksichtigende Totzeit im Rahmen des Smith-Prädiktors erfaßt die Totzeiten des Regelstreckenmodells. Damit kann der Kompensator so ausgelegt werden, daß sich die Auswirkung der jeweiligen Störung und als Antwort auf die vom Kompensator vorgenommene Korrektur einsetzende Änderung des zu regelnden Parameters sich am Ausgang der Regelstrecke gerade aufheben.
Es sei betont, dass nicht die Totzeit oder Zeitkonstante des realen Prozesses geändert werden soll. Hier geht es lediglich um eine Modifikation der Beschreibung der Prozessdynamik.
Für die Kompensatoren und die Totzeitregelung kann ein Prozessmodell mit PT₁-Übertragungsverhalten gewählt werden. Ein solches Modell ist in 7 dargestellt.
Die Übertragungsstrecke wird durch die Modellkoeffizienten Totzeit T1, Verstärkung V und Zeitverhalten charakterisiert. Diese Modellkoeffizienten können durch einen Sprungversuch ermittelt werden. Bei dem Sprungversuch ist die Regelstrecke 100 zunächst in einen stationären Zustand zu bringen, das heißt, möglichst alle Eingangsgrößen sind konstant zu halten. Danach wird die zu untersuchende Eingangsgröße mit einem möglichst großen Sprung beaufschlagt, und zwar so, daß der Prozess nicht gefährdet wird. Die zu untersuchende Ausgangsgröße der Übertragungsstrecke wird nach einer gewissen Totzeit auf diesen Sprung mit einer Änderung in Form einer e-Funktion reagieren.
Wenn die Sprungantwort der Übertragungsstrecke ausreichend signifikant ausfällt ist es möglich, aus dem zeitlichen Verlauf der Ausgangsgröße die Koeffizienten der Übertragungsstrecke grafisch zu ermitteln. Falls die Änderung des Ausgangssignals so gering ausfällt, daß kein grafischer Zusammenhang mit dem Eingangssignal hergestellt werden kann, müssen die Koeffizienten gegebenenfalls durch mehrere Sprungversuche kombiniert mit mathematischen Auswertemethoden ermittelt werden.
Der qualitative Verlauf der Sprungantwort ist in 8 dargestellt. Eingezeichnet ist die Funktion y2 = y0 + 0,63·(Y(X) – y0)
Jetzt kann man die Koeffizienten wie folgt ermitteln:
Totzeit T1 = t1 – t0
Verstärkung V = (Y(X) – y0)/(X1 – X0)
Zeitkonstante T = t2 – t1
Bei einer (sprungartigen) Änderung der Kompensator-Eingangsgröße X (Scherbensatz, Durchsatz, und mögliche andere) wird sich die zugehörige Energie-Korrektur in der Regel nicht sprungartig einstellen, sondern mit einer gewissen Dynamik asymptotisch auf einen Endwert hinbewegen.
Um eine Änderung der Energie über bestimmte, als sinnvoll erachtete Grenzen hinweg zu verhindern, werden in der erfindungsgemäßen Regelung Mechanismen eingerichtet, die laufend die Einzelbeiträge des Reglers und der Kompensatoren auf Verletzung der eingestellten Grenzwerte prüfen und erforderlichenfalls die Einzelbeiträge auf die jeweils zulässigen Extremwerte reduzieren und dann entsprechende Alarm-Meldungen ausgeben können.
Die Stellbereichsgrenzen können dabei für den Regler dynamisch an den Energieverlauf über eine gewisse Vergangenheit (beispielsweise einen Zeitraum von 8 bis 24 Stunden) adaptiert werden, um beispielsweise einem durch Abfall des Außentemperatur-Niveaus entstehenden erhöhten Energiebedarf der Wanne Rechnung zu tragen.
Konkret kann die Festlegung der Ober- und Untergrenze des Stellbereichs bevorzugt so erfolgen, dass folgende Forderung erfüllt ist: Die Differenz zwischen größtem und kleinstem Energiewert in jedem beliebigen Zeitintervall der (festen) Länge von n Stunden überschreitet einen vorgegebenen Wert ΔEmax nicht
Diese Forderung kann durch einen einfachen Algorithmus zur dynamischen Stellgrenzenänderung sichergestellt werden. In 9 ist ein zeitliche Verlauf der Energie beispielhaft dargestellt. Es sind zwei Intervalle von jeweils n Stunden eingezeichnet, in denen die Energie unterschiedliche Maximal- und Minimalwerte annimmt. Die Anpassung des jeweils zugelassenen Wertes für ΔEmax an den zeitlichen Verlauf der Energie in der Vergangenheit kann folgendermaßen durchgeführt werden.
Schritt 1:
Für die ersten n Stunden werden die Grenzen konstant gehalten auf den Werten
wobei E₀ = E_Start der Energie-Startwert beim Einschalten des Reglers sei.
Schritt 2:
Nun wird ein Induktionsschritt vollzogen und es werden die Stellbereichsgrenzen neu festgelegt für den Fall, dass das Zeitfenster [t₀, t₁], in dem die obige Forderung erfüllt gewesen sei (Induktionsannahme), um einen Zeitschritt Δt in die Zukunft verschoben wird.
Zunächst wird der größte und kleinste Energiewert im Zeitintervall [t₀ + Δt, t₁] ermittelt:
Nach Wahl des Intervalls und Induktionsannahme ist E_maximal – E_minimal ≤ ΔE_max.
Als neues E₀ (Mitte des zulässigen Stellfensters) wird
gesetzt und damit die neuen Grenzen formal wie im Schritt 1 definiert.
Schritt 3:
Damit liegen dann alle Stellwerte im Zeitraum [t₀ + Δt, t₁] innerhalb der neuen Grenzen:
Für t ∊ [t₀ + Δt, t₁] ist
Schritt 4:
Der nächste Stellschritt zum Zeitpunkt t₁ + Δt wird schließlich so durchgeführt, dass die neuen Grenzen berücksichtigt werden.
Anschaulich legt das beschriebene Verfahren die „Mitte” (E₀) des zulässigen Stellbereichs als arithmetisches Mittel aus größtem und kleinstem Energiewert der vergangenen n Stunden fest, und von da aus symmetrisch die Ober- beziehungsweise Untergrenze wie in Schritt 1 formuliert.
Die vom Messwerterfassungssystem angebotenen Temperaturmesswerte sind im allgemeinen zu einem gewissen Grad verrauscht, oder sie enthalten periodische Anteile (zum Beispiel aus einem Feuerwechsel). Lässt man die Regelung ungehemmt auf solche hochfrequenten Anteile der Regelabweichung reagieren, werden die resultierenden, entsprechend oszillierenden Stellsignale für die Öl-, Gas- und Verbrennungsluft-Mengen als nicht tolerierbar eingeschätzt; es besteht sogar der dringende Verdacht, dass derartige Stelleingriffe die Glasqualität negativ beeinträchtigen (beispielsweise durch Auflösen von AZS-Grenzschichten).
An eine geeignete Wannenregelung wird daher nicht nur die Forderung nach einer bestimmten Regelgüte gestellt, sondern es wird darüber hinaus auch noch eine gewisse Glattheit des Stellgrößenverlaufs erwartet. Um diesen Anspruch zu erfüllen, wird in der erfindungsgemäßen Regelung das Reglereingangssignal, das heißt die Regelabweichung, durch ein Tiefpaßfilter 56 (vergleiche 6) so aufbereitet, daß der Regler keine kurzwelligen Störungen mehr sieht, die er wegen der großen Zeitkonstante bzw. der Totzeit der Regelstrecke ohnehin nicht wirksam ausgleichen kann. Der Tiefpaßfilter 56 kann insbesondere dem zweiten Regler 50 vorgeschaltet werden. Es ist jedoch auch möglich, den Tiefpaßfilter dem Smith-Prädiktor 30 vorzuschalten oder an jeder anderen geeigneten Stelle entsprechende Filter vorzusehen.
Generell bewirkt die Tiefpaßfilterung eine deutliche Verbesserung des Stellsignalverlaufs. Eine Auswirkung auf die Smith-Prädiktor-Struktur hat eine dem ”inneren” Regler 50 vorgeschaltete Filterung nicht; Regelstrecke und Streckenmodell sind bei dieser Betrachtung die gleichen wie im Fall ohne Filterung. Die Filterung kann aufgefaßt werden als Modifikation des Reglers 50, mit der Folge eines geänderten Übertragungsverhaltens des geschlossenen Regelkreises.
Bei der Regelung wurde der Regler 50 mit seiner Übertragungsfunktion R so dimensioniert, daß der aus R und dem totzeitfreien Streckenmodell (M) gebildete Regelkreis PT₁-Struktur mit Verstärkung 1 und (wählbarer) Zeitkonstante T₁ hat. Das bedeutet insbesondere
so daß der geschlossene Regelkreis mit Filterung (Übertragungsfunktion F(s)) die folgende charakteristische Funktion besitzt:
Mit einem PT₁-Filter
wird der geschlossene Regelkreis also zu einem System zweiter Ordnung, das durch geeignete Wahl von T (also der Filterzeitkonstante) und T₁ (also der Zeitkonstante des aus M und R gebildeten Kreises) nach Bedarf eingestellt werden kann.
Des weiteren kann die Regelung derart ausgestaltet werden, daß der Gesamtwert der Stellgröße durch zumindest eine Aufteilungseinrichtung 90 auf mehrere Stellglieder 500 aufgeteilt wird. Die Funktionsweise einer derartigen Aufteilungseinrichtung 90 ist in 10 schematisch dargestellt. Ein Regler rechnet aufgrund der Soll-/Istwertdifferenz Rein der zu regelnden Temperaturgröße Y, eine Stellgröße Raus zur Verstellung beispielsweise der Verbrennungsluftmenge aus und beaufschlagt diesen Wert als Grundmenge über eine prozentuale Verteilung an die an der Regelung beteiligten Stellglieder 550, hier beispielsweise Brenner. Zudem kann eine Aufteilung der Stellgröße als Gesamt-Offset beispielsweise über eine parametrierbare Verteilung erfolgen. Auch diese Aufteilung wird an die an der Regelung beteiligten Stellglieder weitergegeben.
Optional kann die Aufteilungseinrichtung 90 eine, beispielsweise von dem Benutzer anzugebende, Gesamtenergiemenge (Gesamtdurchflußmenge), auf die Grundmenge der angeschlossenen Stellglieder 550, hier der Brenner verteilen. Die Verteilung erfolgt durch die Angabe einer prozentualen Sollverteilung der Gesamtenergiemenge. Eine derartige Funktion der Aufteilungseinrichtung 90 ist in 11 dargestellt. Die Zwischenwerte können durch einen Trigger als Sollwerte übernommen werden. Die Übernahme kann abgelehnt werden, wenn die Summe der Zwischenwerte nicht 100% ist.
Für eine erste Nutzenanalyse der Regelung wurden Schichtsätze aus einem Zeitraum von 150 Tage bei laufender Regelung und bei ausgeschalteter Regelung als Datengrundlage herangezogen. Im Beobachtungszeitraum fanden Artikeländerungen, auch bei laufender Regelung beziehungsweise unmittelbar vor deren Inbetriebnahme statt.
Zur Beurteilung der Wirkung der Regelung auf das Schmelzergebnis wurden der Ausfall durch Blasen und offene Blasen, der Ausfall durch Steine und der Ausfall durch Knoten betrachtet. Bei Benutzung der Regelung konnten die Ausfälle in einem ersten Test um etwa 2% verringert werden, obwohl die Bedingungen mit den Artikeländerungen, insbesondere bei laufender Regelung, sehr anspruchsvoll waren.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung,
20: Kompensator,
30: Smith-Prädiktor,
40: erste Darstellungs-Einrichtung,
42: Ersatzdarstellungs-Einrichtung
45: Vorhersage-Einrichtung
48: zweite Darstellungs-Einrichtung
50: zweiter Regler
56: Filter
60: erster Regler
62: dritte Darstellungs-Einrichtung,
68: vierte Darstellungs-Einrichtung
70: Gewichtungs-Einrichtung
80: Ermittlungs-Einrichtung
90: Aufteilungs-Einrichtung
95: Beaufschlagungs-Einrichtung
98: Synchronisations-Einrichtung
100: Regelstrecke Raus zu Y
120: Ersatz-Regelstrecke Raus zu YHilf
200: Kopplungspunkt
550; 551, 552, 553, 554: Stellglied

Claims

Vorrichtung (1) zur Regelung zumindest eines Parameters (Y) einer mit einer Totzeit (T1) behafteten Regelstrecke (100; Energie => Y) zwischen Stellgröße (Energie) und einem zu regelnden Parameter (Y) beim Schmelzen und/oder Läutern von Glas mit einer darin enthaltenen Strecke (Energie => YHilf), die einen messbaren Parameter YHilf ergibt, der gegenüber Y eine verkürzte Totzeit aufweist und die als Ersatz-Regelstrecke verwendet wird, mit zumindest einem Kompensator (20), welcher mit einer Störgröße (X) beaufschlagt werden kann, und zumindest einem mit dem Kompensator (20) verbundenen ersten Smith-Prädiktor (30), welcher statt einem Modell eine erste Darstellungs-Einrichtung (40) aufweist zur Vorhersage des Verhaltens der Regelstrecke (100; Energie => Y) durch die reale Ersatz-Regelstrecke (42; Energie => YHilf) zwischen Stellgröße (Energie) und einem messbaren Parameter (YHilf) und durch ein im wesentlichen totzeitfreies Vorhersageglied in einer Vorhersage-Einrichtung (45), die aus dem Parameter YHilf eine Vorhersage des zu regelnden Parameters Y bereitstellt, wobei die Ersatz-Regelstrecke (42) eine Totzeit (T2) aufweist, welche kleiner oder gleich der Totzeit (T1) ist, so dass aus der ersten Darstellungs-Einrichtung (40) die Systemantwort der Regelstrecke schneller ermittelt werden kann, sowie eine mit der ersten Darstellungs-Einrichtung (40) verbundene zweite Darstellungs-Einrichtung (48) zur Darstellung der (Tdiff) der Totzeiten (T1) und (T2) und einen mit der ersten Darstellungs-Einrichtung (40) verbundenen ersten Regler (60) umfaßt, welcher als zweiter Smith-Prädiktor ausgebildet ist, und als Modell eine dritte Darstellungs-Einrichtung (62) zur Darstellung des totzeitfreien Verhaltens der Regelstrecke (100) verwendet, sowie eine mit der dritten Darstellungs-Einrichtung (62) verbundene vierte Darstellungs-Einrichtung (68) zur Darstellung der Totzeit (T2), und einen mit der dritten Darstellungs-Einrichtung (62) verbundenen zweiten Regler (50) aufweist, wobei die Vorrichtung (1) zumindest einen Kopplungspunkt (200) zum Einkoppeln zumindest eines Sollwertes (Ysoll) für den zumindest einen zu regelnden Parameter (Y) in den zweiten Regler (50) aufweist und die Stellgröße (Energie) aus dem ersten Regler (60) mit der Regelstrecke (100) und der Ersatzregelstrecke (42) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zur ersten Darstellungseinrichtung (40) parallel geschaltetes totzeitverkürztes Modell, in dem eine Gewichtungs-Einrichtung (70), welche mit der vierten Darstellungs-Einrichtung (68) sowie der zweiten Darstellungs-Einrichtung (45) verbunden und derart ausgebildet ist, daß eine Gewichtung der Darstellung der Regelstrecke (100) durch die erste Darstellungs-Einrichtung (40) und die zweite Darstellungseinrichtung (45) mit einem Faktor p und der Darstellung der Regelstrecke (100) durch die dritten und vierten Darstellungs-Einrichtungen (62) und (68) mit einem Faktor (1-p) durchführbar ist und das Ausgangssignal der Gewichtungs-Einrichtung (70) statt dem Ausgagnssignal der Darstellungseinrichtung (40) in dem ersten Smith-Prädiktor verwendbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zumindest eine erste Erfassungs-Einrichtung (10) zum Erfassen eines Istwertes (Yist) zumindest des zu regelnden Parameters (Y).
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine zweite Erfassungs-Einrichtung (12) zum Erfassen eines Istwertes (YHilf_ist) zumindest eines Hilfsparameters (YHilf).
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Stellglied (550) zwischen dem Ausgang des ersten Reglers (60) und der Regelstrecke, sowie der Ersatzregelstrecke vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine weitere Erfassungs-Einrichtung (15) zum Erfassen einer Information über die Prognosezuverlässigkeit der ersten Darstellungs-Einrichtung (40).
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ermittlungs-Einrichtung (80), welche eine Einrichtung zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs der zumindest einen Stellgröße (Raus) umfaßt und derart ausgebildet ist, daß eine Ermittlung des zulässigen Bereiches für die Stellgröße (Raus) in Abhängigkeit des innerhalb eines definierbaren Zeitbereichs erfolgten Stellgrößenverlaufs durchführbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Aufteilungs-Einrichtung (90), welche derart ausgebildet ist, daß eine definierbare Aufteilung der Stellgröße (Raus) auf mehrere Stellglieder (550; 551, 552, 553, 554) durchführbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen Filter (56), insbesondere einen Tiefpaßfilter, welcher insbesondere zur Filterung des Eingangssignals des ersten Reglers (60) und/oder des zweiten Reglers (50) einsetzbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Beaufschlagungs-Einrichtung (95), welche derart ausgebildet ist, daß die erste Darstellungs-Einrichtung (40) mit zumindest zwei Einflußgrößen beaufschlagt werden kann, von denen zumindest eine Einflußgröße eine Stellgröße (Raus) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Synchronisations-Einrichtung (98), welche derart ausgebildet ist, daß eine im Rahmen des Kompensators (20) zu berücksichtigende Totzeit (TK) mit der in Summe zu berücksichtigenden Totzeit im Rahmen des Smith-Prädiktors (30) synchronisierbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest erste Erfassungs-Einrichtung (10) zum Erfassen eines Istwertes (Yist) zumindest des zu regelnden Parameters (Y), die zumindest zweite Erfassungs-Einrichtung (12) zum Erfassen eines Istwertes (YHilf_ist) zumindest eines Hilfsparameters (YHilf), das zumindest eine Stellglied, der zumindest eine Kompensator (20), der insbesondere erste Smith-Prädiktor (30), die erste Darstellungs-Einrichtung (40), die Ersatzdarstellungs-Einrichtung (42), die Vorhersage-Einrichtung (45), die zweite Darstellungs-Einrichtung (48), der erste Regler (60), die dritte Darstellungs-Einrichtung (62), die vierte Darstellungs-Einrichtung (68), der zweite Regler (50), die Gewichtungs-Einrichtung (70), die weitere Erfassungs-Einrichtung (15), die Ermittlungs-Einrichtung (80), die Aufteilungs-Einrichtung (90), der zumindest eine Filter (56), die Beaufschlagungs-Einrichtung (95) und die Synchronisations-Einrichtung (98) über Kopplungspunkte (200) mittelbar oder unmittelbar zumindest paarweise miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zu regelnde Parameter die Temperatur des Glases ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zu regelnde Parameter die Temperatur des Glases an einem Punkt, insbesondere im Boden, einer Glasschmelzwanne ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Regelung zumindest eines Parameters (Y) einer mit einer Totzeit (T1) behafteten Regelstrecke (100; Energie => Y) zwischen Stellgröße (Energie) und einem zu regelnden Parameter (Y) beim Schmelzen und/oder Läutern von Glas in einer Schmelz- und/oder Läuterwanne.
Verfahren zur Regelung zumindest eines Parameters einer mit einer Totzeit (T1) behafteten Regelstrecke (100) beim Schmelzen und/oder Läutern von Glas mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, mit den Schritten a Vorgeben eines Sollwertes (Ysoll) für den zu regelnden Parameter (Y), b Erfassen eines Istwertes (Mist) des zu regelnden Parameters (Y), c Erfassen eines Istwertes (YHilf_ist) zumindest eines Hilfsparameters (YHilf), d Kompensieren zumindest einer Störgröße (X), e Darstellen des Verhaltens der Regelstrecke (100) mit einer Totzeit (T1) durch eine reale Ersatz-Regelstrecke (42; Energie => YHilf) mit einer Totzeit (T2), welche kleiner oder gleich der Totzeit (T1) ist, und ein im wesentlichen totzeitfreies Vorhersageglied (V), f Ermitteln der Systemantwort (Maus) der Regelstrecke (100) aus Schritt e g Rückkoppeln der Systemantwort (Maus) zur Verknüpfung mit zumindest dem Sollwert (Y), h Ermitteln der Differenz (Tdiff) der Totzeiten (T1) und (T2), i Rückkoppeln der Differenz (Tdiff) zur Verknüpfung mit zumindest dem Sollwert (Y), j Darstellen des totzeitfreien Verhaltens der Regelstrecke (100), k Ermitteln der Antwort (Mrs_aus) des totzeitfreien Verhaltens der Regelstrecke (100) aus einer Stellgröße (Raus), l Rückkoppeln der Antwort (Mrs_aus) zur Verknüpfung mit zumindest dem Sollwert (Y), m Darstellen der Totzeit (T2) der realen Ersatz-Regelstrecke (42; Energie => YHilf), n Rückkoppeln der Totzeit (T2) mit zumindest dem Sollwert (Y), o Ermitteln der Reglereingangsgröße (Rein) aus den rückgekoppelten und mit dem Sollwert (Y) verknüpften Werten aus den Schritten g, i, l, n, p Bereitstellen einer Stellgröße (Raus) aus der Reglereingangsgröße (Rein), q Einkoppeln der Stellgröße (Raus) in die Schritte e und k, r Einkoppeln der Stellgröße (Raus) in die Regelstrecke (100), s Fortsetzen des Verfahrens bei Schritt b.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Schritt des Gewichtens der Darstellung der Regelstrecke (100) durch die reale Ersatz-Regelstrecke (42; Energie => YHilf) und das im Wesentlichen totzeitfreie Vorhersageglied (V) mit einem Faktor p und der Darstellung des totzeitfreien Verhaltens der Regelstrecke (100) und der Totzeit T2 mit einem Faktor (1-p)
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch einen Schritt des Erfassens einer Information über die Prognosezuverlässigkeit der Darstellung der Regelstrecke (100) durch die reale Ersatz-Regelstrecke (42; Energie => YHilf) und das im Wesentlichen totzeitfreie Vorhersageglied (V).
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor p in Abhängigkeit von der Prognosezuverlässigkeit ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, gekennzeichnet durch einen Schritt des Erfassens des zeitlichen Verlaufs der zumindest einen Stellgröße, insbesondere in einem definierbaren, dem jeweils aktuellen Zeitpunkt vorangegangenem Zeitraum.
Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch einen Schritt des Ermittelns des zulässigen Bereiches für die Stellgröße in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der zumindest einen Stellgröße.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, gekennzeichnet durch einen Schritt des Aufteilens der Stellgröße auf mehrere Stellglieder.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, gekennzeichnet durch einen Schritt des Filterns, insbesondere des Tiefpaßfilterns des Eingangssignals des Reglers (50, 60).
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, gekennzeichnet durch einen Schritt des Synchronisierens der im Rahmen des Kompensators (20) zu berücksichtigenden Totzeit (TK) mit der in Summe zu berücksichtigenden Totzeit im Rahmen des Smith-Prädiktors (30).
Verfahren zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 16 bis 24.
Computerprogrammprodukt, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 16 bis 25 ausgebildet ist.