DE102006048421A1

DE102006048421A1 - Verfahren zum Regeln eines Istzuges auf einen Sollzug mittels eines Modells der Zugregelstrecke adaptierten Zugreglers

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Publication number: DE102006048421A1
Application number: DE200610048421
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Felkl; Martin Niemann; Wilfried Dr. Tautz; Heinz Dr. Wilharm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: WO2008043689A1; DE102006048421B4

Abstract

Während ein Walzgut (1) einen durch ein vorderes Förderelement (3) und ein hinteres Förderelement (4) begrenzten Streckenabschnitt (2) mit einer Walzgutgeschwindigkeit (v) durchläuft, ist es mit einem Istzug (Z) beaufschlagt, der auf einen Sollzug (Z*) geregelt werden soll. Der Istzug (Z) und der Sollzug (Z*) werden einem Zugregler (5) zugeführt. Dem Zugregler (5) ist ein Adaptionselement (5') der Zugregelstrecke vorgeordnet, mittels dessen in Abhängigkeit von statischen und dynamischen Daten des Walzguts (1) und der Förderelemente (3, 4) dynamisch eine aktuelle Reglercharakteristik (P, T) für den Zugregler (5) ermittelt wird. Die aktuelle Reglercharakteristik (P, T) wird dem Zugregler (5) vorgegeben, so dass der Zugregler (5) anhand des Istzuges (Z) und des Sollzuges (Z*) in Verbindung mit der aktuellen Reglercharakteristik (P, T) eine Stellgröße (S) für ein den Istzug (Z) beeinflussendes Stellelement ermittelt und die Stellgröße (S) an das Stellelement ausgibt. Das Adaptionselement (5') umfasst einen Vorauswertungsblock (7), mittels dessen Parameter (Po, To, V, ai, bi, Ai, Bi) ermittelt werden, die eine optimale Reglercharakteristik (Po, To) beschreiben oder anhand derer in Verbindung mit einer vorbestimmten Ermittlungsvorschrift die optimale Reglercharakteristik (Po, To) bestimmt ist, bei welcher der Zugregler (5) Regelabweichungen - z. B. eine sprungsartige Änderung des Sollzuges (Z*) - mit definiertem Einschwingverhalten zeitoptimal ausregelt. Das ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Istzuges, mit dem ein Walzgut beaufschlagt ist, auf einen Sollzug, während das Walzgut einen durch ein vorderes Förderelement und ein hinteres Förderelement begrenzten Streckenabschnitt mit einer Walzgutgeschwindigkeit durchläuft, wobei der Istzug und der Sollzug einem Zugregler zugeführt werden, wobei der Zugregler anhand des Istzuges und des Sollzuges in Verbindung mit einer Reglercharakteristik eine Stellgröße für ein den Istzug beeinflussendes Stellelement ermittelt und die Stellgröße an das Stellelement ausgibt.
Derartige Verfahren sind allgemein bekannt. Sie finden insbesondere bei mehrgerüstigen Walzstraßen Anwendung. Das vordere und das hintere Förderelement sind in diesem Fall Walzgerüste.
Das Stellelement ist in der Regel das hintere Walzgerüst. Ausnahmsweise kann das Stellelement jedoch auch das vordere Walzgerüst oder ein eigenständiges Stellelement sein. Als Stellgröße dient in der Regel ein Anstellungskorrekturwert für das Walzgerüst. Alternativ kann die Walzgeschwindigkeit korrigiert werden.
Die Zugregelstrecke ist starken Schwankungen unterworfen. Der Zugregler wird daher im Stand der Technik in der Regel derart eingestellt, dass in allen Betriebszuständen eine stabile Regelung erreicht wird. Dies hat jedoch zur Folge, dass der Zugregler in manchen Betriebszuständen die in diesem Betriebszustand prinzipiell mögliche Regeldynamik bei weitem nicht ausschöpft. Es ist daher auch schon bekannt, dem Zugregler ein Adaptionselement vorzuordnen, mittels dessen in Abhängigkeit von statischen und dynamischen Daten des Walzguts und der Förderelemente dynamisch eine aktuelle Regler guts und der Förderelemente dynamisch eine aktuelle Reglercharakteristik für den Zugregler ermittelt wird, und die aktuelle Reglercharakteristik dem Zugregler vorzugeben. Auch diese Vorgehensweise führt jedoch noch nicht zu optimalen Ergebnissen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Regeln des Istzuges zu schaffen, mittels dessen in allen bzw. zumindest in nahezu allen Betriebszuständen ein optimales bzw. nahezu optimales Regelverhalten erzielbar ist.
Die Aufgabe wird, ausgehend vom zuletzt beschriebenen Stand der Technik, verfahrenstechnisch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst das Adaptionselement einen Vorauswertungsblock, mittels dessen Parameter ermittelt werden, die eine optimale Reglercharakteristik beschreiben oder anhand derer in Verbindung mit einer vorbestimmten Ermittlungsvorschrift die optimale Reglercharakteristik bestimmt ist, bei welcher der Zugregler Regelabweichungen – z. B. eine sprungartige Änderung des Sollzuges – mit definiertem Einschwingverhalten zeitoptimal ausgeregelt. Das Adaptionselement ermittelt die aktuelle Reglercharakteristik in Abhängigkeit von der optimalen Reglercharakteristik.
Das Verfahren zum Regeln des Istzuges ist üblicherweise als Softwareprogramm implementiert. Die Aufgabe wird daher softwaretechnisch durch ein Computerprogramm gelöst, das eine Folge von Maschinenbefehlen umfasst, die bewirkt, dass ein Steuerrechner für einen Streckenabschnitt ein derartiges Verfahren ausführt, wenn es vom Steuerrechner abgearbeitet wird.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die Aufgabe durch einen Datenträger und einen Steuerrechner für einen Streckenabschnitt gelöst, wobei auf dem Datenträger ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist bzw. im Steuerrechner ein vom Steuerrechner abarbeitbares derartiges Computerprogramm gespeichert ist.
Das definierte Einschwingverhalten kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Überschwingen um einen vorbestimmten Prozentsatz der Regelabweichung sein.
Die statischen Daten der Förderelemente können insbesondere Daten umfassen, die für eine Dynamik von Antriebsregelkreisen der Förderelemente und/oder ein Verhältnis von Trägheitsmomenten der Förderelemente und der Antriebe charakteristisch sind. Die Daten des Walzguts können insbesondere die aktuelle Walzgutgeschwindigkeit, eine Querschnittsangabe, eine Härteangabe und/oder Voreilungen, die das Walzgut gegenüber den Förderelementen aufweist, umfassen. Die dynamischen Daten der Förderelemente können Stichabnahmen umfassen, denen das Walzgut in den Förderelementen unterzogen wird. Mit diesen Daten ist der Vorauswertungsblock besonders realitätsnah implementierbar.
Wie bereits erwähnt, ist vorzugsweise mindestens eines der Förderelemente als Walzgerüst ausgebildet. In der Regel beeinflusst weiterhin die Stellgröße einen Walzspalt des als Walzgerüst ausgebildeten Förderelements. Es sind jedoch – wie oben in Verbindung mit dem Stand der Technik erwähnt – auch andere Ausgestaltungen möglich.
Vorzugsweise wird dem Adaptionselement mindestens ein Einflussparameter vorgegeben. Das Adaptionselement ermittelt in diesem Fall die aktuelle Reglercharakteristik anhand des mindestens einen Einflussparameters und der optimalen Reglercharakteristik.
Der mindestens eine Einflussparameter kann vom Ausgangssignal eines Auswertungsblocks abhängen, dem Zustandsdaten des Streckenabschnitts zugeführt werden. In diesem Fall kann der Auswertungsblock sein Ausgangssignal beispielsweise mittels ei nes Fuzzy-Systems, eines neuronalen Netzes, eines Neuro-Fuzzy-Systems, eines Expertensystems oder eines Kennlinienfeldes ermitteln. Alternativ oder zusätzlich zur Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Auswertungsblocks kann der mindestens eine Einflussparameter von einer Anwendereingabe abhängen.
Der mindestens eine Einflussparameter umfasst vorzugsweise eine für die Ersatzzeitkonstante des Zugregelkreises charakteristische Größe und/oder eine für die Dämpfung des Zugregelkreises charakteristische Größe.
Der mindestens eine Einflussparameter kann ein dimensionsbehafteter Einflussparameter sein. Bevorzugt ist er jedoch ein dimensionsloser Einflussparameter. Alternativ oder zusätzlich kann der Einflussparameter derart in die Ermittlung der aktuellen Reglercharakteristik eingehen, dass die aktuelle Reglercharakteristik einen vorbestimmten Bezug zur optimalen Reglercharakteristik aufweist, wenn der mindestens eine Einflussparameter den Wert Eins aufweist.
Der Zugregler ist in der Regel ein Regler mit einem Proportionalanteil und einem Integralanteil. Typische Beispiele derartiger Regler sind PI- und PID-Regler. Insbesondere für PI-Regler sind verschiedene Implementierungen möglich. Typischerweise weist ein PI-Regler einen Knotenpunkt auf, an dem die Differenz von Soll- und Istwert gebildet wird. Dem Knotenpunkt ist eine Parallelschaltung eines Integrators und eines Proportionalgliedes nachgeordnet. Beiden Elementen wird daher die Differenz von Soll- und Istwert zugeführt. Die Stellgröße wird anhand der Summe der Ausgangssignale des Integrators und des Proportionalgliedes ermittelt.
Auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist diese Ausgestaltung möglich. Bevorzugt ist jedoch, dass dem Proportionalglied nur der Istzug zugeführt wird. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass mit ihr nicht nur positive, sondern auch negative Proportionalverstärkungen realisierbar sind. Damit kann in manchen Betriebszuständen bei einem Sollwert sprung ein Unterschwingen des Istzuges deutlich reduziert oder sogar vermieden werden.
Vorzugsweise wird mittels des Adaptionselements zunächst eine vorläufige Reglercharakteristik ermittelt und sodann durch eine von der Walzgutgeschwindigkeit und der Dynamik der Antriebsregelkreise der Förderelemente abhängige Korrektur der vorläufigen Reglercharakteristik die optimale Reglercharakteristik ermittelt. Durch diese Maßnahme ergibt sich ein einfacherer Aufbau des Adaptionselements.
Es ist möglich, dass die Reglercharakteristik mehrere Reglerparameter aufweist. Wenn dies der Fall ist, wird bevorzugt, dass durch die Korrektur alle Regelparameter korrigiert werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass nur ein Teil der Reglerparameter korrigiert wird.
Die Implementierung des Vorauswertungsblocks ist auf verschiedene Weise möglich. Insbesondere kann der Vorauswertungsblock Modelle enthalten, mittels derer die vorläufige Reglercharakteristik und die Korrektur mittels einer Zustandsraumdarstellung oder einer Übertragungsfunktionsdarstellung ermittelt wird.
Zur Modellierung der Zugregelstrecke ist derzeit folgende Ausgestaltung bevorzugt:

– Im Vorauswertungsblock werden anhand eines ersten Modells Parameter einer ersten Übertragungsfunktion und anhand eines zweiten Modells Parameter einer zweiten Übertragungsfunktion der Zugregelstrecke ermittelt.
– Das zweite Modell berücksichtigt zusätzlich zum ersten Modell eine Dynamik von Antriebsregelkreisen der Förderelemente.
– Die Übertragungsfunktionen weisen die Form
auf, wobei V eine Streckenverstärkung, a_i und A_i Koeffizienten eines jeweiligen Zählerpolynoms, b_i und B_i Koeffizienten eines jeweiligen Nennerpolynoms, s der Laplace-Operator und F₁ und F₂ die Laplace-Transformierten der Zugregelstrecke sind.
– Anhand der Parameter der ersten Übertragungsfunktion werden eine vorläufige Proportionalverstärkung des Zugreglers und eine vorläufige Zeitkonstante des Zugreglers ermittelt.
– Anhand der Parameter der zweiten Übertragungsfunktion wird mindestens ein Korrekturwert ermittelt, dessen Verknüpfung mit der vorläufigen Proportionalverstärkung und/oder der vorläufigen Zeitkonstante eine optimale Proportionalverstärkung bzw. eine optimale Zeitkonstante des Zugreglers ergibt.

Der Ermittlungsblock sollte möglichst einfach ausgestaltet sein. Hierzu kann es von Vorteil sein, wenn der mindestens eine Korrekturwert anhand der Quotienten von Koeffizienten gleicher Ordnung des Zähler- und des Nennerpolynoms der zweiten Übertragungsfunktion ermittelt wird.
Es ist möglich, dass das zweite Modell die vorläufige Proportionalverstärkung und/oder die vorläufige Zeitkonstante des Zugreglers nicht berücksichtigt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das zweite Modell als Modell des Zugregelkreises ausgebildet ist, das auch die vorläufige Proportionalverstärkung und die vorläufige Zeitkonstante des Zugreglers berücksichtigt und damit einen geschlossenen Zugregelkreis beschreibt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
1 einen Streckenabschnitt einer Walzstraße,
2 schematisch das Ausregeln einer Änderung des Sollzuges bei optimaler Reglercharakteristik,
3 eine möglich Implementierung eines Zugreglers und eines Adaptionselements,
4 beispielhaft eine mögliche Realisierung einer Zuführung von Einflussparametern zum Adaptionselement,
5 beispielhaft eine mögliche Realisierung eines Zugreglers und
6 eine mögliche Ausgestaltung eines Adaptionselements.
Gemäß 1 durchläuft ein Walzgut 1 (beispielsweise ein Metallband) mit einer Walzgutgeschwindigkeit v einen Streckenabschnitt 2. Der Streckenabschnitt 2 ist durch ein vorderes Förderelement 3 und ein hinteres Förderelement 4 begrenzt. In der Regel sind beide Förderelemente 3, 4 als Walzgerüste ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Eines der Förderelemente 3, 4 könnte alternativ beispielsweise ein S-Rollensatz oder ein Haspel sein.
Während des Durchlaufs des Walzguts 1 durch den Streckenabschnitt 2 ist das Walzgut 1 mit einem Istzug Z beaufschlagt. Der Istzug Z soll auf einen Sollzug Z* geregelt werden. Der Istzug Z und der Sollzug Z* werden einem Zugregler 5 zugeführt. Der Zugregler 5 ermittelt anhand des Istzuges Z und des Sollzuges Z* in Verbindung mit einer aktuellen Reglercharakteristik P, T eine Stellgröße S für ein Stellelement, mittels dessen der Istzug Z beeinflusst werden kann. Die Stellgröße S gibt der Zugregler 5 an das Stellelement aus.
Das Stellelement kann mit einem der Förderelemente 3, 4 identisch sein. Wenn die Förderelemente 3, 4 als Walzgerüste ausgebildet sind, kann die Stellgröße S bevorzugt eine Anstellung des betreffenden Walzgerüsts 3 bzw. 4 sein. Sie beeinflusst somit den Walzspalt des Walzgerüsts 3 bzw. 4.
Alternativ könnte eine Fördergeschwindigkeit korrigiert werden, mit der das betreffende Förderelement 3, 4 das Walzgut 1 fördert. Diese Option ist auch dann realisierbar, wenn das betreffende Förderelement 3, 4 nicht als Walzgerüst ausgebildet ist.
In der Regel entspricht das Stellelement dem hinteren Förderelement 4. Es ist jedoch alternativ möglich, dass das Stellelement dem vorderen Förderelement 3 entspricht oder ein eigenes Stellelement ist, beispielsweise eine an das Walzgut 1 anstellbare Auslenkrolle, mit der das Walzgut 1 zum Nachregeln des Istzuges Z entsprechend ausgelenkt wird.
Die aktuelle Reglercharakteristik P, T, anhand derer der Zugregler 5 die Stellgröße S ermittelt, sollte möglichst optimal sein. Aus diesem Grund ist dem Zugregler 5 ein Adaptionselement 5' vorgeordnet. Dem Adaptionselement 5' werden statische und dynamische Daten des Walzguts 1 und der Förderelemente 3, 4 zugeführt. In Abhängigkeit von den ihm zugeführten Daten ermittelt das Adaptionselement 5' dynamisch die aktuelle Reglercharakteristik P, T. Die ermittelte aktuelle Reglercharakteristik P, T gibt das Adaptionselement 5' dem Zugregler 5 vor.
Erfindungsgemäß umfasst das Adaptionselement 5' einen Vorauswertungsblock 7 und einen Ermittlungsblock 5''. Dem Vorauswertungsblock 7 werden die statischen und die dynamischen Daten des Walzguts 1 und der Förderelemente 3, 4 zugeführt. Er ermittelt anhand der ihm zugeführten Daten Parameter, die eine optimale Reglercharakteristik Po, To beschreiben oder anhand derer in Verbindung mit einer vorbestimmten Ermittlungsvorschrift die optimale Reglercharakteristik Po, To bestimmt ist. Der Vorauswertungsblock 7 gibt die Parameter an den Ermittlungsblock 5'' aus.
Die Parameter können, wie in 1 dargestellt, beispielsweise die optimale Reglercharakteristik Po, To selbst sein. Alternativ kann es sich um Parameter V, a_i, b_i, A_i, B_i handeln, die mindestens eine Übertragungsfunktion F₁, F₂ der Zugregelstrecke beschreiben. Die letztgenannte Vorgehensweise wird später in Verbindung mit 6 näher erläutert werden.
Der Ermittlungsblock 5'' nimmt vom Vorauswertungsblock 7 dessen Ausgabegrößen – z. B. die optimale Reglercharakteristik Po, To – entgegen. Er nimmt weiterhin mindestens einen Einflussparameter kT, kD entgegen. Gemäß 1 nimmt er sogar zwei Einflussparameter kT, kD entgegen. Anhand der ihm zugeführten Größen – gemäß 1 der optimalen Reglercharakteristik Po, To und der Einflussparameter kT, kD – ermittelt der Ermittlungsblock 5'' die aktuelle Reglercharakteristik P, T. Die aktuelle Reglercharakteristik P, T gibt er dem Zugregler 5 vor.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Vorauswertungsblocks 7 wird nachfolgend noch näher beschrieben werden. Unabhängig von der genauen Art der Ausgestaltung sollte die Ermittlung jedoch derart erfolgen, dass der Zugregler 5 Regelabweichungen, z. B. eine sprungartige Änderung des Sollzuges Z*, mit definiertem Einschwingverhalten zeitoptimal ausregelt, wenn ihm die optimale Reglercharakteristik Po, To vorgegeben wird. Das definierte Einschwingverhalten kann beispielsweise – siehe 2 – ein Überschwingen um einen vorbestimmten Prozentsatz der Regelabweichung sein. Auch sollte ein Unterschwingen – in 2 gestrichelt angedeutet – möglichst vermieden werden.
Der Prozentsatz, um den ein Überschwingen auftritt, kann systembedingt sein. Alternativ kann er einstellbar sein. Er sollte in der Regel zwischen 5 und 25 liegen, beispielsweise bei 6, 8 oder 10. Zeitoptimal ist das Ausregeln, wenn ein schnelleres Ausregeln der Änderung des Sollzuges Z* nur erreicht werden kann, wenn ein größeres Überschwingen in Kauf genommen wird, als der vorbestimmte Prozentsatz zulässt. Mit welcher optimalen Reglercharakteristik Po, To das gewünschte Verhalten im Detail erreicht wird, kann beispielsweise mittels eines analytischen Modells bzw. eines Simulationsmodells der Zugregelstrecke oder anhand von Versuchen an der realen Anlage ermittelt werden.
Die dem Vorauswertungsblock 7 zugeführten statischen und dynamischen Daten sind vielfältiger Natur. Beispielsweise kön nen die statischen Daten der Förderelemente 3, 4 Daten umfassen, die für eine Dynamik D von Regelkreisen 8', 9' von Antrieben 8, 9 der Förderelemente 3, 4 (also beispielsweise eine maximal erreichbare Beschleunigung ohne Last, gegebenenfalls als Funktion der Drehzahl des jeweiligen Antriebs 8, 9) charakteristisch sind und/oder ein Verhältnis von Trägheitsmomenten der Förderelemente 3, 4 und der korrespondierenden Antriebe 8, 9 relativ zueinander charakteristisch sind.
Weiterhin können beispielsweise die dynamischen Daten des Walzguts 1 die aktuelle Walzgutgeschwindigkeit v umfassen. Auch können sie eine Querschnittsangabe (z. B. Breite und Dicke des Walzguts 1), eine Härteangabe, ein momentanes Elastizitätsmodul usw. umfassen. Auch können sie Voreilungen umfassen, die das Walzgut 1 gegenüber den Förderelementen 3, 4 aufweist.
Die dynamischen Daten der Förderelemente 3, 4 können – im Falle der Ausbildung als Walzgerüste – beispielsweise Stichabnahmen (Soll- und/oder Istwerte) umfassen, denen das Walzgut 1 im jeweiligen Walzgerüst 3, 4 unterzogen wird.
Der Vorauswertungsblock 7 kann bezüglich der Förderelemente 3, 4 beispielsweise ein Walzspaltmodell nach Pavelski enthalten. Mittels eines derartigen Walzspaltmodells werden die gedrückte Länge, der normierte Fließscheidenwinkel, die Walzkraft, die Materialfederkonstante und die Voreilung berechnet. Anhand dieser Größen erfolgt die Ermittlung der optimalen Reglercharakteristik Po, To.
Der Zugregler 5 und auch das Adaptionselement 5' sind in der Praxis meist softwareimplementiert. Wie in 3 dargestellt, sind der Zugregler 5 und das Adaptionselement 5' daher softwaretechnisch realisierte Programmblöcke, die von einem Steuerrechner 10 für den Streckenabschnitt 2 ausgeführt werden. Zu diesem Zweck wird ein Computerprogramm 11 erstellt. Das Computerprogramm 11 weist Programmcode 11' (also eine Folge von Maschinenbefehlen) auf. Der Programmcode 11' bewirkt, dass der Steuerrechner 10 ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt, wenn er das Computerprogramm 11 abarbeitet. Das Computerprogramm 11 wird typischerweise auf einem Datenträger 12 – beispielsweise einem USB-Stick 12 – in ausschließlich maschinenlesbarer Form gespeichert und dem Steuerrechner 10 zugeführt. Es wird in den Steuerrechner 10 übertragen und dort ebenfalls gespeichert, der Steuerrechner 10 auf diese Weise also programmiert.
Die Einflussparameter kT, kD können dem Ermittlungsblock 5'' bzw. allgemeiner dem Adaptionselement 5' auf verschiedene Weise zugeführt werden. Beispielsweise können sie gemäß 4 von einer Eingabe eines Anwenders A abhängen. Alternativ kann ein Auswertungsblock 13 vorhanden sein, der die Einflussparameter kT, kD selbsttätig bestimmt. Dem Auswertungsblock 13 werden hierzu statische und dynamische Daten des Walzguts 1 und/oder der Förderelemente 3, 4 und/oder Angaben über den Walzzustand (z. B. die Walzgeschwindigkeit v, Einfädelvorgang, Walzen einer Schweißnaht, Nothalt, ...) – bzw. allgemeiner Zustandsdaten des Streckenabschnitts 2 – zugeführt. Auch Mischformen sind möglich. In diesem Fall werden die Eingaben des Anwenders A und das Ausgangssignal des Auswertungsblocks 13 einem Kombinationsblock 14 zugeführt, der seinerseits – beispielsweise durch Multiplikation miteinander korrespondierender Eingaben des Anwenders A einerseits und Ausgangssignale des Auswertungsblocks 13 andererseits – die Einflussparameter kT, kD ermittelt.
Der Auswertungsblock 13 kann, sofern er vorhanden ist, auf verschiedene Weise implementiert sein. Beispielsweise kann er die Einflussparameter kT, kD mittels eines Fuzzy-Systems, eines neuronalen Netzes, eines Neuro-Fuzzy-Systems, eines Expertensystems oder eines Kennlinienfeldes ermitteln.
Die Anzahl (mindestens Eins) und die Art der Einflussparameter kT, kD sind nach Bedarf wählbar. Im Rahmen der derzeit bevorzugten Ausgestaltung werden dem Ermittlungsblock 5'' zwei Einflussparameter kT, kD vorgegeben. Einer der Einflusspara meter kT, kD ist eine Größe kT, die für die Ersatzzeitkonstante des Zugregelkreises charakteristisch ist. Der andere der Einflussparameter kT, kD ist eine Größe kD, die für die Dämpfung des Zugregelkreises charakteristisch ist.
Die Einflussparameter kT, kD sind vorzugsweise dimensionslose Einflussparameter kT, kD. Unabhängig davon, ob die Einflussparameter kT, kD dimensionslos sind oder nicht, können sie normierte Einflussparameter kT, kD sein. Der Begriff „normiert" bedeutet hierbei, dass die vom Ermittlungsblock 5'' ermittelte aktuelle Reglercharakteristik P, T einen vorbestimmten Bezug zur optimalen Reglercharakteristik Po, To aufweist, z. B. mit der optimalen Reglercharakteristik Po, To übereinstimmt, wenn die Einflussparameter kT, kD den Wert Eins aufweisen.
Die aktuelle Reglercharakteristik P, T weist in der Regel mehrere Reglerparameter P, T auf, welche in ihrer Gesamtheit die Reglercharakteristik P, T des Zugreglers 5 bestimmen. Beispielsweise kann der Zugregler 5, wie in 1 durch ein entsprechendes, allgemein übliches Symbol angedeutet ist, als PI-Regler (PI = proportional-integral) ausgebildet sein. Auch eine Ausgestaltung als PID-Regler (PID = proportional-integral-differenzial), als ID-Regler (ID = integral-differential), als sogenannter PT1- oder PT2-Regler oder als Zustandsregler ist denkbar.
Vorzugsweise sollte der Zugregler 5 als Reglerparameter P, T zumindest eine Integrationszeit T eines Integrators 15 des Zugreglers 5 und eine Proportionalverstärkung P eines Proportionalgliedes 16 des Zugreglers 5 umfassen.
Wenn der Zugregler 5 als PI-Regler ausgebildet ist, sollte er vorzugsweise eine Struktur aufweisen, wie sie nachfolgend in Verbindung mit 5 erläutert wird.
Gemäß 5 weist der Zugregler 5 einen Integrator 15 und ein Proportionalglied 16 auf. Wie in 5 dargestellt, wird der Integrator 15 mittels der Integrationszeitkonstante T parametriert, das Proportionalglied 16 mittels der Proportionalverstärkung P.
Einem Knotenpunkt 17 werden der Sollzug Z* und der Istzug Z zugeführt. Im Knotenpunkt 17 wird die Differenz von Sollzug Z* und Istzug Z gebildet. Gegebenenfalls kann der Sollzug Z* zuvor in einem Führungsgrößenfilter 18 gefiltert werden. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Die Differenz von Sollzug Z* und Istzug Z wird dem Integrator 15 zugeführt. Dem Proportionalglied 16 wird hingegen nur der Istzug Z zugeführt.
Sowohl der Integrator 15 als auch das Proportionalglied 16 liefern je ein Ausgangssignal S', S''. In einem Summationspunkt 19 wird die Summe der Ausgangssignale S', S'' gebildet. Anhand der Summe der Ausgangssignale S', S'' wird die Stellgröße S ermittelt. Im einfachsten Fall ist die Stellgröße S mit der Summe der Ausgangssignale S', S'' identisch.
Der Vorauswertungsblock 7 umfasst gemäß 6 vorzugsweise ein erstes Modell 7', nachfolgend Basismodell 7' genannt. Dem Basismodell 7' werden die statischen und dynamischen Daten des Walzguts 1 (insbesondere die Walzgutgeschwindigkeit v) sowie Betriebszustandsdaten des Streckenabschnitts 2 (z. B. Stichplandaten) zugeführt. Das Basismodell 7' ermittelt anhand der ihm zugeführten Daten Parameter V, a_i, b_i einer ersten Übertragungsfunktion F₁ der Zugregelstrecke. Die erste Übertragungsfunktion F₁ weist die Form
auf. s ist in dieser Formel der Laplace-Operator, V eine Streckenverstärkung. a_i und b_i sind die Koeffizienten eines Zähler- bzw. eines Nennerpolynoms der ersten Übertragungsfunktion F₁.
Die Parameter V, a_i, b_i der ersten Übertragungsfunktion F₁ werden dem Ermittlungsblock 5'' zugeführt. Im Ermittlungsblock 5'' werden anhand der vom Basismodell 7' gelieferten Parameter V, a_i, b_i, vorläufige Reglerparameter P', T' – beispielsweise eine vorläufige Proportionalitätsverstärkung P' und/oder eine vorläufige Integrationszeitkonstante T' – ermittelt. Die Parameter V, a_i, b_i der ersten Übertragungsfunktion F₁ beschreiben somit die vorläufige Reglercharakteristik P', T'.
Gemäß 6 umfasst der Vorauswertungsblock 7 weiterhin ein zweites Modell 7'', nachfolgend Zusatzmodell 7'' genannt. Dem Zusatzmodell 7'' werden die gleichen Daten zugeführt wie dem Basismodell 7'. Weiter werden dem Zusatzmodell 7'' Daten zugeführt, die für die Dynamik D der Antriebsregelkreise 8', 9' charakteristisch sind. Das Zusatzmodell 7'' ermittelt anhand der ihm zugeführten Daten Parameter A_i, B_i einer zweiten Übertragungsfunktion F₂ der Zugregelstrecke. Die zweite Übertragungsfunktion F₂ weist die Form
auf. A_i und B_i sind die Koeffizienten eines Zähler- bzw. eines Nennerpolynoms der zweiten Übertragungsfunktion F₂, s ebenso wie bei der ersten Übertragungsfunktion F₁ der Laplace-Operator.
Die erste und die zweite Übertragungsfunktion F₁, F₂ sind folglich beide Laplace-Transformierte der Zugregelstrecke. Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion F₁, F₂ besteht jedoch darin, dass das Zusatzmodell 7'' die Dynamik D der Antriebsregelkreise 8', 9' der Förderelemente 3, 4 berücksichtigt, während eine derartige Berücksichtigung beim Basismodell 7' nicht der Fall ist.
Wie in 6 gestrichelt angedeutet ist, ist es möglich, dass dem Zusatzmodell 7'' zusätzlich zu den bereits erwähnten Daten auch die vorläufige Proportionalverstärkung P' und die vorläufige Integrationszeitkonstante T' zugeführt werden. In diesem Fall kann das Zusatzmodell 7'' im Rahmen der Ermittlung der zweiten Übertragungsfunktion F₂ diese Werte P', T' mit berücksichtigen. In diesem Fall ist die zweite Übertragungsfunktion F₂ die Übertragungsfunktion des Zugregelkreises, wobei der Zugregler 5 mit der vorläufigen Reglercharakteristik P', T' parametriert ist. Es ist jedoch alternativ auch möglich, die zweite Übertragungsfunktion F₂ unabhängig von den konkreten Werten für die vorläufige Proportionalverstärkung P' und die vorläufige Integrationszeitkonstante T' zu ermitteln.
Auch die Parameter A_i, B_i der zweiten Übertragungsfunktion F₂ werden dem Ermittlungsblock 5'' zugeführt. In Abhängigkeit von den ihm zugeführten Parametern A_i, B_i der zweiten Übertragungsfunktion F₂ ermittelt der Ermittlungsblock 5'' mindestens einen Korrekturwert K für mindestens einen der vorläufigen Reglerparameter P', T'. Gemäß 6 wird beispielsweise nur für die vorläufige Proportionalverstärkung P' ein Korrekturwert K ermittelt. Alternativ oder zusätzlich könnte jedoch auch ein Korrekturwert K für einen anderen Reglerparameter, beispielsweise die vorläufige Zeitkonstante T', ermittelt werden oder der Korrekturwert K zur Korrektur mehrerer Reglerparameter P, T herangezogen werden.
Die Ermittlung des (mindestens) einen Korrekturwerts K ist auf verschiedene Weise möglich. Derzeit ist bevorzugt, dass der Ermittlungsblock 5'' den einen Korrekturwert K anhand der Quotienten von Koeffizienten A_i, B_i gleicher Ordnung des Zähler- und des Nennerpolynoms der zweiten Übertragungsfunktion F₂ ermittelt. Der Korrektorwert K kann also geschrieben werden als Funktion von Einflussgrößen C_i, wobei gilt Ci = Ai/Bi (i = 1, 2, 3, ...).
Der Korrekturwert K – bzw. bei mehreren Korrekturwerten die Korrekturwerte K – wird einem Aufschaltungsblock 20 zuge führt, dem auch die vorläufigen Reglerparameter P', T' zugeführt werden. Der Aufschaltungsblock 20 verknüpft die vorläufigen Reglerparameter P', T' und die Korrekturwerte K miteinander. Er ermittelt so die optimalen Reglerparameter Po, To. Die im Aufschaltungsblock 20 vorgenommene Verknüpfung kann beispielsweise additiv oder multiplikativ sein. Unabhängig von der genauen Art der Ermittlung ist anhand der Parameter V, a_i, b_i, A_i, B_i der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion F₁, F₂ in Verbindung mit einer vorbestimmten Ermittlungsvorschrift jedoch die optimale Reglercharakteristik Po, To ermittelbar.
Das Adaptionselement 5' kann die vorläufige Reglercharakteristik P', T' und die Korrektur K mittels einer Zustandsraumdarstellung ermitteln. Alternativ kann das Adaptionselement 5' die vorläufige Reglercharakteristik P', T' und die Korrektur K mittels einer Übertragungsfunktionsdarstellung übermitteln. Im Falle der Ermittlung mittels einer Übertragungsfunktionsdarstellung kann der Vorauswertungsblock 7 beispielsweise wie obenstehend erläutert implementiert sein.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, des entsprechenden Computerprogramms 11, des entsprechenden Datenträgers 12 und des entsprechenden Steuerrechners 10 kann über den gesamten Geschwindigkeitsbereich der Walzgutgeschwindigkeit v ein stabiles und zumindest nahezu optimales Reglerverhalten erzielt werden. Dies gilt auch dann, wenn das Walzgut 1 und seine Eigenschaften (Querschnitt, Elastizität, Härte, ...) sich ändern und/oder wenn die Bearbeitung des Walzguts 1 in den Förderelementen 3, 4 (z. B. die Stichabnahmen) variiert. Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.

Claims

Verfahren zum Regeln eines Istzuges (Z), mit dem ein Walzgut (1) beaufschlagt ist, auf einen Sollzug (Z*), während das Walzgut (1) einen durch ein vorderes Förderelement (3) und ein hinteres Förderelement (4) begrenzten Streckenabschnitt (2) mit einer Walzgutgeschwindigkeit (v) durchläuft, – wobei der Istzug (Z) und der Sollzug (Z*) einem Zugregler (5) zugeführt werden, – wobei dem Zugregler (5) ein Adaptionselement (5') vorgeordnet ist, mittels dessen in Abhängigkeit von statischen und dynamischen Daten des Walzguts (1) und der Förderelemente (3, 4) dynamisch eine aktuelle Reglercharakteristik (P, T) für den Zugregler (5) ermittelt wird, – wobei die aktuelle Reglercharakteristik (P, T) dem Zugregler (5) vorgegeben wird, so dass der Zugregler (5) anhand des Istzuges (Z) und des Sollzuges (Z*) in Verbindung mit der aktuellen Reglercharakteristik (P, T) eine Stellgröße (S) für ein den Istzug (Z) beeinflussendes Stellelement ermittelt und die Stellgröße (S) an das Stellelement ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Adaptionselement (5') einen Vorauswertungsblock (7) umfasst, mittels dessen Parameter (Po, To, V, a₁, b_i, A_i, B_i) ermittelt werden, die eine optimale Reglercharakteristik (Po, To) beschreiben oder anhand derer in Verbindung mit einer vorbestimmten Ermittlungsvorschrift die optimale Reglercharakteristik (Po, To) bestimmt ist, bei welcher der Zugregler (5) Regelabweichungen – z. B. eine sprungartige Änderung des Sollzuges (Z*) – mit definiertem Einschwingverhalten zeitoptimal ausgeregelt, und dass das Adaptionselement (5') die aktuelle Reglercharakteristik (P, T) in Abhängigkeit von der optimalen Reglercharakteristik (Po, To) ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das definierte Einschwingverhalten ein Überschwingen um einen vorbestimmten Prozentsatz der Regelabweichung ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die statischen Daten der Förderelemente (3, 4) Daten umfassen, die für eine Dynamik (D) von Antriebsregelkreisen (8', 9') der Förderelemente (3, 4) und/oder ein Verhältnis von Trägheitsmomenten der Förderelemente (3, 4) und der Antriebe (8, 9) charakteristisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten des Walzguts (1) die aktuelle Walzgutgeschwindigkeit (v), eine Querschnittsangabe und/oder eine Härteangabe und/oder Voreilungen, die das Walzgut (1) gegenüber den Förderelementen (3, 4) aufweist, umfassen.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamischen Daten der Förderelemente (3, 4) Stichabnahmen umfassen, denen das Walzgut (1) in den Förderelementen (3, 4) unterzogen wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Förderelemente (3, 4) als Walzgerüst ausgebildet ist und dass die Stellgröße (S) einen Walzspalt des als Walzgerüst ausgebildeten Förderelements (3, 4) beeinflusst.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Adaptionselement (5') mindestens ein Einflussparameter (kT, kD) vorgegeben wird und dass das Adaptionselement (5') die aktuelle Reglercharakteristik (P, T) anhand des mindestens einen Einflussparameters (kT, kD) und der optimalen Reglercharakteristik (Po, To) ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Einflussparameter (kT, kD) vom Ausgangssignal eines Auswertungsblocks (13) abhängt, dem Zustandsdaten des Streckenabschnitts (2) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswertungsblock (13) sein Ausgangssignal mittels eines Fuzzy-Systems, eines neuronalen Netzes, eines Neuro-Fuzzy-Systems, eines Expertensystems oder eines Kennlinienfeldes ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Einflussparameter (kT, kD) von einer Anwendereingabe abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens ein Einflussparameter (kT, kD) eine für die Ersatzzeitkonstante des Zugregelkreises charakteristische Größe (kT) und/oder eine für die Dämpfung des Zugregelkreises charakteristische Größe (kD) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Einflussparameter (kT, kD) ein dimensionsloser Einflussparameter (kT, kD) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Reglercharakteristik (P, T) einen vorbestimmten Bezug zur optimalen Reglercharakteristik (Po, To) aufweist, wenn der mindestens eine Einflussparameter (kT, kD) den Wert Eins aufweist.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugregler (5) einen Integrator (15) und ein Proportionalglied (16) aufweist, dass dem Integrator (15) die Differenz von Sollzug (Z*) und Istzug (Z) zugeführt wird, dass dem Proportionalglied (16) nur der Istzug (Z), nicht jedoch der Sollzug (Z*) zugeführt wird und dass die Stellgröße (S) anhand der Summe der Ausgangssignale (S', S'') des Integrators (15) und des Proportionalgliedes (16) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Adaptionselements (5') zunächst eine vorläufige Reglercharakteristik (P', T') ermittelt wird und sodann durch eine von der Walzgutgeschwindigkeit (v) und einer Dynamik (D) von Antriebsregelkreisen (8', 9') der Förderelemente (3, 4) abhängige Korrektur (K) der vorläufigen Reglercharakteristik (P', T') die optimale Reglercharakteristik (Po, To) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vorläufige Reglercharakteristik (P', T') mehrere Reglerparameter (P', T') aufweist und dass durch die Korrektur (K) alle Reglerparameter (P', T') korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vorläufige Reglercharakteristik (P', T') mehrere Reglerparameter (P', T') aufweist und dass durch die Korrektur (K) nur ein Teil der Reglerparameter (P', T') korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Adaptionselement (5') Modelle (7', 7'') enthält, mittels derer die vorläufige Reglercharakteristik (P', T') und die Korrektur (K) mittels einer Zustandsraumdarstellung oder einer Übertragungsfunktionsdarstellung ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, – dass im Vorauswertungsblock (7) anhand eines ersten Modells (7') Parameter (V, a_i, b_i) einer ersten Übertragungsfunktion (F₁) und anhand eines zweiten Modells (7'') Parameter (A_i, B_i) einer zweiten Übertragungsfunktion (F₂) der Zugregelstrecke ermittelt werden, – dass das zweite Modell (7'') zusätzlich zum ersten Modell (7') eine Dynamik (D) von Antriebsregelkreisen (8', 9') der Förderelemente (3, 4) berücksichtigt, – dass die Übertragungsfunktionen (F₁, F₂) die Form
aufweist, wobei V eine Streckenverstärkung, a_i und A_i Koeffizienten eines jeweiligen Zählerpolynoms, b_i und B_i Koeffizienten eines jeweiligen Nennerpolynoms, s der Laplace-Operator und F₁ und F2 die Laplace-Transformierten der Zugregelstrecke sind, – dass anhand der Parameter (V, a_i, b_i) der ersten Übertragungsfunktion (F₁) eine vorläufige Proportionalverstärkung (P') des Zugreglers (5) und eine vorläufige Zeitkonstante (T') des Zugreglers (5) ermittelt werden und – dass anhand der Parameter (A_i, B_i) der zweiten Übertragungsfunktion (F₂) mindestens ein Korrekturwert (K) ermittelt wird, dessen Verknüpfung mit der vorläufigen Proportionalverstärkung (P') und/oder der vorläufigen Zeitkonstante (T') eine optimale Proportionalverstärkung (Po) bzw. eine optimale Zeitkonstante (To) des Zugreglers (5) ergibt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Korrekturwert (K) anhand der Quotienten von Koeffizienten (A_i, B_i) gleicher Ordnung des Zäh ler- und des Nennerpolynoms der zweiten Übertragungsfunktion (F₂) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Modell (7'') als Modell des Zugregelkreises ausgebildet ist, das auch die vorläufige Proportionalverstärkung (P') des Zugreglers (5) und die vorläufige Zeitkonstante (T') des Zugreglers (5) berücksichtigt.
Computerprogramm, das eine Folge von Maschinenbefehlen umfasst, die bewirkt, dass ein Steuerrechner (10) für einen Streckenabschnitt (2) ein Verfahren nach einem der obigen Ansprüche ausführt, wenn es von dem Steuerrechner (10) abgearbeitet wird.
Datenträger, auf dem ein Computerprogramm (11) nach Anspruch 22 gespeichert ist.
Steuerrechner für einen Streckenabschnitt (2), wobei in dem Steuerrechner ein Computerprogramm (11) nach Anspruch 22 gespeichert ist, das vom Steuerrechner abarbeitbar ist.