DE3108470C2

DE3108470C2 -

Info

Publication number: DE3108470C2
Application number: DE19813108470
Authority: DE
Inventors: Rene Muraz Ch Rossier
Original assignee: Individual
Current assignee: ROSSIER, RENE, MURAZ, CH
Priority date: 1981-03-06
Filing date: 1981-03-06
Publication date: 1987-11-05
Also published as: DE3108470A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Zufuhr bzw. der Abfuhr von Energie an eine Materiephase gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.The invention relates to a method for controlling the supply or the transfer of energy to a phase of matter according to the preamble of the claim.

Ein solches Verfahren ist durch die DE-OS 15 51 983 bekannt, bei welchem ein fortlaufender Soll-Ist-Vergleich mit entsprechender Stellung von Stellgliedern stattfindet. Im Regelkreis ist ein Rechner zur Berechnung von Steuerbefehlen vorgesehen, der thermische und geometrische Produktmerkmale, Informationen hinsichtlich Temperatur- und Brennstoffdurchsatz in mindestens einigen der Erhitzungszonen des Ofens sowie die Endtemperatur der Produkte am Ofenausgang berücksichtigt. Such a method is described in DE-OS 15 51 983 known at which a continuous target-actual comparison takes place with the corresponding position of actuators. In the control loop is a calculator for calculating Control commands provided, the thermal and geometric Product features, information regarding temperature and fuel flow in at least some of the Heating zones of the furnace and the final temperature of the Products at the furnace exit are taken into account.

Am Rechner erfolgt ein Vergleich zwischen dem tatsächlichen Wärmegewinn eines jeden durch eine bestimmte Zone bewegten Produktes und dem theoretisch erzwungenen Wärmegewinn. Der tatsächliche Produktwärmegewinn in einer Zone wird ebenfalls durch den Rechner - aus der Zonentemperatur und einem Leistungswert - erfaßt, wobei der Leistungswert durch eine im Speicher des Rechners registrierte Funktion mitunter bestimmt ist, die für jede Erhitzungszone und das geometrisch definierte Produkt gegeben ist. Es wird die Berechnung des Wärmegewinns erläutert, die etwa durch das Messen der Brennstofftemperatur in den jeweiligen Erhitzungszonen und unter Berücksichtigung einer noch nicht weiter definierten charakteristischen, zonenspezifischen Funktion R(t) erfolgt. Letztere wird - da erhitzungszonenspezifisch - für jede Erhitzungszone vorab punktweise experimentell aufgenommen und im Speicher des Rechners abgespeichert. Somit wird bei dem bekannten Verfahren aus Brennstoffdurchsatz, Brennstofftemperatur in jeder Erhitzungszone, d. h. während der Verfahrenszeit für ein bestimmtes Gut, aus der erwähnten erhitzungszonen-spezifischen Funktion R(t) am Rechner der tatsächliche Produktewärmegewinn berechnet, mit einem theoretischen Wärmegewinn verglichen und abhängig vom Fehlersignal der Ofen geregelt.A comparison is made on the computer between the actual heat gain of each product moving through a specific zone and the theoretically forced heat gain. The actual product heat gain in a zone is also recorded by the computer - from the zone temperature and a power value, the power value being determined by a function registered in the computer's memory, which is given for each heating zone and the geometrically defined product. The calculation of the heat gain is explained, which is carried out, for example, by measuring the fuel temperature in the respective heating zones and taking into account a characteristic, zone-specific function R (t) which has not yet been further defined. The latter - because it is specific to the heating zone - is experimentally recorded for each heating zone in advance and saved in the computer's memory. Thus, in the known method from fuel throughput, fuel temperature in each heating zone, ie during the process time for a certain good, the actual product heat gain is calculated on the computer from the heating zone-specific function R (t) , compared with a theoretical heat gain and depending on the error signal the furnace regulated.

Dem Rechner sind verschiedene Meßwertgeber zugeordnet, welche die die Erhitzungszonen des Ofens und die Brammen betreffenden Variablen zu dem Rechner übertragen. Die dort folgende Auflistung zeigt dabei, daß die Gastemperaturen in den einzelnen Heizzonen gemessen werden, die Brennstoffdurchsätze, die Oberflächentemperaturen der Brammen u. dgl. Various sensors are assigned to the computer, which are the heating zones of the furnace and the slabs transfer relevant variables to the computer. These The following list shows that the gas temperatures in the individual heating zones are measured, the fuel throughputs, the surface temperatures of the slabs u. the like

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art die Temperatur der Heiz- bzw. Kühlorgane zwischen ihren frei wählbaren Anfangs- und Endtemperaturen in energie- und zeitoptimaler Weise zu steuern. The invention is based on the object in a method of the generic type, the temperature of the heating or cooling elements between their freely selectable start and end temperatures in energy and to control in a time-optimal manner.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung erläutert.The invention is then based on the drawing explained.

Die Figur zeigt die schrittweise Rückwärtsberechnung charakteristischer Steuerdaten bei gleich lang gewählten Zeitinkrementen, im Zeit-Temperatur-Koordinatensystem und die daraus gefundene Temperatur/Zeit- Treppen-Steuerfunktion für einen Ofen. The figure shows the stepwise backward calculation more characteristic Tax data with the same length selected Time increments, in the time-temperature coordinate system and the resulting temperature / time Stair control function for an oven.

Wie bereits erwähnt, geht es bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren grundsätzlich darum, eine Materiephase von einer Anfangstemperatur auf eine Endtemperatur zu bringen, wobei man sie entweder von ihrer Randfläche her mittels Heiz- oder Abkühlorganen beheizt resp. abkühlt oder aber mittels Strahlung, beispielsweise Mikrowellenenergie, aufheizt. Nachfolgend stützt sich die Beschreibung auf die ersterwähnten Verfahren, wobei der Unterschied der beiden genannten vornehmlich darin besteht, daß bei ersterem, entsprechend der Wärmediffusionsgleichung, berücksichtigt werden muß, daß, bis eine homogene Temperaturverteilung innerhalb der Materiephase bei Anlegen eines äußeren Temperaturschrittes erreicht ist, eine gewisse Zeit verstreichen kann, wogegen sich die Homogenitätsbedingungen bei Aufheizung mittels Strahlenenergie üblicherweise wesentlich rascher einstellen.As mentioned earlier, this is what follows described procedures basically a matter phase from a starting temperature to an ending temperature bring, taking them either from their peripheral surface ago heated by means of heating or cooling elements. cools down or by means of radiation, for example Microwave energy, heated up. The is based below Description to the first-mentioned method, the Difference between the two mentioned primarily in it there is that in the former, according to the Thermal diffusion equation, must be taken into account that, until a homogeneous temperature distribution within the matter phase when creating an external temperature step a certain amount of time has elapsed, whereas the homogeneity conditions when heated using radiation energy usually much faster to adjust.

Die Erfindung beruht vorerst auf der Grunderkenntnis, daß es bei der Art und Weise, wie eine Materiephase von einer ersten Temperatur auf eine zweite gebracht wird, einen Weg gibt, der einen minimalen Energiekonsum erfordert und dabei die Temperaturdifferenz in optimal kurzer Zeit durchschreiten läßt. Dies wird beispielsweise dadurch plausibel, daß Abstrahlungsverluste mit der Temperatur, beispielsweise von Heizorganen, verglichen zur Umgebungstemperatur, sehr rasch ansteigen, und daß es deshalb wenig sinnvoll ist, eine Materiephase beispielsweise so aufzuheizen, daß ab Beginn volle Heizleistung vorgesehener Heizorgane aufgeschaltet wird.The invention is initially based on the basic knowledge that that it’s like a matter phase of a first temperature is brought to a second, there is a way that requires minimal energy consumption and the temperature difference in an optimally short time Lets time pass. For example, this will plausible in that radiation losses with the Temperature, for example of heating organs, compared to ambient temperature, rise very quickly, and that it therefore makes little sense to have a matter phase for example, so that it is full from the start Heating power provided heating elements is switched on.

Thermodynamische Berechnungen eines derartigen Optimums führen zum Schluß, daß der erwähnte energie- und zeitoptimierte Weg dann wenigstens näherungsweise eingehalten wird, wenn folgende Kriterien berücksichtigt werden:Thermodynamic calculations of such an optimum lead to the conclusion that the energy and time-optimized path then at least approximately is observed if the following criteria are taken into account will:

I. The one at a time per unit of time from the Matter phase absorbed or released thermal energy is in a first approximation proportional to the temperature difference between matter phase and heating or Cooling organs at this time.
II. This one at a time Temperature difference between the material phase and the heating or Cooling elements, on the other hand, is a first approximation inversely proportional to the previous per unit of time absorbed energy.

Durch wenigstens näherungsweises Einhalten dieser Bedingungen wird der erwähnte optimale Weg gefunden.By adhering to them at least approximately Conditions will be the optimal path mentioned found.

In die Praxis umgesetzt, lassen sich nun diese Erkenntnisse zur Steuerung der Heizorgane für eine Materiephase, wie anhand der Figur dargestellt, verwenden.Put these into practice, they can now Findings on controlling the heating elements for a matter phase, use as shown in the figure.

Zu Beginn des Verfahrens werden die Heizorgane für die Materiephase mit einem Identifikations-Temperaturschritt T _H(0) beaufschlagt. Nach einer Anfangsphase, je nach der Materiephase mehr oder weniger unkontrollierten Einschwingens ihrer Temperatur, beginnt sich die Temperatur T _m (t) der Materiephase zu heben, um dem Temperaturwert der Heizorgane T _H(0) zuzustreben. In einem Zeitpunkt t₀, an welchem das dynamische Verhalten von T _m (t) mehr oder weniger stetig geworden ist, wird die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit v(0) der Materiephase und die dann vorherrschende Übertemperatur Δ T(0) der Heizorgane bezüglich der Materiephase gemessen. Für die Sicherstellung, daß die ganze Phase eine mindestens nahezu homogene Temperatur aufweist, wird dabei beispielsweise mittels eines thermoelektrischen Fühlers im Phaseninneren gemessen.At the beginning of the process, the heating elements for the matter phase are subjected to an identification temperature step T _H (0). After an initial phase, depending on the matter phase of a more or less uncontrolled swinging of its temperature, the temperature T _m (t) of the matter phase begins to rise in order to reach the temperature value of the heating elements T _H (0). At a point in time t ₀ at which the dynamic behavior of T _m (t) has become more or less steady, the temperature rise speed v (0) of the material phase and the then prevailing overtemperature Δ T (0) of the heating elements with respect to the material phase are measured. To ensure that the entire phase has an at least almost homogeneous temperature, measurements are carried out, for example, by means of a thermoelectric sensor in the interior of the phase.

Es ist ersichtlich, daß gemäß (I) die Temperatur- Anstiegsgeschwindigkeit v(t) der Materiephase der von letzterer pro Zeiteinheit absorbierten Energie entspricht. Ebenso entspricht die Übertemperatur Δ T(t) der Heizorgane bezüglich der Materiephase der Temperaturdifferenz zwischen Heizorganen und Materiephase.It can be seen that according to (I) the temperature rise rate v (t) corresponds to the matter phase of the energy absorbed by the latter per unit of time. Likewise, the excess temperature Δ T (t) of the heating elements with respect to the material phase corresponds to the temperature difference between heating elements and the material phase.

Es werde nun gefordert, daß nach einer möglichst kurzen Zeit T _n die Materiephase die Endtemperatur T _m (n) erreicht habe, bei einer dann aufgeschalteten Ofentemperatur von T _H (n) (gemäß einem vorgegebenen Δ T(n)), beispielsweise entsprechend dessen voller Leistung. Der Zeitabstand t _n-t ₀ wird in n kleine, gleiche Zeitabschnitte der Länge Δ t, mit der Numerierung von 1 bis n, aufgeteilt. Im Zeitabschnitt n läßt sich nach (I) schreiben:It is now required that the material phase has reached the final temperature T _m (n) after a time T _n that is as short as possible, with an then switched-on furnace temperature of T _H (n) (in accordance with a predetermined Δ T (n)), for example in accordance with this full performance. The time interval t _n - t ₀ is divided into n small, equal time segments of length Δ t, with the numbering from 1 to n . In period n one can write according to (I):

Aus (II) ergibt sich:From (II) we get:

Die Anstiegsgeschwindigkeit v(n) kann weiter ausgedrückt werden zu:The rate of rise v (n) can be further expressed as:

Damit ergeben sich für die 5 unbekannten Größen v(n), T _H(n-2), Δ T(n-2), T _H(n-1) und Δ T(n-1) lediglich drei Gleichungen. Im Zeitabschnitt n-1 ergeben sich analog:This results in only three equations for the 5 unknown quantities v (n), T _H ( n -2), Δ T (n -2), T _H ( n -1) and Δ T (n -1). Analogously in time period n -1:

Es ergeben sich somit gesamthaft bis und mit Zeitabschnitt n-1 rückwärts betrachtet, sechs Gleichungen für gesamthaft 8 Unbekannte. In analoger Weise lassen sich diese Gleichungen bis hin zum zweiten Schritt, also Schritt Nr. 2, finden. Dort lauten sie:In total up to and including time period n -1, there are six equations for a total of 8 unknowns. These equations can be found in an analogous manner up to the second step, ie step no. 2. There they read:

Gesamthaft liegen somit 3 (n-1) Gleichungen vor für 3 (n-1) Unbekannte mit den im Zeitabschnitt Nr. 0 bekannt vorausgesetzten Größen T _H(0), Δ T(0) in (2, 1) eingesetzt. In total there are 3 ( n -1) equations for 3 ( n -1) unknowns with the variables T _H (0), Δ T (0) known in time segment No. 0 used in (2, 1).

Daraus ist aber ersichtlich, daß ein zeitenergieoptimaler Weg nur mit n2 überhaupt gefunden werden kann, d. h. es müssen mindestens zwei Steuerschritte vorgesehen werden, zusätzlich zum Schritt Nr. 0, in welchem die materialphasencharakteristischen Daten ermittelt werden.From this it can be seen, however, that a time-energy-optimal path can only be found with n 2 at all, ie at least two control steps must be provided, in addition to step no. 0, in which the material-phase-characteristic data are determined.

Wie in der Figur dargestellt, wird somit in der Zeit rückwärtsschreitend das obige Gleichungssystem gelöst und gemäß den gefundenen Werten für T _H die Heizorgane angesteuert. Die Werte für T _H werden dabei in K angegeben.As shown in the figure, the above system of equations is thus solved in backwards time and the heating elements are controlled according to the values found for T _H. The values for T _H are given in K.

Bei sehr kleinen, praktisch infinitesimalen Schrittlängen Δ t wird somit ein quasi kontinuierliches Steuerverfahren geschaffen.With very small, practically infinitesimal step lengths Δ t , a quasi-continuous control process is thus created.

Es ist sofort ersichtlich, daß das beschriebene Verfahren sich ausgezeichnet für eine Rechnersteuerung eignet, wobei damit auch eine praktisch kontinuierliche Temperaturführung der Heiz- oder Kühlorgane ohne weiteres erreichbar ist, je nach betriebenem Rechenaufwand durch entsprechend kleine Wahl von Δ t. It can be seen immediately that the method described is excellently suited for computer control, whereby a practically continuous temperature control of the heating or cooling elements can also be easily achieved, depending on the computing effort involved, by a correspondingly small choice of Δ t.

Claims

Method for controlling the supply or removal of energy to a material phase in order to bring it from a given starting temperature to a given final temperature by means of heating or cooling elements, a time function being determined in advance which depends on the temporal energy absorption or delivery capacity of the material phase depends, and then the heating or cooling elements are influenced taking into account this time function, characterized in that the matter phase is subjected to a predetermined identification temperature step ( T _H (0)) of the heating or cooling elements, the temperature change rate per after a transient process The unit of time ( v (0)) of the material phase is measured as a measure of the energy absorption or output capability, so that at least two control steps ( T _H (1); T _H (2)) are provided so that from the measured temperature change rate ( v (0 )) and from the final temperature of the material phase (T _m (n)) and the selectable final temperature of the heating or cooling element e (T _H (n)) the control steps necessary for the heating or cooling elements during the control are calculated by time-resolving an equation system, which includes the following equations for each control step: where: v (0) is the measured rate of temperature change of the matter phase; v (n) the rate of temperature change in time period (n); Δ T (n) the temperature difference between the material phase and the heating or cooling elements in the time step (n); Δ T (0) the temperature difference between the material phase and the heating or cooling elements when measuring the temperature change rate ( v (0)); T _H (n) the selectable heating or cooling organ temperature in the time step (n); Δ t the length of a time step; ( n -1) the index for the penultimate time step; ( n -2) the index for the third to last time step; and that the temperature of the matter phase ( T _m (0)) is used in the equations for the first control step.