DE3910028A1

DE3910028A1 - Verfahren und vorrichtung zur masseflussregelung eines gefoerderten materials

Info

Publication number: DE3910028A1
Application number: DE19893910028
Authority: DE
Inventors: Paul R Kalata
Original assignee: K Tron International Inc
Current assignee: K Tron International Inc
Priority date: 1988-03-29
Filing date: 1989-03-28
Publication date: 1989-10-19
Also published as: JPH0222703A; JP2726089B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Masseflußregelung eines geförderten Materials. Das Material kann fest oder fluid sein, es kann in einem Schütttrichter oder in einem anderen Behälter enthalten sein, und es kann be liebig gefördert werden, wie durch eine Förderschnecke, ein Förderband oder eine Pumpe.

Es wird das Gewicht des Materials in der Förderstrecke gemessen. Abhängig vom jeweiligen Gewicht wird ein Massefluß be rechnet. Durch Regelung wird ein Elektromotor, der das Fördermittel betreibt, so eingestellt, daß sich ein gewünschter Massefluß ergibt.

Die Gewichtsmessung wird durch Störungen erheblich verfälscht. Störeinflüsse sind insbesondere Änderungen in der Förderge schwindigkeit, Bewegungen des geförderten Gutes und äußere Kräfte, z. B. durch Wind oder durch das Anstoßen an die För derstrecke mit schweren Gegenständen. Ein Gewichtssignal über der Zeit ist in der beigefügten Fig. 8 aufgetragen.

Um auf Grundlage des jeweils gemessenen Gewichtes den Massefluß einregeln zu können, müssen die Gewichtsmeßwerte gefiltert werden. Es besteht ganz allgemein das Problem, ein geeignetes Filterverfahren zu finden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet mit einem Kalman- Filter, um Schätzwerte für das aktuelle Gewicht und den ak tuellen Massefluß zu erhalten. Diese Schätzwerte werden, ge stützt durch Modelle und Klassifizierungen für Anlagen- und Meßstörprozesse, die die Gewichtsmessung beeinflussen, zum Regeln des Masseflusses verwendet. Die Art der Störung wird bestimmt und für jede Art wird ein stochastisches Modell gebildet. Der geschätzte Massefluß wird auf Grundlage des gemessenen Gewichts und desjenigen stochastischen Modells bestimmt, das die Störprozesse für das jeweilige System berücksichtigt. Die Störprozeßmodelle werden entsprechend der Größe ihrer Einflüsse und der Wahrscheinlichkeit ihres Vorhandenseins modifiziert.

Der geschätzte Massefluß wird mit einem Sollmassefluß verglichen, und die Abweichung dient dazu, das Fördermittel so einzu stellen, daß sich der gewünschte Massefluß ergibt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und beim erfindungsge mäßen Verfahren können Parameter in den Störmodellen durch Selbsteinstellung bestimmt werden, was es ermöglicht, das Kal man-Filter an die Regelungsdynamik anzupassen. Dadurch arbeitet das Filter optimal. Die Regelabweichung wird dauernd überwacht und die Dynamik des Regelungssystems wird dauernd so adaptiert, daß sich gutes Ansprechverhalten ohne Überschwingungsneigung ergibt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von durch Figuren veran schaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung, deren Gewicht beim Fördern abnimmt;

Fig. 2 ein Modell des zeitlichen Verhaltens der Regelstrecke bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2;

Fig. 3 ein Modell des zeitlichen Verhaltens der Regelstrecke, eines Kalman-Filters zum Abschätzen des Masseflusses und eines Prozessors zum Bestimmen eines Stellwertes;

Fig. 4A-C ein Flußdiagramm für ein Rechenverfahren zur Gewichtsabschätzung;

Fig. 5 ein Flußdiagramm für ein Rechenverfahren, das von einem Motorregler ausgeführt wird;

Fig. 6A-6F Diagramme von berechneten Größen, jeweils aufgetragen über einer fortlaufenden Anzahl von Rechen schritten;

Fig. 7 eine tabellarische Darstellung der Werte gemäß den Fig. 6D und 6E;

Fig. 8 ein Diagramm betreffend unkorrigierte Gewichtswerte, aufgetragen über fortschreitenden Rechentakten;

Fig. 9 ein Blockdiagramm ähnlich dem von Fig. 1, jedoch mit einem zusätzlichen Kalibrierprozessor;

Fig. 10 ein Flußdiagramm für Rechenschritte, wie sie von einem Gewichtsberechnungsprozessor mit Selbsteinstellung verwendet werden;

Fig. 11 ein Flußdiagramm entsprechend dem von Fig. 5, jedoch mit Selbsteinstellung;

Fig. 12 ein Flußdiagramm betreffend Rechenschritte zum Kali brieren von Regelparametern;

Fig. 13 ein Modell für das Kalibrieren von Störungsparametern; und

Fig. 14 ein Flußdiagramm zu Rechenschritten, mit denen Stö rungsparameter kalibriert werden.

Gemäß Fig. 1 wird in einem Fülltrichter 10 gelagertes Material durch eine Förderschnecke 11 gefördert, die durch einen Förder motor angetrieben wird. Eine Waage 13 mißt das Gesamtgewicht des Trichters 10, der Förderschnecke 11, des Motors 12 und des in der Förderstrecke befindlichen Materials, was zu einem Ge wichtssignal W _m führt. Würde ein Förderband verwendet werden, würde die Waage 13 das Gewicht von mindestens einem Bereich des Förderbandes messen. Das Signal W _m wird einem Gewichtssignal prozessor 14 zugeführt, der auf Grundlage dieses Signales einen Schätzwert W _r für den Massefluß ausgibt. Eine Bedienperson gibt einen Sollmassefluß W _rd über eine Bedienkonsole 16 ein. Der ge schätzte Massefluß W _r wird mit dem Sollmassefluß W _rd in einem Addierer 17 verglichen, was zu einem Regelabweichungssignal W _re führt. Auf Grund dieser Regelabweichung berechnet ein Motorregler 18 einen Stellwert I _M, der an einen Motortreiber 19 ausge geben wird. Der geschätzte Massefluß W _r und der tatsächliche Massefluß werden so auf den Sollmassefluß W _rd hingeführt.

Der Gewichtssensor unterliegt zufälligen und systematischen Meß fehlern. Es handelt sich aber nicht nur um innere elektronische Meßfehler, sondern auch um Fehler, die durch äußere Einflüsse hervorgerufen werden, z. B. durch Trägheitskräfte oder durch äußere elektronische Störungen.

Außer Meßwertstörungen wirken noch Störungen aus der Anlage ein, die den Fülltrichter, die Förderschnecke und den Motor umfassen. Anlagenstörungen sind z. B.: Schwingungsstörungen auf Grund der mechanischen Bewegungen der Förderschnecke oder eines Mischers im Fülltricher; ungleichmäßige Förderung wegen klumpigem Mate rial oder ungleichförmiger Schneckenförderung; Nachfüllen des Fülltrichters in gewissen Zeitabständen, die nicht festliegen; unabsichtliche aperiodische Störungen, hervorgerufen z. B. durch Anstoßen mit einer Ladeeinrichtung oder durch das Auflegen oder Wegnehmen größerer Gewichte, z. B. von Werkzeugen; und perio dische und aperiodische Störungen, die am Fülltrichter angreifen, z. B. durch Wind, durch benachbarte Maschinen oder durch vorüberfahrende Fahrzeuge.

Das Ergebnis der Gewichtsmessung stellt daher nur einen groben Wert für das jeweils aktuelle Gewicht der Vorrichtung dar, deren Gewicht in der Regel abnimmt, solange nicht der Fülltrichter nachbefüllt wird. Der unmittelbare Meßwert ist daher zum Regeln des Masseflusses ungeeignet.

Ein mathematisches Modell für Einflüsse, die zu einer bestimmten Zeit auf das System einwirken, ist in Fig. 2 dargestellt. Das tatsächliche Gewicht zu einem Zeitpunkt k+1 wird an einem Addierer 21 durch Summenbildung berechnet. Es ist die Summe aus dem tatsächlichen Gewicht W(k) zum Zeitpunkt k, einem Anlagen störprozeßwert W₁(k) zum Zeitpunkt k, der das Gewicht beein flußt, einem Einflußwert der Motorsteuerung u₁(k), der das Ge wicht beeinflußt, und dem Produkt auf der Abtastzeitspanne T und dem aktuellen Massefluß W _r(k) zum Zeitpunkt k. Das Multi plizieren mit der Zeitspanne T entspricht einer zeitlichen In tegration des Masseflusses W _r. Das aktuelle Gewichtssignal W(k+1) wird einem Verzögerungsglied 22 zugeführt, das das ak tuelle Gewichtssignal W(k) bildet. Das gemessene Gewichtssignal W _m(k) wird an einem Addierer 23 gebildet, der zum aktuellen Gewichtssignal W(k) ein Signal n(k) addiert, das durch einen Meßstörprozeß hervorgerufen wird.

Der aktuelle Massefluß W _r(k+1) zum Zeitpunkt k+1 wird an einem Addierer 24 gebildet. An diesem wird zum aktuellen Massefluß W _r(k) zum Zeitpunkt k ein Wert u₂(k) addiert, der den Einfluß der Motorregelung auf den Massefluß zum Ausdruck bringt. Außer dem wird ein Wert w₂(k) addiert, der den Einfluß von Anlagen störprozessen auf den Massefluß berücksichtigt. In einem Ver zögerungsblock 26 wird der Massefluß W _r(k) zum Zeitpunkt k aus dem aktuellen Massefluß W _r(k+1) gebildet.

Das Blockdiagramm von Fig. 2 repräsentiert die folgenden Glei chungen:

W(k+1) = W(k) + TW _r(k) + u₁(k) + w₁(k)
W _r(k+1) = W _r(k) + u₂(k) + w₂(k)
W _m(k) = W(k) + n(k)

wobei:

k = 1, 2, 3, . . .
W(k) = aktuelles Gewicht zum Zeitpunkt k;
W _r(k): aktueller Massefluß zum Zeitpunkt k;
W _m(k): Gewichtsmessung zum Zeitpunkt k;
T: Zeitspanne zwischen zwei Abtastzeitpunkten;
u₁(k): Einfluß der Motorregelung auf das aktuelle Gewicht;
u₂(k): Einfluß der Motorregelung auf den aktuellen Massefluß;
n(k): Einfluß von Meßstörprozessen;
w₁(k): Einfluß von Anlagestörprozessen auf das Ge wicht; und
w₂(k): Einfluß von Anlagenstörprozessen auf den Masse fluß.

Das Gewicht W und der Massefluß W _r sind Variable. Dabei ist der Massefluß die zeitliche Ableitung des Gewichts oder umgekehrt, das Gewicht ist das zeitliche Integral des Masseflusses. Die einzige gemessene Variable ist das Gewicht W, die jedoch nur indirekt aus dem störungsbehafteten Signal W _m gewonnen werden kann. Die durch Störungen hervorgerufenen Einflußgrößen n, w₁ und w₂ sind unvermeidbar im System immer vorhanden. Wenn nur mit Hilfe der Größen u₁ und u₂ auf Grundlage des gemessenen Signals W _m geregelt wird, ohne daß Anlagen- und Meßstörpro zesse berücksichtigt werden, ergibt sich schlechtes Regelver halten.

In Fig. 3 ist das eben erläuterte Modell mit der Funktionsdar stellung eines Prozessors für einen bestimmten Zeitpunkt und der Funktionsdarstellung eines Motorstellers verknüpft. Der Gewichtssignalprozessor 14 verwendet einen Kalman-Filterprozeß, um einen gefilterten Schätzwert für das aktuelle Gewicht (k) und einen gefilterten Schätzwert für den Massefluß _r(k) zu ge winnen. Der Schätzwert für den Massefluß _r(k) wird vom Motor regler 18 verwertet, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt und wie an Hand der Fig. 5 und 11 näher erläutert. Er berechnet den Stellwert I _M und die Einflußwerte u₁(k) und u₂(k) aus der Motor regelung. Die letzteren Werte beeinflussen das aktuelle Gewicht W(k) bzw. den aktuellen Massefluß W _r(k). Sie werden beim Vor hersagen für das geschätzte Gewicht (k) und dem geschätzten Massefluß _r(k) verwendet.

Im unteren Bereich von Fig. 3 sind der Signalprozessor 14, der Addierer 17 und der Motorregler 18 gemäß Fig. 1 dargestellt. Der Signalprozessor ist als Kalman-Filter dargestellt, dessen Struktur identisch mit dem mathematischen Modell für das tat sächliche System ist. Addierstellen 27 und 28 üben die Funktion der Addierstellen 21 bzw. 24 im Modell für das tatsächliche System aus. Die Verzögerungsblöcke 29 und 31 bilden die Verzö gerungsblöcke 22 bzw. 26 nach.

In einer Additionsstelle 32 wird die Differenz zwischen dem ge messenen Gewicht W _m(k) und dem geschätzten Gewicht (k) gebil det. Diese Differenz, die Meßabweichung _m(k), wird mit einem Verstärkungsfaktor K _W(k) multipliziert und der Addierstelle 27 zugeführt, um das Gewicht W(k+1) für den nächsten Zeitpunkt zu bestimmen. _m(k) wird auch mit einem Verstärkungsfaktor (k) multipliziert und der Summierstelle 28 zugeführt, um den Masse fluß _r(k+1) für den nächsten Zeitpunkt zu gewinnen. Die Ver stärkungsfaktoren K _W und werden auch als Kalman-Verstärkungen bezeichnet. Sie hängen von der Fehlerkovarianz des geschätz ten Gewichtes und des geschätzten Masseflusses _r relativ zu den tatsächlichen Werten von W und W _r ab und berücksichtigen Werte n, w₁ und w₂ aus Störprozessen. Einzelheiten zur Berechnung Kalman-Verstärkungen K _W und werden weiter unten an Hand von Fig. 4 erläutert.

Da die Werte n, w₁ und w₂ für die Störprozesse zum Berechnen der Kalman-Verstärkungen verwendet werden, ist es wichtig, nicht nur die verschiedenen Störungsquellen und ihren Einfluß auf die Größen W und W _r zu identifizieren, sondern es ist auch wichtig, ihre Größen richtig nachzubilden und diese in die Be rechnung für die Verstärkungsfaktoren einzuführen.

Jeder Störprozeß wird als Gleichverteilungsprozeß mit Mittel wert Null dargestellt, mit der folgenden Störkovarianz:

mit:

σ²n: Varianz für den Meßstörprozeß;
σ²w₁: Varianz für den Anlagenstörprozeßwert, der Einfluß auf das Gewicht nimmt;
σ²w₂: Varianz für den Anlagenstörprozeßwert, der den Masse fluß beeinflußt; und
σ²w₁; w₂: Kovarianz der Werte w₁ und w₂.

Wie oben angegeben, beschreiben die Störgrößenwerte w₁ und w₂ die Einflüsse auf Gewicht bzw. Massefluß. In einem tatsächlichen System ist der Masseflußstörwert w₂ ein regelmäßiger Stör wert, der z. B. auf klumpigem oder sonst ungleichförmigem Ma terial beruht. Der Gewichtsstörwert w₁ ist dagegen sehr un gleichmäßig auf Grund von nicht vorhersagbaren Störeinflüssen, wie z. B. Schwingungen, die von vorüberfahrenden Fahrzeugen aus gelöst werden, oder durch Stöße an den Fülltrichter. Der Meß störprozeß n ist ebenfalls ein regelmäßiger Wert, auf Grund von zufälligen und systematischen Instrument- und Fördersystem fehlern. Z. B. gehen in ihn Fehler ein, die durch Schwingungen der Förderschnecke oder eines Materialmischers hervorgerufen werden zusätzlich zu Ungenauigkeiten des Gewichtssensors.

Die Varianz σ²n kann experimentell oder empirisch aus einem tatsächlichen System bestimmt werden. Z. B. kann das System mit abnehmendem Gewicht betrieben werden und die Varianz σ²n wird aus Gewichtsmeßwertreihen W _m(k) bestimmt. Die Varianz σ²w₂ wird aus Maschinenbetriebsspezifikationen berechnet. Wenn z. B. eine gewünschte Massenflußabweichung (W _d) festgelegt ist, kann σ²w₂ proportional zu σ W _d gesetzt werden. Beim bevorzugten anderen Ausführungsbeispiel werden die Varianzen σ²n und σ²w₂ durch Selbsteinstellung berechnet, wie weiter unten an Hand der Fig. 9-14 erläutert.

Der unvorhersagbare Anlagenstörprozeßwert w₁ wird dagegen mit einer Varianz A nachgebildet, wobei der Wert A aus der Größe der Meßabweichung gebildet wird. Einzelheiten hierzu werden weiter unten an Hand von Fig. 4B erläutert.

Da die Anlagenstörprozesse typischerweise nicht korreliert sind, ist σ²w₁, w₂ gleich 0. Die Anlagenstörungskovarianz matrix Q(k) wird wie folgt bestimmt. Zunächst wird Q(k) zu Q₀ wie folgt gesetzt:

Danach wird A aus der Größe der Meßabweichung und der Wahr scheinlichkeit des Auftretens für diese Größe der Meßabweichung berechnet. Dann wie Q(k) durch Q₁ wie folgt ersetzt:

In den Fig. 4A-4C sind die durch den Signalprozessor 14 (Fig. 1) abgearbeiteten Schritte dargestellt. Nach dem Start des Prozesses werden folgende Parameter in einem Schritt 41 initialisiert:

W _rd: Massefluß-Sollwert;
σ n: Standardabweichung für die Meßstörgröße n;
σ w _d: Standardabweichung für den Massefluß;
T: Abtastzeitspanne für das Erfassen des Gewichtssig nales W _m:
G: Verstärkungsfaktor für die Motorregelung;
τ m: Zeitkonstante des Förderschneckenmotors;
T _d: mit dem Fördermotor verknüpfte Verzögerung; und
FF: Förderfaktor des Fördermotors.

In einem Schritt 42 wird die Varianz σ²w₂ aus der vorgegebenen Standardabweichung für den Massefluß σ w _d berechnet. Es handelt sich um eine Iterationsberechnung auf Grundlage der bekannten Beziehung, wie sie für den Gleichgewichtsfall zwischen der ge wünschten Masseflußfehlervarianz σ²w _r= σ²w _d und den Para metern T, σ²n und σ²w₂ gilt. Die Iterationsrechnung geht aus den Programmschritten 4999-5220 des Programms I hervor, wie es am Ende der Beschreibung abgedruckt ist. Dieses Programm arbeitet ohne Selbsteinstellung. Bei dem bevorzugten anderen Ausführungs beispiel mit Selbsteinstellung werden beide Störvarianzen σ²n und σ²w₂ mit einem Selbsteinstellungsprozeß berechnet, wie er weiter unten an Hand der Fig. 9-14 beschrieben wird.

In einem Schritt 43 werden alle folgenden Variablen auf 0 ge setzt:

W _cp: Gewichtsregelungssignal;
u₁, u₂: Motorregelungswerte, die die Gewichts- und Massefluß messung beeinflussen.

In Schritt 43 wird auch die Motorstellgröße I _M auf einen ge wünschten Wert gesetzt, so daß sich der Motor anfangs mit vor gegebener Drehzahl dreht. Die Stellgröße kann jedoch auch an fangs auf 0 gesetzt werden, so daß der Motor zunächst steht.

In einem Schritt 44 wird ein Zähler k auf 0 gesetzt und in einem Schritt 45 wird der Gewichtswert W _m(1) zum ersten Mal ab getastet. In einem anschließenden Entscheidungsblock 46 wird überprüft, ob k+1 größer ist als 2, was anzeigt, daß das Filter bereits initialisiert worden ist. Ist dies der Fall, wird gemäß Fig. 4B weiterverfahren. Andernfalls wird in einem Ent scheidungsblock 47 geprüft, ob k+1 gleich 2 ist. Ist dies nicht der Fall, wird in einem Schritt 48 der Zählwert um 1 erhöht. Ist dies dagegen der Fall, wird in einem Schritt 49 mit dem Initialisieren des Filters begonnen.

Im Block 49 wird der anfängliche Gewichtsschätzwert auf den zum Zeitpunkt k=2 gemessenen Gewichtswert gesetzt. Darüber hinaus wird der anfängliche Massefluß-Schätzwert _r aus der Differenz zwischen den beiden ersten Gewichtsmeßwerten berechnet, welche Differenz durch die Abtastzeitspanne T geteilt wird. Die Anfangswerte werden also aus dem letzten gemessenen Gewicht und der einfachen zeitlichen Ableitung der letzten beiden Ge wichtswerte gebildet. Im Schritt 49 wird das für den Zeit punkt k=3 geschätzte Gewicht auf den Wert zum Zeitpunkt k=2 gesetzt, geändert mit Hilfe des geschätzten Masseflusses zum Zeitpunkt k=2. Der geschätzte Massefluß für den Zeitpunkt k=3 wird auf den geschätzten Massefluß für den Zeitpunkt k=2 gesetzt.

Nach diesen Initialisierungen werden in einem Schritt 51 die vier Eintragungen für die Fehlerkovarianzmatrix P initialisiert, so daß diese folgende Form einnimmt:

mit:

σ² : Varianz des Gewichtsfehlers;
σ² _r: Varianz des Masseflußfehlers; und
σ²W, W _r: Kovarianz von Gewichts- und Masseflußfehler.

Nach dem Initialisieren der Kovarianzmatrix P im Block 51 wird in Schritt 48 der Zähler k um 1 erhöht und in Schritt 45 wird erneut das Gewicht gemessen. Wenn das Filter einmal initialisiert worden ist, ist k+1 größer als 2, weshalb von Schritt 46 auf Schritt 56 in Fig. 4B übergegangen wird.

Wenn Selbsteinstellung verwendet wird, werden die Schritte gemäß dem Flußdiagramm von Fig. 10 statt denen von Fig. 4A ausgeführt.

In Schritt 46 wird die Anlagenstörwert-Kovarianzmatrix Q(k) auf Q₀ gesetzt und in einem Schritt 57 wird die Fehlerkovarianz matrix P wie folgt auf den neuesten Stand gebracht:

P(k+1|k) = FP(k|k)F′ + Q(k)

mit

P(k+1|k): Vorhersagewert für die Fehlerkovarianz matrix P zum Zeitpunkt k+1 auf Grundlage von Meß werten bis einschließlich dem Zeitpunkt K;
p(k|k): Fehlerkovarianzmatrix P zum Zeitpunkt k unter Berücksichtigung von Meßwerten bis einschließlich dem Zeitpunkt k;

und
Q(k): Anlagenstörgrößen-Kovarianzmatrix für den Zeitpunkt k.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Diagonalelemente σ²W und σ²W _r der Matrix P ein Maß für die Qualität der Schätzung sind. Die Schätzung ist vollkommen, entspricht also dem tatsächlichen Zustand, wenn, was in der Praxis nicht erreichbar ist, die Va rianzen beider Werte Null sind. Man bemüht sich, zu möglichst geringen Varianzwerten zu kommen.

In einem folgenden Schritt 58 wird die Meßabweichung mit Hilfe folgender Gleichung berechnet:

_m(k+1|k) = W _m(k+1) - (k+1|k)

mit

_m(k+1|k): Meßabweichung zum Zeitpunkt k+1 unter Be rücksichtigung von Meßwerten bis einschließlich dem Zeitpunkt k;
W _m(k+1): Gewichtsmeßwert für den Zeitpunkt k+1; und
(k+1|k): geschätztes Gewicht für den Zeitpunkt k+1 unter Berücksichtigung aller Meßwerte bis einschließlich zum Zeitpunkt k.

In einem anschließenden Schritt 59 wird die Meßabweichungsva rianz wie folgt berechnet:

2 _m = HP(k+1|k)H′ + R(k+1)

mit

H′: Transponierte der Matrix H = [1 0];
P(K+1|k): wie in Schritt 57 berechnet; und
R(k+1): Meßstörwertvarianz für den Zeitpunkt k+1 (aktuell σ²n).

In einem anschließenden Entscheidungsschritt 60 wird eine Flagge j abgefragt, um zu entscheiden, ob im vorhergehenden Durch gang die Varianz A bereits durch Durchlaufen der Schleife gemäß Fig. 4B berechnet wurde. Wenn die Varianz A noch nicht berechnet worden ist, wird in einem Schritt 61 eine Variable x auf einen Wert gesetzt, der der Meßabweichung _m(k+1|k) entspricht, geteilt durch eine Konstante q und die Standardabweichung der Meßabweichung (Quadratwurzel der in Schritt 59 berechneten Va rianz). Die Konstante q liegt vorzugsweise im Bereich 3q5, jedoch sind auch Werte außerhalb diesem Bereich möglich, ohne daß sich am Prinzip des Verfahrens etwas ändert.

In Schritt 61 wird auch eine adaptive Verteilungsfunktion f(x) wie folgt berechnet:

f(x) = |x|^a / (1 + |x|^a)

mit

2a4.

Werte außerhalb dem eben genannten Bereich sind möglich, ohne daß sich am Prinzip des Verfahrens etwas ändert. Die exakten Werte für q und a hängen von der verwendeten Materialzuführein richtung ab. Sie werden experimentell so bestimt, daß die ver schiedenen Elemente der Fehlerkovarianzmatrix p bei normalem Betrieb möglichst klein werden und daß sich die schädlichen Ein flüsse der aperiodischen Fülltrichterstörungen (z. B. Nachfüll vorgänge) möglichst wenig auswirken.

f(x) stellt die Wahrscheinlichkeit dafür dar, daß die Ursache für die aktuelle Meßabweichung außerhalb derjenigen Ursache liegt, die durch die zuvor bestimmte Fehlerkovarianzmatrix P(k+1|k) (berechnet in Schritt 57) angezeigt wird, wie sie durch Meßstörungen n(k) und Masseflußstörungen w₂(k) verursacht ist.

In einem Schritt 62 wird die Varianz A als Produkt aus der adaptiven Verteilungsfunktion f(x) und dem Quadrat der Meßab weichung geteilt durch 12 berechnet. Dies führt zu einer gleich förmigen Teilung für A.

In einem Schritt 63 wird die Matrix Q(k) gleich Q₁ gesetzt und die Flagge j wird in einem Schritt 64 auf 1 gesetzt, bevor Schritt 57 wieder erreicht wird.

Mit dem neuen Wert Q(k) wird in Schritt 57 die Fehlerkovarianz matrix neu berechnet, in Schritt 58 wird die Meßabweichung neu berechnet, und in Schritt 59 wird die Meßabweichungsvarianz neu berechnet. Da nun die Flagge j gesetzt ist, folgt auf Schritt 60 ein Schritt 65, in dem der Zähler k auf 0 rückge setzt wird. Es folgt dann Schritt 66 gemäß Fig. 4C, in dem die Filterverstärkung K wie folgt berechnet wird:

K(k+1) = P(k+1|k)H′ [HP(k+1|k)H′+R(k+1)]^-1

mit:

K _W(k+1): Kalman-Verstärkung für das Gewicht zum Zeit punkt k+1;
(k+1): Kalman-Verstärkung für den Massefluß zum Zeitpunkt k+1; und
andere Variablen: wie vorstehend definiert oder be rechnet.

Das vorausgesagte Gewicht und der vorausgesagte Massefluß _r zum Zeitpunkt k+1 unter Berücksichtigung von Messungen bis zu diesem Zeitpunkt werden dann in einem Schritt 67 mit Hilfe folgender Gleichungen berechnet, wobei zuvor definierte oder berechnete Größen verwendet werden:

(k+1 k+1) = (k+1|k) + K _W(k+1) W _m(k+1|k)
_r(k+1 k+1) = _r(k+1|k) + (k+1) W _m(k+1|k)

In einem anfolgenden Schritt 68 wird die Fehlerkovarianzmatrix P auf den neuesten Stand gebracht. Die in der Gleichung in Schritt 68 erscheinende Matrix I ist die Identitätsmatrix. Alle anderen Variablen wurden zuvor definiert oder berechnet.

In einem anschließenden Schritt 69 werden neue Vorhersagen für das geschätzte Gewicht und dem geschätzten Massefluß _r für den Zeitpunkt k+2 berechnet, unter Berücksichtigung aller Meßwerte bis einschließlich zum Zeitpunkt k+1. Dies mit Hilfe folgender Gleichungen:

(k+2|k+1) = (k+1|k+1) + T _r(k+1|k+1) + u₁(k+1)
_r(k+2|k+1) = _r(k+1|k+1) + u₂(k+1)

mit:

u₁(k+1): auf der Motorregelung zum Zeitpunkt k+1 beruhender Wert, der das Gewicht zum Zeit punkt k+2 beeinflußt;
u₂(k+1): auf der Motorregelung zum Zeitpunkt k+1 be ruhender Wert, der den Massefluß zum Zeitpunkt k+2 beeinflußt; und
andere Variablen: wie vorstehend definiert oder be rechnet.

In einem Block 71 wird die Motorregelung auf den neuesten Stand gebracht. Einzelheiten zu Verfahrensschritten, die in diesem Block 71 ausgeführt werden, sind in Fig. 5 dargestellt.

Nach dem Aktivieren des Blocks 71 kehrt das Verfahren zum Block 48 (Fig. 4A) zurück, in dem der Zähler K um 1 erhöht wird und die ganze Schleife wieder ausgeführt wird. Es wird darauf hingewiesen, daß es möglich ist, daß die Zeit zum Abarbeiten der Schleife von Zyklus zu Zyklus etwas schwanken kann, weswegen auch die Abtastzeitspanne T entsprechend schwankt. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt 0,75T2,0 Sekunden. Es werden aber auch dann noch annehmbare Ergebnisse erhalten, wenn die Zeitspanne außerhalb diesem Bereich liegt. Das Ergebnis des Berechnens der Zeitspanne T für jeden Zyklus ist in Fig. 6F veranschaulicht.

In Block 72 gemäß Fig. 5 wird das Masseflußfehlersignal W _re als Differenz zwischen dem Sollmassefluß W _rd und dem geschätzten Massefluß _r berechnet, wie er zuvor in Block 69 von Fig. 4C gewonnen wurde. In einem folgenden Block 73 wird das Gewichts regelungssignal W _rc als Produkt von Verstärkung G und Massefluß fehler W _re berechnet. Die Stellgröße I _M wird aus dem Gewichts regelungssignal W _rc durch Teilen mit dem Förderfaktor FF gewon nen. Der Förderfaktor FF dient dazu, die Masseflußvariable in ein Drehzahlsignal umzuwandeln, um den nichtlinearen Zusammen hang zwischen Stellgröße I _M und Motordrehzahl zu kompensieren.

In einem anschließenden Block 74 werden die Motorregelungswerte u₁ und u₂ berechnet. Die Berechnungen erfolgen auf Grund eines Modells für den Regelabschnitt des Gesamtsystems. Dies ist vom Modell für das Vorausschätzen oder Filtern gemäß den Fig. 3 und 4A-4C zu unterscheiden.

In einem Block 76 wird das letzte Gewichtsregelungssignal W _cp auf das aktuell berechnete Gewichtsregelungssignal W _rc gesetzt.

In einem Schritt 77 wird der berechnete Stellwert I _M an einen Motortreiber ausgegeben, um dadurch die Fördergeschwindigkeit einzustellen.

Es wird besonders darauf hingewiesen, daß der beschriebene Kalman-Filterprozeß ein rekursiver Prozeß ist, bei dem in jedem Zeitpunkt nur wenig Information gespeichert und für die Berechnung zum nächsten Zeitpunkt übertragen werden muß. Das Verfahren kann daher einfach in bestehende Systeme integriert werden, indem lediglich das verwendete Mikroprozessorprogramm neu zu schreiben ist, jedoch der vorhandene RAM verwendet werden kann.

Eine andere, bevorzugte Ausführungsform mit Selbsteinstellung wird weiter unten an Hand von Fig. 11 beschrieben.

In den Fig. 6A-6F sind verschiedene Größen über die Anzahl von Rechenschritten aufgetragen, wie sie während der Regelung ausgeführt werden. Das System wird mit einem Rechenschritt 0 mit folgenden Anfangsparametern gestartet: T=1,3; W _rd=500; FF=0,3; q=3; a=2. Es wurde Grieß gefördert und dabei wurden 100 Rechenschritte ausgeführt. Sowohl Anlagen- wie auch Meßstörungen waren vorhanden. Darüber hinaus wurde der Füll trichter folgenden willkürlichen äußeren Störungen ausgesetzt:

Ungefährer Zyklus
Störung
25
17 mm Schlüssel auflegen
35	17 mm Schlüssel weglegen
55	3 kg Gewicht auflegen
65	3 kg Gewicht wegnehmen
90	Material nachfüllen

Die Ordinate in den Diagrammen 6A-6C stellt PPM dar, wobei eine Million PPM etwa 150 kg entspricht, d. h. dem Höchstge wicht, das mit dem verwendeten Gewichtssensor meßbar ist. Ein Meßwert von 600 000 PPM entspricht also 60% von 150 kg oder 90 kg.

Die Ausgangswerte für die Motorstellgröße I _M gemäß Fig. 6D sind direkt in ein Motortreibersignal wandelbar, z. B. eine Frequenz.

Die Masseflußschätzwerte gemäß Fig. 6E entsprechen PPM pro Zeit einheit und sind direkt in kg/sec wandelbar.

In Fig. 6F ist dargestellt, wie sich die Abtastzeitspanne T von einem Zyklus zum nächsten ändert.

Fig. 7 ist eine tabellarische Darstellung der Diagramme der Fig. 6D und 6E.

In Fig. 8 sind Gewichtsmeßwerte für das System dargestellt, mit dem auch die Werte für die Fig. 6A-6F gewonnen wurden, jedoch ohne Korrekturen, aber nur mit natürlichen Anlagen- und Meßstö rungen, ohne zusätzliche äußere Störungen.

Das Programm I am Ende der Beschreibung stellt eine konkrete Ausführung des bisher beschriebenen Ablaufs dar.

Es wird nun ein Ablauf mit Selbsteinstellung erläutert. Die Selbsteinstellung erleichtert das Berechnen verschiedener Be triebsparameter. Das System mit Selbsteinstellung unterscheidet sich vom System gemäß Fig. 1 ohne Eigenschaft nur durch einen zusätzlichen Kalibrierprozessor 82, wie er als Teil des Block schaltbildes gemäß Fig. 9 vorhanden ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die verschiedenen Prozessor- und Reglerfunktionen alle von einem Mikrorechner ausgeführt werden.

Wenn das System zum ersten Mal gestartet wird, oder wenn sich starke Änderungen in den Betriebsbedingungen ergeben, z. B. wenn das geförderte Material geändert wird, wird die Maschine zunächst in eine Kalibrierbetriebsart versetzt. Die Umschalt möglichkeit zwischen einer Kalibrierbetriebsart und einer Echt betriebsart in Fig. 9 durch einen Umschalter 81 veranschaulicht. In der Kalibrierbetriebsart gibt der Kalibrierprozessor 82 mehrere Regelungssignale u(k) an das Fördermittel. Der Gewichts sensor 13 erzeugt eine zugehörige Folge von Meßwerten z(k). Mit Hilfe der Eingangssignale u(k) und der Ausgangssignale z(k) be rechnete der Kalibrierprozessor 82 z. B. die Regelungs- und Störungsparameter. Die abgeschätzten Parameter werden an den Kalman-Filter gegeben und dann wird im Echtbetrieb geregelt.

Das Kalibrieren erfolgt, wie oben angegeben, bei Start des Systems oder immer dann, wenn es gewünscht ist. Fig. 10 entspricht Fig. 4A, jedoch mit Selbsteinstellung. Funktionsblöcke in Fig. 10 mit denselben Aufgaben wie Funktionsblöcke in Fig. 4A tragen dieselbe Bezeichnung.

Wenn das System gestartet ist, werden gemäß Fig. 10 folgende Parameter in einem Schritt 83 initialisiert:

W _rd: Sollmassefluß;
s n: Standardabweichung des Meßstörwertes n:
σ w₂: Standardabweichung der Masseflußstörung;
T: Abtastzeitspanne zum Erfassen des Gewichtes W _m;
G _C: Verstärkungsfaktor des Motorreglers;
FF: Förderfaktor des Förderschneckenmotors; und
A: Größe eines Rechtecksignals, das zum Kalibrieren von Regelparametern verwendet wird, wie dies weiter unten in Einzelheiten mit Hilfe von Fig. 12 erläutert wird.

Die Standardabweichungen σ n und s w₂ werden entweder vom vori gen Betriebszyklus übernommen, oder sie werden eingegeben und/oder berechnet, wie oben an Hand von Fig. 4A beschrieben.

In einem anschließenden Entscheidungsblock 84 wird unter Bedie nung entschieden, ob kalibriert werden soll. Falls kein Kali brieren erfolgen soll, schließt sich der Block 43 an, und das Verfahren läuft ab, wie oben an Hand der Fig. 4A-4C beschrie ben. Ist jedoch Kalibrierung erwünscht, z. B. weil neues Material zu fördern ist, folgen Blöcke 86 und 87, in denen Rege lungsparameter GV _ss und W _cf bzw. Störparameter σ n und σ w₂ mit Hilfe von Prozeduren kalibriert werden, wie sie in den Fig. 12 und 14 dargestellt sind und weiter unten beschrieben werden.

Nach dem Kalibrieren von Parametern in den Blöcken 86 und 87 folgt Block 43 und der anschließende Ablauf gemäß den Fig. 4A- 4C.

Wenn bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel Werte für die Motorregelung in Block 71 gemäß Fig. 4C berechnet werden, werden die adaptiven Motorregelungsberechnungen gemäß Fig. 11 aus geführt.

In einem Block 88 gemäß Fig. 11 wird eine abgeschätzte Meßab weichung _re(k+1|k) wie folgt berechnet:

_re(k+1|k) = W _rd - [ _rk|k) + GV _ss W _rc (k-1)]

mit:

W _re(k+1|k): für den Zeitpunkt k+1 vorhergesagte Meß abweichung auf Grundlage von Messungen bis zum Zeitpunkt k;
W _rd: Sollwert;
_r(k|k): Massefluß geschätzt für den Zeitpunkt k ausgehend von Messungen bis einschließlich zum Zeitpunkt k;
GV _ss: Kleinsignalverstärkung; und
W _r(k-1): Masseflußregelungssignal, wie es im vorigen Zyklus berechnet wurde.

Die Kleinsignalverstärkung GV _ss wird im Kalibrierprozeß berechnet, wie dies weiter unten an Hand von Fig. 12 erläutert wird.

In einem Entscheidungsblock 89 wird die in Schritt 88 berechnete Meßabweichung _re(k+1|k) mit dem vorgegebenen Sollwert W _rd verglichen. Wenn die geschätzte Abweichung mehr als 75% vom vorgegebenen Wert beträgt, folgt ein Block 90, in dem die Re gelverstärkung G auf 0,9 gesetzt wird. Beträgt die Abweichung jedoch weniger als 75% des vorgegebenen Wertes, folgt ein Block 91, in dem der Verstärkungsfaktor G auf den in Block 83 (Fig. 10) berechneten Wert G _C gesetzt wird. Letzterer ist kleiner als 0,9, vorzugsweise 0,1. Aber auch mit anderen Werten für G _C arbeitet das beschriebene Verfahren.

So wird eine Art integraler Regelung dadurch verwendet, daß der Verstärkungsfaktor G von der Größe der Meßabweichung bezogen auf den Sollwert abhängt. Beim Ausführungsbeispiel werden nur zwei unterschiedliche Werte für den Verstärkungsfaktor G ver wendet, jedoch können auch unterschiedliche Werte eingestellt werden, insbesondere kann der Verstärkungsfaktor auch konti nuierlich von der Abweichung abhängen.

In einem anschließenden Schritt 92 wird das Masseflußregelungs signal W _rc(k) aus dem Verstärkungsfaktor G und der geschätzten Meßabweichung _re(k+1) berechnet. Auch die Stellgröße I _M für den Motor wird in Block 92 gewonnen.

In einem anschließenden Block 93 werden die Regelungseinfluß größen u₁(k+1) und u₂(k+1) aus dem Masseflußregelungssignal W _rc(k-1) berechnet, wie es im vorigen Zyklus mit Hilfe des Ge wichtskompensationsfaktors W _cf und der Kleinsignalverstärkung GV _ss berechnet wurde (wobei beide mit einer Prozedur kalibriert werden, wie sie weiter unten an Hand von Fig. 12 erläutert wird). Die Berechnung der Regeleffektwerte für den Zyklus k+1 mit Hilfe des Masseflußregelsignals für den Zyklus k-1 erfolgt, um Zeitverzögerungen zu berücksichtigen, die etwa zwei Abtastperioden (2T) betragen. Dies bedeutet, daß ein zum Zeitpunkt k vor genommener Regelvorgang das Gewicht erst zum Zeitpunkt k+2 be einflußt.

In einem anschließenden Block 94 wird die Stellgröße I _M an den Motor ausgegeben. Es folgt dann wieder der Block 71 gemäß der Fig. 4C für weiteres zyklisches Abarbeiten.

In bezug auf die Regelparameterkalibrierung, wie sie in Block 86 ausgeführt wird, wurde festgestellt, daß die Reaktion des Systems auf schrittweise Änderung verwendet werden kann, um das Regelmodell der stochastischen Regelung zu kalibrieren. Genauer gesagt, wenn eine Reihe von Schritten (d. h. ein Rechtecksignal mit einer Periode, die lang ist gegenüber dem Abtastintervall T) als Regelsignal vom Kalibrierprozessor 82 (Fig. 9) ausgegeben wird, und das unkompensierte Gewicht gemessen wird, kann eine Reihe von Meßabweichungen berechnet werden. Aus dieser Reihe werden dann die Kleinsignalverstärkung GV _ss und der Gewichts kompensationsfaktor W _cf berechnet und an den Kalman-Filter zur weiteren Verwendung ausgegeben.

Es wird, wie im Flußdiagramm von Fig. 12 dargestellt, in einem Block 96 ein Rechtecksignal als Regelsignal u(k) ausgegeben, das gegenüber 0 um einen vorgegebenen Sollwert versetzt ist. Die Doppelamplitude des Signals ist 2A und die Periode ist das 20fache der Abtastzeitspanne T.

Das Signal mit hohem Pegel v _high dauert für die Zeitspanne 10T, gefolgt von einer gleichlangen Zeitspanne 10T, wo das Signal niedrigen Pegel v _low einnimmt. Die Differenz zwischen den beiden Pegeln ist 2A. Dabei ist A so gewählt, daß es möglich ist, das Systemverhalten um einen gewünschten Betriebspunkt herum (d. h. die Nullverschiebung des Rechtecksignals) zu bestimmen. Vorzugsweise ist A etwa 25% des gewünschten Sollwertes. Wenn z. B. der gewünschte Sollwert 200 ist, wäre A 50, und das Recht ecksignal u(k) hätte einen hohen Pegelwert von 250 und einen niedrigen Pegelwert von 150. Das Rechtecksignal dauert für N Zyklen an, wobei N vorzugsweise mindestens 5 ist.

Während das Rechtecksignal anliegt, wird in einem Block 97 ein geschätzter hoher Massefluß _high aus einer Reihe geschätzter Masseflüsse berechnet, die jeweils vor dem Übergang des Recht ecksignals u(k) von hoch nach tief auftreten, d. h. am Ende der Zeitspanne 10T des Abschnitts mit hohem Pegel. Entsprechend wird in Block 97 ein geschätzter niederer Massefluß _low aus einer Reihe geschätzter Masseflußwerte bestimmt, von denen jeder be stimmt wird, bevor der Pegel des Rechtecksignals von nieder nach hoch wechselt, d. h. am Ende der Zeitspanne 10T des Ab schnitts mit niedrigem Pegel im Rechtecksignal u(k).

In einem anschließenden Block 98 wird die Summe der Meßabwei chungen berechnet. Die Meßabweichungen werden als Differenz aus der aktuellen Gewichtsmessung z und dem vom Filter vorher gesagten Gewicht ohne Kompensation erzeugt. Zum Bilden der Summe Σ werden die Meßabweichungen, die während Zeitspannen hohen Pegels auftreten, mit 1 multipliziert, während die Meßabweichungen, die während den Zeitspannen niedrigen Pegels auftreten, mit -1 multipliziert werden.

In einem dann folgenden Block 99 wird die Kleinsignalverstärkung GV _ss mit folgender Gleichung berechnet:

GV_ss = ( _high - _low)/2A

das heißt:

GV _ss entspricht der Differenz zwischen den Schätz werten für den hohen und den niedrigen Masse fluß geteilt durch die Doppelamplitude 2A.

In einem anschließenden Block 101 wird der Gewichtskompensa tionsfaktor W _cf wie folgt berechnet:

W _cf = (Σ )2NA

mit:

Σ : Summe der in Block 98 berechneten Meßabweichungen; und
NA: Zyklenzahl bzw. Amplitude des angelegten Recht ecksignals.

Der Gewichtskompensationsfaktor W _cf ist also der Mittelwert der Meßabweichungen z, mit der Amplitude A normalisiert.

In einem dann folgenden Block 102 werden die Kleinsignalverstärkung GV _ss und der Gewichtskompensationsfaktor W _cf an das Kalman- Filter geliefert, genau gesagt an die Blöcke 88 bzw. 93 in Fig. 11.

Zum Einstellen der Störparameter σ²n und σ²w₂ wird von bekannten linearen Zusammenhängen Gebrauch gemacht, wie sie zwischen den Anlagen- und Meßstörvarianzen einerseits und den vorausge sagten Meßabweichungsvarianzen andererseits bestehen, um Schätz werte für die aktuellen Anlagen- und Meßstörvarianzen zu berechnen. Dazu wird das System durch den Kalibrierprozessor 82 so betrieben, daß die Fördereinrichtung mit konstanter Geschwin digkeit läuft (d. h. jeder Wert des Vektors u(k) ist konstant, und es wird eine Reihe von Meßwert z(k) erfaßt, die zwei Fil tern A und B mit konstanten Verstärkungsfaktoren zugeführt werden, die sich jedoch voneinander unterscheiden. Jedes Filter berechnet zugehörige Meßabweichungsvarianzen und aus diesen werden Schätzwerte für die Meßstörungsvarianz σ²n und die An lagenstörungsvarianz s²w₂ berechnet.

Die Störungsparameterkalibrierung erfolgt nach dem Konzept gemäß Fig. 13. Die Filter A und B sind wie Kalman-Filter aufgebaut, mit der Ausnahme, daß die Verstärkungsfaktoren der Filter fest liegen und bekannt sind. Jeder Filter berechnet Schätzwerte und bildet ein Regelmodell nach, wie das Kalman-Filter in der Haupt regelschleife, wie sie oben an Hand der Fig. 4A-C und 11 er läutert wurde, mit der Ausnahme, daß nicht bei jeder Iteration neue Verstärkungsfaktoren berechnet werden. Da die Filter A und B konstante Verstärkung aufweisen, werden die Störungsparameter σ²n und σ²w₂ in diesen Filtern nicht verwendet. Die Filter nutzen jedoch vorzugsweise die Größen GV _ss und W _cf, die wie oben an Hand von Fig. 12 beschrieben eingestellt wurden.

Die Meßwertfolge z(k) wird den beiden Filtern A und B zugeführt, die daraufhin zugehörige Meßabweichungsfolgen _A und _B ausge ben. Außerdem geben die Filter Größen b _n,A, b _wA, b _n,B und b _w,B aus, die von den zugehörigen Verstärkungen abhängen. Es gilt:

b _n,A = (4K _1,A + 2TK _2,A)/D _A
b _w,A = T(2-K _1,A)/K _2,A D _A
b _n,B = (4K _1,B + 2TK _2,B)/D _B
b _w,B = T(2-K _1,B)/K _2,A D _A

mit:

K _1,A und K _2,A: festgelegte bekannte Verstärkungsfak toren des Filters A;
K _1,B und K _2,B: festgelegte bekannte Verstärkungsfak toren des Filters B;
D _A = K _1,A (4 - 2K _1,A - TK _2,A);
D _B = K _1,B (4 - 2K _1,B - TK _2,B);
T: Abtastperiode.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt: K _1,A = 0,8; K _2,A = 0,4; K _1,B = 0,4 und K _2,B = 0,2. Aber auch mit anderen Werten läßt sich das Verfahren ausführen.

Die Meßabweichungsvarianzen σ²,A und σ²,B werden von Va rianzanalysatoren 103 bzw. 104 aus den Meßwertfolgen _A und _B gebildet. Die Varianzen werden einem Block 106 zugeführt, der die folgenden zwei Gleichungen für die unbekannte σ²n und σ²w₂ löst:

σ²,A = b _n,A σ²_n + b _w,A σ²w₂
σ²,B = b _n,B σ²_n + b _w,B s²w₂.

Fig. 14 stellt den Kalibrieralgorithmus für Störungsparameter dar. Zum Initialisieren des Algorithmus wird das System mit konstanter Fördergeschwindigkeit gemäß einem Block 107 betrieben. In einem Entscheidungsblock 108 wird festgestellt, ob zwei aufeinanderfolgende störungsfreie Messungen ausgeführt wurden. Ist dies der Fall, wird Filterinitialisierung (entsprechend der Filterinitialisierung gemäß Fig. 4A mit zugehörigem Text) für beide Filter A und B in einem Schritt 109 ausgeführt. Danach folgen 25 Meßzyklen, die mit Hilfe eines Entscheidungsblockes 111 abgezählt werden. Diese dienen dazu, daß sich die Ausgangs werte der Filter A und B stabilisieren. Danach werden 100 Meß zyklen mit Hilfe eines Entscheidungsblockes 114 ausgeführt, und in Blöcken 112 und 113 werden die Summen der Meßabweichungen Σ _A und Σ _B bzw. die Summen der Quadrate Σ ²_A und Σ ²_B für die beiden Filter A bzw. B berechnet. In einem anschließenden Block 116 werden die Meßabweichungsvarianten σ²,A und σ²,B für die beiden Filter A und B berechnet. In einem nächsten Block 117 erfolgt das Berechnen der Meßstörungsvarianz σ²n und der Anlagenstörungsvarianz σ²w₂ aus den genannten Meßwertva rianzen. Durch einen Block 118 werden die Anlagenstörungsvarianz und die Meßstörungsvarianz an das Kalman-Filter des stochasti schen Reglers gegeben.

100 Messungen werden zum Berechnen der eben genannten beiden Varianzen ausgeführt, um eine Aussagezuverlässigkeit von 95% bei einer Fehlertoleranz von 10% zu erhalten.

Der Regelparameterkalibrierprozeß benötigt also 120 Meßzyklen und der Störparameterkalibrierprozeß benötigt etwa 125 Meßzyklen. Dies bedeutet, daß eine Gesamtkalibrierzeit von etwa 4-6 Minuten erforderlich ist, wenn Abtastzeiten verwendet werden, wie oben beschrieben.

Das Verfahren kann leicht so abgewandelt werden, daß Störungs kalibrierung auch im Echtbetrieb möglich ist. Dazu müssen die Kleinsignalverstärkung GV _ss und der Gewichtskompensationsfaktor W _cf kalibriert und die Filter A und B eingeschrieben werden. Der Regelwert u(k) kann sich dann ändern, wie oben an Hand der Stellgrößenregelung beschrieben. Es folgt dann die Störka librierung für σ²n und σ²w₂, ebenfalls wie oben angegeben. Um dies zu ermöglichen, liegt der Schalter 81 in Fig. 9 in Echtzeit-Position und der Block 107 in Fig. 14 wird umgangen. Im Programm II am Ende dieser Beschreibung ist diese Eigen schaft durch die Befehle 21900 bis 22020 und 23750 realisiert. Dieser Ablauf erhöht die Vielseitigkeit des Verfahrens und er möglicht es, Störkalibrierung oder Nachkalibrierung während des Echtbetriebs auszuführen.

Das Programm II umfaßt die oben an Hand der Flußdiagramme der Fig. 4B, 4C, 10, 11, 12 und 14 beschriebenen Abläufe.

Claims

1. Verfahren zur Masseflußregelung eines geförderten Materials, mit folgenden Schritten:

- Messen des Gewichtes des Materials auf einer Förder strecke, mit vorgegebenem Massefluß,
- automatisches Kalibrieren eines Regelmodells, das eine Regelgröße mit dem vorgegebenen Massefluß korreliert,
- automatisches Kalibrieren eines Störungsmodells für min destens einen Störprozeß, der dazu führt, daß das erfaßte Gewicht vom tatsächlichen Gewicht abweicht,
- Berechnen von Schätzwerten für das aktuelle Gewicht und den aktuellen Massefluß aus dem gemessenen Gewicht unter Berücksichtigung des Regelungsmodells und des Störungs modells,
- Bestimmen der Differenz zwischen dem geschätzten aktuellen Massefluß und dem gewünschten Massefluß und
- Regeln der Fördergeschwindigkeit auf Grundlage der eben genannten Differenz.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dauernd neue Schätzwerte für den aktuellen Massefluß berechnet werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Störungsmodell ein stocha stisches Modell ist, das ein Modell für mindestens eine Anlagenstörung und ein Modell für mindestens eine Meßwert störung beinhaltet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte zum automatischen Kalibrieren des Stö rungsmodells:

- Entladen des Materials mit einer Flußgeschwindigkeit,
- Messen des Gewichts des Materials auf der Förderstrecke,
- Filtern des gemessenen Gewichtswertes mit ersten und zweiten Filtern mit ersten bzw. zweiten Sätzen von Ver stärkungen, um erste und zweite Schätzwerte für das ak tuelle Gewicht zu erhalten,
- Bestimmen eines ersten und eines zweiten Differenzwertes aus dem gemessenen Gewicht und dem ersten bzw. zweiten Gewichtsschätzwert,
- Berechnen der Varianten der beiden Differenzen,
- Berechnen einer Varianz für mindestens einen Meßwertstör prozeß aus den beiden Varianten, und
- Berechnen einer Varianz für den Anlagenstörprozeß aus den beiden Varianzen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, gekenn zeichnet durch folgende Schritte zum automatischen Kalibrieren des Regelungsmodells:

- Fördern des Materials mit vorgegebenen ersten und zweiten Fördergeschwindigkeiten,
- Messen des Gewichts des Materials in der Förderstrecke,
- Bestimmen eines ersten und eines zweiten Schätzwertes für das aktuelle Gewicht des gewogenen Materials und eines ersten und eines zweiten Schätzwertes für den aktuellen Massefluß, jeweils aus dem ermittelten Gewicht,
- Berechnen einer Kleinsignalverstärkung für das Regelungs modell aus den beiden Schätzwerten für den Massefluß,
- Bestimmen der Differenzwerte zwischen dem gemessenen Ge wicht und den beiden Schätzwerten für das aktuelle Ge wicht,
- Berechnen des Mittelwertes der Differenzen, und
- Berechnen eines Gewichtskompensationsfaktors für das Re gelungsmodell aus der Differenz.

6. Verfahren zur Masseflußregelung eines geförderten Materials, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des Materials in der Förderstrecke gemessen wird und ein Kali brierbetrieb und ein Echtbetrieb ausgeführt werden, wobei

- im Kalibrierbetrieb folgende Schritte ausgeführt werden:
- - Kalibrieren einer Kleinsignalverstärkung und eines Ge wichtskompensationsfaktors für ein Regelungsmodell, das einen Massefluß mit einer Stellgröße verknüpft, und
- - Kalibrieren eines Störungsmodells, das ein Modell für mindestens einen Anlagenstörprozeß und ein Modell für mindestens einen Meßstörprozeß beinhaltet, welche Stö rungen verursachen, daß das erfaßte Gewicht vom tat sächlichen Gewicht abweicht,
- und der Echtbetrieb folgende Schritte umfaßt:
- - Berechnen eines Schätzwertes für den aktuellen Massefluß des geförderten Materials aus dem gemessenen Gewicht mit Hilfe des Regelungsmodells und des Störungsmodells,
- - Bestimmen der Differenz zwischen dem geschätzten aktuellen Massefluß und einem gewünschten Massefluß,
- - Berechnen einer Stellgröße aus der genannten Differenz in Relation zum gewünschten Massefluß, und
- - Regeln des Masseflusses mit Hilfe der genannten Stell größe.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierbetrieb vor dem Echtbetrieb aus geführt wird.

8. Vorrichtung zur Masseflußregelung eines geförderten Mate rials, gekennzeichnet durch

- eine Gewichtsmeßeinrichtung (13) zum Messen des Gewichts des Materials in der Förderstrecke,
- eine Einrichtung (14) zum Berechnen eines geschätzten Ge wichtes und eines geschätzten Masseflusses ausgehend vom gemessenen Gewicht, mit Hilfe eines Kalman-Filters mit einem Regelungsmodell und einem Störungsmodell, das min destens einen Störprozeß berücksichtigt, der dazu führt, daß das gemessene Gewicht vom gewünschten Gewicht abweicht,
- eine Einrichtung (14) zum automatischen Kalibrieren des Regelungsmodells und des Störungsmodells,
- eine Einrichtung (18) zum Berechnen einer Regelabweichung, die proportional zur Differenz zwischen dem geschätzten und dem gewünschten Massefluß ist,
- eine Einrichtung (18) eines Stellwertes abhängig von Größe und Vorzeichen der Regelabweichung, und
- eine Einrichtung (19) zum Einstellen der Entladeeinrichtung (12, 11) abhängig vom Stellwert, um dadurch Material mit gewünschtem Massefluß zu fördern.