DE4035099A1

DE4035099A1 - Ofentemperatur-regelvorrichtung mit einem einstell-eingang

Info

Publication number: DE4035099A1
Application number: DE4035099A
Authority: DE
Inventors: Katsuhisa Furuta; Iwao Asahi; Akinori Ito; Nobuhisa Akaba; Chitoshi Yamada
Original assignee: Ohkura Electric Co Ltd
Current assignee: Ohkura Electric Co Ltd
Priority date: 1989-11-04
Filing date: 1990-11-05
Publication date: 1992-12-03
Anticipated expiration: 2010-11-06
Also published as: GB2238887B; JPH03148714A; US5099442A; DE4035099C2; GB9023658D0; JPH0786783B2; GB2238887A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ofentemperatur-Regelvorrichtung mit einem Einstelleingang. Im speziellen betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines Ofens, der im Betrieb wiederholt ein bestimmtes Schema von Temperaturänderungen über der Zeit durchläuft, wobei die Vorrichtung die durch regelmäßig auftretende Störungen verursachten Temperaturänderungen unterdrückt und die Nachführ- bzw. Folgefähigkeit verbessert, so daß die tatsächliche Ofentemperatur an ausgewählten Punkten des Ofens vorgegebenen Temperaturwerten im Rahmen des bestimmten Betriebs- bzw. Temperaturschemas eng folgt. Zu diesem Zweck verwendet die Erfindung ein Zwei-System-Modell und ein Einstelleingangssignal; und zwar ein Zwei-System-Modell im Hinblick auf ein größeres System, bestehend aus dem Ofen und seinem Regler unter bestimmten Bedingungen, und ein Einstelleingangssignal, das unter Verwendung des Zwei-System-Modells erzeugt wird.

Ein typisches Ofensystem wird im folgenden anhand von Fig. 9 kurz erläutert. Ein Ofen 1 weist einen Rahmen 1a auf, der eine Anzahl von Heizern 2 (z. B. Anzahl = p) trägt. Eine Anzahl von Temperatursensoren 3 (z. B. Anzahl = s, s<p) sind in und um den Ofen 1 an Stellen angeordnet, die zum Messen des Zustandes (x) wie der Temperatur des Ofens 1 geeignet sind. An dieser Stelle sei angenommen, daß die Regelgrößen ein Satz von Innentemperaturen (y) an m Punkten (m<s) im Ofen 1 sind. Die Regelgrößen sind in diesem Fall ein Teil des Zustandes (x).

Fig. 24 zeigt ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Reglers 12 zum Regeln der Temperatur des Ofens 1. Der Zustand (x) und die Innentemperaturen (y) werden zu dem Regler 12 zurückgeführt. Der Regler 12 erzeugt eine Anzahl p von veränderten Variablen (u) (= Stellgröße), die die Höhe von zu verändernden Größen darstellen, um die Abweichungen (e) der Innentemperaturen (y) von den entsprechenden Vorgabewerten (r) zu minimieren. Die veränderten Variablen (u) werden den Heizern 2 des Ofens 1 zugeleitet.

Um den Ofen digital zu regeln, wird der Zustand (x) des Ofens 1 durch die folgende diskrete Zustandsgleichung angegeben und die Ofentemperaturregelung wird generell als ein Servoproblem unter Verwendung der Regeltheorie für mehrere Variable aufgefaßt.

x(k+1) = Ax(k)+Bu(k)
y(k) = Cx(k)

Hierin bedeuten:
x(k) = Zustandsvektor zur Zeit k, ein realer Vektor der Dimension s,
u(k) = geänderter Variablenvektor zur Zeit k, ein realer Vektor der Dimension p (Stellgrößenvektor),
y(k) = Vektor der Regelgrößen zur Zeit k, ein realer Vektor der Dimension m,
A = ein Matrix mit s Reihen und s Spalten und realen Koeffizienten,
B = eine Matrix mit s Reihen und p Spalten mit realen Koeffizienten,
C = eine Matrix mit m Reihen und s Spalten und realen Koeffizienten.

Mit dem Regler gemäß Fig. 24 ist es möglich, verschiedene Veränderungen zu beeinflussen, wie beispielsweise sprunghafte Veränderungen der Soll-Größen und Störungen. In der Praxis wird der Ofen 1 häufig dergestalt betrieben, daß ein bestimmtes Schema von Temperaturveränderungen über der Zeit wiederholt durchlaufen wird, wie beispielsweise die Kurve T in Fig. 11C, bei der das Schema in Form einer Serie von Temperatur-Soll-Größen (r) angegeben ist. Mit dem herkömmlichen Regler 12 wird jeder Zyklus der Wiederholung in der oben beschriebenen Weise durchlaufen, um so nahe wie möglich an einem bestimmten Schema zu bleiben.

Es ist jedoch mit dem herkömmlichen Regler 12 nicht möglich, die Folgefähigkeit bzw. Folgegüte im Hinblick auf ein bestimmtes Betriebsschema T zu verbessern, nachdem ein solches Schema T mehrmals durchlaufen worden ist. Die Folgegüte bezieht sich auf die Differenz bzw. Nähe der tatsächlichen Innentemperaturen (y) des Ofens 1 und der das Betriebsschema T repräsentierenden Temperatur-Sollwerte (r). Weiterhin treten beim tatsächlichen Betrieb des Ofens 1 häufig sich wiederholende, zu bestimmten Zeitpunkten eines jeden Zyklus des Betriebsschemas T entstehende Störungen auf, wie beispielsweise beim Laden und Entladen von Werkstücken. Der herkömmliche Regler 12 kann diese Effekte von wiederholten Störungen auch nach mehreren Durchläufen nicht reduzieren.

Es ist daher eine Aufgabe der folgenden Erfindung, eine Temperatur-Regelvorrichtung für einen Ofen, der ein bestimmtes Betriebsschema mit Temperatur-Sollwerten wiederholt durchläuft, anzugeben, wobei die Vorrichtung ein Einstelleingangssignal verwendet, um die Ofentemperaturänderungen, die durch regelmäßig sich wiederholende erzeugt werden, zu unterdrücken.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Temperatur-Regelvorrichtung für einen Ofen, der ein bestimmtes Betriebsschema mit Temperatur-Sollwerten wiederholt durchläuft, anzugeben, wobei die Vorrichtung ein Einstelleingangssignal verwendet, um die Folgegüte im Hinblick auf das Betriebsschema zu verbessern.

Wie in Fig. 1 und Fig. 9 dargestellt, regelt die Temperatur- Regelvorrichtung gemäß der Erfindung die Innentemperaturen (y) eines Ofens 1, der ein bestimmtes Betriebsschema mit vorgegebenen Temperatur-Sollwerten (r) wiederholt durchläuft, wie beispielsweise die Kurve T in Fig. 11C. Die durch Sensoren 3 ermittelten Temperaturen (y) werden dem Regler 12 vom herkömmlichen Typ zugeführt, sowie gleichzeitig die Temperatur-Sollwerte (r) und ein Einstelleingangssignal () aus den entsprechenden Speichern in Beispiel gemäß Fig. 1. Es ist jedoch gemäß der Erfindung ausreichend, entweder die Temperatur-Sollwerte (r) oder das Einstelleingangssignal (r) an den Regler 12 zu leiten. Das Einstelleingangssignal () muß an ein vergrößertes System 40 geleitet werden, das aus dem Ofen 1 und dem Regler 12 besteht, gleichzeitig mit der Leitung der Innentemperaturen (y) zum Regler 12. Die Ausgangssignale des Reglers 12 bilden entweder die Gesamtheit oder einen Teil der Signale entsprechend den manipulierten bzw. geänderten Variablen (u), die zu den Heizern 2 des Ofens 1 geleitet werden.

Ein Temperatur-Sollwertspeicher 7 (manchmal als "r"-Speicher bezeichnet) speichert die Temperatur-Sollwerte (r), und ein Einstelleingangssignal- Signal-Speicher 11 (manchmal als "-Speicher" bezeichnet) speichert den Einstell-Eingangswert () für jeden Wiederholzyklus des Betriebsschemas T. Der ursprüngliche Wert des Einstell-Eingangswerts () oder sein Wert für den ersten Durchlauf des Betriebsschemas T ist 0. Gemäß der Erfindung kann der Wert des Einstell-Eingangswerts () nach jedem vollständigen Durchlauf eines Zyklus in einer Art und Weise erneuert werden, die im folgenden beschrieben werden wird.

Es ist wichtig, ein Zwei-System-Modell 9 im Hinblick auf das o. g. vergrößerte System 40 zu verwenden, und zwar unter der Bedingung, daß es von den Temperatur-Sollwerten (r) getrennt ist. Ein Generator 10 für den Einstell-Eingangswert erneuert den Einstell- Eingangswert () auf der Basis einer Kombination von den Einstell-Eingangswerten () in einem vorhergehenden Zyklus und einem Ausgangssignal (v) des Zwei-System-Modells 9 in Abhängigkeit von den Abweichungen (e) zwischen den Temperatur-Sollwerten (r) und den letzten Innentemperaturen (y).

Die Prinzipien der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel in Fig. 1 und Fig. 9 erläutert. Wenn der Ofen 1 ein dynamisches System ist, dessen charakteristische Werte sich nicht mit der Zeit ändern, können die thermischen charakteristischen Werte durch ein Blockdiagramm gemäß Fig. 11a dargestellt werden, sowie durch die folgende Gleichung (1).

Hier steht x(k) für ein Zustandssignal der Dimension s, das die durch die Sensoren 3 ermittelten Temperaturen sind, u(k) steht für die veränderten Variablen (u) der Dimension p, die zu den Heizern 2 geleitet werden, d(k) steht für eine Störung und y(k) steht für Ausgangssignale der Dimension m von dem Ofen 1 in der Form von Innentemperaturen. A, B und C sind Matrizen mit realen Koeffizienten und jeweils s Reihen und s Spalten, s Reihen und p Spalten bzw. m Reihen und s Spalten.

In der Gleichung (1) ist das Ofenausgangssignal y(k) als eine Größe gegeben, die durch Umformen des Zustandssignals x(k) ermittelt wird. Im speziellen zeigt das Blockdiagramm der Fig. 11c, daß sechs Ausgangssignale von sechs Sensoren 3 das Zustandssignal x(k) bilden, und daß das Ofenausgangssignal y(k) durch eine Umformung erhalten wird, bei der drei von sechs Signalen von x(k) ausgewählt werden. Die Matrix C der Gleichung (1) stellt eine solche Auswahl dar. Wenn der Regler gemäß Fig. 11B ausgebildet ist, kann der Zustand des vergrößerten Systems 40 gemäß Fig. 11A, umfassend den Ofen 1 und den Regler 12, durch die folgenden Gleichungen (2a) und (2b) dargestellt werden.

Hier sind F₁ und F₂ Matrizen mit realen Koeffizienten und I ist eine Einheitsmatrix. Die Gleichungen (2a) und (2b) können durch die folgende Beziehung zu den Gleichungen (4a) und (4b) vereinfacht werden.

X(k+1) = X(k)+(k)+₁r(k)+₂d(k) (4a)

y(k) = X(k) (4b)

Unter der Annahme, daß X(O) = 0 (diese Annahme gefährdet nicht die Allgemeingültigkeit, da das System gemäß der Erfindung ein lineares System ist), führen die Gleichung (4a) und (4b) zu

Hier steht für den Einstell-Eingangswert, der im folgenden noch beschrieben werden wird, (r) steht für die Temperaturwerte und d(k) steht für die Störung. Mit den folgenden Definitionen kann die Gleichung (5) in die Form der Gleichung (5a) gebracht werden.

Demgemäß ist die Abweichung E des Ausgangssignals Y, oder der Ofeninnentemperaturen (y), von den Soll-Werten R, oder von den Temperatur-Sollwerten (r), durch die Gleichung

E = Y-R = (A+G₁R+G₂D)-R (7)

gegeben.

Es sei hier bemerkt, daß die Soll-Werte, die den Innentemperaturen (y) in den obigen Gleichungen entsprechen, nicht r(k-1) sind, die zur Bestimmung von a(k) heranzogen werden, sondern daß die Temperatur-Sollwerte r(k) sind, die zusammen mit dem Ausgangssignal y(k) zum Bestimmen des nächsten folgenden Wertes benutzt werden. Demgemäß ist der Temperatur-Sollwert, der mit dem letzten Ausgangssignal y(n) in einer gegebenen Zeitfolge benutzt werden soll, nicht r(n-1), sondern r(n). In der Gleichung (6e) sind die Temperatur-Sollwerte bis zu r(n-1) definiert, die verwendet werden, um den letzten Ausgang y(n) zu bestimmen.

Die Erfinder haben herausgefunden, daß der obenerwähnte Fehler bzw. die Abweichung E relativiert werden kann, indem der richtige Einstell-Eingangswert () ausgewählt wird. Im speziellen wird für die (i+1-ten) Erneuerung des Einstell-Eingangswertes R ⁱ+1, basierend auf dem vorhergehenden i-ten Wert R ⁱ die folgende Gleichung (8) verwendet, wobei die Auswertefunktion J der Gleichung (9) berücksichtigt wird. Der Einstell-Eingangswert R, wird dergestalt erneuert, daß die Auswertefunktion J bei jedem Erneuerungsvorgang reduziert wird, wobei die Auswertefunktion auf der Grundlage des Fehlers E gemäß der Gleichung (7) zwischen dem Ausgangssignal Y und den Temperatur-Sollwerten R(r) ermittelt wird.

ⁱ⁺¹ = ⁱ+εⁱ V ⁱ (8)

Hier ist εⁱ ein Parameter, der die Konvergenzgeschwindigkeit festlegt und V ist eine Variable der folgenden Form:

Die Auswertefunktion J gemäß der Gleichung (9) steigt oder fällt mit der Norm des obigen Fehlers E. Nun lassen wir uns eine Variable V finden, die die Auswertefunktion J bei jedem Durchgang verkleinert.

Mit Gleichungen (5a) und (8) ist ein Inkrement oder ein Dekrement des Ausgangssignals Y gemäß der obigen Erneuerung des Einstell- Eingangswerts gegeben durch

Y ⁱ⁺¹-Y ⁱ

= (A ⁱ⁺¹+G₁R+G₂D)-(A ⁱ+G₁R+G₂D)

= A( ⁱ⁺¹- ⁱ)

= A( ⁱ+εⁱ V ⁱ- ⁱ)

= εⁱ AV ⁱ

Demgemäß folgt:

E ^i¹+1 = Y ⁱ⁺¹-R = Y ⁱ+εⁱ AV ⁱ-R = E ⁱ+εⁱ AV ⁱ (10)
-

Die (i+1)-te Auswertegleichung Jⁱ⁺¹ kann mittels der Gleichungen (9) und (10) wie folgt bestimmt werden:

Jⁱ⁺¹ = ∥Eⁱ⁺¹∥²

Jⁱ⁺¹ = (E ⁱ+εⁱ AV ⁱ)^T(E ⁱ+εⁱ AV ⁱ)

= E ^iT E ⁱ+εⁱ V ^iT A ^T E ⁱ+εⁱ E ^iT AV ⁱ+(εⁱ)²V ^-iT A ^T AV ⁱ (11)

Das hochgestellte T in der obigen Gleichung steht für eine transponierte Matrix, insbesondere steht A ^T für die transponierte Matrix der Matrix A.

Aus der Gleichung (11) ergibt sich die Variable V ⁱ zum Minimieren der i-ten Auswerte-Funktion J ⁱ⁺¹ durch

V ⁱ = -A ^T E ⁱ (12)

Der optimale Wert für εⁱ ist

εⁱ = ∥V ⁱ∥²/∥AV ⁱ∥².

In einem mathematischen Modell einer Regelstrecke, wie beispielsweise des Ofens 1, sind die Parameter in einem bestimmten Bereich unbestimmt. Wenn der Wert von ε, der in der tatsächlichen Anordnung benutzt wird, durch ε_r repräsentiert wird, ist es vorteilhaft, ihn aus dem folgenden Bereich auszuwählen:

0<ε_r ⁱ≦εⁱ.

Einsetzen der Gleichung (6) in die Gleichung (12) ergibt:

Die Werte von v(o) bis v(n) können aus der Gleichung 13 wie folgt ermittelt werden.

η(k) = ^Tη(k+1)+^Te(k+1) (14a)

v(k) = -^Tη(k) (14b)

hier liegt k zwischen 0 und (n-1), und k(n) = 0.

Die Erfinder haben herausgefunden, daß die Berechnung gemäß der Gleichungen (14a) und (14b) durch ein Dualsystem ausgeführt werden kann, unter Berücksichtigung der Gleichungen (4a) und (4b). Die vorliegende Erfindung ist auf dieser Erkenntnis aufgebaut. Die Gründe werden nun erläutert.

Bei gleichmäßigem Betrieb des Ofens 1 treten selten Störungen auf, und die Inkremente oder Dekremente des Ausgangs in Abhängigkeit von einer Erneuerung durch den Einstell-Eingangswert (r) haben keinen Einfluß auf die Temperatur-Sollwerte (r), wie aus Gleichung (10) ersichtlich. Nimmt man an, daß keine Störung und keine Eingangs-Werte vorliegen, so können die Gleichungen (4a) und (4b) wie folgt umgeschrieben werden:

X(k+1) = X(k)+(k) (15a)

y(k) = X(k) (15b)

Die Gleichungen (15a) und (15b) zeigen Charakteristika des vergrößerten Systems 40 gemäß Fig. 1 unter der Bedingung, daß kein Eingangssignal von den Temperatur-Sollwerten zugeleitet wird. Vergleicht man die Gleichungen (15a) und (15b) für das vergrößerte System 40 und die Gleichungen (14a) und (14b) zur Berechnung des Einstell-Eingangswerts, kann bemerkt werden, daß für den Fall, daß das Vorzeichen auf der rechten Seite der Gleichung (14b) zum Positiven geändert wird, die Gleichungen (14a) und (14b) ein Dual-System in bezug auf das vergrößerte System 40 darstellen.

Daher wird, gemäß der Erfindung, die Abweichung e(k) zwischen den Innentemperaturen (y) und den Temperatur-Sollwerten (r) dem Zwei- System-Modell 9 unter der Bedingung zugeleitet, daß kein Eingangssignal von den Temperatur-Sollwerten (r) anliegt, und der Anhaltewert des Einstell-Eingangswerts () wird bestimmt, indem die Werte des Einstell-Eingangswerts () des vorhergehenden Zyklus und der Ausgang v(k) des Zwei-System-Modells 9 in Abhängigkeit von der Anwendung des o. g. Fehlers e(k) hierauf verwendet werden. Die eigentliche Berechnung wird mittels einer Iteration ausgeführt, die bei k=n startet und in der Reihe n-1, n-2 usw. fortläuft.

Fig. 11C zeigt ein Beispiel der Testergebnisse einer Ofentemperatur- Regelung mittels des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 unter Verwendung des Einstell-Eingangswerts. Der erste Lauf weicht beträchtlich von den Temperatur-Sollwerten (r) ab und die Folgegüte der Innentemperaturen (y) im Hinblick auf die Temperatur- Sollwerte (r) ist gering. Mit fortschreitenden Durchläufen, d. h. mit einer zunehmenden Anzahl von Erneuerungen des Einstell- Eingangswerts (), ist die Folgegüte verbessert und die Störeffekte werden unterdrückt.

Demgemäß ist die Aufgabe der Erfindung gelöst, weil die Vorrichtung gemäß der Erfindung die Folgegüte im Hinblick auf das Betriebsschema verbessert, indem der Einstell-Eingangswert () verwendet wird und hierdurch die Ofentemperaturänderungen, die durch regelmäßig auftretende Störungen verursacht werden, unterdrückt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ofentemperatur-Regelvorrichtung gemäß der Erfindung unter Verwendung eines Einstell-Eingangswerts,

Fig. 2 bis Fig. 8 Blockdiagramme anderer Ausführungsformen der Ofentemperatur-Regelvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 9 ein schematisches Diagramm der Verbindung der Hauptelemente gemäß der Ausführungsform von Fig. 1,

Fig. 10 bis Fig. 11C erklärende Diagramme der Arbeitsweise der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1,

Fig. 12a und Fig. 12B funktionale Blockdiagramme der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2 und einen Graph der mit der zweiten Ausführungsform ermittelten Testergebnisse,

Fig. 13 und Fig. 14 ein funktionales Blockdiagramm der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3 bzw. einen Graph der mittels der dritten Ausführungsform ermittelten Testergebnisse,

Fig. 15 ein funktionales Blockdiagramm der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 4,

Fig. 16 einen Graph, der mittels der vierten Ausführungsform ermittelten Testergebnisse,

Fig. 17A und Fig. 17B Graphen der mit der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2 ermittelten speziellen Testergebnisse, wobei die Signale in spezieller Weise gewichtet worden sind,

Fig. 18A und Fig. 18B ein Blockdiagramm bzw. einen Graph, die die Ausgestaltung und die speziellen Charakteristika eines Systems gemäß dem Stand der Technik unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel in Fig. 5 darstellen,

Fig. 19 und Fig. 20 Graphen, die ein Schema der Temperaturabweichung darstellen, die in der Beschreibung der Ausführungsform gemäß Fig. 6 verwendet werden,

Fig. 21 und Fig. 22 Graphen für die Beschreibung der Ausführungsform gemäß Fig. 7,

Fig. 23 ein Flußdiagramm der Ausführungsform gemäß Fig. 8 und

Fig. 24 ein erklärendes Diagramm eines Reglers gemäß dem Stand der Technik.

Gleiche Teile werden durch gleiche Bezugszeichen in allen Zeichnungen gekennzeichnet.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Ofentemperatur-Regelvorrichtung gemäß der Erfindung. Der zu regelnde Ofen 1 hat bei diesem Ausführungsbeispiel in drei Blöcken angeordnete Heizer 2. Sechs Temperatursensoren 3 messen die Temperatur an drei Punkten in dem Ofen 1 und bei den drei Blöcken von Heizern 2. Die Ausgangssignale der sechs Sensoren 3 bilden Zustandsvariable X₁, X₂, X₃, X₄, X₅ und X₆. Die Temperaturen an den drei Punkten in dem Ofen sind zu regelnde Variable, die ausgedrückt werden können als y₁(x₄), y₂(x₅) und y₃(x₆).

Die Ausgangssignale der Temperatursensoren 3 werden einem Konverter 4 zugeführt, um sie in geeigneten Zeitintervallen zu sammeln. Die gesammelten Werte werden in Temperatursignale auf geeigneten Signalhöhen und weiter in digitale Signale umgewandelt. Die digitalen Signale, die den o. g. Sensorausgangssignalen x₁ bis x₆ entsprechen, werden als Zustandsvariable x(k) und Ausgangsvariablesignale y(k) verwendet. Die Ofentemperatursignale y₁(x₄), y₂(x₅) und y₃(x₆) werden im Ausgangssignalspeicher 6 als Ausgangssignal y(k) bei jedem Sammelvorgang gespeichert.

Gleichzeitig mit jedem Sammeln liest der Regler 12 aus dem Sollwert- Speicher 7 diejenigen Temperatur-Sollwerte r(k) aus, die den gesammelten Werten entsprechen, und gleichzeitig liest er den korrespondierenden Einstell-Eingangswert () aus. Der Regler 12 ermittelt veränderte Variablensignale u(k) auf der Basis der gesammelten Daten x(k), y(k) und der ausgelesenen Daten r(k) und (k). Die Stellgrößen u(k) werden einem D/A-Konverter 5 zugeführt, wo sie in Analogsignale umgewandelt werden und anschließend den Heizern 2 des Ofens 1 als Stellgrößen zugeführt werden. Hierdurch ist die Ofenregeloperation für einen Sammelvorgang vollendet. Um das gesamte Betriebsschema - wie beispielsweise das der Kurve T in Fig. 11C - abzudecken, wird die oben beschriebene Ofenregeloperation bei einer festgelegten Anzahl von Zeitpunkten wiederholt, beispielsweise n-Mal mit k von 1 bis n. Wenn das Ofenausgangssignal y(k) für den letzten Sammelvorgang im Ausgangssignalspeicher 6 gespeichert ist, ist ein Zyklus der Temperaturregelung für den Ofen 1 beendet.

Nach der Beendigung eines jeden Regelzyklus, werden die Fehler bzw. Abweichungen e(k) zwischen den Ausgangsdaten oder Innentemperaturdaten y(k) im Ausgangsdatenspeicher 6 und dem Temperatur- Sollwerten r(k) im Temperatur-Sollwert-Speicher 7 mittels eines Addierers 8 berechnet. Die Fehler e(k) werden dann dem Zwei- System-Modell 9 zugeleitet. Das Zwei-System-Modell dieser Ausführungsform ist in einer "Zwei-System-Beziehung" mit dem größeren System 40 von Fig. 1 unter der Bedingung, daß kein Temperatur- Sollwert-Eingang zugeleitet wird. Das größere System 40 gemäß Fig. 1 besteht aus dem Ofen 1 und dem Regler 12. Das Ausgangssignal des Zwei-System-Modells 9 wird dem Einstell-Eingangswert- Generator 10 zugeführt, der neuere Wert des Einstell-Eingangswerts (k) generiert, die in der folgenden Regeloperation der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung verwendet werden. Der Einstell- Eingangswert (k) des Einstell-Eingangswert-Generators 10 wird in dem Einstell-Eingangswert-Speicher 11 gespeichert.

Die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels wird unter Bezug auf das Flußdiagramm in Fig. 10 erläutert. Wenn die Regelung einsetzt, wird im ersten Schritt eine Initialisierung durchgeführt. Während der Initialisierung werden die Temperatur-Sollwerte für die Ofentemperaturen in den Temperatur-Sollwert-Speicher 7 geschrieben. In dem Speicher 11 für den Einstell-Eingangswert werden während der Initialisierung Nullen gespeichert. Bei dem Zwei- System-Modell 9 werden annäherungsweise Zwei-System-Koeffizienten gesetzt. Wenn der Regler 12 vom integrierenden Typ ist, wie in Fig. 11B dargestellt, werden die Übertragungsverhalten F₁ und F₂ gesetzt.

Im zweiten Schritt wird eine Reproduktions-Operation in der folgenden Art durchgeführt. Die veränderten bzw. manipulierten Variablensignale (= Stellgrößen) u(k) von dem Regler 12 werden dem Ofen 1 über einen D/A-Konverter 5 zugeführt, um so die Heizer 2 zu regeln. Die Zustandssignale x(k) und die Ausgangssignale y(k) werden dem Regler 12 über den Koverter 4 zugeführt. Der Regler 12 erzeugt die Stellgrößen-Signale u(k), basierend auf den Signalen x(k), y(k) von dem Konverter 4, den Temperatur-Sollwerten r(k) von dem Temperatur-Sollwert-Speicher 7 und dem Einstell- Eingangswert (k), von dem Eingangs-Einstellwert-Speicher 11. Die Stellgrößensignale u(k) werden dem Ofen 1 über einen D/A- Konverter 5 - wie oben beschrieben - zugeführt. So wird eine Schleife zum Ausführen der Reproduktion-Operation gebildet. Während der Reproduktions-Operation gemäß dem zweiten Schritt des Flußdiagrammes werden die Ausgangssiganle y(k) des Konverters 4 in dem Ausgangssignalspeicher 6 gespeichert. Wenn die oben beschriebene Schleife mehrmals entsprechend einer festgelegten Anzahl durchlaufen worden ist, um das gesamte Betriebsschema abzudecken, beispielsweise die Kurve T in Fig. 11C, ist die Reproduktions-Operation abgeschlossen.

Nach Abschluß der Reproduktions-Operation kann die Erneuerung des Eingangs-Einstellwertes stattfinden, abhängig von den Umständen. Die Ausgangswerte v(k) des Zwei-System-Modells 9 werden mittels der Gleichungen (14a) und (14b) in Abhängigkeit von den Fehlern e(k) zwischen den Daten aus dem Ausgangssignal-Speicher 6 und den Daten von dem Sollwert-Speicher 7 bestimmt. Anschließend werden neue Werte für den Einstell-Eingangswert (k) unter Benutzung der Gleichung (8) durch den Einstell-Eingangswert-Generator 10 errechnet.

Wenn die Einstell-Eingangswerte erneuert sind, wird die Reproduktions-Operation mit den so erneuerten Werten für den Einstell-Eingangswert (k) erneut durchgeführt. Die Erneuerung des Einstell-Eingangswertes kann am Ende eines jeden Zyklus der Reproduktions-Operation durchgeführt werden. Die Wiederholung der Erneuerung des Einstell-Eingangswertes wird den Ausgang y(k) des Ofens 1 näher an die Temperatur-Sollwerte (r) bringen, so daß die Folgegüte des Reglers erhöht wird. Wenn die Erfordernisse, wie beispielsweise die Höhe der Folgegüte oder andere erfüllt sind, und zwar durch wiederholte Erneuerung des Einstell-Eingangswertes, kann der Eingangs-Einstellwert (k) fixiert werden und der Schritt der Erneuerung des Einstell-Eingangswertes kann ausgelassen werden.

Die Regelsystem-Elemente, die in Fig. 9 durch strichpunktierte Linien umrandet sind, können durch geeignete Computer-Software gebildet sein.

Während wiederholter Durchläufe des Ofens 1 mit einem identischen Schema von Temperaturänderungen über der Zeit, wenn sich Störungen regelmäßig durch Laden und/oder Entladen von Werkstücken wiederholen, kann die Erneuerung des Eingangs-Einstellwertes im dritten Schritt in Fig. 10 so durchgeführt werden, daß die Schwankungen der Ofeninnentemperaturen y(k) infolge dieser Störungen minimiert werden. Die erneuerten Eingangs-Einstellwerte r(k) zum Unterdrücken der Auswirkungen der Störung können im Eingangs-Einstellwert- Speicher 11 gespeichert werden. Wenn solche regelmäßigen Störungen im folgenden Durchlauf auftreten, kann der Eingangs- Einstellwert r(k), der zur Minimierung dieser Störeffekte geeignet ist, aus dem Speicher 11 ausgelesen werden, um so die Auswirkungen der Störung zu unterdrücken. Eine weitere Erneuerung des Einstell- Eingangswertes r(k) in Abhängigkeit von der folgenden Störung wird die Unterdrückung der Störeffekte noch verbessern.

Die Fig. 2 und 12A zeigen eine Ausführungsform, bei der sowohl der Reglerausgang wie auch die Einstell-Eingangswerte r(k) dem Ofen 1 zugeführt werden. Der Ausgang des Reglers 12 basiert auf dem Fehler zwischen den Temperatur-Sollwerten und den Innentemperaturen wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Der Einstell-Eingangswert (r) ist der Ausgangswert des Einstell-Eingangswert- Generators 10. Wenn die charakteristischen Werte des Ofens 1 und des Reglers 12 so sind, wie in Fig. 12A dargestellt, sind die charakteristischen Werte des größeren Systems 40 durch die folgenden Gleichungen gegeben:

Benutzt man die folgenden Definitionen, können die Gleichungen 17A und 17B ähnlich wie die oben erwähnten Gleichungen (4a) und (4b) aus den obigen Gleichungen (16a) und (16b) abgeleitet werden:

X(k+1) = X(k)+(k)+r(k), (17a)

y(k) = X(k). (17b)

Es ist möglich, ein Zwei-System-Modell unter Bezug auf die Gleichung (17a) und (17b) festzulegen, indem die gleiche Methode verwendet wird, wie die, die im obigen unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschrieben worden ist. So wird mit dem zweiten Ausführungsbeispiel eine ähnliche Temperaturregelung durchgeführt wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Fig. 12B zeigt die Testergebnisse, die mit dem Ausführungsbeispiel zum Unterdrücken von Störeffekten gemacht worden sind.

Die Fig. 3 und 13 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Eingang des Reglers 12 die Differenz zwischen den Temperatur-Sollwerten (r) und den entsprechenden Werten des Einstell-Eingangswertes () sind. Der Einstell-Eingangswert () ist der Ausgang des Eingangs-Einstellwertes-Generators 10. Wenn die charakteristischen Werte des Ofens 1 und Reglers 12 so sind, wie in Fig. 13 dargestellt, können die charakteristischen Werte des größeren Systems 40 der dritten Ausführungsform aus den folgenden Gleichungen hergeleitet werden:

Benutzt man die folgenden Definitionen, können die Gleichungen (19a) und (19b) ähnlich wie die oben erwähnten Gleichungen (4a) und (4b) aus den obigen Gleichungen (18a) und (18b) abgeleitet werden:

X(k+1) = X(k)+(k)+r(k), (19a)

y(k) = X(k). (19b)

Es ist möglich, ein Zwei-System-Modell unter Bezug auf die Gleichung (19a) und (19b) festzulegen, indem die gleiche Methode verwendet wird, wie die, die im obigen unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschrieben worden ist. Auf diese Weise wird ein Ausgangssignal v(k) von dem Zwei-System-Modell erhalten. So kann die dritte Ausführungsform verwendet werden, um eine ähnliche Temperaturregelung wie bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel durchzuführen. Fig. 14 zeigt die Testresultate einer Ofentemperatur-Regelung unter Verwendung der mit dem dritten Ausführungsbeispiel erzeugten Eingangs-Einstellwerten.

Die in den Fig. 4 und 15 dargestellte vierte Ausführungsform verwendet den Eingangs-Einstellwert () anstelle der Temperatur-Sollwerte als Eingangswert des Reglers 12. Fig. 16 zeigt die Testresultate, die mit dieser vierten Ausführungsform erzielt worden sind.

Die Erfinder haben darüber hinaus herausgefunden, daß die Leistung der Ofentemperatur-Regelvorrichtung weiter verbessert werden kann, indem eine Wichtungs-Matrix W in der folgenden Weise der Auswertefunktion J gemäß Gleichung (9) zugefügt wird:

J = ∥WE∥², W = W^T. (20)

Eine solche Addition der Wichtungs-Matrix ist besonders dazu geeignet, ein enges Folgen der Innentemperaturen (y) der Temperatur-Sollwerte (r) in einem bestimmten Regelbereich zu erreichen. Die Fig. 17A und 17B zeigen die verbesserte Unterdrückung von Störeinflüssen durch Hinzufügen einer geeigneten Wichtungs-Matrix zu der Auswert-Funktion J in der Ausführungsform gemäß Fig. 2, während der Gebrauch des Einstell-Eingangswertes () beibehalten wird. In diesem Fall ist der optimale Wert der Konstante εⁱ durch

εⁱ = ∥V ⁱ∥²/∥WAV ⁱ∥²

gegeben, wobei

V ⁱ = -A ^TW^TWE ⁱ

ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Heizer 2 des Ofenrahmens 1a von einer Wechselstromquelle 16 über eine SCR-Einheit 15 gespeist werden. Die Ausgangssignale der Temperatursensoren 3 werden mittels eines Konverters 4 auf eine für Regelkreise geeignetes Niveau transformiert und dann zu einem Regler 30 geleitet. Der Regler 30 beinhaltet die Elemente, die in Fig. 9 durch die strichpunktierten Linien eingeschlossen werden, d. h. verschiedene Speicher, das Zwei-System-Modell 9, den Eingangs-Einstellwert-Generator 10, den Regler 12 und dergleichen. Das Ausgangssignal u_s des Reglers 13 wird über den D/A-Konverter 5 dem SCR-gate-Kreis 14 als gate-Signal u zugeführt.

Der Konverter 13 modifiziert die durch den SCR-gate-Kreis 14 und die SCR-Einheit 15 nicht linear gemachten Signale dergestalt, daß die gesamte Ofentemperatur-Regelvorrichtung als ein lineares System arbeitet. Die den Heizern 2 zugeführte Leistung wird in Abhängigkeit von dem gate-Signal u geregelt.

Zum Vergleich zeigt Fig. 18A ein Temperatur-Regelsystem, das eine eine konventionelle SCR-Einheit 15 aber keinen Konverter 13 verwendet. In diesem Fall ist die Heizleistung P in Abhängigkeit von dem Eingang u zu dem SCR-gate-Kreis 14 gegeben durch

P = K ∫ sin² (πu) du (21)

K ist hier eine Konstante.

Fig. 18B zeigt die Übertragungscharakteristik eines konventionellen SCR-Regel-Kreises, die offensichtlich nicht linear ist. Die Ofentemperatur-Regelvorrichtung gemäß der Erfindung liefert eine lineare Regelung. Die nicht lineare Charakteristik gemäß Fig. 18B kann die Arbeitsweise der Vorrichtung gefährden und die Regelung instabil machen. Der Konverter 13 gemäß Fig. 5 ist mit dem Ausgang des Reglers 30 verbunden, um das nicht lineare Regelsystem zu linearisieren. Die Charakteristika des Konverters 13 können in der folgenden Weise berechnet werden.

Umschreibung der Gleichung (21)

∫ sin² (πu) du = u/2-{sin (2 πu)}/(4 π). (22)

Nach Multiplizieren beider Seiten der Gleichung (21) mit α ist sie so normalisiert, daß für den Fall, daß u zwischen 0 und 1 variiert, αP ebenfalls zwischen 0 und 1 variiert. Aus den Gleichungen (21) und (22) ist αP gegeben durch:

αP = u-{sin (2 πu)}/(2 π). (23)

Wenn das von dem D/A-Konverter 5 stammende Ausgangssignal u ist, sollte das Eingangs-Signal u_s, das dem Konverter zugeführt wird, im Hinblick auf die Charakteristiken des Konverters 13 und die Gleichung (23) die folgende Bedingung:

u_s = u-{sin (2 πu)}/(2 π). (23a)

erfüllen.

Im Konverter 13 wird das folgende u gemäß der Gleichung (23a) unter Verwendung einer geeigneten Methode, wie beispielsweise des Verfahrens nach Newton-Raphson, berechnet. Mit der obigen Umformung wird das gesamte Regelsystem linearisiert und stabilisiert.

u_k+1 = u_k-(u_k)/f(u_k)′. (24)

Hier ist f(u_k)′ die Ableitung von f(u_k).

Die Berechnung der Gleichung (25) wird iterativ fortgesetzt, bis die folgende Bedingung:

ε<|u_k+1-u_k| (26)

erfüllt ist.

ε ist hier eine Konstante.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Servo-Speicher 25 und ein Schalter 20 verwendet werden. Der Schalter 20 hat einen Kontakt a₁, der mit dem Temperatur-Sollwert-Speicher 7 verbunden ist, einen Kontakt b₁, der mit dem Servo-Speicher 25 verbunden ist und einen beweglichen Kontakt c₁, der mit der Sollwert-Seite eines eingangsseitigen Addierers 12a des Reglers 12 verbunden ist.

Der Einstell-Eingangswert-Speicher 11 dieser Ausführungsform ist mittels eines Schalters 20 sowohl mit dem eingangsseitigen Addierer 12a und dem ausgangsseitigen Addierer 12b des Reglers 12 an den jeweiligen Einstell-Eingangswert-Seiten verbunden. Speziell wird ein Einstell-Eingangswert-Signal u₁ von dem Eingangs-Einstellwert-Speicher 11 auf die Eingangs-Einstellwert-Seite des Addierers 12b über den feststehenden Kontakt a₂ und den beweglichen Kontakt C₂ des Schalters 20 geleitet. Das andere Eingangs-Einstellwert-Signal u₂ des Einstell-Eingangswert-Speichers 11 wird zu der entsprechenden Seite der auf der Eingangsseite des Reglers 12 liegenden Addierers 12a über einen feststehenden Kontakt a₃ und den beweglichen Kontakt c₃ des Schalters 20 geleitet.

Wenn der Einstell-Eingangswert (u) benutzt und der Servo-Eingang nicht benutzt wird, sind die beweglichen Kontakte c₁, c₂ und c₃ entsprechend dem Einstell-Eingangswert auf die feststehenden Kontakte a₁, a₂ und a₃ geschaltet. Der feststehende Kontakt a₁ ist mit dem Temperatur-Sollwert-Speicher 7 verbunden, so daß die Temperatur-Sollwerte (r) benutzt werden, wenn der Einstell-Eingangswert (u) benutzt wird. Wenn der Servo-Eingang benutzt und der Einstell-Eingangswert nicht benutzt wird, wird der bewegliche Kontakt c₁ auf den feststehenden Kontakt b₁ auf der Seite des Servo-Speichers 25 geschaltet, während die beweglichen Kontakte c₂ und c₃ die oben erwähnten Kontakte a₂ und a₃ verlassen und auf korrespondierende Leerkontakte b geschaltet werden.

Die Arbeitsweise des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 6 wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 19 erläutert, die einen sprunghaften Wechsel der Temperatur-Sollwerte (r) zeigt. In den Bereichen 1 und 3, in denen die Ofentemperatur verändert werden soll, wird der Ofen 1 über die Ofentemperatur-Regelvorrichtung unter Verwendung des Einstell-Eingangswertes (u) geregelt, wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Auf der anderen Seite wird der Ofen im Bereich 2, in dem die Temperatur konstant gehalten wird, mittels eines konventionellen Servo-Systems geregelt.

Demgemäß werden zum Betrieb in den Bereichen 1 und 3 die beweglichen Kontakte c₁, c₂ und c₃ des Schalters 20 auf die feststehenden Kontakte a₁, a₂ und a₃ entsprechend dem Einstell-Eingangswert geschaltet, so daß die Regelung gemäß der Erfindung durchgeführt wird, um die Folgegüte bei jedem wiederholten Durchlauf zu steigern. Wenn sich der Ofenbetrieb dem Bereich 2 nähert, werden die beweglichen Kontakte c₂ und c₃ des Schalters 20 von den feststehenden Kontakten a₂ und a₃ auf die entsprechenden Leerkontakte b geschaltet, während der bewegliche Kontakt c₁ auf den feststehenden Kontakt b₁ auf der Seite des Servo-Speichers 25 geschaltet wird, so daß die Servo-Systemregelung durch Verbinden des Servo-Speichers 25 mit dem Regler 12 wirksam wird.

Im Vergleich zu der Betriebsweise, bei der die Ofentemperatur-Regelvorrichtung gemäß der Erfindung während der gesamten Betriebsperiode verwendet wird, bietet der Gebrauch einer geeigneten konventionellen Regelmethode während eines Teiles der Betriebsperiode die Möglichkeit einer Verkleinerung der Speichergröße. Selbst dann, wenn die Temperaturhöhe für den Bereich 2 bei jedem Durchlauf verändert wird, kann ein konventionelles Servo-Regelsystem mit der Ofentemperatur-Regelung mit Einstell-Eingangswert gemäß der Erfindung verwendet werden. Die Anzahl von Bereichen ist nicht auf drei - wie in Fig. 13 - beschränkt, sondern der Ofenbetrieb kann mit einer beliebigen Anzahl von Bereichen durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 geregelt werden; beispielsweise, mit fünf Bereichen in Fig. 20.

Fig. 7 zeigt das Blockdiagramm eines Reglers, der ebenfalls in der Ofentemperatur-Regelvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Ein erster Addierer 31 erzeugt auf der Eingangs-Seite die Differenz zwischen den Innentemperaturen (y) bzw. des Ofen-Ausgangssignals und dem Einstell-Eingangswert () und leitet diese Differenz auf den feststehenden Kontakt a des Schalters 32. Der Schalter 32 hat einen beweglichen Kontakt b, der mit einem Intergrator 33 verbunden ist, so daß in dem Fall, daß der bewegliche Kontakt b mit dem feststehenden Kontakt a verbunden ist, der Integrator 33 die oben erwähnte Differenz von dem ersten Addierer 31 empfängt. Ein feststehender Kontakt c des Schalters 32 bleibt offen. Verstärker 34 und 36 mit Matrix-Werten F₁ und F₂ sind mit einem zweiten Addierer 35 verbunden, so daß die Summe eines Produktes des Ausgangssignales von dem Integrator 33 mit dem Verstärkungsfaktor F₂ einerseits und einem Produkt aus dem geregelten Zustand x mit dem Verstärkungsfaktor F₁ andererseits erzeugt wird. Die Matrizen F₁ und F₂ bwerden beispielsweise mittels der Regeltheorie der Servo-Systeme bestimmt.

Die Summe des zweiten Addierers 35 wird mittels eines mit dem Addierer 35 verbundenen Begrenzers 37 begrenzt und dann auf die Ausgangsseite als Ausgang (u) des Reglers gegeben, um als Stellgrößen-Signal für das zu regelnde Objekt verwendet zu werden. Ein Regelschaltermittel 38 hat Eingänge, die mit dem ersten Addierer 31 und dem Begrenzer 37 verbunden sind, während der Ausgang mit dem Schalter 32 verbunden ist. Die Schalterregelmittel 38 regeln den Schalter 32 wie in dem untenstehenden Zeitschema dargestellt ist, in Abhängigkeit von dem Ausgangs-Signal e(k) des ersten Addierers 31 und den Bedingungen des Begrenzers 36.

Fig. 21 zeigt die Stellgröße u(k) (Ausgangssignal des Begrenzers 37) gemäß der Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Technik und der Fig. 22 zeigt den Inhalt des Intergrators 33 im Vergleich mit dem Stand der Technik. Allgemein gesprochen wird das Ausgangssignal eines Reglers aufgrund von physikalischen Gründen begrenzt, aber die Stellgröße wird in der Theorie der Regelungstechnik ohne irgendeine Begrenzung berechnet. In herkömmlichen Systemen dauert es eine lange Zeit, bis der Intergrator 33 seinen Betrieb wieder aufnimmt, nachdem er durch den Begrenzer in seinem Betrieb gestoppt worden ist, da der Inhalt zum Zeitpunkt der Unterbrechung beibehalten wird. Gemäß der Erfindung wird das Ausgangs-Signal des ersten Addierers zusammen mit dem Inhalt des Integrators überwacht, so daß die Intergrator-Wiederholzeit verkürzt wird und das Regelsystem im Vergleich zum Stand der Technik stabiler gemacht wird.

Die Gründe für die kürzere Wiederholzeit des Integrators werden im folgenden beschrieben. Wie in Fig. 21 dargestellt, verbleibt der Intergratorinhalt beim Stand der Technik auf dem niedrigsten Niveau bis zum Zeitpunkt t₂, an dem Ausgangs-Signal des Begrenzers beginnt, den oberen Grenzwert zu verlassen, wenn das Ausgangs-Signal auf den oberen Grenzwert zum Zeitpunkt t₁ begrenzt wird. Andererseits wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Schalter 32 geschlossen und damit ein positiver Wert auf den Integrator gegeben, um den Integratorinhalt zu erhöhen, wenn das Ausgangs-Signal des ersten Addierers 31 zum Zeitpunkt t₄ - sogar vor dem Zeitpunkt t₂ - zu steigen beginnt. Hierdurch wird die Antwort schneller gemacht. Gemäß dem Stand der Technik bleibt der Integrator untätig und das Ausgangs-Signal des Begrenzers beginnt bis zum Zeitpunkt t₂ nicht abzufallen, nachdem das Ausgangs-Signal des zweiten Addierers 35 unter den oberen Grenzwert ou fällt.

Auf der anderen Seite steigt der Integrator gemäß der vorliegenden Erfindung durch das steigende Ausgangs-Signal des ersten Addierers 32 sogar vor dem Zeitpunkt t₂, so daß das Ausgangs-Signal des Begrenzers zu fallen beginnt, wenn das Ausgangs-Signal des zweiten Addierers 35 zum Zeitpunkt t₃ unter den oberen Grenzwert ou fällt. Auf diese Art wird die Antwort des Regelsystems beschleunigt.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Ofenmodelles. Ein Betriebsschalter 27 verbindet wahlweise das Stellgrößen-Signal u(k) mit dem Regler 12 auf der Eingangsseite eines Ofenmodelles 21 oder mit der Eingangsseite des Ofens 1. Die Zustands-Signal-Seite des Reglers 12 wird wahlweise mittels eines Zustandsschalters 28 mit der Zustands-Ausgangs-Seite des Ofenmodelles 21 oder mit der Zustands-Ausgangs-Seite des Ofens 1 verbunden. Der Empfangseingang für das Ausgangs-Signal y(k) des Reglers 12 wird wahlweise über einen Ausgangs-Signal-Schalter 29 mit der Ausgangs-Signal-Seite des Ofenmodelles 21 oder mit der Ausgangs-Signal-Seite des Ofens 1 verbunden. Das Ofenmodell 21 wird entweder mittels einer Computersimulation oder mittels einer entsprechenden Hardware erzeugt, daß es sich in der gleichen Weise verhält, wie der Ofen 1, soweit die Temperatur-Regelung betroffen ist.

Der Betrieb des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 8 wird im folgenden unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm in Fig. 23 erläutert. Zum Start wird in einem ersten Schritt eine Intialisierung durchgeführt. Es werden nicht nur verschiedene Koeffizienten auf der Regelvorrichtungs-Seite sondern auch verschiedene Konstanten auf der Seite des Ofenmodelles 21 gesetzt. Zunächst werden der Betriebsschalter 27, der Zustandsschalter 28 und der Ausgangsschalter 29 alle auf die Seite des Ofenmodelles 21 geschaltet.

Nach der Initialisierung wird die Reproduktions-Operation mit dem Ofenmodell 21 in einem zweiten Schritt durchgeführt, während die Antwort auf die Frage "konvergiert der Einstell-Eingangswert ()?" überwacht wird. Wenn die Antwort auf diese Frage negativ ist, wird die Regelung in einem dritten Schritt weitergeführt, so daß die Reproduktions-Operation mit dem Ofenmodell 21 fortgeführt wird. Wenn die Antwort auf die obige Frage positiv ist, schreitet die Regelung zu dem vierten Schritt fort, um den Ofen 1 zu betreiben. Nach der Reproduktions-Operation findet die Erneuerung des Einstell-Eingangswertes () in einem fünften Schritt statt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 wird zunächst ein geeigneter, verschiedene Anforderungen erfüllender Einstell-Eingangswert () mittels des Ofenmodelles 21 erzeugt, und der tatsächliche Ofen 1 wird dann mit dem so erzeugten Einstell-Eingangswert () betrieben. Auf diese Art wird sichergestellt, daß verschiedene Bedingungen mit einer geringen Anzahl von Durchläufen auf den tatsächlichen Ofen erfüllt werden.

Wie im vorstehenden detailliert beschrieben worden ist, wird bei der Ofentemperatur-Regelvorrichtung gemäß der Erfindung ein Einstell-Eingangswert () auf ein größeres System, das den Ofen und den Regler hierfür beinhaltet, geleitet und der Einstell-Eingangswert () wird unter Verwendung eines Einstell-Eingangswertes-Generators und eines Zwei-System-Modells im Hinblick auf das obige vergrößerte System unter bestimmten Bedingungen erneuert. Das größere System beinhaltet die thermischen charakteristischen Größen des Ofens und die charakteristischen Größen des Reglers. Der Einstell-Eingangswert-Generator erneuert den Wert des Einstell-Eingangs-Signales () unter Verwendung der Werte in den vorhergehenden Ofenläufen und des Ausgangs-Signales v(k) des Zwei-System-Modelles in Abhängigkeit von der Abweichung e(k) zwischen den gemessenen Ofeninnentemperaturen (y) und den Temperatur-Sollwerten (r). Hierdurch werden gemäß der Erfindung die folgenden herausragenden Vorteile erzielt:

(a) Eine Verbesserung der Folgegüte in bezug auf ein vorgegebenes Schema von Temperaturänderungen über der Zeit.
(b) Eine Unterdrückung von Ofentemperatur-Abweichungen als Folge von Störungen.
(c) Eine Anpaßbarkeit an nicht-lineare Elemente, wie beispielsweise SCR-geregelten Heizern und ähnlichen, während die Linearität der gesamten Regelung erhalten bleibt.
(d) Die Speichergröße kann reduziert werden. Falls notwendig kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung unter Verwendung eines Zwei-System-Modells mit einer geeigneten herkömmlichen Regelung kombiniert werden, um die Speichergröße zu verringern.
(e) Schnelle Rückführung eines durch einen Begrenzer begrenzten Stellgrößen-Signals auf seinen regulären Wert.
(g) Ermittelung des optimalen Wertes für das Einstell-Eingangs-Signal () mit einer geringen Anzahl von tatsächlichen Ofenläufen dank der Anpaßbarkeit an Simulatoren und ähnlichem.

Claims

1. Ofentemperatur-Regelvorrichtung zum Regeln der Innentemperaturen (y) an ausgewählten Punkten eines Ofens mit Heizern, zum Betreiben des Ofens bei wiederholtem Durchlauf eines bestimmten Betriebsschemas von Temperatur-Wechseln über der Zeit, wobei das Betriebsschema in Form von Temperatur-Sollwerten (r) für die ausgewählten Punkte vorliegt, wobei die Vorrichtung Temperatur-Sensoren zum Messen der Innentemperaturen (y) aufweist; und weiter einen Regler zum Erzeugen von Ausgangssignalen für die Heizer in Abhängigkeit gleichzeitig von den Innentemperaturen (y) und mindestens einer der Temperatur-Sollwerte (r), dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler ein Einstell-Eingangs-Signal (r) zugeführt wird, daß die Ausgangs-Signale des Reglers zumindest ein Teil der manipulierten variablen Signale (u) (Stellgröße) für die Heizer des Ofens bilden; daß ein Speicher dazu ausgelegt ist, die Einstell-Eingangs-Signale (r) für jeden Zyklus des wiederholten Betriebes zu speichern; daß die gespeicherten Einstell-Eingangs-Signale (r) einem größeren System zugeführt werden, das den Ofen und den Regler beinhaltet; daß gleichzeitig die Innentemperaturen (y) dem Regler zugeführt werden; daß ein Zwei-System-Modell im Hinblick auf das größere System unter der Bedingung vorhanden ist, was von den Temperatur-Sollwerten (r) getrennt ist; daß ein Einstell-Eingangs-Signal-Generator das Einstell-Eingangs-Signal (r) auf der Basis einer Kombination der Einstell-Eingangs-Werte (r) in einem vorhergehenden Zyklus und des Ausgangs-Signales (v) des Zwei-System-Modells in Abhängigkeit von der Abweichung (e) zwischen den Temperatur-Sollwerten (r) und den letzten Innentemperaturen (y) erzeugt.

2. Ofentemperaturen-Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Sollwerte (r) der Eingangs-Seite des Reglers zugeführt werden und daß das Einstell-Eingangs-Signal (r) und die Ausgangssignale des Reglers den Heizern des Ofens zugeführt werden.

3. Ofentemperatur-Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter einen Speicher zum Speichern des Einstell-Eingangs-Signales (r) aufweist, das als Antwort auf eine in jedem Zyklus des wiederholten Durchlaufes des Schemas von Temperaturänderungen auftretende Störung erzeugt wird, wobei die Abweichung der Innentemperaturen (y) wegen der Störung Schritt für Schritt verkleinert wird, wenn das Schema wiederholt wird.

4. Ofentemperatur-Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Sollwerte (r) und das Einstell-Eingangs-Signal (r) der Eingangsseite des Reglers zugeführt werden.

5. Ofentemperatur-Regelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter einen Speicher zum Speichern des Einstell-Eingangs-Signales (r) aufweist, das als Antwort auf eine in jedem Zyklus des wiederholten Durchlaufes des Schemas von Temperaturänderungen auftretende Störung erzeugt wird, wobei die Abweichung der Innentemperaturen (y) wegen der Störung Schritt für Schritt verkleinert wird, wenn das Schema wiederholt wird.

6. Ofentemperatur-Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstell-Eingangs-Signal (r) dem Regler zugeführt wird, so daß der Regler manipulierte variable Signale (u) (Stellgrößen) für die Heizer des Ofens erzeugt.

7. Ofentemperatur-Regelvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter einen Speicher zum Speichern des Einstell-Eingangs-Signales (r) aufweist, das als Antwort auf eine in jedem Zyklus des wiederholten Durchlaufes des Schemas von Temperaturänderungen auftretende Störung erzeugt wird, wobei die Abweichung der Innentemperaturen (y) wegen der Störung Schritt für Schritt verkleinert wird, wenn das Schema wiederholt wird.

8. Ofentemperatur-Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung weiter Mittel zum Errichten der dem Zwei-System-Modell zugeführten Fehler innerhalb eines bestimmten Zeitquerschnittes der Temperatur-Sollwerte (r) aufweist, wodurch die Folgegüte des Einstell-Eingangs-Signales (r) so verbessert wird, daß die Innentemperaturen (y) den Temperatur-Sollwerten (r) eng in dem Zeitquerschnitt erfolgen.

9. Ofentemperatur-Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung weiter einen Konverter aufweist, der nicht-lineare Anteile der manipulierten, variablen Signale (u) (Stellgrößen) in lineare manipulierte, variable Signale (u) (Stellgrößen) umwandelt.

10. Ofentemperatur-Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung weiter einen Servo-Speicher aufweist, der die Servo-Regelsignale für die Heizer speichert; und Schaltermittel zum wahlweisen Verbinden des größeren Systems mit einem der Speicher, die das Einstell-Eingangs-Signal (r) und die Servo-Regel-Signale speichern.

11. Ofentemperatur-Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung weiter einen Begrenzer aufweist, der die einen bestimmten Grenzwert überschreitenden manipulierten variablen Signale (u) (Stellgrößen) begrenzt, und Schaltermittel, die den Eingang des größeren Systems unterbrechen, wenn die manipulierten variablen Signale (u) (Stellgrößen) den Grenzwert überschreiten und die Werte der Abweichung ein Absinken der manipulierten variablen Signale (u) (Stellgrößen) unter den Grenzwert nicht zulassen.

12. Ofentemperatur-Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung weiter ein Ofenmodell aufweist, und daß Schaltermittel vorhanden sind, die den Regler wahlweise mit dem Ofen oder dem Ofenmodell verbinden.