DE4320900C1 - Verfahren zur Temperaturregelung mit selbständiger Modellermittlung eines Prozeßverhaltens unter Ausnutzung des Aufheizvorganges und zur Bestimmung des Übertragungsverhaltens des Prozesses - Google Patents

Description

Verfahren zur Temperaturregelung mit selbständiger Modellermittlung eines Prozeßverhaltens unter Ausnutzung des Aufheizvorganges und zur Bestimmung des Übertragungsverhaltens des Prozesses.

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Temperaturregelung mit selbständiger Modellermittlung eines Prozeßverhaltens unter Ausnutzung des Aufheizvorganges und zur Bestimmung des Übertragungsverhaltens des Prozesses, insbesondere für kunststoffverarbeitende Maschinen, vorgesehen für die Regelung des Temperatur­ verlaufes, wobei ein Temperatursignal in einem geschlossenen Regelkreis die Istwertregelgröße darstellt und die Regelstrecken eine durch unterschiedliche Aufheiz- und Abkühlzeiten hervorgerufene Nichtlinearität aufweisen.

Bei Temperaturregelstrecken ist wie bei den meisten Regelstrecken das mathematische Modell nicht genau bekannt, nichtlinear und einige Parameter sind zeitvariant. Die Nichtlinearität wird durch unterschiedliche Aufheiz- und Abkühlzeiten hervorgerufen. Zeitvariante Parameter sind u. a. die durch Spannungsschwankungen bedingte unterschiedliche Leistung bei elektrischen Heizungen und die Umgebungstemperatur. Weiterhin ist mit einer starken thermischen Verkopplung von einzelnen Tempera­ turregelstrecken zu rechnen, wenn sie sich in geringem Abstand zueinander befinden oder gar mechanisch miteinander verbunden sind, beispielsweise bei Heizzonen von Spritzgießmaschinen oder Extrudern.

Stellt man nun an die Regelgüte (Aufheizvorgang ohne Überschwingen, gutes Störver­ halten) hohe Anforderungen, so können diese von den bekannten 3-Punkt, PID- oder ähnlichen Algorithmen nur bei sehr genauer Dimensionierung und jeweils nur in einem Arbeitspunkt erfüllt werden.

Mit der DE-AS 15 23 535 wurde ein selbstanpassender Regelkreis bekannt. Dabei wird eine Strategie zur Nachstellung der Verstärkung in einem geschlossenen Regelkreis beschrieben. Man geht bei dieser Lösung davon aus, bestimmte Prozeßzustände durch verschiedene Energieverteilungen erkennen zu können, um dann geeignete Verstärkungswerte für den geschlossenen Regelkreis zuzuordnen. Die Ermittlung der Energieanteile erfolgt mit Filtern. Für die Verstärkungswerte müssen am konkreten Prozeß Werte ermittelt werden, die in der Anordnung tabellarisch abgelegt werden.

Eine Regelung nach der höchsten Ableitung der Regelgröße wird in "msr", Berlin 29 (1986) 9, S. 394-396 vorgestellt. Dabei wird ein Syntheseverfahren für Eingrößenregler beschrieben, die bei nichtlinearen, zeitvarianten bzw. unvollständig bekannten Regelstrecken eine Stabilisierung des dynamischen Verhaltens im geschlossenen Kreis bewirken. Die Theorie dieses Syntheseverfahrens bezieht sich auf den Regelalgorithmus, der mit Hilfe der ermittelten Streckenkennwerte parametriert wird.

Ein übliches Verfahren zur Temperaturregelung mit selbständiger Modellermittlung eines Prozeßverhaltens wird in dem Zeitschriftenaufsatz, Kunststoffberater, Band 35 (1990) Heft 7/8, Seite 14-19 mit dem Titel: "Adaptive Temperaturregler und integrierte Steuerungssysteme mit Bildschirmoberfläche", von Marschall-U. beschrieben. Bei diesem Verfahren werden zwei Parameter, Totzeit und maximaler Temperaturanstieg, ermittelt. Zur Berechnung des dritten Parameters wäre aber die Verstärkung der Regelstrecke notwendig. Da diese aber nicht ermittelt werden kann, ist es notwendig, einen Wert anzunehmen und im Arbeitspunkt nachzustimmen. Deshalb wird auch die Notwendigkeit einer Optimierung im Arbeitspunkt in diesem Beitrag durchgängig betont, ohne eine Lösung anzugeben. Die Kennwertermittlung beruht hierbei auf die übliche Ermittlung der Totzeit und der Aufheizzeit.

Eine bekannte Lösung der Optimierung im Arbeitspunkt ist der Schwingungsversuch. Dieser wird im Zeitschriftenaufsatz: Elektro Anzeiger, Band 42 (1989) Heft 5, Seite 64, 66 beschrieben. Hier wird ein Kompaktregler vorgestellt, der einen PID-Regler mit Selbsteinstellung enthält. Zur Kennwertermittlung wird neben dem erwähnten üblichen Verfahren ein Schwingungsversuch im Arbeitspunkt genutzt. Dieses Verfahren ist nur am ungestörten Prozeß sinnvoll, also nicht während einer Produktionsphase.

Ein weiteres Verfahren, bei dem die Optimierung im Arbeitspunkt möglich ist, wird in dem Zeitschriftenkurzaufsatz: Der Maschinenmarkt, Band 88 (1982) Heft 51 , Seite 1072, beschrieben. Es wird ein Temperaturregler mit mehreren Kanälen vorgestellt. Eingesetzt werden PID-Regler, deren Parameter während des Anfahrvorganges ermittelt werden. Eine Verstärkungsanpassung im Arbeitspunkt ist möglich.

Alle bekannten Konzepte zu Reglern mit Selbsteinstellung nutzen den Anfahrvorgang, also die Inbetriebnahme, bei dem eine Stellgröße eine gewisse Zeit konstant ist, zur Berechnung eines Modelles des Prozeßverhaltens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Temperaturregelung mit selbständiger Modellermittlung eines Prozeßverhaltens und zur Bestimmung des Übertragungsverhaltens des Prozesses, insbesondere für kunststoffverarbeitende Maschinen, zu schaffen, bei dem das Regelverhalten einer Temperaturregelung verbessert ist und eine Verringerung des Inbetriebnahmeaufwandes erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Es wurde mit der Erfindung eine Anordnung von Funktionselementen geschaffen, die ein Verfahren zur Lösung des in der Aufgabenstellung beschriebenen Problems erreicht. Diese Anordnung weist vorteilhafterweise einen Zeitgeber, der zu Beginn eines Aufheizvorganges mit konstanter Heizleistung geladen wird, ein mit der Istwert- Regelgröße verbundenen ersten Differenzierglied, ein zweites Differenzierglied mit einem Trigger zur Maximalgrößensuche des differenzierten Temperaturverlaufs, ein Teiler und einem zweiten Trigger, der mit dem Zeitgeber verbunden ist, auf. Die ermittelte Maximumgröße des differenzierten Temperaturverlaufs wird durch ein in einem Teiler befindlichen, konstanten Faktor mit einer konstanten Größe multipliziert und diese Größe von dem differenzierten Temperaturverlauf subtrahiert. Der so ermittelte Wert bildet den Schaltwert des zweiten Triggers. Unterschreitet dieser Schaltwert den Wert Null, wird der Zeitgeber gestoppt. Der Inhalt des Zeitgebers ist proportional zu der dem Parameterberechnungsblock zugeführten Zeitkonstante und das Verhältnis der Temperatur zur Stellgröße proportional zu dem Prozeßverstärkungs­ faktor, da die Stellgröße des Prozeßeinganges konstant ist, wobei beide von der Wahl des Teilers und der Wahl der Struktur des Übertragungsverhaltens abhängen. Die Prozesse, für die das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft eingesetzt werden kann, bestehen immer aus einer Heizquelle mit relativ geringer und einem beheiztem Objekt mit weit größerer Masse. Deshalb wird die Struktur des Übertragungsverhältnisses mit zwei Zeitkonstanten, von denen die eine wesentlich größer als die andere ist, beschrieben. Die Sicherheit der Ermittlung des Prozeßverhaltens ist bei dem beschrie­ benen Verfahren sehr hoch, und die Parameterermittlung ist schon nach einem Teil des Übergangsvorganges abgeschlossen, was bei sehr langsamen Prozessen die Inbetrieb­ nahmezeit wesentlich verkürzt. Mit Hilfe des ermittelten Prozeßmodells werden die Parameter eines robusten Reglers berechnet, und der Regelkreis wird geschlossen. Ändern sich nun während des Betriebes die Prozeßeigenschaften, beispielsweise durch Spannungsschwankungen bei Elektroheizung, Gasdruckänderungen bei Gasheizung, unterschiedlicher Materialeinsatz, Stillstand bzw. Betrieb der Verarbeitungsmaschine (besonders Extruder), so gleicht der robuste Regelalgorithmus diese Änderungen so aus, daß das Verhalten des Gesamtregelkreises nahezu unverändert aperiodisch bleibt.

Durch das angegebene Verfahren wird im wesentlichen erreicht, daß während eines Anheizvorganges die Zeitkonstante und die Verstärkung des thermischen Verhaltens eines Prozesses ermittelt wird. Dazu wird eine bestimmte Prozeßstruktur angenommen. Mit Hilfe der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Größen werden die Parameter eines robusten Reglers berechnet. Eine anschließende Optimierung bzw. Anpassung des so gefundenen Reglers bei sich ändernder Regelstreckencharakteristik bzw. veränderten Prozeßbedingungen ist aufgrund der Eigenschaften der Erfindung nicht mehr erforderlich.

Das Verfahren nach der Erfindung nutzt das Expertenwissen über Prozesse des Temperaturverhaltens und der Temperaturregelung bei kunststoffverarbeitenden Maschinen. Es ermöglicht damit, den Verstärkungsfaktor zu bestimmen und den Regler sofort zu berechnen, ohne eine Optimierung im Arbeitspunkt durchführen zu müssen. Prinzipiell ist dieses zwar auch mit dem bekannten Parameterschätzverfahren möglich, doch steigen hierfür Aufwand und Fehlerempfindlichkeit stark an. Auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterliegt der Prozeß gewissen Parameterschwankungen. Diese müssen von der Robustheit des Reglers abgefangen werden, d. h. der geschlossene Regelkreis ändert sein Verhalten trotz Prozeßänderung nur geringfügig. In dieser Eigenschaft ist das Regelverfahren nach der Erfindung den bekannten Regelverfahren überlegen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen in der Zeichnung die

Fig. 1 ein Blockschaltbild mit einer beispielhaften Anordnung und Ver­ knüpfung der Funktionselemente zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung und

Fig. 2 typische Signalverläufe bei kunststoffverarbeitenden Maschinen während eines Anheizvorganges mit Kennwertermittlung.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild mit einer beispielhaften Anordnung und Verknüpfung der Funktionselemente zur Durchführung des Verfahrens, gemäß der Erfindung.

Zur Ermittlung des Übertragungsverhaltens eines technischen Prozesses wird der Anheizvorgang des Prozesses genutzt. Dabei arbeitet die Anordnung, bestehend aus einem ersten Differenzierglied DG1, einem zweiten Differenzierglied DG2, einem ersten Trigger TG1, einem zweiten Trigger TG2, einem Zeitgeber ZG1, einem Teiler TE1, einem Speicher SP1, einem ersten Multiplizierer MP1, einem zweiten Multipli­ zierer MP2, einem dritten Multiplizierer MP3, Dividierer DV, und einem Parameter­ berechnungsblock PB, auf folgende Weise:

Das erste Differenzierglied DG1 ist mit dem Temperatursignal, das im geschlossenen Regelkreis die Istwert-Regelgröße IRG darstellt, verbunden und liefert die erste differenzierte Regelgröße RGDIFF1. Die differenzierte Regelgröße RGDIFF1 wird auf ein zweites Differenzierglied DG2 mit dem Trigger TG1 geschaltet, wobei mittels Nulldurchgang der zweiten differenzierten Regelgröße RGDIFF2 die Maximalgröße MG der ersten differenzierten Regelgröße RGDIFF1 erkannt und durch den ersten Trigger TG1 in den Speicher SP1 geladen wird. Die Maximumgröße MG wird durch einen er­ sten Multiplizierer MP1 mit einem, in dem Teiler TE1 befindlichen ersten konstanten Faktor FA1, der immer kleiner 1 ist, multipliziert, wobei dieses Ergebnis den Subtrahenden SB bildet, der mittels eines Subtrahierers SM1 von der ersten differenzierten Regelgröße RGDIFF1 subtrahiert wird. Die Differenz Diff wird von einem Trigger TG2 überwacht. Wird die Differenz Diff kleiner als Wert Null, wird eine Zeitkonstante T1 ermittelt, indem der Inhalt eines Zeitgebers ZG1, der bei Beginn des Anheizvorganges gestartet wurde, durch einen zweiten Multiplizierer MP2 mit einem zweiten konstanten Faktor FA2 multipliziert. Zur gleichen Zeit wird die Verstärkung KS des Prozesses ermittelt, indem ein Dividierer DV das Verhältnis der Istwert-Regelgröße IRG zu der konstanten Stellgröße des Prozeßeinganges Xe bildet. Das Verhältnis wird durch einen dritten Multiplizierer MP3 mit einem dritten konstanten Faktor FA3 multipliziert und damit der Verstärkungsfaktor KS gebildet. Zur Berechnung der Reglerparameter stehen dem Parameterberechnungsblock PB die Zeitkonstante T1 und der Verstärkungsfaktor KS zur Verfügung.

Die Fig. 2 zeigt typische Signalverläufe bei kunststoffverarbeitenden Maschinen während eines Anheizvorganges mit Kennwertermittlung.

Die Temperatur wird in Abhängigkeit von der Heizzeit t dargestellt, wobei sich die Istwert-Regelgröße IRG über die schon beschriebene Kennwertermittlung und der Funktion des Regelkreises auf den Sollwert einschwingt.

Claims (1)

1. Verfahren zur Temperaturregelung mit selbständiger Modellermittlung eines Prozeßverhaltens unter Ausnutzung des Aufheizvorganges und zur Bestimmung des Übertragungsverhaltens des Prozesses, insbesondere für kunststoffverarbeitende Maschinen, vorgesehen für die Regelung des Temperaturverlaufs, wobei ein Temperatursignal in einem geschlossenen Regelkreis die Istwertregelgröße darstellt und die Regelstrecken eine durch unterschiedliche Aufheiz- und Abkühlzeiten hervorgerufene Nichtlinearität aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwertregelgröße (IRG) auf ein erstes Differenzierglied (DG1) geschaltet ist, welches eine erste differenzierte Regelgröße (RGDIFF1) liefert, die mittels eines zweiten Differenziergliedes (DG2) eine zweite differenzierte Regelgröße (RGDIFF2) liefert, wobei mittels Nulldurchgang der zweiten Regelgröße (RGDIFF2) die Maximalgröße (MG) der ersten differenzierten Regelgröße (RGDIFF1) durch einen ersten Trigger (TG1) erkannt und in einem Speicher (SP1) geladen wird und daß die so ermittelte Maximalgröße den Multiplikator für einen in einem Teiler (TE1) befindlichen ersten konstanten Faktor (FA1) bildet, wobei aus dem sich daraus ergebenen Ergebnis und aus der ersten differenzierten Regelgröße (RGDIFF1) eine Differenz (DIFF) gebildet wird, die von einem zweiten Trigger (TG2) überwacht wird, und daß eine Zeitkonstante (T1) derart ermittelt wird, daß durch einen Schaltwert des zweiten Triggers (TG2) bei Differenz (DIFF) kleiner Null ein Zeitgeber (ZG1), der zu Beginn des Regelvorganges gestartet wurde, gestoppt wird und der momentane Inhalt des Zeitgebers (ZG1) mit einem zweiten Faktor (FA2) multipliziert wird, und daß diese so ermittelte Zeitkonstante (T1) einem Parameterberechnungsblock (PB) zugeführt wird, wobei zeitgleich zur Ermittlung der Zeitkonstante (T1) ein Prozeßverstärkungsfaktor (KS) ermittelt wird, indem das Verhältnis der Istwert- Regelgröße (IRG) zu einer konstanten Stellgröße des Prozeßeinganges (Xe) mit einem dritten konstanten Faktor (FA3) multipliziert wird und daß der so ermittelte Prozeßverstärkungsfaktor (KS) dem Parameterberechnungsblock (PB) zugeführt wird.