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Die
Erfindung betrifft im Wesentlichen ein Verfahren zur Regelung einer
oder mehrerer Oberflächenqualitätsvariablen
eines Faserflachmaterials in einem Schuhkalander, wie in Anspruch
1 definiert. Ein derartiges Verfahren ist aus
US 5 582 689 A bekannt.
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Ein
Schuhkalander weist einen oder mehrere Kalanderspalte auf, in denen
das Kalandern erfolgt. Jeder Kalanderspalt umfaßt wiederum eine geheizte Thermowalze
und ein Endlosband, das dieser gegenüberliegt und unter welchem
sich ein durch eine Belastungseinrichtung mit Druck beaufschlagtes Schuhelement
am Walzenspalt befindet. Die Belastungseinrichtung besteht aus zwei
Reihen von Hydraulikzylindern, eine der Reihen der Hydraulikzylinder
befindet sich an der Vorderkante des Schuhelements und die andere
befindet sich an der Hinterkante des Schuhelements. Das Endlosband
dreht sich um den stationären
Plattenrahmen der Schuhwalze, der der Thermowalze gegenüber angeordnet
ist. Das Faserflachmaterial läuft
zwischen einem oder mehreren Walzenspalten im Schuhkalander, seine
Oberfläche
wird daher mit der erwünschten
Weichheit, Dicke, Opazität
und Glätte
(Qualitätsvariablen
des Faserflachmaterials) kalandriert. Die Qualitätsvariablenwerte hängen wiederum
von der Behandlung ab, der das Faserflachmaterial im Kalanderspalt
ausgesetzt wird, d.h. dem Quetschprozeß. Der Quetschprozeß wird durch
die Walzenspaltbedingungen beeinflußt, d.h. das Gesamtgewicht,
die Gewichtsverteilung und die Temperatur des Walzenspalts, sowie ferner
die Feuchtigkeit und die Temperatur des Faserflachmaterials während seines
Durchlaufs durch den Spalt, und schließlich durch die Kalanderdauer, d.h.
die Verweilzeit des Faserflachmaterials im Walzenspalt.
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Die
auf den Quetschprozeß einwirkenden Faktoren
werden üblicherweise
durch die folgenden Stellgrößen gesteuert:
- – der
auf die Walzenspaltbedingung einwirkende lineare Druck wird durch
den wechselseitigen Druck der Schuhwalze und der Thermowalze gegeneinander
gebildet, wobei dieser Druck beispielsweise durch Variieren des
Gewichts der Schuhwalze und der Thermowalze einstellbar ist. Der
lineare Druck im Schuhkalander hängt
auch von dem Gesamtlastdruck jedes Schuhelements ab;
- – die
Feuchtigkeit und Temperatur des Faserflachmaterials kann durch den
Entwässerungsgrad des
Faserflachmaterials und durch Blasen von Dampf auf die Oberfläche des
Faserflachmaterials vor dem Walzenspalt gesteuert werden;
- – die
Walzenspalttemperatur wird primär
durch die durch internes oder externes Erwärmen der Walze erzeugte Thermowalzentemperatur
mit Hilfe eines separat gesteuerten Stellglieds, einer Induktionsheizung,
eines Heizgebläses
oder dergleichen geregelt;
- – die
Kalandrierdauer hängt
von der Geschwindigkeit des Faserflachmaterials und der Walzenspaltlänge ab,
wobei erstere als aktive Variable zur Steuerung des Quetschprozesses
verwendet wird.
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Außer den
oben erwähnten
aktiven Stellgrößen hängt der
Zustand des Kalanderspalts beim Schuhkalandern vom Gesamtlastdruck
des Schuhelements und der Gewichtsverteilung zwischen Vorderkante
und Hinterkante des Schuhelements ab. In diesem Zusammenhang steht
Vorderkante des Schuhelements für
die Kante, die mit der Längsachse der
Schuhwalze parallel ist und mit der das Faserflachmaterial in Kontakt
kommt, wenn es den Walzenspalt erreicht, und Hinterkante steht für die Kante des
Schuhelements, die zur Längsachse
der Schuhwalze parallel ist, und die das Faserflachmaterial verläßt, wenn
es sich vom Walzenspalt entfernt.
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Die
Neigung des Schuhelements wird mit Hilfe der Lastdruckdifferenz
zwischen den Reihen der Hydraulikzylinder, die unter der Vorderkante
und der Hinterkante des Schuhelements vorgesehen sind, geändert, so
dass die durch die Hydraulikzylinder auf die Hinterkante des Schuhelements
aufgebrachte Last größer als
die Last ist, die auf die Vorderkante aufgebracht wird. Die Lastdruckdifferenz
zwischen der Hinterkante und der Vorderkante des Schuhelements wird "Neigung" genannt, mit anderen
Worten, die auf die Hinterkante des Schuhelements ausgeübte Last übersteigt
die auf die Vorderkante ausgeübte Last
um die Neigung. In Schuhkalandern beeinflussen die Neigung und der
Gesamtdruck des Schuhelements den Zustand des Walzenspalts und somit das
Kalanderergebnis.
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Das
Verfahren der Erfindung beruhte auf den Bemühungen, eine hochpräzise Gesamtregelung
der Qualitätsvariablen
des Faserflachmaterials für
jede Qualität
in allen Räumen
der Papierfabrik zu erzielen und sobald das Faserflachmaterial beim
Anlauf der Schuhkalanderoperation in die Produktionsräume eintritt.
In diesem Zusammenhang meint 'Qualitätsvariablen
für jede
Qualität' die Qualitätsvariablen,
die durch Kalandrieren verschiedener Kartons und Papierqualitäten erhalten
werden, wie Weichheit, Opaziät,
Dicke und Glanz.
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Der
Hauptzweck des Verfahrens der Erfindung ist es, ein neues universelles
Verfahren zur Einstellung der Stellgrößen anzugeben, die auf das
Kalandrierergebnis des Schuhkalanders einwirken, d.h. die Qualitätsvariablen
des Faserflachmaterials, wobei das Verfahren mehr Stellgrößen als
die herkömmlichen
Verfahren zur Steuerung von Schuhkalandern einbezieht.
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Zweck
der Erfindung ist es, ein neues Gesamtregelverfahren unter normalen
Produktionsbedingungen anzugeben, bei dem die Faserflachmaterialgeschwindigkeit
nicht wesentlich variiert oder die Änderungen der Faserflachmaterialgeschwindigkeit die
Qualitätsvariablen
des Faserflachmaterials nicht beeinträchtigen.
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Ein
weiterer Zweck der Erfindung ist es, ein neues Gesamtregelverfahren
anzugeben, wenn sich die Faserflachmaterialgeschwindigkeit wesentlich ändert, typischerweise
in Situationen, in denen die Bahn in die Produktionsräume eintritt
oder von einer Produktionsabteilung in eine andere geht.
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Das
Verfahren der Erfindung ist hauptsächlich durch die Merkmale gekennzeichnet,
die in Anspruch 1 definiert sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfaßt die
Regelung einer oder mehrerer Oberflächenqualitätsvariablen des Faserflachmaterials
in einem Schuhkalander, der einen oder mehrere Kalanderspalte umfaßt. In jedem
Walzenspalt wird der Gesamtlastdruck des Schuhelements und auch
die Lastdruckdifferenz zwischen der Vorderkante und der Hinterkante
des Schuhelements derart gesteuert, daß zwischen den Einstellwerten
der Qualitätsvariablen
und den gemessenen Werten der Oberflächenqualitätsvariablen des Faserflachmaterials
nach dem Schuhkalander eine minimale Differenz erzielt wird. Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfaßt
die Regelung der Oberflächenqualitätsvariablen
des Faserflachmaterials in einem Schuhkalander, der einen oder mehrere
Kalanderspalte aufweist.
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Darüber hinaus
umfaßt
das Verfahren die Regelung von Qualitätsvariablen mit Hilfe an sich
bekannter Stellgrößen, die
auf den Quetschprozeß einwirken,
wie beispielsweise der Menge an Dampf, die auf die Oberfläche des
Faserflachmaterials geblasen wird, der Temperatur der Thermowalze,
des linearen Drucks des Kalanderspalts, der Geschwindigkeit des Faserflachmaterials
und/oder der Feuchtigkeit des Faserflachmaterials.
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Unter
normalen Produktionsbedingungen werden die Qualitätsvariablen
des Faserflachmaterials üblicherweise
mit einem Rückführungsregelverfahren
gesteuert durch:
- – Bestimmung einer oder mehrerer
Oberflächenqualitätsvariablen
des Faserflachmaterials nach einem oder mehreren Walzenspalten im
Schuhkalander,
- – Vergleichen
der bestimmten Oberflächenqualitätsvariablen
des Faserflachmaterials mit den Einstellwerten dieser Qualitätsvariablen,
- – Bestimmung
des optimalen Gesamtlastdrucks für
jedes Schuhelement des Kalanderspalts und der optimalen Lastdruckdifferenz
zwischen der Vorderkante und der Hinterkante des Schuhelements mit
Hilfe eines Rechenprogramms und auf der Grundlage der Differenz
zwischen den Einstellwerten der Qualitätsvariablen und den bestimmten
Oberflächenqualitätsvariablen
des Faserflachmaterials;
- – Regelung
der Lastdruckdifferenz zwischen der Vorderkante und der Hinterkante
jedes Schuhelements und des Gesamtlastdrucks des Schuhelements auf
einen optimalen Wert mit Hilfe der Belastungseinrichtung.
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Die
Differenz zwischen dem Einstellwert und dem gemessenen Wert einer
oder mehrerer Qualitätsvariablen
ermöglicht
die Steuerung einer oder mehrerer auf den Quetschprozeß einwirkenden
Stellgrößen.
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Bei
einem Schuhkalander mit mehreren Spalten werden die Qualitätsvariablen
des zu kalandrierenden Faserflachmaterials durch Optimieren der Stellgrößen separat
in jedem Kalanderspalt des Schuhkalanders optimiert.
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In
einer alltäglichen
Produktionssituation erzielt das oben beschriebene Regelverfahren
den Hauptvorteil, den Quetschprozeß im Schuhkalander und somit
auch die Qualitätsvariablen
des Faserflachmaterials (wie z.B. die Weichheit, Dicke, Opazität und Glätte des
Faserflachmaterials) mit merklich höherer Präzision als bisher zu steuern,
indem die Neigung des Schuhelements und der Gesamtlastdruck als
zusätzliche
aktive Stellgröße im Quetschprozeß berücksichtigt
werden. Das Ergebnis ist eine Steuerung des Quetschprozesses mit
einer höheren Präzision bei
einem niedrigeren Prozentsatz von Faserflachmaterialabfall.
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Wenn
sich die Geschwindigkeit V des Faserflachmaterials von einer ersten
Geschwindigkeit V1 auf eine zweite Geschwindigkeit V2 wesentlich ändert, während die
erste Faserflachmaterialgeschwindigkeit gleich dem Einstellwert
für den
ersten Gesamtlastdruck des Schuhelements in einem oder mehreren
Kalanderspalten des Schuhkalanders und der Lastdruckdifferenz zwischen
der Vorderkante und der Hinterkante des Schuhelements ist, erfolgt
eine Regelung durch:
- – Bestimmen eines neuen Einstellwerts
für den optimalen
Gesamtlastdruck eines oder mehrerer Schuhelemente im Schuhkalander
und für
die Lastdruckdifferenz zwischen der Vorderkante und der Hinterkante
des Schuhelements mit Hilfe eines Rechenprogramms, wenn sich die
Faserflachmaterialgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit V2 ändert, wobei
der neue Einstellwert gleich der zweiten Faserflachmaterialgeschwindigkeit
V2 ist,
- – Änderung
der Druckdifferenz zwischen der Vorderkante und der Hinterkante
eines oder mehrerer Schuhelemente und der Gesamtlastdruckdifferenz
des Schuhelements mit Hilfe der Belastungseinrichtung, so dass sie
gleich den neuen Einstellwerten für die Lastdruckdifferenz zwischen
der Vorderkante und der Hinterkante und dem Gesamtlastdruck sind.
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In
einer Ausführungsform
wird die Druckdifferenz zwischen der Vorderkante und der Hinterkante und
dem Gesamtlastdruck des Schuhelements so geändert, dass sie gleich den
neuen Einstellwerten der Lastdruckdifferenz zwischen der Vorderkante
und der Hinterkante des Schuhelements ist, indem in einem Zeitraum ΔT mit den
nachfolgenden Einstellwerten eine Staffelung erfolgt. Für die gestaffelte Änderung
der Einstellwerte werden bevorzugt multivariable Vorhersagealgorithmen
und, besonders bevorzugt, wird ein sogenannter MPC-Steueralgorithmus
(model predictive control) verwendet.
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Die
genannten gestaffelten Vorhersagesteuerverfahren haben den Vorteil,
dass sie eine raschere und effizientere Regelung der Qualitätsvariablen
des in einem Schuhkalander zu kalandrierenden Faserflachmaterials
als bisher ermöglichen,
wenn die normale Produktion anläuft
(z.B. während
des Anlaufs einer Papiermaschine/Kalandriereinheit) und/oder, wenn
sich die Geschwindigkeit des Faserlachmaterials wesentlich ändert. Die
Schnelligkeit der Vorhersagesteuerverfahren beruht sowohl auf der
Natur des Steueralgorithmus als auch auf der Belastungseinrichtung,
die das Schuhelement beaufschlagt, das von Hydraulikzylindern gebildet
wird, die augenblicklich auf Änderungen
im Hydraulikdruck reagieren. Indem der Gesamtlastdruck des Schuhelements
und die Neigung als zusätzliche
Stellgröße berücksichtigt werden,
können Übergangsbedingungen
auch in Situationen gesteuert werden, in denen das vorher unmöglich war.
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In
Bezug auf die Vorteile einer gestaffelten Steuerung mit einem MPC-Steueralgorithmus
kann besonders hervorgehoben werden, dass der Steueralgorithmus
die sich kreuzenden Effekte zwischen den Stellgrößen kompensiert, die Möglichkeiten
für eine
Beschränkung
der Stellgrößen bietet
und die Prozeßverzögerung kompensiert,
die zwischen der Änderung
der Stellgrößen und
der Änderung
der Prozeßqualitätsvariablen
entsteht.
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Im
Rahmen der Erfindung ist anzumerken, daß unter den zusätzlichen
Vorteilen, die durch das Verfahren der Erfindung erzielt werden,
die Verwendung der Neigung und des Gesamtdrucks des Schuhelements
als aktive Stellgröße ein direkter, preiswerter
und rascher Weg zur Steuerung des Quetschprozesses angegeben wird.
Die Änderung der
Thermowalzentemperatur, der Faserflachmaterialgeschwindigkeit, der
der Oberfläche
des Faserflachmaterials zugeführten
Dampfmenge und ähnlicher
Stellgrößen, wie
sie generell beim Schuhkalandern verwendet werden, merklich langsamer,
arbeitsaufwendiger und teurer ist als die Steuerung der Neigung
und des Gesamtdrucks des Schuhelements, die oft das gleiche Endergebnis
wie die gemeinsame Steuerung mehrerer Stellgrößen erzielt.
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Die
Erfindung ist im folgenden im Einzelnen unter Bezug auf die beiliegenden
Figuren beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht des Kalanderspalts, teilweise im Querschnitt,
vom Ende des Walzenspalts gesehen,
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2 eine
schematische Darstellung des Prinzips der Rückführungsregelung der im Verfahren der
Erfindung verwendeten Qualitätsvariablen,
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3 eine
schematische Darstellung einer sogenannten MPC-Regelung (Vorwärtsregelungsverfahren),
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4 eine
schematische Darstellung des Regelverfahrens der Erfindung als sogenannte
Vorwärtsregelung
unter Verwendung eines MPC-Steueralrorithmus, wenn sich die Geschwindigkeit
des Faserflachmaterials wesentlich ändert,
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5 ein
Schaubild der Massendichteweichheit des Faserflachmaterials mit
drei unterschiedlichen Schuhelementneigungen.
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Im
folgenden ist jede Figur kurze erläutert.
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Schuhkalanders mit einem Kalanderspalt 1'. Die Hauptteile
des Kalanderspalts bestehen wiederum aus der geheizten Thermowalze 5 und
der dieser gegenüberliegenden
Schuhwalze 6. Ein Endlosband 9 dreht sich auf
dem stationären
Rahmen 10 der Schuhwalze. Das sich auf dem Schuhwalzenrahmen drehende
Band und die Thermowalze sind um den Walzenspalt 7 beabstandet,
in dem die Oberfläche des
Faserflachmaterials 3 kalandriert wird. Das Faserflachmaterial
läuft in
der Figur mit einer Geschwindigkeit V in Richtung der Pfeile von
links nach rechts. Mit Hilfe der Belastungseinrichtung 2,
die sich unter dem Schuhelement 8 befindet und aus Reihen
von Hydraulikzylindern 2' und 2'' besteht, die die Vorderkante 8' und die Hinterkante 8'' des Schuhelements mit Druck beaufschlagen,
wird im Walzenspalt ein Quetschdruck erzeugt. Eine oder mehrere
Qualitätsvariablen 300 des
Faserflachmaterials werden von einem Meßsensor 20 oder mehreren
Meßsensoren 200 nach
dem Spalt bestimmt. Von der Differenz zwischen einer oder mehreren
bestimmten Qualitätsvariablen 300'' und den Einstellwerten 300' für diese Qualitätsvariablen
wird ein Steuersignal erzeugt. Wenn für die Bestimmung ein einziger
Meßsensor verwendet
wird, wird eine einzige Qualitätsvariable bestimmt,
wobei ein Steuersignal von der Differenz zwischen seinem Einstellwert 30' und dem bestimmten
Wert 30'' erzeugt wird.
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2 zeigt
eine typische Rückführungsregelungsstrategie
für eine
oder mehrere Qualitätsvariablen.
Die Werte 300'' (30''), bestimmt für eine oder mehrere Qualitätsvariablen 300 (oder
eine einzige Qualitätsvariable 30),
werden mit den Einstellwerten 300' (oder 30') für die gleichen Qualitätsvariablen verglichen.
Auf der Basis des Vergleichs werden bei einer oder mehreren Stellgrößen 400 mit
Hilfe des Rechenprogramms 50 Änderungen durchgeführt. Die
Stellgrößen wirken
auf die Quetschprozeß und, folglich,
auf die Qualitätsvariablen/die
Qualitätsvariable 300 (30)
ein. Die Stellgröße(n) implizieren
Vorwärts-,
d.h. vorhergesagte Einstellwerte für diese speziellen Stellgrößen in Vorhersageregelverfahren, die
auf der Differenz zwischen den vorhergesagten Einstellwerten und
den Referenzeinstellwerten der Qualitätsvariablen berechnet werden.
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3 ist
eine schematische Ansicht des Betriebs einer multivariablen Steuereinrichtung (MPC-Steuereinrichtung).
Die MPC-Steuereinrichtung
wird über
die Differenz zwischen dem festgestellten Wert 300'' (30'')
und dem Einstellwert 300' (30') eines oder
mehrerer Qualitätsvariablen
informiert, wobei die gegenwärtigen
Werte der Einstellwerte 400' der
Stellgrößen auf
den Quetschprozeß und
die Geschwindigkeit V des Faserflachmaterials einwirken, und stellt
nachfolgend die Einstellwerte 400' eines oder mehrerer Qualitätsvariablen
mit Hilfe des Rechenprogramms 50 ein. Die Ziffern in Klammern
beziehen sich auf die Situation, in der eine individuelle Qualitätsvariable 30 bestimmt
und mit dem Einstellwert dieser bestimmten Qualitätsvariable
verglichen wird.
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4 ist
eine schematische Darstellung des Regelverfahrens der Erfindung,
die einen Vorhersagealgorithmus (MPC-Algorithmus) realisiert, wenn die
sich die Geschwindigkeit V des Faserflachmaterials 3 wesentlich
von einer ersten Geschwindigkeit V1 auf eine zweite Geschwindigkeit
V2 ändert.
Im Regelverfahren werden die Einstellwerte 40a' für die Neigung
des Schuhelements und der Gesamtlastdruck mit Hilfe des Rechenprogramms 50; 501 vom
Wert 40a1' auf
den Wert 40a2' und
weiter auf 40a3' geändert. Die
Einstellwerte 400' für die anderen
Stellgrößen können ebenfalls
von 401' auf 402' und weiter auf 403' geändert werden.
Das Verfahren umfaßt
die periodische Bestimmung eines oder mehrerer Qualitätsvariablen 300,
wobei die bestimmten Werte 300'' mit
den gegenwärtig
vorhergesagten Einstellwerten 300' (in diesem Fall 302') für die gleichen
Qualitätsvariablen
verglichen werden. Aufgrund der Differenz zwischen den gegenwärtig vorhergesagten
Einstellwerten 400' (in
diesem Fall 402')
und den vorhergesagten und bestimmten Werten dieser Qualitätsvariablen
werden neue vorhergesagte Einstellwerte 300' (in diesem Fall 303') berechnet.
Die vorhergesagten Einstellwerte für die Qualitätsvariablen
werden mit den Referenzeinstellwerten 300ref' (in diesem Fall 303ref') für die gleichen
Qualitätsvariablen
verglichen und auf der Grundlage der Differenz werden neue vorhergesagte
Einstellwerte 40a' (hier 40a3') für die Neigung
und den Gesamtlastdruck und, möglicherweise,
auch Einstellwerte 400' (hier 403') für andere
Stellgrößen berechnet.
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Anstelle
mehrerer Qualitätsvariablen 300 kann
auch eine einzige Qualitätsvariable 30 bestimmt
werden, wobei ein Steuersignal aus der Differenz zwischen dem bestimmten
Wert 30'' und dem gegenwärtig vorhergesagten
Einstellwert 30' erzeugt und
das Steuersignal zur Änderung
des vorhergesagten Einstellwerts der Qualitätsvariable und der Stellgrößen verwendet
wird.
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5 zeigt
die Weichheit einer weichen Papierqualität als Funktion seiner Massendichte,
wobei der Gesamtlastdruck des Schuhelements nicht geändert wird,
aber die Neigung drei unterschiedliche Werte K1 (0), K2 (1,05) und
K3 (1,30) aufweist.
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Das
Verfahren der Erfindung verwendet entweder eine einzige oder eine
multivariable Steuereinrichtung. Unabhängig von der Qualität derselben folgt
die Regelstrategie in Bezug auf die Qualitätsvariablen hauptsächlich dem
in 2 gezeigten sogenannten Rückführungsprinzip. Die gegenwärtig bestimmten
Werte 300; 300'', (30; 30'') einer oder mehrerer Qualitätsvariablen
des Faserflachmaterials werden mit den entsprechenden Einstellwerten 300; 300', (30; 30') der Qualitätsvariablen
des Faserflachmaterials verglichen. Dieser Vergleich wird verwendet
und aufgrund der Differenz zwischen dem Einstellwert für die Qualitätsvariablen
und dem bestimmten Wert wird ein Steuersignal erzeugt, und auf der Basis
des Steuersignals wird das Rechenprogramm 50 verwendet,
die ausgewählten
Stellgrößen 400 (40)
mit dem in jedem Fall verwendeten Regelverfahren zu ändern. Bei
Vorhersage-Vorwärtsregelverfahren
erfolgen die Änderungen
nicht bei den Stellgrößen, sondern
bei den Einstellwerten 400' (40') der Stellgrößen (den
Vorhersageeinstellwerten).
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Bei
Vorwärtsregelverfahren
stehen die Einstellwerte für
die Qualitätsvariablen
für Vorhersageeinstellwerte
der Qualitätsvariablen,
die aufgrund der Prozeßsteuergeschichte
berechnet wurden, das sind die vorherigen Stellgrößen und
die bestimmten Qualitätsvariablen
und die früheren
vorhergesagten Einstellwerte der Qualitätsvariablen, wobei die vorhergesagten
Qualitätsvariablen-Einstellwerte
gleich den gegenwärtig
erwünschten
Einstellwerten der Qualitätsvariablen
(Referenzeinstellwerte) oder von ihnen verschieden sind. Die Zahlen
in Klammern beziehen sich auf eine Situation, in der anstelle mehrerer
Qualitätsvariablen 300,
nur eine einzige Qualitätsvariable bestimmt
wird, deren festgestellter Wert 30'' und
der Einstellwert 30' ist.
Demnach können Änderungen auch
bei einem einzigen Einstellwert 40 oder Einstellwert 40' für eine einzige
Stellgröße in Rückführungsregelverfahren
erfolgen. So wird beispielsweise der Anfangswert 40a1 für die Schuhelementneigung
und den Gesamtlastdruck mit dem Rechenprogramm 503 auf
den Wert 40a2 auf der Grundlage der vom Rechenprogramm 503 aus
der Differenz zwischen dem Einstellwert 30' und dem bestimmten Wert 30'' der Qualitätsvariable erhaltenen Steuersignale
eingestellt. Auf die gleiche Weise können die Werte der anderen
Stellgrößen 400 ebenfalls
von 401 auf 402 geändert werden. Bei dem Rechenprogramm
handelt es sich um eine Tabelle, eine Kurve ein Rechenmodell und
dergleichen. Ändert
sich die Geschwindigkeit V des Faserflachmaterials wesentlich, wie
bei der in 4 gezeigten Strategie, die vollständig auf
dem Prinzip der Vorwärtsregelung
operiert, d.h. die Vorhersageregelung verwendet, so wird das oben
beschriebene Verfahren der Rückführungsregelung
wie folgt realisiert: Ein Signal von der Differenz zwischen dem
bestimmten Wert 300'' (30'') einer oder mehrerer Qualitätsvariablen
und dem gegenwärtig
vorhergesagten Einstellwert 300' (30') wird periodisch zum Rechenprogramm 502 übertragen,
welches auf der Grundlage dieses Steuersignals zunächst die
vorhergesagten Einstellwerte der Qualitätsvariable(n) und danach die
vorhergesagten Einstellwerte 400' (40') der Stellgröße(n) korrigiert.
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Wenn
die Regelstrategie eine Einheitssteuereinrichtung umfaßt, werden
spezifische Stellgrößen ausgewählt, die
auf die Quetschprozeß einwirken,
und indem diese verwendet werden, werden die separat gewählten Qualitätsvariablen 300 mit
Hilfe eines speziellen Rechenprogramms 50 gesteuert, d.h.
mit einer Rechenfunktion, einer Formel, einer Tabelle oder einer
Kurve. Im erfindungsgemäßen Verfahren
sind folgerichtig die Schuhelementneigung und der Gesamtdruck 40a eine
der Stellgrößen 40. Wenn
daher die Einheitsregelstrategie verwendet wird, wird der gegenwärtig bestimmte
Wert 30'' einer gegebenen
Qualitätsvariable
des Flachfasermaterials 3, der beispielsweise nach dem
Kalanderspalt, wie in 1, bestimmt wurde, mit dem Einstellwert 30' dieser speziellen
Qualitätsvariable
verglichen und ein Steuersignal wird aus der Differenz zwischen dem
bestimmten Wert und dem Einstellwert erzeugt, wonach dann das Rechenprogramm
auf der Basis des Steuersignals eine neue Neigung und einen neuen
Gesamtdruck errechnet, die den Einstellwert 30' der Qualitätsvariable
ergeben.
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Bei
der in dem Verfahren angewendeten Regelstrategie ist der Effekt
der Stellgrößen 400 auf
die ausgewählten
Qualitätsvariablen 300 durch
das Rechenprogramm 50, d.h. als Reaktionsmodell, Funktion,
Tabelle oder Kurve, bekannt. Wird ein multivariables Regelverfahren
angewendet, sind die Stellgrößen 400 dann
vorgegebene maximale und minimale Werte, innerhalb derer jede einzelne
Stellgröße 40 geändert werden
kann. So beispielsweise, wenn der Effekt der Neigung und des Gesamtdrucks 40a eines Schuhelements,
die als Stellgröße für ausgewählte Qualitätsvariable 300 verwendet
werden, bekannt ist, ist es möglich,
maximale und minimale Grenzen zu setzen, innerhalb derer die Neigung
und der Gesamtdruck des Schuhelements variieren können. Bei
der multivariablen Regelung wird der simultane Effekt mehrerer Stellgrößen 400 auf
den Quetschprozeß berücksichtigt.
Eine derartige Regelstrategie wird durch die MPC-Steuereinrichtung,
d.h. die in 3 und 4 gezeigte
multivariable Vorhersagesteuereinrichtung, repräsentiert. Das Verfahren verwendet ein
sogenanntes Vorwärtsregelungsverfahren,
in dem ein Reaktionsmodell verwendet wird, um die optimalen Einstellwerte 400' für alle verwendeten
Stellgrößen zu suchen
(z.B. die Thermowalzentemperatur, die Schuhelementneigung und den
Gesamtlastdruck, die dem Faserflachmaterial zugeführte Dampfmenge),
die den erwünschten
Quetschprozeß erzielen.
Um die Einstellwerte zu berechnen, muß man die Reaktionen der ausgewählten Stellgrößen auf
eine oder mehrere Qualitätsvariablen 300 kennen und
außerdem
müssen
die wechselseitigen sich kreuzenden Effekte der Stellgrößen bestimmt
werden (Reaktionsmodell).
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Danach
kann die Steuerung des Quetschprozesses optimal aufgrund aller Stellgrößen innerhalb
der Grenzen der minimalen und maximalen Werte, die hierfür bestimmt
wurden, durchgeführt werden.
Die Stellgrößen-Einstellwerte
werden den Qualitätsvariablen 300 entsprechend
vom Rechenprogramm 50 erhalten.
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3 zeigt
eine multivariable Steuereinrichtung, die den MPC-Steueralgorithmus
verwendet, bei dem eine Stellgröße aus der
Neigung des Schuhelements und dem Gesamtlastdruck 40a besteht.
Es wird ein Schuhkalander mit zwei Kalanderspalten 1; 1', 1'' gesteuert. Im Verfahren werden
die für
die Stellgrößen gewählten Einstellwerte 400' auf der Grundlage
des Steuersignals geändert,
das von der Differenz zwischen den bestimmten Werten 300'' (oder einem einzigen bestimmten
Wert 30')
der Qualitätsvariablen
und den Einstellwerten 300' (oder
einem Qualitätsvariablen-Einstellwert 30') erhalten wurde.
Die Berechnung der Einstellwerte jeder Stellgröße berücksichtigt auch die anderen
Stellgrößen, die
auf den Quetschprozeß einwirken,
und die sich gegenseitig kreuzenden Effekte der Stellgrößen werden
bestimmt. Darüber
hinaus kann die Berechnung der Einstellwerte für die Stellgrößen den
Effekt der Geschwindigkeit V de s Faserflachmaterials berücksichtigen.
Die MPC-Steuereinrichtung der Figur stellt gleichzeitig die Einstellwerte 400' mehrerer, auf
den Quetschprozeß einwirkenden
Stellgrößen ein,
wie z.B. die lineare Belastung der Walzenspalte, die Thermowalzentemperatur,
die Dampfmenge, die auf die Oberfläche des Faserflachmaterials
geblasen wird, und die Einstellwerte 40a' der Schuhelementneigung und den
Gesamtlastdruck. Eine multivariable Steuereinrichtung erhält die bestimmten
Werte 300' (30'') für eine 30 oder mehrere
Qualitätsvariablen 300 (z.B.
die Papierdicke, den Glanz, die Weichheit) an einem Bestimmungspunkt 20'; 20'' nach den zwei Kalanderspalten.
Die bestimmten Werte 300' (30'') der Qualitätsvariablen werden mit den
augenblicklich vorhergesagten Einstellwerten 300' (39') der gleichen
Qualitätsvariablen
verglichen und ein Steuersignal wird aus der Differenz zwischen
dem bestimmten Wert und dem Einstellwert jeder Qualitätsvariable
erzeugt, und das Steuersignal wird an die MPC-Steuereinrichtung übertragen.
Darüber
hinaus erhält
die MPC-Steuereinrichtung Informationen über die augenblickliche Geschwindigkeit
V des Faserflachmaterials und die ausgewählten gegenwärtigen Einstellwerte 400' für die Prozeß-Stellgrößen, die
auf den Quetschprozeß einwirken,
wie Informationen über
die gegenwärtige
Schuhelementneigung und den Gesamtlastdruck 40a' in den Kalanderspalten 1; 1' und 1; 1'. Dann berechnet
das Rechenprogramm 50, 503 neue Einstellwerte 404' und 405' für die ausgewählten Stellgrößen, wie
die Schuhelementneigung und den Gesamtlastdruck 40a', die lineare
Belastung auf den Walzenspalten, die Thermowalzentemperatur, die
auf die Oberfläche
des Faserflachmaterials aufgebrachte Dampfmenge und die Temperatur.
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Neue
Einstellwerte können
beispielsweise auch nur für
die Schuhelementneigung oder den Gesamtlastdruck 40a' (40a4' und 40a5') berechnet
werden. Die Einstellwerte werden separat für jeden Kalanderspalte 1; 1' und 1; 1'' berechnet, wobei die sich kreuzenden
Effekte der Stellgrößen auf
die Qualitätsvariable(n)
berücksichtigt
werden. Eine MPC-Steuereinrichtung kann sowohl unter einer normalen
Produktionssituation, als auch bei einer sich wesentlich ändernden
Geschwindigkeit des Faserflachmaterials, typischerweise beim Anlauf
des Schuhkalanders, verwendet werden, wo sich die Ausgangsleistung ändert.
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Wenn
sich die Bahngeschwindigkeit ändert, kann
die Schuhelementneigung und der Gesamtlastdruck entweder multivariabel
oder univariabel gesteuert werden. Da es aber bei einer geänderten Bahngeschwindigkeit
wichtig ist, rasch steuerbare Stellgrößen, wie die Schuhelementneigung
und den Gesamtlastdruck allein zu nutzen, wird üblicherweise eine Einheitsregelstrategie
angewendet, in der der Druck auf der Basis der Referenzwerte der
Qualitätsvariablen
mit Hilfe der Hydraulikzylinder 2', 2'' eingestellt
wird, die den Lastdruck des Schuhelements anhand eines geeigneten
Rechenmodels bestimmen, ohne den Effekt anderer Stellgrößen zu berücksichtigen.
Eine multivariable Regelung ist anwendbar, wenn sich die Geschwindigkeit
des Faserflachmaterials relativ langsam ändert, und dann ermöglicht die Regelstrategie
in adäquater
Weise auch die Einbeziehung des Effekts der anderen Stellgrößen auch auf
die ausgewählten
Qualitätsvariablen.
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4 ist
eine noch genauere Studie der multivariablen Vorhersageregelstrategie
der Erfindung, die mit einer MPC-Steuereinrichtung
realisiert wird, wenn sich die Geschwindigkeit V des Faserflachmaterials
wesentlich, von V1 auf V2, ändert,
beispielsweise beim Anlauf des Schuhkalanders 1. Wie in 1 gezeigt,
weist der Schuhkalander einen Walzenspalt 7 auf, der zwischen
der Thermowalze 5 und der Schuhwalze 6, gegenüber derselben,
ausgebildet ist.
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Der
Einstellwert 40'; 40a1' der Neigung
des Schuhelements 8 und des Gesamtdrucks wird nun mit Hilfe
des Rechenprogramms 50; 501 so geändert, dass
er den Anforderungen, die durch die neue Geschwindigkeit V2 des
Faserflachmaterials an die Stellgröße 40a' gestellt werden, besser entspricht. Zunächst wird
der Einstellwert für
die Stellgröße, d.h. die
Schuhelementneigung 40a',
so geändert,
dass sich der vorhergesagte Einstellwert 30'; 30a' für die ausgewählte Qualitätsvariable
dem ersten Einstellpunkt annähert
und dem Referenzeinstellwert 30aref'; 30a2ref' der Qualitätsvariable gleich wird, der
vom endgültigen
Referenzwert 30anref' dieser Qualitätsvariable
verschieden ist. Die Stellgrößenberechnung
nutzt Informationen über
die Differenz zwischen den Referenzwerten 30aref' und 30anref' und den Werten
der Stellgröße, der
Qualitätsvariable
und einer beliebigen Störvariablen.
Unter Verwendung des Rechenprogramms 50; 501 wird
ein neuer vorgesagter Einstellwert 40a'; 40a2' für die Schuhelementneigung und
den Gesamtdruck mit der Kostenfunktion des ausgewählten Berechnungsverfahrens
erhalten.
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Dieser
vorhergesagte Einstellwert 40a2' der Stellgröße wird durch den vorhergesagten
Einstellwert 30a2' der
Qualitätsvariable
ausgeglichen. Wenn ein neuer, zuverlässiger bestimmter Wert 30'' für die Qualitätsvariable
vom verfahrbaren Meßsensor
erhalten wurde, der nach dem Kalanderspalt 7 angeordnet
ist, wird der bestimmte Qualitätsvariablenwert 30'' mit dem vorhergesagten Einstellwert 30a2' für die gleiche
Qualitätsvariable
verglichen. Das Rechenprogramm gibt die Differenz zwischen diesen Werten
aus und der gegenwärtige
Wert 40a2' der Stellgröße dient
dazu, einen neuen vorhergesagten Einstellwert 30a3' der Qualitätsvariable
zu erhalten. Der vorhergesagte Einstellwert 30a3' der Qualitätsvariable
wird dann mit dem augenblicklichen Referenzeinstellwert 30a3ref' verglichen,
der im Moment der Bestimmung auf die Qualitätsvariable angewendet wird,
und auf der Grundlage der Differenz zwischen diesen Werten wird
ein neuer vorhergesagter Einstellwert 40a3' für die Stellgröße berechnet.
Wenn jedoch der vorhergesagte Einstellwert 30a3' für die Qualitätsvariable
der gleiche wie der Referenzeinstellwert 30a3ref' wäre, werden
keine Änderungen des
augenblicklichen Einstellwerts 40a2' der Stellgröße vorgenommen. Wenn jedoch
der Referenzeinstellwert 30a3ref' der gleiche wie der erwünschte Einstellwert 30anref3' für die Qualitätsvariable
wäre, wird
die Stellgröße 40a' nicht mehr
geändert.
Ansonsten wird die oben beschriebene Prozedur zur Bestimmung der
Qualitätsvariablen
wiederholt. Der Einstellwert 40a1' der Schuhelementneigung und des
Gesamtdrucks wird mit Hilfe der Belastungseinrichtung 2 des
Schuhelements 8, bestehend aus zwei Reihen Hydraulikzylinder,
auf die neuen Einstellwerte 40a2' und 40a3' usw. gesetzt.
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Wenn
sich die Geschwindigkeit des Faserflachmaterials im vereinfachten,
oben beschriebenen Steueralgorithmus wesentlich von V1 auf V2 ändert, werden
die Schuhelementneigung und der Gesamtdruck zeitlich gestaffelt
entsprechend geändert.
Vorbedingung hierfür
ist jedoch, dass Referenzeinstellwerte und vorhergesagte Einstellwerte
für die
Qualitätsvariablen
und die Stellgrößen auf
der Grundlage eines beliebigen Modells, einer Rechenfunktion oder einer
Tabelle augenblicklich zur Verfügung
stehen.
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Beim
oben beschriebenen Steueralgorithmus werden die Schuhelementneigung
und der Gesamtdruck und möglicherweise
auch andere Stellgrößen am Ende
eines vorgegebenen Zeitraums wiederholt geändert. Dieser Zeitraum wird
durch die Stellglieddynamik, wie beispielsweise die Geschwindigkeit
der Hydraulikzylinder und die Prozeßverzögerungen, bestimmt. So werden
beispielsweise die Einstellwerte 40a' für die Schuhelementneigung und
den Gesamtdruck im Zeitraum ΔT
vom Einstellwert 40a1', der
der ersten Geschwindigkeit des Faserflachmaterials entspricht, auf
den Einstellwert 40an',
der der zweiten Geschwindigkeit des Faserflachmaterials entspricht, über die
vorhergesagten Einstellwerte 40a2', 40a3', usw., geändert. In geeigneten Abständen werden
eine oder mehrere Qualitätsvariablen 300 gemessen,
und ein Steuersignal wird von der Differenz zwischen den bestimmten
Qualitätsvariablen 300' und den gegenwärtig vorhergesagten
Einstellwerten 300' der
Qualitätsvariablen
und den vorhergesagten Einstellwerten der Stellgrößen erzeugt,
wobei das Steuersignal zur Einstellung des ersten vorhergesagten
Einstellwerts 300' der
Qualitätsvariable vom
ersten Wert auf den zweiten Wert verwendet wird. Durch einen Vergleich
des für
die zweite Qualitätsvariable
erhaltenen Einstellwerts mit dem Referenzeinstellwert 300ref' der während der
Bestimmung vorherrschenden Qualitätsvariablen, wird mit Hilfe
eines geeigneten Rechenprogramms 50 ein neuer vorhergesagter
Einstellwert auf der Grundlage der Differenz für die Stellgröße berechnet.
Die Referenzeinstellwerte sind entweder feste oder variable Werte.
Wenn die Referenzeinstellwerte variabel sind, muß ihr Schwankungsmuster, d.h.
die Trajektorie, im vorhinein bekannt sein.
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Neue
vorhergesagte Einstellwerte für
die Stellgrößen werden
insbesondere bei der MPC-Steuerung aufgrund der Differenz zwischen
dem Referenzeinstellwert der Qualitätsvariablen und dem erhaltenen
vorhergesagten Einstellwert unter Verwendung einer Rechenfunktion
auf der Grundlage der Minimierung der quadratischen Kostenfunktion
der Differenzvariablen berechnet, wobei die Schwankungen der vorhergesagten
Einstellwerte der Stellgröße so gering
als möglich
sind. Der MPC-Algorithmus berücksichtigt
die Beschränkungen
der Stellgrößen mit
Hilfe der Gewichtungsfunktionen der verschiedenen Stellgrößen der
Kostenfunktion; und somit ist sichergestellt, dass beispielsweise
die Schuhelementneigung keine zu hohen Werte erreicht.
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Es
ist möglich,
anstelle einzelner Qualitätsvariablen
auch mehrere ausgewählte
Qualitätsvariablen 300 zu
bestimmen. Gleichfalls ist es möglich, die
augenblicklichen Werte 300'' mehrerer Qualitätsvariablen
mit mehreren Meßsensoren
zu bestimmen und diese Werte mit den Einstellwerten 300' dieser Qualitätsvariablen
zu vergleichen. Es ist auch möglich,
die Einstellwerte 400' mehrerer
Stellgrößen 400' von 401' auf 402' und weiter
auf 403' in ähnlicher Weise,
wie bei einer einzelnen Stellgröße 40a' gleichzeitig
zu ändern.
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Das
Verfahren der Erfindung ermöglicht
es, beispielsweise die Weichheit einer vorgegebenen Papierqualität nur mit
Hilfe der Schuhelementneigung und/oder durch Änderung des Gesamtlastdrucks
einzustellen. In 5 wurde der Gesamtlastdruck
des Schuhelements konstant gehalten, während seine Neigung geändert wurde.
Die Figur zeigt, dass bessere Weichheitswerte für weiches Papier der gleichen
Massendichte einfach durch Neigen des Schuhelements um einen bestimmten
Betrag erhalten werden konnten.
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Oben
wurde lediglich eine Ausführungsform der
Erfindung beschrieben, dem Fachmann ist jedoch klar, dass die Erfindung
auf verschiedene andere Arten im Rahmen der in den Ansprüchen definierten
Erfindungskonzeption realisiert werden könnte. So kann die Erfindung
bei Schuhkalandern realisiert werden, wo der Kalander auf die Papiermaschinenproduktion
ausgerichtet ist, oder als eine unabhängige Einheit, getrennt von
der restlichen Papiermaschinenproduktion vorgesehen ist.
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Nur
eine Prozeßoption
wurde oben beschrieben, in der die Qualitätsvariablen des Faserflachmaterials
nach den Kalanderspalten des Schuhkalanders bestimmt werden. In
einigen Fällen
ist es jedoch möglich,
die Steueralgorithmen durch Bestimmung der Qualitätsvariablen
vor den Kalanderspalten zu beschleunigen. Diese wahlweise Bestimmung
der Qualitätsvariablen
kann besonders bei Schuhkalandern verwendet werden, die mehrere
Kalanderspalte umfassen und ein Vorhersageregelverfahren verwenden.
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Die
Bestimmung der Qualitätsvariablen
kann mit einem verfahrbaren Meßsensor
erfolgen, der die Eigenschaften des Faserflachmaterials 3 in einem vorgegebenen
Bereich des Faserflachmaterials mißt, wie beispielsweise in der
US-Patentschrift 5 943 906 beschrieben. In einigen Fällen, in
denen es jedoch wünschenswert
ist, die Messungen zu beschleunigen, wenn sich beispielsweise die
Geschwindigkeit V des Faserflachmaterials rasch ändert, kann es bevorzugt sein,
einen punktförmigen
Meßsensor
zu verwenden, der eine oder mehrere Qualitätsvariablen des Faserflachmaterials
an einem Punkt des Faserflachmaterials mißt (punktförmiges Meßverfahren). Ein derartiges
Teilmeßverfahren
für eine
Qualitätsvariable
ist weniger zuverlässig,
aber wesentlich schneller als die Messung einer Qualitätsvariablen mit
einem verfahrbaren Meßsensor über eine
längere Distanz.
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Die
Steuerung der Oberflächenqualitätsvariablen
eines Faserflachmaterials mit Hilfe eines MPC-Steueralgorithmus
(model predictive control) ist oben beschrieben worden. Es sind
jedoch auch andere geeignete Vorhersagesteueralgorithmen zur Regelung
von Qualitätsvariablen
anwendbar; Ausführungsform
und Kostenfunktion derselben sind im Einzelnen beispielsweise in
der Veröffentlichung "Aiche Symposium", Bd. 93–97, S.
232–256,
Kalifornien 1996, beschrieben.