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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein System zum Regeln der Beheizung eines Ofens, das sich der Technik
der unscharfen Logik bedient.
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In den Öfen der Eisen- und Stahl- sowie
der Glasindustrie wird die Brennstoff-Zufuhr in den Beheizungszonen
in den Regelschleifen der Beheizung festgesetzt und eingestellt.
Das Blockdiagramm der Überwachung
der Beheizung einer Zone ist in der 1 der
beigefügten
Zeichnungen dargestellt. Diese Figur betrifft ein gänzlich herkömmliches
System und wird deshalb nicht kommentiert.
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Die Leistungen der Regeleinrichtung
oder Überwachung
hängen
von der zutreffenden Auswahl und guten Einstellung ihrer internen
Parameter ab. Die üblichste
Lösung
besteht darin, einen starren Parametersatz für den Regler vorzusehen. Zu
diesem Zweck muss man über
ein mathematisches Modell des Prozesses (eine Übertragungsfunktion) verfügen, und
dann die Formeln anwenden, die die Parameter des Reglers zusammenführen. Man
muss dabei gewärtig
bleiben, dass die Formeln immer einen Kompromiss zwischen der Qualität der Übergangsreaktion
und dem stabilen Zustand liefern. Darüber hinaus ist ein herkömmlicher
Regler mit aus diesen Formeln stammenden Parametern nur für solche Prozesse
geeignet, die mit einfachen Gleichungen beschrieben werden können.
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In Wirklichkeit ist das beim Prozess
der Beheizung von Öfen
nicht der Fall, der sehr komplex und nicht durch eine einfache Funktion
in ein Modell abbildbar ist.
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Darüber hinaus unterliegt ein solcher
Prozess im Laufe der Zeit verschiedenen Veränderungen oder Störungen,
unter denen man insbesondere angeben kann:
- – Aussetzen
und Wiederanfahren der Produktion, die zu Übergangszuständen führen,
- – Änderungen
der Produktion, d. h. dass Produkte unterschiedlicher Art, Dimensionen
und Massen nacheinander in den Ofen gelangen. Dies bringt ständig Änderungen
der kalorischen Anforderungen mit sich;
- – Änderungen
des Durchlauftakts der Produkte im Ofen.
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Folglich wird es der Regler mit starren
Parametern, selbst wenn er „bestmöglich" eingestellt
ist, nie schaffen, eine bestimmte Grenze der Komplexität und Ungewissheit
des Prozesses zu übertreffen.
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Aus diesen Gründen wurde man dazu gebracht,
eine Regelung zu untersuchen, deren Parameter nicht mehr konstant
sind, sondern sich an die im Betrieb gegebene Situation anpassen
können.
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Im Rahmen der klassischen Systeme
automatischer Regelung hat man so die Idee eines selbstanpassenden
Reglers aufkommen sehen. Der Leitgedanke eines solchen Reglertyps
ist, die Koeffizienten des Reglers online einzustellen mit dem Ziel, das
Einwirken der Regelung an die Betriebsbedingungen anzupassen. Aber
diese Idee beruht stets auf denselben Prinzipien wie im Falle eines
nicht-adaptiven Reglers, d. h. auf einem notwendiger Weise vereinfachten,
immer noch starren mathematischen Modell, wobei bloß dessen
Parameterwerte online eingestellt werden. Der prompte Eingriff durch
den Regler kommt immer auf die Anwendung der herkömmlichen
einfachen Formeln zurück,
die auf einem Ansprech-Kompromiss beruhen.
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In dieser Annäherung optimiert man immer noch
nicht die Einstellung der aus den herkömmlichen Anpassungsformeln
stammenden Parameter. Darüber
hinaus kann das Modell, da es einfach sein muss, selbst wenn man
zugesteht, dass sich seine Parameter weiterentwickeln, und da es
plötzliche Strukturänderungen
aufgrund von Veränderungen und
Störungen
im Ablauf des zu überwachenden
und zu regelnden Prozesses nicht integrieren kann, das System in
bestimmten Momenten nicht korrekt beschreiben, was eine bedeutende
Verschlechterung der Regelung mit sich bringt.
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Man hat des Weiteren schon neue Steuerungstechniken
wie die unscharfe Logik mit Erfolg aufkommen sehen, die an schwierig
als Modell wiedergebbare Prozesse angepasst sind.
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Ein die Technik der unscharfen Logik
anwendendes Steuergerät
oder unscharfes Steuergerät
beruht auf einem logischen Modell, das die Strategie darstellt,
die von einem Operator angewendet würde, wenn dieser das System
manuell steuern müsste. Die
intuitiven Steuerungs-Strategien können durch unscharfe Algorithmen
angenähert
werden, die eine Methode zum exakten Behandeln qualitativer Informationen
liefern.
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Es sind bereits mehrere unscharfe
Steuergeräte
im Markt verfügbar.
Selbst wenn sie unscharfe Berechnungen anwenden, statt sich auf
ein mathematisches Modell zu stützen,
haben sie einen großen Nachteil:
sie sind Standard-Steuergeräte,
also nicht für
ein spezifisches System optimiert. Sie besitzen eine standardisierte
und starre Regelbasis, die folglich nicht entsprechend den Beobachtungen
des Verhaltens des gegebenen Prozesses eingestellt ist. Im Ergebnis
beruht die Regelung auf der Überwachung der
Abweichung zwischen Soll- und Mess-Temperatur, wobei das Eingreifen
der Regelung proportional zu dieser Abweichung verstärkt wird.
Ein solcher Regelungsmodus ist überhaupt
nicht an Systeme großer
Trägheit
angepasst, wie eines z. B. bei einem Ofen vorliegt.
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Wenn man unscharfe Standard-Regler
verwendet, verliert man zwei große Vorteile der Technik der
unscharfen Regelung:
- – man
kann die Eingänge
des Reglers nicht auswählen,
somit ist es unmöglich,
solche Parameter zu berücksichtigen,
die für
die bestimmte Anwendung nützlich
erscheinen und die den Prozess beeinflussen. Die Eingänge des
unscharfen Reglers sind Standardvariablen, wie Abweichung und Ableitung der
Abweichung.
- – man
kann die Regeln nicht entsprechend der Kenntnis des Prozesses, seines
Verhaltens anpassen, welche aus Beobachtungen und Erfahrungen gezogen
werden, denn die Basis der Regeln ist ebenfalls standardisiert und
starr.
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Man gelangt damit also auf dasselbe
Problem zurück:
man verfügt über eine
Standard-Lösung,
die immer einen gewissen Kompromiss darstellt, und in der Folge
ist diese Lösung
nicht optimal und passt nicht immer zu einer gegebenen Situation.
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US-A-5 272 621 beschreibt ein Verfahren zum
Regeln der Temperatur eines Glasschmelzofens, das die Technik der
unscharfen Logik anwendet, indem es den Zustand des Prozesses erfasst und
den Regelalgorithmus in Abhängigkeit
von dem erfassten Zustand auswählt.
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US-A-5 205 979 beschreibt einen Ofen
zum Schmelzen von Kupfer mit einem Regelsystem, das ebenfalls die
Technik der unscharfen Logik anwendet, wobei die Ein- und Ausgänge des
unscharfen Systems typisch für
das Verfahren sind, z. B. der Neigungswinkel des Ofens.
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Die Veröffentlichungen:
- – C. Ling,
T. F. Edgar, „A
new fuzzy gain scheduling algorithm for process control", Proceedings
of the American Con trol Conference, US, New York, IEEE, 24. Juni
1994, Seiten 2284–2290,
XP000343721 und
- – Preuss
H. P. et al.: „Fuzzy
control – werkzeugunterstützte Funktionsbausteinrealisierung
für Automatisierungsgeräte und Prozessleitsysteme",
Automatisierungstechnische Praxis – ATP, Band 34, Nr. 8, 1. August
1992, Seiten 451–460,
XP000296610, beschreiben Ausführungsbeispiele
für Regelsysteme, die
einen PID(Proportional/Integral/Differential)-Regler mit einem unscharfen
Oberprogramm kombinieren.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik und
mit dem Ziel, die hiervor beschriebenen Probleme zu lösen, schafft
die Erfindung ein Verfahren zur Regelung der Beheizung eines Ofens,
in welchem eine herkömmliche
proportionale, integrierende oder differenzierende Regelungseinrichtung
mit einem Oberprogramm mit unscharfer Logik versehen wird, das in
Abhängigkeit
von der vorliegenden Situation und von Informationen, die es an
seinen Eingängen erhält, die
Parameter des Reglers anpasst, wobei dieses Verfahren folgende Schritte
umfasst:
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- – Erfassen
des Zustandes des zu überwachenden und
zu regelnden Prozesses mit Erfassung eines Übergangszustands oder eines
stabilen Zustands, entsprechend dem Unterschied zwischen Solltemperatur
und der gemessenen der Ofenwand-Temperatur;
- – Auswahl
eines von zwei Regelalgorithmen, jeweils für stabilen und Übergangszustand
in Abhängigkeit von
dem so erfassten Prozesszustand, mithilfe eines Kippkreises, der
auf dem Prinzip der unscharfen Logik beruht, wobei ein weicher Übergang
zwischen den Zuständen
ohne Diskontinuität
der Regelung sichergestellt wird;
- – Berechnung
von Regelungsparametern (Kps, Kis, Kds, δKps, δKis, δKds; Kpt, Kit, Kdt, δKpt, δKit, δKdt), in
Abhängigkeit
von den spezifischen Anforderungen, wobei dieses Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, dass die Parameter-Berechnung berücksichtigt:
- – den
Produktionsausstoß und
-takt (4), d. h. die Masse (3) der in dem Ofen behandelten
Produkte und die Produktionsgeschwindigkeit;
- – die
Chargentemperatur;
- – die
Abweichung (1), die den momentanen Unterschied zwischen
der Solltemperatur und der gemessenen Ofenwand-Temperatur angibt;
- – die
Veränderung
(2) der mit der gegebenen Zeitschrittweite gemessenen Temperatur
dieser Wand.
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Andere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden sich aus der Beschreibung ergeben,
die hiernach unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird,
die ein Ausführungsbeispiel
dazu darstellen.
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In den Zeichnungen ist/sind:
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1 ein
Blockdiagramm, das ein herkömmliches
Regelsystem darstellt, wie es in der Einleitung der vorliegenden
Beschreibung erwähnt
ist;
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2 ebenfalls
ein Blockdiagramm zur Darstellung des Regelsystems mit unscharfem
Oberprogramm gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3 ein
Schema, das den im erfindungsgemäßen Regelverfahren
verwendeten Regelalgorithmus darstellt,
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4a und 4b Schemata, die die charakteristischen
Kurven des Verhaltens einer Vorheizzone während des stabilen Zustandes
zeigen, jeweils ohne unscharfen Regler (d. h. entsprechend einer herkömmlichen
Regelungstechnik), und mit unscharfem Regler unter Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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5a und 5b ebenfalls Schemata ähnlich denen
der 4a und 4b, die die charakteristischen Kurven
des Verhaltens einer Heizzone während
des Übergangszustandes
zeigen, jeweils ohne unscharfen Regler (d. h. gemäß der herkömmlichen
Regelungstechnik), und mit unscharfem Steuergerät gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Wie vorstehend ausgeführt wurde,
umfasst der Regelalgorithmus in dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren
zwei Schritte:
- 1) Erfassen des Zustandes des Prozesses (Übergangs-
oder stabiler Zustand) entsprechend der Abweichung Soll-/Messwert.
Man sieht zwei Regelalgorithmen vor, einen pro Zustand, und erfindungsgemäß hat man
einen Kippkreis vorgesehen, der auf dem Prinzip der unscharfen Logik
beruht und der den angemessenen Algorithmus auswählt, wobei er einen sanften Übergang
zwischen den Zuständen
sicherstellt, statt einer Diskontinuität der Regelung.
- 2) Berechnen der Parameter des Reglers entsprechend der festen
und an die spezifischen Anforderungen des vorgesehenen Systems angepassten
Regelbasis unter Berücksichtigung
mehrerer Faktoren, insbesondere:
- – des
Produktionsgrades und -taktes, im Ergebnis erlaubt das Berücksichtigen
der Masse der Erzeugnisse und der Produktionsgeschwindigkeit das
zutreffende Einstellen der Regelung entsprechend der momentan im
Ofen herrschenden Situation. Offensichtlich sind das Verhalten,
das Ansprechen und der kalo rische Bedarf einer Zone, wenn der Ofen
zu 100% seiner Kapazität
gefüllt
und der Takt maximal ist, nicht dieselben wie in dem Extrem-Fall,
dass eine Zone teilweise oder vollständig leer ist. Das erfindungsgemäße Regelverfahren
berücksichtigt
die gesamte Bandbreite zulässiger
Takte und sämtliche möglichen
Füllungsgrade;
- – der
Temperatur der Ofenladung;
- – der
Abweichung, die den aktuellen Unterschied zwischen der Vorgabe und
der gemessenen Ofenwand-Temperatur angibt;
- – der
in vorgegebenen Zeitschritten gemessenen Veränderung der Ofenwand-Temperatur.
Die Überwachung
dieser Variablen ist bei der bevorzugten Anwendung der Erfindung
sehr nützlich,
denn der Prozess kann einer Folge von Vorgabewechseln unterliegen,
und da das Ansprechen des Systems verzögert ist (wegen der bedeutenden
Trägheit
des Ofens), ist es nicht möglich,
die reale Entwicklung des Prozesses abzuschätzen, indem man einfach die Abweichungsänderungen
beobachtet. Indem man diese Parameter überwacht, kann man im Gegenteil die
Richtung und die Geschwindigkeit des Ansprechens des Systems bestimmen.
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Der im erfindungsgemäßen Verfahren
angewendete Regelalgorithmus ist in 3 dargestellt.
In dieser Figur ist
- A: der Grad der Anwendung von Parametern,
die gemäß dem Algorithmus
für den
stabilen Zustand berechnet werden,
- B: der Grad der Anwendung von Parametern, die gemäß dem Algorithmus
für den Übergangs-Zustand berechnet
werden,
- 1: die Abweichung
- 2: die Änderung
der Wandtemperatur
- 3: die Masse der Erzeugnisse
- 4: Produktionstakt des Ofens
- 5: Temperatur der Beladung
Kps, Kis, Kds: Reglerparameter
(Proportionalfaktor, Integrierfaktor, Differentialfaktor), berechnet
in der stabilisierten Prozedur
δKps, δKis, δKds: Korrekturfaktoren für die Reglerparameter
entsprechend dem Produktionsgrad und der Ladungstemperatur
Kpt,
Kit, Kdt, δKpt, δKit, δKdt: Reglerparameter
und Korrekturfaktoren, berechnet in der Übergangsprozedur.
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Das Schema der vom erfindungsgemäßen Verfahren
angewendeten unscharfen Regelung ist in der 2 dargestellt. Wenn man dieses Schema
mit dem der 1 vergleicht,
sieht man, wie das erfindungsgemäße Verfahren
die im Ofen herrschenden thermischen Bedingungen und Verhaltensweisen
der Produktion berücksichtigt,
um unter dem Einfluss des unscharfen Oberprogramms die an das herkömmliche
Regelsystem gelieferten Parameter zu korrigieren.
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So erhält man erfindungsgemäß einen
Regelalgorithmus, der die Steuerung des Ofens zugleich anpassen
kann an:
- – den
Zustand des Prozesses: Übergangs-
oder stabiler Zustand;
- – die
im Ofen herrschenden thermischen Bedingungen : Abweichung/Soll-/Messwert;
Ladungstemperatur, Ansprechzeit des Ofens, etc. ...
- – die
Takte der Produktion: Produktionsgrad, Durchlauftakt der Erzeugnisse
im Ofen.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens
erlaubt es, den Produktionsgrad zu erhöhen und den spezifischen Verbrauch
des Ofens bei gleichzeitiger Verbesserung der Be heizungsqualität zu senken,
wobei man sich der Nachteile der oben erwähnten herkömmlichen Regelsysteme entledigt.
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Um an einem Beispiel die vom erfindungsgemäßen Verfahren
erzielten Ergebnisse zu illustrieren, wird nunmehr auf die 4a, 4b, und 5a, 5b Bezug genommen.
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Diese Figuren stellen charakteristische
Kurven des Verhaltens der Vorheiz-Zone (4a, 4b) und
der Heiz-Zone (5a, 5b) dar, die sich beziehen
auf:
- Kurve 1: Vorgabewert
- Kurve 2: Messwert
- Kurve 3: Brennstoffzufuhr
- Kurve 4: Reglerparameter Kp
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Die 4a und 4b beziehen sich auf das Verhalten
des Ofens im stabilen Zustand: während 4a ein herkömmliches
Regelsystem ohne unscharfes Oberprogramm betrifft, bezieht sich 4b auf das erfindungsgemäße Regelsystem
mit unscharfem Oberprogramm.
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Die 5a und 5b beziehen sich auf das Verhalten
des Ofens im Übergangs-Zustand:
während 5a ein herkömmliches
Regelsystem ohne unscharfes Oberprogramm betrifft, bezieht sich 5b auf das Regelsystem mit
unscharfem Oberprogramm entsprechend dem Verfahren der Erfindung.
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Aus der vergleichenden Betrachtung
der 4a und 4b und 5a und 5b ergeben
sich klar die von der Erfindung im Vergleich mit der herkömmlichen
Regelungstechnik geschaffenen Vorteile: Beim erfindungsgemäßen Verfahren
mit Einsatz eines unscharfen Oberprogramm folgt die Kurve der Messwerte
der Vorgabekurve in einer viel genaueren Weise, was gut die Präzision der
mit der Erfindung erreichten Überwachung
demonstriert.
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Unter den weiteren Vorteilen, die
sich aus dem Einsatz des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
ergeben, kann man insbesondere angeben:
- – Schnelligkeit des Ansprechens
auf Änderungen
der Vorgabe;
- – Erhöhung des
Ofenausstoßes;
- – Verringerung
des spezifischen Verbrauchs;
- – bessere
Zuverlässigkeit,
die sich in einer Verringerung der Eingriffe von Operatoren infolge
von Regelungsfehlern ausdrückt.