WO2006092355A1 - Method for the computer-assisted operation of a technical system - Google Patents

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WO2006092355A1
WO2006092355A1 PCT/EP2006/050766 EP2006050766W WO2006092355A1 WO 2006092355 A1 WO2006092355 A1 WO 2006092355A1 EP 2006050766 W EP2006050766 W EP 2006050766W WO 2006092355 A1 WO2006092355 A1 WO 2006092355A1
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Rudolf Sollacher
Volker Tresp
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Hans-Jürgen LUGAUER
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Siemens Aktiengesellschaft
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Abstract

The invention relates to a method for the computer-assisted operation of a technical system, according to which: - the technical system is characterized by one or several variable control parameters forming a set of control parameters (x) and one or several variable setpoint parameters forming a set of setpoint parameters (y); - the technical system is operated with one respective set of control parameter values (xm) while a set of associated setpoint parameter values (ym) is determined for the set of control parameter values (xm), the sets of control parameter values (xm) and associated setpoint parameter values (ym) being stored at least in part as historical data sets in the technical system; - a probability density (P(x, xold, yold, y)) is estimated for the set of control parameters and the set of setpoint parameters with the aid of the historical data sets; - the conditional probability density (P(x I xold, yold, ynew) is determined for a set of predefined setpoint parameter values (ynew) with the aid of the estimated probability density (P(x, xold, yold, y)); - a set of suitable control parameter values (xnew) is determined for the set of predefined setpoint parameter values (ynew) with the aid of the conditional probability density (P (x | (xold, yold, ynew)).

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zum rechnergestützten Betrieb eines technischen SystemsMethod for the computer-aided operation of a technical system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum rechnergestützten Betrieb eines technischen Systems sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens .The invention relates to a method for the computer-aided operation of a technical system and to a corresponding computer program product for carrying out the method.
Bei der Steuerung von technischen Systemen werden häufigIn the control of technical systems become common
Stelleingriffe an dem technischen System vorgenommen, wobei bei solchen Stelleingriffen ein Bediener variable Stellgrößen des technischen Systems verändert. Durch die Veränderung der Stellgrößen wird versucht, das technische System auf opti- mierte Zielgrößen, wie zum Beispiel optimale Qualitätsparameter des technischen Systems, einzustellen. Um optimale Zielgrößen bei unterschiedlichen Stellgrößen des technischen Systems zu erreichen, muss der Bediener des technischen Systems, der die Stelleingriffe vornimmt, ausreichend Erfahrung bei der Bedienung des Systems gesammelt haben. Da nicht immer gewährleistet ist, dass das technische System von Bedienern mit dem gleichen Erfahrungshorizont bedient wird, kann es zu nicht unerheblichen Schwankungen bei den Zielgrößen des technischen Systems kommen, da die Bediener je nach ihrem Erfah- rungsschatz unterschiedliche Stelleingriffe vornehmen.Performing interventions on the technical system, in such a setting interventions an operator changes variable manipulated variables of the technical system. By changing the manipulated variables, an attempt is made to set the technical system to optimized target variables, such as optimum quality parameters of the technical system. In order to achieve optimum target values for different manipulated variables of the technical system, the operator of the technical system who carries out the control interventions must have gained sufficient experience in operating the system. Since it is not always ensured that the technical system is operated by operators with the same level of experience, there can be considerable fluctuations in the target parameters of the technical system, since the operators make different control actions depending on their experience.
Um den Betrieb eines technischen Systems möglichst von der Erfahrung des Bedieners unabhängig zu machen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, das technische System mit prädika- tiven Regelungsverfahren zu steuern. Dabei wird versucht, ein Modell für die Zielgrößen als Funktion der aktuellen und e- ventuell vergangener Stellgrößenwerte sowie vergangener Zielgrößenwerte zu erstellen. Für diese Modelle werden heuristische Ansätze, physikalische Modelle und datengetriebene An- sätze, wie zum Beispiel neuronale Netze oder Regressionsmodelle, verwendet. In jedem Zeitschritt während des Betriebs des technischen Systems werden dann mittels nicht-linearer Optimierung die aktuellen und gegebenenfalls zukünftige Stellgrößen bestimmt, die für eine endliche Anzahl von zukünftigen Zeitschritten optimierte Zielgrößen liefern. Nachteile der prädikativen Regelungsverfahren sind insbeson- dere der hohe Aufwand bei der Erstellung des der Regelung zugrunde liegenden Modells, der hohe Rechenzeitbedarf der nicht-linearen Optimierung sowie die Tatsache, dass die Stabilität der prädikativen Regelung nur für spezielle technische Systeme bewiesen werden kann. Ein Beispiel für eine sol- che prädikative Regelung findet sich in der DruckschriftIn order to make the operation of a technical system as independent as possible from the experience of the operator, it is known from the prior art to control the technical system with predictive control methods. An attempt is made to create a model for the target values as a function of the current and actual past control value values as well as past target value values. Heuristic approaches, physical models and data-driven approaches, such as neural networks or regression models, are used for these models. In each time step during the operation of the technical system are then using non-linear Optimization determines the current and possibly future manipulated variables that deliver optimized target values for a finite number of future time steps. Disadvantages of the predicative control methods are, in particular, the high expenditure on the creation of the model underlying the control, the high computation time requirement of the non-linear optimization as well as the fact that the stability of the predicative control can only be proved for special technical systems. An example of such a predicative regulation can be found in the document
R. Findeisen, L. Imsland, F. Allgöwer, B.A. Voss, "State And Output Feedback Non-linear Model Predictive Control : An Over- view", European Journal of Control, Bd. 6, Nr. 2 bis 3, 2003, S. 190-206.R. Findeisen, L. Imsland, F. Allgöwer, B.A. Voss, "State And Output Feedback Non-linear Model Predictive Control: An Over- view", European Journal of Control, Vol. 6, No. 2 to 3, 2003, pp. 190-206.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum rechnergestützten Betrieb eines technischen Systems zu schaffen, bei dem geeignete Stellgrößen für das technische System mit geringem Rechenaufwand ermittelt werden können.The object of the invention is to provide a method for computer-aided operation of a technical system, in which suitable manipulated variables for the technical system can be determined with little computational effort.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst .This object is solved by the independent claims.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein technisches Sys- tem betrachtet, das durch eine oder mehrere variablen Stellgrößen, die einen Satz von Stellgrößen bilden, und eine oder mehrere variable Zielgrößen, die einen Satz von Zielgrößen bilden, charakterisiert ist, wobei eine Veränderung der Stellgrößen die Zielgrößen beeinflusst. Das technische System wurde ferner in der Vergangenheit mit einem oder mehrerenIn the method according to the invention, a technical system is considered, which is characterized by one or more variable manipulated variables, which form a set of manipulated variables, and one or more variable target variables, which form a set of target variables, wherein a change of the manipulated variables Target variables influenced. The technical system has also been in the past with one or more
Sätzen von Stellgrößenwerten betrieben und für jeden Satz von Stellgrößenwerten wurde ein Satz von zugeordneten Zielgrößenwerten ermittelt, wobei die zugeordneten Zielgrößenwerte aus dem Betrieb mit dem jeweiligen Satz von Stellgrößenwerten re- sultieren. Die Begriffe Stellgrößen bzw. Zielgrößen sowieOperated sets of manipulated variable values and for each set of manipulated variable values, a set of associated target values were determined, the associated target values resulting from the operation with the respective set of manipulated variable values. The terms manipulated variables or target variables as well as
Stellgrößenwerte bzw. Zielgrößenwerte sind allgemein zu verstehen. Die Stellgrößen können beispielsweise absolute Ein- Stellgrößen des technischen Systems sein. Sie können jedoch auch Differenzen aus aktuellen Einstellwerten zu vergangenen Referenz-Einstellwerten sein. Ebenso können die Zielgrößen absolute, sich aus den aktuellen Stellgrößen ergebende Para- meter des technischen Systems sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Zielgrößen Relativparameter des technischen Systems sind, welche die Differenz aus einem aktuellen Parameter des technischen Systems zu einem vergangenen Referenz- Parameter des technischen Systems wiedergeben. Die Sätze von Stellgrößenwerten und zugeordneten Zielgrößenwerten sind hierbei im technischen System als historische Datensätze hinterlegt. Mithilfe wenigstens eines Teils dieser historischen Datensätze wird im erfindungsgemäßen Verfahren eine Wahrscheinlichkeitsdichte berechnet, welche wenigstens den Satz von Stellgrößen und den Satz von Zielgrößen als Variablen um- fasst. Mithilfe dieser Wahrscheinlichkeitsdichte wird dann eine bedingte Wahrscheinlichkeitsdichte für einen Satz von vorgegebenen Zielgrößenwerten ermittelt, wobei die vorgegebenen Zielgrößenwerte vorzugsweise für das betrachtete techni- sehe System optimale Zielgrößenwerte sind. Die bedingte Wahrscheinlichkeitsdichte ist hierbei von dem Satz von Stellgrößen als Variablen abhängig. Schließlich wird in einem letzten Schritt mithilfe der bedingten Wahrscheinlichkeitsdichte ein Satz von geeigneten Stellgrößenwerten für den Satz von vorge- gebenen Zielgrößenwerten ermittelt. Anschließend kann das technische System dann mit dem Satz von geeigneten Stellgrößenwerten betrieben werden.Command values or target values are to be understood generally. The manipulated variables can, for example, be absolute Be manipulated variables of the technical system. However, they can also be differences from current setting values to past reference setting values. Likewise, the target variables can be absolute parameters of the technical system resulting from the current manipulated variables. However, it is also possible for the target variables to be relative parameters of the technical system, which represent the difference between a current parameter of the technical system and a past reference parameter of the technical system. The sets of manipulated variable values and associated target value values are stored here in the technical system as historical data records. With the aid of at least a part of these historical data records, a probability density is calculated in the method according to the invention which comprises at least the set of manipulated variables and the set of target variables as variables. With the help of this probability density, a conditional probability density for a set of predetermined target value values is then determined, wherein the predefined target value values are preferably optimal target size values for the technical system under consideration. The conditional probability density depends on the set of manipulated variables as variables. Finally, in a last step, using the conditional probability density, a set of suitable manipulated variable values is determined for the set of predefined target variable values. Subsequently, the technical system can then be operated with the set of suitable manipulated variable values.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine so genannte "assoziative Steuerung" gewährleistet, bei der man sich historische Datensätze zunutze macht. Insbesondere werden die erwünschten, optimalen Zielgrößenwerte des technischen Systems mit entsprechenden historischen Datensätzen verglichen, wobei den historischen Datensätzen ein Gewicht entsprechend ihrer Assoziativität zu den optimalen Zielgrößenwerten zugewiesen wird. Die Gewichtung erfolgt hierbei unter Zuhilfenahme einer abgeschätzten Wahrscheinlichkeitsdichte, wobei für die Abschätzung der Wahrscheinlichkeitsdichte die historischen Datensätze verwendet werden.The method according to the invention ensures a so-called "associative control" in which historical data records are used. In particular, the desired, optimal target value values of the technical system are compared with corresponding historical data records, wherein the historical data records are assigned a weight according to their associativity with the optimal target size values. The weighting takes place here with the aid of an estimated probability density, wherein for the estimate of the probability density the historical records are used.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können eine Vielzahl von technischen Systemen betrieben werden, wobei die Systeme gemeinsam haben, dass von einem Bediener oder automatisch Stelleingriffe vorgenommen werden können, bei denen die Stellgrößen des technischen Systems verändert werden. Die Veränderung der Stellgrößen hat wiederum Einfluss auf die Zielgrößen des technischen Systems, wobei diese Zielgrößen insbesondere Qualitätsparameter des technischen Systems, beispielsweise die Qualität von mit dem technischen System hergestellten Produkten, charakterisieren.With the method according to the invention, a plurality of technical systems can be operated, the systems having in common that can be made by an operator or automatically control interventions in which the manipulated variables of the technical system are changed. The change in the manipulated variables in turn has an influence on the target variables of the technical system, these parameters particularly characterizing quality parameters of the technical system, for example the quality of products manufactured using the technical system.
Als mögliche technische Systeme, in denen das Verfahren angewendet werden kann, kommen zum Beispiel Netzwerke, Energieverteilungssysteme, Automatisierungssysteme, Halbleiterproduktionsanlagen, insbesondere zur Herstellung von Leuchtdioden, Produktionsanlagen der chemischen Industrie, Papierher- Stellungsmaschinen sowie Stahlproduktionsanlagen in Betracht.Possible technical systems in which the method can be used are, for example, networks, power distribution systems, automation systems, semiconductor production plants, in particular for the production of light-emitting diodes, production plants of the chemical industry, papermaking machines and steel production plants.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch bei technischen Systemen mit Gedächtnis eingesetzt werden, bei denen die aktuellen Stellgrößen und Zielgrößen auch von ver- gangenen, in früheren Betriebszyklen des technischen Systems verwendeten Stellgrößen und/oder Zielgrößen abhängen. In diesem Fall umfasst die Wahrscheinlichkeitsdichte, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschätzt wird, als weitere Variablen diese vergangenen Stellgrößen und/oder Zielgrößen. Ferner werden bei der Ermittlung der bedingten Wahrscheinlichkeitsdichte feste Werte für diese vergangenen Stellgrößen und/oder Zielgrößen verwendet, und jeder historische Datensatz umfasst die für den jeweiligen früheren Betriebszyklus des historischen Datensatzes gültigen Werte dieser vergange- nen Stellgrößen und/oder Zielgrößen. Eine Möglichkeit der Ermittlung der geeigneten Stellgrößenwerte besteht darin, dass der Erwartungswert der bedingten Wahrscheinlichkeitsdichte berechnet wird. Bei der Verwendung des Erwartungswertes wird die Unsicherheit (Varianz) des er- mittelten Satzes von geeigneten Stellgrößenwerten minimiert. Alternativ ist der Satz von geeigneten Stellgrößenwerten der Satz von Stellgrößenwerten mit der höchsten bedingten Wahrscheinlichkeit. In beiden Fällen wird sichergestellt, dass der Satz von geeigneten Stellgrößenwerten nie außerhalb der bisher verwendeten historischen Datensätze liegt.The method according to the invention can also be used in particular in technical systems with memory, in which the actual manipulated variables and target variables also depend on past manipulated variables and / or target variables used in earlier operating cycles of the technical system. In this case, the probability density that is estimated using the method according to the invention includes as further variables these past manipulated variables and / or target variables. Furthermore, in determining the conditional probability density, fixed values are used for these past manipulated variables and / or target variables, and each historical data set comprises the values of these past manipulated variables and / or target variables valid for the respective previous operating cycle of the historical data set. One way of determining the appropriate manipulated variable values is to calculate the expected value of the conditional probability density. When using the expected value, the uncertainty (variance) of the determined set of suitable manipulated variable values is minimized. Alternatively, the set of suitable manipulated variable values is the set of manipulated variables having the highest conditional probability. In both cases, it is ensured that the set of suitable manipulated variable values never lies outside the historical data records used so far.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch eingesetzt werden, wenn der Satz von vorgegebenen Zielgrößenwerten sowie gegebenenfalls die vergangenen Stellgrößen und/oder Zielgrößen, von denen der Satz von Stellgrößen und der Satz von Zielgrößen abhängt, mit einer Unsicherheit behaftet sind. In diesem Fall wird die Wahrscheinlichkeitsverteilung, welche die Unsicherheit charakterisiert, bei der Ermittlung der bedingten Wahrscheinlichkeitsdichte berücksichtigt. Auf diese Weise kann insbesondere fehlenden vergangenen Zielgrößenwerten undThe method according to the invention can also be used if the set of predefined target value values and, if appropriate, the past manipulated variables and / or target variables on which the set of manipulated variables and the set of target variables depend are subject to uncertainty. In this case, the probability distribution, which characterizes the uncertainty, is considered in the determination of the conditional probability density. In this way, in particular missing past target size values and
Stellgrößenwerten Rechnung getragen werden, indem die Wahrscheinlichkeitsverteilung für die entsprechenden fehlenden Stell- und Zielgrößen eine hohe Unsicherheit aufweist.Manipulated variable values are taken into account by the probability distribution for the corresponding missing control and target variables has a high uncertainty.
In einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung wird die Wahrscheinlichkeitsdichte mit einer Summe von Gauß- Verteilungen über wenigstens einen Teil der historischen Datensätze abgeschätzt, wobei jedem historischen Datensatz eine Gauß-Verteilung mit dem Satz von Stellgrößenwerten und zuge- ordneten Zielgrößenwerten und ggf. mit vergangenen Stellgrößenwerten und Zielgrößenwerten des jeweiligen historischen Datensatzes als Mittelwert und mit einer vorgegebenen Kovari- anzmatrix zugeordnet ist. Statt Gauß-Verteilungen können gegebenenfalls auch andere Verteilungen, wie z. B. die Poisson- Verteilung, verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung wird die Wahrscheinlichkeitsdichte P(x, xoidf Yoidr y) mit folgender Formel abgeschätzt (hier und im folgenden werden Vektoren durch dick gedruckte Buchstaben angedeutet) :In a particularly preferred variant of the invention, the probability density is estimated using a sum of Gaussian distributions over at least part of the historical data sets, each Gaussian distribution having a set of manipulated variable values and associated target values and possibly also past manipulated variable values and target size values of the respective historical data record are assigned as a mean value and with a predetermined covariance matrix. Instead of Gaussian distributions, other distributions, such as, for example, may also be used. As the Poisson distribution used. In a particularly preferred variant of the invention, the probability density P (x, x o id f Yoid r y) is estimated using the following formula (here and below, vectors are indicated by thick printed letters):
P(x, X0Id, yoid, y) = l /L ∑m N (X, Xold f Yoldr Y I xm , Xm,old f ym,old f Ym , Sm)P (x, X 0 Id , y o i d , y) = 1 / L Σm N (X, Xold f Yoldr YI x m, Xm, old f ym, old f Ym, S m )
wobeiin which
x der Vektor des Satzes von Stellgrößen ist;x is the vector of the set of manipulated variables;
Xoid (sofern vorhanden) der Vektor der vergangenen Stellgrößen ist, von denen der Satz von Stellgrößen (x) und der Satz von Zielgrößen (y) abhängt;X o i d (if present) is the vector of past manipulated variables on which the set of manipulated variables (x) and the set of target variables (y) depend;
y der Vektor des Satzes von Zielgrößen ist;y is the vector of the set of targets;
yoid (sofern vorhanden) der Vektor der vergangenen Zielgrößen ist, von denen der Satz von Stellgrößen (x) und der Satz von Zielgrößen (y) abhängt;y o i d (if present) is the vector of the past target quantities on which the set of manipulated variables (x) and the set of target variables (y) depend;
L die Anzahl eines ausgewählten Teils der historischen Datensätze oder die Anzahl aller historischer Datensätze ist, wo- bei sich die Summe in der Formel über alle L historischen Datensätze erstreckt;L is the number of a selected portion of historical records or the number of historical records, with the sum in the formula extending across all L historical records;
Xn, xm,oidΛ ym,oid und ym die entsprechenden Werte der Vektoren x, X-oidr Yoidr und y für den m-ten historischen Datensatz sind;X n , x m , oid Λ ym, oid and y m are the corresponding values of the vectors x, X-oid r Yoid r and y for the mth historical data set;
N(x, X0Id, yoid, y I xm, Xm,oid, Ymroidf Ymr Sm) eine Gauß- Verteilung mit dem Mittelwert {xm, xm,oid, Ym,oidr ym} und einer vorgegebenen Kovarianzmatrix Sm ist.N (x, X 0 Id, y o id, y I x m , Xm, oid, Ym r oidf Ymr S m ) a Gaussian distribution with the mean {x m , x m , oid, Ym, oidr ym} and a given covariance matrix S m .
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Kovarianzmatrix eine Diagonalmatrix mit fol- genden Einträgen S1 in der Diagonalen der i-ten Zeile verwendet:In a further embodiment of the method according to the invention, the covariance matrix is a diagonal matrix followed by The entries S 1 in the diagonal of the i-th row used:
Figure imgf000009_0001
Figure imgf000009_0001
wobeiin which
L1 die numerisch berechnete Standardabweichung des i-ten Eintrags der Vektoren {x, xoidr
Figure imgf000009_0002
y} der historischen Daten- sätze oder der Abstand zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert des i-ten Eintrags der Vektoren {x, xoidr
Figure imgf000009_0003
y} der historischen Datensätze ist;
L 1 is the numerically calculated standard deviation of the ith entry of the vectors {x, x o id r
Figure imgf000009_0002
y} of the historical data sets or the distance between the minimum value and the maximum value of the ith entry of the vectors {x, x o id r
Figure imgf000009_0003
y} is the historical records;
d die Anzahl der Einträge des Vektors {x, xoidr
Figure imgf000009_0004
y} ist;
d is the number of entries of the vector {x, x o id r
Figure imgf000009_0004
y} is;
M die Anzahl der historischen Datensätze oder eines Teils der historischen Datensätze ist.M is the number of historical records or part of historical records.
In einer alternativen Methode wird die Kovarianzmatrix Sm für den m-ten historischen Datensatz aus einer Teil- oder der Gesamtmenge der historischen Datensätze iterativ wie folgt berechnet wird:In an alternative method, the covariance matrix S m for the mth historical record is iteratively calculated from a subset or the total of historical records as follows:
Sm(neu) = ∑i({xi, Xi,oid, yi,oid, Yi) - {Xm, xm,oid ,ym,oid, ym})τ ( { Xl , Xl ,oldf yi ,oldf yi } ~ ( Xπu
Figure imgf000009_0005
Ym ] ) N (Xi , Xi ,oldf
S m (new) = .sigma..sub.i ({xi, Xi, o id, yi, oid, Yi) - {Xm, x m, oid, ym, oid, y m}) τ ({Xl, Xl, oldf yi, oldf yi} ~ (Xπu
Figure imgf000009_0005
Ym]) N (Xi, Xi, oldf
Yl ,oldf yi I
Figure imgf000009_0006
Ymr Sm ( alt ) )
Yl, oldf yi I
Figure imgf000009_0006
Ymr S m (old))
wobeiin which
Xi, xi,oidf yi,oid und yi bzw. xm,
Figure imgf000009_0007
ym,oid und ym die entspre¬ chenden Werte der Zeilenvektoren {x,
Figure imgf000009_0008
y} des 1-ten bzw. m-ten historischen Datensatzes der in der Formel genannten Summe sind;
Xi, xi, o idf yi, oid and yi or x m ,
Figure imgf000009_0007
ym, oid and y m is the entspre ¬ sponding values of the row vectors {x,
Figure imgf000009_0008
y} of the 1 st and m th historical datasets of the sum given in the formula;
in der Formel über diejenigen M/L Datensätze (M ist die Anzahl der historischen Datensätze in der Teil- oder Gesamtmen- ge) summiert wird, deren Zeilenvektoren {xi, Xi,oid^ yi,oidr yi} am nächsten zu dem Zeilenvektor {xm,
Figure imgf000010_0001
ym,oidr ym} des inten Datensatzes liegen, wobei L ein Teiler von M ist.
in the formula over those M / L records (M is the number of historical records in the sub- or total ge) whose row vectors {xi, Xi, o id ^ yi, oidr yi} closest to the row vector {x m ,
Figure imgf000010_0001
ym, oid r ym} of the internal data set, where L is a divisor of M.
Bei der iterativen Berechnung der Kovarianzmatrix wird vorzugsweise ein Abbruchkriterium vorgegeben, welches darin bestehen kann, dass eine vorgegebene Anzahl von Iterationen erreicht wurde oder dass die Differenz zwischen dem aktuellen Wert der Kovarianzmatrix Sm(neu) und dem Wert der Kovarianz- matrix Sm(alt) bei der vorangegangenen Iteration einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.In the iterative calculation of the covariance matrix, an abort criterion is preferably specified, which may be that a predefined number of iterations has been achieved or that the difference between the current value of the covariance matrix S m (new) and the value of the covariance matrix S m (FIG. old) in the previous iteration falls below a predetermined threshold.
Vorzugsweise wird die Kovarianzmatrix zu Beginn der Iteration in Übereinstimmung mit der im Vorangegangenen beschriebenen FormelPreferably, the covariance matrix at the beginning of the iteration is in accordance with the formula described above
Figure imgf000010_0002
Figure imgf000010_0002
gewählt .chosen.
In einer weiteren besonders bevorzugten Variante der Erfindung wird der ausgewählte Teil der historischen Datensätze, über dem die im Vorangegangenen beschriebene Summe der Gauß- Verteilungen gebildet wird, wie folgt bestimmt:In a further particularly preferred variant of the invention, the selected part of the historical data sets, over which the sum of the Gaussian distributions described above is formed, is determined as follows:
i) es werden für jeden historischen Datensatz mit entsprechendem Vektor {xm,
Figure imgf000010_0003
Ym,oidr ym } aus der Teil- oder Gesamtmenge M der historischen Datensätze die M/L nächsten Datensätze ermittelt, deren Vektoren {xi, Xi,oid^ yi,oidr yi} am nächsten zu dem Vektor {xm, xm,oidf ym,oidf ym} liegen;
i) for each historical dataset with corresponding vector {x m ,
Figure imgf000010_0003
Ym, oidr ym} from the subset or total M of the historical data sets determines the M / L next data sets whose vectors {xi, Xi, o id ^ yi, oidr yi} closest to the vector {x m , x m , oidf ym, oidf ym};
ii) es wird für jeden historischen Datensatz mit entsprechendem Vektor {xm, xm,oidf ym,oidf ym} aus der Teil- oder Gesamtmenge der historischen Datensätze die Wahrschein- lichkeit P berechnet, mit der gemäß der Gauß-Verteilung N(x, xoid, yoid, y | xm, xm,oid, ym,oid, ym, Sm) alle in Schritt i) ermittelten M/L nächsten Datensätze des jeweiligen Datensatzes im technischen System auftreten, und zwar mit folgender Formel :ii) for each historical dataset with a corresponding vector {x m , x m , oidf ym, oidf ym}, the probability P is calculated from the partial or total quantity of the historical datasets according to which the Gaussian distribution N (x , x o id, y o i d , y | x m , x m , o id, ym, oid, y m , S m ) all in Step i) determined M / L next records of each record in the technical system occur, namely with the following formula:
MlL ^ = IT N <X1' Xl,old, yi,oldf yi I *m, Xm,old, y«ι,oldf Ym, Sn)MIL = ^ IT N <X 1 'X l, old, yi, yi oldf I * m, Xm, old, y «ι, oldf Ym, S n)
/ wobei das Produkt alle M/L nächsten Datensätze berücksichtigt;/ where the product takes into account all M / L next records;
iii) aus der Teil- oder Gesamtmenge der historischen Daten- sätze wird der Datensatz mit der höchsten in Schritt ii) ermittelten Wahrscheinlichkeit als einer der Datensätze des ausgewählten Teils der historischen Datensätze ausgewählt;(iii) from the subset or total of historical records, the record with the highest probability determined in step (ii) is selected as one of the records of the selected part of the historical records;
iv) aus der Teil- oder Gesamtmenge der historischen Datensätze wird der Datensatz mit der höchsten Wahrscheinlichkeit und die M/L nächsten Datensätze gestrichen, so dass die verbleibende Menge von historischen Datensätzen nunmehr die Teil- oder Gesamtmenge der historischen Da- tensätze bildet;(iv) from the subset or total of historical records, the record with the highest probability and the M / L next records are deleted so that the remaining set of historical records now forms the subset or total of historical records;
v) solange die Teil- oder Gesamtmenge der historischen Datensätze größer Null ist, wird zu Schritt iii) zurückgegangen.v) as long as the subset or total of historical records is greater than zero, the procedure returns to step iii).
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird neben dem ermittelten Satz von geeigneten Stellgrößenwerten ferner die Unsicherheit des ermittelten Satzes, insbesondere die Varianz, in Bezug auf die bedingte Wahrschein- lichkeitsdichte bestimmt.In a further variant of the method according to the invention, in addition to the determined set of suitable manipulated variables, the uncertainty of the determined set, in particular the variance, with respect to the conditional probability density is also determined.
Vorzugsweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren die historischen Datensätze durch die im laufenden Betrieb des technischen Systems hinzukommenden Datensätze ergänzt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise in einer Produktionsanlage für Leuchtdioden eingesetzt, wobei in der Produktionsanlage Wafer in einem Reaktor beschichtet werden. Die Beschichtung erfolgt hierbei insbesondere mit metallorga- nischer Gasphasenabscheidung (MOVPE) , und es werden Leuchtdioden mit einer InGaN-Halbleiterstruktur erzeugt. Hierbei werden im Reaktor in mehreren Schritten Schichten bei bestimmten Temperaturen, Drücken und Materialflüssen aufgedampft. Die Zielgrößen dieser Produktionsanlage sind hierbei Qualitätspa- rameter, wie Helligkeit der hergestellten Dioden, Vorwärtsspannung der Dioden, Wellenlänge der Dioden sowie die ESD- Stabilität (ESD = electro static discharge) der Dioden. Die Stellgrößen sind Prozessparameter bei der Beschichtung der Wafer, insbesondere die Temperatur, die Drücke, die Material- flüsse und die Bedampfungszeiten des Reaktors.In the method according to the invention, the historical data sets are preferably supplemented by the datasets which are added during operation of the technical system. The method according to the invention is used, for example, in a production plant for light-emitting diodes, wafers being coated in a reactor in the production plant. In this case, the coating takes place, in particular, with metal-organic vapor deposition (MOVPE), and light-emitting diodes with an InGaN semiconductor structure are produced. In this process, layers are vapor-deposited at certain temperatures, pressures and flows of material in the reactor in several steps. The target parameters of this production plant are quality parameters such as the brightness of the diodes produced, the forward voltage of the diodes, the wavelength of the diodes and the ESD stability (ESD = electrostatic discharge) of the diodes. The manipulated variables are process parameters during the coating of the wafers, in particular the temperature, the pressures, the material flows and the steaming times of the reactor.
Die bei der Herstellung verwendeten Reaktoren werden von mehreren Personen im Schichtbetrieb bedient. Das erfindungsgemäße Verfahren unterstützt dabei den Operator bei der Einstel- lung der Stellgrößen, indem ihm abhängig von seinen Vorgaben für eine oder mehrere Zielgrößen ein Vorschlag für die Einstellung der entsprechenden Stellgrößen gemacht wird. Die Einstellung der Stellgrößen hängt somit nicht mehr von der Erfahrung des Operators ab. Gegebenenfalls können nur be- stimmte Stell- und/oder Zielgrößen bei der Herstellung derThe reactors used in the production are operated by several people in shifts. In this case, the method according to the invention assists the operator in the setting of the manipulated variables, by making him a suggestion for setting the corresponding manipulated variables depending on his specifications for one or more target variables. The setting of the manipulated variables thus no longer depends on the experience of the operator. If necessary, only certain actuating and / or target variables can be used in the production of the
Dioden berücksichtigt werden, wobei die Stell- und/oder Zielgrößen durch einen Experten oder durch eine Sensitivitätsana- lyse eines linearen oder nicht-linearen Regressionsmodells oder eines künstlichen neuronalen Netzes bestimmt werden.Diodes are taken into account, wherein the manipulated and / or target variables are determined by an expert or by a sensitivity analysis of a linear or non-linear regression model or an artificial neural network.
Neben dem soeben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein Computerprogrammprodukt, das in den Speicher eines Computers geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchge- führt wird, wenn das Programmprodukt auf dem Computer läuft. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.In addition to the method just described, the invention further relates to a computer program product which can be loaded into the memory of a computer and comprises software code sections with which the method according to the invention is carried out when the program product is running on the computer. Embodiments of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. IA und Fig. IB den schematischen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines technischen Systems.FIG. 1A and FIG. 1B show the schematic sequence of an embodiment of the method according to the invention for operating a technical system.
Es sei hierbei angemerkt, dass in den Figuren Vektoren nicht durch dick gedruckte Buchstaben, sondern durch entsprechende Unterstriche dargestellt sind.It should be noted here that in the figures vectors are not represented by thick printed letters, but by corresponding underscores.
Bevor im Detail auf den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfah- rens eingegangen wird, werden zunächst einige im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Größen definiert.Before discussing the course of the process according to the invention in detail, some variables used in the process according to the invention are first defined.
x = {xi, X2, ..., XNJ ist ein Zeilenvektor, welcher als Einträge die N Stellgrößen des technischen Systems umfasst.x = {xi, X2, ..., X N J is a row vector which comprises as entries the N manipulated variables of the technical system.
y = iYir Y2r •••Λ YMJ ist ein Zeilenvektor, der als Einträge die M Zielgrößen des technischen Systems umfasst.y = iYir Y2R ••• Λ YMJ is a row vector as entries the M targets comprises the technical system.
In dem technischen System sind in der Vergangenheit verwende- te Stellgrößen und die entsprechenden Zielgrößen als historische Datensätze hinterlegt. In der hier beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens hängen die einzelnen Stellgrößen und Zielgrößen auch von Stellgrößen und Zielgrößen ab, die in früheren Betriebszyklen im technischen System verwendet wur- den. Ein mit dem Index m bezeichneter historischer Datensatz aus der Menge der historischen Datensätze umfasst deshalb folgende Größen:In the technical system, manipulated variables used in the past and the corresponding target variables are stored as historical data records. In the embodiment of the method described here, the individual manipulated variables and target variables also depend on manipulated variables and target variables that were used in earlier operating cycles in the technical system. Therefore, a historical record, designated by the index m, from the set of historical records includes the following quantities:
Xm = {xt:if Xt,2, ■■-, Xt,N}f wobei die Stellgrößenwerte xt,i bis Xt,N dieses Datensatzes in einem Betriebszyklus zu einem Zeitpunkt t verwendet wurden; Ym = {Ytrir Yt,2, • ••, Yt,M} , wobei ym die entsprechenden sich für die Stellgrößenwerte xm ergebenden Zielgrößenwerte um- fasst;Xm = {xt : if Xt, 2, ■ - -, Xt, N} f where the manipulated variable values x t , i to X t , N of this data set were used in one operating cycle at a time t; Ym = {Yt r ir Yt, 2, • ••, Yt, M}, where y m comprises the corresponding target value values resulting for the manipulated variable values x m ;
XoId,m = {Xt-1,1, Xt-1, 2, • • • , Xt-1,N, • • • , Xt-T,l, Xt-T,2, • • • , xt-T,N), wobei X0Id,m die zu vorangegangenen Zeitpunkten (t-1) bis (t-T) verwendeten Stellgrößenwerte umfasst, welche die zum Zeitpunkt t verwendeten Stell- und Zielgrößenwerte beeinflussen.XoId, m = {Xt-1,1, Xt-1, 2, • • •, X t-1, N, • • •, X tT, l, X tT, 2, • • •, x t -T , N), where X 0 Id, m comprises the manipulated variable values used at previous times (t-1) to (tT), which influence the manipulated variable and target variable values used at the time t.
yold,m = (Yt-1,1, Yt-1, 2r • • • , Yt-I,M, • • • , Yt-T, I1 Yt-T, 2 r • • • ι wobei yoid,m die entsprechenden sich für die Stellgrößenwerte Xoid,m ergebenden Zielgrößenwerte umfasst.yold, m = (Yt-1,1, Yt-1, 2r • • •, Yt-I, M, • • •, Yt-T, I 1 Yt-T, 2 r • • • ι where y o id , m comprises the corresponding target size values resulting for the manipulated variable values X o i d , m.
Die Größen xoid,m und yoid,m werden im erfindungsgemäßen Verfahren als Werte entsprechender Variablen xoid und yoid betrachtet.The quantities x o i d , m and y o i d , m are considered in the method according to the invention as values of corresponding variables x o i d and y o i d .
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird im Schritt Sl der Fig. IA zunächst eine Wahrscheinlichkeitsdichte P(x, xoid? yoid? y) abgeschätzt. Da die Stell- und Zielgrößen x und y im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel auch von zu früheren Zeitpunkten verwendeten Stell- und Zielgrößen xoid und yoid abhängen, gehen diese vergangenen Stellgrößen und Zielgrößen auch als Variablen in die Wahrscheinlichkeitsdichte ein. Als Wahrscheinlichkeitsdichte wird eine Summe von Gauß-Funktionen mit entsprechenden Mittelwerten der Vektoren von historischen Datensätzen und mit einer entsprechenden Kovarianzmatrix Sm betrachtet, und zwar gemäß folgender Formel:In the method according to the invention, a probability density P (x, x o id ? Yoid ? Y) is first estimated in step S 1 of FIG. 1A. Since the manipulated variables and target variables x and y in the exemplary embodiment described here also depend on manipulated variables and target variables x o i d and y o i d used at earlier times, these past manipulated variables and target variables also enter the probability density as variables. The probability density is considered to be a sum of Gaussian functions with corresponding mean values of the vectors of historical data sets and with a corresponding covariance matrix S m , according to the following formula:
p (x, X0Id, yoid, y) = I / L ∑m N (X, X0Id, yoid, y I Xm, χm,oid, ym,oid, ym, sm)p (x, X 0 Id, y o id, y) = I / L Σ m N (X, X 0 Id, y o id, y I Xm, χ m, oid, ym, oid, y m , s m )
Es wird über eine Anzahl L von ausgewählten Datensätzen summiert, wobei die Auswahl der Datensätze insbesondere gemäß dem Verfahren nach Anspruch 12 gemacht wird. Bei diesem Ver- fahren werden die Datensätze über die Likelihood ausgewählt, mit der die jeweilige Gauß-Verteilung eines Datensatzes die M/L nächsten Nachbardatensätze beschreibt, wobei L ein Teiler von M ist und M eine Teil- oder die Gesamtanzahl der histori- sehen Datensätze ist. Es wird hierbei zunächst der Datensatz mit der höchsten Likelihood P ausgewählt und zusammen mit seinen M/L nächsten Nachbardatensätzen aus der Menge M der historischen Datensätze gestrichen. Aus der resultierenden restlichen Menge an Datensätzen wird wiederum als weiterer Datensatz der Datensatz mit der höchsten Likelihood ausgewählt und zusammen mit seinen M/L nächsten Nachbardatensätzen aus der restlichen Menge der Datensätze gestrichen. Anschließend wird analog mit der verkleinerten Menge an Datensätzen fortgefahren, und zwar so lange, bis alle Datensätze gestri- chen wurden.It is summed over a number L of selected data records, wherein the selection of the data records is made in particular according to the method according to claim 12. In this The data sets are selected via the likelihood, with which the respective Gaussian distribution of a data set describes the M / L next neighbor data sets, where L is a divisor of M and M is a partial or the total number of historical data records. First, the data set with the highest likelihood P is selected and, together with its M / L next neighbor data sets, deleted from the set M of the historical data records. From the resulting remaining set of records, the record with the highest likelihood is again selected as a further record and deleted together with its M / L next neighbor records from the remaining set of records. Subsequently, the reduced quantity of data records is continued in the same way until all data records have been deleted.
Die Kovarianzmatrix Sm ist in der hier beschriebenen Variante des Verfahrens keine Diagonalmatrix und wird für jeden Datensatz m aus der Teil- oder Gesamtmenge von historischen Daten- Sätzen nach dem iterativen Verfahren gemäß Anspruch 9 berechnet. Bei diesem iterativen Verfahren wird zunächst eine Kovarianzmatrix vorgegeben, welche beispielsweise die gemäß Anspruch 8 berechnete Kovarianzmatrix ist. Anschließend wird aus dieser alten Kovarianzmatrix mit der in Anspruch 9 ge- nannten Formel eine neue Kovarianzmatrix berechnet. Die neue Kovarianzmatrix wird dann als alte Kovarianzmatrix verwendet, woraufhin wieder eine weitere neue Kovarianzmatrix berechnet werden kann. Das iterative Verfahren wird bei einem vorgegebenen Abbruchkriterium beendet, wobei das Abbruchkriterium beispielsweise eine vorgegebene Anzahl von Iterationen sein kann oder darin bestehen kann, dass die Differenz aus alter und neuer Kovarianzmatrix kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist.The covariance matrix S m is not a diagonal matrix in the variant of the method described here and is calculated for each data record m from the partial or total quantity of historical data records according to the iterative method according to claim 9. In this iterative method, first a covariance matrix is predefined, which, for example, is the covariance matrix calculated according to claim 8. Subsequently, a new covariance matrix is calculated from this old covariance matrix with the formula named in claim 9. The new covariance matrix is then used as the old covariance matrix, whereupon another new covariance matrix can be calculated. The iterative method is terminated at a predetermined abort criterion, wherein the abort criterion may be, for example, a predetermined number of iterations or may be that the difference between old and new covariance matrix is smaller than a predetermined threshold.
Nach der Abschätzung der Wahrscheinlichkeitsdichte im Schritt Sl wird in einem nächsten Schritt, der in Fig. IA als S2 bezeichnet ist, mithilfe der abgeschätzten Wahrscheinlichkeits- dichte eine bedingte Wahrscheinlichkeitsdichte P (x, xoid, yoid, y) für einen Satz von vorgegebenen Zielgrößenwerten ynew berechnet. Bei der bedingten Wahrscheinlichkeitsdichte werden ferner die vergangenen Stellgrößen xoid und Zielgrößen yoid, von denen die aktuellen Stellgrößen und Zielgrößen abhängen, vorgegeben, wobei diese Werte meist bereits als historische Datensätze im technischen System hinterlegt sind.After the estimation of the probability density in step S1, in a next step, designated as S2 in FIG. 1A, the estimated probability value is used. density calculates a conditional probability density P (x, x o id, yoid, y) for a set of predetermined target values y new . In the case of the conditional probability density, the past manipulated variables x o i d and target variables y o i d , on which the current manipulated variables and target variables depend, are also predefined, whereby these values are usually already stored as historical data records in the technical system.
Die Berechnung der bedingten Wahrscheinlichkeitsdichte P (x, Xoidf Yoidr y) erfolgt mit der folgenden, aus dem Stand der Technik bekannten Formel:The calculation of the conditional probability density P (x, Xoid f Yoid r y) is carried out with the following formula known from the prior art:
P(x I X0Id, yoid, ynew) = p (x , X0Id , yoid , ynew) / P (χoid , yoid , ynew) ,P (x IX 0 Id , y o i d , y new ) = p (x, X 0 Id, y o id, y new ) / P ( χ oid, y o id, y new ),
wobei P(X0Id, yoid, ynew) = Jdx P(x, xoid, yoid, ynew) und wobei über den gesamten Zustandsraum von Werten x integriert wird.where P (X 0 Id, y o id, y new ) = Jdx P (x, x o i d , y o id, y new ) and where x is integrated over the entire state space of values.
Die Zielgrößenwerte des vorgegebenen Satzes yw sind vorzugs- weise Werte, welche für das technische System optimal ist, beispielsweise ein hoher Qualitätswert für die durch das technische System hergestellten Produkte.The target value values of the predetermined set y w are preferably values which are optimal for the technical system, for example a high quality value for the products produced by the technical system.
Sollten die vorgegebenen Werte xoid, yoid und yw mit einer Un- Sicherheit behaftet sein, die durch eine entsprechende Verteilung Q(X0Id, yoid, y I ξoid, Poid, μnew) beschrieben werden kann, dann erfolgt die Berechnung der bedingten Wahrscheinlichkeitsdichte P(x I X0Id, yoid, ynew) mit folgender Formel:If the given values x o id, yoid and y w are subject to an uncertainty which can be described by a corresponding distribution Q (X 0 Id, yoid, y I ξoid, Poid, μ new ), then the Calculation of the conditional probability density P (x IX 0 Id, yoid, ynew) with the following formula:
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
/dxoid /dyoid /dy P (x | xoid , yoid , y) Q (xoid , yoid , y I ξoid , Poid ,
Figure imgf000016_0002
/ dxoid / dy o id / dy P (x | x o i d , y o id, y) Q (x o id, yoid, y I ξoid, Poid,
Figure imgf000016_0002
wobei ξoid, Poid bzw. pw die unsicheren Werte der Stell- und Zielgrößen xoid, yoid bzw. yw sind und wobei über den gesamten Zustandsraum von Werten xoid, yoid und y integriert wird. Durch die Verwendung dieser Formeln kann insbesondere auch nicht gemessenen, vergangenen Stell- und Zielgrößenwerten Rechnung getragen werden, indem für diese Stell- und Zielgrößen eine Verteilung mit großer Unsicherheit gewählt wird.where ξoid, Poid or p w are the uncertain values of the manipulated variables and target variables x o id, yoid and y w respectively, and where integrated over the entire state space of values x o id, yoid and y. By using these formulas, it is also possible to take into account, in particular, unmeasured, past manipulated variable and target variable values by selecting a distribution with great uncertainty for these manipulated variables and target variables.
Mithilfe der bedingten Wahrscheinlichkeitsdichte P (x | xoidr Yoidf Ynew) wird im Schritt S3 der Fig. IB schließlich ein geeigneter Satz von Stellgrößenwerten xw berechnet. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Berechnung über die Ermittlung des Erwartungswerts mit folgender Formel:Using the conditional probability density P (x | x i o f dr Yoid Ynew) in step S3 of Figure IB, finally, a suitable set of manipulated variable values x w calculated.. In the exemplary embodiment described here, the calculation takes place via the determination of the expected value with the following formula:
xnew = <x> = Jdx x P (x I xoid , yoid , ynew)x new = <x> = Jdx x P (x I x o i d , y o i d , y new )
Durch die Verwendung des Erwartungswertes als Satz von geeig- neten Stellgrößenwerten xnew wird die Unsicherheit (Varianz) des ermittelten Satzes minimiert.By using the expectation value as a set of suitable manipulated variable values x new , the uncertainty (variance) of the determined set is minimized.
Alternativ kann als Satz von geeigneten Stellgrößenwerten xnβw auch der Wert mit der maximalen Wahrscheinlichkeit gemäß fol- gender Formel ermittelt werden:Alternatively, as a set of suitable manipulated variable values x nβw , the value with the maximum probability can also be determined according to the following formula:
Xnew = Xmax = maxx P (X | X0Id , YoId , Ynew)Xnew = X max = max x P (X | X 0 Id, YoId, Ynew)
Durch die Berechnung von xw als Wert mit der höchster be- dingten Wahrscheinlichkeit oder als Erwartungswert wird sichergestellt, dass die ermittelten geeigneten Stellgrößenwerte nie außerhalb der bisher verwendeten historischen Datensätze liegen. Außerdem werden sich bei einem vorgegebenen Satz von Zielgrößenwerten die geeigneten Stellgrößenwerte in der Nähe der Einstellungen bewegen, die bisher bei ähnlichen Werten für die Zielgrößen erzielt wurden. Das erfindungsgemäße Verfahren unterstützt somit einen unerfahrenen Bediener, indem es auf entsprechende Erfahrungswerte aus vergangenen Einstellungen für die Stellgrößen zurückgreift. Gegebenenfalls kann für die ermittelten geeigneten Stellgrößenwerte Xnew auch noch die Unsicherheit (Varianz) dieser Stellgrößenwerte mit folgender Formel berechnet werden:By calculating x w as a value with the highest conditional probability or as an expected value, it is ensured that the determined suitable manipulated variable values never lie outside the historical data records used so far. In addition, for a given set of target magnitude values, the appropriate command value values will be close to the settings previously achieved at similar values for the target values. The method according to the invention thus assists an inexperienced operator by resorting to corresponding empirical values from past settings for the manipulated variables. If appropriate, the uncertainty (variance) of these manipulated variable values can also be calculated for the determined suitable manipulated variable values Xn e w using the following formula:
ΔX = JdX (X- Xnew) 2 P (X I XoId , YoId , Ynew) •.DELTA.X = JDX (X- X new) 2 P (XI Xoid, YoId, Ynew) •
Nach der Ermittlung der geeigneten Stellgrößenwerte xw kann das technische System im Schritt S4 (Fig. IB) schließlich mit den geeigneten Stellgrößenwerten betreiben werden. After determining the suitable manipulated variable values x w, the technical system can finally be operated with the appropriate manipulated variable values in step S4 (FIG.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum rechnergestützten Betrieb eines technischen Systems, bei dem: - das technische System durch eine oder mehrere variable Stellgrößen, die einen Satz von Stellgrößen (x) bilden, und eine oder mehrere variable Zielgrößen, die einen Satz von Zielgrößen (y) bilden, charakterisiert ist, wobei eine Veränderung der Stellgrößen (x) die Zielgrößen (y) beein- flusst;A method of computer-aided operation of a technical system, comprising: - the engineering system by one or more variable manipulated variables forming a set of manipulated variables (x) and one or more variable target variables forming a set of target variables (y) , wherein a change in the manipulated variables (x) influences the target variables (y);
- das technische System historische Datensätze aus früheren Betriebszyklen enthält, bei denen das technische System jeweils mit einem Satz von Stellgrößenwerten (xm) betrieben wurde und für den Satz von Stellgrößenwerten (xm) ein Satz von zugeordneten Zielgrößenwerten (ym) , die aus dem Betrieb mit dem Satz von Stellgrößenwerten (xm) resultieren, ermittelt wurde, wobei die Sätze von Stellgrößenwerten (xm) und zugeordneten Zielgrößenwerten (ym) im technischen System zumindest teilweise als historische Datensät- ze hinterlegt wurden; eine Wahrscheinlichkeitsdichte (P (x, xoidr
Figure imgf000019_0001
y) ) für den Satz von Stellgrößen (x) und den Satz von Zielgrößen (y) mithilfe wenigstens eines Teils der historischen Datensätze abgeschätzt wird, wobei die Wahrscheinlichkeitsdichte (P(X^ Xoidf Yoidr y) ) wenigstens den Satz von Stellgrößen und den Satz von Zielgrößen als Variablen umfasst; mithilfe der abgeschätzten Wahrscheinlichkeitsdichte (P (x, Xoidf yoidf y) ) die von dem Satz von Stellgrößen (x) abhängige bedingte Wahrscheinlichkeitsdichte (P (x | xoid? yoid? ynew) ) für einen Satz von vorgegebenen Zielgrößenwerten (ynew) ermittelt wird;
the technical system contains historical data sets from previous operating cycles, in which the technical system was operated in each case with a set of manipulated variable values (x m ) and for the set of manipulated variable values (x m ) a set of associated target value values (y m ), the resulting in the operation with the set of manipulated variable values (x m ), wherein the sets of manipulated variable values (x m ) and associated target variable values (y m ) were at least partially stored as historical data records in the technical system; a probability density (P (x, x o idr
Figure imgf000019_0001
y) is estimated for the set of manipulated variables (x) and the set of target variables (y) using at least a portion of the historical data sets, the probability density (P (X ^ Xoid f Yoidr y)) determining at least the set of manipulated variables and Set of target variables as variables; using the estimated probability density (P (x, Xoid f yoid f y)) of the set of manipulated variables (x) dependent conditional probability density (P (x |? x o id yoid y ne w)) for a set of predetermined target values (ynew) is determined;
- mithilfe der bedingten Wahrscheinlichkeitsdichte (P (x | Xoidf yoidf ynew) ) ein Satz von geeigneten Stellgrößenwerten- using the conditional probability density (P (x | Xoid f yoid f ynew)) a set of suitable manipulated variable values
(Xnew) für den Satz von vorgegebenen Zielgrößenwerten (yw) ermittelt wird, um das technische System mit dem Satz von geeigneten Stellgrößenwerten (xw) zu betreiben. (Xn e w) for the set of predetermined target value values (y w) is determined in order to operate the technical system with the set of suitable manipulated variable values (x w).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Satz von Stellgrößen (x) und der Satz von Zielgrößen (y) von einem oder mehreren vergangenen Stellgrößen (xoid) und/oder Zielgrößen (yoid) aus früheren Betriebszyklen abhängt, wobei diese vergangenen Stellgrößen (xoid) und/oder Zielgrößen (yoid) weitere Variablen der abgeschätzten Wahrscheinlichkeitsdichte (P (x, xoid, yoid, y) ) sind und wobei bei der Ermittlung der bedingten Wahrscheinlichkeitsdichte feste Werte für diese vergangenen Stellgrößen (xoid) und/oder Zielgrößen (yoid) verwendet werden und wobei jeder historische Datensatz ferner die für den jeweiligen früheren Betriebszyklus des historischen Datensatzes gültigen Werte (xm,oid, ym,oid) der einen oder der mehreren vergangenen Stellgrößen (xoid) und/oder Zielgrößen (yoid) umfasst.2. The method of claim 1, wherein the set of manipulated variables (x) and the set of target variables (y) of one or more past manipulated variables (x o id) and / or target variables (y o id) depends on previous operating cycles, these past manipulated variables (x o id) and / or target variables (y o id) are further variables of the estimated probability density (P (x, x o id, yoid, y)) and where in determining the conditional probability density fixed values for these past Manipulated variables (x o id) and / or target variables (y o id) are used and wherein each historical data set further valid for the respective previous operating cycle of the historical record values (x m , oid, ym, oid) of the one or more past Manipulated variables (x o id) and / or target variables (y o id) includes.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Satz von geeigneten Stellgrößenwerten (xw) der Erwartungswert der bedingten Wahrscheinlichkeitsdichte P (x | xoid,3. Method according to one of the preceding claims, in which the set of suitable manipulated variable values (x w) is the expected value of the conditional probability density P (x | x o i d ,
Yold, Ynew) ist.Yold, Ynew) is.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Satz von geeigneten Stellgrößenwerten (xw) der Satz von Stellgrößenwerten mit der höchsten bedingten Wahrscheinlichkeit ist.A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the set of suitable manipulated variable values (x w) is the set of manipulated variable values having the highest conditional probability.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Satz von vorgegebenen Zielgrößenwerten (yw) und/oder die vergangenen Stellgrößen und/oder Zielgrößen, von denen der Satz von Stellgrößen (x) und der Satz von Zielgrößen (y) abhängt, mit einer Unsicherheit behaftet sind, welche durch ei- ne Wahrscheinlichkeitsverteilung (Q (xoid, yoid, y I ξoid, Poid, Pnew) ) charakterisiert wird, wobei diese Unsicherheit bei der Ermittlung der bedingten Wahrscheinlichkeitsdichte (P (x | Xoid, yoid, ynew) ) berücksichtigt wird.5. Method according to one of the preceding claims, in which the set of predefined target variable values (y w) and / or the past manipulated variables and / or target variables on which the set of manipulated variables (x) and the set of target variables (y) depend , are subject to an uncertainty which is characterized by a probability distribution (Q (x o id, yoid, y I ooid, Poid, Pnew)), this uncertainty being used in the determination of the conditional probability density (P (x | Xoid, yoid, ynew)).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wahrscheinlichkeitsdichte (P (x, xoid, yoid, y) ) mit einer Summe von Gauß-Verteilungen (N (x, xoid , yoid, y I Xm, xm,oid, ym,oidf Ym, Sm) ) über wenigstens einen Teil der historischen Datensätze abgeschätzt wird, wobei jedem historischen Datensatz eine Gauß-Verteilung (N (x, xoid, yoid, y I Xm, Xm,oidf ym,oidf Ym, Sm) ) mit dem Satz von Stellgrößenwerten und zuge- ordneten Zielgrößenwerten und ggf. mit vergangenen Stellgrößenwerten (xm,oid) und Zielgrößenwerten (ym,oid) des jeweiligen historischen Datensatzes als Mittelwert und mit einer vorgegebenen Kovarianzmatrix zugeordnet ist.6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the probability density (P (x, x o id, yoid, y)) with a sum of Gaussian distributions (N (x, x o i d , y o id, y I xm, x m, oid, ym, oid f Ym, S m )) is estimated over at least part of the historical datasets, each Gaussian distribution (N (x, x o id, yoid, y i Xm, Xm, oidf ym, oid f Ym, S m )) is associated with the set of manipulated variable values and associated target variable values and possibly with past manipulated variable values (x m , oid) and target variable values (y m , oid) of the respective historical data set as the mean value and with a predefined covariance matrix.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Wahrscheinlichkeitsdichte P(x, Xoidf Yoidr Y) mit folgender Formel abgeschätzt wird:7. The method of claim 6, wherein the probability density P (x, Xoid f Yoid r Y) is estimated by the following formula:
P(x, X0Id, yoid, y) = l /L ∑m N (X, Xoid f Yoldr Y I xm , Xm,old f ym,old f Ym , Sm)P (x, X 0 Id , y o i d , y) = 1 / L Σ m N (X, X o id f Yoldr YI x m, Xm, old f ym, old f Ym, S m )
wobeiin which
x der Vektor des Satzes von Stellgrößen ist;x is the vector of the set of manipulated variables;
Xoid (sofern vorhanden) der Vektor der vergangenen Stellgrößen ist, von denen der Satz von Stellgrößen (x) und der Satz von Zielgrößen (y) abhängt;X o i d (if present) is the vector of past manipulated variables on which the set of manipulated variables (x) and the set of target variables (y) depend;
y der Vektor des Satzes von Zielgrößen ist;y is the vector of the set of targets;
yoid (sofern vorhanden) der Vektor der vergangenen Zielgrößen ist, von denen der Satz von Stellgrößen (x) und der Satz von Zielgrößen (y) abhängt;y o i d (if present) is the vector of the past target quantities on which the set of manipulated variables (x) and the set of target variables (y) depend;
L die Anzahl eines ausgewählten Teils der historischen Datensätze oder die Anzahl aller historischer Datensätze ist, wobei sich die Summe in der Formel über alle L historischen Datensätze erstreckt;L is the number of a selected portion of historical records or the number of historical records, with the sum in the formula extending across all L historical records;
Xn, xm,oidΛ ym,oid und ym die entsprechenden Werte der Vektoren x, Xoidr Yoid, und y für den m-ten historischen Datensatz sind; N(x, xoid, yoid, y | xm, xm,oid, ym,oid, Ym, Sm) eine Gauß- Verteilung mit dem Mittelwert {xm, xm,oidf ym,oidf YmJ und einer vorgegebenen Kovarianzmatrix Sm ist.X n, x m, ym oid Λ, y m x oid and the corresponding values of the vectors X i dr o Y o i d, and y for the m-th history data are; N (x, x o id, y o i d , y | x m , x m , o id, ym, oid, Ym, S m ) is a Gaussian distribution with the mean {x m , x m , oid f ym , oid f YmJ and a given covariance matrix S m .
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Kovarianzmatrix eine Diagonalmatrix mit folgenden Einträgen S1 in der Diagonalen der i-ten Zeile ist8. The method of claim 7, wherein the covariance matrix is a diagonal matrix with subsequent entries S 1 in the diagonal of the i-th row
Figure imgf000022_0001
Figure imgf000022_0001
wobeiin which
L1 die numerisch berechnete Standardabweichung des i-ten Ein- trags der Vektoren {x, xoidr
Figure imgf000022_0002
y} der historischen Datensätze oder der Abstand zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert des i-ten Eintrags der Vektoren {x, xoidr
Figure imgf000022_0003
y} der historischen Datensätze ist;
L 1 is the numerically calculated standard deviation of the i-th entry of the vectors {x, x o id r
Figure imgf000022_0002
y} of the historical data sets or the distance between the minimum value and the maximum value of the ith entry of the vectors {x, x o id r
Figure imgf000022_0003
y} is the historical records;
d die Anzahl der Einträge des Vektors {x, xoidr
Figure imgf000022_0004
y} ist;
d is the number of entries of the vector {x, x o id r
Figure imgf000022_0004
y} is;
M die Anzahl der historischen Datensätze oder eines Teils der historischen Datensätze ist.M is the number of historical records or part of historical records.
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Kovarianzmatrix Sm für den m-ten historischen Datensatz aus einer Teil- oder der Gesamtmenge der historischen Datensätze iterativ wie folgt berechnet wird:9. The method of claim 7, wherein the covariance matrix S m for the mth historical data set is iteratively calculated from a subset or the total of the historical data sets as follows:
Sm(neu) = ∑i({xi, Xi,oid, yi,oid, Yi) - {Xm, xm,oid ,ym,oid, ym})τ S m (new) = .sigma..sub.i ({xi, Xi, o id, yi, oid, Yi) - {Xm, x m, oid, ym, oid, y m}) τ
( { Xl , Xi ,oldr yi
Figure imgf000022_0005
yi ,oldr yi I *mr Xm , oldf ym,oldr Ymr Sm ( alt ) )
({Xl, Xi, oldr yi
Figure imgf000022_0005
yi, oldr yi I * mr Xm, oldf ym, oldr Ymr S m (old))
wobei X:u
Figure imgf000023_0001
ym,oid und ym die entspre¬ chenden Werte der Zeilenvektoren {x, xoidr Yoidr y} des 1-ten bzw. m-ten historischen Datensatzes der in der Formel genannten Summe sind;
in which X: u
Figure imgf000023_0001
ym, oid and y m is the entspre ¬ sponding values of the row vectors {x, x o r id Yoid r y} of the 1-th or m-th historical data set of the above formula in the sum are;
in der Formel über diejenigen M/L Datensätze (M ist die Anzahl der historischen Datensätze in der Teil- oder Gesamtmenge) summiert wird, deren Zeilenvektoren {xi, Xi,oid^ Yi,oidr yi} am nächsten zu dem Zeilenvektor {xm, xm,oidf ym,oidf ym} des m- ten Datensatzes liegen, wobei L ein Teiler von M ist.in the formula is summed over those M / L records (M is the number of historical records in the subset or total) whose row vectors {xi, Xi, o id ^ Yi, oidr yi} closest to the row vector {x m , x m , oid f ym, oid f ym} of the mth data set, where L is a divisor of M.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die iterative Berechnung der Kovarianzmatrix (Sm) abgebrochen wird, wenn eine vorgegebene Anzahl von Iterationen erreicht wurde oder wenn die Differenz zwischen aktuellem Wert der Kovarianzmatrix10. The method of claim 9, wherein the iterative calculation of the covariance matrix (S m ) is aborted when a predetermined number of iterations has been reached or if the difference between the current value of the covariance matrix
(Sm(neu)) und dem Wert der Kovarianzmatrix (Sm(alt)) bei der vorangegangenen Iteration einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet .(S m (new)) and the value of the covariance matrix (S m (old)) in the previous iteration falls below a predetermined threshold.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem als Initialwert für die Kovarianzmatrix (Sm) zu Beginn der Iteration die Kovarianzmatrix gemäß Anspruch 8 verwendet wird.11. The method of claim 9 or 10, wherein the initial value for the covariance matrix (S m ) at the beginning of the iteration, the covariance matrix according to claim 8 is used.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem der ausgewählte Teil der historischen Datensätze, über dem gemäß Anspruch 7 summiert wird, wie folgt bestimmt wird:12. The method according to any one of claims 9 to 11, wherein the selected part of the historical data sets, over which is summed up according to claim 7, is determined as follows:
i) es werden für jeden historischen Datensatz mit entsprechendem Vektor {xm, xm,oidf ym,oidf ym} aus der Teil- oder Gesamtmenge M der historischen Datensätze die M/L nächsten Datensätze ermittelt, deren Vektoren {xi, Xi,oid^ yi,oid, yi} am nächsten zu dem Vektor {xm, xm,oid, ym,oid, ym} liegen;i) for each historical dataset with a corresponding vector {x m , x m , oidf ym, oidf ym} from the partial or total set M of the historical datasets, the M / L next datasets whose vectors {xi, xi, o id ^ yi, oid, yi} are closest to the vector {x m , x m , o id, ym, oid, y m };
ii) es wird für jeden historischen Datensatz mit entsprechendem Vektor {xm, Ym,oidr ym} aus der Teil- oder Gesamtmenge der historischen Datensätze die Wahrschein- lichkeit P berechnet, mit der gemäß der Gauß-Verteilung N(x, xoid, yoid, y | xm, xm,oid, ym,oid, Ymr Sm) alle in Schritt i) ermittelten M/L nächsten Datensätze des jeweiligen Datensatzes im technischen System auftreten, und zwar mit folgender Formel :(ii) for each historical dataset with corresponding vector {x m , ym, oidr ym}, from the subset or total of historical datasets, the probability of P calculated with the according to the Gaussian distribution N (x, x o id, y o i d , y | x m , x m , o id, ym, oid, Ymr S m ) all determined in step i) M / L next data records of the respective data record in the technical system, with the following formula:
MlLMIL
P = | | N (Xi, Xi,oldr yi,oldr yi I Xπu Xm,oldr ym,oldr Ym, Sm)P = | | N (Xi, Xi, oldr yi, oldr yi I Xπu Xm, oldr ym, oldr Ym, S m )
/ wobei das Produkt alle M/L nächsten Datensätze berücksichtigt;/ where the product takes into account all M / L next records;
iii) aus der Teil- oder Gesamtmenge der historischen Datensätze wird der Datensatz mit der höchsten in Schritt ii) ermittelten Wahrscheinlichkeit als einer der Datensätze des ausgewählten Teils der historischen Datensätze aus- gewählt;(iii) from the partial or total historical records, the record with the highest probability determined in step (ii) is selected as one of the records of the selected part of the historical records;
iv) aus der Teil- oder Gesamtmenge der historischen Datensätze wird der Datensatz mit der höchsten Wahrscheinlichkeit und die M/L nächsten Datensätze gestrichen, so dass die verbleibende Menge von historischen Datensätzen nunmehr die Teil- oder Gesamtmenge der historischen Datensätze bildet;iv) from the subset or total of the historical records, the record with the highest probability and the M / L next records are deleted, so that the remaining set of historical records now forms the subset or total of the historical records;
v) solange die Teil- oder Gesamtmenge der historischen Da- tensätze größer Null ist, wird zu Schritt iii) zurückgegangen.v) as long as the partial or total amount of historical data sets is greater than zero, the procedure returns to step iii).
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem neben dem ermittelten Satz von geeigneten Stellgrößenwer- ten (Xnew) ferner die Unsicherheit des ermittelten Satzes, insbesondere die Varianz, in Bezug auf die bedingte Wahrscheinlichkeitsdichte (P(x I Xoidf yoidf ynew) ) bestimmt wird.13. Method according to one of the preceding claims, in which, in addition to the determined set of suitable manipulated variable values (Xn e w), the uncertainty of the determined set, in particular the variance, with respect to the conditional probability density (P (x I Xoid f yoid f ynew)).
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die historischen Datensätze durch die im laufenden Be- trieb des technischen Systems hinzukommenden Datensätze ergänzt werden.14. Method according to one of the preceding claims, in which the historical data sets are supplemented by the technical system of additional datasets.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das technische System eine Produktionsanlage für Leuchtdioden ist, wobei in der Produktionsanlage Wafer in einem Reaktor beschichtet werden.15. The method according to any one of the preceding claims, wherein the technical system is a production facility for light-emitting diodes, wherein in the production facility wafers are coated in a reactor.
16. Computerprogrammprodukt, das in den Speicher eines Compu- ters geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 durchgeführt wird, wenn das Programmprodukt auf dem Computer läuft. A computer program product that can be loaded into the memory of a computer and includes software code portions that perform a method according to any one of claims 1 to 15 when the program product is run on the computer.
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