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Dokumentenidentifikation DE3910028A1 19.10.1989
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Masseflußregelung eines geförderten Materials
Anmelder K-Tron International, Inc., Pitman, N.J., US
Erfinder Kalata, Paul R., Cherry Hill, N.J., US
Vertreter ter Meer, N., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Müller, F., Dipl.-Ing., 8000 München; Steinmeister, H., Dipl.-Ing.; Wiebusch, M., Pat.-Anwälte, 4800 Bielefeld
DE-Anmeldedatum 28.03.1989
DE-Aktenzeichen 3910028
Offenlegungstag 19.10.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.10.1989
IPC-Hauptklasse G01G 11/12
IPC-Nebenklasse G06F 15/46   B65G 43/08   G05D 7/06   
Zusammenfassung Eine Vorrichtung zur Masseflußregelung eines geförderten Materials verwendet einen stochastischen Regelungsvorgang. Das Gewicht des geförderten Materials wird erfaßt und mit Hilfe eines Kalman-Filterprozesses wird eine Voraussage für den Massefluß des Materials getroffen. Anlagenstörprozesse und Meßstörprozesse, die das gemessene Gewicht beeinflussen, werden als stochastische Prozesse nachgebildet und sie dienen zusammen mit dem erfaßten Gewicht dazu, den Massefluß abzuschätzen. Das Störmodell ist auch dazu in der Lage, schwere Störungen zu erfassen. Mit Hilfe des geschätzten Masseflusses wird durch Vergleich mit einem Sollwert eine Stellgröße für einen Fördermotor berechnet. Auf diese Art und Weise wird trotz unvermeidbarer Störungen der Massefluß auf einen gewünschten Wert bei minimaler Fehlervarianz eingeregelt. Es wird ein Selbsteinstellprozeß verwendet, um Parameter für Anlagenstörprozesse und Meßstörprozesse genau zu bestimmen. Durch das gute Bestimmen der Parameter ergibt sich gutes Ansprechverhalten bei Einhalten des Sollwertes mit nur geringen Schwankungen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Masseflußregelung eines geförderten Materials. Das Material kann fest oder fluid sein, es kann in einem Schütttrichter oder in einem anderen Behälter enthalten sein, und es kann beliebig gefördert werden, wie durch eine Förderschnecke, ein Förderband oder eine Pumpe.

Es wird das Gewicht des Materials in der Förderstrecke gemessen. Abhängig vom jeweiligen Gewicht wird ein Massefluß berechnet. Durch Regelung wird ein Elektromotor, der das Fördermittel betreibt, so eingestellt, daß sich ein gewünschter Massefluß ergibt.

Die Gewichtsmessung wird durch Störungen erheblich verfälscht. Störeinflüsse sind insbesondere Änderungen in der Fördergeschwindigkeit, Bewegungen des geförderten Gutes und äußere Kräfte, z. B. durch Wind oder durch das Anstoßen an die Förderstrecke mit schweren Gegenständen. Ein Gewichtssignal über der Zeit ist in der beigefügten Fig. 8 aufgetragen.

Um auf Grundlage des jeweils gemessenen Gewichtes den Massefluß einregeln zu können, müssen die Gewichtsmeßwerte gefiltert werden. Es besteht ganz allgemein das Problem, ein geeignetes Filterverfahren zu finden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet mit einem Kalman- Filter, um Schätzwerte für das aktuelle Gewicht und den aktuellen Massefluß zu erhalten. Diese Schätzwerte werden, gestützt durch Modelle und Klassifizierungen für Anlagen- und Meßstörprozesse, die die Gewichtsmessung beeinflussen, zum Regeln des Masseflusses verwendet. Die Art der Störung wird bestimmt und für jede Art wird ein stochastisches Modell gebildet. Der geschätzte Massefluß wird auf Grundlage des gemessenen Gewichts und desjenigen stochastischen Modells bestimmt, das die Störprozesse für das jeweilige System berücksichtigt. Die Störprozeßmodelle werden entsprechend der Größe ihrer Einflüsse und der Wahrscheinlichkeit ihres Vorhandenseins modifiziert.

Der geschätzte Massefluß wird mit einem Sollmassefluß verglichen, und die Abweichung dient dazu, das Fördermittel so einzustellen, daß sich der gewünschte Massefluß ergibt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und beim erfindungsgemäßen Verfahren können Parameter in den Störmodellen durch Selbsteinstellung bestimmt werden, was es ermöglicht, das Kalman-Filter an die Regelungsdynamik anzupassen. Dadurch arbeitet das Filter optimal. Die Regelabweichung wird dauernd überwacht und die Dynamik des Regelungssystems wird dauernd so adaptiert, daß sich gutes Ansprechverhalten ohne Überschwingungsneigung ergibt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung, deren Gewicht beim Fördern abnimmt;

Fig. 2 ein Modell des zeitlichen Verhaltens der Regelstrecke bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2;

Fig. 3 ein Modell des zeitlichen Verhaltens der Regelstrecke, eines Kalman-Filters zum Abschätzen des Masseflusses und eines Prozessors zum Bestimmen eines Stellwertes;

Fig. 4A-C ein Flußdiagramm für ein Rechenverfahren zur Gewichtsabschätzung;

Fig. 5 ein Flußdiagramm für ein Rechenverfahren, das von einem Motorregler ausgeführt wird;

Fig. 6A-6F Diagramme von berechneten Größen, jeweils aufgetragen über einer fortlaufenden Anzahl von Rechenschritten;

Fig. 7 eine tabellarische Darstellung der Werte gemäß den Fig. 6D und 6E;

Fig. 8 ein Diagramm betreffend unkorrigierte Gewichtswerte, aufgetragen über fortschreitenden Rechentakten;

Fig. 9 ein Blockdiagramm ähnlich dem von Fig. 1, jedoch mit einem zusätzlichen Kalibrierprozessor;

Fig. 10 ein Flußdiagramm für Rechenschritte, wie sie von einem Gewichtsberechnungsprozessor mit Selbsteinstellung verwendet werden;

Fig. 11 ein Flußdiagramm entsprechend dem von Fig. 5, jedoch mit Selbsteinstellung;

Fig. 12 ein Flußdiagramm betreffend Rechenschritte zum Kalibrieren von Regelparametern;

Fig. 13 ein Modell für das Kalibrieren von Störungsparametern; und

Fig. 14 ein Flußdiagramm zu Rechenschritten, mit denen Störungsparameter kalibriert werden.

Gemäß Fig. 1 wird in einem Fülltrichter 10 gelagertes Material durch eine Förderschnecke 11 gefördert, die durch einen Fördermotor angetrieben wird. Eine Waage 13 mißt das Gesamtgewicht des Trichters 10, der Förderschnecke 11, des Motors 12 und des in der Förderstrecke befindlichen Materials, was zu einem Gewichtssignal Wm führt. Würde ein Förderband verwendet werden, würde die Waage 13 das Gewicht von mindestens einem Bereich des Förderbandes messen. Das Signal Wm wird einem Gewichtssignalprozessor 14 zugeführt, der auf Grundlage dieses Signales einen Schätzwert Wr für den Massefluß ausgibt. Eine Bedienperson gibt einen Sollmassefluß Wrd über eine Bedienkonsole 16 ein. Der geschätzte Massefluß Wr wird mit dem Sollmassefluß Wrd in einem Addierer 17 verglichen, was zu einem Regelabweichungssignal Wre führt. Auf Grund dieser Regelabweichung berechnet ein Motorregler 18 einen Stellwert IM, der an einen Motortreiber 19 ausgegeben wird. Der geschätzte Massefluß Wr und der tatsächliche Massefluß werden so auf den Sollmassefluß Wrd hingeführt.

Der Gewichtssensor unterliegt zufälligen und systematischen Meßfehlern. Es handelt sich aber nicht nur um innere elektronische Meßfehler, sondern auch um Fehler, die durch äußere Einflüsse hervorgerufen werden, z. B. durch Trägheitskräfte oder durch äußere elektronische Störungen.

Außer Meßwertstörungen wirken noch Störungen aus der Anlage ein, die den Fülltrichter, die Förderschnecke und den Motor umfassen. Anlagenstörungen sind z. B.: Schwingungsstörungen auf Grund der mechanischen Bewegungen der Förderschnecke oder eines Mischers im Fülltricher; ungleichmäßige Förderung wegen klumpigem Material oder ungleichförmiger Schneckenförderung; Nachfüllen des Fülltrichters in gewissen Zeitabständen, die nicht festliegen; unabsichtliche aperiodische Störungen, hervorgerufen z. B. durch Anstoßen mit einer Ladeeinrichtung oder durch das Auflegen oder Wegnehmen größerer Gewichte, z. B. von Werkzeugen; und periodische und aperiodische Störungen, die am Fülltrichter angreifen, z. B. durch Wind, durch benachbarte Maschinen oder durch vorüberfahrende Fahrzeuge.

Das Ergebnis der Gewichtsmessung stellt daher nur einen groben Wert für das jeweils aktuelle Gewicht der Vorrichtung dar, deren Gewicht in der Regel abnimmt, solange nicht der Fülltrichter nachbefüllt wird. Der unmittelbare Meßwert ist daher zum Regeln des Masseflusses ungeeignet.

Ein mathematisches Modell für Einflüsse, die zu einer bestimmten Zeit auf das System einwirken, ist in Fig. 2 dargestellt. Das tatsächliche Gewicht zu einem Zeitpunkt k+1 wird an einem Addierer 21 durch Summenbildung berechnet. Es ist die Summe aus dem tatsächlichen Gewicht W(k) zum Zeitpunkt k, einem Anlagenstörprozeßwert W&sub1;(k) zum Zeitpunkt k, der das Gewicht beeinflußt, einem Einflußwert der Motorsteuerung u&sub1;(k), der das Gewicht beeinflußt, und dem Produkt auf der Abtastzeitspanne T und dem aktuellen Massefluß Wr(k) zum Zeitpunkt k. Das Multiplizieren mit der Zeitspanne T entspricht einer zeitlichen Integration des Masseflusses Wr. Das aktuelle Gewichtssignal W(k+1) wird einem Verzögerungsglied 22 zugeführt, das das aktuelle Gewichtssignal W(k) bildet. Das gemessene Gewichtssignal Wm(k) wird an einem Addierer 23 gebildet, der zum aktuellen Gewichtssignal W(k) ein Signal n(k) addiert, das durch einen Meßstörprozeß hervorgerufen wird.

Der aktuelle Massefluß Wr(k+1) zum Zeitpunkt k+1 wird an einem Addierer 24 gebildet. An diesem wird zum aktuellen Massefluß Wr(k) zum Zeitpunkt k ein Wert u&sub2;(k) addiert, der den Einfluß der Motorregelung auf den Massefluß zum Ausdruck bringt. Außerdem wird ein Wert w&sub2;(k) addiert, der den Einfluß von Anlagenstörprozessen auf den Massefluß berücksichtigt. In einem Verzögerungsblock 26 wird der Massefluß Wr(k) zum Zeitpunkt k aus dem aktuellen Massefluß Wr(k+1) gebildet.

Das Blockdiagramm von Fig. 2 repräsentiert die folgenden Gleichungen:

W(k+1) = W(k) + TWr(k) + u&sub1;(k) + w&sub1;(k)

Wr(k+1) = Wr(k) + u&sub2;(k) + w&sub2;(k)

Wm(k) = W(k) + n(k)

wobei:

k = 1, 2, 3, . . .

W(k) = aktuelles Gewicht zum Zeitpunkt k;

Wr(k): aktueller Massefluß zum Zeitpunkt k;

Wm(k): Gewichtsmessung zum Zeitpunkt k;

T: Zeitspanne zwischen zwei Abtastzeitpunkten;

u&sub1;(k): Einfluß der Motorregelung auf das aktuelle Gewicht;

u&sub2;(k): Einfluß der Motorregelung auf den aktuellen Massefluß;

n(k): Einfluß von Meßstörprozessen;

w&sub1;(k): Einfluß von Anlagestörprozessen auf das Gewicht; und

w&sub2;(k): Einfluß von Anlagenstörprozessen auf den Massefluß.

Das Gewicht W und der Massefluß Wr sind Variable. Dabei ist der Massefluß die zeitliche Ableitung des Gewichts oder umgekehrt, das Gewicht ist das zeitliche Integral des Masseflusses. Die einzige gemessene Variable ist das Gewicht W, die jedoch nur indirekt aus dem störungsbehafteten Signal Wm gewonnen werden kann. Die durch Störungen hervorgerufenen Einflußgrößen n, w&sub1; und w&sub2; sind unvermeidbar im System immer vorhanden. Wenn nur mit Hilfe der Größen u&sub1; und u&sub2; auf Grundlage des gemessenen Signals Wm geregelt wird, ohne daß Anlagen- und Meßstörprozesse berücksichtigt werden, ergibt sich schlechtes Regelverhalten.

In Fig. 3 ist das eben erläuterte Modell mit der Funktionsdarstellung eines Prozessors für einen bestimmten Zeitpunkt und der Funktionsdarstellung eines Motorstellers verknüpft. Der Gewichtssignalprozessor 14 verwendet einen Kalman-Filterprozeß, um einen gefilterten Schätzwert für das aktuelle Gewicht ≙(k) und einen gefilterten Schätzwert für den Massefluß r(k) zu gewinnen. Der Schätzwert für den Massefluß r(k) wird vom Motorregler 18 verwertet, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt und wie an Hand der Fig. 5 und 11 näher erläutert. Er berechnet den Stellwert IM und die Einflußwerte u&sub1;(k) und u&sub2;(k) aus der Motorregelung. Die letzteren Werte beeinflussen das aktuelle Gewicht W(k) bzw. den aktuellen Massefluß Wr(k). Sie werden beim Vorhersagen für das geschätzte Gewicht ≙(k) und dem geschätzten Massefluß r(k) verwendet.

Im unteren Bereich von Fig. 3 sind der Signalprozessor 14, der Addierer 17 und der Motorregler 18 gemäß Fig. 1 dargestellt. Der Signalprozessor ist als Kalman-Filter dargestellt, dessen Struktur identisch mit dem mathematischen Modell für das tatsächliche System ist. Addierstellen 27 und 28 üben die Funktion der Addierstellen 21 bzw. 24 im Modell für das tatsächliche System aus. Die Verzögerungsblöcke 29 und 31 bilden die Verzögerungsblöcke 22 bzw. 26 nach.

In einer Additionsstelle 32 wird die Differenz zwischen dem gemessenen Gewicht Wm(k) und dem geschätzten Gewicht ≙(k) gebildet. Diese Differenz, die Meßabweichung m(k), wird mit einem Verstärkungsfaktor KW(k) multipliziert und der Addierstelle 27 zugeführt, um das Gewicht W(k+1) für den nächsten Zeitpunkt zu bestimmen. m(k) wird auch mit einem Verstärkungsfaktor (k) multipliziert und der Summierstelle 28 zugeführt, um den Massefluß r(k+1) für den nächsten Zeitpunkt zu gewinnen. Die Verstärkungsfaktoren KW und werden auch als Kalman-Verstärkungen bezeichnet. Sie hängen von der Fehlerkovarianz des geschätzten Gewichtes und des geschätzten Masseflusses r relativ zu den tatsächlichen Werten von W und Wr ab und berücksichtigen Werte n, w&sub1; und w&sub2; aus Störprozessen. Einzelheiten zur Berechnung Kalman-Verstärkungen KW und werden weiter unten an Hand von Fig. 4 erläutert.

Da die Werte n, w&sub1; und w&sub2; für die Störprozesse zum Berechnen der Kalman-Verstärkungen verwendet werden, ist es wichtig, nicht nur die verschiedenen Störungsquellen und ihren Einfluß auf die Größen W und Wr zu identifizieren, sondern es ist auch wichtig, ihre Größen richtig nachzubilden und diese in die Berechnung für die Verstärkungsfaktoren einzuführen.

Jeder Störprozeß wird als Gleichverteilungsprozeß mit Mittelwert Null dargestellt, mit der folgenden Störkovarianz:



mit:

σ²n: Varianz für den Meßstörprozeß;

σ²w&sub1;: Varianz für den Anlagenstörprozeßwert, der Einfluß auf das Gewicht nimmt;

σ²w&sub2;: Varianz für den Anlagenstörprozeßwert, der den Massefluß beeinflußt; und

σ²w&sub1;; w&sub2;: Kovarianz der Werte w&sub1; und w&sub2;.

Wie oben angegeben, beschreiben die Störgrößenwerte w&sub1; und w&sub2; die Einflüsse auf Gewicht bzw. Massefluß. In einem tatsächlichen System ist der Masseflußstörwert w&sub2; ein regelmäßiger Störwert, der z. B. auf klumpigem oder sonst ungleichförmigem Material beruht. Der Gewichtsstörwert w&sub1; ist dagegen sehr ungleichmäßig auf Grund von nicht vorhersagbaren Störeinflüssen, wie z. B. Schwingungen, die von vorüberfahrenden Fahrzeugen ausgelöst werden, oder durch Stöße an den Fülltrichter. Der Meßstörprozeß n ist ebenfalls ein regelmäßiger Wert, auf Grund von zufälligen und systematischen Instrument- und Fördersystemfehlern. Z. B. gehen in ihn Fehler ein, die durch Schwingungen der Förderschnecke oder eines Materialmischers hervorgerufen werden zusätzlich zu Ungenauigkeiten des Gewichtssensors.

Die Varianz σ²n kann experimentell oder empirisch aus einem tatsächlichen System bestimmt werden. Z. B. kann das System mit abnehmendem Gewicht betrieben werden und die Varianz σ²n wird aus Gewichtsmeßwertreihen Wm(k) bestimmt. Die Varianz σ²w&sub2; wird aus Maschinenbetriebsspezifikationen berechnet. Wenn z. B. eine gewünschte Massenflußabweichung (Wd) festgelegt ist, kann σ²w&sub2; proportional zu σWd gesetzt werden. Beim bevorzugten anderen Ausführungsbeispiel werden die Varianzen σ²n und σ²w&sub2; durch Selbsteinstellung berechnet, wie weiter unten an Hand der Fig. 9-14 erläutert.

Der unvorhersagbare Anlagenstörprozeßwert w&sub1; wird dagegen mit einer Varianz A nachgebildet, wobei der Wert A aus der Größe der Meßabweichung gebildet wird. Einzelheiten hierzu werden weiter unten an Hand von Fig. 4B erläutert.

Da die Anlagenstörprozesse typischerweise nicht korreliert sind, ist σ²w&sub1;, w&sub2; gleich 0. Die Anlagenstörungskovarianzmatrix Q(k) wird wie folgt bestimmt. Zunächst wird Q(k) zu Q&sub0; wie folgt gesetzt:



Danach wird A aus der Größe der Meßabweichung und der Wahrscheinlichkeit des Auftretens für diese Größe der Meßabweichung berechnet. Dann wie Q(k) durch Q&sub1; wie folgt ersetzt:



In den Fig. 4A-4C sind die durch den Signalprozessor 14 (Fig. 1) abgearbeiteten Schritte dargestellt. Nach dem Start des Prozesses werden folgende Parameter in einem Schritt 41 initialisiert:

Wrd: Massefluß-Sollwert;

σn: Standardabweichung für die Meßstörgröße n;

σwd: Standardabweichung für den Massefluß;

T: Abtastzeitspanne für das Erfassen des Gewichtssignales Wm:

G: Verstärkungsfaktor für die Motorregelung;

τm: Zeitkonstante des Förderschneckenmotors;

Td: mit dem Fördermotor verknüpfte Verzögerung; und

FF: Förderfaktor des Fördermotors.

In einem Schritt 42 wird die Varianz σ²w&sub2; aus der vorgegebenen Standardabweichung für den Massefluß σwd berechnet. Es handelt sich um eine Iterationsberechnung auf Grundlage der bekannten Beziehung, wie sie für den Gleichgewichtsfall zwischen der gewünschten Masseflußfehlervarianz σ²wr=σ²wd und den Parametern T, σ²n und σ²w&sub2; gilt. Die Iterationsrechnung geht aus den Programmschritten 4999-5220 des Programms I hervor, wie es am Ende der Beschreibung abgedruckt ist. Dieses Programm arbeitet ohne Selbsteinstellung. Bei dem bevorzugten anderen Ausführungsbeispiel mit Selbsteinstellung werden beide Störvarianzen σ²n und σ²w&sub2; mit einem Selbsteinstellungsprozeß berechnet, wie er weiter unten an Hand der Fig. 9-14 beschrieben wird.

In einem Schritt 43 werden alle folgenden Variablen auf 0 gesetzt:

Wcp: Gewichtsregelungssignal;

u&sub1;, u&sub2;: Motorregelungswerte, die die Gewichts- und Masseflußmessung beeinflussen.

In Schritt 43 wird auch die Motorstellgröße IM auf einen gewünschten Wert gesetzt, so daß sich der Motor anfangs mit vorgegebener Drehzahl dreht. Die Stellgröße kann jedoch auch anfangs auf 0 gesetzt werden, so daß der Motor zunächst steht.

In einem Schritt 44 wird ein Zähler k auf 0 gesetzt und in einem Schritt 45 wird der Gewichtswert Wm(1) zum ersten Mal abgetastet. In einem anschließenden Entscheidungsblock 46 wird überprüft, ob k+1 größer ist als 2, was anzeigt, daß das Filter bereits initialisiert worden ist. Ist dies der Fall, wird gemäß Fig. 4B weiterverfahren. Andernfalls wird in einem Entscheidungsblock 47 geprüft, ob k+1 gleich 2 ist. Ist dies nicht der Fall, wird in einem Schritt 48 der Zählwert um 1 erhöht. Ist dies dagegen der Fall, wird in einem Schritt 49 mit dem Initialisieren des Filters begonnen.

Im Block 49 wird der anfängliche Gewichtsschätzwert auf den zum Zeitpunkt k=2 gemessenen Gewichtswert gesetzt. Darüber hinaus wird der anfängliche Massefluß-Schätzwert r aus der Differenz zwischen den beiden ersten Gewichtsmeßwerten berechnet, welche Differenz durch die Abtastzeitspanne T geteilt wird. Die Anfangswerte werden also aus dem letzten gemessenen Gewicht und der einfachen zeitlichen Ableitung der letzten beiden Gewichtswerte gebildet. Im Schritt 49 wird das für den Zeitpunkt k=3 geschätzte Gewicht auf den Wert zum Zeitpunkt k=2 gesetzt, geändert mit Hilfe des geschätzten Masseflusses zum Zeitpunkt k=2. Der geschätzte Massefluß für den Zeitpunkt k=3 wird auf den geschätzten Massefluß für den Zeitpunkt k=2 gesetzt.

Nach diesen Initialisierungen werden in einem Schritt 51 die vier Eintragungen für die Fehlerkovarianzmatrix P initialisiert, so daß diese folgende Form einnimmt:



mit:

σ²: Varianz des Gewichtsfehlers;

σ²r: Varianz des Masseflußfehlers; und

σ²W, Wr: Kovarianz von Gewichts- und Masseflußfehler.

Nach dem Initialisieren der Kovarianzmatrix P im Block 51 wird in Schritt 48 der Zähler k um 1 erhöht und in Schritt 45 wird erneut das Gewicht gemessen. Wenn das Filter einmal initialisiert worden ist, ist k+1 größer als 2, weshalb von Schritt 46 auf Schritt 56 in Fig. 4B übergegangen wird.

Wenn Selbsteinstellung verwendet wird, werden die Schritte gemäß dem Flußdiagramm von Fig. 10 statt denen von Fig. 4A ausgeführt.

In Schritt 46 wird die Anlagenstörwert-Kovarianzmatrix Q(k) auf Q&sub0; gesetzt und in einem Schritt 57 wird die Fehlerkovarianzmatrix P wie folgt auf den neuesten Stand gebracht:

P(k+1|k) = FP(k|k)F&min; + Q(k)

mit

P(k+1|k): Vorhersagewert für die Fehlerkovarianzmatrix P zum Zeitpunkt k+1 auf Grundlage von Meßwerten bis einschließlich dem Zeitpunkt K;

p(k|k): Fehlerkovarianzmatrix P zum Zeitpunkt k unter Berücksichtigung von Meßwerten bis einschließlich dem Zeitpunkt k;



und

Q(k): Anlagenstörgrößen-Kovarianzmatrix für den Zeitpunkt k.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Diagonalelemente σ²W und σ²Wr der Matrix P ein Maß für die Qualität der Schätzung sind. Die Schätzung ist vollkommen, entspricht also dem tatsächlichen Zustand, wenn, was in der Praxis nicht erreichbar ist, die Varianzen beider Werte Null sind. Man bemüht sich, zu möglichst geringen Varianzwerten zu kommen.

In einem folgenden Schritt 58 wird die Meßabweichung mit Hilfe folgender Gleichung berechnet:

m(k+1|k) = Wm(k+1) - ≙(k+1|k)

mit

m(k+1|k): Meßabweichung zum Zeitpunkt k+1 unter Berücksichtigung von Meßwerten bis einschließlich dem Zeitpunkt k;

Wm(k+1): Gewichtsmeßwert für den Zeitpunkt k+1; und

≙(k+1|k): geschätztes Gewicht für den Zeitpunkt k+1 unter Berücksichtigung aller Meßwerte bis einschließlich zum Zeitpunkt k.

In einem anschließenden Schritt 59 wird die Meßabweichungsvarianz wie folgt berechnet:

2m = HP(k+1|k)H&min; + R(k+1)

mit

H&min;: Transponierte der Matrix H = [1 0];

P(K+1|k): wie in Schritt 57 berechnet; und

R(k+1): Meßstörwertvarianz für den Zeitpunkt k+1 (aktuell σ²n).

In einem anschließenden Entscheidungsschritt 60 wird eine Flagge j abgefragt, um zu entscheiden, ob im vorhergehenden Durchgang die Varianz A bereits durch Durchlaufen der Schleife gemäß Fig. 4B berechnet wurde. Wenn die Varianz A noch nicht berechnet worden ist, wird in einem Schritt 61 eine Variable x auf einen Wert gesetzt, der der Meßabweichung m(k+1|k) entspricht, geteilt durch eine Konstante q und die Standardabweichung der Meßabweichung (Quadratwurzel der in Schritt 59 berechneten Varianz). Die Konstante q liegt vorzugsweise im Bereich 3 ≤q ≤5, jedoch sind auch Werte außerhalb diesem Bereich möglich, ohne daß sich am Prinzip des Verfahrens etwas ändert.

In Schritt 61 wird auch eine adaptive Verteilungsfunktion f(x) wie folgt berechnet:

f(x) = |x|a / (1 + |x|a)

mit

2 ≤a ≤4.

Werte außerhalb dem eben genannten Bereich sind möglich, ohne daß sich am Prinzip des Verfahrens etwas ändert. Die exakten Werte für q und a hängen von der verwendeten Materialzuführeinrichtung ab. Sie werden experimentell so bestimt, daß die verschiedenen Elemente der Fehlerkovarianzmatrix p bei normalem Betrieb möglichst klein werden und daß sich die schädlichen Einflüsse der aperiodischen Fülltrichterstörungen (z. B. Nachfüllvorgänge) möglichst wenig auswirken.

f(x) stellt die Wahrscheinlichkeit dafür dar, daß die Ursache für die aktuelle Meßabweichung außerhalb derjenigen Ursache liegt, die durch die zuvor bestimmte Fehlerkovarianzmatrix P(k+1|k) (berechnet in Schritt 57) angezeigt wird, wie sie durch Meßstörungen n(k) und Masseflußstörungen w&sub2;(k) verursacht ist.

In einem Schritt 62 wird die Varianz A als Produkt aus der adaptiven Verteilungsfunktion f(x) und dem Quadrat der Meßabweichung geteilt durch 12 berechnet. Dies führt zu einer gleichförmigen Teilung für A.

In einem Schritt 63 wird die Matrix Q(k) gleich Q&sub1; gesetzt und die Flagge j wird in einem Schritt 64 auf 1 gesetzt, bevor Schritt 57 wieder erreicht wird.

Mit dem neuen Wert Q(k) wird in Schritt 57 die Fehlerkovarianzmatrix neu berechnet, in Schritt 58 wird die Meßabweichung neu berechnet, und in Schritt 59 wird die Meßabweichungsvarianz neu berechnet. Da nun die Flagge j gesetzt ist, folgt auf Schritt 60 ein Schritt 65, in dem der Zähler k auf 0 rückgesetzt wird. Es folgt dann Schritt 66 gemäß Fig. 4C, in dem die Filterverstärkung K wie folgt berechnet wird:

K(k+1) = P(k+1|k)H&min; [HP(k+1|k)H&min;+R(k+1)]-1

mit:



KW(k+1): Kalman-Verstärkung für das Gewicht zum Zeitpunkt k+1;

(k+1): Kalman-Verstärkung für den Massefluß zum Zeitpunkt k+1; und

andere Variablen: wie vorstehend definiert oder berechnet.

Das vorausgesagte Gewicht und der vorausgesagte Massefluß r zum Zeitpunkt k+1 unter Berücksichtigung von Messungen bis zu diesem Zeitpunkt werden dann in einem Schritt 67 mit Hilfe folgender Gleichungen berechnet, wobei zuvor definierte oder berechnete Größen verwendet werden:

≙(k+1 k+1) = ≙(k+1|k) + KW(k+1) Wm(k+1|k)

r(k+1 k+1) = r(k+1|k) + (k+1) Wm(k+1|k)

In einem anfolgenden Schritt 68 wird die Fehlerkovarianzmatrix P auf den neuesten Stand gebracht. Die in der Gleichung in Schritt 68 erscheinende Matrix I ist die Identitätsmatrix. Alle anderen Variablen wurden zuvor definiert oder berechnet.

In einem anschließenden Schritt 69 werden neue Vorhersagen für das geschätzte Gewicht und dem geschätzten Massefluß r für den Zeitpunkt k+2 berechnet, unter Berücksichtigung aller Meßwerte bis einschließlich zum Zeitpunkt k+1. Dies mit Hilfe folgender Gleichungen:

≙(k+2|k+1) = ≙(k+1|k+1) + Tr(k+1|k+1) + u&sub1;(k+1)

r(k+2|k+1) = r(k+1|k+1) + u&sub2;(k+1)

mit:

u&sub1;(k+1): auf der Motorregelung zum Zeitpunkt k+1 beruhender Wert, der das Gewicht zum Zeitpunkt k+2 beeinflußt;

u&sub2;(k+1): auf der Motorregelung zum Zeitpunkt k+1 beruhender Wert, der den Massefluß zum Zeitpunkt k+2 beeinflußt; und

andere Variablen: wie vorstehend definiert oder berechnet.

In einem Block 71 wird die Motorregelung auf den neuesten Stand gebracht. Einzelheiten zu Verfahrensschritten, die in diesem Block 71 ausgeführt werden, sind in Fig. 5 dargestellt.

Nach dem Aktivieren des Blocks 71 kehrt das Verfahren zum Block 48 (Fig. 4A) zurück, in dem der Zähler K um 1 erhöht wird und die ganze Schleife wieder ausgeführt wird. Es wird darauf hingewiesen, daß es möglich ist, daß die Zeit zum Abarbeiten der Schleife von Zyklus zu Zyklus etwas schwanken kann, weswegen auch die Abtastzeitspanne T entsprechend schwankt. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt 0,75 ≤T ≤2,0 Sekunden. Es werden aber auch dann noch annehmbare Ergebnisse erhalten, wenn die Zeitspanne außerhalb diesem Bereich liegt. Das Ergebnis des Berechnens der Zeitspanne T für jeden Zyklus ist in Fig. 6F veranschaulicht.

In Block 72 gemäß Fig. 5 wird das Masseflußfehlersignal Wre als Differenz zwischen dem Sollmassefluß Wrd und dem geschätzten Massefluß r berechnet, wie er zuvor in Block 69 von Fig. 4C gewonnen wurde. In einem folgenden Block 73 wird das Gewichtsregelungssignal Wrc als Produkt von Verstärkung G und Masseflußfehler Wre berechnet. Die Stellgröße IM wird aus dem Gewichtsregelungssignal Wrc durch Teilen mit dem Förderfaktor FF gewonnen. Der Förderfaktor FF dient dazu, die Masseflußvariable in ein Drehzahlsignal umzuwandeln, um den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Stellgröße IM und Motordrehzahl zu kompensieren.

In einem anschließenden Block 74 werden die Motorregelungswerte u&sub1; und u&sub2; berechnet. Die Berechnungen erfolgen auf Grund eines Modells für den Regelabschnitt des Gesamtsystems. Dies ist vom Modell für das Vorausschätzen oder Filtern gemäß den Fig. 3 und 4A-4C zu unterscheiden.

In einem Block 76 wird das letzte Gewichtsregelungssignal Wcp auf das aktuell berechnete Gewichtsregelungssignal Wrc gesetzt.

In einem Schritt 77 wird der berechnete Stellwert IM an einen Motortreiber ausgegeben, um dadurch die Fördergeschwindigkeit einzustellen.

Es wird besonders darauf hingewiesen, daß der beschriebene Kalman-Filterprozeß ein rekursiver Prozeß ist, bei dem in jedem Zeitpunkt nur wenig Information gespeichert und für die Berechnung zum nächsten Zeitpunkt übertragen werden muß. Das Verfahren kann daher einfach in bestehende Systeme integriert werden, indem lediglich das verwendete Mikroprozessorprogramm neu zu schreiben ist, jedoch der vorhandene RAM verwendet werden kann.

Eine andere, bevorzugte Ausführungsform mit Selbsteinstellung wird weiter unten an Hand von Fig. 11 beschrieben.

In den Fig. 6A-6F sind verschiedene Größen über die Anzahl von Rechenschritten aufgetragen, wie sie während der Regelung ausgeführt werden. Das System wird mit einem Rechenschritt 0 mit folgenden Anfangsparametern gestartet: T=1,3; Wrd=500; FF=0,3; q=3; a=2. Es wurde Grieß gefördert und dabei wurden 100 Rechenschritte ausgeführt. Sowohl Anlagen- wie auch Meßstörungen waren vorhanden. Darüber hinaus wurde der Fülltrichter folgenden willkürlichen äußeren Störungen ausgesetzt:

Ungefährer Zyklus Störung 25 17 mm Schlüssel auflegen 35 17 mm Schlüssel weglegen 55 3 kg Gewicht auflegen 65 3 kg Gewicht wegnehmen 90 Material nachfüllen


Die Ordinate in den Diagrammen 6A-6C stellt PPM dar, wobei eine Million PPM etwa 150 kg entspricht, d. h. dem Höchstgewicht, das mit dem verwendeten Gewichtssensor meßbar ist. Ein Meßwert von 600 000 PPM entspricht also 60% von 150 kg oder 90 kg.

Die Ausgangswerte für die Motorstellgröße IM gemäß Fig. 6D sind direkt in ein Motortreibersignal wandelbar, z. B. eine Frequenz.

Die Masseflußschätzwerte gemäß Fig. 6E entsprechen PPM pro Zeiteinheit und sind direkt in kg/sec wandelbar.

In Fig. 6F ist dargestellt, wie sich die Abtastzeitspanne T von einem Zyklus zum nächsten ändert.

Fig. 7 ist eine tabellarische Darstellung der Diagramme der Fig. 6D und 6E.

In Fig. 8 sind Gewichtsmeßwerte für das System dargestellt, mit dem auch die Werte für die Fig. 6A-6F gewonnen wurden, jedoch ohne Korrekturen, aber nur mit natürlichen Anlagen- und Meßstörungen, ohne zusätzliche äußere Störungen.

Das Programm I am Ende der Beschreibung stellt eine konkrete Ausführung des bisher beschriebenen Ablaufs dar.

Es wird nun ein Ablauf mit Selbsteinstellung erläutert. Die Selbsteinstellung erleichtert das Berechnen verschiedener Betriebsparameter. Das System mit Selbsteinstellung unterscheidet sich vom System gemäß Fig. 1 ohne Eigenschaft nur durch einen zusätzlichen Kalibrierprozessor 82, wie er als Teil des Blockschaltbildes gemäß Fig. 9 vorhanden ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die verschiedenen Prozessor- und Reglerfunktionen alle von einem Mikrorechner ausgeführt werden.

Wenn das System zum ersten Mal gestartet wird, oder wenn sich starke Änderungen in den Betriebsbedingungen ergeben, z. B. wenn das geförderte Material geändert wird, wird die Maschine zunächst in eine Kalibrierbetriebsart versetzt. Die Umschaltmöglichkeit zwischen einer Kalibrierbetriebsart und einer Echtbetriebsart in Fig. 9 durch einen Umschalter 81 veranschaulicht. In der Kalibrierbetriebsart gibt der Kalibrierprozessor 82 mehrere Regelungssignale u(k) an das Fördermittel. Der Gewichtssensor 13 erzeugt eine zugehörige Folge von Meßwerten z(k). Mit Hilfe der Eingangssignale u(k) und der Ausgangssignale z(k) berechnete der Kalibrierprozessor 82 z. B. die Regelungs- und Störungsparameter. Die abgeschätzten Parameter werden an den Kalman-Filter gegeben und dann wird im Echtbetrieb geregelt.

Das Kalibrieren erfolgt, wie oben angegeben, bei Start des Systems oder immer dann, wenn es gewünscht ist. Fig. 10 entspricht Fig. 4A, jedoch mit Selbsteinstellung. Funktionsblöcke in Fig. 10 mit denselben Aufgaben wie Funktionsblöcke in Fig. 4A tragen dieselbe Bezeichnung.

Wenn das System gestartet ist, werden gemäß Fig. 10 folgende Parameter in einem Schritt 83 initialisiert:

Wrd: Sollmassefluß;

sn: Standardabweichung des Meßstörwertes n:

σw&sub2;: Standardabweichung der Masseflußstörung;

T: Abtastzeitspanne zum Erfassen des Gewichtes Wm;

GC: Verstärkungsfaktor des Motorreglers;

FF: Förderfaktor des Förderschneckenmotors; und

A: Größe eines Rechtecksignals, das zum Kalibrieren von Regelparametern verwendet wird, wie dies weiter unten in Einzelheiten mit Hilfe von Fig. 12 erläutert wird.

Die Standardabweichungen σn und sw&sub2; werden entweder vom vorigen Betriebszyklus übernommen, oder sie werden eingegeben und/oder berechnet, wie oben an Hand von Fig. 4A beschrieben.

In einem anschließenden Entscheidungsblock 84 wird unter Bedienung entschieden, ob kalibriert werden soll. Falls kein Kalibrieren erfolgen soll, schließt sich der Block 43 an, und das Verfahren läuft ab, wie oben an Hand der Fig. 4A-4C beschrieben. Ist jedoch Kalibrierung erwünscht, z. B. weil neues Material zu fördern ist, folgen Blöcke 86 und 87, in denen Regelungsparameter GVss und Wcf bzw. Störparameter σn und σw&sub2; mit Hilfe von Prozeduren kalibriert werden, wie sie in den Fig. 12 und 14 dargestellt sind und weiter unten beschrieben werden.

Nach dem Kalibrieren von Parametern in den Blöcken 86 und 87 folgt Block 43 und der anschließende Ablauf gemäß den Fig. 4A- 4C.

Wenn bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel Werte für die Motorregelung in Block 71 gemäß Fig. 4C berechnet werden, werden die adaptiven Motorregelungsberechnungen gemäß Fig. 11 ausgeführt.

In einem Block 88 gemäß Fig. 11 wird eine abgeschätzte Meßabweichung re(k+1|k) wie folgt berechnet:

re(k+1|k) = Wrd - [ ≙rk|k) + GVssWrc(k-1)]

mit:

Wre(k+1|k): für den Zeitpunkt k+1 vorhergesagte Meßabweichung auf Grundlage von Messungen bis zum Zeitpunkt k;

Wrd: Sollwert;

r(k|k): Massefluß geschätzt für den Zeitpunkt k ausgehend von Messungen bis einschließlich zum Zeitpunkt k;

GVss: Kleinsignalverstärkung; und

Wr(k-1): Masseflußregelungssignal, wie es im vorigen Zyklus berechnet wurde.

Die Kleinsignalverstärkung GVss wird im Kalibrierprozeß berechnet, wie dies weiter unten an Hand von Fig. 12 erläutert wird.

In einem Entscheidungsblock 89 wird die in Schritt 88 berechnete Meßabweichung re(k+1|k) mit dem vorgegebenen Sollwert Wrd verglichen. Wenn die geschätzte Abweichung mehr als 75% vom vorgegebenen Wert beträgt, folgt ein Block 90, in dem die Regelverstärkung G auf 0,9 gesetzt wird. Beträgt die Abweichung jedoch weniger als 75% des vorgegebenen Wertes, folgt ein Block 91, in dem der Verstärkungsfaktor G auf den in Block 83 (Fig. 10) berechneten Wert GC gesetzt wird. Letzterer ist kleiner als 0,9, vorzugsweise 0,1. Aber auch mit anderen Werten für GC arbeitet das beschriebene Verfahren.

So wird eine Art integraler Regelung dadurch verwendet, daß der Verstärkungsfaktor G von der Größe der Meßabweichung bezogen auf den Sollwert abhängt. Beim Ausführungsbeispiel werden nur zwei unterschiedliche Werte für den Verstärkungsfaktor G verwendet, jedoch können auch unterschiedliche Werte eingestellt werden, insbesondere kann der Verstärkungsfaktor auch kontinuierlich von der Abweichung abhängen.

In einem anschließenden Schritt 92 wird das Masseflußregelungssignal Wrc(k) aus dem Verstärkungsfaktor G und der geschätzten Meßabweichung re(k+1) berechnet. Auch die Stellgröße IM für den Motor wird in Block 92 gewonnen.

In einem anschließenden Block 93 werden die Regelungseinflußgrößen u&sub1;(k+1) und u&sub2;(k+1) aus dem Masseflußregelungssignal Wrc(k-1) berechnet, wie es im vorigen Zyklus mit Hilfe des Gewichtskompensationsfaktors Wcf und der Kleinsignalverstärkung GVss berechnet wurde (wobei beide mit einer Prozedur kalibriert werden, wie sie weiter unten an Hand von Fig. 12 erläutert wird). Die Berechnung der Regeleffektwerte für den Zyklus k+1 mit Hilfe des Masseflußregelsignals für den Zyklus k-1 erfolgt, um Zeitverzögerungen zu berücksichtigen, die etwa zwei Abtastperioden (2T) betragen. Dies bedeutet, daß ein zum Zeitpunkt kvorgenommener Regelvorgang das Gewicht erst zum Zeitpunkt k+2 beeinflußt.

In einem anschließenden Block 94 wird die Stellgröße IM an den Motor ausgegeben. Es folgt dann wieder der Block 71 gemäß der Fig. 4C für weiteres zyklisches Abarbeiten.

In bezug auf die Regelparameterkalibrierung, wie sie in Block 86 ausgeführt wird, wurde festgestellt, daß die Reaktion des Systems auf schrittweise Änderung verwendet werden kann, um das Regelmodell der stochastischen Regelung zu kalibrieren. Genauer gesagt, wenn eine Reihe von Schritten (d. h. ein Rechtecksignal mit einer Periode, die lang ist gegenüber dem Abtastintervall T) als Regelsignal vom Kalibrierprozessor 82 (Fig. 9) ausgegeben wird, und das unkompensierte Gewicht gemessen wird, kann eine Reihe von Meßabweichungen berechnet werden. Aus dieser Reihe werden dann die Kleinsignalverstärkung GVss und der Gewichtskompensationsfaktor Wcf berechnet und an den Kalman-Filter zur weiteren Verwendung ausgegeben.

Es wird, wie im Flußdiagramm von Fig. 12 dargestellt, in einem Block 96 ein Rechtecksignal als Regelsignal u(k) ausgegeben, das gegenüber 0 um einen vorgegebenen Sollwert versetzt ist. Die Doppelamplitude des Signals ist 2A und die Periode ist das 20fache der Abtastzeitspanne T.

Das Signal mit hohem Pegel vhigh dauert für die Zeitspanne 10T, gefolgt von einer gleichlangen Zeitspanne 10T, wo das Signal niedrigen Pegel vlow einnimmt. Die Differenz zwischen den beiden Pegeln ist 2A. Dabei ist A so gewählt, daß es möglich ist, das Systemverhalten um einen gewünschten Betriebspunkt herum (d. h. die Nullverschiebung des Rechtecksignals) zu bestimmen. Vorzugsweise ist A etwa 25% des gewünschten Sollwertes. Wenn z. B. der gewünschte Sollwert 200 ist, wäre A 50, und das Rechtecksignal u(k) hätte einen hohen Pegelwert von 250 und einen niedrigen Pegelwert von 150. Das Rechtecksignal dauert für N Zyklen an, wobei N vorzugsweise mindestens 5 ist.

Während das Rechtecksignal anliegt, wird in einem Block 97 ein geschätzter hoher Massefluß high aus einer Reihe geschätzter Masseflüsse berechnet, die jeweils vor dem Übergang des Rechtecksignals u(k) von hoch nach tief auftreten, d. h. am Ende der Zeitspanne 10T des Abschnitts mit hohem Pegel. Entsprechend wird in Block 97 ein geschätzter niederer Massefluß low aus einer Reihe geschätzter Masseflußwerte bestimmt, von denen jeder bestimmt wird, bevor der Pegel des Rechtecksignals von nieder nach hoch wechselt, d. h. am Ende der Zeitspanne 10T des Abschnitts mit niedrigem Pegel im Rechtecksignal u(k).

In einem anschließenden Block 98 wird die Summe der Meßabweichungen berechnet. Die Meßabweichungen werden als Differenz aus der aktuellen Gewichtsmessung z und dem vom Filter vorhergesagten Gewicht ohne Kompensation erzeugt. Zum Bilden der Summe Σ werden die Meßabweichungen, die während Zeitspannen hohen Pegels auftreten, mit 1 multipliziert, während die Meßabweichungen, die während den Zeitspannen niedrigen Pegels auftreten, mit -1 multipliziert werden.

In einem dann folgenden Block 99 wird die Kleinsignalverstärkung GVss mit folgender Gleichung berechnet:

GVss = ( ≙high - ≙low)/2A

das heißt:

GVss entspricht der Differenz zwischen den Schätzwerten für den hohen und den niedrigen Massefluß geteilt durch die Doppelamplitude 2A.

In einem anschließenden Block 101 wird der Gewichtskompensationsfaktor Wcf wie folgt berechnet:

Wcf = (Σ)2NA

mit:

Σ: Summe der in Block 98 berechneten Meßabweichungen; und

NA: Zyklenzahl bzw. Amplitude des angelegten Rechtecksignals.

Der Gewichtskompensationsfaktor Wcf ist also der Mittelwert der Meßabweichungen z, mit der Amplitude A normalisiert.

In einem dann folgenden Block 102 werden die Kleinsignalverstärkung GVss und der Gewichtskompensationsfaktor Wcf an das Kalman- Filter geliefert, genau gesagt an die Blöcke 88 bzw. 93 in Fig. 11.

Zum Einstellen der Störparameter σ²n und σ²w&sub2; wird von bekannten linearen Zusammenhängen Gebrauch gemacht, wie sie zwischen den Anlagen- und Meßstörvarianzen einerseits und den vorausgesagten Meßabweichungsvarianzen andererseits bestehen, um Schätzwerte für die aktuellen Anlagen- und Meßstörvarianzen zu berechnen. Dazu wird das System durch den Kalibrierprozessor 82 so betrieben, daß die Fördereinrichtung mit konstanter Geschwindigkeit läuft (d. h. jeder Wert des Vektors u(k) ist konstant, und es wird eine Reihe von Meßwert z(k) erfaßt, die zwei Filtern A und B mit konstanten Verstärkungsfaktoren zugeführt werden, die sich jedoch voneinander unterscheiden. Jedes Filter berechnet zugehörige Meßabweichungsvarianzen und aus diesen werden Schätzwerte für die Meßstörungsvarianz σ²n und die Anlagenstörungsvarianz s²w&sub2; berechnet.

Die Störungsparameterkalibrierung erfolgt nach dem Konzept gemäß Fig. 13. Die Filter A und B sind wie Kalman-Filter aufgebaut, mit der Ausnahme, daß die Verstärkungsfaktoren der Filter festliegen und bekannt sind. Jeder Filter berechnet Schätzwerte und bildet ein Regelmodell nach, wie das Kalman-Filter in der Hauptregelschleife, wie sie oben an Hand der Fig. 4A-C und 11 erläutert wurde, mit der Ausnahme, daß nicht bei jeder Iteration neue Verstärkungsfaktoren berechnet werden. Da die Filter A und B konstante Verstärkung aufweisen, werden die Störungsparameter σ²n und σ²w&sub2; in diesen Filtern nicht verwendet. Die Filter nutzen jedoch vorzugsweise die Größen GVss und Wcf, die wie oben an Hand von Fig. 12 beschrieben eingestellt wurden.

Die Meßwertfolge z(k) wird den beiden Filtern A und B zugeführt, die daraufhin zugehörige Meßabweichungsfolgen A und B ausgeben. Außerdem geben die Filter Größen bn,A, bwA, bn,B und bw,B aus, die von den zugehörigen Verstärkungen abhängen. Es gilt:

bn,A = (4K1,A + 2TK2,A)/DA

bw,A = T(2-K1,A)/K2,ADA

bn,B = (4K1,B + 2TK2,B)/DB

bw,B = T(2-K1,B)/K2,ADA

mit:

K1,A und K2,A: festgelegte bekannte Verstärkungsfaktoren des Filters A;

K1,B und K2,B: festgelegte bekannte Verstärkungsfaktoren des Filters B;

DA = K1,A (4 - 2K1,A - TK2,A);

DB = K1,B (4 - 2K1,B - TK2,B);

T: Abtastperiode.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt: K1,A = 0,8; K2,A = 0,4; K1,B = 0,4 und K2,B = 0,2. Aber auch mit anderen Werten läßt sich das Verfahren ausführen.

Die Meßabweichungsvarianzen σ² ≙,A und σ² ≙,B werden von Varianzanalysatoren 103 bzw. 104 aus den Meßwertfolgen A und B gebildet. Die Varianzen werden einem Block 106 zugeführt, der die folgenden zwei Gleichungen für die unbekannte σ²n und σ²w&sub2; löst:

σ² ≙,A = bn,Aσ²n + bw,Aσ²w&sub2;

σ² ≙,B = bn,Bσ²n + bw,Bs²w&sub2;.

Fig. 14 stellt den Kalibrieralgorithmus für Störungsparameter dar. Zum Initialisieren des Algorithmus wird das System mit konstanter Fördergeschwindigkeit gemäß einem Block 107 betrieben. In einem Entscheidungsblock 108 wird festgestellt, ob zwei aufeinanderfolgende störungsfreie Messungen ausgeführt wurden. Ist dies der Fall, wird Filterinitialisierung (entsprechend der Filterinitialisierung gemäß Fig. 4A mit zugehörigem Text) für beide Filter A und B in einem Schritt 109 ausgeführt. Danach folgen 25 Meßzyklen, die mit Hilfe eines Entscheidungsblockes 111 abgezählt werden. Diese dienen dazu, daß sich die Ausgangswerte der Filter A und B stabilisieren. Danach werden 100 Meßzyklen mit Hilfe eines Entscheidungsblockes 114 ausgeführt, und in Blöcken 112 und 113 werden die Summen der Meßabweichungen ΣA und ΣB bzw. die Summen der Quadrate Σ²A und Σ²B für die beiden Filter A bzw. B berechnet. In einem anschließenden Block 116 werden die Meßabweichungsvarianten σ² ≙,A und σ² ≙,B für die beiden Filter A und B berechnet. In einem nächsten Block 117 erfolgt das Berechnen der Meßstörungsvarianz σ²n und der Anlagenstörungsvarianz σ²w&sub2; aus den genannten Meßwertvarianzen. Durch einen Block 118 werden die Anlagenstörungsvarianz und die Meßstörungsvarianz an das Kalman-Filter des stochastischen Reglers gegeben.

100 Messungen werden zum Berechnen der eben genannten beiden Varianzen ausgeführt, um eine Aussagezuverlässigkeit von 95% bei einer Fehlertoleranz von 10% zu erhalten.

Der Regelparameterkalibrierprozeß benötigt also 120 Meßzyklen und der Störparameterkalibrierprozeß benötigt etwa 125 Meßzyklen. Dies bedeutet, daß eine Gesamtkalibrierzeit von etwa 4-6 Minuten erforderlich ist, wenn Abtastzeiten verwendet werden, wie oben beschrieben.

Das Verfahren kann leicht so abgewandelt werden, daß Störungskalibrierung auch im Echtbetrieb möglich ist. Dazu müssen die Kleinsignalverstärkung GVss und der Gewichtskompensationsfaktor Wcf kalibriert und die Filter A und B eingeschrieben werden. Der Regelwert u(k) kann sich dann ändern, wie oben an Hand der Stellgrößenregelung beschrieben. Es folgt dann die Störkalibrierung für σ²n und σ²w&sub2;, ebenfalls wie oben angegeben. Um dies zu ermöglichen, liegt der Schalter 81 in Fig. 9 in Echtzeit-Position und der Block 107 in Fig. 14 wird umgangen. Im Programm II am Ende dieser Beschreibung ist diese Eigenschaft durch die Befehle 21900 bis 22020 und 23750 realisiert. Dieser Ablauf erhöht die Vielseitigkeit des Verfahrens und ermöglicht es, Störkalibrierung oder Nachkalibrierung während des Echtbetriebs auszuführen.

Das Programm II umfaßt die oben an Hand der Flußdiagramme der Fig. 4B, 4C, 10, 11, 12 und 14 beschriebenen Abläufe.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Masseflußregelung eines geförderten Materials, mit folgenden Schritten:
    1. - Messen des Gewichtes des Materials auf einer Förderstrecke, mit vorgegebenem Massefluß,
    2. - automatisches Kalibrieren eines Regelmodells, das eine Regelgröße mit dem vorgegebenen Massefluß korreliert,
    3. - automatisches Kalibrieren eines Störungsmodells für mindestens einen Störprozeß, der dazu führt, daß das erfaßte Gewicht vom tatsächlichen Gewicht abweicht,
    4. - Berechnen von Schätzwerten für das aktuelle Gewicht und den aktuellen Massefluß aus dem gemessenen Gewicht unter Berücksichtigung des Regelungsmodells und des Störungsmodells,
    5. - Bestimmen der Differenz zwischen dem geschätzten aktuellen Massefluß und dem gewünschten Massefluß und
    6. - Regeln der Fördergeschwindigkeit auf Grundlage der eben genannten Differenz.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dauernd neue Schätzwerte für den aktuellen Massefluß berechnet werden.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Störungsmodell ein stochastisches Modell ist, das ein Modell für mindestens eine Anlagenstörung und ein Modell für mindestens eine Meßwertstörung beinhaltet.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte zum automatischen Kalibrieren des Störungsmodells:
    1. - Entladen des Materials mit einer Flußgeschwindigkeit,
    2. - Messen des Gewichts des Materials auf der Förderstrecke,
    3. - Filtern des gemessenen Gewichtswertes mit ersten und zweiten Filtern mit ersten bzw. zweiten Sätzen von Verstärkungen, um erste und zweite Schätzwerte für das aktuelle Gewicht zu erhalten,
    4. - Bestimmen eines ersten und eines zweiten Differenzwertes aus dem gemessenen Gewicht und dem ersten bzw. zweiten Gewichtsschätzwert,
    5. - Berechnen der Varianten der beiden Differenzen,
    6. - Berechnen einer Varianz für mindestens einen Meßwertstörprozeß aus den beiden Varianten, und
    7. - Berechnen einer Varianz für den Anlagenstörprozeß aus den beiden Varianzen.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch folgende Schritte zum automatischen Kalibrieren des Regelungsmodells:
    1. - Fördern des Materials mit vorgegebenen ersten und zweiten Fördergeschwindigkeiten,
    2. - Messen des Gewichts des Materials in der Förderstrecke,
    3. - Bestimmen eines ersten und eines zweiten Schätzwertes für das aktuelle Gewicht des gewogenen Materials und eines ersten und eines zweiten Schätzwertes für den aktuellen Massefluß, jeweils aus dem ermittelten Gewicht,
    4. - Berechnen einer Kleinsignalverstärkung für das Regelungsmodell aus den beiden Schätzwerten für den Massefluß,
    5. - Bestimmen der Differenzwerte zwischen dem gemessenen Gewicht und den beiden Schätzwerten für das aktuelle Gewicht,
    6. - Berechnen des Mittelwertes der Differenzen, und
    7. - Berechnen eines Gewichtskompensationsfaktors für das Regelungsmodell aus der Differenz.
  6. 6. Verfahren zur Masseflußregelung eines geförderten Materials, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des Materials in der Förderstrecke gemessen wird und ein Kalibrierbetrieb und ein Echtbetrieb ausgeführt werden, wobei
    1. - im Kalibrierbetrieb folgende Schritte ausgeführt werden:
      1. - Kalibrieren einer Kleinsignalverstärkung und eines Gewichtskompensationsfaktors für ein Regelungsmodell, das einen Massefluß mit einer Stellgröße verknüpft, und
      2. - Kalibrieren eines Störungsmodells, das ein Modell für mindestens einen Anlagenstörprozeß und ein Modell für mindestens einen Meßstörprozeß beinhaltet, welche Störungen verursachen, daß das erfaßte Gewicht vom tatsächlichen Gewicht abweicht,
    2. - und der Echtbetrieb folgende Schritte umfaßt:
      1. - Berechnen eines Schätzwertes für den aktuellen Massefluß des geförderten Materials aus dem gemessenen Gewicht mit Hilfe des Regelungsmodells und des Störungsmodells,
      2. - Bestimmen der Differenz zwischen dem geschätzten aktuellen Massefluß und einem gewünschten Massefluß,
      3. - Berechnen einer Stellgröße aus der genannten Differenz in Relation zum gewünschten Massefluß, und
      4. - Regeln des Masseflusses mit Hilfe der genannten Stellgröße.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierbetrieb vor dem Echtbetrieb ausgeführt wird.
  8. 8. Vorrichtung zur Masseflußregelung eines geförderten Materials, gekennzeichnet durch
    1. - eine Gewichtsmeßeinrichtung (13) zum Messen des Gewichts des Materials in der Förderstrecke,
    2. - eine Einrichtung (14) zum Berechnen eines geschätzten Gewichtes und eines geschätzten Masseflusses ausgehend vom gemessenen Gewicht, mit Hilfe eines Kalman-Filters mit einem Regelungsmodell und einem Störungsmodell, das mindestens einen Störprozeß berücksichtigt, der dazu führt, daß das gemessene Gewicht vom gewünschten Gewicht abweicht,
    3. - eine Einrichtung (14) zum automatischen Kalibrieren des Regelungsmodells und des Störungsmodells,
    4. - eine Einrichtung (18) zum Berechnen einer Regelabweichung, die proportional zur Differenz zwischen dem geschätzten und dem gewünschten Massefluß ist,
    5. - eine Einrichtung (18) eines Stellwertes abhängig von Größe und Vorzeichen der Regelabweichung, und
    6. - eine Einrichtung (19) zum Einstellen der Entladeeinrichtung (12, 11) abhängig vom Stellwert, um dadurch Material mit gewünschtem Massefluß zu fördern.






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