DE1804571B2 - Einrichtung zur regelung der eigenschaft eines eine bearbeitungsanlage durchlaufenden materials - Google Patents

Description

r^DiLf_ef_u ⁿnt^Under^beFia_P ^hnc^Sl^Ch _f, ^- ^ ^Einrichtung bevorzugten Ausführungsform einer Regeleinrichtung

zur Regelung der Eigenschaft eines eine Bearbei- gemäß der Erfindung

^Mw^riall' ^{bei der der} Fig 6 euT Shrücheres Blockschaltbild der

,g^hst nahe ein.m vor- Regeleinrichtung gemäß Fi g. 5,

*Sf ^" ? ^{überschreiten}' 5 F i g. 7 als Blockschaltbild eine Ausgestaltung der

?^ "XÄWiÄ

¥in_nri!vir^gS^^af^{SieUerL 10 einem} Rohmaterialeinlaß 12 dargestellt. Das zuge-

Bei kontinuierlichen Bearbeitungsvorgängen bei führte Material durchläuft die Bearbeitungsanlage 10

^f ^{10 einem} Rohmaterialeinlaß 12 dargestellt. Das zuge

Bearbeitungsvorgängen, bei führte Material durchläuft die Bearbeitungsanlage 10

ij,·^ ^n.v. ?T rT⁸^^{age durchl}aufenden kontinuierlich und tritt aus dieser als bearbeitetes. Material eine veränderliche Eigenschaft erteilt wird, Material 14 mit einer sich ändernden und zu regelnist es ubhcherweise erwünscht, den Wert dieser den Eigenschaft aus. Zur Regelung ist ein auf die Eigenschait so nahe wie möglich an einem bestimm- _l5 Materialeigenschaft ansprechendes Meßinstrument 16 ten Grenzwert zu halten. Bs₁St jedoch von großer vorgesehen, das auf ehier Leitung 18 ein den ge-Bede^tung die Menge an Material, bei dem der messenen Istwert der Eigenschaft darstellendes Aus-Eigemchaftswert den Grenzwert überschreitet, mög- gangsngnal erzeugt.

l,n..,t gering zu halten. Während dieser vorgeschrie- In F i g. 1 ist dir zeitlich ν ,änderiiche Istwert der bene Grenzwert ziemlich sicher eingehalten werden 20 Miterialeigenschaft mit χ und dp* den Istwert χ dar-

solite, kann eine Verbesserung der G.samtqualität, stellende Ausgangssignal mit g{x) bezeichnet, um

vcicundea mit einer wesentlichen Ersparnis an Her- anzuzeigen, daß das Ausgangssignal eine Funktion

stc.;ungskosten, oft dadurch erreicht werden, daß von χ ist. Dieses Ausgangssignal kann ein digitales

di. Bearbeitung möglichst nahe diesem Grenzwert od r analoges Signal sein. Es kann dem Absolutwert

vorgenommen wird. _aj. _{der Eigenschaft oder der} Abweichung des Eigen-

.vegeeinrichtungen der eingangs genannten Art schaftswertes von einem beliebigen Wert proportional sind bekannt. Demgegenüber liegt der Erfind mg die sein, und es kann sich gemäß einer beliebigen mathe-Au-rgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben, die malischen Funktion der Eigenschaft ändern. Das selbsttätig die Genauigkeit der Regelung bei der Signal g(x) wird einem Regelgeidt 20 über eine Lei-Bearbeitung teststellt und die je nach der Genarig- 30 tung 18a zugeführt. Entsprechend diesem oen Istwert Ke; t den Sollwert naher an dem vorgeschriebenen der Materi.aleigenschaft darstellenden Signal bewirkt Grenzwert oder weiter von ihm weg einstellt. des Regelgerät 20 erforderlichenfalls eine Verstellung

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer der Bearbeitungsanlage 10 zu dem Zweck, den Mate-Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch rialeigenschaft-Istwert χ so nahe wie möglich an gelost, daß der Ausgang des Meßinstruments zusatz- 35 einem Sollwert x_d zu halten. Die Wirkverbindung hch mit der Sollwerteinstellvorrichtung über einen zwischen dem Regelgerät 20 und der Bearbeitungs-Rechner verbunden ist, dessen Ausgangssignal eine anlage 10 ist durch die gestrichelte Linie 22 ange-Funktion der mittleren statistischen Streuung des deutet.

zeitlich schwankenden Istwertes ist und die Lage des Das Regelgerät 20 weist eine Sollwerteinstell-

Sollwertes in bezug zum vorgegebenen Grenzwert 40 vorrichtung 24 auf, die die Wahl des Sollwertes x_d

^stcuert· ermöglicht. Die Einstellbarkeit ist in Fig. 1 durch

Bei der Regeleinrichtung gemäß der Erfindung einen schrägen Pfeil 26 angedeutet. Bei der Einstelwird die Sollwerteinstellvorrichtung in Abhängigkeit lung wird eine Bezugseinstellung g(x_d) erhalten. Das von dem Ausgangssignal r,es Meßinstruments in der Regelgerät 20 vergleicht den eingestellten Wert £(*,,) Weise betätigt, daß der Mittelwert der statistisch 45 mit dem veränderlichen Signalwert g(x) des Ausverteilten Istwerte der Eigenschaft, der etwa gleich gangssignals des Meßinstruments 16 und bewirkt bei dem Sollwert ist, je nach der Genauigkeit der Rege- einer Regelabweichung die Verstellung der Bearbeitung, für die die statistische Verteilung ein Maß ist, tungsvorrichtung 10 in der geeigneten Stellrichtung dem Grenzwert genähert oder von ihm entfernt wird. und mit der richtigen Amplitude und Phasenlage.

Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den 50 Die bisher in Verbindung mit F i g. 1 beschrie-

Unteiansprüchen und aus der nachfolgenden Be- b.-nen, bereits eine vollständige Regeleinrichtung

Schreibung an Hand der Zeichnungen hervor, in bildenden Teile der Einrichtung sind an sich be-

denen Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigt kannt. Die Wirkungsweise solcher Regeleinrichtungen

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer kann durch die statistischen Verteilungskurven der

Regeleinrichtung gemäß der Erfindung, 55 F i g. 2 dargestellt werden.

Fig. 2 in einer graphischen darstellung zwei In Fig. 2 stellen vom Nullpunkt entlang der statistische Verteilungskurven zur Erläuterung der .v-Achse gemessene Entfernungen Istwerte χ der geWirkungsweise der herkömmlichen Regelung eines regelten Eigenschaft des Materials 14 dar. Eine vom Bearbeitungsvorganges, Nullpunkt entlang der y-Achse gemessene Entfernung

Fig. 3 in einer weiteren graphischen Darstellung 60 stellt jeweils eine Anzahl von untereinander gleichen,

zwei st." :istische Verteilungskurven zur Erläuterung zu verschiedenen Zeiten gemessenen einzelnen Ist-

der Wirkungsweise einer Regeleinrichtung gemäß der werten der Eigenschaft des Materials 14 dar. Diese

Erfindung, einzelnen Istwerte gelten jeweils für einen Teil-

Fig. 4 eine der Γ i g. 3 entsprechende graphische abschnitt des Materials 14. x_d stellt den durch die Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise einer 65 Verstellung der Sollwerteinstellvorrichtung 24 einweiteren Ausführungsform einer Regeleinrichtung gestelllen Sollwert dar. Das Regelgerät 20 versucht, gemäß der Erfindung, ständig alle Istwerte χ bei dem Sollwert .v,, konstant

Fig. 5 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer zu halten. Würde dies celineen. so hätten alle Ist-

werte χ der Eigenschaft des Materials 14 den dem arbeiten, daß geringere Dickenänderungen tatsächlich

Sollwert x_d gleichen Wert. überkompensiert werden.

Auf Grund des Einflusses von Störgrößen, wie der Das erzeugte Reifengewebe wird zur Herstellung

Veränderung des zugeführten Rohmaterials und des von Kraftfahrzeugreifen verwendet, an deren Aufbau

Verhaltens von Teilen der Bearbeitungsvorrichtung 5 aus Sicherheitsgründen hohe Anforderungen gestellt

10, haben jedoch nicht alle Teilabschnitte des Mate- werden. Es ist daher notwendig, daß das verwendete

rials 14 den gleichen Istwert .v, sondern es tritt eine Reifengewebe eine Mindestdicke nicht unterschreitet.

Streuung der Istwerte χ auf, so daß diese auch größer Der in F i g. 2 dargestellte untere Grenzwert X₁ kann

und kleiner als der Sollwert x_d sind. Diese Streuung dieser Mindestdicke entsprechen. Der mittels der

ist durch die Verteilungsfunktion y — Z₁ (x) beschreib- io Sollwerteinstellvorrichtung 24 eingestellte Sollwert .v_rf

bar und in F i g. 2 durch die entsprechend bezeichnete für die Dicke wird dann üblicherweise aus Sicher-

Verteilungskurve dargestellt. Bei einer gegebenen heitsgründen wesentlich größer als x_L gewählt. Wenn

Gesamtanzahl von für jeweils einen Teilabschnitt des dann die unvermeidbaren Störeinflüsse zur Folge

Materials 14 gemessenen Istwerten jc gibt die Ver- haben, daß einige Teilabschnitte des Reifengewebes

teilungskurve an, welche Anzahl dieser Teilabschnitte 15 Dicken kleiner als x_d aufweisen, so sind diese Istwerte

jeweils einen bestimmten Istwert aufweist. mit Ausnahme einiger möglicher zufälliger Istwerte

Der Mittelwert der Istwerte χ bei allen in_ Frage noch größer als der untere Grenzwert x_L der Dicke,

kommenden Teilabschnitten ist der Wert x. Auf Wenn beispielsweise die Streuung der Istwerte .v der

Grund der Regelwirkung des Regelgeräts 20 wird Dicke durch die Verteilungskurve y = Z₁OO darstell-

der Mittelwert ~x sehr nahe dem Sollwert x_d gehalten, 20 bar ist, werden einige Teilabschnitte des Reifen-

wie in Fig. 2 durch die Nähe der ausgezogenen gewebes eine Dicke .v, aufweisen, die wesentlich

senkrechten Linie beim Wert jc zu der gestrichelten kleiner als der Sollwert x_d, aber noch größer als der

senkrechten Linie beim Wert x_d dargestellt ist. untere Grenzwert .v, ist.

Bei den meisten Bearbeitungsvorgängen, wie z. B. Beim Einstellen des Sollwertes muß jedoch die

dem in Fig. 1, ist ein Grenzwert vorhanden, der as Tatsaaie in Rechnung gestellt werden, daß auch

von dem Istwert χ nicht überschritten werden soll. Teilabschnitte des Materials einen viel größeren

Dieser Grenzwert kann eine obere oder untere Grenze Istwert χ der Dicke als den Sollwert x_d aufweisen,

zulässiger Grenzwerte * angeben. In F i g. 2 ist ein Beispielsweise haben einige Teilabschnitte, wie an

unterer Grenzwert x_L dargestellt. Gleichzeitig ist es Hand der Verteilungskurve y = Z₁ (x) erkennbar, eine

üblicherweise erwünscht, den Istwert χ dem Grenz- 30 Dicke x₂, die viel größer ist als der Grenzwert x_L und

wert so nahe wie möglich zu halten. der Sollwert x_d. Diese übermäßige Gummidicke ist

Ein Beispiel für die vorgenannten Bedingungen unerwünscht, da sie sich auf die Lebensdauer des bietet die Herstellung von Reifengewebe von Kraft- aus dem Reifengewebe hergestellten Kraftfahrzeugfahrzeugreifen. In F i g. 1 kann die Bearbeitungs- reifens nachteilig auswirkt und da sie zu einem anlage 10 einen Gummikalander aufweisen. Das dem 35 erhöhten Rohmaterialverbrauch je Längeneinheit des Kalander zugeführte Material kann aus einer Viel- bearbeiteten Materials führt.

zahl von synthetischen Fäden, Schnüren oder Seilen Aus vorstehenden Gründen ist es einerseits wünals Einlagen und einer Masse aus rohem, syntheti- sehenswert, den Sollwert x_d so einzustellen, daß er so schem Gummi bestehen. Der Kalander bringt eine nahe wie möglich am Grenzwert x_L liegt. Anderer-Gummischicht auf jeder Seite dieser Einlagen auf. 40 seits muß der Sollwert wegen des Sicherheitsrisikos Bei diesem Beispiel ist die zu regelnde, variable beim Unterschreiten des unteren Grenzwertes x_L ausEigenschaft des Materials 14, d. h. die Regelgröße, reichend größer als x_L sein, um sicherzustellen, daß die Dicke der Gummischicht. Der Istwert χ dieser der Istwert λ: selten, wenn überhaupt den Grenz-Dicke wird ständig durch das Meßinstrument 16 wert x_L unterschreitet.

gemessen, das z. B. ein Betastrahlcn-Dickenmeßgerät 45 Der erforderliche Abstand des Sollwertes x_d gegenist. Das Regelgerät 20 spricht auf das Ausgangssignal über dem Grenzwert x_L hängt von der Breite der des Meßinstruments 16 an und steuert gemäß der Streuung der Istwerte χ ab. Die statistische * 'arianz σ² Regelabweichung den Abstand zwischen den Kalan- oder die mittlere statistische Streuung σ bilden ein derrollen, um die Gummischicht so nahe wie möglich Maß für die Breite der Streuung. Die Varianz a- kann an dem Sollwert x_d zu halten. 50 berechnet werden zu

Die Schicht kann jedoch wegen verschiedener

Störeinflüsse nicht mit vollkommener Gleichförmig- _a2 _ ^*² _ / Σ .ν \ ² keit aufgebracht werden. Beispielsweise kann die N \ N J ' Gummimasse nicht mit einer vollkommenen gleichförmigen Zusammensetzung und Plastizität ange- 55 Hierbei ist χ der gemessene Istwert für die in Frage liefert werden. Die Kalanderrollen und ihre Lager stehende variable Eigenschaft (wie beispielsweise di< können nicht vollkommen rund ausgeführt werden. Dicke der Gummischicht eines Reifengewebes) fü: Es ist notwendigerweise ein gewisses Spiel in den einen gegebenen Teilabschnitt des Materials und Λ sich bewegenden Teilen vorhanden, das sich zudem die Anzahl von Teilabschnitten, deren Istwerte ; infolge von Verschleiß vergrößert. Änderungen der 60 gemessen wurde. Die Größe Umgebungstemperatur verursachen ungleichmäßige

Ausdehnungen und Zusammenziehungen der sich Σ.ν _ _

bewegenden Teile. Die Veränderungen der Schicht- jf dicke sind verschieden schnell; einige Änderungen

treten so rasch auf, daß sie von dem Regelgerät 65 ist der Mittelwert, der durch Addieren aller einzelne

nicht ausgeglichen werden können. Um größeren Istwerte.χ und durch Teilen durch deren Anzal

Schichtdickenänderungen möglichst wirksam zu be- errechnet wird,

gegnen, muß das Regelgerät andererseits oft so Varianz und mittlere statistische Streuung sin

mittels eines Rechners in einfacher Weise zu berechnen, der an das Meßinstrument (z. B. 16 in Fig. 1) angeschlossen wird. Hs können hierbei sämtliche Arten von Rechnern wie Analog-Hybrid- unJ Digitalrechner zum Einsatz kommen. Diese können ci'-i statistischen Größen auch nach anderen, c!en oben angegebenen Formeln gleichwertigen mathematischen Gleichungen berechnen, die so umgeformt sind, daß sie sieh am besten dor Betriebsart des verwendeten Rechners und der kontinuierlichen oder schrittweisen Arbeitsweise des Meßinstruments anpassen. In Fig. 1 ist ein selbsttätig arbeilender Varianzrechner 30 dargestellt, der an die Leitung 18 und damit an den Ausgang des Meßinstruments 16 angeschlossen ist. Der Varianzrechner 30 erzeugt ein Ausgangssignal σ² (.ν) auf der Leitung 32, das dem Wert der Varianz o- der geregelten Eigenschaft des Materials 14 entspricht.

Wie durch die beiden Verteilungskurven y = /,(.v) und y — /₂(.t) in Fig. 2 dargestellt ist, ist der Wert der Varianz bei gegebener Bearbeitungsanlage nicht konstant, sondern unterliegt einer Änderung entsprechend den Störgrößen, die bei dem Bearbeitungsvorgang wirken. Die Verteilungskurve y = /₂(a) beispielsweise stellt eine Streuung der Istwerte χ von geringer Breite dar. Sie wird an einem »guten Tag« erhalten, wenn die bei der Bearbeitung zugeführten Rohmaterialien sehr gleichmäßig sind, wenn sich die Maschinen der Bearbeitungsanlage 10 in bestem Zustand befinden und eine sehr genaue Regelung durchführbar ist. Hierbei sind die Istwerte .v eng um den Mittelwert χ verteilt, und die Varianz o_:,^J und die mittlere statistische Streuung o., haben kleine Werte.

In entsprechender Weise kann die Verteilungskurve y = /, (.v) die Streuung der Istwerte χ an einem »schlechten Tag« darstellen, wenn die Rohmaterialien ziemlich ungleichmäßig sind, wenn die Maschinen abgenutzt oder falsch eingestellt sind, oder wenn eine verhältnismäßig schlechte Regelung bei der Bearbeitung erfolgt. Hierbei sind die Istwerte χ ziemlich weit um den Mittelwert λ· gestreut, und die Varianz σ,² und die mittlere statistische Streuung <;, nehmen verhältnismäßig hohe Werte an.

Wenn die Bearbeitungsanlage 10 oder das Regelgerät 20 neu in Betrieb genommen werden, so kann man die Sollwerteinstellvorrichtung 24 zunächst von Hand einstellen und dem Sollwert x_d einen ziemlich großen Abstand von dem Grenzwert x, geben. Jedesmal nach einer gewissen Zeit des Materialdurchlaufs wird dann eine Berechnung der Varianz σ² und/oder der mittleren statistischen Streuung α durchgeführt. Eine Anzahl der ermittelten statistischen Größen wird gespeichert, und dies gestattet es, eine ziemlich gute Schätzung der zu erwartenden maximalen Streuung vorzunehmen. Der dann gewählte Sollwert .v_rf wird im allgemeinen zunächst auf die bei den schlechtesten Bedingungen der Bearbeitung erhaltenen, größten Werte von Varianz oder mittlerer statistischer Streuung gestützt.

Wenn bei F i g. 2 beispielsweise G₁ die mittlere statistische Streuung an den »schlechten Tagen« und σ₂ die mittlere statistische Streuung an den »guten Tagen« darstellt, wird der Sollwert x_d zumindest auf einen Wert mindestens gleich x_L ^Jr3a_l eingestellt. Bei diesem Sollwert kann erwartet werden, daß selbst an den »schlechtesten Tagen« nicht mehr als ungefähr drei Teilabschnitte des Materials unter einer Anzahl von 2000 Teilabschnitten Istwerte χ aufweisen, die kleiner als der untere Grenzwert .\_f sind.

Bei der in Fig. I dargestellten Einrichtung errechnet der Varianzrechner 30 die Varianz <;- automatisch und in aufeinanderfolgendei. Zeitabschnitten von vorzugsweise jeweils eiirpcn Minuten Dauer, und der Sollwert X₁₁ wird selbsttätig periodisch entsprechend den errechneter. Varianzwerten nachgestellt. Zu diesem Zweck umfaßt die Sollwerteinstcllvorrichtung 24

ίο eine in Fi g. 1 zur Deutlichkeit gesondert dargestellte Antriebsvorrichtung 34, der der Varianzrechnei 30 das Signal o²(.v) zuführt. In Abhängigkeit von diesem Signal verändert die Antriebsvorrichtung 34 über eine durch eine gestrichelte Linie 36 angedeutete Wirkverbindung die Einstellung der Sollwcrtcinstellvorrichtung 24 des Rcgelgeräts 20.

Die Arbeitsweise dieser Einrichtung und ihr Einfluß auf die Bearbeitung werden an Hand der Fig. 3 erklärt. Nimmt man an, daß die Bearbeitung anfänglieh ziemlich ungenau mit relativ schwankenden Istwerten χ durchgeführt wird, so kann die Streuung der Istwerte* wieder durch die Verteilungskurve y = /, (x) dargestellt sein. Als Maß für die Breite der Streuung ist die mittlere statistische Streuung O₁

angezeigt. Der maßgebliche Sollwert für die Regelgröße ist x_dv Der Sollwerteinstellvorrichtung 24 wird ein Sollwertsignal g(.v_dl) zugeführt. Der Regler 20 vergleicht ständig das Signal g(.v_(/1) mit dem dem Istwert entsprechenden Signal g(x) und führt bei einer Regelabweichung erforderlichenfalls Verstellungen der Bearbeitungsanlage 10 durch, um den Mittelwert .Y₁ etwa gleich dem Sollwert x_d , zu halten. Da der Mittelwert Jc₁, wie dargestellt, etwas mehr als 3 O₁. das Dreifache der mittleren statistischen Streuung, von dem Grenzwert x_L entfernt ist, werden einzelne Istwerte χ kaum jemals, wenn überhaupt, den Grenzwert x, unterschreiten.

Es sei angenommen, daß zu einem späte.en Zeitpunkt eine oder mehrere der für die Gleichmäßigkeil der erhaltenen Istwerte verantwortlichen Störgrößen vermindert werden, beispielsweise indem nach einei verhältnismäßig schlechten Charge an ungleichmäßigen Rohmaterialien eine gute Charge an gleichmäßigem Rohmaterial durch die Bearbeitungsanlage 10 läuft. Bei der dann genaueren Regelung kann die Streuung der Istwerte .v wieder durch die Verteilungskurve y — /₂ (.v) dargestellt werden. Die neue, geringere Breite der Streuung wird durch die neue kleinere mittlere statistische Streuung C₁ wieder-

gegeben. Diese neue Breite der Streuung wird durcl Ausgaiigssignal a- {x) des Varianzrechners 30 bei dei nächsten der sich wiederholenden Berechnungen an gezeigt. Entsprechend diesem neuen Ausgangssigna verändert die Antriebsvorrichtung 34 dann die Ein stellung der Sollwerteinstellvorrichtung 24 und führ dieser somit ein neues Sollwertsignal g (.Y₁,.,) entspre chend einem neuen Sollwert x_d2 der geregeltei Eigenschaft zu. Die Richtung der Sollwertneuein stellung ist so, daß sich der neue Sollwert x_ü ., den Grenzwert X₁ nähert, wenn sich die Varianz ver kleinen.

Das Regelgerät 20 vergleicht jetzt das Ausgangs signal g(x) des Meßinstruments 16 mit dem neuei Sollwertsignal g(x_d,) und steuert die Bearbeiiungs

anlage 10 derart, daß Material mii einem neuei Mittelwert x₂ der Istwerte der geregelten Eigenschai erzeugt wird, der sich sehr nahe dem neuen Soll wert x_d2 befindet. Da jedoch die neue mittlere stati

stische Streuung η., bei der genauer geregelten Bearbeitung kleiner als die vorherige mittlere statistische Streuung n,, ist der neue Mittelwert ^x., weiterhin etwas mehr als 3 o.„ das Dreifache der mittleren statistischen Streuung, von dem Grenzwert .v, entfernt, und die Istwerte χ der geregelten Eigenschaft werden wieder kaum jemals, wenn überhaupt den Grenzwert .v, unterschreiten.

Die Verstellung der SollwcrUinstellvorrichtung 34 erfolgt gegenüber dem betrachteten Fall in der entgegengesetzten Stellrichtung, wenn sich die berechnete Varianz vergrößert statt verkleinert. Beispielsweise kann sich zu einem späteren Zeitpunkt die bei der Bearbeitung zunächst erzielte, genaue Regelung etwas verschlechtern, so daß die Streuung der Istwert χ ungefähr zwischen den durch die Verteilungskurven/,(.v) und J₁(X) dargestellten liegt. Diese Verschlechterung hat eine vergrößerte Varianz zur Folge, welche vom Ausgangssignal σ² (.ν) des Varianzrechners 30 nach einer folgenden der sich wiederholenden Varianzberechnungen angezeigt wird. Infolgedessen bewirkt die Antriebsvorrichtung 34 ein Entfernen des Sollwertes von dem Grenzwert x_L, so daß ein neuer Sollwert irgendwo zwischen .v,,_s und .v,, _t eingestellt wird.

Die vorstehenden Erläuterungen bezogen sich auf Bearbeitungsvorgänge, bei denen der Grenzwert ein unterer Grenzwert λ, ist, der nicht unterschritten werden darf. Die Erfindung ist gleichermaßen in Fällen anwendbar, in denen ein oberer Grenzwert nicht überschritten werden soll. Einer dieser beiden Fälle liegt in vielen Anwendungsfällen vor. wie beispielsweise bei der Papierherstellung, beim Walzen von Blechen, beim kontinuierlichen Galvanisieren, Verzinnen, Strangpressen von Kunststoffen, beim Kalandrieren, bei Überzugsverfahren, bei chemischen Prozessen u. dgl. In allen Fällen ist es von großer Wichtigkeit, mit großer Sicherheit das Unter- oder Überschreiten von mindestens einer Qualitätsgrenze zu verhindern, während die Ausnutzung des zugeführten Rohstoffes soweit wie möglich erhöht werden soll.

Ein Fall, in dem der Istwert der geregelten Eigenschaft so groß wie möglich gemacht werden soll, ohne einen oberen Grenzwert zu überschreiten, liegt beispielsweise vor bei der Regelung des prozentualen Feuchtigkeitsgehalts von in einer Papiermaschine hergestelltem Papier. Zur Erläuterung kann angenommen werden, daß in F i g. 1 die Bearbeitungsanlage 10 eine Papiermaschine aufweist. Die der Bearbeitungsanlage 10 zugeführten Rohmaterialien sind große Mengen an Wasser, vermischt mit einem relativ kleinem Anteil an Zellulosefaser. Das meiste Wasser wird in aufeinanderfolgenden Stufen durch Vakuumentwässerung. Quetschen und Wärmetrocknung entfernt, wobei die Papierbahn beispielsweise durch eine Reihe von Trocknertrommeln läuft, welche mit Dampf beheizt sind, um das bearbeitete Material 14 — die fertige Papierbahn — auf einen endgültigen Feuchtigkeitsgehalt zu trocken. Die zu regelnde Materialeigenschaft ist hier die veränderliche prozentuale Feuchtigkeit in der Papierbahn. Zur Regelung dient in bereits beschriebener Weise die hier als Feuchtigkeitsmeßvorrichtung ausgebildete Meßvorrichtung 16, das Regelgerät 20 und der Varianzrechner 30. Das Regelgerät 20 kann ein verhältnismäßig einfacher Regler zur Verstellung des Dampfdrucks in den Trockentrommeln oder auch ein relativ kompliziertes Gerät mit vielen Ausgangssignalen sein, das die Geschwindigkeit der gesamten Papiermaschine steuert. Jedenfalls bewirkt das Regelgerät 20 in bekannter Weise, daß die Istwerte des Feuchtigkeitsgehalts der Papierbahn (Material 14) so nahe wie möglich an einem Sollwert liegen.

Der Feuchtigkeitsgehalt soll aus verschiedenen Gründen so hoch wie möglich liegen. Bei hohem Feuchtigkeitsgehalt nimmt das Papier c'ie Druckcrschwärze besser an und ist dimensionstnäßig stabiler. Weiter ist das Trocknen des Papiers über das unbedingt erforderliche Maß hinaus wegen des erforderlichen Energieverbrauchs aufwendig und unwirtschaftlich. Auch hat völlig getrocknetes Papier eine verringerte Reißfestigkeit, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit eines Reißens der Papierbahn in der Papiermaschine erhöht, das zu Ausfallzeiten führt. Andererseits muß aus verschiedenen Gründen ein oberer Grenzwert für den Feuchtigk -tsgehalt des

so erzeugten Papiers vorgegeben werden. Papier mit zu hoher Feuchtigkeit ist weich und schlaff, was das Aufwickeln auf einer Rolle schwierig macht. Auch kann die besonders große Lichtdurchlässigkeit des feuchten Papiers ein graues Aussehen verursachen, wenn das Papier auf der Rolle aufgewickelt ist. In diesem Fall muß das Papier aufwendigerweise nochmals bearbeitet werden.

Die Arbeitsweise der Einrichtung gemäß F i g. 1 bei der Regelung eines Bearbeitungsvorganges mit einem vorgegebenen oberen Grenzwert ist in F i g. 4 verdeutlich. Dcrt ist der obere Grenzwert beispielsweise für die maximal zulässige, prozentuale Feuchtigkeit auf X₁₁ eingestellt. Wenn sich die Varianz beispielsweise auf einen Wert erhöht, der charakteristisch für die Verteilungsfunktion}' = /.,^) ist. so wird mittels der Sollwerteinstellvorrichtung 24 der Sollwert auf .v,/., reduziert, woraufhin das Regelgcrät 20 den Mittelwert auf x,, sehr nahe bei .v,,.,. vermindert und auf diesem Wert hält. Wenn dagegen die Varianz beispielsweise auf einen Wert abnimmt, der charakteristisch für die Verteilungsfunktion y = /₄ (λ) ist, erfolgt an der Sollwerteinstellvorrichtung 24 eine Erhöhung des Sollwertes auf .v,₍₁, woraufhin das Regelgerät 20 den Mittelwert auf .x₄, sehr nahe bei x_d j, erhöht und auf diesem Wert hält. Auch hier soll sich der Sollwert wie in dem an Hand der F i g. 4 betrachteten Fall dem Grenzwert nähern, wenn die Varianz abnimmt, und sich von dem Grenzwert entfernen, wenn sich die Varianz erhöht.

Einige industrielle Bearbeitungsverfahren könner mehr als eine Regeleinrichtung erfordern, von dener jede in einer oder beiden der an Hand den Fig.; und 4 dargestellten Betriebsarten arbeitet. Eine Pa piermaschine kann beispielsweise eine Feuchtigkeits regeleinrichtung aufweisen, die dann, wie Vorstehern beschrieben, gemäß F i g. 4 arbeitet, und zusätzlicl kann eine Flächengewichts-Regeleinrichtung vorse sehen sein, die gemäß F i g. 3 arbeitet. Bei de Flächengewichts-Regeleinrichtung ist das Meßinstru ment 16 beispielsweise ein Betastrahlen-Meßgeräl das das Gewicht pro Flächeneinheit tier erzeugte Papierbahn mißt, während das Regelgerät 20 de Zufluß des wasserhaltigen Papierbreies Steuer».

F i g. 5 zeigt in vereinfachter Darstellung ein Regeleinrichtung in einer bevorzugten Ausführung; form der Erfindung. Das Blockschaltbild zeigt tin herkömmliche Bearbeitungsanlage 10. welche ei Material 14 erzeugt. Der jeweü'ge Istwert der Eigci

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schaft des Materials 14 wird von einem Meßinstru- dem Istwert entsprechende Ausgangssignal des Meß-

ment 16 gemessen. Ein herkömmliches Regelgerät 20 instruments 16 über die Leitung 18 zugeführt, und

nimmt über eine Leitung 18 das Ausgangssignal des aus den Signalen wird durch Differenzbildung ein

Meßinstruments 16 auf und erzeugt auf einer Leitung Regelabweichungssignal für einen Regler 20« erzeugt.

22 ein Stellsignal für die Verstellung der Bearbei- 5 Das Regelabweichungssignal wiiJ dein Regler 20«

tungsanlage 10. Das Stellsignal ist eine Funktion der über eine Summiervorrichtung 72 und eine Leitung

Regelabweichung zwischen dem dem Istwert der 54 zugeführt. Der Regler 2Oo steuert einen Stell-

Eigenschaft entsprechtndcn Ausgangssignals des motor 56 für das Stellglied der Bearbeitumsanlage

Meßinstruments 16 und einem Sollwertsignal χ_Λ (in 10 in bekannter Weise derart, daß die Verstellung

den F i g. 5 bis 8 sind Signalleitungen und Größen io im Sinne einer Kompensation der Regelabweichung

darstellende Signale einfadiheitshalber mit dem Sym- erfolgt.

bol der Größe selbst, beispielsweise x,_t gekennzeich- Wenn der mittels der Grenzwerteinstellvorrichtung

net). Das Sollwertsignal x_a wird von einem Sollwert- 40 eingestellte Grenzwert ein unterer Grenzwert x_L

rechner 42 geliefert. Weiter ist eine Grenzwertein- ist, bildet die Einrichtung 48 eine Additionseinrich-

stellvorrichtung 40 vorgesehen, die in ihrer Bauweise 15 tung zum Berechnen des Sollwertes jc„ nach der

einer herkömmlichen, von Hand verstellten Sollwert- Gleichung (1 a). Wenn der Grenzwert ein oberer

einstellvorrichtung, entsprechen kann, aber auch Grenzwert X₁, ist, bildet die Einrichtung 48 eine Sub-

selbstHndig eingestellt werden kann. Sie erzeugt ein traktionseinrichtung zum Berechnen des Sollwertes

konstantes Signal x_L oder x„, welches dem früher X₁, nach der Gleichung (Ib).

in Verbindung mit Fig. 3 und 4 beschriebenen er- 20 Je nach den Besonderheiten des Anwendungsfalles wünschten unteren bzw. oberen Grenzwert x_L bzw. können an Stelle der Gleichungen (1 a), (Ib) andere Xn entspricht. Das Grenzwertsignal x_L bzw. x„ wird Berechnungsarten angewendet werden, um den Wert dem Sollwertrechner 42 zugeführt. Das So^;lwert- des Sollwertes x,, zu bestimmen. Beispielsweise kann signal x_d, das von diesem dem Regelgerät 20 züge- es sich als praktischer erweisen, den Sollwert X₁, nach führt wird, verändert vorzugsweise periodisch seinen as einer der folgenden Gleichungen zu berechnen:
Wert jedesmal dann, wenn der in F i g. 5 nicht darge- _χ _ _χ _j_ py _j_ ^ ^₃ ¹)
stellte Varianzrechner, welcher in dem Sollwert- " _ ' _ _ ^{2 K} '
rechner 42 enthalten ist, eine seiner sich wiederholen- a ■ it ^Λ ₂ Ub)
den Varianzberechnungen gerade beendet hat. Jedes- In diesen Gleichungen ist die Prozeßvariable mal, wenn das Sullwertsigna! x_ü seinen Wert ändert, 30 PV= 2 σ, und K₂ ist eine Konstante,
bewirkt das Regelgerät 20, daß die Istwerte der Wenn die Gleichungen (2 a) und (2 b) angewendet variablen Eigenschaft des Materials 14 mit ihrem werden, wird die Einrichtung nach F i g. 6 in einMittelwert dem neuen Sollwert folgen. fächer Weise so abgeändert, daß der Multiplizierer F i g. 6 zeigt die Einrichtung gemäß F i g. 5 im 46 immer mit dem Faktor 2 multipliziert und daß einzelnen. Hier besteht der Sollwertrechner 42 nach 35 der Konstantenwähler 50 ein die Konstante K_? dar-F i g. 5 aus einem Varianzrechner 30, einem Quadrat- stellendes Signal erzeugt, das direkt der Additionswurzelrechner 44, einem Multiplizierer 46, einer oder Subtraktirnseinrichtung 48 zugeführt wird, die Additions- oder Subtraktionseinrichtung 48 und dann alle drei in den Gleichungen enthaltenen Auseinem Konstantenwähler 50. Die Grenzwerteinsteil- drücke addiert. Auch andere Berechnungsarten und vorrichtung ist wiederum mit dem Bezugszeichen 40 40 entsprechende, den Sollwertrechner bildende Rechdargestellt. Der Sollwertrechner errechnet den Soll- neranordnungen können verwende' werden,
wert.v,,entsprechendeinerder folgenden Gleichungen: Bei der Ausführungsform gemad Fig. 6 sind der

Varianzrechner 30, der Quadratwurzelrechner 44, der Multiplizierer 46, die Additions- oder Subtraktions-

^x(i — ^xn ~ ^i C¹ °) 45 einrichtung 48, die Vergleichsvorrichtung 52, die

worin K_x eine gewählte Konstante ist. Summiervorrichtung 72 und der Regler 20« gemein-

Der Varianzrechner 30 berechnet aus dem Aus- sam in Form eines fest verdrahteten, für d<;n spezigangssignal des Meßinstruments 16 periodisch den eilen Anwendungszweck ausgebildeten Digualrech-Wert der Varianz σ'¹. Der Quadratwurzelrechner 44 ners 60 ausgebildet. Die Grenzwerteinstellvorrichtung formt das Varianzsignal in ein der mittleren stati- 50 40 und der Konstantenwähler 50 sind dagegen Teile stischen Streuung σ entsprechendes Signal um. Der eines Lochkartenlesers 62, der in der Lage ist, die Multiplizierer 46 ist dem Quadratwurzelrechner 44 üblichen, in einer automatischen Datenverarbeitungsnachgeschaltet und multipliziert das Signal σ mit der anlage verwendeten Lochkarten auszulesen. Bei dieser Konstanten K₁, die mittels des Konstantenwählers 50 Einrichtung werden die Besonderheiten für einen gefrei wählbar ist. Der Konstantenwähler 50 kann gleich 55 gebenen Durchlauf oder eine gegebene Sorte des die einer von Hand oder automatisch einstellbaren Soll- Bearbeitungsanlage 10 durchlaufenden Materials 14 Werteinstellvorrichtung ausgebildet sein. Das aus dem auf einer Lochkarte kodiert gespeichert, die in den Ausgangssignal des Multiplizierers 46 erhaltene Pro- Lochkartenleser 62 zu Beginn des Bearbeitungsvordukt der mittleren statistischen Streuung α mit der ganges eingegeben wird. In der kodierten Informa-Konstanten /C, wird der Additions- oder Subtrak- 60 tion auf einer Lochkarte sind der Grenzwert x, oder tionseinrichtung 48 zugeführt. Die Additions- oder x„ und die Konstante K_x oder K., enthalten.
Subtraktionseinrichtung 48 ist auch mit dem vorge- Da die Berechnung der Varianz eine endliche Angebenen, konstanten Signal x_L oder X_n von der Grenz- zahl von bereits gemessenen Istwerten A^- erfordert, Werteinstellvorrichtung 40 beaufschlagt und erzeugt kann zu Beginn eines Bearbeitunr,svorganges noch entsprechend einer der Gleichungen (1;) oder (Ib) 65 kein Wert für die Varianz σ² uno für dh mittlere das Ausgangssignal x_d, das einer Vergleichsvorrich- statistische Streuung σ angegeben weiJen. Je nach tung 52 zugeführt wird. dem verwendeten Rechnerprogramm wird daher am

Der Vergleichsvorrichtung 52 wird ebenfalls das Ausgang des Quadratwurzelrechners 44 ein Signal

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anstehen, das entweder, weil der Varianzrechner 30 das entsprechende Sollwertsignal x_a, das der Veram Ende des vorausgegangenen Bearbeitungsvor- gleichsvorrichtung 52 zugeführt wird, während der ganges oder zu Beginn des betrachteten Bearbeitungs- Berechnungsperiode konstant bleibt Während dieser Vorganges auf Null zurückgestellt wurde, den Wert Berechnungsperiode ist es jedoch möglich, daß eine Null aufweist oder das noch den letzten beim voran- 5 starke Änderung in der Regelgenauigkeit des Bearbeigegangenen Dcarbeitungsvorgang ermittelten Wert tungsvorganges auf Grund eines plötzlich auftretenaufweist. Beide Werte führen im allgemeinen zu- den Fehlers in der Bearbeitungsanlage 10 und einer nächst zu einem falschen Sollwert x_a, der erst frühe- plötzlichen Änderung der Qualität eines der Bearbeistens nach der ersten für den betrachteten Bearbei- tungsanlage 10 zugeführten Rohmaterialbestandteils tungsvorgang durchgeführten Varianzberechnung iö eintritt. Dies bewirkt eine rasche Erhöhung der Varirichdggestellt werden kann. Um diesen Nachteil zu anz der geregelten Eigenschaft des Materials, die vermeiden und schon zu Beginn des betrachteten sich aber normalerweise bis zum Ende der laufenden Bearbeitungsvorganges einen annähernd richtigen Berechnungsperiode nicht auswirken würde. In der Wert der mittleren statistischen Streuung α zur Ver- Zwischenzeit könnte eine erhebliche Menge an fügung zu haben, auf Grund dessen ein annähernd 15 Material erzeugt werden, bei der die geregelte Eigenrichtiger Sollwert x_d eingestellt werden kann, ist bei schaft den Grenzwert unter- bzw. überschritten der Einrichtung ein Schätzungswähler 64 vorgesehen. hat.

Mit ihm wird dem Digitalrechner 60 vorläufig ein Um dies zu vermeiden, überwacht die Über-Wert der mittleren statistischen Streuung σ einge- wachungsvorrichtung 68 die Varianz, die fortlaufend geben, welcher auf Grund früher ermittelter Werte 20 berechnet wird, und wenn die fortlaufend berechnete geschätzt ist. Der Schätzungswähler 64 wird von dem Varianz bestimmte vorgegebene Grenzen relativ zu die entsprechende Information tragenden Teil der dem seit Beginn der Berechnungsperiode vom nicht gezeigten Lochkarte und dem sie auslesenden Varianzrechner 30 konstant abgegebenen Varianz-Teil des Lochkartenlesers 62 gebildet. Bei dem dar- wert überschreitet, tritt die Überwachungsvorrichtung gestt.lten Digitalrechner 60 erscheint zu Beginn eines 25 *>8 in Tätigkeit. Hierbei kann ein akustischer Alarm Bearbeitungsvorganges an Stelle eines aus der Vari- ausgelöst werden. Weiter wird aber dann auch der anz α- errechneten Wertes der geschätzte Wert der Sollwert von dem Grenzwert zurückgeführt. Bei dem mittleren statistischen Streuung σ am Ausgang des Ausführungsbeispiel gibt die Überwachungsvorrich-Quadratwurzelrechners 44. Die entsprechende Um- ti;ng 68 in einem solchen Fall über eine Leitung 70 schaltung wird in nicht näher dargestellter Weise 30 und die Summiervorrichtung 72 ein Sollwert-Vorebenfalls durch auf einer Lochkarte enthaltene In- spannsignalJ x_d an das Regelgerät 20 a. Die Summierformalionen bewirkt. vorrichtung 72 addiert das Vorspannsignal Δ x_d zu

In dem Fall, daß ein Analogrechner an Stelle eines dem Regelabweichungssignal x—x_d, welches am Digitalrechners verwendet wird, ist der Quadrat- Ausgang der Vergleichsvorrichtung 52 ansteht. Je wurzelrechner 44 im allgemeinen als Operationsver- 35 nachdem, ob ein oberer Grenzwert x_H oder ein stärker ausgebildet, zwischen dessen Ausgang und unterer Grenzwert x_L vorgegeben ist, ist die PoIadessen Eingang ein Rückkopplungskondensator ge- rität oder Phasenlage des Vorspannsignals Δ x_d verschaltet ist, oder der Quadratwurzelrechner 44 ist schieden, derart, daß der Regler 20 a in jedem Fall von einem Servoverstärker gebildet, an dessen von eine Verstellung in einer Richtung bewirkt, in der einem Servomotor verstelltem Potentiometer das 40 sich der Mittelwert der Istwerte von dem Grenzwert Ausgangssignal als Spannung abgegriffen ist. In die- wegbewegt.

sen Fällen kann der Schätzungswähler 62 zunächst Eine bevorzugte Ausführungsform der Überwa-

dem Rückkopplungskondensator 4ne bestimmte übungsvorrichtung 68 ist in F i g. 7 dargestellt. Die

Spannung zuführen bzw. eine geeignete Verstellung Eingangssignale der Überwachungsvorrichtung sind,

des Potentiometers des Servoverstärkers bewirken. 45 wie auch in F i g. 6 dargestellt, von dem Meßinstru-

Weitere durch das Auslesen von Lochkarten im ment 16, dem Varianzrechner 30, dem Quadratwurzel-Lochkartenleser 62 erhaltene Eingangsdaten werden rechner 44 und dem Uberwachungskriterienwähler von einem Überwachungskriterienwähler 66 ausge- 66 geliefert. Der Varianzrechner 30 arbeitet gemäß wertet. Der Überwachungskriterienwähler 66 steuert der oben angegebenen Formel der Varianz, in der in noch zu beschreibender Weise eine Überwachungs- 50 ein Ausdruck den Mittelwert λ: darstellt: er umfaßt vorrichtung 68, welche bei dem Ausführungsbeispiel daher Mittel zum Berechnen des Mittelwerts ~x. Der weitere Eingangssignale von dem Meßinstrument 16, Mittelwert χ ist ein gespeicherter Wert, der bis nahe dem Varianzrechner 30 und dem Quadratwurzelrech- dem Ende der Berechnungsperiode nicht endgültig ner 66 erhält. bekannt ist. Erst dann wird ein den Mittelwert χ

Wie bereits erläutert, ist die Berechnung der Vari- 55 darstellendes Signal in einem Register oder Inteanz ein Vorgang, der eine endliche Zeitdauer, ge- grator des Varianzrechners 30 gespeichert. Da der wohnlich mindestens mehrere Minuten erfordert, da Mittelwert χ eine für die Bearbeitung aussagekräftige Messungen an Teilabschnitten einer endlichen Länge statistische Größe ist, ist es üblich, den Varianzdes laufenden Materials 14 vorgenommen werden rechner 30 mit Mitteln zum Aufzeichnen des Mittelmüssen. Während der Berechnungsperiode, in der 60 werte·= χ auszurüsten. Beispielsweise kann der Varidiese Materiallänge am Meßinstrument 16 vorüber- anzrechncr 30 so programmiert sein, daß ein Mittclläuft, muß eine große Anzahl oder eine zusammen- wcrtsignal einer nicht dargestellten automatischen, hängende Folge von Istwerten in den Registern oder elektrischen Schreibmaschine zuführt, die den Mittel-Analogintegratoren des Varianzrechners 30 gesam- wert χ und ebenfalls die mittlere statistische Streumelt und gespeichert oder integriert werden. Nach 65 ung <; ausschreibt. Dies erfolgt jeweils, bevor das einer einmaligen Berechnung der Varianz bleibt das Mittelwertregister im Varianzrechner 30 zurückgc-Ausgangssignul r,- des Varianzrechners während der setzt wird, so daß dieses Register dann anfangen nächsten Berechnungsperiode konstant, so daß auch kann, einen neuen Mittelwert ΐ zu speichern.

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15 16

In der Überwachungsvorrichtung gemäß F i g. 7 schaltung 86 das zeitliche Integral der Konstanten c

ist eine Speichervorrichtung 73 vorgesehen, in der berechnet. Somit ist auch in diesem Fall das Signal

jeweils der mittels einer Schreibmaschine oder einer auf der Leitung 84 proportional dem Zeitintervall,

anderen Aufzeichnungsvorrichtung ausgegebene während dessen die Integrationsschaltung 78 in

Mittelwert gespeichert wird. Hierbei ist der in der 5 Tätigkeit gewesen ist.

Speichervorrichtung 73 gespeicherte Mittelwert mit Die Divisionsschaltung 82 teilt den Wert des Si- x¹ bezeichnet, um anzuzeigen, daß er nicht der in gnals auf der Leitung 80 durch den Wert des Signals der betrachteten Berechnungsperiode ermittelte Mit- auf der Leitung 84 und erzeugt laufend ein künsttelwert x, sondern derjenige Mittelwert ist, der am liches Varianzsignal a-'. Hier wird das Formelzeichen Ende der vorhergehenden Berechnungsperiode er- io mit Strichindex benutzt, um anzuzeigen, daß der erhalten wurde, haltene Varianzwert auf Grund des in der voran-

Wenn die durch Lochkarten erfolgende Steuerung gegangenen Berechnungsperiode gebildeten Mitteides Digitalrechners 60 zu Beginn der Bearbeitung in werte ~x' anstatt auf Grund desjenigen Mittelwerts χ einer Fertigungsserie für eine neue Materialeigen- ermittelt ist, welcher in de: laufenden Berechnungsschaft begonnen wird, wird der Mittelwerte in der 15 periode im Varianzrechner30 berechne: wird, bis Speichervorrichtung 73 gelöscht und der in der zum Ende dieser Berechnungsperiode jedoch noch Additionsvorrichtung 48 (F i g. 6) gebildete anfäng- nicht endgültig bekannt ist.

liehe Sollwert x_ü statt dessen darin gespeichert. Wie Das Ausgangssignal der Divisionsschaltung 82 wird

durch das gestrichelte Rechteck 66 a angedeutet, wird einem Quadratwurzelrechner 89 zugeführt, der eine

diese Umschaltung von dem Überwachungskriterien- 20 künstliche mittlere statistische Steuerung a' berechnet,

wähler 66 bewirkt. Dieser arbeitet hierbei in ahn- die als entsprechendes Signal e'.ner Substraktions-

licher Weise, wie dies bereits für die anfängliche einrichtung 90 zugeführt wird. Diese wird ebenfalls

Umschaltung des Quadratwurzelrechners 44 durch von dem Quadratwurzelrechner 44 (s. auch F i g. 6)

den Schätzungswähler 64 beschrieben wurde. In Ab- mit einem Signal beaufschlagt, das dem bei der

änderung hiervon kann in die Speichervorrichtung "¹Ti 25 Varianzberechnung in der vorausgegangenen Berech-

auch direkt ein willkürlich gewählter anfänglicher nungsperiode erhaltenen Wert der mittleren stati-

Süllwert x_d eingegeben werden. stischen Streuung σ entspricht. Während der betrach-

Der in der Speichervorrichtung 73 gespeicherte teten Berechnungsperiode ist der Quadratwurzel-

Signalwert wird einer Subtraktionsvorrichtung 74 zu- rechner 44 unwirksam und behält das am Ende der

gefüi rt, die ebenfalls mit dem veränderlichen, dem 30 vorausgegangen Berechnungsperiode erhaltene Aus-

Istw rt .v entsprechenden Ausgangssignal des Meß- gangssignal σ bei. Die Subtraktionseinrichtung 90 er-

instruments 16 beaufschlagt ist. Das Differenzsigml zeugt ein Varianzdifferenzsignal, das entsprechend

x-x' wird einer Quadriervorrichtung 76 zugeführt. der fortlaufenden Änderung der künstlichen mittleren

welche das Differenzsignal quadriert und das qua- statistischen Streuung α ständig auf den neuesten

drierte Signal einer Summier- oder Integrations- 35 Stand gebracht wird, so daß es dem laufenden Wert

schaltung 78 zuführt. Die Schaltung 78 speichert fort- für die Differenz zwischen α und π entspricht. Dieses

laufend die Summe der quadrierten Differenzsignale Varianzdifferenzsignal wird einer Auslösevorrich-

und erzeugt auf der Leitung 80 ein ständig anwach- tung 92 zugeführt, die ebenfalls mit einem konstanten

sendes Ausgangssignal, das der Summe der quadrierten Grenzsignal c, aus einem Überwachungsgrenzwähler

Differenzen proportional ist. Das Signal auf der Lei- 40 94 beaufschlagt ist, der einen Teil des Überwachungs-

tung 80 wird einer Divisionsschaltung 82 zugeführt. kriterienwählers 66 darstellt. Das Grenzsignal C₂ ent-

die außerdem über die Leitung 84 mit dem Aus- spricht einem ausgewählten Grenzwert für das Vari-

gangssignal einer weitere Summier- oder Integrations- anzdifferenzsignal a'-a.

schaltung 86 beaufschlagt ist. Die Schaltung 86 Wenn das Varianzdifferenzsignal größer als das arbeitet in der gleichen Weise wie die Schaltung 78, 45 Grenzsignal C₂ wird, wird die Auslösevorrichtung 92 aber das Eingangssignal der Schaltung 86 ist ein von ausgelöst und erregt eine Alarmvorrichtung 94. z. B. einem Konstantenwähler 88 erzeugtes Signal c. Der e-ne Hupe, eine Glocke oder ein Blinklicht, um eine Konstantenwähler 88 ist ein Teil des Überwachungs- Bedienungsperson darauf aufmerksam zu machen, kriterienwählers 66. Das Signal auf der Leitung 84 daß eine rasch zunehmende Streuung im Bcarbeiwächst wie das Signal auf der Leitung 80 ständig an 50 tungsvorgang vorliegt. Gleichzeitig öffnet die Aus- und ist der Summe einer ständig wachsenden Anzahl lösevorrichtung 92 eine Torschaltung 96. Hierdurch von konstanten Werten c proportional, welche addiert wird das Varianzdifferenzsignal durch die Torschalwerden. In Verbindung mit dem dargestellten Digital- tung 96 auf die Leitung 70 (Fig. 6) übertragen, vvorechner60 können die durch die als Summierschal- durch es als Vorspannsignal dem Regler 20« über tungen ausgebildeten Schaltungen 78, 86 durchge- 55 die Summiervorrichtung 72 zugeführt wird,
führten, aufeinanderfolgenden Additionen mit dem An Stelle der Überwachung mit der Übcrwachungsgleiehen. nicht dargestellten digitalen Taktgeber vorrichtung gemäß F i g. 7 kann auch eine einfachere zeitlieh so gesteuert werden, daß sie gleichzeitig auf- Überwachung erfolgen. Beispielsweise kann bei der treten, so daß die Signale auf den Leitungen 80. 84 einfachsten Art einer Überwachung das dem Istdie Resultate der gleichen Anzahl/1 von Additions- Cn wert.ν entsprechende Ausgangssignal des Meßinstruschritten darstellen. Somit ist das Signal auf der Lei- ments überwacht und ein Alarm ausgelöst werden, tung 84 der Anzahl /1 von Additionssehritten, die von wenn eine bestimmte Anzahl von Istwerten eine der Summierschaltung 78 durchgeführt worden sind. Grenze überschritten hat. die etwas näher am Solloder der Zeitdauer proportional, wühlend deren die wert als der vorgegebene untere oder obere (irenz-Summe ermittelt worden ist. Bei Verwendung üi|ui- fi₃ wert liegt.

valenter analog arbeilender Integrationsschalluniien An Stelle des fest verdrahteten Digitalrechners 60

78, 86 integriert die liitegrationsschaltung 78 den kann auch ein frei programmierbarer Allzweck-Digi-

Werl des DiiTeren/sisjuals. während die Integralions- talrechner verwendet werden. PrngriimmiliiChildcr

für einen soichen Rechner sind in den F i g. 8 a bis 8e dargestellt. Die Fig. 8b, 8c und 8d zeigen unterschiedliche Teilprogramme, die dazu dienen, den Sollwert periodisch auf den neuesten Stand zu bringen. Die Fig. 8b und 8c zeigen den Prag ammfluß bei Teilprogrammen für Berechnungen nach den Gleichungen (1 a) und (2 a), die oben erläutert wurden, für Fälle, in denen ein unterer Grenzwert x_L vorgegeben ist. F i g. 8 d zeigt den Programmfluß bei einer Berechnung nach der Gleichung (2 b) für den Fall, daß ein oberer Grenzwert x_H vorgegeben ist. F i g. 8 e zeigt den Programmfluß eines Unterprogramms, das während einer Zeitdauer von t, bis Z₃ durchgeführt wird, die zwischen aufeinanderfolge aden Berechnungsperioden liegt und in der verschiedene Schaltfunktionen, der Übertrag von binär kodierten Signalen von einem Speicher in einen anderen, Rückstellvorgänge u. dgl. ausgeführt werden. Danach beginnt eine neue Berechnungsperiode, deren Programmfluß in F i g. 8 a dargestellt ist. 2u

Gemäß F i g. 8 a können auch an Stelle eines Summierens oder Integrierens zur Berechnung der Größen JEx und Σχ² während einer ganzen, zur Erzielung eines genauen Ergebnisses erforderlichen Varianzberechnungsperiode vollständige Berechnungen von σ², σ, PV = 2 σ usw. jeweils am Ende von viel kürzeren Zeitintervallen von t = 0 bis t = t, oder bis N durchgeführt und die Resultate einerseits zur Ermittlung der endgültigen Werte gespeichert und andererseits zur Verwendung in geeigneten Überwachungs- und Aiarmmtideprogrammen zu Zeitpunkten /,, d. h. am Znde jedes /-ten kurzen Zeit-Zeitintervalls, ausgegeben v. jrden. In diesem Fall, in dem weniger als N Werte in den Berechnungen verwendet werden oder die Integrationszeit kleiner als die optimale Berechnungsperiode ist, liegt ein fehlerbehaftetes Ergebnis vor. Der Fehler kann jedoch durch den Rechner unter Anwendung bekannter Formern weitgehend kompensiert werden. Hierbei ist allerdings zu beachten, daß die gesamte Abweichung des Istwerts der geregelten Eigenschaft vom Sollwert aus verschiedenen Änderungen mit einer Vielzahl von überlagerten Änoerungsgeschwindigkeiten zusammengesetzt ist, die für jeden Bearbeitungsvorgang eigentümlich sind. Somit ist eine gewisse Erfahrung bei einem gegebenen Bearbeitungsvorgang notwendig, um die Kompensationsfunktionen und das jeweils zu verwendende Überwachungs-Grenzsignal C₂ zu bestimmen. Ist dies erfolgt, so kann der in Fig. 8a dargestellte Programmfluß auch eine berechnete laufende Schätzung der zu erwartenden Varianz während der betrachteten Varianzberechnungsperiode ergeben, und diese Schätzung kann für Uberwachungszwecke ausreichend genau gemacht vsrden.

Eine Einrichtung gemäß der Erfindung ist auch dann verwendbar, wenn sich komplizierte Verteilungsfunktionen mit mehreren Amplituden ergeben, wie sie durch Überlagerung von zwei oder mehr einfacheren Funktionen entstehen. Beispielsweise erfolgt bei der Herstellung einer Papierbahn häufig die Messung des Istwerts der Feuchte mittels einer Abtastvorrichtung, bei der sich ein Meßkopf von einer Seite zur anderen über die Breite der laufenden Bahn bewegt, wobei sich komplizierte Verteilungsfunktionen insbesondere dadurch ergeben, daß nicht nur die Teilabschnitte der Bahn verschiedene Istwerte, sondern auch jeder Teilabschnitt eine über die Breite verschiedene Verteilung der Feuchte aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Regelung der Eigenschaft eines eine Bearbeitungsanlage durchlaufet den Materials, bei der der Istwert der Regelgröße möglichst nahe einem vorgegebenen Grenzwert, ohne diesen zu überschreiten, gehalten werden soll, mit einem den Istwert der Regelgröße erfassenden Meßinstrument und einem mit dem Ausgang des Meßinstruments verbundenen Regelgerät, das eine Sollwerteinstellvorrichtung enthält und die Bearbeitungsanlage steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Meßinstruments (16) zusätzlich mit der Sollwerteinstellvorrichtung (24) über einen Rechner (30) verbunden ist, dessen Ausgangssignal (σ²) eine Funktion der mittleren statistischen Streuung (ο) des zeitlich schwankenden Istwertes (x) ist und die Lage des Sollwertes (x_d) in bezug zum vorgegebenen Grenzwert (x_L; x_H) steuert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (30) die mittlere statistische Streuung (0) nach der Beziehung a — 1 σ* und den Sollwert {x_d) nach einer der Beziehungen

^xd — ^XL ^xd ^{= X}H

berechnet, wobei x_L bzw. x_H ein vorgegebener unterer bzw. oberer Grenzwert der Eigenschaft und K₁ eine ausgewählte Ko ι .tante sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (30) die mittlere statistische Streuung (σ) nach der Beziehung σ = ]V und den Sollwert (x_d) nach einer der Beziehungen

x_d = X₁ + PV + K₂ x_ä = x„-PV-K,

berechnet, wobei x_L bzw. x_n ein vorgegebener unterer bzw. oberer Grenzwert der Eigenschaft, PV = 2 σ und K₁ eine ausgewählte Konstante sind.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerteinsteüvorrichtung (24) derartig betätigbar ist, daß der Sollwert (x_d) sich dem Grenzwert (x_L; X_n) nähert, wenn die statistische Streuung abnimmt und sich von dem Sollwert (x_L; X_n) wegbewegt, wenn die statistische Streuung zunimmt.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner einen die statistische Varianz (σ²) auf Grund der in zeitlicher Folge gemessenen Istwerte (x) errechnenden Varianzrechner (30), einen diesem nachgeschal· teten, aus der Varianz (o²) die mittlere statistische Streuung (σ) errechnenden Quadratwurzelrechner (44), einen diesem ndchgeschalteten, die mittlere statistische Streuung (σ) mit einer Konstanten (K₁) multiplizierenden Multiplizierer (46) und eine diesem nachgeschaltete, das sich ergebende Produkt (σ K₁, PV) zu dem unteren Grenzwert (x_L) addierende bzw. von dem oberen Grenzwert (x_tl) subtrahierende Einrichtung (48) umfaßt, und daß das Ausgangssignal (x_d) dieser Einrichtung (48) dem Regler (20«) als Sollwertsignal vorgebbar ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Multiplizierer (46) nachgeschaltete Einrichtung (48) zusätzlich eine Konstante (K₂) 2.11 dem unteren Grenzwert (x_L) addiert bzw. von dem oberen Grenzwert (x_H) subtrahiert.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert (x_L; x_H) und die Konstante (K₁, X₂) gemeinsam mittels eines Lochkartenlesers (62) vorgebbar sind.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungsvorrichtung (68) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Meßinstruments (16) ein Alarmsignal erzeugt, wenn das Ausgangssignal des Meßinstruments (16) eine Grenze übersteigt, die zwischen dem Sollwert (x_d) und dem Grenzwert (a_l; .v„) liegt.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (σ²) des Rechners (30) jeweils während eine-- Berechnungsperiode konstant gehalten ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Überwachungsvorrichtung (68) mit einer den jeweils am Ende einer Rechnungsperiode vom Rechner (30) errechneten Mittelwert der Istwerte (x) speichernden Speichervorrichtung (73), mit einer Rechenvorrrichtung (74, 76, 78, 82, 89), die in Abhängigkeit von dem gespeicherten Mittelwert (3c'), der in der jeweils vorangegangenen Berechnungsperiode errechnet wurde, und dem jeweiligen, dem Istwert (x) entsprechenden Ausgangssignal des Meßinstruments (16) nach Art der Berechnung der mittleren statistischen Streuung (σ) ein Ausgangssignal (σ') erzeugt, mit einer Subtraktionseinrichtung (90), die die Differenz (σ' —σ) zwischen dem Ausgangssignal (σ') der Rechenvorrichtung (74, 76, 78, 82, 89) und einem aus dem Ausgangssignal (σ²) des Rechners (30) gebildeten, der in der jeweils vorangegangenen Berechnungsperiode errechneten mittleren statistischen Streuung (σ) proportionalen Signal bildet, sowie mit einer Auslösevorrichtung (92), die dann ein Alarmsignal erzeugt, wenn das von der Subtraktionsvorrichtung (90) erzeugte Differenzsignal ein vorgegebenes Greuzsignal (c₂) übersteigt.

11. Einrichtung nach" Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung (68) bei Vorliegen des Alarmsignals dem Regler (20a) ein derart mit dem Sollwertsignal (x_d) kombiniertes Vorspannsignal (A x_d) zuführt, daß der Mittelwert (x) der Istwerte (.1) sich von dem Grenzwert (x_L; X_n) entfernt.

12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom Vorliegen des Alarmsignals eine Alarmvorrichtung (194) einschaltbar ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Grenzsignal (c.,) mittels eines in dem Lochkartenleser (62) vorgesehenen, ebenfalls von einer Lochkarte betätigbaren Überwachungskriterienwählers (66) vorgebbar ist.