DE3926038C2

DE3926038C2 -

Info

Publication number: DE3926038C2
Application number: DE3926038A
Authority: DE
Inventors: Paul R. Cherry Hill N.J. Us Kalata
Original assignee: K-Tron International Inc Pitman Nj Us
Current assignee: K-Tron International Inc Pitman Nj Us
Priority date: 1988-08-10
Filing date: 1989-08-07
Publication date: 1992-04-02
Also published as: US4954975A; JPH0291708A; JP3040783B2; DE3926038A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Fluidfördersystem mit selbstoptimierender stochastischer Regelung.

Ein Fluidfördersystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus US 45 24 886 bekannt. Bei ihm ist die Einrichtung zum Regeln des Stellgliedes der Entladeeinrichtung so ausgebildet, daß Material aus dem Speicher mit einem gewünschten Massefluß auf Grundlage des gemessenen Gewichtes entladen wird. Im übrigen ist das bekannte System so ausgebildet, daß es dazu in der Lage ist, die Füllhöhe des im Speicher gelagerten Fluids bei einer Abschätzung der Dichte des Fluids zu verwenden, welche Abschätzung beim Einstellen des Masseflusses verwendet wird.

Nun ist es jedoch so, daß es beim Fördern von Fluiden, insbesondere von Schüttgut, zu zahlreichen Störungen kommt, die nicht nur dichtebedingt sind. Es ist daher schwierig, einen konstanten Massefluß einzustellen.

Zum Einstellen eines möglichst konstanten Masseflusses trotz der zahlreichen genannten Störungen ist es aus DE 37 21 186 bekannt, ein Fluidfördersystem mit einem sogenannten Kalmanfilter auszustatten, das ein Modell des Regelsystems und von Rauschprozessen nutzt. Mit Hilfe des Modells wird abgeschätzt, wie die tatsächliche Gewichtsmessung zu korrigieren ist, um einen Wert zu erhalten, der dem tatsächlichen zeitlichen Gewichtsverlauf besser entspricht, als es die unmittelbaren Maßdaten wiedergeben. Regelung erfolgt dann nicht durch einen Vergleich von einem Sollwert mit gemessenen Werten, sondern mit geschätzten Werten. Aber auch bei Verwendung eines derartigen Systems kann der Massefluß noch nicht mit so geringen Schwankungen eingestellt werden, wie dies eigentlich erwünscht ist.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Fluidfördersystem anzugeben, das so ausgebildet ist, daß es den Massefluß geförderten Materials sehr genau regelt.

Das erfindungsgemäße Fluidfördersystem ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Fluidfördersystem zeichnet sich dadurch aus, daß es so ausgebildet ist, daß es Masseflußregelung auf Grundlage eines Schätzwertes vornimmt, wie für sich aus DE 37 21 186 bekannt, wobei dieser Schätzwert aber eine Kombination aus einem Schätzwert auf Grundlage des gemessenen Gewichtes und einem Schätzwert auf Grundlage der gemessenen Lage oder der gemessenen Geschwindigkeit des Stellgliedes der Entladeeinrichtung ist.

Die abhängigen Ansprüche beschäftigen sich teilweise mit der Anwendung von Modellen zum Gewinnen der Schätzwerte, wie dies für sich aus DE 37 21 186 A1 bekannt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Fluidfördersystems mit selbstoptimierender stochastischer Regelung;

Fig. 2 ein Flußdiagramm über den gesamten Regelablauf;

Fig. 3A-3F Flußdiagramme betreffend Verarbeitungsschritte, die von einem Gewichtssignalprozessor und einem Mo torsignalprozessor ausgeführt werden;

Fig. 4 ein Flußdiagramm betreffend Verarbeitungsschritte, die von einem Motorregler ausgeführt werden;

Fig. 5 ein Flußdiagramm über Verarbeitungsschritte, die zum Kalibrieren von Regelparametern ausgeführt werden;

Fig. 6 ein Flußdiagramm betreffend Verarbeitungsschritte, die zum Kalibrieren von Rauschparametern und zum Be arbeiten von Daten ausgeführt werden;

Fig. 7 ein Flußdiagramm betreffend Verarbeitungsschritte zum Bestimmen eines Korrelationskoeffizienten; und

Fig. 8 ein Flußdiagramm betreffend ein zweites Verfahren zum Einführen einer festgestellten Motorposition in einen Abschätzprozeß.

Beim erfindungsgemäßen Fördersystem wird festes oder flüssiges Material, wie es in einem Trichter oder einem anderen Behälter gespeichert ist, mit einem herkömmlichen Entladestellglied, wie einem Schneckenförderer, einem Förderband, einer Pumpe oder z. B. über ein Ventil entladen. Das Entladestellglied wird durch einen Elektromotor angetrieben. Das System weist auch eine Gewichts meßeinrichtung auf, wie z. B. eine Waage, um das Gewicht des zu entladenden Materials, z. B. des Gewichts des Materials in einem Trichter festzustellen und ein entsprechendes Signal auszugeben. Außerdem ist ein Stellgliedpositionssensor vorhanden, wie z. B. ein Motorwellen-Positionsdecoder, um die Stellung des Entlade stellgliedes festzustellen. Die Signale von der Gewichtsmeßein richtung und dem Stellgliedpositionssensor werden jeweils zuge hörigen Signalprozessoren zugeführt, die ihrerseits Signale er zeugen, die kombiniert werden, um einen abgesetzten Vorhersage wert für den Massefluß des Materials zur Verfügung zu stellen, das entladen wird. Der Schätzwert für den Massefluß wird in einer Regelung dazu verwendet, den Motor so anzutreiben, daß der abge schätzte Massefluß einem Sollmassefluß entspricht.

In der Beschreibung wird eine Anzahl von Symbolen verwendet, die verschiedene physikalische und berechnete Größen darstellen. In der folgenden Tabelle I sind diese Symbole in der linken Spalte aufgelistet. Ihre Bedeutungen sind in der mittleren Spalte er klärt. Die entsprechenden Variablennamen, wie sie im Quellcode des Programmauszuges im Anhang benutzt werden, finden sich in der rechten Spalte. Die Angabe "nip" oder "nicht im Programm" be deutet, daß das Symbol nur im Beschreibungstext aber nicht im aufgelisteten Programm verwendet wird.

Tabelle I

Beim System gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 wird Mate rial, das in einem Trichter 10 geladen ist, über einen Schnec kenförderer 11 entladen, der von einem Schneckenförderermotor 12 angetrieben wird. Eine Waage 13 mißt das Gesamtgewicht des Trich ters 10 (mit Material), des Schneckenförderers 11 und des Mo tors 12, um ein Gewichts-Istsignal Z_w zu erzeugen. Bei einem Bandförderer würde die Waage 13 das Gewicht des Materials über mindestens eine Teillänge des Bandes mitmessen. Das Gewichts- Istsignal Z_w wird einem Gewichtssignalprozessor 14 in einem Com puter 15 zugeführt, der einen Schätzwert _w für den Massefluß berechnet, gestützt auf das genannte Signal Z_w. Ein Motorposi tionssensor 16 mißt die Position der Motorwelle, die den Schrau benförderer 11 antreibt, um ein Motorpositions-Istsignal Z_m zu erzeugen. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist der Sen sor 16 eine Aufnahmespule auf, die Zähne auf einem Rad abtastet, das mit der Motorwelle läuft. Es wird eine Pulsfolge erzeugt, deren Frequenz von der Motordrehzahl abhängt. Zum Ermitteln der Drehzahl wird die Zahl der Pulse innerhalb einer bestimmten Zeitspanne gezählt. Der Sensor 16 kann aber beliebig ausgebil det sein und direkt oder indirekt mit dem Motor verbunden sein, solange er nur ein Signal ausgibt, das mit dem Istmassefluß zu tun hat. Der Sensor 16 kann ein optischer Sensor oder ein Hall- Sensor sein, wenn sich das Antriebsmittel dreht, oder es kann ein Näherungssensor sein, wenn das Antriebsmittel vibriert. Statt der Lage des Stellgliedes könnte der Sensor auch die Ge schwindigkeit des Stellgliedes abtasten; es könnte also ein Ta chometer sein. Das Positionssignal Z_m wird einem Motorsignal prozessor 17 im Computer 15 zugeführt, der einen Schätzwert _m für die Stellgliedgeschwindigkeit ermittelt, gestützt auf das genannte gemessene Signal Z_m.

Die Masseflußschätzwerte _w und _m werden mit Hilfe eines Korre lationsfaktors A_c und eines Kombinationskoeffizienten C und eines Summengliedes 18 kombiniert, um einen kombinierten Masse fluß-Schätzwert _T auszugeben. Eine Bedienperson gibt einen Massefluß-Sollwert V_d über eine Bedienkonsole 19 ein. Der ab geschätzte Massefluß _T wird mit dem Sollwert V_d in einem Sum mierglied 20 verglichen, wodurch ein Regelabweichungssignal _d gebildet ist. Die Regelabweichung wird von einem Motorregler 21 dazu verwendet, ein Motorstellsignal I_M zu berechnen, das einem Motortreiber 22 zugeführt wird. Der geschätzte Massefluß _T und der tatsächliche Massefluß laufen daher auf den Sollwert V_d zu.

Die Messungen vom Gewichtssensor 13 und vom Motorsensor 16 un terliegen zufälligen und systematischen Instrument- und Einfluß fehlern. Die Sensoren erzeugen fehlerhafte Messungen nicht nur aufgrund internen elektronischen Rauschens, sondern auch auf grund ihrer Trägheit und aufgrund externen elektronischen Rau schens.

Darüber hinaus unterliegt die gesamte Anlage mit dem Trichter, dem Schneckenförderer und dem Motor Störungen. Zu den Anlagen störprozessen gehören: Schwingungsrauschen aufgrund der mecha nischen Bewegung der Förderschnecke oder eines Mischers im Trichter; ungleichförmige Entladegeschwindigkeit aufgrund klum pigen Materials oder ungleichförmiger Schneckenentladung; Nach füllen des Trichters zu unterschiedlichen Zeiten und mit unter schiedlichen Nachfüllgeschwindigkeiten; von Zeit zu Zeit auftre tende Störungen durch Anstoßen an den Trichter oder den Förderer oder durch Auflegen oder Wegnehmen größerer Gewichte, wie z. B. von Werkzeugen; periodische und aperiodische Störungen auf den Trichter aufgrund von äußeren Einflüssen, wie sie durch Wind, benachbarte Maschinen oder vorüberfahrende Fahrzeuge hervorge rufen werden.

Eine Gewichtsmessung liefert daher nur grobe Information über die Gewichtsabnahme des Systems. Daher werden die Systemzustände nur unzufriedenstellend wiedergegeben, was auch zu unzufrieden stellender Regelung führt, insbesondere bei Sollwertänderungen. Daher wird mit Hilfe des zweiten Sensors am Motor oder Stell glied zusätzlich Information erhalten. Durch Verarbeiten des Motorpositionssignals in einem Prozeß, der ähnlich ist wie der zum Verarbeiten des Gewichtssignals, wird ein Signal über die Motorgeschwindigkeit erhalten, das mit dem Massefluß korreliert, und das vom abgeschätzten Massefluß unabhängig ist, wie es aus dem Ist-Gewichtssignal abgeleitet wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die beiden Masseflußabschätzungen kombiniert, was zur verbesserter Abschätzung des Ist-Masseflusses führt.

Um das Berechnen der verschiedenen Parameter zu erleichtern, die vom Gewichtsprozessor 14 und vom Motorprozessor 17 verwendet werden, wird ein Selbsteinstellverfahren eingesetzt, um den För derprozeß zu steuern. Dabei werden Daten erhalten, aus denen die verschiedenen Parameter berechnet werden können. Beim allgemei nen Selbsteinstellprozeß gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Fördersystem mit Hilfe eines Schalters 23 in eine Kali brier-(Selbsteinstell-)Betriebsart versetzt, wenn das System gestartet wird oder wenn sich starke Änderungen ergeben, z. B. wenn die Art des geförderten Materials geändert wird. In der Kalibrierbetriebsart sorgt ein Kalibrierprozessor/Steuergenera tor 24 dafür, daß eine Anzahl von Steuersignalen u(k) an den Förderer gegeben wird, der entsprechend reagiert. Der Gewichts sensor 13 erzeugt eine zugehörige Motormeßsignalfolge Z_w(k) und der Motorsensor 16 erzeugt eine zugehörige Gewichtsmeßsignalfol ge Z_m(k). Die Eingangs/Ausgangssignale u(k)/Z_w(k) und u(k)/Z_m(k) werden dann vom Kalibrierprozessor/Steuergenerator 24 dazu ver wendet, z. B. Rausch- und Regelparameter abzuschätzen. Die abge schätzten Parameter werden dann an die Signalprozessoren 14 und 17 gegeben, die Kalibrierbetriebsart wird verlassen (durch Um schalten des Schalters 23 von der Kalibrierbetriebsart in eine Regelbetriebsart, was in Fig. 1 schematisch angedeutet ist), woraufhin das System geregelt wird.

In Fig. 2 sind die Prozeßschritte dargestellt, wie sie von den Signalprozessoren 14 und 17 (Fig. 1) ausgeführt werden. Einzelne Schritte werden in den Flußdiagrammen der Fig. 3A-3F und der Fig. 4-7 näher dargestellt.

Sobald der Prozeß gestartet ist, werden in einem Block 26 Nomi nalparameterwerte und Nominalvariablenwerte initialisiert, z. B. durch Eingabe durch eine Bedienperson oder durch Auslesen aus einem Speicher. In einem Entscheidungsblock 27 wird entschieden, ob das Fördersystem kalibriert werden soll. Ist kein Kalibrieren nötig, z. B. wenn bekannt ist, daß die nun vorliegenden Parame ter genau sind, folgt ein Block 28. Wenn jedoch kalibriert wer den muß, erfolgt dies in einem auf den Entscheidungsblock 27 folgenden Block 29. Im Block 28 werden die Kalman-Filter (Signal prozessoren 14 und 17 in Fig. 1) initialisiert und in einem Block 30 werden Meßwerte Z_w(k) und Z_m(k) von den Sensoren 13 und 16 gelesen. In folgenden Blöcken 31 und 32 werden Rauschkova rianzmatrizen Q_m und Q_w berechnet. In einem folgenden Block 33 werden Schätz- oder Vorhersagewerte _m und _w erhalten. Aus diesen Werten wird in einem Block 34 ein Kombinationskoeffi zient C nachberechnet und eine Gesamt-Masseflußschätzgröße _T wird berechnet. In einem Folgeblock 35 wird ein Korrelations faktor A_c auf den neuesten Stand gebracht. Ein Folgeblock 36 er mittelt, ob sich im geförderten Material eine Brücke gebildet hat. In einem Block 37 wird schließlich ein Motorstellsignal I(k) berechnet und ausgegeben, um die Geschwindigkeit des Motors/ Stellgliedes festzulegen. Der Ablauf springt dann zum Block 30 zurück, so daß neu gemessen wird und der Regelablauf neu durch laufen wird, was zyklisch erfolgt.

Anhand der Fig. 3A-3F werden nun einzelne Schritte, die nach dem Starten des Prozesses ablaufen, näher erläutert. In einem Schritt 38 werden folgende Parameter initialisiert:

V_d - Vollmassefluß
T - Meßperiode für Z_w, Z_m
G_c - Verstärkungsfaktor für den Motorregler
r_m - Anfangswert für die Varianz des Motormeßrauschens
r_w - Anfangswert für die Varianz des Gewichtsmeßrau schens
q_{2, m} - Anfangswert für die Varianz des Motoranlagerau schens
q_{2, w} - Anfangswert für die Varianz des Gewichtsanlage rauschens
FF - Förderfaktor des Schneckenmotors

Im Block 38 werden auch verschiedenen Flaggen und Zähler auf ge eignete Anfangswerte gesetzt, was allerdings nicht dargestellt ist.

Im folgenden, bereits genannten Block 27 wird entschieden, ob die in Block 38 gesetzten Werte kalibriert werden sollen. Ist dies der Fall, folgen Blöcke 39, 40 und 41 mit einem Kalibrier prozeß, der weiter unten anhand der Fig. 5, 6 und 7 näher erläu tert wird. Nach Abschluß des Kalibrierens, oder wenn Kalibrieren nicht erforderlich ist, folgt ein Block 42, in dem die folgenden Systemvariablen initialisiert werden:

u_{1, m}, u_{2, m} - Motorstellgrößen für Gewicht bzw. Massefluß, berechnet aus Motorsensorsignalen,
u_{1, w}, u_{2, w} - Motorstellgrößen für Gewicht bzw. Massefluß, berechnet aus Gewichtssignalen.

Im Schritt 42 wird auch das Motorstellsignal I_M auf einen ge wünschten Wert initialisiert, so daß der Motor anfangs mit einer gewünschten Geschwindigkeit läuft. Dieser Stellwert kann anfäng lich auch auf 0 gesetzt werden, so daß der Motor zunächst steht.

In einem Folgeschritt 43 wird ein Zählwert k auf 0 gesetzt. Da nach werden in einem Schritt 44 erste Meßwerte Z_m(1) und Z_w(1) erfaßt. In einem folgenden Entscheidungsblock 45 wird untersucht, ob k+1 größer als 2 ist. Ist dies der Fall, zeigt dies an, daß die Filter bereits initialisiert wurden, was zur Folge hat, daß die Verarbeitungsschritte gemäß Fig. 3B folgen. Andernfalls schließt sich ein Entscheidungsblock 46 an, der untersucht, ob k+1 den Wert 2 aufweist. Ist dies nicht der Fall, folgt ein Block 47, in dem der Zählwert k erhöht wird. Es werden dann im Block 44 neue Meßwerte erfaßt. Ergibt sich im Entscheidungsblock 46 dagegen, daß k+1 den Wert 2 einnimmt, folgt ein Block 48, in dem mit dem Initialisieren der Filter begonnen wird.

Im Block 48 wird der anfängliche Gewichtsschätzwert, wie er auf den Gewichtsmessungen basiert, auf dasjenige Gewicht gesetzt, wie es für k=2 gemessen wurde, also auf den Wert Z_w(2). Darüber hinaus wird der anfängliche Motorschätzwert auf diejenige Motor position gesetzt, wie sie zum Zeitpunkt k=2 gemessen wurde, also auf Z_m(2). Weiterhin wird die anfängliche Motordrehzahlschätzung _w, die auf Gewichtsmessungen beruht, auf den Differenzwert zwi schen den beiden ersten Gewichtsmessungen gesetzt, geteilt durch die Abtastperiode T. Der anfängliche Masseflußschätzwert _m, der auf Motormessungen beruht, wird auf die Differenz zwischen den beiden ersten Motormessungen gesetzt, geteilt durch die Ab tastperiode P. Die Anfangsschätzwerte für Gewicht und Massefluß sowie für Motorposition und Motordrehzahl, wie sie auf den Ge wichts- und Motormessungen beruhen, werden also mit Hilfe des zuletzt gemessenen Gewichtes und des letzten Motorsignals und auf Grundlage der ersten zeitlichen Ableitung dieser Größen festgelegt. Im Block 48 wird außerdem der vorhergesagte Schätz wert für das Gewicht zum Zeitpunkt k=3 auf denjenigen Wert ge setzt, der dem Gewicht zum Zeitpunkt k=2 entspricht, zuzüglich dem geschätzten Massefluß zum Zeitpunkt k=2, multipliziert mit der Zeitspanne T. Entsprechend wird der vorhergesagte Schätzwert für die Motorposition zum Zeitpunkt k=3 auf einen Wert gesetzt, der der geschätzten Motorposition zum Zeitpunkt k=2 entspricht, zuzüglich der Motorgeschwindigkeit zum Zeitpunkt k=2, multipli ziert mit der Abtastzeitspanne T. Weiterhin werden die Schätz werte für Massefluß und Motordrehzahl zum Zeitpunkt k=3 auf die jeweils zugehörigen Schätzwerte zum Zeitpunkt k=2 gesetzt.

Nachdem die vorhergesagten Schätzwerte in Block 48 initialisiert sind, folgt ein Block 49, in dem die Einträge für die Fehlerko varianzmatrizen P_m und P_w initialisiert werden. Diese Matrizen weisen die folgende Form auf:

wobei:

σ, w² Varianz des Gewichtsfehlers aufgrund von Ge wichtsmessungen;
σ, w² Varianz des Masseflußfehlers aufgrund von Ge wichtsmessungen;
σ, w, , w² Kovarianz der Gewichts- und Masseflußfehler;
σ, m² Varianz des Motorpositionsfehlers auf Grundlage von Motorpositionsmessungen;
σ, m² Varianz des Motordrehzahlfehlers auf Grundlage von Motorpositionsmessungen; und
σ, m, , m² Kovarianz des Motorpositionsfehlers und des Motordrehzahlfehlers.

Nach diesem Initialisieren der Kovarianzmatrizen P_w und P_m wird in Block 47 der Zählwert k um 1 erhöht und in Block 44 werden die nächsten Meßwerte erfaßt. Nachdem die Filter initialisiert sind, ist k+1 größer als 2, was zur Folge hat, daß vom Ent scheidungsblock 45 der Prozeß zum Block 51 gem. Fig. 3B weiter geführt wird.

In diesem Block 51 wird die Motoranlagenrauschen-Kovarianzmatrix Q_m(k) auf Q_{0, m} gesetzt, mit

Es folgt dann ein Schritt 52, in dem ein Motormeßgrößenrest _m auf Grundlage folgender Gleichung berechnet wird:

_m(k+1/k)=Z_m(k+1)-_m(k+1/k)

mit:

_m(l+1/k) Motormeßwertrest zum Zeitpunkt k+1 aufgrund von Motormessungen bis einschließlich zum Zeit punkt k;
Z_m(k+1) Motorpositionsmessung zum Zeitpunkt k+1; und
X_m(k+1/k) geschätzte Motorposition zum Zeitpunkt k+1 auf grund von Messungen bis einschließlich zum Zeitpunkt k.

In einem Folgeblock 53 wird die Motorfehler-Kovarianzmatrix P_m mit Hilfe der folgenden Matrixgleichung auf den neuesten Stand gebracht:

P_m(k+1/k)=F P_m(k/k)F′+Q_m(k)

mit

F′ Transponierte von F; und
Q_m(k) Motoranlagerauschen-Kovarianzmatrix zum Zeitpunkt k.

Anschließend wird in einem Schritt 54 die Varianz des Motormeß größenrestes mit der folgenden Matrixgleichung berechnet:

σ, m²=H P_m H′+r_m

mit:

H=[1 0];
H′ Transponierte von H;
P_m wie in Block 53 berechnet; und
r_m Varianz des Motormeßrauschens.

In einem folgenden Entscheidungsblock 56 wird das Quadrat des Motormeßgrößenrestes, wie in Block 52 berechnet, mit dem 9fachen der Varianz des Motormeßgrößenrestes verglichen, wie sie in Block 54 berechnet wurde. Wenn die erste Größe größer ist als die letztgenannte, folgt ein Schritt 57, in dem der Wert q_{1, m} auf das 4fache des Quadrates des letztgenannten Varianzwertes gesetzt wird, geteilt durch 12. Es wird hingewiesen, daß q_{1, m} der 1,1-Eintrag der Q_m-Matrix ist, d. h.:

Auf den Block 57 folgt wieder der Block 53, in dem die Motor fehler-Kovarianzmatrix P_m auf Grundlage des neuen Wertes für Q_m neu berechnet wird. Beim zweiten Durchlaufen des Blocks 54 wird auch die Varianz des Motormeßfehlers neu berechnet. Beim zweiten Durchlaufen des Entscheidungsblocks 56 sollte die ge nannte Varianz so groß sein, daß der Ablauf vom Block 56 auf einen Block 58 übergeht, der in Fig. 3C dargestellt ist.

Es wird also die Größe des Motormeßgrößenrests mit einer Größe verglichen, die aus der Varianz des genannten Restes berechnet wurde, und wenn der Rest groß genug ist, wird die Motoranlagen rausch-Kovarianzmatrix Q_m so geändert, daß sie den größeren Mo tormeßgrößenrest wiedergibt. Dieses Angleichen hilft beim Anpas sen an große Störungen, die die Motormessungen beeinflussen.

Gemäß Fig. 3C wird ein ähnlicher Prozeß für die Gewichtsanlagen rauschen-Kovarianzmatrix Q_w und die Gewichtsfehler-Kovarianz matrix P_w ausgeführt. In einem Block 58 wird die Motoranlagen rauschen-Kovarianzmatrix Q_w(k) auf Q_{0, w} gesetzt, wobei:

In einem folgenden Schritt 59 wird der Gewichtsmeßgrößenrest Z_w mit Hilfe folgender Gleichung berechnet:

_w(k+1/k)=Z_w(k+1)-_w(k+1/k)

wobei:

_w(k+1/k) Gewichtsmeßgrößenrest zum Zeitpunkt k+1 auf Grundlage der Messungen bis einschließlich dem Zeitpunkt k;
Z_w(k+1) Gewichtsmessung zum Zeitpunkt k+1; und
_w(k+1/k) geschätztes Gewicht zum Zeitpunkt k+1 auf Grund lage der Messungen bis einschließlich zum Zeit punkt k.

Es schließt sich ein Block 61 an, in dem die Gewichtsfehler- Kovarianzmatrix P_w mit Hilfe einer Gleichung auf den neuesten Stand gebracht wird, die ähnlich ist zur Gleichung, wie sie oben in Zusammenhang mit Block 53 beschrieben wurde. In einem Folge block 62 wird die Varianz des Gewichtsmeßgrößenrestes mit Hilfe der genannten Gleichung berechnet, d. h. σw²=H P_w H′+r_w, usw., die ähnlich ist zur Gleichung, wie sie weiter oben unter Bezugsnahme auf Block 54 beschrieben wurde.

Anschließend wird in einem Entscheidungsblock 63 das Quadrat des Gewichtsmeßgrößenrestes, wie er in Block 59 berechnet wurde, mit dem 9fachen der Varianz des Gewichtsmeßgrößenrestes verglichen, wie er in Block 62 berechnet wurde. Wenn die erstgenannte Größe größer ist als das 9fache der letztgenannten Größe, folgt ein Block 64, in dem Flaggen Zthf %, perf % und Zperf % auf 0 gesetzt werden. Es folgt dann ein Entscheidungsblock 66, der direkt erreicht wird, wenn die Vergleichsbedingung im Entscheidungs block 63 nicht erfüllt ist. Im Entscheidungsblock 66 wird der Zustand der Flaggen Zthf %, perf % und Zperf % überprüft. Wenn alle Flaggen mit Zuständen übereinstimmen, wie sie in Block 66 darge stellt sind, folgt ein Block 67, in dem überprüft wird, ob die Flagge Zthf % den Wert 0 einnimmt. Ist dies der Fall, folgt ein Block 68, in dem die Flagge Zperf % auf 0 rückgesetzt wird. Der Auflauf geht dann zur Marke "D" weiter, d. h. zu einem Block 76 gemäß Fig. 3D.

Wenn im Entscheidungsschritt 67 festgestellt wird, daß die Flagge Zthf % nicht 0 ist, folgt ein Block 69, in dem ein Eintrag q_{1, w} der Q_w-Matrix auf das 4fache des Quadrats des Gewichtsmeß größenrestes gesetzt wird, wie er in Block 59 berechnet wurde, geteilt durch 12. Die Matrix ist:

Es folgt dann ein Block 70, in dem die Flagge Zthf % rückgesetzt wird. Im Block 70 wird auch ein Calpert-Zähler inkrementiert und Größen _{A, w} und _{B, w} werden auf 0 gesetzt. Der Calpert-Zähler und die genannten Größen werden während des Selbsteinstellens der Rauschparameter des Systems verwendet, was weiter unten nä her, gestützt auf Fig. 7, beschrieben wird.

Vom Block 70 kehrt der Ablauf zu Block 61 zurück, wo die Ge wichtsfehler-Kovarianzmatrix P_w neu auf Grundlage des berich tigten Wertes für Q_w berechnet wird. Die Varianz des Gewichts meßgrößenrestes wird in Block 62 neu berechnet. Der Wert sollte dann derartig sein, daß der Ablauf vom Entscheidungsblock 63 nun direkt an den Block 66 weitergegeben wird. Da während des vorigen Durchlaufs durch Block 64 die Flagge Zperf % gesetzt wur de, folgt nun Block 67. Da die Flagge Zthf % in Block 70 rückge setzt wurde, leitet Block 67 zu Block 68 weiter, der die Flagge Zperf % rücksetzt. Es schließt sich der bereits genannte Block 76 gemäß Fig. 30 an.

Beim nächsten Durchlauf des Programmteils, wie er in Fig. 3C veranschaulicht ist, ermittelt der Entscheidungsblock 63, ob das Quadrat des Gewichtsmeßgrößenrestes kleiner ist als das 9fache der Varianz dieses Wertes. Ist dies der Fall, gibt der Entscheidungsblock 66 (aufgrund von perf %=1) den Ablauf an Block 71 weiter, in dem die Flagge Zperf % gesetzt wird. Im Ab lauf folgen dann die Blöcke 72 und 73, in denen der Calpert- Zähler inkrement wird und die Variablen _{A, w} und _{B, w} auf 0 ge setzt werden. In einem Block 74B wird dann der Wert q_{1, w} für den aktuellen Zeitpunkt k auf denjenigen Wert gesetzt, wie er (in Block 69) für den vorliegenden Zeitpunkt k-1 berechnet wurde. Darüber hinaus wird in einem Block 74A die Flagge perf % auf 0 rückgesetzt.

Es folgt dann der Ablauf über die Blöcke 61, 62, 63, 66, 67, 68 und evtl. zu Block 76 von Fig. 3D.

Der anhand von Fig. 3C dargestellte Programmteil berechnet dem gemäß nicht nur die Gewichtsanlagenrauschen-Kovarianzmatrix Q_w auf Grundlage der Größe des Gewichtsmeßgrößenrestes neu, sondern erzwingt auch eine zweite künstliche Perturbation, die jeder natürlichen Perturbation folgt. Die erzwungene zweite Perturba tion ist durch die Schleife mit den Blöcken 71-74 gegeben. Das Erzwingen dieser zweiten Perturbation ist notwendig, wenn das Fördersystem gut auf schrittweise Meßgrößenperturbationen rea gieren soll, wie sie z. B. beim Nachfüllen auftreten.

Im bereits erwähnten Block 76 von Fig. 3D werden Motor-Kalman- Verstärkungsfaktoren K_m und Gewichts-Kalman-Verstärkungsfaktoren K_w auf Grundlage folgender Gleichungen berechnet:

K_m(k+1)=P_m(k+1/k) H′ |H P_m(k+1/k) H′+r_m|^-1

K_w(k+1)=P_w(k+1/k) H′ |H P_w(k+1/k) H′+r_w|^-1

mit:

K_{1, m}(k+1) Motor-Kalman-Verstärkung zum Zeitpunkt k+1;
K_{2, m}(k+1) Motorgeschwindigkeits-Kalman-Verstärkung zum Zeit punkt k+1;
K_{1, w}(k+1) Gewichts-Kalman-Verstärkungsfaktor zum Zeitpunkt k+1;
K_{2, w}(k+1) Massefluß-Kalman-Verstärkung zum Zeitpunkt k+1;

alle anderen Variablen wurden zuvor definiert oder erläutert.

Die abgeschätzten Werte für Motorposition und Motordrehzahl so wie für Gewicht und Massefluß werden dann auf den neuen Stand gebracht, wobei die zuvor berechneten Werte für diese Variablen verwendet werden, sowie außerdem die in Block 76 berechneten Kalman-Verstärkungen und die Meßwertreste für Motorposition und Gewicht, wie sie in den Blöcken 52 bzw. 59 berechnet wurden, alles mit Hilfe der genannten Gleichungen. In einem folgenden Block 78 werden die Fehlerkovarianzmatrizen P_m und P_w mit Hilfe der genannten Gleichungen auf den neuen Stand gebracht. I ist dabei die Identitätsmatrix. Alle anderen Variablen wurden zuvor definiert oder berechnet. Es schließt sich ein Block 79 an, in dem neue Vorhersagen für die Motorposition X_m, die Motordrehzahl _m, das Gewicht _w und den Massefluß _w mit Hilfe folgender Gleichungen berechnet werden:

_m(k+2/k+1)=_m(k+1/k+1)+T _m(k+1/k+1)+u_{1, m}(k+1)

_m(k+2/k+1)=_m(k+1/k+1)+u_{2, m}(k+1)

_w(k+2/k+1)=_w(k+1/k+1) T _w(k+1/k+1)+u_1,2(k+1)

₂(k+2/k+1)=_w(k+1/k+1)+u_{2, w}(k+1)

mit:

u_{1, m}(k+1) Motorstellgröße zum Zeitpunkt k+1, vorhergesagt, um die Motorposition zum Zeitpunkt k+2 zu beeinflussen;
u_{2, m}(k+1) Motorstellgröße zum Zeitpunkt k+1, vorhergesagt zum Beeinflussen der Motordrehzahl zum Zeitpunkt k+2;
u_{1, w}(k+1) Motorstellgröße zum Zeitpunkt k+1, vorhergesagt zum Beeinflussen des Gewichts zum Zeitpunkt k+2;
u_{2, w}(k+1) Motorstellgröße zum Zeitpunkt k+1, vorhergesagt zum Beeinflussen des Masseflusses zum Zeitpunkt k+2;

alle anderen Variablen wurden zuvor definiert oder berechnet.

In einem Folgeblock 81 wird ein Kombinationskoeffizient C mit Hilfe folgender Gleichung berechnet:

C=(A_c² σ, m²+σnc²)/(σ, w²+A_c² σ, m²+σnc²)

mit:

A_c Korrelationskoeffizient, der die Motordrehzahl mit dem Massefluß korreliert;
σ, m² 2,2-Eintrag der P_m-Matrix;
σ, w² 2,2-Eintrag der P_w-Matrix;
σnc² Varianz des Korrelationsrauschens (im Selbsteinstell prozeß gem. Fig. 6 gesetzt).

Es folgt dann ein Block 82, in dem die Vorhersagen für die Mo tordrehzahl und den Massefluß, wie sie in Block 79 berechnet wurden, mit Hilfe der dargestellten Gleichung unter Nutzung des Korrelationskoeffizienten A_c und des Kombinationskoeffizienten C kombiniert werden, wodurch ein Gesamt-Masseflußschätzwert _T erhalten wird.

Nach Block 82 wird eine Marke "E" erreicht, die den Übergang zum Ablauf gem. Fig. 3E bildet. Im dortigen ersten Block 83 wird der Korrelationskoeffizient A_c nach jeweils N_c Meßdurchläufen (z. B. N_c=10) auf den neuesten Stand gebracht. Genauer gesagt wird in Block 83 der Masseflußfehler V_e gleich der Differenz zwischen dem Massefluß, wie er in Block 79 berechnet wurde, und dem Produkt aus Korrelationskoeffizient A_c und Motordrehzahl, wie in Block 79 berechnet, gesetzt. In einem Folgeschritt 84 wird der in Block 83 berechnete Masseflußfehler in eine Variable V_{e, sum} akkumuliert.

Ein einem Folgeschritt 85 wird ein Zählwert V_ec um den Wert 1 inkrementiert, und dann wird in einem Entscheidungsschritt 86 überprüft, ob dieser Wert den genannten Wert N_c erreicht hat. Ist dies noch nicht der Fall, folgt ein Schritt 91, der der erste Schritt des in Fig. 3F dargestellten Ablaufs ist. Sind jedoch N_c Zyklen durchlaufen (wurden also N_c berechnete Werte von V_e in V_{e, sum} akkumuliert), folgt ein Block 87, in dem ein Wert V_{e, ave} berechnet wird, der dem Durchschnitt der N_c Masse flußfehler entspricht. In einem folgenden Block 88 wird der Korrelationskoeffizient A_c mit Hilfe folgender Gleichung auf den neuen Stand gebracht:

A_c=A_c+K_g V_{e, ave}/_m

mit:

A_c Korrelationskoeffizient;
K_g Verstärkungsfaktor für das Aktualisieren des Korre lationskoeffizienten, z. B. K_g=0,1;
V_{e, ave} Mittelwert von N_c Zyklen der in Block 83 berechneten Differenz; und
_m Motordrehzahl wie in Block 79 berechnet.

Die akkumulierte Summe V_{e, sum} und der Zählwert V_ec werden in einem Block 89 jeweils auf den Wert 0 gesetzt. Es folgt dann eine Marke "F", die die Sprungadresse für den ersten Block 91 im Teilablauf gemäß Fig. 3F ist.

Nach allen N_c Zyklen wird also der Korrelationskoeffizient A_c auf Grundlage einer Differenz neu berechnet, und zwar der Diffe renz zwischen dem Schätzwert für den Massefluß, auf Grundlage von Gewichtsmessungen _w, und dem Schätzwert für den Massefluß auf Grundlage von Motormessungen _m. Anhand von Fig. 3F wird nun erläutert, wie eine Materialbrücke ermittelt werden kann. In einem Block 91 wird eine Geschwindigkeitsvariable Z_{v, w}(k) als einfache zeitliche Ableitung berechnet, unter Benutzung der Gewichtsmessung Z_w(k) zum aktuellen Zyklus, vermindert um die Gewichtsmessung Z_w(k-1) zum Zeitpunkt des letzten Zyklus, ge teilt durch die Abtastperiode T.

In einem folgenden Entscheidungsblock 92 wird der Stand einer Flagge B % mit drei Zuständen untersucht. Steht die Flagge B % auf 0, wird die Brückenuntersuchungsroutine von Fig. 3F übersprungen, und es folgt sofort der Motorregelprozeß gemäß Fig. 4. Dies wäre z. B. beim Starten der Fall. Wenn ein Überprüfen auf Mate rialbrücken ausgeführt werden soll, wird die Flagge B % auf 1 ge setzt, wodurch der Entscheidungsblock 92 den Ablauf an einen Entscheidungsblock 93 weitergibt, in dem der Wert eines Zäh lers Bc überprüft wird. Wie weiter unten erläutert, wird dieser Zähler bei jedem Durchlauf, inkrementiert. Beim ersten Durchlauf steht der Zähler Bc auf 1, und es folgt ein Block 93, in dem eine Variable _wr auf den Wert Z_{v, w} gesetzt wird, wie er in Block 91 berechnet wurde. Beim zweiten und bei allen weiteren Durchläufen ermittelt der Entscheidungsblock 93, daß der Zäh ler Bc einen Wert größer als 1 aufweist, wodurch er den weiteren Ablauf auf einen Block 93 schaltet, in dem die Variable _wr auf Grundlage folgender Gleichung berechnet:

_wr=_wr+K_re(Bc) (Z_{v, w}-_wr)

mit

_wr schnell abgeschätzter Massefluß;
K_ri schnelle Identifikationsverstärkungsfaktoren, wie sie in den Blöcken 147-151 gemäß Fig. 7 berechnet werden;
Bc Zählwert des Brückenzählers;
Z_{v, w} gemessene Gewichts-Geschwindigkeitsvariable.

In einem folgenden Block 97 wird der Brückenzähler Bc um den Wert 1 erhöht. In einem anschließenden Entscheidungsblock 98 wird der Brückenzählwert Bc mit dem Wert einer Flagge BcFlag verglichen, die beim bevorzugten Ausführungsbeispiel den Wert 13 aufweist. Darüber hinaus wird im Entscheidungsblock 98 die in Block 96 inkrementmäßig berechnete Variable mit, vorzugsweise, der Hälfte des Gesamt-Masseflußschätzwertes _T verglichen, wie er in Block 82 berechnet wurde. Wenn beide im Entscheidungsblock 98 überprüften Bedingungen erfüllt sind, bedeutet dies, daß eine anfängliche Brückenbestimmung erfolgt ist, woraufhin in einem Block 99 die Flagge B % auf 2 gesetzt wird. Das Erreichen von Block 99 zeigt an, daß eine Materialbrücke festgestellt wurde, jedoch wird noch ein zweiter Brückentest ausgeführt, um sicher zu sein, ob tatsächlich eine Materialbrücke vorliegt. Dies wird im folgenden beschrieben.

Wenn eine der vom Entscheidungsblock 98 überprüften Bedingungen nicht erfüllt ist, schließt sich ein Entscheidungsblock 101 an, in dem überprüft wird, ob der Zählwert Bc dem Wert BcFlag ent spricht. Ist dies der Fall, folgt ein Block 102, in dem der Zählwert Bc auf 1 rückgesetzt wird, bevor sich der Prozeß gemäß Fig. 4 anschließt. Andernfalls wird direkt vom Block 101 aus der Ablauf gemäß Fig. 4 erreicht.

Beim folgenden Durchlauf wird im Entscheidungsblock 92 festge stellt, daß die Flagge B % auf den Wert 2 gesetzt wurde. Es folgt daraufhin ein Entscheidungsblock 103. Der Entscheidungsblock 103 und folgende Blöcke 104, 106, 107 und 108 führen Funktionen aus, die identisch sind mit den Funktionen des Entscheidungsblocks 93 bzw. den Funktionen der Blöcke 94, 96, 97 und 98. Die Blöcke 103, 104, 106, 107 und 108 bilden zusammen also einen zweiten Ablauf zum Feststellen einer Materialbrücke. Wenn die zwei in Block 108 überprüften Bedingungen erfüllt sind, folgt ein Block 109, der anzeigt, daß das Bestehen einer Materialbrücke bestä tigt wurde. Block 109 veranlaßt geeignete Schritte, z. B. das Ausgeben eines Alarmes und/oder das Anhalten des Fördersystems. Die Flagge B % wird auf 0 gesetzt. Es folgt dann ein Block 111. Wenn die beiden im Entscheidungsblock 108 überprüften Bedingun gen nicht erfüllt sind, folgt direkt der genannte Block 111, in dem der Zählwert Bc mit dem Grenzwert BcFlag verglichen wird, und die Variable _wr wird mit der Hälfte des Gesamt-Massefluß schätzwertes _T verglichen, wie in Block 98. Wenn beide vom Entscheidungsblock 111 überprüfte Bedingungen erfüllt sind, fol gen Blöcke 112 und 113, in denen die Flagge B % bzw. der Zähl wert Bc jeweils auf den Wert 1 rückgesetzt werden. Andernfalls führt der Entscheidungsblock 111 den Ablauf direkt zu Ablauf gemäß Fig. 4 weiter. Die Übergabe des Ablaufs durch den Ent scheidungsblock 111 an die Blöcke 112 und 113 zeigt an, daß, obwohl zunächst eine Materialbrücke ermittelt wurde (durch Er fülltsein der zwei Bedingungen, wie sie vom Block 98 überprüft werden), das Bestehen einer Brücke durch den Entscheidungsblock 108 nicht bestätigt werden konnte. Es wird daher davon ausge gangen, daß keine Materialbrücke besteht und daß keine Korrek turmaßnahmen ergriffen werden müssen.

Anhand von Fig. 4 wird nun der Motorregelprozeß beschrieben. In einem Block 114 wird zunächst die Regelabweichung dadurch be rechnet, daß der in Block 82, Fig. 3D, berechnete Gesamt-Masse flußschätzwert _T vom Sollwert V_d abgezogen wird. In einem Ent scheidungsblock 116 wird die Regelabweichung mit 75%, vorzugs weise, des gewünschten Sollwerts verglichen. Ist die Regelab weichung kleiner, wird in einem Block 117 ein Regelabweichungs faktor G auf einen Wert G_c gesetzt, der geringer als 0,9 ist, vorzugsweise 0,1. Auch andere Werte sind tragbar. Ist die Regel abweichung dagegen größer als der genannte Vergleichswert, wird in einem Schritt 118 der Regelverstärkungsfaktor auf den Wert 0,9 gesetzt. Es ist offensichtlich, daß jede beliebige Anzahl von Schritten ausgeführt werden kann, um diese Proportionalregelung auszuführen.

In einem Folgeschritt 119 nach dem Festlegen des Verstärkungs faktors G wird der Motorstellwert I_m aus der Regelabweichung _c, dem Regelverstärkungsfaktor G und einem Förderfaktor FF berech net. In einem Folgeblock 121 werden die in Block 79 von Fig. 3B zum Berechnen von neuen Vorhersagen verwendete Kontrolleffekte mit Hilfe der folgenden Gleichungen auf den neuesten Stand ge bracht:

u_{1, w}(k)=b_{1, w} _c (k-1)

u_{2, w}(k)=b_{2, w} _c (k-1)

u_{1, m}(k)=b_{1, m} _c (k-1)

u_{2, m}(k)=b_{2, m} _c (k-1)

mit:

b_{1, w} Positionskompensationsfaktor für das Gewicht;
b_{2, w} Kleinsignalverstärkung für das Gewicht;
b_{1, m} Positionskompensationsfaktor für den Motor;
b_{2, m} Kleinsignalverstärkung für den Motor; und
_c (k-1) Produkt aus Regelverstärkungsfaktor G und Regelabwei chung _d, wie in Block 119 im vorigen Zyklus berech net.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Positionskompensa tionsfaktoren und die Kleinsignalverstärkungsfaktoren, wie sie im Block 121 verwendet werden, beim Systemkalibrieren kalibriert werden, unter Nutzung eines Ablaufs, wie er anhand von Fig. 5 weiter unten beschrieben wird. Darüber hinaus sei angemerkt, daß die Größe _c (k-1) benutzt wird, um die Regeleffektgrößen u₁ und u₂ zu berechnen, um Zeitverzögerungen zu kompensieren, die beim Regelsystem der bevorzugten Ausführungsform auftreten. Mehr oder weniger Zeitverzögerung kann verwendet werden.

Durch einen anschließenden Block 122 wird das Motorstellsignal I_M ausgegeben, um den Motor zu regeln. Auf den Ablauf gemäß Fig. 4 folgt dann Block 47 von Fig. 3A, in dem der Zählwert k erhöht wird und die Regelschleife wieder durchlaufen wird.

Anhand der Fig. 5, 6 und 7 werden nun Kalibrierroutinen erläu tert. Fig. 5 betrifft eine Parameterkalibrierroutine. Es wurde beobachtet, daß eine sprunghafte Störantwort des Fördersystems genutzt werden kann, um die Regelmodelle der stochastischen Regler zu kalibrieren. Insbesondere dann, wenn eine Folge sprung hafter Störungen (z. B. ein Rechtecksignal mit einer Periode, die lang ist gegenüber dem Abtastintervall T) als Steuersignal durch den Parameterkalibrierer/Regelgenerator 24 (Fig. 1) eingesetzt wird, und ein unkompensiertes Fördersystem gemessen wird, können zwei Reihen von Meßwertresten berechnet werden, eine für die Gewichtsmessungen und eine für die Motormessungen. Aus diesen Reihen von Meßwertresten werden dann Gewichts- und Motorkompen sationsfaktoren b_{1, w} und b_{1, m} sowie Kleinsignalverstärkungen für Gewicht und Motordrehzahl b_{2, w} bzw. b_{2, m} berechnet und an die jeweils zugehörigen Kalman-Filter (14 bzw. 17, Fig. 1) zum Be nutzen beim Regeln des Fördersystems ausgegeben.

Gemäß dem Flußdiagramm von Fig. 5 wird in einem Block 123 ein Rechtecksignal erzeugt, das gegenüber 0 um einen gewünschten Sollwert versetzt ist. Es sind die Steuersignale u(k) oder, ent sprechend V_c (k). Das Rechecksignal wird dem Fördersystem zuge führt. Es weist eine Spitze-Spitze-Amplitude von 2 A und eine Signalperiode von 20T auf, wobei T die Abtastperiode ist.

Das angelegte Rechtecksignal erzeugt ein Motorstellsignal hohen Pegels der Größe I_high, das über eine Zeitspanne 10T andauert, gefolgt von einem Signal niedrigen Pegels I_low, ebenfalls von der Dauer 10T. Die Differenz zwischen I_high und I_low ist 2A/FF. A ist dabei so gewählt, daß die Systemfunktion benachbart zu einem gewünschten Betriebspunkt festgestellt werden kann (d. h. der Offset des Rechtecksignals). Vorzugsweise ist A zu etwa 25% des gewünschten Sollwertes gewählt.

Während des Anlegens des Rechtecksignals werden in einem Block 124 ein oberer mittlerer Schätzwert für den Massefluß _{w, H} und ein unterer mittlerer Schätzwert für die Motordrehzahl _{m, H} aus einer Reihe von Schätzwerten berechnet, die alle bestimmt wer den, bevor das Rechtecksignal U(k) vom hohen auf den niedrigen Pegel springt, d. h. jeweils am Ende der Zeitspanne 10T mit ho hem Pegel des Rechtecksignals, zu welchem Zeitpunkt das Filter eingeschwungen ist. In Block 127 werden auch ein unterer mitt lerer Schätzwert für den Massefluß _{w, L} und ein unterer mitt lerer Schätzwert für die Motordrehzahl _{m, L} aus einer Reihe von Schätzwerten berechnet, die alle bestimmt werden, bevor das Rechtecksignal den Übergang vom niederen auf den hohen Pegel nimmt, d. h. jeweils am Ende einer Zeitspanne 10T von niederem Pegel, also zu Zeitpunkten, in denen das Filter eingeschwungen ist.

Es schließt sich ein Block 126 an, in dem die Summe der Meßwert reste berechnet wird. Die Reste _w und _m werden aus der Diffe renz zwischen den Gewichtsmeßwerten Σ_w bzw. Σ_m und den Vor hersagen für Gewicht bzw. Motorposition berechnet, wie sie von den Filtern ohne Kompensation vorhergesagt werden, wenn die ge messene Sprungantwort zum erstenmal aufgrund der sprunghaften Änderung im Rechtecksignal u(k) gemessen wird. Beim Erzeugen der Summen Σ_w bzw. Σ_m werden die für jeden Bereich hohen Pegels des Rechtecksignals berechneten Reste mit 1 multipliziert, wäh rend die für jeden Bereich mit niedrigem Pegel berechneten Reste mit -1 multipliziert werden.

Es folgt dann ein Block 128, in dem die Kleinsignalverstärkun gen b_{2, w} und b_{2, m} aufgrund folgender Gleichungen berechnet wer den:

b_{2, w}=(_{w, H}-_{w, L})/2A

b_{2, m}=(_{m, H}-_{m, L})/2A

Die jeweiligen Kleinsignalverstärkungen entsprechen also der Differenz zwischen den oberen und unteren Schätzwerten, geteilt durch die Spitze-Spitze-Amplitude 2A.

In einem folgenden Block 129 werden Gewichtskompensationsfakto ren b_{1, w} und b_{1, m} mit folgenden Gleichungen berechnet:

b_{1, 2}=Σ_w/2N A

b_{1, m}=Σ_m/2N A

mit

Σ_w Summe der in Block 127 berechneten Gewichtsmeßwert reste;
Σ_m Summe der in Block 127 berechneten Motormeßwertreste; und
N, A Zahl von Zyklen bzw. Amplitude des angelegten Recht ecksignals.

Die Gewichtskompensationsfaktoren stellen also die Mittelwerte der jeweiligen Meßwertreste dar, bezogen auf die Größe A.

Ein Folgeblock 131 liefert die Kompensationsfaktoren b_{1, w} und b_{1, m} und die Kleinsignalverstärkungsfaktoren b_{2, w} und b_{2, m} zu den Kalman-Filtern (wo sie insbesondere in Block 21 von Fig. 4 verwendet werden).

Es wird nun erläutert, wie die Rauschparameter r_m, r_w, q_m und q_w sowie die Varianz σnc² des Korrelationsrauschens gebildet werden. Es wird von der bekannten lineraren Beziehung Gebrauch gemacht, wie sie zwischen den Varianzen des Anlagen- und Meß rauschens und den Varianzen der vorhergesagten Meßwertreste besteht, um Schätzwerte für die aktuellen Anlagen- und Meßwert varianzen zu berechnen. Dabei wird das Fördersystem durch den Parameterkalibrierer/Steuergenerator 24 gesteuert, um das System mit konstanter Geschwindigkeit zu betreiben (d. h., jeder Wert für den Steuervektor u(k) ist jeweils derselbe). Zwei zugehörige Meßreihen Z_w(k) und Z_m(k) werden ausgeführt, und die jeweiligen Meßwerte werden zwei Paaren von Konstantverstärkungsfiltern A_w und B_w bzw. A_m und B_m zugeführt, die jeweils einen Satz festge legter Verstärkungsfaktoren aufweisen. Bei der bevorzugten Aus führungsform hat das Filter A_m die Verstärkungsfaktoren K 1_{A, m}= 0,8 und K 2_{A, m}=0,4; das Filter B_m hat die Verstärkungsfaktoren K 1_{B, m}=0,4 und K 2_{B, m}=0,2; das Filter A_w hat die Verstärkungs faktoren K 1_{A, w}=0,8 und K 2_{A, w}=0,4; und das Filter B_w hat die Verstärkungsfaktoren K 1_{B, w}=0,4, und K 2_{B, w}=0,2. Von jedem der Filter werden zugehörige Varianzen der Meßwertreste berechnet, und aus diesen werden Schätzwerte berechnet für die Varianzen des Meßwertrauschens r_m und r_w sowie des Anlagenrauschens q_m und q_w.

Darüber hinaus werden die zwei Kalman-Filter in der ordnungsge mäßen Regelschleife während dieses Steuerablaufs zum Kalibrieren bei konstanter Geschwindigkeit betrieben. Eine Folge von Schätz werten für Massefluß und Motordrehzahl wird erzeugt. Aus diesen Reihen von Schätzwerten werden Reihen von Resten aus der Diffe renz zwischen zwei geschätzten Masseflußwerten berechnet, und zwar demjenigen, der auf Gewichtsmessungen beruht und demjeni gen, der auf dem Produkt aus geschätzter Motordrehzahl und dem Nominal-Korrelationsfaktor A_{c, nom} besteht. Aus dieser Reihe von Resten wird eine Korrelationsrauschvarianz σnc² berechnet. Diese Korrelationsrauschvarianz wird beim zyklischen Berechnen des Korrelationsfaktors C verwendet (Block 81 in Fig. 3D).

Anhand von Fig. 4 wird der Rauschkalibrieralgorithmus näher er läutert, wie er bei der bevorzugten Ausführungsform eingesetzt wird. Zum Initialisieren des Algorithmus wird das Fördersystem durch einen Block 132 in konstante Geschwindigkeit versetzt. Ein Entscheidungsblock 132 untersucht, ob zwei aufeinanderfolgende perturbationsfreie Messungen durchgeführt wurden. Ist dies der Fall, wird Filterinitialisierung (ähnlich zur Filterinitiali sierung gemäß Fig. 3A und zugehörigem Text) für alle vier Filter A_w, B_w, A_m und B_m in einem Schritt 134 ausgeführt. Dann werden Meßzyklen, vorzugsweise 35 Stück, mit Hilfe eines geschleiften Entscheidungsblockes 136 übersprungen, um ein Einschwingen der Filter A_w, B_w, A_m und B_m zu ermöglichen. Dann werden Meßzyklen, vorzugsweise 100, ausgeführt, und in Blöcken 137 und 138 werden die Reste _{A, m}, _{B, m}, _{A, wi} und _{B, wi} bzw. _w/m berechnet. In einem Block 139 werden die Summe der genannten Werte, wie auch die Summen der Quadrate der Z-Werte gebildet. Das Durchführen von 100 Messungen wird mit Hilfe eines Entscheidungsblocks 141 überwacht.

Wie oben erwähnt, werden die regulären Kalman-Filter auch bei diesen 100 Meßzyklen betrieben. Dies erlaubt das Ausgeben von Daten für die Gewichtsmessungen. Dabei wird, bezugnehmend wiede rum auf Fig. 3C, dann, wenn eine Störung (Perturbation) in einer Gewichtsmessung ermittelt wird, der Calpert-Zähler inkre mentiert und die Reste _{A, w} und _{B, w} werden auf 0 gesetzt, was gemeinsam in Block 70 und getrennt ebenfalls in den Blöcken 72 und 73 erfolgt. Aufgrund dieses Ablaufs können Gewichtsmeßper turbationen während des Selbsteinstellverfahrens unberücksich tigt bleiben.

Wenn der Entscheidungsblock 141 feststellt, daß 100 Messungen ausgeführt wurden, folgt ein Block 142, in dem der Wert N_c auf einen Wert gesetzt wird, der um 100 kleiner ist als der Wert des Calpert-Zählers. In einem folgenden Block 143 werden die Meß wertrestvarianzen für jeden der vier Filter A_m, B_m, A_w und B_w mit Hilfe derjenigen Gleichungen berechnet, wie sie für die Rauschkorrelationsvarianz σnc² erläutert wurden. Es folgt dann ein Block 144, in dem die Meßrauschvarianz r_m und die Anlagen rauschvarianz q_w aus den von den Filtern A_w und B_w gelieferten Varianzen berechnet werden. Ein Folgeblock 146 liefert die Meß rauschvarianzwerte, die Anlagenrauschvarianzwerte und die Korre lationsrauschvarianzwerte an den jeweils zugehörigen Kalman- Filter im stochastischen Regler.

Die Erfindung sieht vor, Rauschen in der Massebetriebsart zu kalibrieren. Um in der Massebetriebsart zu kalibrieren, werden die gemäß Fig. 5 berechneten Gewichtskompensationsfaktoren b_{1, w} und b_{1, m} sowie die Kleinsignalverstärkungsfaktoren b_{2, w} und b_{2, m} zunächst kalibriert und dann in die vier Filter A_m, B_m, A_w und B_w überführt. Die Steuergröße u(k) läßt man dann variieren, wie in der zuvor beschriebenen Sollwertregelung. Es folgt dann der Rauschkalibrierungsablauf gemäß Fig. 6. Rauschkalibrierung in der Massebetriebsart hilft dazu, die Verwendbarkeit der Erfin dung zu erhöhen, und sie läßt Rauschkalibrierung oder Neukali brierung in der Massebetriebsart zu.

Anhand des Flußdiagramms von Fig. 7 wird nun das Einstellen des Korrelationsfaktors A_c beschrieben. Wie oben anhand von Fig. 6 beschrieben, werden die Kalman-Filter für 100 Zyklen betrieben, was 100 Gewichts- und 200 Motormessungen benötigt. Diese zwei Serien von 100 Messungen werden beim schnellen Identifizierpro zeß gemäß Fig. 7 verwendet.

In einer ersten Schleife mit Blöcken 147-151 wird ein Vektor der Länge 100 für den Verstärkungsfaktor bei schneller Identi fikation, K_ri erhalten. In einem Block 147 werden Ausgangsgrößen für eine Gleichung zur Schnellidentifikation eingegeben, die im Block 150 verwendet wird. Mit Hilfe der Blöcke 149 und 151 wer den die Gleichungen von Block 150 zyklisch ausgeführt, um den Verstärkungsfaktor K_ri für schnelle Identifikation mit 100 Ele menten zu erzeugen.

Da unterschiedliche Eingaben im Vektor K_ri für schnelle Identi fikation bestimmt werden, wenn erst einmal die Eingangsgrößen, wie sie im Block 147 eingegeben werden, bestimmt sind, liefert die durch die Blöcke 147-151 ausgeführte Routine immer die selbe Folge für den Verstärkungsfaktorvektor K_ri für schnelle Identifikation. Anstatt dauernd den Vektor K_ri neu zu berechnen, könnte stattdessen jedesmal der Korrelationfaktor A_c berechnet werden, wobei der Vektor K_ri für schnelle Identifikation vorge speichert werden könnte.

Sobald der genannte Vektor K_ri berechnet ist, wird in einem Block 152 der Zählwert I, wie er in den Blöcken 147-151 ver wendet wurde, rückgesetzt, und es folgt eine Schleife mit Blöcken 153-158 mit zwei Serien von jeweils 100 Messungen, A_w und A_m, wie sie von Kalman-Filtern erzeugt wird.

Dabei werden im Block 153 einfache Schätzwerte für den Masse fluß Z_{v, w} und die Motordrehzahl Z_{v, m} bestimmt, in dem die ein fache zeitliche Ableitung aufeinanderfolgender Messungen verwen det wird. In einem Block 156 werden dann Größen _w und _m mit Hilfe der für diesen Block in Fig. 7 dargestellten Gleichungen berechnet, unter Nutzung der Verstärkungsfaktoren K_ri für schnelle Identifikation. Nach 100 Zyklen, wie sie mit Hilfe des Blocks 156 abgezählt werden, gibt ein Entscheidungsblock 157 den Ablauf an einen Block 159 weiter, in dem der Korrelations faktor A_c dadurch berechnet wird, daß _w durch _m geteilt wird, welche Werte nach jeweils 100 Zyklen durch den Block 156 be stimmt werden.

Das Ausführungsbeispiel kann in vielfältiger Weise abgewandelt werden. Z. B. kann statt jeweils einem Kalman-Filter zum Aufbe reiten der Gewichtsmessungen und der Motormessungen ein einzel nes Kalman-Filter verwendet werden. Die Grundidee in der Nutzung eines einzigen Filters liegt in der physikalischen Beziehung zwischen dem Massefluß V_w und der Motordrehzahl V_m, die durch die folgende Gleichung gegeben ist:

V_w=A_c V_m+nc

wobei A_c der Koppelkoeffizient und nc der zugehörige Rausch prozeß ist.

Bei der kombinierten Formulierung kann die Dynamik des Systems durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden:

X_w(k+1)=X_w(k)+T A_c V_m(k)+w₁(k)

X_m(k=1)=X_m(k)+T V_m(k)+w₂(k)

V_m(k=1)=V_m(k)+w₃(k)

mit w₁, w₂ und w₃ als Zustandsrauschgrößen. Es wird darauf hin gewiesen, daß der Massefluß nicht ausdrücklich gegeben ist, aber er ist implizit durch die oben angegebene physikalische Bezie hung zum Produkt A_c V_m gegeben. Es könnte ein erweitertes Kal man-Filter verwendet werden, um die Zustände X_w, X_m, V_m und den Parameter A_c zu bestimmen. Fig. 8 stellt die Folge von Schritten dar, wie sie erforderlich sind, um die Messungen für Gewicht und Motor, Z_w, bzw. Z_m wirksam auszuführen.

Das Kompensieren und Einstellen von Parametern kann nicht nur mit dem oben beschriebenen Verfahren, sondern auch mit anderen bekannten Techniken ausgeführt werden. Rauschen und ungewöhnli che Einflüsse, die zu Schwankungen in den Gewichts- und/oder Motormessungen führen, können mit den oben beschriebenen Tech niken bearbeitet werden. Zur Motorregelung wird der implizite Schätzwert für den Massefluß _w=A_c _m im integralen Regelpro zeß in derselben Weise verwendet wie der Wert _T in der oben be schriebenen Weise.

Zur Verdeutlichung sind im folgenden Anhang in Form eines Programmauszugs wesentliche Programmschritte zur selbsteinstellenden Kalibrierung sowie zu den Gewichts- und Motormessungen dargestellt.

Claims

1. Fluidfördersystem mit:

- einem Materialspeicher (10),
- einer Entladeeinrichtung (11) mit einem Stellglied (12),
- einer Gewichtsmeßeinrichtung (13),
- einer Einrichtung (16) zum Messen der Lage oder der Geschwindigkeit des Stellglieds der Entladeeinrichtung,
- eine Einrichtung (14) zum Ermitteln eines ersten Masseflusses auf Grundlage des gemessenen Gewichtes; und
- einer Einrichtung (21) zum Regeln des Stellgliedes, um Material aus dem Speicher mit einem gewünschten Massefluß zu entladen,

dadurch gekennzeichnet, daß

- eine Einrichtung (17) zum Abschätzen eines zweiten Masseflusses auf Grundlage der gemessenen Lage oder der gemessenen Geschwindigkeit des Stellglieds der Entladeeinrichtung vorhanden ist,
- eine Einrichtung (18) zum Kombinieren eines auf Grundlage des gemessenen Gewichts ermittelten Schätzwertes für den ersten Massefluß mit dem Schätzwert für den zweiten Massefluß zum Erzeugen eines Gesamtschätzwertes für den Massefluß vorhanden ist, und
- die Einrichtung (21) zum Regeln des Stellgliedes so ausgebildet ist, daß sie die genannte Regelung abhängig vom genannten Gesamtschätzwert vornimmt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Einrichtung (14) für den ersten Schätzwert ein Modell für mindestens einen Rauschprozeß aufweist, der dazu führt, daß das gemessene Gewicht vom tatsächlichen Gewicht des ge speicherten oder entladenen Materials abweicht; und
- die Einrichtung (17) zum Berechnen des zweiten Schätzwertes ein Modell für mindestens einen Rauschprozeß aufweist, der dazu führt, daß die gemessene Position oder Geschwindigkeit von der tatsächlichen Position bzw. Geschwindigkeit des Entladestellgliedes abweicht.

3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß

- die Einrichtung (14) zum Ermitteln des ersten Schätzwertes ein erstes Kalman-Filter aufweist; und
- die Einrichtung (17) zum Ermitteln des zweiten Schätzwertes ein zweites Kalman-Filter aufweist.

4. System nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekenn zeichnet durch

- eine Einrichtung (24) zum Kalibrieren des Modells für min destens einen Rauschprozeß, der verursacht, daß das gemes sene Gewicht vom tatsächlichen Gewicht abweicht, und
- eine Einrichtung (24) zum Kalibrieren des Modells für den mindestens einen Rauschprozeß, der dazu führt, daß die ge messene Position oder Geschwindigkeit des Entladestell glieds von der tatsächlichen Position bzw. Geschwindigkeit abweicht.

5. System nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kombinationseinrichtung eine Einrichtung (C; 1-C) aufweist, um die beiden Meßwerte ent sprechend einem Kombinierfaktor zu kombinieren.

6. Fördersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß der Kombinationsfaktor von der relativen Genauig keit der beiden Schätzwerte bezogen auf den aktuellen Masse fluß abhängt.

7. Fördersystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abschätzen des zweiten Masseflusses eine Einrichtung zum Abschätzen der Stellgliedgeschwindigkeit auf Grundlage der gemessenen Posi tion oder Geschwindigkeit dieses Stellgliedes aufweist, und daß es eine Einrichtung zum Erzeugen des zweiten Schätzwertes durch Multiplizieren der abgeschätzten Stellgeschwindigkeit mit einem Korrelationskoeffizienten (A_c) aufweist.

8. Fördersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß der Korrelationskoeffizient von der relativen Genauigkeit der beiden Schätzwerte bezogen auf den aktuellen Massefluß abhängt.

9. Fördersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch eine Einrichtung zum Ermitteln einer Materialbrücke innerhalb des Materialspeichers (10), mit Einrichtungen zum Überwachen der abgeschätzten ersten und zweiten Masseflüsse.