DE3108470A1 - Method for controlling the supply and removal of energy, and use of the method - Google Patents
Method for controlling the supply and removal of energy, and use of the methodInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur Steuerung der Energie-Zu- resp. -AbführungMethod for controlling the energy supply resp. -Discharge
sowie Verwendung des Verfahrens Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeit-und energieoptimalen Steuerung der Energie-Zu- resp. -Abführung für das Aufheizen resp. Abkühlen einer Materiephase sowie eine Verwendung des Verfahrens. and use of the method The present invention relates to a method for time- and energy-optimal control of the energy supply resp. -Discharge for heating up resp. Cooling down a matter phase and using the method.
Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, die Energie-Zu-oder -Abführung an eine aufzuheizende oder abzukühlende Materiephase derart zu steuern, dass das angestrebte Ziel in energie- und zeitoptimaler Weise erreicht wird. Dass beispielsweise beim Anheben einer Materiephase von einer Anfangs- zu einer höheren Endtempeatur die dazu vorgesehenen Heizorgane mit demselben Endeffekt verschieden betrieben werden können, beispielsweise durch Aufheizen gemäss der Vollkapazität der vorgesehenen Heizorgane zu Beginn, um die Heizenergie gegen Ende des Verfahrens wieder abzusenken, ist bekannt. Dass dabei jedoch die anfallenden Verluste ausserordentlich unterschiedlich sein werden, ergibt sich schon aus der Tatsache, dass die Strahlungsverluste der Heizorgane in etwa mit der vierten Potenz ihrer Temperaturdifferenz mit Bezug auf die Umgebung ansteigen, so dass bei einer Aussteuerung der Heizorgane auf Temperaturen, die zu hoch für das momentane Absorptionsvermögen der Materiephase sind, die Energie weitgehendst zur Aufwarmung der Umgebung verwendet wird.The object of the invention is to supply or remove energy to control a phase of matter to be heated or cooled in such a way that the the desired goal is achieved in an energy- and time-optimized manner. That for example when raising a matter phase from an initial to a higher final temperature the heating elements provided for this purpose are operated differently with the same end effect can, for example, by heating up to the full capacity of the intended Heating elements at the beginning in order to lower the heating energy again towards the end of the process, is known. That, however, the resulting losses are extremely different will be, results from the fact that the radiation losses of the Heating organs approximately with the fourth power of their temperature difference with respect to the environment increase so that when the heating elements are adjusted to temperatures which are too high for the momentary absorption capacity of the matter phase, the energy largely used to warm up the environment.
Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren eingangs genannter Art gelöst, bei dem man - zu Beginn charakteristische Daten für das Energie-Aufnahme- oder -Abgabe-Verhalten der Materiephase bestimmt, - daraus und der Kenntnis mindestens eines zu erreichenden oder zu durchlaufenden Energiezustandes der Phase die dazu notwendige Energie-Zu- oder -Abfthrfunktion in der Zeit berechnet und - die Heiz- resp. Abkühlorgane nach der gefundenen Funktion steuert.The task mentioned is achieved by a method of the type mentioned at the beginning solved, in which one - at the beginning characteristic data for the energy absorption - or -Delivery behavior of the matter phase is determined - from this and the knowledge at least an energy state of the phase to be reached or to be passed through necessary energy supply or discharge function is calculated in the time and - the heating resp. Controls cooling organs according to the function found.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.The invention is then illustrated, for example, with the aid of figures explained.
Es zeigen: Fig. 1 die schrittweise Rückwärtsberechnung charakteristischer Steuerdaten bei gleich lang gewählten Zeitinkrementen, im Zeit-Temperatur-Koordinatensystem und die daraus gefundene Temperatur/Zeit-Treppen-Steuerfunktion für einen Ofen, Fig. 2 eine Darstellung analog zu Fig. 1, bei Vorgabe eines charakteristischen Temperaturzwischenwertes und einer nach dessen Erreichen einuhaltenden Steuerbedingung, Fig. 3 eine Darstellung analog zu den Fig. 1 und 2, bei Vorsehen von beispielsweise drei zeitlich ausgedehnten Steuerschritten.They show: FIG. 1 the step-by-step backward computation characteristic Control data with selected time increments of the same length, in the time-temperature coordinate system and the resulting temperature / time staircase control function for a furnace, FIG. 2 shows a representation analogous to FIG. 1, with the specification of a characteristic intermediate temperature value and a control condition to be complied with after it has been reached, FIG. 3 shows a representation analogous to FIGS. 1 and 2, with the provision of, for example, three temporally extended Control steps.
Wie bereits erwähnt, geht es bei den nachfolgend beschriebenen Verfahren grundsätzlich darum, eine Materiephase von einer Anfangstemperatur auf eine Endtemperatur zu bringen, wobei man sie entweder von ihrer Randfläche her mittels Heiz- oder Abkühlorganen beheizt resp. abkühlt oder aber mittels Strahlung, beispielsweise Mikrowellenenergie, aufheizt. Nachfolgend stützt sich die Beschreibung auf die ersterwähnten Verfahren, wobei der Unterschied der beiden genannten vornehmlich darin besteht, dass bei ersterem, entsprechend der Wärmediffusionsgleichung, berücksichtigt werden muss, dass bis eine homogene Temperaturverteilung innerhalb der Materiephase bei Anlegen eines äusseren Temperaturschrittes erreicht ist, eine gewisse Zeit verstreichen kann, wogegen sich die Homogenitätsbedingungen bei Aufheizung mittels Strahlenenergie üblicherweise wesentlich rascher einstellen.As already mentioned, the procedure described below works basically a matter of a phase of matter from an initial temperature to a final temperature to bring them, either from their edge surface by means of heating or cooling elements heated resp. cools or by means of radiation, for example microwave energy, heats up. In the following, the description is based on the first-mentioned processes, where the difference between the two mentioned is primarily that in the case of the former, according to the heat diffusion equation, it must be taken into account that up to a homogeneous temperature distribution within the matter phase when applying a external temperature step is reached, a certain time can elapse, whereas the homogeneity conditions are different when heated by means of radiant energy usually set much more quickly.
Die Erfindung beruht vorerst auf der Grunderkenntnis, dass es bei der Art und Weise, wie eine Materiephase von einer ersten Temperatur auf eine zweite gebracht wird, einen Weg gibt, der einen minimalen Energiekonsum erfordert und dabei die Temperaturdifferenz in optimal kurzer Zeit durchschreiten lässt. Dies wird beispielsweise dadurch plausibel, dass Abstrahlungsverluste mit der Temperatur, beispielsweise von Heizorganen, verglichen zur Umgebungstemperatur, sehr rasch ansteigen, und dass es deshalb wenig sinnvoll ist, eine Materiephase beispielsweise so aufzuheizen, dass ab Beginn volle Heizleistung vorgesehener Heizorgane aufgeschaltet wird.The invention is initially based on the basic knowledge that there is the way one phase of matter moves from a first temperature to a second is brought, there is a way that requires minimal energy consumption and thereby allows the temperature difference to pass through in an optimally short time. This is for example thus plausible that radiation losses with temperature, for example of heating elements rise very rapidly compared to the ambient temperature, and that it therefore makes little sense to heat up a material phase, for example, in such a way that that from the beginning full heating power of the intended heating elements is switched on.
Thermodynamische Berechnungen eines derartigen Optimums führen zum Schluss , dass der erwähnte energie- und zeitoptimierte Weg dann wenigstens näherungsweise eingehalten wird, wenn folgende Kriterien berücksichtigt werden: 1. Die in einem Zeitpunkt pro Zeiteinheit von der Materiephase absorbierte resp. abgegebene Energie ist in erster Näherung proportional zur Energiedifferenz zwischen Materiephase und Heiz- resp.Thermodynamic calculations of such an optimum lead to Conclusion that the mentioned energy and time-optimized way then is at least approximately complied with if the following criteria are taken into account become: 1. The amount absorbed by the matter phase at a point in time per unit of time resp. The energy emitted is, in a first approximation, proportional to the energy difference between matter phase and heating resp.
Kühlorganen in diesem Zeitpunkt. Cooling organs at this point.
II. Diese in einem Zeitpunkt vorliegende Energiedifferenz zwischen Materiephase und Heiz- resp.II. This energy difference between Matter phase and heating resp.
Kühlorganen ist anderseits in erster Näherung umgekehrt proportional zur vorgängig pro Zeiteinheit absorbierten Energie. On the other hand, cooling organs is inversely proportional to a first approximation to the energy previously absorbed per unit of time.
Durch wenigstens näherungsweises Einhalten dieser Bedingungen wird der erwähnte zeiteflergieoptimale Weg gefunden.By adhering to these conditions at least approximately found the mentioned time-allergy-optimal way.
In die Praxis umgesetzt, lassen sich nun diese Erkenntnisse zur Steuerung der Heizorgane für eine Materiephase, wie anhand von Fig. 1 dargestellt, verwenden.Implemented in practice, these findings can now be used for control purposes the heating elements for a phase of matter, as shown with reference to FIG. 1, use.
Zu Beginn des Verfahrens werden die Heizorgane für die Materiephase mit einem Temperaturschritt TH (o) beaufschlagt. Nach einer Anfangsphase, je nach der Materiephase mehr oder weniger unkontrollierten Einschwingens ihrer Temperatur, beginnt sich die Temperatur Trn (t) der Materiephase zu heben, um dem Temperaturwert der Heizorgane TH(o) zuzustreben. In einem Zeitpunkt't0, an welchem das dynamische Verhalten von Trn (t) mehr oder weniger stetig geworden ist, wird die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit v(o) der Materiephase und die dann vorherrschende Uebertemperatur AT(o) der Heizorgane bezüglich der Materiephase gemessen. Für die Sicherstellung, dass die ganze Phase eine mindestens nahezu homogene Temperatur aufweist, wird dabei beispielsweise mittels eines thermoelektrischen Fühlers im Phaseninneren gemessen.At the beginning of the process, the heating elements for the matter phase applied with a temperature step TH (o). After an initial phase, depending on the matter phase of more or less uncontrolled settling of its temperature, the temperature Trn (t) of the matter phase begins to rise to the temperature value to strive towards the heating elements TH (o). At a point in time t0 at which the dynamic Behavior of Trn (t) has become more or less steady, the rate of temperature rise will be v (o) the matter phase and the then prevailing excess temperature AT (o) of the heating elements measured in terms of the matter phase. To ensure that the entire phase has an at least almost homogeneous temperature, is thereby for example measured by means of a thermoelectric sensor inside the phase.
Es ist ersichtlich, dass gemäss (I)die Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit v(t) der Materiephase der von letzterer pro Zeiteinheit absorbierten Energie entspricht. Ebenso entspricht die Uebertemperatur AT(t) der Heizorgane bezüglich der Materiephase der Energiedifferenz zwischen Heizorganen und Materiephase.It can be seen that according to (I) the temperature rise rate v (t) corresponds to the matter phase of the energy absorbed by the latter per unit of time. Likewise, the excess temperature AT (t) corresponds to the heating elements with regard to the matter phase the energy difference between heating elements and matter phase.
Es werde nun gefordert, dass nach einer möglichst kurzen Zeit t die Materiephase die Endtemperatur Trn (n) erreicht n habe, bei einer dann aufgeschalteten Ofenkapazität von TH(n) (gemäss einem vorgegebenen AT(n)), beispielsweise entsprechend dessen voller Leistung. Der Zeitabstand t -t wird in n kleine, gleiche Zeitabschnitte der Länge At, mit der Numerierung von 1 bis n, aufgeteilt. Im Zeitabschnitt n lässt sich nach (I) schreiben: v(n) = v(o) T(n) (l,n) Aus (II) ergibt sich: Die Anstiegsgeschwindigkeit v(n) kann weiter ausgedrückt werden zu: v(n)At = {TH (n)-#T(n)}-{TH (n-1)-#T(n-1)} (3,n) Damit ergeben sich für die 5 unbekannten Grössen v(n), TH (n-2), AT(n-2), TH (n-l) und AT(n-l) lediglich drei Gleichungen. Im Zeitabschnitt n-l ergeben sich analog: v(n-l) At ={TH (n-1)-#T(n-1)}-{TH(n-2)-#T(n-2)} (3,n-l) Es ergeben sich somit gesamthaft bis und mit Zeitabschnitt n-l rückwärts betrachtet, sechs Gleichungen für gesamthaft 8 Unbekannte. In analoger Weise lassen sich diese Gleichungen bis hin zum zweiten Schritt, also Schritt Nr. 2, finden. Dort lauten sie: v(2)*At = {TH(2)-#T(2)}-{TH (l)-AT(l)} (3,1) Gesamthaft liegen somit 3(n-1) Gleichungen vor für 3(n-l) Unbekannte mit den im Zeitabschnitt Nr. 0 bekannt vorausgesetzten Grössen TH (o), AT(o) in (2,1) eingesetzt.It is now required that after the shortest possible time t the material phase has reached the final temperature Trn (n) n, with a furnace capacity of TH (n) then switched on (according to a given AT (n)), for example corresponding to its full output. The time interval t -t is divided into n small, equal time segments of length At, with the numbering from 1 to n. In the time segment n we can write according to (I): v (n) = v (o) T (n) (l, n) From (II) we get: The rate of rise v (n) can be further expressed as: v (n) At = {TH (n) - # T (n)} - {TH (n-1) - # T (n-1)} (3, n) This results in only three equations for the 5 unknown quantities v (n), TH (n-2), AT (n-2), TH (nl) and AT (nl). In the time segment nl the following result analogously: v (nl) At = {TH (n-1) - # T (n-1)} - {TH (n-2) - # T (n-2)} (3, nl) This results in a total of up to and looking backwards with time segment nl, six equations for a total of 8 unknowns. These equations can be found in an analogous way up to the second step, i.e. step no. 2. There they are: v (2) * At = {TH (2) - # T (2)} - {TH (l) -AT (l)} (3,1) In total there are 3 (n-1) equations for 3 ( nl) Unknowns with the quantities TH (o), AT (o) assumed to be known in the period no. 0 in (2,1).
Daraus ist aber ersichtlich, dass ein zeitenergieoptimaler Weg nur mit n 3 2 überhaupt gefunden werden kann, d.h. es müssen mindestens zwei Steuerschritte vorgesehen werden, zusätzlich zum Schritt Nr. O, in welchem die materialphasencharakteristischen Daten ermittelt werden.From this it can be seen, however, that a time-energy-optimized way is only with n 3 2 can be found at all, i.e. at least two control steps are required are provided, in addition to step no. O, in which the material phase characteristic Data are determined.
Wie in Fig. 1 dargestellt, wird somit in der Zeit rückwärtsschreitend das obige Gleichungssystem gelöst und gemäss den gefundenen Werten für TH die Heizorgane ange-0 steuert. Die Werte für TH werden dabei in k angegeben.As shown in Fig. 1, time is thus stepping backwards the above system of equations solved and the heating elements according to the values found for TH controlled 0. The values for TH are given in k.
Bei sehr kleinen, praktisch infinitesimalen Schrittlängen At wird somit ein quasi kontinuierliches Steuerverfahren geschaffen.With very small, practically infinitesimal step lengths At becomes thus created a quasi-continuous control process.
Es ist sofort ersichtlich1 dass das beschriebene Verfahren sich ausgezeichnet für eine Rechnersteuerung eignet, wobei damit auch eine praktisch kontinuierliche Temperaturführung der Heiz- oder Kühlorgane ohne weiteres erreichbar ist, je nach betriebenem Rechenaufwand durch entsprechend kleine Wahl von At.It is immediately evident1 that the method described is excellent suitable for computer control, which means that it is also practically continuous Temperature control of the heating or cooling elements can be easily achieved, depending on computational effort by a correspondingly small choice of At.
Es können nun Fälle auftreten, bei denen andere oder weitere Bedingungen an die Temperaturführung des Materials gestellt werden müssen. Dies beispielsweise bei der Wärmebehandlung von Metallen, wie von Aluminium. Hier stellt sich die Aufgabe, die Temperatur der Metallphase möglichst zeit- und energieoptimal an eine bestimmte Temperaturschwelle zu führen, um sie dann möglichst rasch um eine letzte Temperaturstufe zu erhöhen. Diese letzte Forderung ergibt sich daraus, dass bei der Ueberführung des Metalls bei einer derartigen Behandlung in einen tieferen Energiezustand eine Potentialschwelle überwunden werden muss, die es aber möglichst rasch zu überwinden gilt.Cases may now arise in which other or additional conditions must be made to the temperature control of the material. This is one example in the heat treatment of metals such as aluminum. Here the task arises the temperature of the metal phase to a certain one in the best possible time and energy To lead temperature threshold to then as quickly as possible by a final temperature level to increase. This last requirement arises from the fact that during the transfer of the metal in such a treatment into a deeper energy state Potential threshold has to be overcome, but which it has to be overcome as quickly as possible is applicable.
Eine leichte Abwandlung, des gemäss Fig. 1 dargestellten Verfahrens, für einen derartigen Fall, ist in Fig. 2 dargestellt. Auch hier werden zu Beginn des Verfahrens vorerst die charakteristischen Absorptionsgrössen der Materiephase bestimmt, nämlich zum Zeitpunkt tot die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit v(o), bei entsprechender Uebertemperatur AT(o). Im weiteren ist bekannt, beispielsweise aus metallurgischen Kenntnissen, dass am Schluss der Wärmebehandlung das Metall auf der Temperatur T (n) angelangt sein muss, für das schnellstmögm liche, letztendliche Erreichen dieser Temperatur lediglich die maximale Ofenkapzität T (n) zur Verfügung steht oder eine aus anderen Kriterien bestimmte Ofentemperatur T (n) eingesetzt werden soll. Aus der Kenntnis heraus, dass ab einer in etwa bekannten Temperatur T$, beispielsweise die angestrebte Umkristallisation einsetzt, und dass ab dann mit der gegebenen oder bestimmten Ofenkapazität zu fahren ist, wird im weiteren dieser charakteristische Temperaturwert T5 vorgegeben.A slight modification of the method shown in FIG. 1, for such a case is shown in FIG. Again, be at the beginning of the process, first of all, the characteristic absorption quantities of the matter phase determined, namely at the time dead the rate of temperature rise v (o), with corresponding excess temperature AT (o). It is also known, for example from metallurgical knowledge that at the end of the heat treatment the metal must have reached the temperature T (n) for the fastest possible, ultimate When this temperature is reached, only the maximum furnace capacity T (n) is available or an oven temperature T (n) determined from other criteria is used shall be. Knowing that from a roughly known temperature T $, for example, the desired recrystallization begins, and that from then on is to be operated with the given or determined furnace capacity, is described below this characteristic temperature value T5 is specified.
In Analogie zu (l-n) wird auch hier, entsprechend (1) v(n) = v(o). AT(n) (l,n)' L\T(o) berechnet Damit ergibt sich die Länge At , nun variabel, zu Es ergeben sich wieder, sofern At in etwa gleich lang n ist, wie die weiteren Schritte At oder diese letzteren so gewählt werden, die Gleichungen (2,n) und (3,n), womit das Gleichungssystem wie anhand von Fig. 1 gezeigt wurde, lösbar wird.In analogy to (ln), here too, according to (1), v (n) = v (o). AT (n) (l, n) 'L \ T (o) calculated This gives the length At, now variable, to Provided that At is approximately the same length n, as the further steps At or the latter are selected, the equations (2, n) and (3, n) result again, with which the equation system as shown with reference to FIG. 1 becomes solvable.
Es ist nun durchaus möglich, dass in der Praxis die FGhrung der Heizorgane in vielen Einzelintervallen At zu aufwendig ist: Es sollen nur einige wenige,z.B. gesamthaft drei, Schritte für die Heizorgansteuerung vorgesehen werden, d.h. neben dem Messschritt 0 noch ein Schritt '1' und der Endschritt '2'. Zudem ist es beim anhand von Fig. 2 dargestellten Verfahren durchaus möglich, dass nach Massgabe der zur Verfügung stehenden oder gegebenen Heizorganskapazitäten TH(n) das sich ergebende At relativ lang wird, wodurch die lineare Inn terpolation zwischen Trn (n) und Ts zu ungenau wird. Es wird nun im folgenden anhand von Fig. 3 ein auf den oben gemachten Ausführungen basierendes, jedoch für diesen Zweck vereinfachtes Verfahren dargestellt, worin die unter (I) und (II) gemachten ersten Näherungsaussagen zu einer zweiten Näherung korrigiert werden. Dies hat sich insbesondere deshalb als notwendig erwiesen, weil die bei einem solchen W§rmebehandlungsverfahren anfallenden wenigen Zeitschritte sich über Stunden erstrecken können.It is now entirely possible that in practice the management of the heating elements is too expensive in many individual intervals At: Only a few, e.g. a total of three steps are provided for the heating element control, i.e. next to the measurement step 0 is followed by a step '1' and the end step '2'. In addition, it is with using the method shown in Fig. 2 is quite possible that according to the available or given heating element capacities TH (n) the resulting At becomes relatively long, which results in the linear interpolation between Trn (n) and Ts becomes too imprecise. It will now be made in the following with reference to Fig. 3 on the above This is a procedure based on explanations, but simplified for this purpose, wherein the first approximate statements made under (I) and (II) to a second Approximation can be corrected. This has proven to be particularly necessary because the few time steps involved in such a heat treatment process can stretch for hours.
Wiederum wird zu Beginn des Verfahrens durch den Ofen ein Temperaturschritt TH (o) angelegt und nach unregelmässigem Einschwingen von Tin (t) die Uebertemperatur AT(o) und die für die Absorptionsfähigkeit charakteristische Temperaturanstiegsgeschwindigkeit v(o) gemessen. Im weiteren ist die Endtemperatur Um(2), ebenso wie die am Ende anzulegende Ofenkapazität TH(2) gegeben. Zudem ist bekannt, dass ab der Temperatur T5 die erwünschte Umkristallisation einsetzt und dass ab diesem Moment mit maximaler oder sonst gegebener Ofenkapazität entsprechend Ph (2) zu heizen ist.Again, at the beginning of the process through the oven there is a temperature step TH (o) is applied and after an irregular oscillation of Tin (t) the excess temperature AT (o) and the rate of temperature rise characteristic of the absorption capacity v (o) measured. Furthermore, the end temperature is Um (2), as is the one to be applied at the end Furnace capacity TH (2) given. It is also known that from the temperature T5 the desired Recrystallization sets in and that from this moment on with maximum or otherwise given Furnace capacity is to be heated according to Ph (2).
Da entsprechend der zur Verfügung stehenden oder vorgegebenen Ofenkapazität TH(2) während einer relativ langen Zeit von beispielsweise 30 Minuten mit dieser Leistung zu heizen sein wird, um ab T5 möglichst rasch T (2) zu m erreichen, wird vorerst eine noch unbestimmte Anzahl kleiner Zeitintervalle AT, gemäss Fig. 3 festgelegt.Because according to the available or specified furnace capacity TH (2) for a relatively long time, for example 30 minutes with this power will have to be heated in order to start T (2) as quickly as possible from T5 m, an as yet undetermined number of small time intervals AT, determined according to FIG. 3.
Entsprechend der in Fig. 3 rückwärts eingetragenen Numerierung k der Zeitabschnitte gleicher Länge AT wird nun gemäss der in zweiter Näherung korrigierten Bedingung (I): für jeden dieser Zeitabschnitte die Geschwindigkeit vk berechnet.Corresponding to the numbering k entered backwards in Fig. 3 of the time segments of the same length AT, according to the condition (I) corrected in a second approximation: the speed vk is calculated for each of these time segments.
Die Skalierung des rechten Faktors wird vorzugsweise wie folgt bestimmt. Aus dT v(o) = (5) dt wird dT 2 dTE als Temperatureinheit gewählt, dt = dt E als Zeiteinheit sowie v(o) 3 VE als Geschwindigkeitseinheit. Somit werden die Skalierungsgrössen vorzugsweise zu Sv = 1 (6) v(o) ST = 1/dTE gewählt.The scaling of the right factor is preferably determined as follows. From dT v (o) = (5) dt, dT 2 dTE is selected as the temperature unit, dt = dt E as Time unit and v (o) 3 VE as a speed unit. Thus, the scaling quantities preferably chosen to be Sv = 1 (6) v (o) ST = 1 / dTE.
Die Geschwindigkeit vk wird nun so lange berechnet, bis gilt: = minimal und grösser Null (7) d.h. bis der Stützwert Ts möglichst exakt von oben her erreicht wird. Daraus resultiert die Anzahl vorzusehender Schritte x.The speed vk is calculated until the following applies: = minimum and greater than zero (7), ie until the reference value Ts is reached as precisely as possible from above. This results in the number of steps x to be provided.
In Fig. 3 ist x = 4 dargestellt. Bei x = 5 würde die Bedingung (7) bereits nicht mehr erfüllt.In Fig. 3, x = 4 is shown. With x = 5 the condition (7) already no longer fulfilled.
Nun wird gemäss die mittlere Geschwindigkeit v(2) im Zeitabschnitt '2' der Gesamtlänge x AT berechnet.Now is according to the mean speed v (2) in the time segment '2' of the total length x AT is calculated.
Die Länge dieses Zeitabschnittes ist in Fig. 3 als At 2 bezeichnet und ergibt sich zu #t2 = x.## (9) Da im hier beschriebenen Fall lediglich zwei eigentliche Ofenansteuerungszeiträume vorgesehen sind, entsprechend n - 2, müssen noch-die Verhältnisse im mittleren Zeitabschnitt '1' bestimmt werden. Am einfachsten erfolgt dies wie folgt: Man geht davon aus, dass sich die Zeitabschnitte At2 zu Atl so verhalten müssen, wie die in den jeweiligen Zeitabschnitten zu absorbierenden Energien, d.h. es wird im Zeitabschnitt Nr. 1 eine der mittleren für den Zeitabschnitt Nr. 2 errechneten Geschwindigkeiten v(2) entsprechende Geschwindigkeit angenommen. Dann ergibt sich für die Anzahl y der Zeitschritte der Länge AT im mittleren Abschnitt Nr. 1 Vorzugsweise wird der errechnete Wert T'S und nicht der zu erreichende T eingesetzt. Aus (10) ergibt sich die gesuchte Schrittzahl y.The length of this time segment is designated in FIG. 3 as At 2 and results from # t2 = x. ## (9) Since in the case described here only two actual furnace control periods are provided, corresponding to n - 2, the conditions in middle time segment '1' can be determined. The easiest way to do this is as follows: It is assumed that the time segments At2 to Atl must behave in the same way as the energies to be absorbed in the respective time segments, i.e. in time segment No. 1 it becomes one of the middle for time segment No. 2 calculated speeds v (2) corresponding speed assumed. Then the number y of time steps of length AT results in the middle section No. 1 The calculated value T'S and not the T to be achieved is preferably used. The number of steps y sought results from (10).
Nun wird Formel (II) resp. (2,n) in zweiter Näherung präzisiert, wie folgt angewendet: wobei gilt: #Tm(2)={TH (2) -ET (2) }-{TH(l)-AT(l)} =fTH (2)-#T(2)}-{TH (s1)-AT(s')} H und analog für AT (1).Now formula (II) resp. (2, n) specified in a second approximation, applied as follows: where: #Tm (2) = {TH (2) -ET (2)} - {TH (l) -AT (l)} = fTH (2) - # T (2)} - {TH (s1) -AT (s')} H and analogously for AT (1).
m Ausdruck (11) sagt aus, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Materiephase und den Heiz- resp. Abkühlorganen, am Ende eines betrachteten Zeitabschnittes umgekehrt proportional zur Sehnenlänge e zwischen der Materietemperatur zu Beginn und am Ende dieses Abschnittes ist, im Temperatur-Zeit-Diagramm betrachtet sowie proportional ist zur Länge des betrachteten Zeitabschnittes. m Expression (11) says that the temperature difference between the Matter phase and the heating resp. Cooling organs, at the end of an observed period of time vice versa proportional to the chord length e between the matter temperature at the beginning and at the end of this section is, viewed in the temperature-time diagram, as well as proportional is the length of the period under consideration.
Dabei ist AT (2) die im Zeitabschnitt 2, AT (1) die im In In Abschnitt 1 absorbierte Energie, die dem Temperaturunterschied zwischen Ts und X (o) entspricht. Die Skalierungs-5 grösse ergibt sich nach der eingeführten Konvention zu: S t dazu Aus (11) wird AT(l) bestimmt, womit die Ofentemperatur T (1) aus T (1) = T'+AT(l) im mittleren Abschnitt 1 ge-H 5 geben ist.AT (2) is that in time segment 2, AT (1) that in In In segment 1 absorbed energy, which corresponds to the temperature difference between Ts and X (o). The 5 scaling size results from the introduced convention: S t in addition From (11) AT (l) is determined, with which the furnace temperature T (1) from T (1) = T '+ AT (l) in the middle section 1 ge-H 5 is given.
Es versteht sich von selbst, dass je nach den Erwägungen bezüglich des Verhältnisses Einsparungen/Aufwand die dargestellten Methoden kombiniert werden können.It goes without saying that depending on the considerations regarding of the savings / effort ratio, the methods presented are combined can.
Das dargestellte Verfahren beruht zusammenfassend also darauf, dass zu Beginn das charakteristische Absorptionsverhalten der Wärme der zu behandelnden Materiephase ermittelt wird, und dass unter Berücksichtigung von (I) und (II) der optimal zu durchfahrende Absorptionsweg in der Zeit mit den entsprechend erforderlichen Energiezufuhren berechnet wird, derart, dass erwünschte Endverhältnisse und/oder Zwischenverhältnisse erreicht werden.In summary, the method shown is based on the fact that at the beginning the characteristic absorption behavior of the heat to be treated Matter phase is determined, and that taking into account (I) and (II) of the optimal absorption path to be traversed in time with the correspondingly required Energy supplies is calculated in such a way that desired final ratios and / or Intermediate ratios can be achieved.
Eine weitere Verfeinerung des Verfahrens ergibt sich nun dadurch, dass während der eigentlichen Verfahrensausführung d.h. während die vorgängig berechneten Grössen für die Ofensteuerung bereits angewendet werden, laufend die sich einstellenden IST-Verhältnisse T (t)sind, mit den vorausberechneten SOLL-Verhältnissen verglichen werden, um jeweils die Rückwärtsrechnung derart wieder vorzunehmen, dass die sich in Realität einstellenden IST-Verhältnisse als neue Vorgaben verwendet und daraus laufend korrigierte Steuerdaten errechnet werden. Es ergibt sich damit praktisch ein adaptives Steuer- resp. Regelverfahren, indem in erster Phase eine Systemidentifikation zu Beginn des Verfahrens erfolgt, daraus eine erste Näherungssteuerfunktion in Form der schrittweise notwendigen Energiezufuhren entsprechend TH errechnet wird, die Energiezufuhr entsprechend diesen errechneten Werten real gesteuert wird, dann beobachtet wird, wie genau das System der berechneten Hypothese folgt, um aus beobachteten Abweichungen die vorgängig errechneten Steuergrössenlaufend anzupassen. Das vorgeschlagene Verfahren kann grundsätzlich überall eingesetzt werden, wo es gilt, Materiephasen zu erwärmen oder abzukühlen. Die resultierenden Einsparungen rechtfertigen aber den getriebenen Aufwand vor allem bei derartigen Grossanlagen, wie für die Durchlaufwärmebehandlung von Metallen, unter Einsatz von Rechnern resp. Mikrocomputern.A further refinement of the procedure now results from that during the actual execution of the procedure i.e. during the previously calculated parameters for the furnace control are already used, the actual ratios T (t) that are established are continuously with the ones calculated in advance TARGET ratios are compared to each time the backward calculation in this way again to ensure that the actual conditions that arise in reality are used as new specifications are used and continuously corrected tax data are calculated from this. It results practically an adaptive tax resp. Control procedure by first Phase a system identification takes place at the beginning of the procedure, from this a first one Proximity control function in the form of the gradually necessary energy supplies TH is calculated, the energy supply is real according to these calculated values is controlled, then it is observed how accurately the system of the calculated hypothesis follows in order to continuously calculate the previously calculated tax values from observed deviations adapt. The proposed method can in principle be used anywhere where it is a matter of heating or cooling phases of matter. The resulting savings but justify the effort, especially with such large systems, as for the continuous heat treatment of metals, using computers, respectively. Microcomputers.
Bereits grobe Vorausberechnungen, wie sie anhand von Fig. 3 dargestellt worden sind, ohne das System während der eigentlichen Steuerungsphase zu beobachten und die Steuergrössen anzupassen, ergeben wesentliche Energie-und Zeiteinsparungen gemäss ersten Erfahrungswerten bis über 50% Leistungseinsparung.Already rough pre-calculations, as shown with reference to FIG. 3 without observing the system during the actual control phase and adapting the control parameters result in significant energy and time savings According to initial experience, up to more than 50% power savings.
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