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Adaptive Bahnzugregelung
Viele Produkte müssen zur Bearbeitung auf- und/oder abgewickelt werden. Oft hat die Zugkraft im zu bearbeitenden Gut einen wichtigen Einfluss auf die Produktionsqualität und wird darum mit einer Regelung konstant gehalten. Während dem Auf- oder Abwickeln verändert sich das Gewicht der Rollen um einen Faktor 10 bis 100. Dies führt zu einer entsprechenden Veränderung der Dynamik des Systems und darum zu einem sehr anspruchsvollem Regelproblem.
Abb. 1: adaptiver Bahnregler
Für jedes auf der Maschine zu bearbeitende Produkt müssen in zeit- und materialaufwendigen Versuchen die Regelparameter bestimmt werden. Dabei muss der Regler natürlich über den ganzen Betriebsbereich stabil sein, aber auch genügend schnell auf Störungen reagieren können. Im Rahmen eines KTI-Projektes wurde ein Regler entwickelt, der die Reglerparameter vor dem Produktionsbeginn selber bestimmen kann (Autotuning) und sie während der Produktion den sich verändernden Bedingungen anpasst (Adaption).
Die Adaption ist eine sehr heikle Aufgabe, da das Bahnzugmesssignal aufgrund von unrunden Rollen und Vibrationen sehr stark verrauscht ist. Die Regelgüte wird überwacht, damit im Falle einer fehlgeschlagenen Adaption auf einen stabilisierenden Backupregler umgeschaltet werden kann. Der Regelalgorithmus wurde in der Reglerserie einer Firma implementiert und wird nun im Produkteangebot verkauft. Zur Zeit wird der Regler auf drei Anlagen erfolgreich eingesetzt.
Der Weg verschiedener Produktionsanlagen wurden analysiert und mittels dynamischer Modelle unterschiedlicher Komplexität modelliert. In umfangreichen Simulationen wurde abgeklärt, welche Art von Autotuning und Adaption für das vorliegende Problem geeignet ist. Damit wurden Methoden von den einfachen Schrittantwortverfahren über Relaistuning bis zu Identifikationsmethoden für den geschlossenen Regelkreis getestet. Es zeigte sich, dass mit einem parametrischen Modell geeigneter Ordnung die Regelstrecke am besten identifiziert werden kann. Dies gilt sowohl für das Autotuning im Stillstand der Anlage als auch für Adaption des offenen Regelkreises während dem Betrieb. Wesentlich für den Erfolg der Identifikationen ist eine der Dynamik des Systems genau angepasste Abtastzeit.
Abb. 2: Verlauf der Inbetriebnahme einer Bahnzugregelung
Anregungsmuster und Prozessführung wurden in Hinblick auf die Modellidentifikation optimiert. Mittels adaptiver Filtertechniken kann der sehr ungünstige Einfluss periodischer Störungen auf die Modellidentifikation minimiert und auch die Regelgüte deutlich verbessert werden. Der adaptive Regler wurde an einer Versuchsanlage bei FMS und an Industrieanlagen getestet. Die vielversprechenden Resultate führten zum Entscheid, die Entwicklung bis zu einem kommerziellen Produkt weiter zu führen. Die Berechnungen für Autotuning und Adaption wurden in einem DSP implementiert. Die Regelung und Bedienung erfolgt mit einem Microcontroller.
Abbildung 2 zeigt einen typischen Verlauf einer Inbetriebnahme einer Bahnzugregelung. Solche Inbetriebnahmen müssen z.B. nach einem Produktwechsel durchgeführt werden. Das Autotuning wird im Stillstand der Anlage durchgeführt. Danach wird die Anlage angefahren. Es treten starke Störungen aufgrund der Unrundheit des Wickels auf. Oft werden Resonanzfrequenzen durchlaufen, wie sie in diesem Beispiel nach dem Anfahren sichtbar sind. In der Graphik ist das ungefilterte Signal rot eingezeichnet.
Deutlich ist zu erkennen, dass das Filter beim Anfahren Störungen dämpft. Aufgrund der Veränderung der Störungsfrequenzen können im folgenden die Störungen nicht mehr optimal gefiltert werden. Die Störungen werden im Regelkreis zurückgeführt und dadurch noch verstärkt. Für die nun folgende Adaption führen diese Resonanzschwingungen dazu, dass die Anregung für die Regleradaption relativ heftig ausfallen, weil für eine sinnvolle Adaption ein genügend grosses Signal-Rausch-Verhältnis garantiert sein muss. Durch die adaptive Filtertechniken können nun Störungen wieder in den Griff bekommen werden.
Wie im Beispiel ersichtlich ist, führt der adaptierte Filter zu einer besseren Störungsunterdrückung. Aus den Versuchen an einer Modellanlage, aber insbesondere durch Hardware-in-the-loop Simulationen, konnten wesentliche Erkenntnisse zur Optimierung des adaptiven Regler gewonnen werden. Bei Hardware-in-the-loop Simulationen wird die zu regelnde Anlage mit einem Rechner simuliert. Dies erlaubt ein effizientes Testen des adaptiven Reglers für verschiedenste Anlagentypen und Störungen. Somit können die Grenzen der Funktionsfähigkeit des Reglers auf einfache Art und Weise erkundet werden und die Software mit Bedienerführung getestet werden.
E-Mail: juerg.keller1@fhnw.ch
