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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur adaptiven Regelung eines Induktionserwärmungs-
oder Plasmaprozesses, sowie einen Regelkreis zur Durchführung des
Verfahrens.
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Die
induktive Erwärmung
ist ein gängiges
industrielles Verfahren, bei dem ein Werkstück in einer Spule, dem sogenannten
Induktor, durch induzierte Ströme
erhitzt wird. Dabei kommen Arbeitsfrequenzen (Anregungsfrequenz,
Frequenz des Wechselsignals) im Bereich von einigen 10 kHz bis zu
einigen MHz zum Einsatz. Die Induktoranordnung, die den eigentlichen
Induktor sowie weitere Impedanzen, wie parallel geschaltete Kondensatoren,
umfassen kann, ist oft vom eigentlichen Generator abgesetzt.
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Die
Oberflächenbehandlung
von Werkstücken
mit Hilfe von Plasma ist ein anderes industrielles Verfahren, bei
dem in einer Plasmakammer ein Plasma mit Gleichstrom oder mit einem
hochfrequenten Wechselsignal mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich
von einigen 10 kHz bis in den GHz-Bereich erzeugt wird. In dieser
Anmeldung sind Hochfrequenz-Plasmaprozesse im Frequenzbereich zwischen
einigen 10 kHz und einigen 100 MHz gemeint.
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Plasmakammer
und Induktor werden über weitere
elektronische Bauteile, wie Spulen, Kondensatoren oder Transformatoren,
an den Hochfrequenzgenerator angeschlossen. Diese weiteren Bauteile
können
Schwingkreise, Filter oder Impedanzanpassungsschaltungen darstellen.
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Dem
Induktionserwärmungs-
und dem Plasmaprozess ist das Problem gemein, dass die elektrische
Lastimpedanz der Induktoranordnung beziehungsweise der Plasmakammer,
die während
des Prozesses auftreten, stark variiert. Bei der induktiven Erwärmung ändert sich
die Lastimpedanz der Induktoranordnung, wenn das Werkstück in den
Induktor eingeführt
wird, und weiter, wenn sich die elektrischen und magnetischen Eigenschaften
des Werkstücks
durch die Erwärmung
wandeln. Beim Plasmaprozess hängt
die Lastimpedanz stark von den Zuständen in der Plasmakammer ab.
Insbesondere gehen die Eigenschaften von Werkstück, Elektroden und Gasverhältnissen
ein. Daher müssen
der Hochfrequenzgenerator und eine möglicherweise vorhandene Impedanzanpassungsschaltung
geregelt werden.
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Außerdem lassen
sich bei Kenntnis der Lastimpedanz Rückschlüsse auf das erhitzte Werkstück beziehungsweise
auf den Fortschritt des Plasmaprozesses und auf notwendige Wartungsmaßnahmen ziehen.
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Eine
solche sich verändernde
Lastimpedanz stellt einen Teil einer Regelstrecke dar. Dies bedeutet,
dass die Regelstrecke sich in Abhängigkeit von der Lastimpedanz ändert. Eine
Regleroptimierung setzt jedoch in der Regel voraus, dass die Regelstrecke
bekannt ist.
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Regler
werden im Allgemeinen so parametriert, dass sie möglichst
bei allen Einsatzbedingungen ein akzeptables Regelverhalten besitzen.
Dazu zählen
zum Beispiel ausreichende Stabilität und Regelgeschwindigkeit.
Wenn sich die Einsatzbedingungen jedoch ändern, müssen häufig Kompromisse eingegangen
werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen,
mit dem eine schnelle und besonders genaue Regelung eines Induktionserwärmungs-
oder Plasmaprozesses ermöglicht
wird.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
ein Verfahren zur adaptiven Regelung eines Induktionserwärmungs-
oder Plasmaprozesses, mit den Verfahrensschritten:
- a. Bestimmung einer Regelstrecke,
- b. Definition eines Modells der Regelstrecke,
- c. Bestimmen von Regelstreckenparametern,
- d. Anpassen des Modells anhand der Regelstreckenparameter,
- e. Bestimmen von Reglerparametern anhand des angepassten Modells
der Regelstrecke,
- f. Anpassen des Reglers anhand der Reglerparameter.
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Die
Parametrierung des Reglers ist entscheidend für das Regelverhalten. Die Regelparameter wiederum
hängen
von der Regelstrecke und damit auch von der Lastimpedanz ab. Ändert sich
also die Regelstrecke, zum Beispiel durch prozessbedingte Änderungen
der Lastimpedanzparameter, müssen auch
die Regler angepasst werden, um ein optimales Regelverhalten zu
erzielen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Regelstreckenparameter
ermittelt werden. Als Grundlage der Ermittlung, insbesondere der
Berechnung, kann ein allgemeines mathematisches Modell eines Induktionserwärmungsgenerators
oder Plasmagenerators und der Lastimpedanz dienen. Wenn demnach
erkannt wird, dass sich die Regelstrecke verändert hat, so können ausgehend
von den erkannten Änderungen
der Regelstrecke auch die Parameter des Modells verändert werden,
so dass wiederum der Regler angepasst werden kann, um eine optimale
Regelung der Regelstrecke zu ermöglichen
oder Erkenntnisse über
den Prozess zu gewinnen.
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Es
kann ein Istwert ermittelt werden und dem Regler der Istwert, beziehungsweise
eine korrespondierende Größe, sowie
ein Sollwert zugeführt
werden. Aufgrund eines Vergleichs des Istwerts mit dem Sollwert
kann der Regler eine Reglerausgangsgröße ermitteln, die einem Steller
zugeführt
wird, der daraus eine Stellgröße ermittelt,
die wiederum einem Stellglied der Reglerstrecke zugeführt werden
kann. Dadurch kann der Sollwert durch den Istwert gut erreicht werden.
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Gemäß einer
Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die Regelstrecke einen
Wechselrichter umfasst und als Regelstreckenparameter mindestens
die Wechselrichterausgangsspannung und/oder der Wechselrichterausgangsstrom
ermittelt werden. Diese Größen können entweder
direkt gemessen oder aufgrund der Messung anderer Größen ermittelt
werden. Vorzugsweise werden interne Größen des Induktionsgenerators
oder Plasmagenerators (= Leistungsversorgung) gemessen. Insbesondere
können
diese gemessenen oder ermittelten Werte als Eingangsgrößen für das Modell
der Regelstrecke verwendet werden.
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Eine
noch bessere Anpassung des Modells kann erfolgen, wenn auch die
zeitliche Ableitung der Wechselrichterausgangsspannung und/oder
des Wechselrichterausgangsstroms ermittelt werden und bei der Anpassung
des Modells berücksichtigt
werden.
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Besondere
Vorteile ergeben sich, wenn das Bestimmen von Regelstreckenparametern,
das Anpassen des Modells anhand der Regelstreckenparameter, das
Bestimmen von Reglerparametern anhand des angepassten Modells der
Regelstrecke sowie das Anpassen des Regler anhand der Reglerparameter
mit einer Frequenz wiederholt werden, die zumindest 4 mal, besser
8 mal, noch besser 16 mal so hoch wie die Frequenz des durch einen
Wechselrichter der Regelstrecke erzeugten Wechselsignals ist. Dadurch
ist es möglich,
insbesondere unter Einsatz schneller Digitaltechnik und schneller
Analog-Digital-Wandler, Signale zeitlich so hoch auflösend zu ermitteln
und weiter zu verarbeiten, dass die Reglerparameter innerhalb eines
Bruchteils einer Halbwelle der Arbeitsfrequenz der Generatoren bestimmt
werden können.
Dadurch ergibt sich eine sehr genaue Regelung.
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Die
Berechnungen werden besonders einfach, wenn die Abtastrate der Signale
und/oder die Wiederholrate der Modellanpassung ein Vielfaches der
Arbeitsfrequenz sind.
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Das
Modell kann Induktivitäten,
Kapazitäten und/oder
Wirkwiderstände
nachbilden, wie sie als Lastimpedanz und möglicherweise vorhandene weitere elektronische
Bauteile real vorliegen. Die Werte der Induktivitäten, der
Kapazitäten
und/oder der Wirkwiderstände
können
berechnet werden. Außerdem können diese
berechneten Werte angezeigt und/oder ausgegeben werden. Durch die
Anpassung der Modellparameter erhält man Aussagen über die
Größen der
in diesem Modell benutzten Parameter. Diese Ergebnisse können dann
zur Prozessanalyse und Prozessführung
genutzt werden. Zu dem zu ermittelnden Größen können zum Beispiel im Fall von
Schwingkreisumrichtern die Induktivitäts-, Kapazitäts- und Widerstandswerte
des Schwingkreises zählen.
Diese hängen
neben der aktuellen Schwingkreisbestückung vom jeweiligen Prozess
und vom aktuellen Prozesszustand ab.
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Wie
oben bereits erwähnt,
ist es für
eine schnelle und akkurate Regelung vorteilhaft, wenn die Reglerparameter
innerhalb eines Bruchteils der Dauer einer Halbwelle eines von einem
Wechselrichter erzeugten Wechselsignals ermittelt werden.
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Besondere
Vorteile ergeben sich weiterhin, wenn ausschließlich Signale von leicht erreichbaren Messstellen,
insbesondere interne Signale eines Induktions- oder Plasmagenerators,
erfasst werden, aus denen die Regelstreckenparameter ermittelt werden.
Solche Signale werden häufig
ohnehin schon gemessen, so dass diese verwendet werden können, um
die Regelstrecke bzw. das Modell der Regelstrecke zu analysieren
und anzupassen.
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Die
Ermittlung von Reglerparametern kann deren Schätzung umfassen. Mit Hilfe von
Parameterschätzverfahren
können
Parameter errechnet werden, die messtechnisch nicht oder nur sehr
schwierig zu erfassen sind. Zu diesen Parametern zählen insbesondere
die Lastimpedanzparameter. Diese Parameter können dann benutzt werden, um
den Regler an die aktuelle Prozesssituation anzupassen und ein optimiertes
Regelverhalten zu erhalten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
können
Größen errechnet
werden, die messtechnisch nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand erfasst werden
können.
Auf diese Weise lassen sich mehr Informationen gewinnen als dies
bisher der Fall war, oder aber die Informationen können auf
günstigere
Weise als bisher zur Verfügung
gestellt werden. Dadurch wird auch die Auswertung von nicht zugänglichen
Größen, wie
beispielsweise dem Induktorstrom oder dem Strom durch die Plasmakammer,
möglich,
was eine Vielzahl von Überwachungsmöglichkeiten
in der Prozessführung eröffnet.
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Unterschiede
zwischen den im Modell errechneten und den gemessenen Größen stellen
einen Fehler dar, der dazu benutzt werden kann, mit Hilfe eines
Algorithmus zur Fehlerminimierung das Modell anzupassen und zu verfeinern.
Dadurch erhält
man zunehmend genauere Aussagen über
die Größen der
in dem Modell benutzten Parameter.
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Der
Algorithmus zur Fehlerminimierung kann unterschiedliche Regelgeschwindigkeiten
aufweisen. Während
beispielsweise zu Beginn eines Prozesses die Regelgeschwindigkeit
groß gewählt wird,
kann im weiteren Verlauf die Regelgeschwindigkeit kleiner gewählt werden
oder die Regelung gänzlich
abgeschaltet werden. Dadurch erhält
man im ersten Schritt ein passendes Modell des Prozesses, während man
im weiteren Verlauf auch geringe Abweichungen von diesem Modell
detektieren kann.
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Da
es nicht mehr nötig
ist, den Zustand der Lastimpedanz direkt am Induktor oder der Induktoranordnung,
beziehungsweise der Plasmakammer, zu messen, was oft schwierig oder
unmöglich
ist, sondern nun die Eigenschaften der Lastimpedanz einfacher bestimmt
werden können,
ist es damit möglich, Prozessparameter
zu beobachten. Beim Induktionsprozess können aus den für die Lastimpedanz
relevanten Regelstreckenparametern zum Beispiel Rückschlüsse auf
die Temperatur des Werkstücks, Veränderungen
in der Position des Werkstücks
oder der Materialeigenschaften des Werkstücks bestimmt werden. Auch zusätzliche Messungen,
beispielsweise eine Temperaturmessung mittels Pyrometer, kann gegebenenfalls
entfallen, wenn der Lastzustand aus den Regelstreckenparametern
bestimmt werden kann. Beim Plasmaverfahren können der Fortschritt des Ätz- oder
Beschichtungsprozesses oder der Zustand der Plasmakammer überwacht
werden. Allgemein können
Faktoren, die auf den Wert der Lastimpedanz einwirken, bestimmt
werden.
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In
den Rahmen der Erfindung fällt
außerdem ein
Regelkreis, umfassend eine Regelstrecke und einen zugeordneten Regler,
sowie einen Auswerteeinrichtung, in der das erfindungsgemäße Verfahren
implementiert ist. Beispielsweise können verschiedene Messwerte
erfasst, digitalisiert und der Auswerteeinrichtung zugeführt werden.
Die Auswerteeinrichtung kann als FPGA oder digitaler Signalprozessor
ausgebildet sein. In dieser Auswerteeinrichtung werden die benötigten Rechnungen
durchgeführt.
Die Auswerteeinrichtung kann Tabellen haben, in denen Schätzwerte,
insbesondere solche, die zu Anfang der Regelung verwendet werden
sollen, sowie die Werte für die
im Modell verwendeten Werte für
die Lastimpedanz und die weiteren elektronischen Bauelemente abgelegt
werden. Anfangsschätzwerte
können
abhängig
von der Ausführung
der Induktoranordnung, vom Werkstück oder von den Betriebsparametern der
Plasmakammer gewählt
werden.
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Die
Messwerte können
in der Auswerteeinheit gefiltert, fouriertransformiert oder abgeleitet
werden.
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Die
Ergebnisse dieser Rechnung werden dann benutzt, um optimierte Reglerparameter
zu errechnen, mit welchen der Regler neu parametriert wird. Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und dem erfindungsgemäßen Regelkreis
wird ein erheblich verbessertes Regelverhalten, insbesondere in Bezug
auf die Regelgeschwindigkeit, erzielt. Die Prozessführung und
Generatorüberwachung
wird verbessert.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung,
anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten
zeigt, sowie aus den Ansprüchen.
Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen
und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich
sichtbar gemacht werden können.
Die verschiedenen Merkmale können
je einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten
der Erfindung verwirklicht sein.
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In
der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Induktionserwärmungsanordnung;
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2 eine
HF-Plasmaprozessanordnung;
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3 ein
schematisches Blockdiagramm einer Regelung;
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4 ein
Blockdiagramm einer Regelstrecke.
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Die 1 zeigt
eine Induktionserwärmungsanordnung 40,
die eine Leistungsversorgung 30 mit einem Wechselrichter 31 umfasst.
An die Leistungsversorgung 30 ist über eine Induktivität 41 eine
Induktoranordnung 42 angeschlossen. Der Induktor 43 weist
eine Induktivität 33 und
einen Wirkwiderstand 36 auf. Der Wirkwiderstand 36 ist
kein separates Bauelement sondern stellt den variablen und vom Werkstück abhängigen Wirkstand
des Induktors 43 dar. Die Induktoranordnung 42 weist
weiterhin noch eine Parallelkapazität 34 auf.
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In
der Leistungsversorgung 30 ist eine Spannungsmessstelle 47 vorgesehen,
deren Messsignal an eine Auswerteeinrichtung 48 übergeben
wird. Weiterhin ist eine externe Strommessstelle 49 vorgesehen,
die jedoch auch intern in der Leistungsversorgung 30 angeordnet
sein könnte.
Eine weitere Messstelle 50 ist nach der Induktivität 41 angeordnet.
Die Messsignale der Messstellen 47, 49, 50 werden
an zugeordnete A/D-Wandler 51, 52, 53 der
Auswerteeinheit 48 übergeben.
Die Auswerteeinheit 48 kann in der Leistungsversorgung 30 integriert
sein. In der Auswerteeinheit 48 kann eine Tabelle 54 vorhanden sein,
in der Schätzwerte,
die zu Anfang der Regelung verwendet werden sollen, sowie im Modell
verwendete Werte für
die Lastimpedanz und weitere elektronische Bauelemente abgelegt
sein können.
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Die
Auswerteeinrichtung 48 kann als digitaler Signalprozessor
ausgebildet sein, der anhand des Modells 55 Berechnungen
ausführen
kann. Die Auswerteeinrichtung 48 steht weiterhin mit einer
Anzeigeeinrichtung 21 in Verbindung, durch die ermittelte Regelstreckenparameter
angezeigt werden können.
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Die 2 zeigt
eine HF-Plasmaprozessanordnung 60, die eine Leistungsversorgung 30 mit
einem Wechselrichter 31 umfasst. Die Leistungsversorgung 30 ist über eine
Induktivität 41 und
eine Kapazität 46 sowie
einen Übertrager 61 mit
einer Plasmakammer 62 verbunden. Die Lastimpedanz der Plasmakammer 62 ist
in der 2 durch einen Serieschwingkreis 63 mit
Induktivität 64 und
Kapazität 65 sowie
einem parallelen Wirkwiderstand 66 dargestellt. Das Modell
der Lastimpedanz könnte
jedoch auch komplizierter sein, insbesondere negative Wirkwiderstände oder
nicht lineare, d. h. spannungs- oder stromabhängige Impedanzen aufweisen.
Alle diese Impedanzen werden in der Auswerteeinheit 48 moduliert.
Auch bei der HF-Plasmaprozessanordnung 60 der 2 sind
eine interne Spannungsmessstelle 47, eine Strommessstelle 49 und
eine weitere Messstelle 50 vorgesehen. Die Signale der
Messstellen 47, 49, 50 werden in A/D-Wandlern 51 bis 53 digitalisiert.
Die digitalisierten Signale werden in der Auswerteeinheit 48 weiterverarbeitet.
Ermittelte Parameter können über die
Anzeigeeinrichtung 21 angezeigt werden. Durch die Auswerteeinrichtung 48 können Parameter
für die
Impedanzen 41, 46, den Übertrager 61, der
eine Streuinduktivität
aufweisen kann, sowie die Bauelemente der Plasmakammer 62 ermittelt werden.
Auch bei der Ausführungsform
der 2 kann die Auswerteeinrichtung 48 in
der Leistungsversorgung 30 angeordnet sein.
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Eine
Regelung ist in den 1, 2 nicht dargestellt,
wird jedoch anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Die dort beschriebene
Regelung ist in den Anordnungen 40, 60 implementiert.
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In
der 3 ist eine Regelung 10 gezeigt. Einem
Regler 11 wird ein Sollwert w zugeführt. Dieser wird in einem Vergleichsglied 12 mit
einer Rückführgröße r verglichen,
wobei die Rückführgröße r von
einer Messeinrichtung 13 stammt, die eine Regelgröße x am
Ausgang einer Regelstrecke 14 misst. Die Regeldifferenz
e wird einem Regelglied 15 zugeführt, welches eine Reglerausgangsgröße u ermittelt
und diese einem Steller 16 zuführt. Der Steller 16 ist
Bestandteil einer Stelleinrichtung 17, die weiterhin ein Stellglied 18 aufweist.
Das Stellglied 18 ist bereits Bestandteil der Regelstrecke 14.
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Bei
der vorliegenden Erfindung sind die Parameter der Regelstrecke 14 nicht
konstant sondern veränderlich.
Dies liegt insbesondere an dem sich ständig ändernden Wert der Lastimpedanz
der Regelstrecke 14. Daher werden Größen der Regelstrecke 14 gemessen
und einer Parameterschätzeinrichtung 19 zugeführt. Anhand
der gemessenen Größen werden
in der Parameterschätzeinrichtung 19 Regelstreckenparameter
bestimmt. Diese können
beispielsweise unmittelbar aus den Messwerten ermittelt werden,
berechnet werden oder geschätzt
werden, wobei die Schätzung
auf den gemessenen Werten basiert. In der Parameterschätzeinrichtung 19 isst
ein Modell 20 der Regelstrecke 14 abgelegt. Anhand
der bestimmten Regelstreckenparameter wird das Modell 20 angepasst.
Anhand des angepassten Modells werden Regelparameter bestimmt, die
wiederum dem Regler 11 zugeführt werden, sodass der Regler 11 anhand
der Reglerparameter angepasst werden kann. Aufgrund der in der Parameterschätzeinrichtung 19 ermittelten
Regelstreckenparameter, die im Übrigen
durch die Einrichtung 21 angezeigt werden können, können Rückschlüsse auf
den zu regelnden Prozess gezogen werden. Beispielsweise können dadurch
Informationen über
eine Lastimpedanz, die Bestandteil der Regelstrecke 14 ist,
getroffen werden. Wenn durch die Regelung 10 ein Induktionsprozess
geregelt wird, kann beispielsweise die Temperatur des Induktors
bzw. der Lastimpedanz ermittelt werden. Im Falle eines Plasmaprozesses
kann beispielsweise die Position des Werkstücks innerhalb einer Plasmakammer
ermittelt werden.
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In
der 4 ist beispielhaft eine Regelstrecke 14 schematisch
dargestellt. Die Regelstrecke 14 umfasst teilweise einen
Generator bzw. eine Leistungsversorgung 30. Die Leistungsversorgung 30 umfasst
einen Wechselrichter 31, an den in diesem einfachen Fall
ein Schwingkreis 32 angeschlossen ist. Der Schwingkreis 32 umfasst
die Induktivität 33 eines
Induktors 43, den Wirkwiderstand 36 des Induktors 43 und
einen Kondensator 34. Über
den Induktor 43 kann eine Induktionserwärmung durchgeführt werden.
Weiterhin ist in der Regelstrecke 14 ein Werkstück 35 vorgesehen,
das die Lastimpedanz des Induktors 43, das heißt seine
Induktivität 33 und seinen
Wirkwiderstand 36, beinflusst. Außerhalb der Regelstrecke 14 ist
der Regler 11 angeordnet, der jedoch Bestandteil der Leistungsversorgung 30 sein kann.