Sensorless Temperature Control in a Metal Forming Process

Titel in Übersetzung: Sensorlose Temperaturregelung in einem Metallumformprozess

Patrick Löbl

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

Bei der Umformung metallischer Proben hat deren Temperatur maßgeblichen Einfluss auf den Umformprozess und die sich einstellenden Eigenschaften. Die Probentemperatur im Werkzeug kann jedoch kaum direkt durch physische Sensoren gemessen werden, was auch deren Regelung erschwert. Sensorlose Temperaturregelung mithilfe virtueller Sensoren ist eine Lösung für dieses Problem und zusätzlich aufgrund der geringen Kosten und einfachen Anpassung sehr attraktiv für Umformprozesse. Die zur Modellierung eines virtuellen Sensors benötigten Input-Output-Daten stehen zudem oft bereits aus Finite-Elemente Simulationen zur Verfügung. Diese weisen insbesondere mit variablen Zeitinkrementen große Kosten- und Zeitersparnisse gegenüber realen, mit Experimenten verbundenen Messungen auf. Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, eine sensorlose Temperaturregelung für einen speziellen Umformprozess zu entwickeln, welche auf einem virtuellen Sensor zur Abschätzung der Probentemperatur basieren soll und so die Notwendigkeit einer direkten, physischen Messung eliminiert. Der virtuelle Sensor soll durch ein dynamisches Modell verwirklicht werden. Zur Modellierung stehen Input-Output Temperaturdaten mit ungleichmäßigen Sampling-Intervallen aus Finite-Elemente Simulationen der Probe zur Verfügung, zur Validierung gleichmäßige abgetaste Messdaten. Die zentralen Forschungsfragen sind die Modellierung von Systemen auf Basis von Input-Output-Daten mit variablen Sampling Intervallen und die Entwicklung einer geeigneten sensorlosen Regelung der Probentemperatur für einen Umform-Prüfstand. Um diese zu erfüllen, wurde eine Methodik zur Modellbildung aus der Literatur abgeleitet und eine Methode zur Systemidentifikation mit Global Least Squares numerisch realisiert und angewandt. Als Regler wurden PID und Model Predictive Control evaluiert, die Umsetzung erfolgte mittels PID-Regelung. Die Ergebnisse wurden simuliert und experimentell validiert. Eine sensorlose Temperatursteuerung wurde erfolgreich an dem Equal Channel Angular Pressing (ECAP) Prüfstand am Lehrstuhl für Umformtechnik der Montanuniversität Leoben zur Anwendung gebracht. Der Einsatz der Systemidentifikation mit Global Least Squares hat sich bei Modellen in Zustandsraumdarstellung mit definierter Struktur sowohl für Input-Output-Daten mit gleichmäßigen als auch ungleichmäßigen Abtastintervallen bewährt. Mithilfe der entwickelten Steuerung konnte die Aufheizzeit am Prüfstand auf 30% der im Betrieb ohne Steuerung benötigten Zeit reduziert werden. Eine finale, konstant bleibende Sollwertabweichung von kleiner 1% wurde ebenfalls durch die Steuerung ermöglicht, wogegen im Betrieb ohne Steuerung die Probentemperatur nur für 100 - 150 s konstant gehalten werden konnte und mit weitaus größeren Abweichungen zu rechnen war.
Titel in ÜbersetzungSensorlose Temperaturregelung in einem Metallumformprozess
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Rath, Gerhard, Mitbetreuer (intern)
  • O'Leary, Paul, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung22 Okt. 2021
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2021

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Systemidentifikation
  • Regelungstechnik
  • Virtuelle Sensoren
  • Sensorlose Regelung
  • Daten mit ungleichmäßigen Sampling-Intervallen
  • PID Regelung
  • Model Predictive Control

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