Moving horizon state estimator for a continuous strip annealing furnace

Abstract

In dieser Arbeit wird das Temperaturprofil im Inneren eines kontinuierlichen Bandglühofens geschätzt. Das Band wird durch den Ofen befördert und wird dabei erwärmt um die geforderte Qualität des Stahlprodukts zu erreichen. Die Dynamik der Bandtemperatur lässt sich durch eine partielle Differenzialgleichung beschreiben. Die Stahlbänder haben eine zeitvariante, unbekannte Emissivität. In dieser Arbeit wird ein Moving Horizon Estimator (MHE) vorgeschlagen, um Prozessvariablen des Bandglühofens zu schätzen. Zunächst wird der Beobachterentwurf an Hand eines vereinfachten, horizontalen Ofens an Hand von repräsentativen Szenarien erprobt. Der vereinfachte Ofen hat dieselbe Transportcharakteristik wie das Stahlband im industriellen Bandglühofen. Anschließend wird der Beobachter auf das Modell eines industriellen Bandglühofen angewandt. Der Effekt von verschiedenen Designparametern wird untersucht. Simulationsergebnisse zeigen, dass der MHE Ansatz in repräsentativen Szenarien besser arbeitet als ein erweitertes Kalmanfilter (EKF) oder ein ad-hoc Parameterschätzer.

In this work, the temperature profile inside a continuous annealing furnace for steel strips is estimated. The steel strips move through the furnace and are heated to a desired temperature to achieve the desired product quality. The dynamic behavior of the strip temperature is governed by a hyperbolic partial differential equation (PDE). Moreover, the strip is characterized by a time-variant, unknown strip emissivity. This work proposes a Moving Horizon Estimator (MHE) for the estimation of the current strip temperature profile within the continuous annealing furnace. First, the MHE design is tested by applying it to a simplified horizontal furnace using several different scenarios. The simplified furnace captures the transport reaction dynamics of the continous strip annealing furnace. Second, the MHE design is applied to an full grown model of an industrial continous strip annealing furnace. The effect of several design decisions is analyzed. Simulation results show that the proposed observer design performs better than an Extended Kalman Filter (EKF) and an ad-hoc parameter estimator introduced in prior work for representative test scenarios.