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at - Automatisierungstechnik

Methoden und Anwendungen der Steuerungs-, Regelungs- und Informationstechnik

[AT - Automation Technology: Methods and Applications of Control, Regulation, and Information Technology
]

Editor-in-Chief: Jumar, Ulrich


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ISSN
2196-677X
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Volume 65, Issue 5

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Modellordnungsreduktion, Beobachterentwurf und Sensorplatzierung für einen Infrarot-Glühofen

Model reduction, observer design and sensor placement for an infrared annealing furnace

Florian Rötzer
  • Corresponding author
  • Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik, TU Wien, Gußhausstraße 27–29/E376, Wien Austria
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/ Lukas Jadachowski
  • Christian Doppler Labor für modellbasierte Prozessregelung in der Stahlindustrie, Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik, TU Wien, Wien Austria
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/ Andreas Kugi
  • Christian Doppler Labor für modellbasierte Prozessregelung in der Stahlindustrie, Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik, TU Wien, Wien Austria
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Published Online: 2017-05-03 | DOI: https://doi.org/10.1515/auto-2016-0119

Zusammenfassung

Der Beitrag beschäftigt sich mit dem Beobachterentwurf für die zweidimensionale Temperaturverteilung einer Stahlprobe in einem experimentellen Glühofen. In einem ersten Schritt werden drei unterschiedliche Ansätze zur finit-dimensionalen Approximation der quasilinearen partiellen Differentialgleichung hinsichtlich Modellordnung und Genauigkeit miteinander verglichen. Auf Basis des mit dem POD-Verfahren (Proper Orthogonal Decomposition) approximierten Modells wird unter Berücksichtigung von punktweisen Thermoelement-Messungen an der Probenoberfläche ein erweitertes Kalman-Filter entworfen. Da die Wahl der Sensorplatzierung einen wesentlichen Einfluss auf die Beobachtungsgüte hat, werden in einem weiteren Schritt die optimalen Sensorpositionen im Sinne der Optimierung der Determinante der Gramschen Matrix ermittelt. Simulations- und Messergebnisse bestätigen die Effizienz der vorgestellten Methoden.

Abstract

This paper deals with the design of an observer for the two-dimensional temperature profile of a steel specimen in an experimental annealing furnace. In the first part, three different approaches for the finite-dimensional approximation of the quasilinear partial differential equation are compared in terms of model order and accuracy. Based on the reduced model approximated by POD (Proper orthogonal decomposition), an Extended Kalman Filter is designed, which uses measurement information from thermocouples mounted on the specimen surface at discrete locations. Since the choice of these sensor locations has a significant influence on the quality of the observed temperature profiles, optimal sensor locations are determined by optimizing the Observability Gramian determinant. Results from simulations and measurements confirm the efficiency of the proposed approach.

Schlagwörter: Temperaturregelung; Glühofen; verteilt-parametrisches System; Modellordnungsreduktion; Galerkin-Methode; Proper Orthogonal Decomposition; optimale Sensorplatzierung

Keywords: Temperature control; annealing furnace; distributed-parameter system; reduced-order modeling; Galerkin projection; proper orthogonal decomposition; optimal sensor placement

About the article

Florian Rötzer

Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik, TU Wien, Gußhausstraße 27–29/E376, Wien, Österreich

Lukas Jadachowski

Christian Doppler Labor für modellbasierte Prozessregelung in der Stahlindustrie, Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik, TU Wien, Wien, Österreich

Andreas Kugi

Christian Doppler Labor für modellbasierte Prozessregelung in der Stahlindustrie, Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik, TU Wien, Wien, Österreich


Revised: 2017-02-24

Accepted: 2017-03-20

Received: 2016-09-30

Published Online: 2017-05-03

Published in Print: 2017-05-29


Citation Information: at - Automatisierungstechnik, Volume 65, Issue 5, Pages 337–349, ISSN (Online) 2196-677X, ISSN (Print) 0178-2312, DOI: https://doi.org/10.1515/auto-2016-0119.

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