Christian Doppler Labor für Intelligente Prozessregelung für hochwertige Stahlprodukte
Laufzeit: 1. Juli 2022 bis 30. Juni 2029
Das CD-Labor für Intelligente Prozessregelung für hochwertige Stahlprodukte ist eine Kooperation zwischen dem Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik (ACIN) der Technischen Universität Wien und dem Stahlproduzenten voestalpine Stahl GmbH. Gemeinsam betreibt man problemorientierte Grundlagenforschung, welche neuartige Konzepte für die Analyse, Führung, Regelung, und Optimierung von typischen Prozessen zur Produktion von hochwertigen Flachprodukten aus Stahl und von strukturell ähnlichen Produktionsprozessen hervorbringen soll.
Im Rahmen dieser Forschungsaktivitäten werden meist im ersten Schritt maßgeschneiderte echtzeitfähige statische und dynamische Prozessmodelle erstellt. Dazu werden unter Zuhilfenahme von physikalischen und metallurgischen Grundprinzipien, Domänenwissen und umfangreichen Messdatensätzen, lernende Verfahren, effiziente numerische Methoden und Modellordnungsreduktionsverfahren verwendet. Anhand dieser Modelle erfolgen anschließend Systemanalysen, Untersuchungen zur Sensitivität, Stabilität und Robustheit sowie Simulationsstudien. Dies erlaubt die präzise Formulierung des regelungstechnischen Ziels und schließlich die wissenschaftliche Erforschung und Entwicklung von regelungstechnischen Lösungen. Die Grundlagenforschung befasst sich hierbei mit modell- und optimierungsbasierten Entwurfsverfahren (z.B. Störgrößenbeobachter und -vorsteuerung, Regelungen für verteiltparametrische Systeme oder Systeme mit Totzeiten, nichtlineare Mehrgrößenregelung, NMPC, MHE, optimale Sensor- und Aktorplatzierung) und auch mit adaptiven, datengetriebenen und lernenden Verfahren (z.B. maschinelles Lernen, ILC, repetitive Regelung, extremum seeking, Sensorfusion, robuste und adaptive Regelung, online Identifikation und Monitoring) für die Prozessregelung sowie die Schätzung nicht messbarer Prozessgrößen.
Die Forschungsaktivitäten gliedern sich thematisch in folgende Forschungsbereiche.
- Regelung von Stranggießprozessen
- Regelung von Bandmaterialeigenschaften
- Regelung von Bandoberflächeneigenschaften
Im Bereich Stranggießen werden Prozessregelungskonzepte zur Beeinflussung der Strömung vor und im Gießrohr, zur Unterdrückung von Badspiegelschwankungen in der Kokille, zur Minimierung von instationären Strangschalenausbauchungen und zur gleichmäßigen Verteilung der Strangauszugskraft auf die Strangführungsrollen entwickelt. Außerdem werden Beobachteralgorithmen entworfen, die Ablagerungen im Gießkanal, exogene Störungen auf den Gießspiegel sowie den Verschleiß und Schlupf an den Strangführungsrollen in Echtzeit schätzen und überwachen. In den Bereichen Bandmaterial- und Bandoberflächeneigenschaften werden fortgeschrittene Regelungskonzepte für die Wärmebehandlung, das Feuerverzinken und das Dressierwalzen von Stahlbändern entwickelt. Konkret werden Optimalsteuerungen und Regelungen für die Phasenanteile und Qualitätsparameter des Bandmaterials, die Dicke, Homogenität und metallurgische Zusammensetzung der Zinkschicht sowie die Bandoberflächenqualität entworfen.
Die neu entwickelten regelungstechnischen Lösungen werden zusammen mit voestalpine Stahl GmbH in Pilotanwendungen direkt an der Industrieanlage oder an spezialisierten experimentellen Aufbauten echtzeitfähig implementiert, validiert und weiter optimiert. Damit wird ein effizienter und nachhaltiger Übergang hin zu einer betrieblichen Anwendung ermöglicht. Die erarbeiteten Grundlagenforschungsergebnisse sind nicht auf Anwendungen in der Stahlindustrie beschränkt, sondern können auch in vielfältigen anderen industriellen Produktionsprozessen zum Einsatz kommen. In Form von wissenschaftlichen Publikationen und Vorträgen werden die Grundlagenforschungsergebnisse der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt.
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