Control and simulation of steel strips in galvanization lines

Hot-dip galvanization is an industrial process involving the application of a uniform coating of zinc to steel strips with the desired thickness. Disturbances from air knives and external factors during the galvanization process can lead to deviations in the strip's path, resulting in an uneven layer of zinc. To achieve a uniform coating, it is essential to minimize the strip's vibrations by implementing effective stabilization measures. The overarching aim of the research is to establish a user-friendly tool for efficiently simulating and predicting the behavior of strips made from various materials, with different lengths and widths. In this thesis, a new mathematical model has been developed to predict the vibrations of a steel strip during the hot-dip process. The model is based on the Finite Element Method (FEM), and its validity has been confirmed through data acquired from an operational plant. Several alternative methods were investigated in the pursuit of model development, such as Recursive Least Squares (RLS), time series, and Differential Algebraic Equations (DAE) with an acausal approach. Following the model development, a controller is designed to stabilize the vibrations of the strip. Previous controllers utilized PID and PLC to control the position of steel strips. The new controller utilizes a pole placement technique with a state observer, testing has been confined to simulation. The control strategy is specifically crafted to operate on the natural frequencies of the steel strip, leaving other frequencies unaffected. The findings indicate that the model can effectively estimate natural frequencies for the steel strip based on its mechanical parameters and dimensions, aligning with experimentally identified modes. The Finite Element Method is employed to calculate the Frequency Response Function (FRF) of the strip on specific positions along the strip, and then simulate the process. Knowledge of the FRF Through simulation testing, the controller demonstrates its efficacy in stabilizing the strip's vibrations at specific frequencies. The use of an observer is instrumental in this success, compensating for the unmeasurable nature of the states.

La zincatura a caldo è un processo industriale che prevede l'applicazione di uno strato uniforme di zinco su nastri di acciaio dello spessore desiderato. Durante il processo di galvanizzazione, le perturbazioni causate dai coltelli d'aria e da fattori esterni possono provocare deviazioni nel percorso del nastro, con il risultato di uno strato di zinco non uniforme. Per ottenere un rivestimento uniforme, è essenziale ridurre al minimo le vibrazioni del nastro implementando misure di stabilizzazione efficaci. L'obiettivo principale della ricerca è quello di creare uno strumento di facile utilizzo per simulare e prevedere in modo efficiente il comportamento di nastri realizzati con vari materiali, di diverse lunghezze e larghezze. In questa tesi è stato sviluppato un nuovo modello matematico per prevedere le vibrazioni di un nastro di acciaio durante il processo di zincatura a caldo. Il modello si basa sul metodo degli elementi finiti (FEM) e la sua validità è stata confermata dai dati acquisiti da un impianto operativo. Per lo sviluppo del modello sono stati studiati diversi metodi alternativi, come i minimi quadrati ricorsivi (RLS), le serie temporali e le equazioni algebriche differenziali (DAE) con un approccio acausale. Dopo lo sviluppo del modello, è stato progettato un controllore per stabilizzare le vibrazioni della striscia. Il controllore utilizza una tecnica di posizionamento dei poli con un osservatore di stato. I test sono stati limitati alle simulazioni. La strategia di controllo è stata studiata per operare sulle frequenze naturali del nastro d'acciaio, lasciando inalterate le altre frequenze. I risultati indicano che il modello è in grado di stimare efficacemente le frequenze naturali del nastro d'acciaio in base ai suoi parametri meccanici e alle sue dimensioni, allineandosi con i modi identificati sperimentalmente. Il metodo degli elementi finiti viene impiegato per calcolare la funzione di risposta in frequenza (FRF) del nastro in posizioni specifiche lungo il nastro e successivamente simulare il processo. Attraverso test di simulazione, il controllore dimostra la sua efficacia nello stabilizzare le vibrazioni della striscia a frequenze specifiche. L'uso di un osservatore è determinante per questo successo, in quanto compensa la natura non misurabile degli stati.