Improving the energetic performance of industrial ovens by means of Economic Model Predictive Control

This thesis explores advanced Model Predictive Control (MPC) strategies to enhance the performance of heat shrink tunnels used in packaging processes, focusing on temperature uniformity and energy efficiency. The work is motivated by the growing demand for industrial control systems that not only meet production requirements but also optimize resource utilization, such as energy consumption. Industrial ovens play a critical role in manufacturing industries such as food processing, electronics manufacturing and materials processing. Effective temperature control algorithms must meet stringent requirements, including accurate setpoint tracking, robust disturbance rejection, energy efficiency and compliance with actuator constraints. A major challenge in these systems is to achieve uniform temperature distribution within the furnace chamber, especially under the influence of disturbances. This study focuses on industrial ovens integrated into shrink tunnels used in the manufacture of packaging. In this context, the uniformity of the temperature is crucial to ensure the quality of the heat-shrunk packages, making it one of the main objectives of the control strategies. The study begins by reviewing state-of-the-art MPC formulations and their extensions, such as Nominal MPC, MPC for Tracking, zone-based MPC and Economic MPC, which are adapted for this application. Two models of the heat shrink tunnel are developed: a simple black-box predictive model and a more comprehensive grey-box predictive model. These models capture the dynamics of temperature control, including the impact of package flow on heat dissipation. For the first model are proposed three MPC formualtion dictive Control (MPC) strategies for Heat shrink tunnels aimed for temperature uniformity: a MPC for tracking (as a baseline), and two zone-based MPCs that steer the oven temperatures towards either a fixed or an adaptive range rather than a single target point For the second model three advanced MPC controllers are proposed: An Adaptive-zone-based controller for tracking controlled states. A disturbance-rejecting MPC incorporating package flow as an external input to improve disturbance rejection. An economic MPC that optimizes energy consumption while maintaining temperature uniformity. The proposed control strategies are rigorously validated through experimental testing on a shrink tunnel workbench used in a production environment. A rapid control prototyping (RCP) approach is used. This significantly streamlines the implementation and evaluation of the controllers. The experimental results show that the zone-based MPC methods significantly improve the temperature uniformity within the oven compared to the traditional MPC tracking approach. Experimental validation demonstrates significant improvements in temperature uniformity and energy efficiency. Controllers with disturbance rejection improved zone temperature control bcompared to nominal controllers, while the economic formulation achieved energy savings with minimal impact on process performance.

Questa tesi esplora strategie avanzate di Model Predictive Control (MPC) per migliorare le prestazioni dei tunnel di termoretrazione utilizzati nei processi di imballaggio, concentrandosi sull'uniformità della temperatura e sull'efficienza energetica. Il lavoro è motivato dalla crescente domanda di sistemi di controllo industriali che non solo soddisfino i requisiti di produzione, ma ottimizzino anche l'utilizzo delle risorse, come il consumo energetico. I forni industriali svolgono un ruolo fondamentale nelle industrie manifatturiere, come quella alimentare, elettronica e dei materiali. Gli algoritmi di controllo della temperatura devono soddisfare requisiti rigorosi, tra cui l'inseguimento accurato del setpoint, la robusta reiezione dei disturbi, l'efficienza energetica e la conformità ai vincoli degli attuatori. Una sfida importante in questi sistemi è quella di ottenere una distribuzione uniforme della temperatura all'interno della camera del forno, soprattutto sotto l'influenza di disturbi. Questo studio si concentra sui forni industriali integrati nei tunnel di termoretrazione utilizzati nella produzione di imballaggi. In questo contesto, l'uniformità della temperatura è cruciale per garantire la qualità delle confezioni termoretratte, e rappresenta uno degli obiettivi principali delle strategie di controllo. Lo studio inizia con una rassegna delle formulazioni MPC più avanzate e delle loro estensioni, come l'MPC nominale, l'MPC for Tracking, l'MPC a zone e l'MPC economico, che vengono adattate a questa applicazione. Vengono sviluppati due modelli del tunnel di termoretrazione: un semplice modello predittivo black-box e un modello predittivo grey-box più completo. Questi modelli catturano le dinamiche del controllo della temperatura, compreso l'impatto del flusso della confezione sulla dissipazione del calore. Per il primo modello sono state proposte tre strategie di controllo predi di controllo predittivo (MPC) per i tunnel di termoretrazione che mirano all'uniformità della temperatura: un MPC per l'inseguimento (come linea di base) e due MPC a zone che orientano le temperature del forno verso un intervallo fisso o adattivo piuttosto che verso un singolo punto di riferimento. Per il secondo modello vengono proposti tre controllori MPC avanzati: Un controllore adattativo a zone per l'inseguimento degli stati controllati. Un MPC che rifiuta i disturbi e che incorpora il flusso della confezione come ingresso esterno per migliorare la reiezione dei disturbi. Un MPC economico che ottimizza il consumo energetico mantenendo l'uniformità della temperatura. Le strategie di controllo proposte sono state rigorosamente convalidate attraverso prove sperimentali su un banco di lavoro a tunnel di retrazione utilizzato in un ambiente di produzione. Viene utilizzato un approccio di prototipazione rapida del controllo (RCP). Ciò semplifica notevolmente l'implementazione e la valutazione dei controllori. I risultati sperimentali dimostrano che i metodi MPC a zone migliorano significativamente l'uniformità della temperatura all'interno del forno rispetto al tradizionale approccio di inseguimento MPC. La convalida sperimentale dimostra miglioramenti significativi nell'uniformità della temperatura e nell'efficienza energetica. I controllori con reiezione dei disturbi hanno migliorato il controllo della temperatura di zona rispetto ai controllori nominali, mentre la formulazione economica ha permesso di ottenere un risparmio energetico con un impatto minimo sulle prestazioni del processo.