Моделирование и оптимальное управление процессом индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока

• Автор: Заикина, Наталья Валерьевна
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 154 с. : ил.

Введение

1 Проблема разработки энергоэффективной инновационной технологии

индукционного нагрева металла перед обработкой давлением

1.1 Традиционные технологии нагрева металла перед обработкой давлением

1.1.1 Пламенные печи.

1.1.2 Установки индукционного нагрева

1.1.3 Установки кондукционного нагрева.

1.1.4 Печи сопротивления.

1.1.5 Сравнительный анализ различных технологий нагрева металла

1.2 Инновационная энергосберегающая технологии индукционного нагрева

алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока

1.2.1 Современное состояние проблемы численного моделирования нолей температур и термонапряжений в процессе
индукционного нагрева вращающихся заготовок.
1.2.2 Техническая реализация новой технологии индукционного нагрева
1.2.3 Современные методы оптимального проектирования и управления процессами индукционного нагрева
2 Математическое моделирование процесса нагрева алюминиевых
заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока.
2.1 Аналитическое описание процесса индукционного нагрева.
2.1.1 Аналитическое решение электромагнитной и тепловой задач
2.1.2 Аналитический расчет полей термонапряжений, возникающих
в сплошном цилиндре
2.1.3 Аналитический расчет механических напряжений, возникающих
во вращающемся цилиндре за счет центробежных сил
Численное моделирование процесса индукционного нагрева
2.2.1 Численная двумерная модель температурных полей
2.2.2 Численная двумерная модель полей термонапряжений
2.2.3 Численное моделирование механических напряжений, возникающих
во вращающемся цилиндре за счет центробежных сил
2.2.4 Параметрическое исследование численной модели процесса нагрева.
Оптимальное управление процессом индукционного нагрева
алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока
3.1 Задача оптимального по быстродействию управления процессом нагрева
3.1.1 Постановка задачи оптимального по быстродействию управления. .
3.1.2 Решение задачи оптимального управления
3.1.2.1 Решение ЗОУ для случая 0 п .
3.1.2.2 Решение ЗОУ для случая с0 е .
3.1.2.3 Решение ЗОУ для случая 0 п .
3.2 Задача оптимального по быстродействию управления процессом нагрева
с учетом фазовых ограничений
3.2.1 Учет ограничения на максимально допустимую температуру
в процессе нагрева
3.2.1.1 Постановка задачи оптимального управления с учетом ограничения на максимально допустимую температуру.
3.2.1.2 Алгоритм оптимального управления с учетом ограничения
на максимально допустимую температуру.
3.2.1.3 Решение задачи оптимального управления с учетом ограничения на максимально допустимую температуру
3.2.2 Учет ограничения на максимально допустимое термонапряжение
в процессе нагрева
3.2.2.1 Постановка задачи оптимального управления с учетом ограничения на максимально допустимое термонапряжение
3.2.2.2 Алгоритм оптимального управления с учетом ограничения
на максимально допустимое термонапряжение.
3.2.2.3 Решение задачи оптимального управления с учетом ограничения на максимально допустимое термонапряжение
3.3 Совместный учет ограничений на максимально допустимые температуру
и термонапряжение в процессе нагрева2.
3.3.1 Постановка задачи с учетом ограничений на максимально допустимые температуру и термонаиряжение в процессе нагрева
3.3.2 Алгоритм оптимального управления с учетом ограничений на максимально допустимые температуру и термонапряжение
в процессе нагрева
3.3.3 Решение задачи с учетом ограничений на максимально допустимые
температуру и термонапряжение в процессе нагрева
3.4 Задача оптимального управления процессом нагрева по критерию
расхода энергии.
3.5 Анализ экономической эффективности процесса индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока
3.5.1 Экономический эффект от внедрения инновационной
технологии индукционного нагрева
3.5.2 Экономические показатели алгоритмов оптимального управления
процессом ггагрева
4 Структурнопараметрический синтез оптимальной системы управления процессом нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном гголе постоянного
Заключение
Библиографический список
Приложение 1 Документы об использовании материалов кандидатской диссертации в
научноисследовательских работах
Приложение 1.1 Справка из НИМ СамГТУ
Приложение 1.2 Справка из Института элегсгротехнологий Ганноверског о
университета им. Лейбница.
Приложение 2 Документы об использовании материалов кандидатской диссертации в
учебном процессе
Приложение 2.1 Акт об использовании результатов диссертационной работы в
учебном процессе Сам Г ГУ.
Введение
Диссертация посвящена разработке методов моделирования, управления и оптимизации процессов термообработки металла с использованием инновационной энергосберегающей технологам индукционного нагрева, основанной на вращении заготовок в магнитном поле постоянного тока, возбуждаемого сверхпроводниками.
Актуальность


В первой главе в результате анализа традиционных технологий нагрева металла перед обработкой давлением установлена необходимость повышения энергетической эффективности индукционных нагревательных установок периодического и непрерывного действия. Проведен анализ работ, выполненных в области рассматриваемой технологии, позволяющий сделать вывод о необходимости постановки и решения задачи оптимального управления процессом индукционного нагрева заготовок путем их вращения в магнитном поле постоянного тока. Вторая глава посвящена математическому моделированию процесса нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока. Установлены аналогии поведения моделируемого процесса нагрева с использованием инновационной технологии с базовыми характеристиками типовой технологии индукционного нагрева в переменном электромагнитном поле. Обоснован выбор в качестве управляющего воздействия процессом нагрева частоты вращения изделия, аналогичного по физическому эффекту типовому способу управления по мощности внутреннего тепловыделения в индукционных нагревательных установках. В третьей главе задачи разработки эффективных режимов реализации инновационной технологии нагрева сформулированы и решены в терминах теории оптимального управления, как задачи отыскания алгоритмов изменения во времени выбранного управляющего воздействия, гарантирующего достижение заданного температурного состояния с заранее фиксируемой требуемой точностью при оптимальном быстродействии в условиях заданных ограничений, отвечающих реальным технологическим требованиям. На основе алысрнаисного метода разработаны методики точного решения сформулированных ЗОУ, найдены структуры искомых алгоритмов оптимального управления, предложена вычислительная технология полного расчета их характеристик. Проведен анализ экономических показателей эффективности алгоритмов оптимального управления процессом индукционного нагрева. В четвертой главе разработаны методики синтеза системы оптимального но быстродействию управления процессом индукционного ншрева заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока, с обратными связями с учетом фазового ограничения на максимальную температуру. Для нагрева металлических изделий под обработку давлением могут использоваться различные типы нагревательных установок. Они различаются, вопервых, по своей конструкции, обусловленной, прежде всего формой и размерами нафеваемого объекта и организацией производственного процесса, и, вовторых, по виду используемой конечной энергии. При этом традиционные методы нагрева, при которых энергию получают подводом тепла извне в результате сжигания ископаемых горючих материалов, таких как нефть и горючий газ, конкурируют с электрическими методами, осуществляющими нагрев путм генерации тепла непосредственно в металле и представленными индукционным и прямым резистивным нагревом, а также косвенным нагревом в электрических печах сопротивления 2, 5,, ,,, , . Эго означает, что энергия поступает в материал только через его поверхность, а сердцевина нагревается только благодаря теплопроводности. Таким образом, вопервых, температура поверхности загрузки превышает температуру ее сердцевины, и, вовторых, температура печи должна быть выше температуры нагреваемого объекта для того, чтобы обеспечить возможность перетока энергии в загрузку. Основными элементами пламенных печей являются печная камера, горелка, загрузочное, транспортирующее и разгрузочное устройства. Важным компонентом пламенной печи является горелка, служащая для образования топливновоздушной смеси и регулировки пламенного факела. Используются горелки, как для мазута, так и для газа, причем применение газа находится на нервом месте. Вид топлива, конструкция горелки и режим подготовки топливновоздушной смеси оказывают решающее влияние на атмосферу печи и, как следствие, на окалинообразовапис и обезуглероживание материала. Необходимо отмстить также, что горелка играет важную роль в энергопотреблении печи. В целях минимизации потерь тепла с уходящими газами горелки оснащаются теплообменниками рекуператорами для подогрева воздуха, используемого при сжигании топлива.