автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация формирования структуры металлического слитка в процессе литья под воздействием управляющего излучения

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ им. В.А.ТРАПЕЗНИКОВА

На правах рукописи ВОРОБЬЕВ Георгий Георгиевич

УДК 621.385

АВТОМАТИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛИТКА В ПРОЦЕССЕ ЛИТЬЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ УПРАВЛЯЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность: 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004 г.

Работа выполнена в Институте проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН

Научный руководитель:

доктор технических наук,

с.н.с. УТКИН Виктор Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор ПОТОЦКИЙ Владимир Алексеевич, доктор технических наук

доцент БУГАКОВ Игорь Александрович

Ведущая организация: Всероссийский институт легких сплавов (ВИЛС)

Защита состоится " /5" " 200 в /У-еО на заседании

диссертационного совета Д002.226.01 Института проблем управления им. В.А.Трапезникова по адресу: 117997, г. Москва, Профсоюзная 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем управления им. В.А.Трапезникова.

Автореферат разослан "_"_200

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.226.01

доктор технических наук В.К. Акинфиев

¿'^У^гУС >

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время одним из технологических этапов производств крупногабаритных металлических изделий, таких, как самолеты, корабли, ферменные конструкции и др., является отливка крупногабаритных заготовок из алюминиевых сплавов. Габаритные размеры этих заготовок достигают 8x2x1,5м и более. Непрерывное литье осуществляется в скользящую опоку, и в темпе естественного остывания и твердения слитка, он выдвигается из опоки в вертикальную шахту вниз.

Основная трудность получения заготовки требуемого качества связана с ускоренным темпом остывания слитка в начале и при окончании литья. Это отражается в возникновении в слитке внутренних напряжений, приводящих к его растрескиванию на обоих концах. В соответствии с действующей в настоящее время технологией, для получения заготовки требуемого качества концевые части слитка длиной до 2м отрезаются в отходы, и годной полагается только его средняя часть.

Исследования в области материаловедения и технологии литья легких сплавов, выполненные более 50 лет тому назад, показали, что качество слитка повышается при максимально возможном уменьшении толщины слоя жидкого, металла на горячей стороне заготовки. Однако в связи с относительно высокой вязкостью жидкого металла и трудностями измерения толщины жидкого слоя практически достичь приемлемых параметров процесса литья в заводских условиях не удается.

Также не дают хороших результатов предложенные недавно технологии литья в слабых магнитных полях.

Трудности с устранением растрескивания слитка имеют основной причиной несоответствие моделей формирования заданной структуры металла возможностям управления этим процессом. В этой связи, получение высококачественных заготовок из легких сплавов до настоящего времени является одной из актуальных проблем, требующих глубокой теоретической проработки, и практически реализуемо при автоматизированном управлении процессом литья.

Целью работы является: разработка автоматизированной системы управления формированием структуры металлического слитка в технологическом процессе литья для повышения технических характеристик слитка.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) с точки зрения цели работы: управления формированием структуры металла построить механико-ма омплекса по-

лей, являющихся причиной металлических связей, обеспечивающих пространственное распределение ионов металла в кристаллической решетке. Так как данные связи обеспечиваются равновесием сил гравитационного и электростатического взаимодействия ионов и вырожденного электронного газа в межионном пространстве кристаллической решетки, то с помощью полученной модели описывается структура металла как предмет формирования, и выявляются свойства полей, взаимодействующих со структурными связями и воздействующих на структуру;

2) с точки зрения выбора управляющих воздействий на процесс организации заданной структуры металла определить процесс генерации излучений, реплицирующих эталонную структуру сплава в жидкую фазу металла, и соответствующий, одновременно, модели поглощения этих излучений. С точки зрения управления (формированием структуры вещества) значимое различие жидкого и твердого металла заключается в том, что пространственные формы токов электронного газа в межионном пространстве твердого тела практически стационарны, а в жидком теле непредсказуемо меняются. В соответствии с этим, носителями управляющих воздействий, отображающих в жидкий металл структуру эталонного образца сплава, могут быть поля электромагнитной природы, излучаемые индуцированными в эталонном (твердом) образце вихревыми электротоками;

3) выбрать метод управления формированием структуры металла и обосновать его действенность при реальном применении;

4) для возможности генерации управляющих воздействий - излучений, обладающих свойствами, удовлетворяющими построенным моделям, разработать излучающий узел и схему индукционного возбуждения вихревых электротоков в эталонном образце сплава;

5) для автоматизации литейного агрегата, оснащенного системой управления формированием структуры металлического слитка управляющими излучениями в процессе литья, разработать общую схему автоматизации литейного агрегата, включающую излучающее устройство, и алгоритм управления данным агрегатом.

Методы исследования. В исследовании применены: положения теории управления, методы классической механики и механики сплошных сред, положения векторного анализа и математической теории поля, положения теории рядов и интегралов Фурье, а также ряд сведений из теории теплообмена и технологии литья легких сплавов.

Научная новизна. Следующие основные результаты диссертации являются новыми:

1) для управления формированием заданной структурой металлического сплава применен метод управления силовым, в соответствии с законом Ампера, взаимодействием двух множеств вихревых электротоков: одного - управляющего эталонного со стационарными пространственными формами, другое - управляемое с изменяемыми пространственными формами, принудительно приближаемыми к эталонным;

2) доказана теорема о соотношении энергии связей, внутренней и механического движения в физическом пространстве для вихрей - замкнутых механических систем в сплошной среде, что является эффективной основой для применения единого подхода к построению декомпозиционной математической модели физического тела из металла, как иерархии векторных полей;

3) на основании предложенного подхода к моделированию металлических физических тел в виде иерархических систем полей показана принципиальная возможность воздействия излучениями электромагнитной природы на процессы организации связей в массиве жидкого металла. Это позволяет применять данные излучения в качестве носителей управляющих воздействий на формирование заданной структуры слитка в его горячей зоне;

4) на основании выработанных моделей предложено применение трансформатора тока с вырожденной вторичной обмоткой - «массового излучателя» в качестве узла генерации данных излучений;

5) предложена схема автоматизации управления формированием заданной структуры металлического слитка при воздействии управляющего излучения на жидкий металл, и рассмотрен алгоритм функционирования данной схемы.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

* предложенная схема автоматизированного формирования заданной структуры легкосплавного слитка при воздействии эталонных излучений во время литья может быть использована при разработках широкого класса литейных агрегатов;

• механико-математические модели, разработанные для целей управления формированием заданной структуры металла, могут быть применены в разработках технологий получения принципиально новых сплавов, в том числе, обладающих структурами, которые невозможно получить в процессах естественной кристаллизации;

® механико-математические модели, разработанные для целей управления формированием структуры металла, могут быть применены в разработках технологий получения информации о структурах различных веществ с целью их идентификации.

Реализация результатов работы:

- предложенные в настоящей работе модели и алгоритмы автоматизированного управления формированием структуры слитка во время литья и технический узел генерации управляющих излучений включены, в соответствии с выработанными в настоящей работе рекомендациями, в состав автоматизированной системы управления литьем на предприятии ОАО «Авиапромналадка» (г. Москва, ул. Молодогвардейская, 57).

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на общемосковском семинаре «Логическое моделирование» (Москва, 1999), на международной конференции по проблемам управления «60 лет ИПУ» (Москва, 1999), на семинарах Института проблем управления РАН (Москва, 1998 - 1999, 2001), на X международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, 2002), на 11 международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (Москва, 2003), на Второй международной конференции по проблемам управления (Москва, 2003), на семинарах ПО «Авиапромналадка» (Москва, 2001 - 2004).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ, список которых приведён в конце реферата.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения. Работа содержит//^ страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования, кратко излагается содержание глав.

В первой главе обсуждается круг вопросов, рассматриваемых в диссертации, и намечаются пути решения поставленных задач.

В разделе 1.1 рассматривается и анализируется проблема получения высококачественных заготовок из литейных легких металлических сплавов. В основании данной проблемы лежит различная интенсивность роста кристаллитов отдельных компонентов сплава при едином для всего массива расплава температурном режиме охлаждения. Следствием этого является различие размеров кристаллитов, формирующихся в процессе охлаждения расплава, и их термическая усадка при охлаждении слитка. Данные особенности отражаются в возникновении больших внутренних напряжений в готовом слитке и проявляются в виде растрескивания слитка.

Тщательным подбором температурного режима охлаждения расплава и слитка в лабораторных условиях достигается удовлетворительное качество его структуры (кристаллической), которая характеризуется: зернистостью (размерами кристаллитов), равномерностью распределения компонентов сплава, остаточными напряжениями.

В настоящее время для обеспечения требуемого качества слитка широко применяются два технологических приема. Первый заключается в поддержании слоя расплава минимально возможной толщины на поверхности отливки добавлением жидкого металла по мере его твердения. Этот способ формирования структуры слитка связан с трудностями измерения и поддержания толщины жидкого слоя. Так, для некоторых алюминиевых сплавов его оптимальная толщина составляет несколько миллиметров при габаритных размерах слитка порядка метров.

Второй технологический прием получил распространение недавно и заключается в том, что во время литья на зону расплавленного металла действует слабое магнитное поле, в котором движение электронного газа имеет характер циклического, т.е. частично упорядочивается. Применение данного приема дает в целом удовлетворительные результаты. Но управляемое таким способом формирование структуры, не аналогичном естественной структуре сплава, имеет следствием искажение структуры получаемого слитка и его растрескивание.

Модификацией второго способа является облучение расплавленного остывающего металла электромагнитными импульсами, действие которых в целом подобно действию слабого магнитного поля.

Вывод. Проблема получения высококачественных легкосплавных слитков до настоящего времени является актуальной, несмотря на применение прогрессивных заводских технологий.

В разделе 1.2 с точки зрения теории управления и с применением положений теории поля рассматривается принцип реализации формирования структуры слитка.

В соответствии с целью настоящей работы требуется получить заданное пространственное распределение ионов металла в его жидкой фазе и стабилизировать полученную структуру до твердения металла.

В этой связи рассмотрим основные задачи теории поля.

Прямая задача: по заданному распределению источников поля в пространстве найти пространственное распределение векторных и (или) скалярных потенциалов поля. И обратная задача: по заданному пространственному распределению векторных и (или) скалярных потенциалов поля отыскать распределение его источников в пространстве.

Заметим, что токи электронного газа, обтекающего ионы — источники поля в правильно сформированном металлическом теле (эталоне), «решают» основную прямую задачу теории поля, причем данное металли-

ческое тело является, в некотором смысле, аналоговым решающим устройством и, одновременно, «эталонной моделью», реализуемой структурой вещества (металла). Структурой тела этого устройства определяется пространственное распределение токов - их формы. Данные электротоки - вихревые и, следовательно, являются источниками, по крайней мере, электромагнитных полей, конфигурация и спектральный состав которых (в соответствии со спектральным разложением, например, Фурье) однозначно соответствует пространственным формам данных токов. Таким образом, математическая модель эталона совпадает, с точностью до процедурности и естественного параллелизма, с методикой решения прямой задачи теории поля.

Если рассматриваемые электротоки единообразно специально ориентированы в физическом пространстве, то излучения этих токов будут направленными. С радиотехнической точки зрения металлический эталон представляет собой направленную передающую антенну.

Как известно, в металлическом теле, помещенном в относительно длинноволновое поле электромагнитной природы, индуцируются электротоки - токи электронного газа в межионном пространстве. Спектральный состав этих электротоков, в рассматриваемом случае также вихревых, однозначно соответствует спектру данного электромагнитного поля. И с радиотехнической точки зрения такое металлическое тело представляет собой антенну приемного устройства.

С электродинамической точки зрения ионы также рассматриваются как вихревые электротоки. В расплавленном металле эти электротоки практически свободно перемещаются в пространстве. Электротоки, индуцированные в расплаве внешним квазистационарным электромагнитным полем, обладают заданными пространственными формами, положениями и т.д. и взаимодействуют с ионами в соответствии с законом Ампера. Свободно движущиеся электротоки-ионы под действием данных сил занимают пространственные положения, близкие к задаваемым конфигурацией излучений от эталона. Из этого следует, что управление формированием структуры в жидком металле осуществляется «взаимодействием форм».

С точки зрения теории поля расплавленным металлом «выполняются функции решения» основной обратной задачи этой теории, и расплавленный металл, как и эталон, также принципиально может рассматриваться аналоговым решающим устройством. В таком случае, математическая модель жидкого металла совпадает, с точностью до процедурности и естественного параллелизма, с методикой решения обратной задачи теории поля. В этой связи здесь примем, что излучение вихревых токов электронного газа в твердом проводнике представлено потоком сверхдлинноволновых фотонов и потоком магнитной индукции.

Вывод. Взаимодействие вихревых электротоков в данном случае проявляется в силовом «воздействии жестко заданной эталонной геометрической формы на свободно изменяющуюся» и является непрерывным. Излучения электромагнитной природы, обладающие свойствами, требующимися для трансляции заданной структуры, от эталонного металлического образца к металлическому телу с формирующейся структурой, могут быть получены как излучения вихревых электротоков, возбужденных в эталонном образце.

В разделе 1.3 с позиций термодинамики и спектрального анализа рассматривается предложение управления формированием структуры слитка моделированием в слое жидкого металла условий термодинамических систем «с отрицательной теплоемкостью».

Положим, что для твердой и жидкой фаз металла условие устойчивости имеет вид: Евн < Есв < 2Евн, где Евн = Е^сок}}) - внутренняя энергия - энергия вращения (вихревых электротоков), к - индекс гармоники в соответствующем множестве, Есв - энергия связей, стабилизирующая формы электротоков, {со/( ^ с 0 = {¿У/.} ~ множество гармонических

колебаний (круговых частот), составляющих спектральное выражение (по Фурье) форм вихревых токов в теле металла (электротоковый процесс - резонансный), О. - квазинепрерывный равномерный спектр. При выполнении этого условия металл не переходит в газовую фазу. Аналогично, для управляющих излучений положим АЕвн = .^{¿у^ }2), АЕсв и

{сосО = {со}. Мощности К множеств \ и {¿у^}2, соответственно, > К2 ■

В соответствии со спектральным разложением пространственные

К

формы вихревых электротоков выражаются в виде: /(х)~ У^еШкХ , где

к=1

х - пространственная координата, / = (-1)!'2. Тогда, в силу К} >^2' имеем, что f\ сложнее

Так как управляющими излучениями транслируется структура эталонного образца металла, то при 1 > Евн/Есв > АЕвн/АЕсв имеем

(1) Нт((£вн + Л(АЕ6Н)/{Есв + ШЕсв))-АЕви/АЕсв , /->00

где /'-длительность (время) облучения, Я - параметр управления.

В силу технических ограничений, из всех возможных параметров слитка, измеримых в технологическом процессе литья, только его температура т некоторым образом характеризует состояние его структуры.

Причем, в силу того, что температура является функцией внутренней энергии, а последняя есть функция спектрального состава вихревых токов электронного газа в теле металла, то данная температура рассматривается как статистическая.

Как известно, высокотемпературное приближение статистической температуры системы имеет вид: т = и/К , где и = Евн + Есв , К - количество степеней свободы в системе. Положив, с позиции описания форм электротоков, что количество степеней свободы есть количество гармоник из О, отсутствующих в спектральном разложении линий электротоков, получаем К\ = }-и К2 = К{й;/с}-К2 К\<К2). Тогда статистическая температура металла Т\ = щ/К\ , и статистическая температура излучения т2 = ^2/^2 » следовательно, т\ > т2 •

На этом основании, приведя и\ к толщине И слоя жидкой фазы металла, и имея в виду формулу (1), запишем управление X в виде: (2) Я = Н(щК2-1(2^\)/К\К2-кат&,

где г5 - разность между измеренной температурой металла и температурой его отвердевания, а - коэффициент пропорциональности, подбираемый экспериментально. На основании анализа, приведенного в предыдущем разделе, найдем, что параметром X должна регулироваться напряженность поля излучения, что достигается регулированием величины возбуждения вихревых токов в эталонном излучателе.

Вывод. Улучшение структуры легкосплавного слитка в процессе литья может быть достигнуто воздействием на жидкую фазу металла излучениями электромагнитной природы заданного (эталонного) спектрального состава. Напряженность поля эталонных излучений должна соответствовать измеряемой температуре расплава и определяется управляемой величиной индукции вихревых электротоков в эталонном образце металла. Этим в системе металл-излучения моделируются энергетические условия систем «с отрицательной теплоемкостью».

Во второй главе принимаются начальные предположения и ограничения и строится основная модель иерархической структуры полей.

В разделе 2.1 на основании принимаемых предположений и ограничений определяется нижний иерархический уровень физических полей, удовлетворяющих теореме Гельмгольца, доказывается теорема вириала для замкнутой системы в сплошной среде, и определяются основные механические свойства данных полей.

Предположение 1. Физическое пространство полагается неограниченным, однородным и изотропным, являющимся упорядоченными ли-

нейными расстояниями между точечными частицами тела сплошной материальной среды, обладающей механическими свойствами и формирующейся в физические тела, наблюдаемые свойства которых полностью определяются свойствами данной среды. Идеальным наблюдателем в физическом пространстве полагается система координат Х = (хьх2,х3).

Предположение 2. Физическое время ®х есть однозначное и непрерывное поле общего вида - скалярного Г] и векторного П потенциалов, определенное в каждой точке х а X физического пространства.

Примем физический смысл скалярного потенциала г} поля, как

плотность жидкости, и физический смысл векторного потенциала П, как векторное поле касательных скоростей вращающейся сжимаемой жидкости. Но обоими потенциалами характеризуется состояние точечных частиц материального тела физического пространства, поэтому оба потенциала не могут бы1гь выражены в виде каких-либо скалярных и векторных функций. Из этого имеем, что интервал времени / на пути

Ь{х) определяется в виде: г = , где вектор <й - дифференциал

4*)

Ь(х); в таком случае (при скалярных произведениях векторов), в силу Л ф О интервал ни при каких условиях не достигает нуля. Скорость V движения материальной точки в физическом пространстве определяется в виде: V = ей/Л , чем исключаются мгновенные взаимодействия и бесконечно высокие скорости. Метрика физического пространства, при

II 2 2 2

V = у| , определяется в виде: 3 = V I .Из этого следует, что линейные

размеры физических тел и расстояния в однородном и изотропном физическом пространстве определяются только его материальным телом, как массивом физического времени.

Предположение 3. Наблюдаемый физический мир есть симметрия Ал. = Ат (770, р о ) наблюдателя X и состояния сплошной среды (в физическом пространстве), обладающей свойствами идеальной сжимаемой жидкости, каждая частица которой характеризуется плотностью О < ?70 < 1]тах и количеством движения 0 < р0 < р0тш:, при этом величины скоростей движения физических тел не превосходят скорости света.

Кроме предположений, приведенных выше, для всего физического пространства полагаются справедливыми известные принципы: наименьшего действия, сохранения энергии, импульса и пр.

Применяя известную теорему о тяжелой массе материальной окружности: т ~ со'1, где со - круговая частота вращения частиц идеальной сжимаемой жидкости - материальной окружности, получаем, что гравитационное физическое поле является фундаментальным физическим полем в иерархической системе физических полей. Данное поле может быть представлено в виде, определенном теоремой Гельмгольца. Для этого (на основании теоремы Стокса) произведем «масштабирование» наблюдателя X, положив частицей материального тела физического пространства сплошную среду в объеме этого пространства, стремящемся сжаться к точке. На этом основании имеем искомые формулы напряженности рассматриваемого поля в векторном виде: (3) G0 = rotn + grad77 , divü = О,

при lim grad 77 = 0, что соответствует закону всемирного тяготения.

Я-Ко

Формула (3) содержит вихревую составляющую, появляющуюся в явном виде при дифференцировании векторного потенциала времени по пространственной переменной. Так как вихревой вектор может быть выражен суммой независимых гармонических колебаний, а формы эквипотенциальных линий - спектральными интегралами или рядами Фурье, данная составляющая определяет геометрическую форму физического тела, в данном случае, эквипотенциальных линий (поверхностей) поля. Воспользовавшись известными определениями информации, как меры упорядоченности и, одновременно, неравномерности распределения в физическом пространстве вещества и энергии, найдем, что вектор rotn обладает информационными свойствами, так как неравенством rotn Ф 0 определяется упорядоченное и неравномерное распределение потенциала поля в физическом пространстве.

В силу того, что вихревой вектор обладает информационными свойствами, предположим, что гармоническими спектрами вихревых компонентов всех физических полей, составляющих данное тело, однозначно задаются не только геометрическая форма физического тела, но и определяющая эту форму его структура.

Результаты анализа, приведенного выше, удовлетворяют известному названию поля G0 как гравитационно-информационного.

Определив массу и гравитационно-информационное поле в материальном теле физического пространства, и применяя начальные предположения, рассмотрим теорему вириала для свободного вихря в сплошной среде: энергия Е свободного вихря, как замкнутой устойчивой системы складывается из энергии связей ЕС6 , внутренней энергии Ет и

энергии Ел линейного движения данной системы в физическом пространстве: Е = Есв + Еви + Ел, причем выполняются соотношения Есв/2 = Евн=Ел.

Доказательство соотношения Есв/2 = Евн не отличается от известного для двух тяготеющих масс, если положить, что рассматриваемый вихрь есть система материальных окружностей массы т и радиуса Я, т.е. окружностей, проведенных через одни и те же частицы идеальной сжимаемой жидкости, и являющихся векторными линиями касательных скоростей у0 вращения этой жидкости вокруг центра каждой окружности (рис. 1а).

Рис. 1. Неподвижная (а) и движущаяся (б) материальные окружности

В этом случае рассматривается вращение малых масс йт = в

едином центральном поле массы всей материальной окружности т.

Доказательство соотношения Евн = Ел строится на предположении, что данная материальная окружность (рис. 1а), состоит из частиц среды с плотностью «покоя» 77, и размещена в физическом пространстве с плотностью среды в области ее локализации 770 < 77 < Т]тах . Данная геометрическая окружность, как векторная линия движения частиц, образует векторное поле скоростей Уо .

Пусть центр инерции данной материальной окружности (центр геометрической окружности 0) движется в физическом пространстве равномерно и прямолинейно в плоскости вращения со скоростью V! <у0,

|у,| (рис. 16). Энергия этого движения Е/;

ту± /2

На основании принципа сохранения импульса, уравнения плотностей количества движения для частиц в положениях а и Ъ (рис. 16), соответственно, имеют вид:

= 0 + т = ЛьЬо

Перемножим попарно левые и правые части данных уравнений, приведем произведение к виду, содержащему в каждой из частей только однородные члены, и извлечем из обеих частей квадратные корни:

При 77 = const, положив vt < v0, имеем конечную величину rjar}b, но при V| v0 получаем t]ar)b со, очевидно, утрачивающее смысл. Но, одновременно, при Vj -» v0 имеем Ея ->Еви, а с учетом знаков при Есв, Евн и Еп - компонентах энергии рассматриваемой системы, получаем в системе отсчета, не связанной с данной системой - материальной окружностью: Е-~Есв + Евн +ЕЛ =0, что соответствует понятию замкнутой системы и, следовательно, теорема доказана.

Таким образом, замкнутая система (т.е. такая, компоненты которой взаимодействуют только между собой), определенная в системе отсчета, не связанной с данной замкнутой системой, не взаимодействует ни с каким телом или иной системой в этой системе отсчета, так как энергия такого взаимодействия равна нулю. Заметим, что, так как при Ел = Евн материальная окружность, как система утрачивает устойчивость, то в реальности достижимо только Е -» 0 и, следовательно, такая система должна называться псевдозамкнутой.

Из формулы (4) получаем следствие теоремы вириала. Положив v0=c, получаем преобразования, аналогичные группе Лоренца, но в виде соотношений плотностей движущейся сплошной среды, организованной в материальную окружность: = rj{l - v^/vq) ' .

Вывод. На основании принятых предположений и с использованием теоремы Гельмгольца о формальном описании векторных полей строится модель фундаментального гравитационно-информационного поля, источником которого является вихревое движение сплошной среды, и для которого справедливы энергетические соотношения, получаемые из доказательства теоремы вириала.

В разделе 2.2 строится модель непрерывности материального вихря в физическом пространстве, и модель состояния материального тела физического пространства при наличии в нем движущегося материального вихря.

Рассмотрим материальный вихрь, ось вращения которого ориентирована в физическом пространстве вдоль координатной оси хх, и движу-

щейся равномерно вдоль нее. Модель наблюдения данного физического тела в начале лабораторной системы отсчета задана уравнением

(5) Ü(t)/2 + Ü(t) + U{t) = 0, U2(0)= 1,

где t - интервал времени, отсчитываемый вдоль линии движения, U(t) - поле наблюдаемых положений частиц (т.е. поле скоростей) данного тела в лабораторной системе отсчета в момент времени /0, совпадающем с началом отсчета. Коэффициентом 1/2 при производной второго порядка учитывается возмущение материального тела физического пространства, наблюдаемое в лабораторной системе отсчета.

В соответствии с начальными условиями имеем решения уравнения

(5): U](t) = eSi , U2(t) = es\ где su=(-l±/> и / = (-l)I/2, или U{t) = U\(t) + U2(t) • Рассмотрим, например, решение í/¡(/) в виде U\(í) = еч (eos/sin/)

Амплитуда е~~' вихря Ux(t), движущегося в физическом пространстве со скоростью Ü] (t) ф 0, в данном случае не может рассматриваться падением амплитуды вращения данного вихря, и является наблюдаемой в начале отсчета амплитудой вращения в среде, связанного с наличием этого вихря, и изменяющейся в соответствии с изменением расстояния до точки наблюдения (начала системы отсчета) с течением времени. Из этого следует, что при наличии движущегося материального вихря в физическом пространстве (в лабораторной системе отсчета) материальное тело последнего возмущено вдоль линии движения центра инерции данного вихря в соответствии с параметрами этого движения.

В силу того, что движущийся вихрь наблюдается в виде

Ux{t)- еч~" , и так как экспоненциальная функция непрерывна на интервале аргумента (—оо,+ао), а направление координатной оси , вдоль которой происходит данное движение, может быть выбрано произвольно, найдем, что любое уравнение, аналогичное (5), одновременно может рассматриваться уравнением непрерывности движения тела U(t) в физическом пространстве.

Вывод. Наличие движущегося в инерциальной системе отсчета вихря сплошной среды отражается в непрерывном возмущении данной среды в данной системе отсчета в соответствии с параметрами данного вихря.

В разделе 2.3 кратко рассматривается модель состояния материального тела физического пространства при наличии в нем материального

вихря, неподвижного или движущегося со скоростью ниже, чем определенная теоремой вириала.

Если скорость движения данного вихря ниже найденной при доказательстве теоремы вириала, то последняя в приведенной формулировке не справедлива. В уравнении, подобном (5), меняется смысл производной первого порядка, т.е. скорости. Данная производная, в силу аддитивности дифференциалов, распадается на несколько составляющих -скоростей истечения излучений из данной системы, как источника этих излучений, и полей касательных скоростей - векторных потенциалов излучений. Для такого случая формулировка теоремы вириала должна быть уточнена: энергия Е уединенного свободного вихря, как устойчивой системы складывается из энергии связей Есв , внутренней энергии Евн, энергии Ел движения данной системы в физическом пространстве и энергии излучений Етл : Е = Есв + Евн + Еп + Еизя , причем выполняются соотношения Есв/2 - ЕвИ = Ел + Еизл; данная система является псевдозамкнутой, когда Еизл —>• 0 .

В разделе 2.4 строится модель частицы - носителя электрического заряда как суперпозиция двух векторных полей.

В силу изотропии физического пространства имеем аксиальным вектор О0, так как составляющие правую часть уравнения поля (3) оба вектора гоШ и gгad 7 - аксиальные. Из этого следует, что в физическом пространстве с системой отсчета, связанной с полем С0, при выборе, например, положительного направления координатной оси в направлении гоШ , возможно определение множества {С]} других полей, аналогичных С0, со знаками их вихревых составляющих, совпадающих и противоположных знаку гоШ .

Если параметры полей {01} таковы, что их наличие значимо только локально в окрестностях их центров, как точечных источников, то возможно определение комбинационного поля в01, как суперпозиции и {С,}. Наложив здесь дополнительно условие постоянства знаков {в^ относительно С0, и на основании теоремы вириала, прогнозирующей движение полей {в^ в системе отсчета, связанной с О0, найдем, что поля {О!} вращаются в поле С0 вокруг его центра. Варианты компоновки полей (рис. 2) соответствуют решениям их и и2 уравнения, аналогичного (5).

Рис. 2. Схематичные изображения компоновок структур полей, несущих отрицательный (а) и положительный (б) электрические заряды; локальные поля условно показаны ограниченными

Так как вращающаяся материя обладает свойством массы и моментом вращения (гироскопическим), имеем, что плоскости вращения полей }, вращающихся, одновременно, вокруг центра вращения С0, лежат в плоскости вращения в0.

Полагая, что количество полей в 1, вращающихся вокруг общего центра, велико, выполним (имея в виду теорему Стокса) второе «масштабирование» наблюдателя X. Для этого положим частицей материального тела физического пространства его материальное содержание в объеме, линейные размеры которого во много раз больше расстояний между центрами полей в]. В результате этой операции в области определения поля С0] (т.е. во всем физическом пространстве) получаем

«усреднение» скалярного потенциала - ^сплошной среды и векторного потенциала Ф (касательных скоростей вращения). На этом основании поле в01 определяется в виде: С0( =rotФ + grad(р.

Так как знаки го1С, определены относительно гоШ, найдем (как видно из рис.2), что знаки пЛФ и §гас!(р могут совпадать со знаком гоШ или оказываются противоположными. При этом, имея в виду теорему о тяжелой массе, заметим, что, так как система отсчета, в которой здесь рассматривается данная система полей, связана с полем то если выполняются определенные теоремой вириала соотношения величин касательных скоростей, вихревые составляющие комбинационного поля практически недоступны для наблюдения. Однако в этой же

связи, так как начало отсчета примененной здесь системы координат лежит в области поля С01 и неподвижно относительно его центра массы, наблюдаемы его градиентные составляющие.

Так как наблюдатель, связанный с некоторым физическим телом, может быть заменен наблюдателем X, если данное тело покоится в физическом пространстве, то перечисленные выше свойства комбинационного поля позволяют рассматривать данное поле как частицу, несущую «заряд», подобный электрическому. Данный «заряд» будет полагаться положительным, если |*гас1 <р > 0 (направлен от точечного источника-центра С01, рис. 2а), и отрицательным, если grad^ < 0 (направлен к центру - точечному источнику С01, рис. 26).

Вывод. Модель вихря сплошной среды, который обладает свойствами, близкими к свойствам частиц - носителей электрического заряда, строится с применением принятых предположений, теоремы Гельмголь-ца и теоремы вириапа в виде двухуровневой иерархической системы гравитационных полей.

В третьей главе вырабатывается модель вихревых электротоков в металле и анализируется соответствие излучений этих электротоков структуре данного металла.

В разделе 3.1 векторная модель вихревого электротока строится и анализируется на основании стремления механической системы к состоянию минимума энергии, отражаемому теоремой вириала, т.е. к состоянию замкнутости.

Как известно, напряженности магнитного и электрического полей электротока проводимости, т.е. электрозаряженных частиц, движущихся в системе отсчета X по некоторой линии (и, соответственно, относительно материальной сплошной среды), связаны соотношением

Н = с_|[уЕ], где Н - напряженность магнитного поля Н = го!Ф, Е -напряженность электрического поля Е = -§гас!#>, V - скорость движения заряда (положим V = у1, рис. 16), с - величина скорости света. Так как Ф, как векторный потенциал, есть вектор поля касательных скоростей вращения {С ]} вокруг центра С0, то при у = 0, имеем

НтФ-По =0, где Пс - векторный потенциал поля и данное вращение материи не наблюдается, в силу обращения в ноль (в центрах скоростей) внутренней энергии С01. Но при у^О для поля О01 условия замкнутости не выполняются и данная составляющая поля является наблюдаемой, что позволяет рассматривать Ф как магнитное поле.

В качестве физической электропроводящей среды, неограниченной в физическом пространстве, рассмотрим твердое металлическое тело. В соответствии с принятой в настоящее время моделью, данное тело является кристаллическим с периодической структурой, в узлах которой размещены ионы металла, а пространство между ними заполнено вырожденным электронным газом. Выполняя третье «масштабирование», частицей д данного газа, как идеальной сжимаемой жидкости, положим электронное содержание пространства в объеме, линейные размеры которого во много раз превышают расстояния между элементарными носителями электрических зарядов.

Наложением внешнего нестационарного поля электромагнитной индукции на данное металлическое тело - электрический проводник -движение частиц ¿¡¿¡¡Ш электронного газа в данном проводнике упорядочивается в соответствии с индукцией пЖ1> внешнего поля. В теле проводника в пространстве между ионами формируются вихревые электротоки проводимости <Э<7/Э/ ~ го!Ф.

В силу того, что индуцированные (и поддерживаемые стационарно) вихревые электротоки в проводнике текут в межионном пространстве, каждый ток может быть представлен, вообще говоря, замкнутым контуром ¿(х). В этом случае каждый контур рассматривается замкнутой системой частиц идеальной сжимаемой жидкости - материальным контуром, для которого справедлива теорема Томсона о стационарности циркуляции вектора скорости этих частиц на данном контуре.

В силу стационарности циркуляции данный материальный контур, как физическое тело, может рассматриваться, в некотором смысле, замкнутой системой, для которой циркуляция вектора скорости совпадает по величине с внутренней энергией данного тела. В соответствии же со скорректированной формулировкой теоремы вириала, данный материальный контур является псевдозамкнутой системой. Из этого, имея в виду свойства электромагнитных излучений вихревых электротоков, найдем, что компоненты энергии излучений также имеют постоянные величины. Справедливость этого утверждения следует из известных свойств электромагнитных излучений и независимости от движения источника скорости их распространения в физическом пространстве. То же справедливо и для магнитных полей вихревых электротоков. Следовательно, для излучений, как множества псевдозамкнутых систем, имеет место желательное (см. разд. 1.3) соотношение Евн/Есв .

Как упоминалось, линия Ь(х) может быть определена спектральным интегралом Фурье. Так как в каждый момент времени линия Ь{х) оп

сывается единственным спектром, то и вихревой вектор излучений данного тока в каждый момент времени является однозначным отображением данного спектра, т.е. однозначно соответствует локальной структуре проводника (являющегося в таком случае передающей антенной).

Вывод. Вихревой электроток в металлическом проводнике и соответствующие данному электротоку электромагнитные излучения отражают структуру данного проводника.

В разделе 3.2 кратко анализируется проникновение излучения, отражающего структуру эталонного излучателя, в толщу жидкого металла.

Данный анализ выполнен на основании предложенной в настоящей работе иерархической модели физических полей и в связи с тем, как известно, что электромагнитное излучение с длинами воли, большими порядка 1(Г9м, в толщу металла практически не проникает, а толщина слоя жидкого металла может достигать 2'10~'м. В этих условиях структура эталона отражается индуцированными в жидком металле вихревыми электротоками, соответствующими структуре излучений эталона, а также гравитационно-информационным полем, транслированным этими излучениями, однозначно соответствующим структуре эталона и обладающим высокой проникающей способностью. Таким образом, процесс организации структуры в жидком металле определяется, во-первых, электродинамическим взаимодействием вихревых электротоков (обладающих эталонными геометрическими формами) электронного газа в межионном пространстве с ионами, как вихревыми электротоками (орбитальных электронов), и, во-вторых, гравитационным взаимодействием ионов с обладающими свойством тяжелой массы вихревыми электротоками в межионном пространстве.

Вывод. Математические модели физических полей, электрических зарядов и электротоков показывают, что в процессе последовательных отображений вихревых электротоков в эталонном образце металлического сплава в действие управляющего поля в металлическом слитке параметры структуры эталона сохраняются и, следовательно, фиксируются в слитке при его отвердевании.

В главе 4 рассматривается предложение конструкции излучателя, отвечающей результатам анализа, выполненного в разд. 1.2, и моделям, рассмотренным в главах 2 и 3.

Как следует из предыдущих глав, вихревые электротоки в эталонном излучателе должны лежать в плоскостях, нормальных к линиям излучения, проходящим через слой расплавленного металла. Кроме этого, с точки зрения повышения эффективности действия излучений, желательно, чтобы энергия излучений со спектрами, отличными от характеризующих структуру эталонного излучателя, была минимально возможной.

В соответствии с этими требованиями, учел излучателя может быть построен в виде диска из эталонного материала, на который наложена плоская спиральная электрическая катушка-индуктор (рис. За). Данный узел представляет собой вырожденный трансформатор тока (массовый излучатель). Подача пульсирующего (однополярного) электротока в катушку вызовет индукцию вихревых электротоков в диске, и будет их поддерживать, компенсируя затухание из-за потерь в виде излучений.

ГЕНЕРАТОР КОЛЕБАНИЙ

б

Рис.3. Схематичное изображение узла эталонного излучателя (а) и схемы его возбуждения (б)

Схема формирования электротока возбуждения излучателя (рис. 36) состоит из стандартного генератора гармонических колебаний, в качестве которого может быть использован генератор для индукционной плавки сырья (с диапазоном рабочих частот 1 ОО-ИООКГц), узла регулирования амплитуды колебаний, усилителя тока, устройства управления узлом регулирования амплитуды колебаний и двуполупериодного быстродействующего мощного выпрямителя. На выходе выпрямителя получается пульсирующий ток возбуждения индуктора.

В главе 5 приведена структура автоматизированной системы литья легких сплавов, отличающаяся наличием схемы управления формированием структуры металла управляющим излучением.

Схема данной автоматизированной системы управления, соответствующая формулировке цели настоящей работы, показана на рис. 4.

В состав данной системы входят: контроллер, реализующий метод управления, рассмотренный в разд. 1.3, подсистемы контроля температуры металла и веса слитка, а также подсистемы регулирования скорости подачи слитка (в шахту), регулирования интенсивности подачи расплава в горячую зону слитка и генерации излучений, формирующих структуру сплава, близкую к эталонной.

Так как процесс получения металлической отливки не является быс-тропротекающим и существенно зависит от остывания и твердения отливки, то к быстродействию контроллера особых требований не предъявляется. Входными данными для алгоритма управления является ин-

формация от датчиков температуры металла ФДТ и от тензодатчиков текущего веса слитка ТДВ. Сигналы от датчиков оцифровываются ана-логоцифровыми преобразователями (АЦП1 и АЦП2) и в таком виде подаются для обработки. В силу грубости и инерционности процесса литья в качестве АЦП достаточно применения 8-10-разрядных устройств.

Рис. 4. Схема автоматизированной системы управления литьем легких сплавов с формированием структуры металла управляющим излучением

Алгоритм рассматриваемой автоматизации состоит в следующем.

1. В соответствии со стандартной циклограммой процесса контроллер выдает разрешающий сигнал на регулятор подачи металла РПМ, открывающий задвижку литника, после чего по информации о предыдущем и текущем весах слитка рассчитывает изменение веса - вес порции жидкого металла, поступившего в опоку.

2. По достижении заданного изменения веса на РПМ подается запрещающий сигнал, задвижка литника закрывается, прекращая поступление металла.

3. Устройство эталонных излучений УЭИ включено постоянно с начала разливки и до ее окончания. Однако амплитуда возбуждения излучений, следовательно, и их мощность изменяются (см. разд. 1.3) по сигналу к контроллера. Данный сигнал вырабатывается на основе информации Г) от датчиков (ФДТ) температуры металла.

4. При возрастании измеряемой величины температуры т\, связанном с поступлением новой порции расплава в опоку или в случае замедления охлаждения слитка, напряженность полей излучений УЭИ должна возрастать, так как рост температуры металла является, в соответствии с теоретической моделью, признаком ухудшения отношения Евн/Есв . С

падением измеряемой температуры напряженность полей излучений УЭИ должна падать. Полагается, что таким регулированием будет поддерживаться оптимальный режим образования в остывающем расплаве зародышей кристаллов и, далее, кристаллитов. В силу этого, режим формирования структуры слитка «стандартизуется», и характеристики слитка практически не изменяются по всей его длине.

5. Так как формирование структуры слитка в зоне расплава зависит не только от его температуры, но и от напряженности управляющего поля в этой зоне, то управление Л амплитудой возбуждения УЭИ рассчитывается контроллером как характеристика энергии излучений, отнесенная к толщине жидкого слоя металла. Толщина этого слоя определяется на основании измерения изменения веса отливки, известных удельного веса металла и площади его растекания.

6. По мере охлаждения и твердения отливки, что вычисляется на основании измерений температуры, отливка опускается в шахту включением через регулятор РЭ электропривода ЭПС смещения отливки через передаточный механизм МП. При этом в верхней части агрегата освобождается пространство для новой порции расплава.

7. Приведенный выше алгоритм циклически повторяется до тех пор, пока вес отливки не достигает заданной величины.

Заметим, что сформированная излучением структура застывшего металла обладает определенной конфигурацией электромагнитных и гравитационных полей. Имея это в виду, найдем, что на расплавленный металл (в верхней части отливки) воздействуют два управляющих поля. Одно - со стороны эталонного излучателя, второе - со стороны застывшего металла. Так как структура уже застывшего металла сформирована под воздействием излучений эталонного излучателя, то конфигурации данных двух управляющих полей весьма близки. Однако напряженности рассматриваемых полей застывшего металла невелики и сравнимы по величинам с напряженностями внешних полей естественного происхождения (и паразитными техногенными).

Напряженности полей, генерируемых эталонным излучателем, могут быть получены на несколько порядков более высокими, чем напряженности полей иного происхождения. Это позволяет оценить максимальную мощность эталонных излучений не превышающей 10-20 Вт, и опустить вопросы рассмотрения теплообмена как в УЭИ, так и в слитке.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы.

В приложении приведены документы, подтверждающие практическое применение результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, на основе известных моделей гравитационного и электромагнитного физических полей, рассмотрено управление формированием структуры металла, построена модель переноса заданной структуры от одного металлического тела к другому и предложена схема автоматизированного управления формированием структуры металлического слитка в процессе литья.

Основные новые результаты работы:

1) в виде иерархической системы скалярных и векторных полей построена с математической точки зрения простая в применении модель структуры металла, и выявлены свойства воздействий, управляющих формированием его структуры, чем показана принципиальная возможность управления формированием связей в металле;

2) как аналог принципа управления «с эталонной моделью» в замкнутом контуре, на основании построенных иерархических моделей полей разработана модель управления формированием заданной структуры металлического слитка воздействием на жидкий металл излучений электромагнитной природы, отражающих данную структуру;

3) для реализации принудительного переноса заданной структуры от эталонного образца к формируемому металлическому телу разработан управляемый электротехнический узел генерации излучений, отображающих структуры эталонного образца сплава в слиток;

4) разработаны алгоритм управления и схема автоматизации формирования структуры металлического слитка, отличающаяся применением воздействия электромагнитного излучения регулируемой мощности на жидкий металл в процессе литья. Предложенные алгоритм управления и схема автоматизации опробованы ОАО «Авиапромналадка» и рекомендованы для промышленного применения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Воробьев Г.Г. О возможности построения полностью однородных управляющих систем. Автоматика и телемеханика, №2, 2003, с. 137.

2. Воробьёв Г.Г. О возможности построения управляющих систем нового поколения. // Труды II международной конференции «Идентификация систем и задачи управления», январь 2003.

3. Воробьев Г.Г. О некоторых механических свойствах вихрей идеальной сжимаемой жидкости и теореме вириала, - М. // Сборник трудов Института проблем управления РАН, т. 22, 2003, с. 80.

4. Воробьёв Г. Г., Дмитренко Л. Г. Исследование механических и информационных процессов, определяющих формирование структур в идеальной баротропной среде. // Препринт Института проблем управления РАН, М., 2001,65 с.

5. Дмитренко Л. Г., Воробьёв Г. Г. Об одном подходе к исследованию перспективных источников информации для систем управления. // Сборник трудов Института проблем управления РАН, М., 2001, том 13, с. 43-48.

6. Дмитренко Л.Г., Воробьёв Г.Г. О некоторых отображениях технической информации, тезисы. // Материалы X международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем», декабрь 2002,ч. 1, с. 331.

7. Воробьев Г.Г., Дмитренко Л.Г. Об онтологизации управления и о теореме вириала, как универсальном законе существования организованной материи. // Сборник трудов Института проблем управления РАН, М., т. 22, 2003, с. 54.

8. Воробьёв Г. Г., Дмитренко Л. Г. Подход к решению некоторых проблем онтологии. // Препринт Института проблем управления РАН, М., 1997, 36 с. .

Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем:

• в работе [4] автором рассмотрены начальные предположения и ограничения исследования, начато построение модели иерархической системы физических полей, как идеальной сжимаемой жидкости;

« в работах [5 - 7] автором рассмотрены вопросы возможности использования круговых частот вращения материи и вихревых векторов в качестве информации о состоянии сплошной среды;

• в работе [8] автором с материалистической философской позиции проведено исследование вопроса о возможности построения единой иерархии физических полей.

Зак. 80. Тир. 100. ИПУ.

РНБ Русский фонд

2005-4 14143

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

Общая постановка задачи формирования структуры заготовки из металлического сплава в процессе литья. Выбор и анализ методов и средств построения моделей и управлений для решения задачи формирования структуры металла

1.1. Общее описание и,анализ технологий получения удовлетворительной структуры заготовок из легких сплавов

1.2. Анализ процесса формирования структуры слитка с позиции решения задач математической теории поля

1.3. Предложение и анализ управлений процессом формирования структуры слитка

ГЛАВА

Начальные предположения и основная модель иерархической структуры полей

2.1. Начальные предположения. Теорема вириала.

Основные механические свойства полей

2.2. Модель непрерывности движения материального вихря

2.3. Модель физического пространства, содержащего материальный вихрь, движущийся с низкой скоростью

2.4. Модель частицы - носителя электрического заряда

ГЛАВА

Модели вихревых электротоков в металле и их излучений

3.1. Модель вихревого электротока в металле

3.2. Проникающая способность излучений в металл

ГЛАВА

Конструкция узла излучателя управляющих воздействий

ГЛАВА

Функциональная схема и алгоритм автоматизации

Актуальность темы

В настоящее время одним из технологических этапов производств крупногабаритных металлических изделий, таких, как самолеты, корабли, ферменные конструкции и др., является отливка крупногабаритных заготовок из алюминиевых сплавов. Габаритные размеры этих заготовок достигают 8x2x1,5м и более. Непрерывное литье осуществляется в скользящую опоку, и в темпе естественного остывания и твердения слитка, он выдвигается из опоки в вертикальную шахту вниз.

Основная трудность получения заготовки требуемого качества связана с ускоренным темпом остывания слитка в начале и при окончании литья. Это отражается в возникновении в слитке внутренних напряжений, приводящих к его растрескиванию на обоих концах. В соответствии с действующей в настоящее время технологией, для получения заготовки требуемого качества концевые части слитка длиной до 2м отрезаются в отходы, и годной полагается только его средняя часть.

Исследования в области материаловедения и технологии литья легких сплавов, выполненные более 50 лет тому назад, показали, что качество слитка повышается при максимально возможном уменьшении толщины слоя жидкого металла на горячей стороне заготовки. Однако в связи с относительно высокой вязкостью жидкого металла и трудностями измерения толщины жидкого слоя практически достичь приемлемых параметров процесса литья в заводских условиях не удается.

Также не дают хороших результатов предложенные недавно технологии литья в слабых магнитных полях.

Трудности с устранением растрескивания слитка имеют основной причиной несоответствие моделей формирования заданной структуры металла возможностям управления этим процессом. В этой связи, получение высококачественных заготовок из легких сплавов до настоящего времени является одной из актуальных проблем, требующих глубокой теоретической проработки, и практически реализуемо при автоматизированном управлении процессом литья.

Целью работы является: разработка автоматизированной системы управления формированием структуры металлического слитка в технологическом процессе литья для повышения технических характеристик слитка.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) с точки зрения цели работы: управления формированием структуры металла построить механико-математическую модель комплекса полей, являющихся причиной металлических связей, обеспечивающих пространственное распределение ионов металла в кристаллической решетке. Так как данные связи обеспечиваются равновесием сил гравитационного и электростатического взаимодействия ионов и вырожденного электронного газа в межионном пространстве кристаллической решетки, то с помощью полученной модели описывается структура металла как предмет формирования, и выявляются свойства полей, взаимодействующих со структурными связями и воздействующих на структуру;

2) с точки зрения выбора управляющих воздействий на процесс организации заданной структуры металла определить процесс генерации излучений, реплицирующих эталонную структуру сплава в жидкую фазу металла, и соответствующий, одновременно, модели поглощения этих излучений. С точки зрения управления (формированием структуры вещества) значимое различие жидкого и твердого металла заключается в том, что пространственные формы токов электронного газа в межионном пространстве твердого тела практически стационарны, а в жидком теле непредсказуемо меняются. В соответствии с этим, носителями управляющих воздействий, отображающих в жидкий металл структуру эталонного образца сплава, могут быть поля электромагнитной природы, излучаемые индуцированными в эталонном (твердом) образце вихревыми электротоками;

3) выбрать метод управления формированием структуры металла и обосновать его действенность при реальном применении;

4) для возможности генерации управляющих воздействий - излучений, обладающих свойствами, удовлетворяющими построенным моделям, разработать излучающий узел и схему индукционного возбуждения вихревых электротоков в эталонном образце сплава;

5) для автоматизации литейного агрегата, оснащенного системой управления формированием структуры металлического слитка управляющими излучениями в процессе литья, разработать общую схему автоматизации литейного агрегата, включающую излучающее устройство, и алгоритм управления данным агрегатом.

Структура диссертации

Указанный комплекс цели и задач определяет структуру и содержание работы, состоящей из пяти глав, заключения, списка использованной литературы, приложения. Каждая глава предваряется краткой аннотацией, представляющей круг вопросов, рассматриваемых в главе.

В первой главе обсуждается круг вопросов, рассматриваемых в диссертации. Приводится общая постановка задачи, решаемой в диссертации, и намечается путь ее решения.

В разделе 1.1 рассматривается и анализируется проблема получения высококачественных заготовок из литейных легких металлических сплавов, рассматриваются причины снижения качества слитков.

В разделе 1.2 с точки зрения теории управления и с применением положений математической теории поля рассматривается принцип реализации формирования структуры слитка.

В разделе 1.3 с позиций термодинамики и спектрального анализа рассматривается предложение управления формированием структуры слитка моделированием в слое жидкого металла условий термодинамических систем «с отрицательной теплоемкостью».

Во второй главе принимаются начальные предположения и ограничения и строится основная модель иерархической структуры полей.

В разделе 2.1 на основании принимаемых предположений и ограничений определяется нижний иерархический уровень физических полей, удовлетворяющих теореме Гельмгольца, доказывается теорема ви-риала для замкнутой системы в сплошной среде, и определяются основные механические свойства данных полей.

В разделе 2.2 строится модель непрерывности движения материального вихря в физическом пространстве и модель состояния материального тела физического пространства при наличии в нем движущегося материального вихря.

В разделе 2.3 кратко рассматривается модель состояния материального тела физического пространства при наличии в нем материального вихря, неподвижного или движущегося со скоростью ниже, чем определенная теоремой вириала.

В разделе 2.4, на основании выбранного подхода к построению иерархических структур, строится модель частицы — носителя элементарного электрического заряда как суперпозиция двух векторных полей.

В третьей главе вырабатывается модель вихревых электротоков в металле и анализируется соответствие излучений этих электротоков физико-химической структуре металла.

В разделе 3.1 векторная модель вихревого электротока строится и анализируется на основании стремления механической системы к состоянию минимума энергии, отражаемому теоремой вириала, т.е. к состоянию замкнутости.

В разделе 3.2 кратко анализируется проникновение агента структуры эталонного излучателя в толщу жидкого металла.

В главе 4 рассматривается предложение конструкции излучателя, отвечающей результатам анализа, выполненного в разд. 1.2, и моделям, рассмотренным в главах 2 и 3.

В главе 5 приведена структура автоматизированной системы литья легких сплавов, отличающаяся наличием схемы управления формированием структуры металла управляющим излучением.

Основными научными результатами, выдвигаемыми на защиту, являются следующие:

1) для управления формированием заданной структурой металлического сплава применено управление силовым, в соответствии с законом Ампера, взаимодействием двух множеств вихревых электротоков: эталонного со стационарными пространственными формами и управляемого с изменяемыми пространственными формами, принудительно приближаемыми к эталонным;

2) доказана теорема о соотношении энергии связей, внутренней и механического движения в физическом пространстве для вихрей - замкнутых механических систем в сплошной среде, что является эффективной основой для применения единого подхода к построению декомпозиционной математической модели физического тела из металла, как иерархии векторных полей;

3) на основании предложенного подхода к моделированию металлических физических тел в виде иерархических систем полей показана принципиальная возможность воздействия излучениями электромагнитной природы на процессы организации связей в массиве жидкого металла. Это позволяет применять данные излучения в качестве носителей управляющих воздействий на формирование заданной структуры слитка в его горячей зоне;

4) на основании выработанных моделей предложено применение трансформатора тока с вырожденной вторичной обмоткой в качестве узла генерации излучений — носителей управляющих воздействий, отображающих в процессе литья эталонную структуру образца сплава, одновременно, являющегося вторичной обмоткой данного трансформатора, в жидкий металл;

5) предложена схема автоматизации управления формированием заданной структуры металлического слитка при воздействии управляющего излучения на жидкий металл в кристаллизаторе литейного агрегата, и рассмотрен алгоритм функционирования данной схемы.

Положения и результаты теории, предложенной в диссертации, экспериментально проверены на ОАО «Авиапромналадка» (г. Москва).

Методы исследования

В исследовании применены: положения теории управления, методы классической механики и механики сплошных сред, положения векторного анализа и математической теории поля, положения теории рядов и спектральных интегралов Фурье, а также ряд сведений из теории теплообмена и технологии литья легких сплавов.

Научная новизна

Следующие основные результаты диссертации являются новыми:

1) для управления формированием заданной структурой металлического сплава применен метод управления силовым, в соответствии с законом Ампера, взаимодействием двух множеств вихревых электротоков: одного - управляющего эталонного со стационарными пространственными формами, другое - управляемое с изменяемыми пространственными формами, принудительно приближаемыми к эталонным;

2) доказана теорема о соотношении энергии связей, внутренней и механического движения в физическом пространстве для вихрей — замкнутых механических систем в сплошной среде, что является эффективной основой для применения единого подхода к построению декомпозиционной математической модели физического тела из металла, как иерархии векторных полей;

3) на основании предложенного подхода к моделированию металлических физических тел в виде иерархических систем полей показана принципиальная возможность воздействия излучениями электромагнитной природы на процессы организации связей в массиве жидкого металла. Это позволяет применять данные излучения в качестве носителей управляющих воздействий на формирование заданной структуры слитка в его горячей зоне;

4) на основании выработанных моделей предложено применение трансформатора тока с вырожденной вторичной обмоткой - «массового излучателя» в качестве узла генерации данных излучений;

5) предложена схема автоматизации управления формированием заданной структуры металлического слитка при воздействии управляющего излучения на жидкий металл, и рассмотрен алгоритм функционирования данной схемы.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

• предложенная схема автоматизированного формирования заданной структуры легкосплавного слитка при воздействии эталонных излучений во время литья может быть использована при разработках широкого класса литейных агрегатов;

• механико-математические модели, разработанные для целей управления формированием заданной структуры металла, могут быть применены в разработках технологий получения принципиально новых сплавов, в том числе, обладающих структурами, которые невозможно получить в процессах естественной кристаллизации;

• механико-математические модели, разработанные для целей управления формированием структуры металла, могут быть применены в разработках технологий получения информации о структурах различных веществ с целью их идентификации.

Реализация результатов работы

Предложенные в настоящей работе модели и алгоритмы автоматизированного управления формированием структуры слитка во время литья и технический узел генерации управляющих излучений включены, в соответствии с выработанными в настоящей работе рекомендациями, в состав автоматизированной системы управления литьем на предприятии ОАО «Авиапромналадка» (г. Москва, ул. Молодогвардейская, 57).

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на общемосковском семинаре «Логическое моделирование» (Москва, 1999), на международной конференции по проблемам управления «60 лет ИПУ» (Москва, 1999), на семинарах Института проблем управления РАН (Москва, 1998 — 1999, 2001), на X международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, 2002), на II международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (Москва, 2003), на Второй международной конференции по проблемам управления (Москва, 2003), на семинарах ПО «Авиапромналадка» (Москва, 2001 - 2004).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ.

Личный вклад

Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем:

• в работе [4] автором рассмотрены начальные предположения и ограничения исследования, начато построение модели иерархической системы физических полей, как идеальной сжимаемой жидкости;

• в работах [5 - 7] автором рассмотрены вопросы возможности использования круговых частот вращения материи и вихревых векторов в качестве информации о состоянии сплошной среды;

• в работе [8] автором с материалистической философской позиции проведено исследование вопроса о возможности построения единой иерархии физических полей.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 76 названий, и приложения. Работа содержит 110 страниц.

Выводы индуктора

Индуктор

Диск

Рис.5. Схематичное изображение узла эталонного излучателя

Узел излучателя, состоит из диска (возможно, сменного), вырезаемого из заготовки, обладающей хорошо сформированной структурой (определяется на основании микроскопического кристаллографического контроля), и плоской катушки-индуктора, являющейся однослойной плотной спиралью из медной проволоки 0 0,74мм в хлопчатобумажной изоляции, обладающей стабильными свойствами в диапазоне температур до 150° С.

С точки зрения технологии изготовления узла излучателя основную трудность представляет изготовление катушки большого диаметра. Поэтому допустимо покрыть площадь облучения (2x1,5м) синфазной решеткой идентичных излучателей. Так, например, при диаметре диска -300мм прямоугольная решетка, покрывающая рассматриваемую площадь, составляется 35-ю излучателями. В соответствии с моделями, выработанными в предыдущих главах, диаграмма направленности излучения является строго цилиндрической, если толщина диска-излучателя бесконечно мала, а его поверхность идеально гладкая и плоская. Технически такие параметры излучателя не достижимы, и при толщине диска порядка миллиметров, притом, что его поверхность шероховатая, диаграмма направленности излучения оказывается «размытой» в расширяющийся в сторону расплава конус. В соответствии с этим, вся поверхность (сечение) зоны формирования структуры металла будет покрыта излучением составного излучателя, даже, если между излучающими элементами имеются не излучающие области.

Применение для катушки-индуктора проволоки выбранного диаметра позволяет изготовить катушки с количеством витков до 200 при диаметре центрального витка 10мм. Положив силу вихревого электротока в диске (как вырожденной вторичной обмотке трансформатора) не превышающим 20 А, получаем величину тока возбуждения в индукторе не более 100 мА. С учетом теплового рассеяния мощности [66,67] на активном сопротивлении (-2 Ом) проволоки катушки-индуктора величина тока, подводимого к каждой катушке, не превысит 150 -г- 170 мА.

Приняв, с запасом, величину тока, подводимого к каждой катушке-индуктору 200 мА, получаем суммарный ток, подводимый к узлу излучателя, составленного 35-ю элементами, равный 7 А, что реализуемо с технической точки зрения. Функциональная схема формирования электротока возбуждения излучателя показана на рис. 6.

Рис.6. Функциональная схема формирования электротока возбуждения эталонного излучателя

Узел формирования электротока возбуждения излучателя включает в свой состав: а) генератор гармонических колебаний, в качестве которого может быть использован генератор высокочастотной индукционной плавки сырья или отдельный электронный генератор переменного тока с выходной мощностью до 25 Вт и обеспечивающий рабочий ток нагрузки до 15 А. Рабочая частота этого генератора лежит в диапазоне 50-4- 400 КГц; б) узел регулирования амплитуды колебаний электротока возбуждения излучателя и усилитель тока представляет собой последовательный регулятор тока, выполненный по обычной схеме. В качестве регулятора амплитуды колебаний электротока и, одновременно, усилителя тока используется полупроводниковый прибор, обладающий управляемой передаточной характеристикой, симметричной относительно нуля тока. К таким приборам относятся, в частности, мощные полевые транзисторы, например, КП904, обладающие коэффициентами передачи в используемом частотном диапазоне -10 и коммутирующие токи силой до 30 А при напряжениях «исток-сток» и «исток-затвор» -20 В; в) устройство управления узлом регулирования амплитуды колебаний - контроллер рассматриваемой автоматизированной системы управления с цифроаналоговым преобразователем.

Процесс литья и охлаждения заготовки весьма медленный, но, одновременно, физические условия в литейном цехе характеризуются повышенной и нестабильной температурой, а также высоким уровнем механических и электромагнитных помех. В этой связи применение высокоточных интегральных цифроаналоговых преобразователей требует специальных мер по термостабилизации и помехозащите (включая нейтрализацию микрофонного эффекта) и полагается неэффективным.

В качестве цифроаналогового преобразователя, выходное напряжение которого применяется для управления регулятором амплитуды токов возбуждения излучателя рационально применение лестничной ре-зисторной цепи «11-211» с распределенным емкостным фильтром и питанием от контроллера (рис. 7) [68,69]. Время установления напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя может лежать в пределах половины длительности периода циклограммы управления (рассматривается в гл.5);

Вход разряда 1 И с к 1

Вход разряда 2 Вход разряда 8

2К I I н I I

1-Н гп

Выход ЦАП

Рис. 7. Схема лестничной резисторной цепи ЦАП г) двуполупериодный быстродействующий мощный выпрямитель, на выходе которого получается пульсирующий ток возбуждения индуктора. Так как рабочая частота выпрямителя может достигать 400 КГц (и выше) при силе тока не менее 7 А (до 15 А), то в качестве вентильных элементов могут быть применены мощные кремниевые транзисторы в диодном включении. Данному требованию по току удовлетворяют, например, транзисторы широкого применения типов КТ825, КТ827 и т.п. К величинам максимальных обратных напряжений «коллектор-эмиттер» и «база-эмиттер» особых требований не предъявляется, так как амплитудные значения этих напряжений в данной схеме не превышают удвоенного напряжения насыщения транзистора, т.е. <3 В.

Так как в области диска индуктором создается магнитное поле, имеющее значительную радиальную составляющую, вектор напряженности которой ориентируется к центру диска или от него в зависимости от направления тока возбуждения, то для получения в диске вихревых токов с требуемыми свойствами полярность включения индуктора должна соблюдаться. Так, для направления намотки катушки-индуктора «от центра» по часовой стрелке центральный провод индуктора должен соединяться с положительным выводом выпрямителя. Этим будет определено направление вектора переноса энергии излучений (направление вектора Пойнтинга) от диска-излучателя к расплаву.

ГЛАВА 5

Функциональная схема и алгоритм автоматизации

В настоящей главе рассматривается структура автоматизированной системы литья легких сплавов, отличающаяся наличием схемы управления формированием структуры металла управляющим излучением.

5.1. В соответствии с постановкой задачи схема данной автоматизированной системы управления показана на рис. 8.

Рис. 8. Схема автоматизированной системы управления литьем легких сплавов с формированием структуры металла управляющим излучением

В состав данной системы входят: а) контроллер; б) подсистемы контроля температуры металла и веса слитка, включающие в свой состав: первая - фотодатчик температуры (ФДТ) или термопару, вторая — тензодатчик веса слитка (ТДВ) в) подсистема регулирования скорости подачи слитка (в шахту), в составе которой имеется: механизм подачи слитка (МП), электропривод механизма подачи слитка (ЭПС), регулятор электропривода (РЭ); г) подсистема регулирования интенсивности подачи расплава в горячую зону слитка, включающая в свой состав: регулятор подачи металла (РПМ), представляющий собой релейный привод заслонки канала подачи жидкого металла из плавильного агрегата, и канал подачи жидкого металла в кристаллизатор (опоку); д) подсистема генерации излучений (УЭИ, подробно рассмотрена в предыдущей главе), воздействующих на процесс формирования структуры сплава, приближая эту структуру к эталонной.

Так как процесс получения металлической отливки не является быстропротекающим и существенно зависит от остывания и твердения отливки, то к быстродействию контроллера особых требований не предъявляется. В силу того, что остывание слоя (порции) расплава толщиной ~10см от начальной температуры (700+800°С) до температуры начала кристаллизации (600+680°С) идет в течение ~10мин, а температура расплава, изменяется экспоненциально на ~3 градуса в секунду в начале остывания и —0.5 градуса в секунду при температуре твердения металла, то для обработки величин температуры контроллером достаточно 10-разрядных слов.

Имея в виду скорости остывания металла, длительность цикла работы (дискретность запуска) программы контроллера по алгоритму сбора информации о протекании процесса литья и по управлению этим процессом положим равной одной секунде. Это позволяет применить в качестве контроллера однокристальные микроконтроллеры типов ¡8749, 18751 и т.п.

Входными данными [71-76] для алгоритма управления является информация от датчиков температуры металла ФДТ и от тензодатчиков текущего веса слитка ТДВ. Сигналы от датчиков оцифровываются ана-логоцифровыми преобразователями (АЦП1 и АЦП2) и в таком виде подаются для обработки. В силу грубости и инерционности процесса литья, в качестве преобразователей «аналог-код» могут быть применены 8-10-разрядные АЦП с длительностью преобразования до 2% от длительности цикла алгоритма управления.

Как упоминалось в предыдущей главе, физические условия в литейном цехе характеризуются повышенной, температурой, подверженной большим колебаниям, а также высоким уровнем механических и электромагнитных помех. В этой связи, применение высокоточных интегральных АЦП нерационально. Удовлетворительные результаты в этом случае получаются при применении АЦП на основе измерения роста или спада напряжения на эталонной ЯС интегрирующей цепи («пересчетные» АЦП) [70,71]. Требуемая (достаточная) стабильность постоянной времени такого узла обеспечивается применением противоположных по знаку и равных по величине температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) и емкости (ТКЕ). Функциональная и принципиальная схемы «пересчетного» АЦП здесь не рассматриваются ввиду их тривиальности.

В силу тяжелых температурных условий и высокого уровня помех в литейном цехе особые требования предъявляются к конструкции датчиков температуры горячей зоны отливки и физической среде передачи измеренных величин от датчиков к АЦП, которые могут быть отдалены от места размещения датчиков на расстояние до 10-15м.

В соответствии с известными рекомендациями по устройству линий передачи информации в условиях промышленных помех [68,69], чувствительные элементы и предварительные усилители сигналов строятся по дифференциальным (мостовым) схемам с парафазным выходом и оформляются в едином экранированном заземленном конструктиве (рис. 9).

Рис. 9. Схема устройства передачи сигнала от места измерения к

АЦП

Парафазный выход предварительного усилителя позволяет применить для передачи сигнала к АЦП согласованную экранированную витую пару. Совместно с дифференциальным входом усилителя данная мера позволяет аппаратно подавить действие синфазной помехи применением буферного дифференциального усилителя или повторителя на входе АЦП.

5.2. В соответствии со стандартной циклограммой процесса литья заготовки из легкого (алюминиевого) сплава предлагается содержательное описание алгоритма функционирования литейного агрегата с автоматизированной системой управления формированием структуры отливки воздействием управляющих излучений. Данный алгоритм реализуется в текстуальной последовательности пунктов программно управляемым контроллером рассматриваемой автоматизированной системы управления:

1. Предварительно состояния всех электронных и электромеханических узлов и устройств системы управления контролируются на соответствие исходным, известным наперед. Проверяется работоспособность приводов. Выдачей кода на ЦАП регулятора амплитуды тока возбуждения индуктора включается эталонный излучатель (УЭИ).

2. Из контроллера .выдается разрешающий сигнал на регулятор подачи металла РПМ, открывающий задвижку литника.

3. Контроллером производится ввод информации о текущем весе Рм слитка.

4. По величинам предыдущего Р1 и текущего Рм весов слитка рассчитывается изменение веса АР - вес порции жидкого металла, поступившего в опоку.

5. По достижении заданного А0Р изменения веса слитка: АР = А0Р, на регулятор подачи металла (РПМ) подается запрещающий сигнал, задвижка канала подачи металла закрывается, прекращая его поступление в кристаллизатор (опоку).

6. Величина текущего измеренного веса Рм слитка сохраняется в качестве Рг

7. Контроллером производится ввод информации от датчика темо пературы (ФДТ) о текущей температуре Т/+1 металла в горячей зоне слитка.

8. По величинам предыдущего Т, и текущего Т/+1 измерения темf о о А

Т/+1 - Т/ и величина пературы определяются знак ее изменения sign о

АТ перегрева расплава о о о

ДТ = Т;+1-То , где То - известная наперед температура То твердения металла. о о

При возрастании измеряемой величины температуры: Т/ < Т/+1, связанном с поступлением новой порции расплава в опоку или в случае замедления охлаждения слитка, напряженность полей излучений УЭИ должна возрастать, так как рост температуры металла является, в соответствии с теоретической моделью, признаком ухудшения отношения о о

Евн /Есв. С падением измеряемой температуры: Т/ >Т,+1 - напряженность полей излучений УЭИ должна падать. Полагается, что таким регулированием будет поддерживаться оптимальный режим образования в остывающем расплаве зародышей кристаллов и, далее, кристаллитов. Следовательно, режим формирования физико-химической структуры слитка может быть '«стандартизован», и физико-химические характеристики слитка будут практически неизменными по всей его длине. о

9. В качестве текущей измеренной величины температуры Т, соо храняется Т/+ь

10. Рассчитывается толщина к жидкого слоя металла по формуле: к Perm где SK - площадь поперечного сечения отливки (площадь растекания металла), рст - удельный вес сплава.

11. Так как формирование физико-химической структуры слитка в зоне расплава зависит не только от его температуры, но и от напряженности управляющего поля в этой зоне, то управление Я амплитудой возбуждения УЭИ рассчитывается контроллером как характеристика энергии излучений, с учетом толщины жидкого слоя металла, в соответствии с предложенной в гл. 1 формулой (6): о

X = haAT , где а - коэффициент, постоянный для каждого типа сплава, определяемый экспериментально.

12. Управление Л выдается на ЦАП регулятора амплитуды тока возбуждения УЭИ. о

13. Текущая измеренная температура Т/+1 отливки сравнивается с

О 0 0 температурой То твердения металла, и если Т,+1 > То, то цикл алгоритма повторяется, начиная с п. 3.

14. Данный пункт алгоритма активизируется, пока выполняется о о условие Т/+1 < То. Текущий вес Р, отливки сравнивается с известным наперед весом Р0 - весом готовой заготовки, и если Р1 > Р0, то работа алгоритма завершается выполнением ряда финальных операций, таких, например, как выключение регулятора УЭИ, блокировка регулятора подачи металла и т.д.

15. Данный пункт алгоритма активизируется, пока выполняется условие Р, < Р0. На регулятор РЭ электропривода ЭПС смещения отливки выдается сигнал включения и отливка начинает опускаться в шахту. По мере смещения отливки, в верхней части агрегата (в кристаллизаторе) освобождается пространство для новой порции расплава.

16. По истечении известного наперед интервала времени, в течение которого отливка опускается в шахту на 10-3 Осм, или по сигналу от датчика смещения отливки (на рис. 8 эта цепь не показана), если такой датчик предусмотрен в составе оборудования литейного агрегата, на регулятор РЭ электропривода смещения отливки ЭПС выдается сигнал выключения. Полагается, что запаздывание и выбег механизмов и электропривода смещения слитка по величинам практически совпадают и взаимно нейтрализуются, что позволяет их не учитывать. Далее цикл алгоритма повторяется, начиная с п. 2.

• Конец алгоритма.

Заметим, что «сформированная излучением» физико-химическая структура застывшего металла обладает определенной конфигурацией электромагнитных и гравитационных полей. Имея это в виду, найдем, что на расплавленный металл (в верхней части отливки) воздействуют два управляющих поля. Одно - со стороны эталонного излучателя, второе - со стороны застывшего металла. Так как структура уже застывшего металла сформирована под воздействием излучений эталонного излучателя, то конфигурации данных двух управляющих полей весьма близки. Однако напряженности рассматриваемых полей застывшего металла невелики и сравнимы по величинам с напряженностями внешних полей естественного происхождения (и паразитными техногенными). Этим, в частности, определяется большое количество дефектов структуры слитка при его охлаждении без специальных внешних воздействий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведено исследование гравитационного и электромагнитного физических полей, реализующих металлические связи в физико-химической структуре металлического тела. На основании этого показана принципиальная возможность управления структурой металла, сделан выбор агента данной структуры и предложена схема автоматизированного управления данной структурой в процессе литья.

Основные новые результаты работы:

1) в виде иерархической системы скалярных и векторных полей построена с математической точки зрения простая в применении модель структуры металла, и выявлены свойства воздействий, управляющих формированием его структуры, чем показана принципиальная возможность управления формированием связей в металле;

2) как аналог принципа управления «с эталонной моделью» в замкнутом контуре, на основании построенных иерархических моделей полей разработана модель управления формированием заданной структуры металлического слитка воздействием на жидкий металл излучений электромагнитной природы, отражающих данную структуру;

3) для реализации принудительного переноса заданной структуры от эталонного образца к формируемому металлическому телу разработан управляемый электротехнический узел генерации излучений, отображающих структуры эталонного образца сплава в слиток;

4) разработаны алгоритм управления и схема автоматизации формирования структуры металлического слитка, отличающаяся применением воздействия электромагнитного излучения регулируемой мощности на жидкий металл в процессе литья. Предложенные алгоритм управления и схема автоматизации опробованы ОАО «Авиапромналадка» и рекомендованы для промышленного применения.

1. Абрикосов A.A. Основы теории металлов. М.: Наука, 1987.

2. Кнорре Д.Г., Крылова Л.Ф., Музыкантов B.C. Физическая химия. М.: Энергоатомиздат, 1985

3. Брандт Н.Б., Чудинов С.М. Электроны и фононы в металлах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990

4. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978

5. Блатт Ф.Дж. Теория подвижности электронов в твердых телах. М.: Изд-во физ-мат лит-ры, 1963

6. Пайерлс Р. Электронная теория металлов. М.: ИЛ, 1947

7. Добаткин В.И., Эскин Г.И. Закономерности модифицирования и недендритной кристаллизации легких сплавов. ВИЛС, Москва, 1992

8. Тарасевич Н.И., Корниец И.В., Осипов В.П., Дубровин Э.Ю. Некоторые теплофизические особенности затвердевания листовых слитков. Ин-т пробл. литья АН Украины, Киев, 1992

9. Видов C.B., Зверев Б.Ф., Лепешкин A.A. и др. Кристаллизация расплавов при воздействии внешних магнитных полей. Моск. ин-т стали и сплавов, Москва, 1992

10. Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Ивочкина О.В. Активация на-носекундными электромагнитными импульсами материалов и процессов в точном литье. ЮУГУ, Челябинск

11. Райбман Н.С., Чадеев В.М., Лотоцкий В.А. и др. Основы управления технологическими процессами. М.: Наука, 1978.

12. Земляков С.Д., Рутковский В.Ю., Силаев A.B. Настраиваемая функциональная работоспособность систем с эталонной моделью // Автоматика и телемеханика. 1997. №6, с. 125-134.

13. Земляков С.Д., Рутковский В.Ю. О некоторых результатах совместного использования принципов построения систем с переменной структурой и адаптивных систем с эталонной моделью. // Автоматика и телемеханика. 1999. №5, с. 67-77.

14. Цыпкин Я.З. Информационная теория идентификации. Наука, М., 1995.

15. Матвеев А.Н. Молекулярная физика, М.: Высшая школа, 1987.

16. Гольдфайн И.А. Векторный анализ и теория поля. М., «Наука»,1968.

17. Федорченко A.M. Теоретическая физика. Классическая электродинамика. М., 1988

18. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. М.: Высшая школа,1987

19. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. Электродинамика. М.: Наука, 1969,272 с.

20. Слэтер Дж. Электронная структура молекул. М.: Мир, 1955.

21. Сифоров В.И. Радиоприёмники сверхвысоких частот. М.: Тех-воениздат, 1957, 636 с.

22. Болдырева Л.Б., Сотина Н.Б. Возможность построения теории света без специальной теории относительности. М.: Мир, 1999.

23. Корсунский М. И. Оптика. Строение атома. Атомное ядро. М.: Наука, 1967, 528 с.

24. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике. М.: Наука, 1968,940 с.

25. Ландау Л.Д., Ахиезер А.И., Лифшиц Е.М. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика. М.: Наука, 1969

26. Ландау Л. Д., Лифшиц В.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988.

27. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. М.: Наука, 1967.

28. Карих Ф.Г., Хальфин Д.Ф., Шамсиев М.А. Автоматизация управления плавкой цветных металлов. КПИ (Камский политехнический институт), Татарстан, 1999.

29. Жуковский В.М., Нейман А.Я. Формально-кинетический анализ твердофазных взаимодействий: изотермический метод. Свердловск, 1979

30. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1974.

31. Воробьёв H.H. Теория рядов. М.: Наука, 1970, 204 с.

32. Дедус А.Ф., Дедус Ф.Ф., Махортых С.А., Устинин М.Н. Обобщённый спектрально-аналитический метод в задачах управления, навигации и распознавания образов. М.: МО РФ, 1998.

33. Филлипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001, -616 с.

34. Бриллюэн Л. Научная неопределённость и информация. М.: Мир, 1966.

35. Романов П.С. Информация и самоорганизация: эфиродинами-ческий подход // Сознание и физическая реальность, т.5, №1, 2000.

36. Новик И.Б., Абдулаев А.Ш. Введение в информационный мир. М.: Наука, 1991.

37. Хакен Г. Информация и самоорганизация: макроскопический подход к сложным системам. М.: Мир, 1991.

38. Колмогоров А.Н. Теория информации и теория алгоритмов. М.: Наука, 1987,304 с.

39. Бугаков И.А. Информация: появление, существование и восприятие // Датчики и системы, №№3, 4, 2001.

40. Шералиева Р. Некоторые философско-психологические проблемы теории информации. Фрунзе, Илим, 1975.

41. Краткая философская энциклопедия. М.: А/О изд. группа «Прогресс», 1994.

42. Седов Е.А. Взаимосвязь энергии, информации и энтропии в процессах управления и самоорганизации // Информация и управление. 1985, с. 152.

43. Прангишвили И.В. Системный подход и общесистемные закономерности. М.: СИНТЕГ, 2000.

44. Хазен A.M. Введение меры информации в аксиоматическую базу механики. М., РАУБ, 1998.

45. Красовский A.A. Закон сохранения и превращения общей энтропии и управление. Вторая международная конференция по проблемам управления: Пленарные доклады. М.: Институт проблем управления, 2003, с. 48-59.

46. Колесников A.A., Веселов Г.Е., Попов А.Н. и др. Синергетиче-ское управление нелинейными электромеханическими системами. М.: фирма «ИСПО-Сервис», 2000, 248 с.

47. Victor A. Utkin, Estimation in the presence of disturbances // Proceedings, IF AC, Oct., Munich, 1995, p. 288.

48. Бабичев А.В., Бутковский А.Г., Похйолаинен С. К единой геометрической теории управления. М.: Наука, 2001.

49. Воробьёв Г. Г., Дмитренко Л. Г., Исследование механических и информационных процессов, определяющих формирование структур в идеальной баротропной среде. М., препринт / Институт проблем управления РАН, 2001, - 65 с.

50. Воробьев Г.Г. О некоторых механических свойствах вихрей идеальной сжимаемой жидкости и теореме вириала, М., Сборник трудов Института проблем управления РАН, т. 22, 2003.

51. Воробьёв Г.Г. О возможности построения' управляющих систем нового поколения. // Труды II международной конференции «Идентификация систем и задачи управления», январь 2003.

52. Каганов М.И., Лифшиц И.М. Квазичастицы. М.: Наука, 1989

53. Рощин В.В., Годин С.М. Экспериментальное исследование физических эффектов в динамической магнитной системе. ПЖТФ, вып. 24, 2000, т. 26, с. 70-75.

54. Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире. М.: Энергоатомиздат, 1990.

55. Воробьев Г.Г. О возможности построения полностью однородных управляющих систем. Автоматика и телемеханика, №2, 2003, с. 137147.

56. Дмитренко Л.Г., Воробьёв Г.Г. О некоторых отображениях технической информации, тезисы // Материалы X международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем», декабрь 2002, ч. 1, с. 331

57. Дмитренко Л.Г. Об отображениях между онтоинформацией, информацией и нечеткими данными в управлении техническими системами. М., Сборник трудов Института проблем управления РАН, т. 22, 2003.

58. Воробьёв Г.Г., Дмитренко Л.Г. Подход к решению некоторых проблем онтологии // Препринт ИПУ РАН, М., 1997, 36 с.

59. Паули В. Теория относительности. М.: Наука, 1983.

60. Эйнштейн А. Сущность теории относительности. М.: Иностр. лит., 1955, 160 с.

61. Мигдал А.Б. Физика и философия // Вопросы философии, №1,1990.

62. Пуанкаре А. О науке. М.: Наука, 1983.

63. Рейхенбах Г. Философия пространства и времени. М.: Прогресс, 1985, 344 с.

64. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979.

65. Овсепян Ф.А. К линейной теории управления // Материалы Второй международной конференции по проблемам управления, июнь 2003, т. 1, с. 32.

66. Найвельт Г.С., Мазель К.Б., Хусаинов Ч.И. и др. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. М.: Радио и связь, 1986.

67. Павлов К.Ф., Романьков П.Г., Носков A.A. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Госхимиз-дат, 1961.

68. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. М.: Мир, 1983.

69. Хереро Д., Уиллонер Г"., Синтез фильтров. М.: Советское радио, 1971,232 с.

70. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1988.

71. Бугаков И.А. Метод и средства динамических измерений физических величин. М.: МО РФ, ч. 1, 1994, ч. 2, 1995.

72. Нейман М.С. Об общей теории сигналов и общей теории автоматических процессов // Радиотехника, т. X, вып. 7, 1955.

73. Хармут X. Применение методов теории информации в физике. М.: Мир, 1989.

74. Шеннон К. Математическая теория связи // Работы по теории информации и кибернетике. М.: 1963.

75. Цикритзис Д., Лоховски Ф. Модели данных. М.: Финансы и статистика, 1985.

76. Дмитренко Л.Г., Воробьёв Г.Г. Об одном подходе к исследованию перспективных источников информации для систем управления // Сборник трудов Института проблем управления РАН, т. 12. М., 2001, с. 43^8.