автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Моделирование и пространственно-временное управление процессами нагрева дисков турбоагрегатов на специализированных испытательных стендах

Введение.

1 Проблема создания эффективных систем управления индукционным нагревом дисков на специализированных испытательных стендах.

1.1 Современное состояние вопроса.

1.2 Постановка задачи исследования.1.

Выводы.

2 Моделирование распределенных управляющих воздействий по мощности электромагнитных источников тепла.,.

2.1 Расчет электромагнитных полей методом вторичных источников.

2.2 Разработка алгоритмического и программного обеспечения решения трехмерной электромагнитной задачи.

2.3 Анализ функции распределения внутренних источников тепла.

2.4 Аппроксимация функции распределения мощности теплоисточников от напряжения и угла наклона индуктора.

Выводы.

3 Математическое моделирование нестационарных температурных полей при индукционном нагреве диска.

3.1 Отыскание функции Грина объекта управления.

3.2 Модальное представление объекта управления.

3.3 Математическое моделирование нестационарных температурных полей при индукционном нагреве массивного диска.

3.4 Оценка адекватности аналитической модели технологическому процессу нагрева.

Выводы.

4 Выбор структуры и синтез системы автоматического управления температурным полем диска с пространственно-распределёнными управляющими воздействиями.

4.1 Особенности задачи синтеза системы автоматического управления нагревом диска.

4.2 Разработка двухканальной двусвязной САУ температурным полем диска.

4.3 Синтез модального регулятора.

4.4 Модальный регулятор для двумерной модели объекта.

Выводы.

5 Моделирование системы модального управления процессом нагрева дисков турбоагрегатов.

5.1 Численная модель температурного поля диска.

5.2 Разработка S-функций модели системы.

5.3 Моделирование системы автоматического управления нагревом диска с модальным регулятором.

5.4 Реализация системы модального управления температурным полем диска при нагреве.

Выводы.

Актуальность работы. Среди многих проблем, связанных с разработкой газотурбинных двигателей нового поколения, одной из основных является повышение надежности и эффективности функционирования наиболее нагруженных элементов конструкции. Надежность газотурбинных двигателей в условиях эксплуатации в значительной степени зависит от действующих термических и механических нагрузок, возникающих в отдельных элементах конструкции. Диски и колеса турбин и компрессоров относятся к наиболее ответственным элементам газотурбинных двигателей, испытывающим в процессе работы критические нагрузки, поэтому вопросы исследования их теплового и напряженно-деформированного состояния при действии возмущающих факторов представляют значительный интерес. Получить необходимую информацию о термонапряженном состоянии дисков и колес в процессе эксплуатации или доводочных испытаний газотурбинных двигателей в различных режимах работы не представляется возможным. При создании новых конструкций, применении новых материалов и технологий, повышающих уровень термомеханической прочности, надежности и долговечности турбоагрегатов, очень важным с точки зрения приоритета на рынке продукции является максимальное сокращение срока между началом проектирования изделия и переходом к серийному выпуску. Чтобы оценить предельные характеристики вновь создаваемых узлов и деталей, требуется проведение специальных испытаний на прочность и долговечность.

Испытания дисков и колес турбоагрегатов на прочность и долговечность проводятся на специализированных стендах для механических и термоциклических нагружений с имитацией реальных условий эксплуатации. Создание таких автоматизированных стендов с применением индукционного нагрева для моделирования термических нагрузок позволяет испытывать элементы и конструкции газотурбинных двигателей в ускоренном масштабе времени. Подобные стенды созданы на ряде ведущих предприятий авиационной промышлен5 ности и представляют собой высокоавтоматизированные энергонасыщенные комплексы.

Опыт применения индукционного нагрева для термоциклических нагрузок при испытаниях дисков и колес газотурбинных двигателей показывает, что он является перспективным методом нагрева на испытательных стендах. По сравнению с другими видами нагрева он обладает рядом преимуществ, которые заключаются не только в возможности создания практически любой заданной неравномерности распределения температуры по радиусу диска, но и в обеспечении высокой интенсивности нагрева. Однако на пути реализации преимуществ индукционного нагрева возникает ряд специфических проблем. К числу таких проблем относится проблема разработки и реализации автоматизированных систем с пространственно распределенными управляющими воздействиями, обеспечивающими требуемое температурное распределение по объему диска с изменяющимся во времени температурным градиентом. Для повышения надежности и качества моделирования термомеханических нагрузок колес и дисков на существующих стендах требуется создание качественно новых пространственно распределенных систем управления термоциклическими нагружениями.

В этой связи актуальными задачами являются: исследование температурных полей при индукционном нагреве дисков и колес как объекта автоматического управления, разработка методов анализа и синтеза распределенных систем автоматического управления температурой, теоретическое и экспериментальное исследования алгоритмов и систем управления процессами термоциклических испытаний, анализ показателей качества при воспроизведении требуемых температурных полей.

Цель работы. Основная цель диссертационной работы состоит в решении научно-технической задачи по разработке методов исследования и синтеза системы подвижного управления индукционным нагревом дисков турбоагрегатов в процессе термоциклических испытаний на специализированном разгонном стенде. 6

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- разработка электротепловой модели температурных полей при индукционном нагреве дисков и колёс как объекта управления с распределёнными управляющими воздействиями по мощности внутреннего тепловыделения и пространственной ориентации индуктора;

- выбор, обоснование и разработка моделей пространственно-временных управляющих воздействий;

- разработка методов синтеза системы автоматического управления температурным полем в процессе индукционного нагрева дисков турбоагрегатов;

- разработка вычислительных алгоритмов, специального математического и программного обеспечения для автоматизированного расчета алгоритмов подвижного управления нагревом дисков в процессах термических испытаний;

- разработка методов построения замкнутых систем автоматического управления для рассматриваемых объектов;

- реализация замкнутых систем автоматического управления процессами индукционного нагрева дисков турбоагрегатов при термоциклических испытаниях.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, аппарата преобразований Лапласа и конечных интегральных преобразований, теории теплопроводности, теории автоматического управления, теории оптимального управления систем с распределенными параметрами, методы структурной теории распределенных систем, методы параметрического синтеза замкнутых систем автоматического регулирования, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления.

Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области пространственно-временного управления процессом индукционного нагрева. Полученные в работе результаты позволя7 ют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи синтеза систем автоматического управления объектами с распределенными параметрами.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

- разработан комплекс электротепловых моделей процесса индукционного нагрева дисков, ориентированных на решение задач пространственно-временного управления температурным полем дисков турбоагрегатов;

- в явном виде определены зависимости распределенного управляющего воздействия от мощности источников внутреннего тепловыделения и взаимной пространственной ориентации индуктора и нагреваемого диска;

- предложен метод синтеза системы автоматического управления температурным полем при индукционном нагреве дисков турбоагрегатов на основе модального представления объекта управления с распределенными параметрами.

Полученные результаты положены в основу разработки систем управления распределённым температурным полем диска, обеспечивающих высокую точность отработки программ испытаний в ускоренном масштабе времени.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- разработан пакет прикладных программ для расчета электромагнитных полей и распределения по объему нагреваемого тела мощности внутреннего тепловыделения при осенесимметричном индукционном нагреве диска в процессе термоциклических испытаний;

- разработана инженерная методика построения системы модального управления температурным полем при индукционном нагреве дисков турбоагрегатов на испытательных стендах;

- методом компьютерного моделирования обоснована целесообразность практического применения модальных регуляторов температуры в автоматизированных системах имитации термоциклических нагружений дисков турбоагрегатов. 8

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы в виде методик выбора оптимальной конструкции индукционных нагревательных устройств, математического моделирования электромагнитных и температурных полей и построения систем автоматического регулирования температуры в разработках по модернизации автоматизированных систем управления процессами имитации термоциклических нагружений дисков турбоагрегатов на специализированных испытательных стендах ОАО СНТК имени акад Н.Д. Кузнецова, а также в учебном процессе для студентов специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах» в Самарском государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции молодых ученых «Математическое моделирование физико-механических процессов» (Пермь, 1996), XXXVI Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 1998), восьмой межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 1998), IV Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 1998), девятой научной межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 1999), международной молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» (Уфа, 1999), международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» (Самара, 1999), международной конференции молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2000), межвузовской конференции «Электротехнология на рубеже веков», (Саратов, 2001), восьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 115 страницах машинописного текста, со

Выводы

1. Разработанная численная модель системы модального управления нагревом диска показала удовлетворительную точность аналитической модели управляемого процесса.

2. Проведен анализ качественных показателей системы модального управления при отработке ступенчатых возмущений по различным каналам воздействия. Результаты анализа показали высокую эффективность системы в динамике.

3. Предложен вариант аппаратной реализации системы автоматического управления на современной элементной базе управляющих микроконтроллеров.

114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты

1. Разработана численная модель и алгоритм расчета внутренних источников тепла при осенесимметричном индукционном нагреве дисков из немагнитной стали. Алгоритм реализован в виде программы расчета распределения плотности вихревых токов по объёму нагреваемого тела в трехмерной постановке задачи. Программа адаптирована для расчета электромагнитных параметров системы «индуктор- диск» при управлении температурным распределением по радиусу диска за счет пространственно-временного изменения мощности внутренних источников тепла по двум каналам регулирования - напряжения на индукторе и наклону индуктора относительно плоскости диска. С помощью программы выполнен ряд численных экспериментов для определения зависимости распределения удельной мощности теплоисточников от угла наклона и уровня напряжения индуктора.

2. Предложена аппроксимация нелинейной функции распределения внутренних источников тепла при индукционном нагреве диска осе-несимметричным индуктором в виде линейной зависимости. Получена зависимость коэффициентов аппроксимации распределения удельной мощности теплоисточников по радиусу диска от угла наклона индуктора и уровня напряжения.

3. Разработаны проблемно-ориентированные на решение задач синтеза автоматических систем пространственно-временного управления аналитические модели нестационарных температурных полей при индукционном нагреве диска. В зависимости от типоразмера диска и целей испытаний используется одномерная или двумерная тепловые модели.

4. Выполнен синтез распределённой системы модального управления температурным полем диска. Предложен способ выделения временных мод объекта по набору сосредоточенных измерений температур в различных точках по объему диска. Получены выражения для оптимальных настроек регуляторов.

5. Методами компьютерного моделирования обоснованы предлагаемые инженерные решения по способам построения системы управления температурным полем диска, нечувствительной к нелинейному характеру зависимости распределения удельной мощности теплоисточников от уровня напряжения и угла наклона индуктора.

6. Разработанная численная модель системы модального управления нагревом диска показала удовлетворительную точность аналитической модели управляемого процесса. Проведен анализ качественных показателей системы модального управления при отработке ступенчатых возмущений по различным каналам воздействия. Результаты анализа свидетельствуют об удовлетворительных качественных показателях замкнутой системы автоматического регулирования температуры в процессе термоциклических испытаний дисков турбоагрегатов.

116

1. Автоматизация методических печей.// Л.И. Буглак, И.Б. Вольфман, С.Ю. Евфроймович и др.: под ред. М.Д. Климовицкош //М.: Металлугрия, 1981,196 с.

2. A.c. 1362240 СССР, МКИ G 01 М 15/00, 13/00. Стенд для термоциклических и разгонных испытаний дисков турбоагрегатов / A.A. Базаров, А.И. Данилушкин, Л.С. Зимин и др. -№4079517/25-06; заявл. 22.04.86;

3. A.c. 1399896 СССР, МКИ Н 05 В 6/40. Способ индукционного нагрева кольцевой зоны плоского изделия / Э.Я. Рапопорт, Л.С. Зимин, А.И. Данилушкин и др. №4070241/24-07; заявл. 28.03.86; опубл. 30.05.88 // Открытия. Изобретения. - 1988. - №20.

4. Базаров A.A. Исследование и разработка многосвязных систем управления термоциклическими испытаниями дисков турбоагрегатов. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Самара, 1991. - 16 с.

5. Бодажков В.А., Слухоцкий А.Е. Оптимальные режимы нагрева металла в проходных индукционных печах // Изв. ЛЭТИ-1967-Вып. 66.-ч.1-с. 55-62.

6. Бойков Ю.Н. Оптимальное проектирование и управление индукционным нагревателем непрерывного действия с дискретной выдачей заготовок широкой номенклатуры: Автореф. дис. канд. техн. наук.- М., 1984. 22 с.

7. Бутковский А. Г. Методы управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1975. - 588 с.

8. Бутковский А.Г. Структурная теория распределённых систем. М., Наука, 1977.

9. Бутковский А.Г. Теория оптимального управления системами с распределёнными параметрами. М.: Наука, 1965. - 474 с.

10. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределёнными параметрами М., 1979.117

11. Бутковский А.Г., Пустыльников Л.М. Теория подвижного управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1980. - 384 с.

12. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. М.: Энергия, 1967.-415 с.

13. Васильев Ф.П. Методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1981.-400 с.

14. Влияние конструкции и режимов работы индукционных нагревателей на их энергетические показатели / B.C. Немков, В.Б. Демидович, В.И. Руднев и др. // Электротехника. 1986. - №3. - с. 23-27.

15. Данилушкин А.И., Еленевский Д.Е., Котенёв В.И. и др. АСУ процессами многофакторных испытаний на специализированном стенде для прочностной доводки элементов конструкций. Проблемы прочности, №5, 1990, с. 116-120.

16. Данилушкин И.А. Математическое моделирование процесса индукционного нагрева дисков ГТД при термоциклических испытаниях// Математическое моделирование систем и процессов управления: Сборник научных трудов. Самара: СамГТУ, 1997. С. 23-27.

17. Данилушкин И.А. Модальное управление температурным полем диска при индукционном нагреве// Математическое моделирование и краевые задачи: Труды девятой научной межвузовской конференции. Часть 2. Самара, 1999, С. 44-46.118

18. Данилушкин И.А. Расчёт распределения внутренних термоисточников по объему диска при индукционном нагреве// Материалы XXXVI Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс". Математика. Новосибирск, 1998. С. 35-36.

19. Данилушкин И.А. Синтез системы модального управления температурным полем диска// Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте: Труды международной конференции 6-8 октября 1999. Часть 2. Самара, 1999. С. 193-195.

20. Данилушкин И.А. Структурный анализ системы управления процессом термоциклирования дисков турбоагрегатов.// Труды студенческого научного общества.: Самара, 1996. С.12-22.

21. Данилушкин И.А. Численное моделирование электромагнитного поля при индукционном нагреве диска// Математическое моделирование и краевые задачи: Труды восьмой межвузовской конференции. Часть 2. Самара, 1998, С. 38-40.

22. Г. Дёч Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z-преобразования М., 1971.

23. Донской A.B. Вопросы теории и расчета при индукционном нагреве // Электричество.-1954.-№5. — с. 52-58.

24. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ: Справочник. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 240 с.

25. Зимин JI.C. Оптимальное проектирование систем индукционного нагрева в технологических комплексах обработки металла давлением. Автореф. дисс. докт. техн. наук.-Л., 1987. 30 с.

26. Зимин Л.С., Осипов О.О. Системный подход при индукционном нагреве. //Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки», 2001г., Вып. 13, с. 61-64.

27. Зимин Л.С., Осипов О.О. Общие принципы оптимального проектирования систем индукционного нагрева. //Сб. научн. статей по материалам н-техн. конф. «Электротехнология на рубеже веков», Саратовский гос. техн. Университет, г. Саратов, 2001, с. 7-11.

28. Казьмин В.Е. Разработка математических моделей проходных индукционных нагревателей и их использование для автоматизированного проектирования: Автореф. дисс. канд. техн. наук Л., 1984. - 19 с.120

29. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твёрдых тел. М.: Высшая школа, 1985.

30. Коваль В.А. Спектральные методы анализа и синтеза распределёнными системами управления. Саратов, СГТУ, 1997. - 192 с.

31. Коваль В.А., Першин И.М. Применение метода частотной дискретизации к анализу систем с распределенными параметрами. //Сборник «Аналитические методы синтеза регуляторов», Саратов, СГТУ, 1981, с. 49-58

32. Козлов И.А., Городецкий В.Н., Ахременко B.JI. и др. Стенд для исследования прочности дисков в широком интервале температур при программном нагружении. //Проблемы прочности. 1975. №1, с. 111-113.

33. Коломейцева М. Б. Методология и опыт применения цифрового моделирования для оптимизации процессов промышленного нагрева металла: Автореф. дис. доктора техн. наук. М., 1986. - 37 с.

34. Г. Корн, Т. Корн Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968.

35. Котенев В.И. Моделирование и управление температурными полями подвижных объектов в электротермических установках с конвективным теплообменом: Автореф. дис. докт. техн. наук. Самара, 1999. - 35 с.

36. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970. - 710 с.121

37. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Выбор режимов индукционного нагрева и конструкции индукторов для моделирования термонапряженного состояния вращающихся дисков турбин. Электротехника, №5,1998, с. 39-47.

38. Лепешкин А.Р. Разработка расчетно-экспериментальной методологии моделирования термомеханического нагружения дисков и лопаток ГТД при стендовых испытаниях с использованием индукционного нагрева. Автореф. дисс. канд. техн. наук. -М., 1997.-23 с.

39. Лившиц М.Ю. Теория и алгоритмы оптимального управления термодиффузионными процессами технологической теплофизики по системным критериям качества: Автореф. дис. докт. техн. наук. Самара, 2001. - 46 с.

40. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967,599 с.

41. Немков B.C. Теория и расчет цилиндрических электромагнитных систем индукционного нагрева: Автореф. дис. докт. техн. наук. Л., 1980. — 30 с.

42. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.

43. Павлов H.A. Инженерные тепловые расчеты индукционных нагревателей. М.-Л.: Энергия, 1978. 120 с.

44. Павлов H.A., Смирнов H.H. Управление нагревом в индукционной проходной печи Известия ЛЭТИ, 1980, вып. 273, с. 43-48.

45. Плешивцева Ю.Э. Разработка и исследование пространственно-временных алгоритмов оптимального управления технологическими процессами тепломассопереноса: Автореф. дисс. канд. техн. наук. Самара, 1996. - 20 с.122

46. Простяков A.A. Индукционные нагревательные установки. -М.: Энергия, 1970.-120 с.

47. Рапопорт Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации. М.: Наука. 2000 - 336с.

48. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. М.: Металлургия, 1993. - 279 с.

49. Рапопорт Э.Я. Системы подчинённого регулирования электроприводов постоянного тока: Конспект лекций. Куйбышев, КПтИ, 1985. - 56 с.

50. Рей У. Методы управления технологическими процессами: Пер. с англ. М.: Мир, 1983. - 368 с.

51. Сван Т. Основы программирования в Delphi для Windows 95. Киев: Диалектика, 1996.

52. Свенчанский А.Д. Электрические промышленные печи. Т.1. М.: Энергия, 1975.-384 с.

53. Синдяков JI.B. Оптимизация энерготехнологических характеристик установившихся режимов работы индукционных установок непрерывного действия для нагрева стальных заготовок: Автореф. дис.канд. техн. наук.-Л., 1984.- 19 с.

54. Сиразетдинов Т.К. Оптимизация систем с распределенными параметрами. М.: Наука, 1977. 480 с.

55. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей. Л.: Энергия, 1975. 183 с.

56. Современные энергосберегающие технологии: Учеб. пособие для вузов/ Ю.И. Блинов, A.C. Васильев, А.Н. Никаноров и др. СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000. - 546 с.

57. Табак Д, Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование. М.: Наука, 1975. - 279с.

58. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. М.: Металлургиздат, 1962.561 с.123

59. Тозони O.B. Математические модели для расчета электрических и магнитных полей. Киев: Наукова думка, 1964. - 304 с.

60. Тозони О.В. Метод вторичных источников в электротехнике. М.: Энергия, 1975.

61. Установки индукционного нагрева / Под ред. А. Е. Слухоцкого,- JL: Энергоиздат, 1981. 326 с.

62. Федоренко Р.П. Приближенное решение задач оптимального управления. М.: Наука, 1978. - 487 с.

63. Чубаров Е.П. Управление системами с подвижными источниками воздействия. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 289 с.

64. Thermal regulator: PDE Toolbox Simulink application Electronic resource. / author Mihai Dorobantu. - Electronic data - Stockholm: KTH, 1998 - .Режим доступа: http:// www.nada.kth.se/~mihai/chamber.html, свободный. - Загл. с экрана. - англ.

65. Генеральный директор ОАО «Автоматизацияоводнйгрлранспорта»1. Л.Е. Землеруб1. М^рмо, 2002 г.1. АКТо внедрении результатов диссертационной работы ИА. Данилушкина

66. Директор Самарского научно-инженерного центра автоматизированных прочностных испытаний и диагностики машин, лауреат премий Совета Министров СССР, Правительства России и Самарской губернии в области науки и техники,

67. Использование результатов диссертационной работы способствует повышению эффективности и качества учебного процесса.

68. Заместитель зав. кафедрой автоматики и управлеш в технических система?к.т.н. доцент

69. Декан факультета автоматики и информационных технологий к.т.н. доцент1. В.И. Батищев