автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Оптимизация переходных режимов индукционного нагревателя дискретно-непрерывного действия

На правах рукописи

Князев Сергей Валерьевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНОГО

ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.09.10 ~ Электротехнология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Самара-2013

005541711

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

ДАНИЛУШКИН Александр Иванович

Официальные оппоненты: Лившиц Михаил Юрьевич доктор

технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Управление и системный анализ в теплоэнергетике» ФГБОУ ВПО «СамГТУ»

Сорокин Алексей Григорьевич

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный экономический университет» Сызранский филиал, доцент.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный

технический университет», г. Саратов

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 9:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.217.04 ФГБОУ ВПО «СамГТУ» по адресу: 443010, Россия, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корп. 1, ауд. №4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, Россия, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18.

Отзывы на автореферат просим высылать (в двух экземплярах) по адресу: 443010, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.04.

Автореферат разослан ¿>о ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.04

доктор технических наук, доцент ^¿г /Г А.А. Базаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена проблеме оптимизации переходных режимов работы индукционных установок дискретно- непрерывного действия для нагрева ферромагнитных заготовок в линиях горячей штамповки.

Актуальность проблемы

В условиях дефицита электроэнергии, ее высокой стоимости большое значение приобретает проблема достижения экстремальных значений технико-экономических показателей технологических комплексов «индукционный нагрев - обработка металла давлением». Наименее исследованными и одновременно наиболее сложными представляются задачи оптимального управления переходными режимами индукционных нагревателей дискретно-непрерывного действия, которые в реальных условиях составляют значительную часть рабочего времени технологической линии. Такие режимы возникают при первоначальном пуске нагревателя, при повторном пуске из различных состояний, вызванных перерывами в работе технологического оборудования.

Основной задачей управления переходными режимами таких индукционных нагревателей является минимизация потерь, обусловленных неизбежными отклонениями температурного режима заготовок на выходе из нагревателя от требуемого по технологии значения в установившемся режиме. Решение подобной задачи для односекционных нагревателей дискретно-непрерывного действия усложняется наличием нескольких заготовок, одновременно находящихся в индукционном нагревателе различное время под различным управляющим воздействием.

Другой важной особенностью процесса дискретно-непрерывного индукционного нагрева магнитных сталей до температур, превышающих точку Кюри, в однозонном нагревателе является неравномерное распределение мощности внутренних источников тепла по длине нагревателя, обусловленное изменением электрических параметров загрузки в функции температуры металла.

В установившемся режиме работы с заданным темпом выдачи кондиционных заготовок распределение мощности по длине загрузки представляет собой нелинейную функцию, зависящую от температурного распределения. В нестационарных режимах работы нагревателей дискретно-непрерывного действия (пуск нагревателя, смена производительности, смена номенклатуры и т.д.), происходит непрерывное изменение температурного распределения в металле по длине нагревателя, а, следовательно, и электрических параметров системы «индуктор-металл», обусловленное изменением продольной координаты точки Кюри. Это приводит к непрерывному изменению распределения удельной мощности по длине нагревателя, что существенно усложняет поиск оптимального алгоритма управления подводимой к индуктору мощностью в процессе выхода на установившийся режим работы.

При указанных обстоятельствах поиск оптимального алгоритма управления переходными режимами работы является задачей существенно нелинейной, допускающей только численные методы расчета.

В связи с этим актуальными задачами исследования являются теоретическое и экспериментальное исследования электромагнитных и тепловых полей в установившемся и переходных режимах работы односекционного индукционного нагревателя с ферромагнитной загрузкой, поиск оптимальных алгоритмов управления переходными режимами работы, обеспечивающих минимизацию потерь при выходе на установившийся режим работы и синтез оптимальной системы управления, реализующей найденные алгоритмы.

Полученные в работе теоретические закономерности и практические результаты использованы:

-при выполнении фундаментальных НИР «Разработка теории векторной оптимизации процессов, описываемых уравнениями Максвелла и Фурье для определенного класса задач математической физики» (№ г.р. 01200802926), «Создание математических моделей взаимодействия электромагнитных и тепловых полей в пространственно распределенных объектах» (№ г.р. 01200951711); «Разработка теоретических основ системного анализа и методов нетрадиционной реализации взаимосвязанных процессов энергообмена в электромагнитных и температурных полях» (№ г.р. №01200602849), «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» (№ г.р. №01200208264) и гранта РФФИ «Разработка методологии оптимального проектирования физически неоднородных объектов электротермических производств по системным критериям качества» (№ г.р. 01200602849); Госзадание Минобрнауки «Разработка научных основ энергоэффективных технологий, основанных на принципах электромагнитной индукции» (№ г.р. 01201369727).

Целью работы является разработка оптимальных алгоритмов управления переходными режимами работы индукционных нагревательных установок дискретно-непрерывного действия, обеспечивающих повышение их энергоэффективности.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

разработка специализированной математической модели процесса дискретно-непрерывного индукционного нагрева, ориентированной на решение задач оптимизации переходных режимов односекционного индукционного нагревателя с ферромагнитной загрузкой;

- исследование электромагнитных и тепловых полей в системе «индуктор-загрузка» с учетом изменяющихся в процессе нагрева электрических параметров системы;

исследование зависимости электрических характеристик системы «индуктор-загрузка» от температурного распределения по длине загрузки в переходных режимах;

- разработка и исследование оптимальных режимов работы индукционных нагревателей дискретно-непрерывного действия в условиях глубоких возмущений при пуске нагревателя после останова;

- синтез системы автоматической оптимизации процесса выхода индукционного нагревателя на установившийся режим работы;

- разработка и техническая реализация системы оптимального управления режимами работы индукционной установки.

Решение перечисленных выше проблем в совокупности составляет основное содержание диссертации, выполненной. автором в Самарском государственном техническом университете (СамГТУ).

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, теории электромагнитного поля, численные методы решения полевых задач, методы оптимального управления, теория автоматического регулирования, методы компьютерного моделирования.

Научная новизна

- Предложена методика численного решения задачи оптимального управления переходными режимами работы индукционной нагревательной установки дискретно-непрерывного действия для нагрева ферромагнитных заготовок до температур пластической деформации;

- найдены алгоритмы оптимального управления переходными режимами индукционного нагревателя дискретно-непрерывного действия;

- установлены на основе численной модели процесса зависимости электрических характеристик индуктора от температурного распределения по длине загрузки в переходных режимах работы нагревателя дискретно-непрерывного действия;

- предложена структура оптимальной замкнутой системы, реализующей оптимальный алгоритм управления переходными режимами индукционного нагревателя с формированием линии переключения фазовой траектории оптимальной системы на основании текущего контроля коэффициента мощности системы «индуктор-загрузка».

Практическая полезность работы

Практическая польза проведенных исследований определяется следующими результатами:

- разработан и реализован на ЭВМ алгоритм расчета взаимосвязанных электромагнитных и тепловых полей при нагреве цилиндрических заготовок в индукционной нагревательной установке дискретно-непрерывного действия;

- разработана инженерная методика расчета алгоритмов оптимального управления переходными режимами индукционной установки для нагрева ферромагнитных заготовок цилиндрической формы;

- синтезирована замкнутая по коэффициенту мощности система оптимального управления переходными и стационарными режимами работы

односекционного индукционного нагревателя дискретно-непрерывного действия.

Результаты работы использованы в научно-исследовательской работе в виде алгоритмического и программного обеспечения при исследовании электромагнитных и тепловых полей в системах индукционного нагрева и в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке бакалавров и магистров по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2008, 2009); Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2010); 67 Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (г. Самара, 2010); Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009); Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010, 2011); Международной научно-технической конференции «Автоматизация. Проблемы, идеи, решения (АПИР) - 15» (г. Тула, 2010); 9 Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (г. Самара, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (г. Оренбург, 2010); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (г. Одесса, 2010); V Международной научной конференции «Научный потенциал XXI века» (г. Ставрополь, 2011); VIII Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (г. Таганрог, 2010); Всероссийской научно-технической интернет-конференции с международным участием «Высокие технологии в машиностроении» (г. Самара, 2010); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2011» (г. Томск, 2011); Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XV Бенардосовские чтения) (г. Иваново, 2011).

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 23 печатных работ, 4 из которых в изданиях го списка ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения, изложенных на 141 страницах машинописного текста; содержит 75 рисунков

и 6 таблиц, список использованных источников, включающий 103 наименования, одно приложение.

На защиту выносятся следующие положения:

- методика численного решения задачи оптимального управления переходными режимами работы индукционной нагревательной установки дискретно-непрерывного действия для нагрева ферромагнитных заготовок до температур пластической деформации;

- алгоритмы оптимального управления переходными режимами индукционного нагревателя дискретно-непрерывного действия;

- установленные на основе численной модели процесса зависимости электрических характеристик индуктора от температурного распределения по длине загрузки в переходных режимах работы нагревателя дискретно-непрерывного действия;

- структура оптимальной замкнутой системы, реализующей оптимальный алгоритм управления переходными режимами индукционного нагревателя с формированием линии переключения фазовой траектории оптимальной системы на основании текущего контроля коэффициента мощности системы «индуктор-загрузка».

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, обеспечивающие решение одной из важных задач машиностроительной промышленности.

В первом разделе рассматривается проблема моделирования и оптимизации технологического процесса индукционного нагрева ферромагнитных заготовок перед обработкой на деформирующем оборудовании. Приведен краткий обзор существующих методов решения задач моделирования процессов индукционного нагрева ферромагнитных заготовок, оптимального управления режимами нагрева в переходных и установившихся режимах работы.

В области технологии нагрева металла задача оптимизации впервые была поставлена А.Г. Бутковским и развита в его фундаментальных монографиях. В монографиях Э.Я. Рапопорта впервые дано систематизированное изложение апьтернансного метода параметрической оптимизации процессов нестационарной теплопроводности при индукционном нагреве, на основании которого разработаны инженерные методики расчета алгоритмов оптимального управления индукционными нагревательными установками в линиях обработки металла давлением. Общая идеология оптимального проектирования систем индукционного нагрева в комплексах «индукционная нагревательная установка - обработка металла давлением» дана в работах Л.С. Зимина. В работе М.Ю. Лившица исследуется задача совокупного оптимального проектирования и управления технологическими процессами тепломассопереноса. В работах А.И. Данилушкина рассмотрены вопросы оптимизации переходных режимов индукционных нагревателей непрерывного действия по критерию минимума средне-квадратичного отклонения температуры заготовок на выходе из

индуктора при равномерном распределении удельной мощности нагрева по длине загрузки.

В ряде работ рассмотрены задачи оптимизации нестационарных режимов нагрева заготовок по критерию минимума потерь, оцениваемых для всех нагреваемых заготовок по величине суммарной потери темпа и суммарного отклонения результирующих температурных полей от заданного. Для установок методического действия с дискретной выдачей заготовок определены локально-оптимальные алгоритмы управления по критериям быстродействия, максимума точности и минимума расхода электроэнергии. При этом управление режимом нагрева сводится, как правило, к изменению по определенному алгоритму напряжения, подводимого к индуктору, для каждой конкретной заготовки.

При решении задач управления процессом индукционного нагрева к температурному распределению в конце процесса предъявляются вполне определенные требования по точности достижения заданного распределения. Как показано в работах ЭЛ. Рапопорта, вследствие неуправляемости процесса индукционного нагрева постановка задач оптимизации режимов индукционного нагрева становится корректной лишь при задании допустимой области конечных состояний объекта, отвечающей требуемой точности нагрева. Характерной особенностью работы индукционных установок непрерывного и дискретно-непрерывного действия является наличие переходных режимов, обусловленных пуском нагревателя из различных начальных состояний после технологических перерывов, при изменении производительности деформирующего оборудования, смене номенклатуры нагреваемых изделий и т.д.. Такие режимы в реальных производственных условиях имеют существенный удельный вес в общем балансе времени работы комплекса. Основное требование при отработке переходных режимов всех видов сводится к организации выхода на стационарных режим работы комплекса с минимальными потерями за минимально возможное время.

Обзор приведенных работ показывает, что опубликованные до настоящего времени исследования, посвященные вопросам управления нестационарными режимами работы индукционных нагревателей, недостаточно полно отражают вопросы оптимизации переходных режимов нагревателей дискретно-непрерывного действия.

Все рассматриваемые в последующих разделах задачи посвящены вопросам оптимизации процессов индукционного нагрева ферромагнитных заготовок перед обработкой давлением в установках дискретно-непрерывного действия в технологическом комплексе «нагрев-деформация металла».

Второй раздел посвящен исследованию на основе численных математических моделей электромагнитных и тепловых полей при нагреве ферромагнитных заготовок в системе «индукционный нагреватель -загрузка».

Исследуемый объект представлен на рис. 1. В односекционном нагревателе находится одновременно несколько заготовок, перемещающихся дискретно.

1 2

Рисунок 1 — Индукционная установка: 1 - индуктор; 2 - пирометр; 3 -гидравлический привод;

4 - шина питания контура иидуктора (от ТПЧ); 5 — подающий коллектор системы охлаждения; 6 - компенсационные конденсаторы индуктора; 7 - шина

питания индуктора

1200

Особенностью расчёта параметров индукционных нагревателей дискретно-непрерывного действия является сложный характер взаимосвязанных электромагнитных и тепловых процессов, ярко выраженная неравномерность пространственного распределения внутренних источников тепла при нагреве ферромагнитных заготовок в нагревателе дискретно-непрерывного действия, зависимость мощности внутреннего тепловыделения нагревателя от температуры нагреваемых заготовок. Исходя из физической сущности рассматриваемой задачи при моделировании процесса дискретно-непрерывного нагрева был принят ряд общепринятых допущений, позволивших получить удовлетворительную точность описания температурного поля с помощью численного метода.

В общем случае процесс индукционного нагрева описывается нелинейной взаимосвязанной системой уравнений Максвелла и Фурье соответственно для электромагнитного и теплового полей с соответствующими краевыми условиями:

т\п\=ст1-, Лу{В}=0; <КУ{Ё}=О (1)

с(т)у— = йу(А.(т)§гаат)-с(т)у ■ V— + <ЦуГен].

й дх

Здесь Щ , {,?} , {з} - векторы напряженности магнитного и электрического полей и магнитной индукции; а - удельная электропроводимость; Т - температура; г - время; Я(т) - удельная теплопроводность; с(т) - удельная теплоемкость; у - плотность нагреваемого металла. Объемная плотность внутренних источников тепла, индуцируемых в металле, определяется дивергенцией вектора Пойнтинга П = - ач{ЕН] -

Система уравнений (1) дополняется граничными условиями для электромагнитной задачи: используются условия равенства функции нулю на бесконечно удаленной границе 5| (ГУ1) и условие симметрии на осевой линии 52, которое заключается в равенстве нулю производной от функции. Решение краевых задач для электромагнитного и теплового полей выполнено методом конечных элементов, который дает возможность достаточно точно учитывать все нелинейности путем изменения всех нелинейных величин с каждым шагом по времени. При построении сетки наибольший интерес представляет поведение электромагнитного поля в непосредственной близости к загрузке и катушке индуктора. В этих областях плотность сетки должна быть максимальной. Плотность сетки можно уменьшать по мере удаления к границе области. В настоящей работе для разбиения исследуемого пространства выбран треугольный тип элементов. Специфической особенностью исследуемого процесса является переход нагреваемой заготовки через точку магнитных превращений, причем, осевая координата этого перехода в переходных режимах работы изменяется в широком диапазоне. В этом случае существенно изменяется сопротивление системы, что приводит к изменению распределения мощности по длине индуктора. Кроме того, изменяется и полная мощность, подводимая к индуктору.

Полученные в результате численного расчета электромагнитной задачи внутренние источники тепла используются далее при решении задачи расчета температурного поля заготовок в процессе дискретного перемещения через нагреватель.

В тепловой модели мощность внутренних источников на каждом интервале задается в соответствии с расчетной мощностью, определенной при решении электромагнитной задачи. Приведены результаты расчетов электромагнитных и тепловых полей в стационарном режиме. Анализ полученных численных экспериментов показал, что перепад температуры между поверхностью и центром загрузки при любых реальных значениях мощности индуктора в течение всего времени нахождения заготовки в индукторе не выходит за пределы допустимых значений.

На основе численной модели процесса определены интегральные параметры индуктора (табл.1), реализующего в стационарном режиме основное технологическое требование, предъявляемое к нагревательной установке -минимизацию абсолютного, отклонения температуры на выходе из нагревателя от заданного значения.

Таблица 1. Параметры индуктора

Наименование Условное обозначение Величина Размерность

1 2 3 4

Производитель! юсть П 200 кг/ч

Диаметр заготовки о2 28 мм

Длина заготовки Ь 40 мм

Плотность заготовки Р 7800 кг/м""

Масса заготовки т 0,192 кг

Материал заготовки СтШХ15 - -

Температура поверхности на выходе т2 1250 °с

Перепад температуры по радиусу на выходе ДТ 100 °С

Размер трубки индуктора - 2х 15 мм

Диаметр индуктора О 48 мм

Длина индуктора ь 880 мм

Число витков индуктора - 59 шт

Частота / 8000 Гц

Напряжение питания и 538,34 В

Полезная мощность р, 72,64 кВт

Полная активная мощность Р; 90,1 кВт

КПД электрический П 0,8 -

Коэффициент мощности СОБф 0,118 -

Полученные в результате расчета параметры для одной конкретной реализации процесса используются далее для демонстрации предлагаемого автором метода решения задачи оптимизации переходных режимов индукционного нагревателя дискретно-непрерывного действия для нагрева ферромагнитных цилиндрических заготовок.

В третьем разделе решается задача оптимизации переходных режимов работы индукционных нагревателей дискретно-непрерывного действия с нелинейным характером нагрузки.

Исследуемая в численных расчетах математическая модель процесса теплопроводности с внутренними источниками тепла в цилиндрических координатах имеет вид

дтМ = а(7.рМг;/,,) + 1 дтМ + Щг.у) 1 + 1 (3)

] <У И

5/

дг г дг дх

с краевыми условиями

дг дг

Здесь 1У(г,х,г,^(7'))- функция распределения мощности источников внутреннего тепловыделения, которая может быть представлена в виде

¡У(г,х,() = ф(г)-Р(х)-Р((), (5)

где ф(г) - функция распределения внутренних источников по радиальной координате г, f(x) - функция распределения внутренних источников тепла по аксиальной координате х, P{t) - мощность источников тепла.

Задача оптимального управления на максимум точности нагрева формулируется следующим образом: для объекта описываемого уравнением (3) с краевыми условиями (4) найти управляющую функцию P(t) , обеспечивающую выполнение соотношения

max\T^{r,LyT{PoJt),r,L,t] = min[maX\Tm{r,L)-T{p(t),r,L,t)\ (6)

в переходных режимах работы нагревателя при пуске с произвольным начальным температурным распределением по длине нагревателя при наличии энергетических и технологических ограничений вида:

(7)

\T{L.t)-TjL\<A 7L (8)

Для поиска оптимального алгоритма изменения мощности индуктора в процессе выхода на установившийся режим в условиях существенного изменения электрических параметров индуктора разработаны алгоритм и программа расчета, суть которых сводится к раздельному решению тепловой и электромагнитной задач на каждом шаге дискретизации процесса по времени и координате.

На рис. 2 приведены результаты расчета оптимальных процессов при пуске индукционного нагревателя ферромагнитных изделий с холодной загрузкой. Алгоритм получен с учетом ограничения на мощность преобразователя. Р,кВт А

140-

119

110

102: 95 90: 85:

73

+

->

0 20 40 88104 ' 152' 184 ' 240 '272 328 344

Рис. 2 Алгоритм оптимального управления процессом пуска нагревателя

t.c

Как следует из рис.2, оптимальный алгоритм изменения мощности в процессе пуска нагревателя представляет собой кусочно-непрерывную функцию времени, асимптотически приближающуюся к установившемуся режиму. Первый интервал управления - нагрев с максимальной мощностью, определяемой перегрузочной способностью преобразователя. Длительность этого интервала рассчитывается исходя из условия достижения на выходе из индуктора первой нагретой до заданной температуры заготовки. В конце первого интервала управления температурное распределение на выходе из нагревателя достигает заданного значения.

На всех последующих интервалах управления мощность, подводимая к индуктору, рассчитывается исходя из условия поддержания температуры заготовки на выходе из индуктора на уровне задания с допустимой погрешностью. Температурное распределение по длине загрузки в конце первого интервала управления представлено на рис. 3.

Как следует из результатов расчета, требуемое по технологии обработки значение температуры на выходе из нагревателя достигается на сороковой секунде после запуска, в то время как при обычном способе пуска это время составляет 88 сек.

Таким образом, время выхода на режим сокращается по сравнению с обычным процессом пуска на 60%, что приводит к уменьшению времени простоя деформирующего оборудования при пуске и снижает энергозатраты на нагрев некондиционных заготовок, идущих на повторный нагрев.

Четвертый раздел посвящен разработке и технической реализации замкнутой системы оптимального управления нестационарными режимами работы индукционных нагревателей дискретно-непрерывного действия. Установлено, что для реализации замкнутой системы необходим кусочно-непрерывный характер обратной связи. Предложена структура замкнутой оптимальной системы управления, реализующая оптимальный алгоритм в системе с формированием линии переключения фазовой траектории системы

на основании информации о величине коэффициента мощности нагревателя в процессе пуска.

Анализ возмущающих воздействий, проведенный на основе экспериментальных исследований, показывает, что в условиях реально действующих помех известные способы реализации замкнутых систем при непрерывном или дискретно-непрерывном способе нагрева на основе контактных или бесконтактных датчиков температуры или на основе дифференциального индуктивного датчика, контролирующего координату точки магнитных превращений, обладают существенной погрешностью. Ниже рассматривается система управления процессом непрерывного индукционного нагрева цилиндрических ферромагнитных заготовок в линии штамповки, в .которой предлагается способ синтеза замкнутой системы оптимального управления процессом пуска нагревателя на основе формирования линии переключения фазовой траектории системы с помощью датчика угла фазового сдвига между напряжением и током индуктора, который в значительной степени определяется изменяющимся в процессе пуска сопротивлением системы «индуктор-металл». Одновременно эта система выполняет функции системы стабилизации мощности при отработке малых возмущений в установившемся режиме работы.

Как показано в разделе 3 данной работы, в процессе выхода на установившийся режим температурное распределение по длине загрузки значительно отличается от температурного распределения в установившемся режиме. В процессе перемещения заготовок через нагреватель каждая заготовка находится под различным кусочно-непрерывным управляющим воздействием. Изменяется соотношение между количеством холодных и горячих заготовок, изменяется средняя по длине температура загрузки, а конфигурация температурного поля по длине представляет собой кусочно-непрерывную функцию, состоящую из нескольких нелинейных участков. В связи с этим изменяются и электрические параметры индуктора: полное, активное и индуктивное сопротивления, коэффициент мощности, коэффициент полезного действия.

Расчеты показывают, что существует однозначная связь между температурным распределением по длине загрузки, средней по длине нагревателя температурой загрузки и электрическими параметрами индуктора. Ниже на графиках рис. 4- 8 приведены основные характеристики, устанавливающие связь между электрическим характеристиками индуктора и температурным распределением по длине загрузки в переходных режимах.

Рие.4 - Графики распределения плст гости полного тока по длине зшрузки в процессе выхода на режим: 1 - 4 «холодных» и 18 «горячих» заготовок; 2-5 «холодных» и 17 «горячих» заютовок; 3-8 «холодных» и 14 «горя1 мх» заготовок; 4-22 «горячих» заготовок

Рис-5 - Графики распределения плотности полного тока по длине загрузки в процессе выхода на режим: 1 -12 «ходад! шх» и 10 ((горячих» заготовок; 2-16 «холодных» и 6 «горячих» заготовок; 3 -20 «холодных» и 2 «горячих» заготовок; 4-22 «холодных» заготовок

Тер, °С-

|

1200—Г

СОЭф-

0,15-

200. 0 "

0,10,09-

2 4

^гор^хол

Рис.6 - Зависимость средней температуры по длине загрузки от соотношения «горячих» и «холодных» заготовок в индукторе

20 22 0 100200 Тср°С 1200

Рис.7 - Зависимость С05ф от средней температуры по длине загрузки

Таким образом, как следует из анализа приведенных зависимостей, при пуске нагревателя по оптимальной программе существует однозначная связь между температурным распределение по длине загрузки, средней по длине загрузки температурой и электрическими параметрами индуктора, в частности, величиной коэффициентом мощности индуктора. Следовательно, коэффициент мощности так же можно использовать в качестве параметра обратной связи, установив предварительно его зависимость от мощности индуктора при оптимальном алгоритме.

В работе на основании общих положений синтеза замкнутых оптимальных систем управления и анализа зависимости коэффициента мощности от температурного распределения по длине загрузки в процессе отработки оптимального алгоритма при пуске нагревателя решается задача синтеза структуры замкнутой системы оптимального управления процессом пуска нагревателя.

По полученным расчетным данным (рис.2) построена траектория движения системы в координатах Р-со$(р(т(Ртт,1)). На рис.8 представлена траектория движения системы для случая пуска нагревателя из «холодного» режима, Как следует из графиков, траектория движения изображающей точки системы Р-со$<р(т(Рогл:,1)) представляет собой кусочно-непрерывную функцию, обеспечивающую при изменении коэффициента мощности в процессе выхода на установившийся режим оптимальный алгоритм управления на соответствующих интервалах. Переключение управляющей функции происходит в момент пересечения траектории движения системы с линией переключения Р{соя <р). Число интервалов управления определяется заданной ошибкой приближения температуры металла на выходе из нагревателя к требуемой по технологии.

Линия переключения, как и фазовая траектория системы, представляет собой нелинейную функцию.

Функциональная схема синтезируемой замкнутой системы оптимального управления процессом пуска представлена на рис.9. Система управления включает в себя два автономных контура: собственно оптимальная система, работающая только в переходных режимах, и система стабилизации температуры металла на выходе из нагревателя, работающая в квазиустановившемся режиме. Собственно оптимальная система содержит: блок логики БЛ, осуществляющий выбор требуемого контура регулирования и автоматический поиск квадранта движения изображающей точки системы; аналоговые запоминающие устройства АП1 и АП2; вырабатывающие информацию о требуемом уровне управляющего воздействия на очередном подинтервале управления; блок нелинейных функциональных преобразователей БФП, реализующий линии переключения как функции коэффициента мощности в процессе выхода на установившийся режим и скорости продвижения металла через нагреватель. Система управления обеспечивает оптимальный переходный процесс при пуске из произвольного состояния.

Блок логики БЛ осуществляет автоматический поиск квадранта движения изображающей точки системы на плоскости параметров Р-со5(р{г{Р<тп,1^- Информацией для подобного выбора служит набор знаков разностей сигналов между текущим значением напряжения и , пропорционального текущему значению мощности и сигналом, соответствующим уравнению аппроксимированной кривой, реализующей соответствующий луч линии переключения. В момент равенства этих сигналов блок логики БЛ дает команду на запоминающее устройство АП1 или АП2, которые фиксируют требуемый уровень управляющего воздействия на очередном интервале управления, и выдает его в качестве исходной информации на регулятор мощности Р с помощью ключей К1 и К2. Движение по оптимальной траектории происходит до тех пор, пока управляющее воздействие не сравняется с установившимся с заданным приближением. В

этот момент вновь происходит подключение системы стабилизации мощности, подводимой к индуктору. Число интервалов управления определяется заданной ошибкой приближения - чем выше точность, тем больше интервалов управления.

Рис.10. Функциональная схема оптимальной системы пуска нагревателя

Для синтеза замкнутой по коэффициенту мощности оптимальной системы управления, реализующей оптимальную программу изменения мощности на индукторе, необходимо реализовать линию переключения, которая представляет собой нелинейную функцию. Нелинейная обратная связь по сигналу, соответствующему изменению коэффициента мощности на каждом интервале непрерывности функции P(cos <р) реализована алгоритмически на программируемом логическом контроллере с использованием специального алгоритма аппроксимации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Выполнен анализ состояния проблем моделирования и оптимального управления процессом индукционного нагрева перед обработкой на деформирующем оборудовании, показывающий необходимость применения методов численного моделирования процессов индукционного нагрева для целей исследования рассматриваемых в работе переходных режимов индукционных установок дискретно-непрерывного действия.

2. На базе численной модели процесса индукционного нагрева выполнено исследование взаимосвязанных электромагнитных и температурных полей в системе «индукционный нагреватель - столб ферромагнитных дискретно перемещающихся заготовок».

3. Выполнен расчет индукционной системы, получены интегральные параметры индуктора, приведены результаты расчета электромагнитных и тепловых полей в установившемся и переходном режимах.

4. На основе численной модели процесса индукционного нагрева разработаны методика и алгоритмы расчета оптимальной программы управления переходными режимами нагрева ферромагнитных цилиндрических заготовок в индукционных нагревателях дискретно-непрерывного действия, учитывающие нелинейную зависимость распределения удельной мощности по длине нагревателя от температуры в процессе выхода на установившийся режим работы.

5. Получены оптимальные по критерию минимума абсолютного отклонения температурного распределения по радиусу на выходе из нагревателя алгоритмы изменения мощности индуктора в процессе выхода нагревателя на установившийся режим работы.

6. Выполнен анализ температурных полей по длине и радиусу загрузки в процессе выхода нагревателя на установившийся режим работы по оптимальной программе. Установлено, что требуемое по технологии распределение температуры по радиусу заготовки на выходе из нагревателя достигается в конце первого интервала управления. Все последующие интервалы управления обеспечивают на выходе из нагревателя требуемое по технологии значение температуры заготовок с заданным приближением к установившемуся значению.

7. Показано, что полученный оптимальный алгоритм управления в переходных режимах работы сокращает время выхода нагревателя на установившийся режим на 60% по сравнению с традиционным способом пуска. Время выхода на установившийся режим нагрева и число интервалов управления определяется требуемой точностью температурного распределения на выходе из нагревателя и увеличивается с увеличением точности приближения.

8. Выполнен анализ и установлены основные зависимости электрических параметров индуктора от температурного распределения по длине загрузки в переходных режимах работы нагревателя.

9. Установлена зависимость коэффициента мощности индуктора от температурного распределения по длине загрузки в переходных режимах работы нагревателя. Показано, что существует однозначная связь между температурным распределением по длине загрузки и коэффициентом мощности индуктора при движении по оптимальной программе.

10. Установлена зависимость между алгоритмом изменения мощности нагревателя в переходных режимах работы и коэффициентом мощности индуктора. На основании полученной зависимости предложен метод синтеза замкнутой оптимальной системы управления переходными режимами с формированием линии переключения фазовой траектории системы по информации о величине коэффициента мощности индуктора.

11. Синтезирована структура замкнутой системы оптимального управления режимами работы индукционного нагревателя дискретно-непрерывного действия с обратной связью по коэффициенту мощности индуктора.

12. Предложена реализация замкнутой оптимальной системы на базе программируемого логического контроллера.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

- в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Князев C.B., Данилушкин А.И., Кожемякин A.B. Оптимизация энергопотребления в системах электроснабжения кузнечных индукционных нагревателей // Электромеханика. Известия ВУЗов. Специальный выпуск «Электроснабжение». - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009. - С. 34-35.

2. Князев C.B. Энергоэффективные алгоритмы функционирования установок индукционного нагрева в линии раскатки подшипниковых колец // Научно-технический вестник Поволжья. №6(8) 2011г. - Казань: Научно-технический вестник Поволжья , 2011. - С. 181-185.

3. Князев C.B., Данилушкин А.И., Мостовой А.П. Моделирование стационарного распределения температуры металла в проходном индукционном нагревателе // Вестник Иркутского государственного технического университета, JN°9(68)-2012. - Иркутск: ИрГТУ, 2012.-С. 41-46.

4. Князев C.B., Данилушкин А.И., Семенов С.И. Математическая модель индукционного нагрева подшипниковых колец перед раскаткой // Вестник Воронежского государственного технического университета, Том 8, №10-1-2012. - Воронеж: ВГТУ, 2012. - С. 101-103.

- в прочих сборниках и материалах:

5. Князев C.B., Данилушкин А.И., Мостовой А.П. Индукционный подогрев колец в процессе раскатки // Наука. Технологии.

Инновации. Материалы Всерос. науч. конф. Ч. 3. - Новосибирск: НГТУ, 2009. -С. 215-217.

6. Князев C.B., Мостовой А.П. Идентификация процесса нагрева колец в линии раскатки // Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов. Труды Междунар. научно-техн. конф. студ., магистр, и асп. - Тольятти: ТГУ, 2009. - С. 75-77.

7. Князев C.B., Данилушкин А.И., Кожемякин A.B. Расчет параметров двухчастотного индукционного нагревателя // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. 16 Междунар. научн. техн. конф. студентов и аспирантов. Т. 2. - М.: МЭИ, 2010. - С. 170-171.

8. Князев C.B., Данилушкин А.И., Кожемякин A.B. Исследование стационарных режимов двухчастотного индукционного нагревателя // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 67-й Всероссийской научно-технич. конф. по итогам НИР2009 год. - Самара: СГАСУ, 2010. - С. 815-817.

9. Князев C.B., Данилушкин А.И., Кожемякин A.B. Моделирование электротепловых полей в двухчастотном индукционном нагревателе // Математическое моделирование и краевые задачи. Тр. седьмой Всерос. науч. конф. с междунар. участием. Ч. 2. - Самара: РИО СамГТУ, 2010. -С. 75-77.

10. Князев C.B., Данилушкин В.А., Кожемякин A.B. Разработка системы автоматического управления температурным полем реактора с индукционным нагревом // Труды девятой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» - Самара: РИО СамГТУ, 2010. - С. 94-97.

11. Князев C.B., Данилушкин А.И., Кузовков JI.B. Расчет параметров регулятора в условиях ограничений на мощность источника питания // Энергетика: состояние, проблемы, перспективы. Труды Всероссийской научно-технической конференции - Оренбург: ГОУ ВПО Оренбургский государственный университет, 2010. - С. 214-216.

12. Князев C.B., Данилушкин А.И., Кожемякин A.B., Никитина Е.А. Система модального управления процессом индукционного нагрева цилиндрической заготовки // Автоматизация: проблемы, идеи, решения. Вестник Тульского государственного университета. Международная научно-техническая конференция АПИР-15. Часть 2 - Тула: ТулГУ, 2010. - С. 173-178.

13. Князев C.B., Данилушкин А.И., Кожемякин A.B., Данилушкин В.А. Система позиционного управления процессом термоупрочнения дисков с использованием индукционного нагрева // Высокие технологии в машиностроении. Материалы Всероссийской научно-технической интернет-конференции с международным участием «Высокие технологии в машиностроении» - Самара: СамГТУ, 17-20 ноября 2010 г.

14. Князев C.B., Данилушкин А.И., Кожемякин A.B. Автоматизация процесса термоупрочнения диска турбоагрегата // Информационные технологии, системный анализ и управление. Сборник трудов VIII Всероссийской научной конференции молодых ученых,

аспирантов и студентов - Таганрог: Южный федеральный университет, 2010. -С. 193-197.

15. Князев C.B., Данилушкин А.И., Никитина Е.А. Оптимизация нестационарных режимов непрерывного индукционного нагрева ферромагнитных заготовок П Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2010. Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции. Том 6. Технические науки - Одесса: Черноморье, 2010. - С. 21-25.

16. Князев C.B., Данилушкин А.И., Кузовков JI.B., Мостовой А.П. Исследование нестационарных режимов индукционного нагрева ферромагнитных заготовок // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Семнадцатая Междунар. научн. техн. конф. студентов и аспирантов. Тез. Докл. В 3 т. Т. 2. - М.: МЭИ, 2011. - С. 197-198.

17. Князев C.B., Данилушкин А.И., Кожемякин A.B. Моделирование процесса непрерывного индукционного нагрева ферромагнитных заготовок // Материалы V Международной научной конференции. Естественные и технические науки. Том первый. СевероКавказский государственный технический университет - Ставрополь: Сев-КавГТУ, 2011. - С. 141-145.

18. Князев C.B., Данилушкин А.И., Никитина Е.А. Трехфазная индукционная установка с симметричной загрузкой фаз // Сборник научных трудов 1-ой Международной научно-практической конференции. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет - Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2011. - С. 96-98.

19. Князев C.B., Кожемякин A.B. Система оптимального по критерию точности управления индукционным нагревом крупногабаритных колец перед раскаткой // Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов, и молодых ученых «НАУЧНАЯ СЕССИЯ ТУСУР-2011». Томск, 4-6 мая 2011г. В 6 частях. Ч. 3. - Томск: В-Спектр, 2011. - С.49-50.

20. Князев C.B., Кожемякин A.B., Васильев И.В., Домерт Е.П. Система автоматического регулирования процесса индукционного нагрева реактора // Материалы докладов VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» том.2. - Казань: Казань, 2011. - С.6-7.

21. Князев C.B., Кожемякин A.B. Математическая модель процесса методического индукционного нагрева цилиндрических заготовок // Сборник трудов Международной научно-технической конференции «Энергетика, информатика, инновации-2011» - ЭИИ-2011. Том 2, г. Смоленск: РИО филиала ГОУВПО МЭИ (ТУ), 2011.- С. 41-44.

22. Князев C.B., Кожемякин A.B. Исследование электротепловых процессов в методическом индукционном нагревателе // Состояние и перспективы развития электротехнологии. Международная научно-техническая конференция. XVI Бенардосовские чтения. Том 1 Электроэнергетика. Иваново: ИГЭУ им. Ленина, 2011. - С. 5-8.

23. Князев С.В., Данилушкин А.И., Таймолкин А.Ю. Синтез системы автоматического управления индукционным нагревом колец // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Восемнадцатая Междунар. научн. техн. конф. студентов и аспирантов. Т.2. - М.: МЭИ, 2012. - С.352.

Личный вклад автора: в работах [1], [3], [4] автором сформулированы постановка задачи моделирования и предложена математическая модель процесса непрерывного индукционного нагрева; в работе [2] определены алгоритмы функционирования оптимальных режимов работы индукционного нагревателя непрерывного действия; в работах [5]-[23] автору принадлежат результаты численного моделирования, алгоритмы оптимального управления, структура системы оптимального управления.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.04

ФГБОУ ВПО «самГТУ» (протокол № 35 от 12 ноября 2013 г.)

Заказ № 1035 Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе. ФГБОУВПО «СамГТУ» Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

0420145546? Правахрукописи

Князев Сергей Валерьевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

05.09.10 «Электротехнология»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор

Данилушкин Александр Иванович

Самара - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1 Современное состояние и проблемы моделирования и управления индукционными нагревателями дискретно-непрерывного действия..................13

1.1 Состояние проблемы моделирования и оптимизации.....................13

1.2 Постановка задачи оптимального управления процессом дискретно-непрерывного индукционного нагрева................................24

2 Исследование электромагнитных и тепловых полей на базе численной математической модели процесса индукционного дискретно-непрерывного нагрева............................................................................31

2.1 Постановка задачи моделирования и выбор метода

решения......................................................................................................31

2.2 Алгоритм расчета взаимосвязанных электромагнитных и тепловых полей при дискретно-непрерывном индукционном нагреве ферромагнитных заготовок.........................................................33

2.2.1 Методика расчета электромагнитных полей в индукционной установке дискретно-непрерывного действия.............36

2.2.2 Методика расчета тепловых полей в индукционной установке дискретно-непрерывного действия.......................................43

2.2.3 Расчет параметров индукционного нагревателя...........................47

3 Постановка и решение задачи оптимизации переходных режимов индукционного нагревателя......................................................................................64

3.1 Постановка задачи оптимизации.......................................................64

3.2 Алгоритм расчета оптимального управления переходными режимами индукционного нагревателя с ферромагнитной загрузкой.......................................................................66

3.3 Анализ температурных полей в переходном режиме пуска нагревателя по оптимальной программе.................................................70

4 Синтез замкнутой системы оптимального управления переходными режимами индукционного нагревателя...................................................................88

4.1 Выбор типа обратной связи для синтеза системы оптимального управления........................................................................88

4.2 Анализ зависимости электрических характеристик индуктора от температурного распределения по длине

загрузки в переходных режимах..............................................................91

4.3 Принцип построения замкнутых систем управления....................108

4.4 Синтез оптимальной замкнутой системы управления процессом пуска нагревателя.................................................................110

4.5 Реализация оптимальной замкнутой системы................................115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................125

Библиографический список....................................................................................128

Приложение..............................................................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена проблеме разработки оптимальных алгоритмов управления переходными режимами работы индукционных нагревательных установок дискретно-непрерывного действия, обеспечивающих повышение их энергоэффективности.

Актуальность проблемы

Электротермия в современных условиях развития производства в решающей степени определяет эффективность технологических процессов, связанных с нагревом заготовок перед обработкой на деформирующем оборудовании. Такие преимущества, как высокая скорость нагрева, обеспечивающая интенсификацию производства и, следовательно, высокую производительность, высокая точность отработки требуемых температурных режимов, уменьшение окалины и угара металла, высокий уровень автоматизации, минимальное влияние на окружающую среду способствуют все более широкому внедрению в промышленность индукционных установок для нагрева металла перед обработкой давлением. В связи с этим наблюдается тенденция роста парка индукционных нагревателей для нагрева заготовок из различных металлов токами промышленной и повышенных частот в кузнечном, прокатном и прессовом производствах.

В условиях дефицита электроэнергии, ее высокой стоимости при одновременном росте удельных мощностей нагрева большое значение приобретает проблема достижения экстремальных значений технико-экономических показателей технологических комплексов «индукционный нагрев- обработка металла давлением».

Наименее исследованными представляются задачи оптимального управления переходными режимами индукционных нагревателей дискретно-непрерывного действия, которые в реальных условиях составляют значительную часть рабочего времени технологической линии. Такие режимы возникают

при первоначальном пуске нагревателя, при повторном пуске из различных состояний, вызванных перерывами в работе технологического оборудования.

Основной задачей управления переходными режимами таких индукционных нагревателей является минимизация потерь, обусловленных неизбежными отклонениями температурного режима заготовок на выходе из нагревателя от требуемого по технологии значения в установившемся режиме. Решение подобной задачи для односекционных нагревателей дискретно-непрерывного действия усложняется наличием нескольких заготовок, одновременно находящихся в индукционном нагревателе разное время под различным управляющим воздействием.

Другой важной особенностью процесса дискретно-непрерывного индукционного нагрева магнитных сталей до температур, превышающих точку Кюри, в однозонном нагревателе является неравномерное распределение мощности внутренних источников тепла по длине нагревателя, обусловленное изменением электрических параметров загрузки в функции температуры металла.

В нестационарных режимах работы нагревателей дискретно-непрерывного действия (пуск нагревателя, смена производительности, смена номенклатуры), происходит непрерывное изменение температурного распределения в металле по длине нагревателя, а, следовательно, и электрических параметров системы «индуктор-металл», обусловленное изменением координаты точки Кюри в процессе выхода на установившийся режим. Это приводит к существенному изменению границ холодного, промежуточного и горячего участков и, как следствие, соотношения удельных мощностей нагрева по длине нагревателя.

При указанных обстоятельствах поиск оптимального алгоритма управления переходными режимами работы является задачей существенно нелинейной, допускающей только численные методы расчета.

В связи с этим актуальными задачами исследования являются теоретическое и экспериментальное исследования электромагнитных и тепловых полей в установившемся и переходных режимах работы односекционного индукцион-

ного нагревателя с ферромагнитной загрузкой, поиск оптимальных алгоритмов управления переходными режимами работы, обеспечивающих минимизацию потерь при выходе на установившийся режим работы, синтез замкнутой оптимальной системы управления, реализующей полученные оптимальные алгоритмы

Объект исследования - индукционная нагревательная установка дискретно-непрерывного действия для нагрева стальных заготовок под обработку на деформирующем оборудовании.

Целью работы является разработка оптимальных алгоритмов управления переходными режимами работы индукционных нагревательных установок дискретно-непрерывного действия, обеспечивающих повышение их энергоэффективности.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- разработка специализированной математической модели процесса дискретно-непрерывного индукционного нагрева, ориентированной на решение задач оптимизации переходных режимов односекционного индукционного нагревателя с ферромагнитной загрузкой;

- исследование электромагнитных и тепловых полей в системе «индуктор-загрузка» с учетом изменяющихся в процессе нагрева электрических параметров системы;

- исследование зависимости электрических характеристик системы «индуктор-загрузка» от температурного распределения по длине загрузки в переходных режимах;

- разработка и исследование оптимальных режимов работы индукционных нагревателей дискретно-непрерывного действия в условиях глубоких возмущений при пуске нагревателя после останова;

- синтез системы автоматической оптимизации процесса выхода индукционного нагревателя на установившийся режим работы;

- разработка и техническая реализация системы автоматического управления режимами работы индукционной установки.

Решение перечисленных выше проблем в совокупности составляет основное содержание диссертации, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете (СамГТУ).

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, теории электромагнитного поля, численные методы решения полевых задач, методы оптимального управления, теория автоматического регулирования, методы компьютерного моделирования.

Научная новизна

- Предложена методика численного решения задачи оптимального управления переходными режимами работы индукционной нагревательной установки дискретно-непрерывного действия для нагрева ферромагнитных заготовок до температур пластической деформации;

- найдены алгоритмы оптимального управления переходными режимами индукционного нагревателя дискретно-непрерывного действия;

- установлены на основе численной модели процесса зависимости электрических характеристик индуктора от температурного распределения по длине загрузки в переходных режимах работы нагревателя дискретно—непрерывного действия;

- предложена структура оптимальной замкнутой системы, реализующей оптимальный алгоритм управления переходными режимами индукционного нагревателя с формированием линии переключения фазовой траектории оптимальной системы на основании текущего контроля коэффициента мощности системы «индуктор-загрузка».

Практическая полезность работы

Практическая польза проведенных исследований определяется следующими результатами:

- разработан и реализован на ЭВМ алгоритм расчета взаимосвязанных электромагнитных и тепловых полей при нагреве ферромагнитных цилиндрических заготовок в индукционной нагревательной установке дискретно-непрерывного действия;

- разработана инженерная методика расчета алгоритмов оптимального управления переходными режимами индукционной установки для нагрева ферромагнитных заготовок цилиндрической формы;

-синтезирована замкнутая система оптимального управления переходными режимами работы односекционного индукционного нагревателя дискретно-непрерывного действия;

- предложена техническая реализация замкнутой системы оптимального управления на базе микропроцессорного контроллера.

Результаты работы использованы в научно-исследовательской работе в виде алгоритмического и программного обеспечения при исследовании электромагнитных и тепловых полей в системах индукционного нагрева и в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке бакалавров и магистров по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2008, 2009); Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2010); 67 Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (г. Самара, 2010); Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009); Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010, 2011, 2012); Международной научно-технической конференции

«Автоматизация. Проблемы, идеи, решения (АПИР) - 15» (г. Тула, 2010); 9 Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (г. Самара, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (г. Оренбург, 2010); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (г. Одесса, 2010); V Международной научной конференции «Научный потенциал XXI века» (г. Ставрополь, 2011); VIII Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (г. Таганрог, 2010); Всероссийской научно-технической интернет-конференции с международным участием «Высокие технологии в машиностроении» (г. Самара, 2010); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2011» (г. Томск, 2011); Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XV Бе-нардосовские чтения) (г. Иваново, 2011); VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2011)

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 23 печатных работы, 4 из которых в изданиях из списка ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения, изложенных на 141 страницах машинописного текста; содержит 75 рисунков и 6 таблиц, список использованных источников, включающий 103 наименования, одно приложение.

На защиту выносятся следующие положения:

- методика численного решения задачи оптимального управления переходными режимами работы индукционной нагревательной установки дискретно-непрерывного действия для нагрева ферромагнитных заготовок до температур пластической деформации;

-алгоритмы оптимального управления переходными режимами индукционного нагревателя дискретно-непрерывного действия;

- установленные на основе численной модели процесса зависимости электрических характеристик индуктора от температурного распределения по длине загрузки в переходных режимах работы нагревателя дискретно-непрерывного действия;

- структура оптимальной замкнутой системы, реализующей оптимальный алгоритм управления переходными режимами индукционного нагревателя с формированием линии переключения фазовой траектории оптимальной системы на основании текущего контроля коэффициента мощности системы «индуктор-загрузка».

Краткое содержание работы

В работе изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, обеспечивающие решение одной из важных задач машиностроительной промышленности.

В первом разделе рассматривается проблема моделирования и оптимизации технологического процесса индукционного нагрева ферромагнитных заготовок перед обработкой на деформирующем оборудовании. Приведен краткий обзор существующих методов решения задач моделирования процессов дискретно-непрерывного индукционного нагрева, оптимального управления режимами нагрева в переходных и установившихся режимах работы. Показано, что опубликованные до настоящего времени исследования, посвященные вопросам управления нестационарными режимами работы индукционных нагревателей, недостаточно полно отражают вопросы оптимизации переходных режимов нагревателей дискретно-непрерывного действия.

Второй раздел посвящен исследованию электромагнитных и тепловых полей в установившемся и переходных режимах функционирования индукционных нагревателей непрерывного и дискретно-непрерывного действия с ферромагнитной загрузкой для нагрева до температур пластической деформации.

В целях получения удовлетворительного по точности описания температурного поля, наиболее удобного для последующего решения задач оптимизации, в диссертационной работе используется численная электротепловая модель процесса непрерывного нагрева

Рассматривается общая методика постановки и численного расчета электромагнитных и тепловых полей в установившемся и переходных режимах работы

При построении конечно—элементной тепловой модели такие сложные процессы, как теплообмен на границе двух твердых тел, заменяются комбинацией соседних элементов с различными свойствами. Определение температурного поля нагреваемого изделия сводится к решению уравнения теплопроводности Фурье с известной функцией распреде