автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система автоматического управления технологическим процессом нагрева стальной проволоки и ленты при закалке в непрерывном конвейерном режиме

На правах рукописи

Тун Мин Наинг

РГБ ОД

2 е АВГ 2008

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ НАГРЕВА СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ И ЛЕНТЫ ПРИ ЗАКАЛКЕ В НЕПРЕРЫВНОМ КОНВЕЙЕРНОМ РЕЖИМЕ

Специальность 05 13 06 - "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении)"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□□3445526

Москва - 2008 г

003445526

Работа выполнена на кафедре «Систем автоматического управления и контроля» Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

лауреат премии СМ СССР, заслуженный деятель науки РФ Н Д Дубовой

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

А М Грушевский

кандидат технических наук В Ю Трубников

Ведущая организация: ОАО "НИИ Точного машиностроения" (ОАО "НИИТМ")

Защита диссертации состоится 2008 г в

1т 30часов на заседании диссертационного совета Д212 134 04 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу 124498 Москва, Зеленоград, проезд 4806, д 5, МИЭТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ Автореферат разослан ¿¿¿^-¿¡Л., 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

А И Погалов

Общая характеристика работы

Во многих отраслях промышленности и особенно в машиностроении большое число технологических процессов связано с нагревом металлов Из всех способов нагрева металла нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) в ряде случаев является наиболее прогрессивным, обладает рядом преимуществ, которые наиболее полно проявляются при термической обработке ТВЧ непрерывно движущихся типовых деталей при массовом изготовлении Высокие требования к качеству изготавливаемых изделий определяют жесткие условия осуществления технологического процесса индукционного нагрева

Вопросы, касающиеся исследования неподвижного объекта индукционного нагрева как звена САУ рассматривали А В Нетушил, М Б Коломейцева, С А Панасенко, Н Е Разоренов, А Е Слухоцкий, Н А Павлов Анализ и синтез систем автоматического управления объектом индукционного нагрева изложен в работах Н И Асцатурова, М Б Ко-ломейцевой, ДА Гитгарца, АЛ Уклейна, А В Бамунэра, А Д Свенчанского и др Основы теории автоматического управления, в частности анализ устойчивости и качества систем, изложены в книгах В А Бесекерского, А А Воронова, В В. Солодовникова и др

В технологии современного машиностроения все более широкое распространение находит прогрессивный метод поверхностной закалки стальных деталей при индукционном нагреве токами высокой частоты Особенностями этого метода упрочнения являются большая скорость индукционного нагрева, позволяющая резко сократить длительность цикла термической обработки и применить ее непосредственно в потоке механической обработки, возможность полной автоматизации операций нагрева и закалки, достижение высоких прочностных свойств поверхностно закаленных изделий, снижение стоимости термической обработки и др

Поверхностная закалка индукционным способом, предложенная В П Вологдиным, зарекомендовала себя как высокопроизводительный экономичный способ поверхностной термообработки, полностью соответствующий требованиям современного массового производства Внесение операции поверхностной закалки в линии механической обработки коренным образом изменило термическое производство и условия труда Минимальное потребление энергии, принципиально свойственное процессу поверхностной закалки индукционным способом, приобретает особое значение в отношении экономии ограниченных природных ресурсов

Разработанные методы поверхностной закалки стали при индукционном нагреве, позволяют более эффективно повышать конструктивную прочность ответственных деталей машин, работающих на изгиб или кручение, так как за короткое время и при автоматическом цикле обработки можно получать необходимую глубину закалки, упрочнять сердцевину детали и получать более мелкую структуру

Метод индукционного нагрева основан на бесконтактной передаче электрической энергии в нагреваемый объект при помощи электромагнитного поля Нагреваемое изделие помещается в индуктор (медный виток или многовитковая катушка), по которому протекает ток высокой частоты, достигающий тысяч ампер Нагрев изделия происходит за счет энергии, выделяющейся в поверхностном слое детали

Индукционный нагрев изделий может осуществляться в установках садочного типа (нагрев неподвижного изделия) и в установках методического типа (нагрев изделия, движущегося относительно индуктора) В ряде случаев термообработки практически возможен только так называемый непрерывно-последовательный нагрев объекта, то есть нагрев при движении детали относительно индуктора в непрерывном конвейерном режиме К таким случаям относятся поверхностная закалка крупногабаритных деталей, одновременный нагрев всей поверхности которых потребовал бы чрезмерной мощности высокочастотных генераторов, нагрев трубных или сплошных заготовок различного сечения под прокатку, закалку, механическую обработку и др

Наиболее распространенным методом управления режима индукционного нагрева является стабилизация электрического режима высокочастотной установки (управление по косвенному параметру) Однако в подавляющем большинстве случаев непрерывно движущегося объекта индукционного нагрева такое управление не может обеспечить ни нужного качества нагрева по длине детали, ни повторяемости нагрева Это относится, в частности, к нагреву деталей переменного сечения, деталей с различной начальной температурой, а также деталей, движущихся с изменяющейся из-за технологических особенностей скоростью Некоторые из известных типов регуляторов температур нагрева (управление по прямому параметру), в которых используется бесконтактный метод измерения температуры, в отдельных случаях могут быть использованы при управлении движущегося объекта индукционного нагрева Однако они обладают существенными недостатками и не могут решить все многообразие задач, которые в настоящее время возникают в области индукционного нагрева движущегося изделия Возникает проблема

создания эффективных и качественных автоматических систем регулирования температурного режима Создание подобных автоматических систем невозможно без разработки математической модели технологического процесса, как объекта управления

Поэтому весьма актуальным является задача создания эффективных и качественных систем управления режимом индукционного нагрева, учитывающих особенности непрерывно движущегося объекта Решение данной задачи будет способствовать удовлетворению требований, предъявляемых современной технологией к качеству термообработки, созданию материалов с более качественными показателями, отвечающих требованиям технического прогресса

Цель работы - исследование, разработка и моделирование систем автоматического управления технологическим процессом непрерывного индукционного нагрева протяженных движущихся изделий с целью достижения стабильных качественных характеристик

Задачи исследований. Для достижения целей диссертационной работы необходимо решение следующих задач

разработка математического описания объекта индукционного нагрева в непрерывном конвейерном режиме, как звена систем автоматического управления (САУ),

исследование динамики систем управления индукционным нагревом движущихся изделий,

анализ различных структур САУ, разработка предпочтительной структуры системы с точки зрения качества управляемого процесса для получения продукции с заданными параметрами,

параметрическая оптимизация САУ процессом индукционного нагрева и определение коэффициентов настроек управляющего устройства для получения стабильного качества готовой продукции

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с привлечением методов решения дифференциальных уравнений в частных производных, методов теории идентификации, частотных методов теории автоматического управления, методов параметрической оптимизации с помощью интегральных критериев и методов компьютерного моделирования

Научная новизна Научная новизна состоит в создании и реализации следующих научных разработок математических моделей объекта индукционного нагрева типа проволоки (цилиндра) и ленты (пластины) при различных условиях нагрева и теплоотсева в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности и по скорости, методики исследования и моделирования систем регулирования технологического процесса индукционного нагрева при различных законах управления, по результатам которой разработаны предпочтительные структуры систем управления с точки зрения качества процесса нагрева, методики определения коэффициентов настроек управляющего устройства САУ с помощью параметрической оптимизации при выбранном интегральном критерии качества При проведении исследования и моделирования в рамках данной диссертационной работы получены следующие результаты

-разработано математическое описание объектов индукционного нагрева типа бесконечно длинной ленты (пластины) и бесконечно длинной проволоки (цилиндра) в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности, подаваемой в объект и по скорости движения объекта относительно индуктора,

-произведена аналитическая оценка точности приближения математического описания объекта и показано, что при допустимой погрешности переходной характеристики движущегося объекта порядка 5% достаточно ограничиться 3-4 членами каждого ряда передаточной функции,

-проведено исследование частотных и временных характеристик объекта индукционного нагрева на примере ленты различной толщины при различной скорости движения,

-проведен сравнительный анализ возможных структур систем регулирования индукционным нагревом движущихся изделий, на основании которого выделены три основных типа структур, -исследованы области оптимальных значений настроечных коэффициентов устройства управления исследуемой САУ в смысле интегрального квадратичного критерия и представлены в плоскости параметров и в трехмерном пространстве,

-разработано программное приложение с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в пакете MATLAB для обработки и демонстрации результатов компьютерного моделирования САУ

Практическая ценность. Разработанные алгоритмы управления для создания качественных САУ нагревом ТВЧ на основе полученных математических моделей могут быть применены в различных отраслях науки, техники и промышленности для решения проблем, возникающих при внедрении производственных процессов, связанных с индукционным нагревом металлических изделий, в различных АСУТП соответствующего профиля Кроме того, разработанное программное приложение может быть использовано для моделирования, обработки и демонстрации результатов исследования систем управления подобными технологическими процессами

Результаты моделирования автора показали, что -наименьшее значение времени регулирования системы равно 3 с, что как минимум в 3-4 раза ниже времени регулирования системы при моделировании без параметрической оптимизации Перерегулирование системы равно как максимум 3 % при использовании режима оптимизации

Достоверность результатов работы обусловлена соответствием свойств исходных данных решаемой задачи постановке научной задачи и используемым методам ее решения

Достоверность результатов работы подтверждается также результатами вычислительных экспериментов и их сопоставлением с показателями частотных методов

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично Главными из них являются

-разработка математического описания объектов индукционного нагрева типа бесконечно длинной ленты (пластины) и бесконечно длинной проволоки (цилиндра) в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности, подаваемой в объект, для различных условий нагрева,

-исследование частотных и временных характеристик объекта индукционного нагрева на примере ленты различной толщины при различной скорости движения,

-исследование устойчивости систем автоматического регулирования индукционным нагревом движущихся изделий при различных законах регулирования и при различных структурах систем,

-проведение с помощью метода компьютерного моделирования исследования качества систем указанных структур при управлении по прямому параметру и по косвенному параметру,

-исследование и определение областей оптимальных значений настроечных коэффициентов устройства управления исследуемой САУ в смысле интегрального квадратичного критерия,

-разработка программного приложения с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в пакете MATLAB для обработки и демонстрации результатов компьютерного моделирования САУ

Внедрение результатов. Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, а именно

-математические модели объекта индукционного нагрева типа стальной ленты и проволоки в непрерывном конвейерном режиме при различных условиях нагрева, распространенных в практике термообработки токами высокой частоты,

-методика исследования динамики систем автоматического управления технологическим процессом индукционного нагрева движущихся изделий, определения предпочтительной структуры САУ по прямому и косвенным параметрам,

-методика определения коэффициентов настроек управляющего устройства САУ исследуемого техпроцесса на основе параметрической оптимизации при использовании метода компьютерного моделирования, использованы в учебно-методических разработках для СРС по курсу «Идентификация и диагностика систем», Москва, МИЭТ, 2007г, http //www mocnit miet ru/oroks-miet/srs shtml

Кроме того, перечисленные выше результаты с программным приложением, реализующим алгоритм математических вычислений временных и частотных характеристик САУ с исследуемым объектом управления, расчет показателей качества переходных процессов при оптимальных настроечных коэффициентах с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в среде пакета MATLAB, использованы при разработке лабораторной работы «Исследование объекта идентификации с распределенными параметрами типа движущейся протяженной пластины при индукционном нагреве»

Основные положения, выносимые на защиту:

-математические модели объекта индукционного нагрева типа стальной ленты (пластины) и проволоки (цилиндра) в непрерывном

конвейерном режиме при различных условиях нагрева, распространенных в практике термообработки токами высокой частоты,

-методика исследования динамики систем автоматического управления технологическим процессом индукционного нагрева движущихся изделий, определения предпочтительной структуры САУ по прямому и косвенным параметрам,

-методика определения коэффициентов настроек управляющего устройства САУ исследуемого техпроцесса на основе параметрической оптимизации при использовании метода компьютерного моделирования,

-программное приложение, реализующее алгоритм математических вычислений временных и частотных характеристик САУ с исследуемым объектом управления, расчет показателей качества переходных процессов при оптимальных настроечных коэффициентах с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в среде пакета MATLAB

Апробация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2006» (Москва, 2006 г), 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2007» (Москва, 2007 г), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем» (Москва, 2008 г), 15-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2008» (Москва, 2008

г)

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в двенадцати печатных работах, в их числе пять статей в научных журналах, две статьи в сборниках научных трудов, пять публикаций в тезисах докладов Всероссийских межвузовских научно-технических конференций, в том числе четыре статьи в журналах, входящих в перечень ВАК В четырех работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат обоснования методов решения научных задач, проведение и анализ вычислительных экспериментов, а также участие в постановке научных задач

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения

Работа содержит 127 страниц основного текста, 60 страниц с рисунками и таблицами, список литературы из 74 наименований, приложения на 21 странице

Содержание работы Во введении обоснованы актуальность темы работы, научная новизна и практическая значимость результатов, сформулированы цели и общие задачи диссертационной работы, представлены основные положения, выносимые на защиту

В первой главе анализируется современное состояние процесса управления индукционным нагревом движущегося объекта

На основании анализа существующих моделей объекта индукционного нагрева и существующих систем регулирования исследуемого объекта по литературе отмечено следующее

Наиболее полно рассмотрены вопросы математического описания объекта индукционного нагрева как звена системы автоматического регулирования для случаев использования установок садочного типа, т е неподвижного теплового объекта Малочисленны работы по описанию объектов нагрева типа проволоки и ленты в непрерывном конвейерном режиме Не рассмотрено влияние различных условий нагрева, имеющих место в практике термообработки, на описание движущегося объекта индукционного нагрева

Вопросы исследования динамики систем регулирования движущимся объектом индукционного нагрева при управлении по прямому параметру - температуре объекта в литературе мало отражены Отсутствует сопоставительный анализ возможных структурных современных схем САУ при совокупном рассмотрении вопросов устойчивости и качества регулирования применительно к реальным системам с современными микропроцессорными устройствами управления

При управлении режимом нагрева по косвенному параметру (мощность, напряжение, ток индуктора) характер исследования САУ будет тот же, что и при управлении нагревом неподвижного изделия Однако обоснованию требований к характеристикам подобных систем с учетом движения объекта нагрева, а следовательно, области применения существующих систем для управления движущимся объектом

индукционного нагрева уделено недостаточно внимания Недостаточно исследованы САУ движущимся объектом индукционного нагрева по косвенному параметру перспективных структур с полупроводниковыми преобразователями, появившиеся в последнее время

Не исследован вопрос использования режима параметрической оптимизации при управлении процессом нагрева изделия типа проволоки и ленты в непрерывном конвейерном режиме

Критический анализ современного состояния вопроса управления индукционным нагревом движущегося объекта, проведенный в первой главе, позволил сформулировать задачи, которые являются предметом исследования настоящей диссертационной работы

Последующие главы настоящей работы представляют собой этапы исследований и решения задач анализа и синтеза автоматических систем регулирования индукционным нагревом в непрерывном конвейерном режиме при закалке стальной проволоки и ленты

Во второй главе рассмотрены вопросы математического описания движущегося объекта нагрева как звена САУ, определены связи между управляемыми величинами и внешними воздействиями в статике и динамике

При индукционном нагреве состояние нагреваемого изделия определяется большим числом взаимосвязанных факторов В работе приведены основные векторы параметров, характеризующих состояние объекта неизменяемые в процессе регулирования - Z , управляющие - X , выходные - y и неконтролируемые - f, выделены параметры векторов, существенные в процессе движущегося объекта индукционного нагрева

Задача описания объекта индукционного нагрева как звена САУ определяется в общем случае совместным решением уравнений электромагнитного поля Максвелла и уравнения теплопроводности Фурье

jHdl^I

J dt

(1)

dt дх ду dz су

+ Vx-^- + Vy—+Vz — = aV2r + -Z-, (2)

где н, е - напряженности магнитного и электрического полей соответственно, I - ток, пронизывающий поверхность, ограниченную

замкнутым контуром, I - длина замкнутого контура, Ф - магнитный поток, т - температура тела в точке с декартовыми координатами х, у, г в момент времени /, Ух, Уу, V, - составляющие скорости

движения нагреваемого тела V относительно индуктора

Закон распределения внутренних источников тепла в нагреваемом теле 1¥т определяется решением уравнений Максвелла (1)

В общем случае вышеуказанные неоднородные дифференциальные уравнения имеют нелинейные коэффициенты, так как в процессе нагрева изменяются теплофизические постоянные (а, с, л), удельное сопротивление (р) и магнитная проницаемость (/л) в зависимости от температуры и напряженности магнитного поля В работе показано, что использование при решении поставленной задачи некоторых условий и допущений, не меняющих сущности физических явлений в объекте, а также учитывающих технологические и конструктивные особенности объекта при закалке изделий, дает возможность привести исходные уравнения (1), (2) к виду, допускающему определение их решения

Проводится исследование объекта индукционного нагрева как звена САУ для наиболее распространенных типов изделий для объекта типа бесконечной пластины (или ленты) и для объекта типа бесконечного цилиндра (или проволоки) в непрерывном конвейерном режиме

Уравнение Фурье, описывающее температурное поле нагреваемого изделия типа бесконечной ленты с учетом принятых допущений может быть представлено в виде

эеМ = аз^х у.,)М<Уау г ,>0

Зг ду дх су

0 < у < 2И (3)

с начальными и краевыми условиями

в{х,у, ОЦ=0- в(х>У>')\х=о=0

дв(х,у,с)

8у

= 0,

80(х,у, О

у=Я

ду

= р в(х,у,ф=о у=О у-2Я

у=гл

(4)

где х, у - координаты в декартовой системе (рис 1), г - время, I -длина зоны нагрева (индуктора), 2Я - толщина ленты, в(х,у,(), -приращение температуры и плотности распределения внутренних источников тепла соответственно, р - коэффициент теплоотдачи с по-

верхности объекта, а - показатель затухания электромагнитной волны в металле.

Зона им рева

Рис 1 Объект индукционного нагрева типа движущейся ленты В результате решения уравнения (3) при краевых условиях (4) с использованием двойного преобразования Лапласа получено изображение температуры нагреваемого объекта в точке (х,г) И показано, что передаточная функция движущегося объекта индукционного нагрева при управлении по мощности может быть представлена в виде суммы передаточной функции неподвижного объекта и бесконечного

ряда инерционных звеньев с запаздыванием, который отражает непрерывный характер движения объекта

1Уп

н

где

щ1р)=

Др-да2)

Ар о , р

асЫ—г+рвМ—г V а V а

-{а+^сЫ^Я-г)

\ а V а \ а

(5)

(6)

2/г5

с05ц, рп

Д Р

тп = —Ая - корень уравнения = гн = —

рпа рн у

(7)

В работе показано, что передаточную функцию для неподвижного объекта Щ(р) можно преобразовать к более удобному виду аналогич-

но ряду в выражении (5), что значительно облегчает дальнейший анализ динамических свойств исследуемого объекта и синтез САУ Окончательно передаточная функция для движущегося объекта индукционного нагрева может быть представлена в виде

к„

р-РГн

л=1

л=I

1+рТ„

(8)

где к'„ = к„е1"

Проведено исследование математического описания движущегося объекта типа бесконечного цилиндра (или проволоки) Процесс индукционного нагрева цилиндрического тела радиусом Я, движущегося по индуктору со скоростью V, описывается неоднородным дифференциальным уравнением теплопроводности Фурье в цилиндрических координатах следующего вида

сТ д ус—=—

^ а-

ЛгдГ д +——+—

г дг дер

'Т.Е.

2 Я/7)

&

-усУ^Щ,,,

(9)

где г , р, г - цилиндрические координаты объекта

С учетом допущений, отмеченных в работе, и при использовании преобразований Лапласа по времени и конечного преобразования Хан-келя по радиусу получена передаточная функция для объекта типа цилиндра (или проволоки) при экспоненциальном распределении внутренних источников тепла и отсутствии теплоотдачи Показано, что она может быть приведена к виду, аналогичному выражению (8)

в(>-Лр)_ ¿0 | у к'п К , V кп

¿-¡\+рТ„ I П ¿->\

¡у0{р)=

щ

м

р-Р1 н

И=1

п=I

•\+Рт„

(10)

где

2 а аЯ + е

-аК

- Т = —— к' = к р " >'п 2 ' " п ' я„а

(П)

к .. ^п) (

.<;„ - положительные корни характеристического уравнения J'0(sR)= 0 при п= 1,2,

Таким образом, полученные передаточные функции движущегося объекта индукционного нагрева типа пластины (или ленты) (8) и типа цилиндра (или проволоки) (10) позволяют отнести их к одному классу динамических объектов

Статические и динамические характеристики движущегося объекта зависят не только от материала, размеров, конфигурации нагреваемого изделия, но и от условий нагрева В работе проведено рассмотрение данного класса объектов на примере бесконечно длинной ленты для частных условий нагрева, соответствующих реальным практическим случаям1

- распределение внутренних источников тепла имеет экспоненциальный закон и'(у,/)= •и'о , теплопередача с поверхности детали отсутствует (¿3 = 0),

- равномерное распределение источников тепла (а = 0), теплоотдача учитывается (/? *0 ),

- нагрев с поверхности, те граничные условия второго рода («-> со),

- равномерное распределение источников тепла (« = 0, /7 = 0)

Для отмеченных случаев приведены также Щ(р) при условии, что : выходной координатой является температура поверхности тела на выходе из индуктора (г = Я,х = £) Так для последнего случая условий нагрева, характерных для так называемого "теплотехнически тонкого" тела, передаточная функция будет иметь весьма простой вид

В работе также получено математическое описание движущегося объекта индукционного нагрева типа ленты при управлении по мощности для несимметричного нагрева и для наиболее общих условий нагрева (4) при управлении по скорости движения объекта V{t) Показано, что в перечисленных случаях W0(р) относится к отмеченному вы-

управлении по мощности и при управлении по скорости отличаются между собой только коэффициентами усиления. Таким образом, анализ характеристик объекта управления при управлении по мощности дает право сделать выводы относительно характеристик объекта при управлении по скорости Бесконечные ряды, содержащиеся в выражении передаточной функции движущегося объекта индукционного нагрева, для

щ(р)=~~—е~рт» , где

(12)

Р Р

практических расчетов могут быть ограничены Произведена оценка точности приближения математического описания исследуемого класса объектов во временной области Показано, что при допустимой погрешности переходной характеристики объекта h0(t) порядка 5% достаточно ограничится 3-4 членами каждого ряда передаточной функции Проведено исследование частотных и временных характеристик движущегося объекта индукционного нагрева на примере ленты различной толщины при различной скорости движения для наиболее общего случая нагрева (рис 2) - (а*0,/3*0) и простейшего -(а = 0,/? = 0) Согласно передаточным функциям (8) и (12) получены выражения для нормированных амплитудно-фазовых характеристик (АФХ) и логарифмических частотных характеристик (J1A4X и ЛФЧХ) объекта индукционного нагрева С использованием ПК проведен расчет указанных характеристик с нормированными параметрами объекта

f-h. '' 1П ' И

Tu N

2>»

п=\

1-е

при значениях теплофизических и электромагнитных постоянных (а, Х,р,ц,а) в выражениях Т* и к*„ для "горячего" режима стального изделия, что соответствует режиму закалки

АФХ для рассматриваемого класса объекта представляют собой спиралевидный годограф, который при изменении нормированной частоты О. = а>тн в пределах 0<0<<» асимптотически приближается к началу координат, не пересекая отрицательную вещественную ось

Проведен расчет переходных характеристик движущегося объекта индукционного нагрева при управлении по мощности согласно выражениям

(13)

N ( --) N ( '-ГЛ

hkhY/" 1-е 7" -D» 1-е У»

/7=1 к n=i 1 )

Ч Uh )

приа = /?=0

где N - число членов ряда, обеспечивающее заданную точность

Голо^.фЛФХ Л*ЧХ

11«1»*>слв»ж жярлкггрясгмь* ЧФТХ

Сдвиг фмы "

|) Время (О) 8) /«Г ш

Рис 2 Динамические характеристики объекта (а ^ 0, /]^ 0) Компьютерное моделирование подтвердило оценку приближения математического описания объекта, полученную аналитическим путем

В третьей главе рассмотрены вопросы динамики систем регулирования индукционным нагревом движущихся изделий

На основании анализа основных факторов, согласно которым формируется структура САУ режима индукционного нагрева, а также с учетом распространенных в настоящее время и перспективных в будущем блоков установок индукционного нагрева, выделены следующие три структуры систем автоматического управления

САУ структуры 1 - система с полупроводниковым преобразователем высокочастотной энергии, который может быть описан математически в линейном диапазоне безынерционным звеном,

САУ структуры 2 и 3 - системы с машинным генератором (МГ) в качестве источника питания, в качестве его возбудителя - тиристорный усилитель (ТУ), либо магнитный усилитель (МУ)

Система регулирования режимом движущегося объекта индукционного нагрева в целом является нелинейной Нелинейность обусловлена коэффициентом передачи мощности от индуктора к детали В работе показано, что при анализе динамики САУ движущимся объектом индукционного нагрева в режиме стабилизации коэффициент передачи можно принимать постоянным

В результате обобщенная передаточная функция разомкну юй системы структуры 3 представляется в виде.

1 N •

Щр) =--У

(1 + р Тмг )(1 + р Тму XI + р Тмт) ¿х 1 + р Т„

1-е

(14)

где кс - коэффициент усиления системы

При Тт = Тму =0 имеем САУ структуры 1, при Тщ= 0 - САУ структуры 2

Оценка динамических показателей выделенных систем проводилась при реальных для практики значениях параметров блоков МГ и МУ Параметры объекта управления варьировались соответственно различным типам объектов

При исследовании устойчивости САУ движущегося объекта индукционного нагрева в качестве объекта управления рассмотрены а) объект типа "теплотехнически тонкого" тела с WQ{p){ 12), б) объект типа бесконечной ленты при наиболее общих условиях нагрева с передаточной функцией (8) Выбором данных вариантов объекта индукционного нагрева охвачен полный диапазон возможных условий нагрева

Исследование динамики выделенных выше структур САУ в области реальных значений параметров поводилось с помощью ПП МВТУ В работе показано, что для САУ с П - законом при использовании структуры 1 значение предельного коэффициента (Кпр) теоретически неограниченно При наличии инерционностей в регуляторе (структуры 2-я и 3-я) величина Квр имеет значение Кпр =4 - 50

Проведен анализ устойчивости систем при введении И, ПИ, ПИД -законов регулирования для трех анализируемых структур при различной величине времени нагрева с объектом типа (а) и с объектом типа (б) Для объекта типа (б) помимо изменяющегося значения времени нагрева, рассмотрена различная толщина нагреваемого изделия R

При использовании таких законов во всех трех структурах САУ и для объекта (а) практически во всех рассматриваемых случаях при увеличении времени нагрева величина Кпр уменьшается

В САУ 1-ой структуры с И - законом для объекта (б) величина ЛГпр

увеличивается (£пр=14 - 37) Для структур 2 и 3 практически во всех

рассматриваемых случаях при увеличении времени нагрева величина Кпр уменьшается (£пр =0,6 - 1,1)

Зависимость £прот времени запаздывания или времени нагрева имеет две области При 0 < гн < тр зависимость Кпр = /(г„) обратная, при гр<тн<оо зависимость £пр = /(гн) прямая Значение гр для конкретного типа объекта зависит от параметров объекта, в частности, тол-

щины R Для практически реальных значений гн в большей мере имеет место прямая зависимость А"пр = Дгн)

САУ 1-ой структуры с ПИ и ПИД - законами регулирования для объекта (б) структурно устойчива, т е Кпр —><х> Для структуры 2 практически во всех рассматриваемых случаях при увеличении времени нагрева величина Кпр увеличивается Для структуры 3 зависимость

Кпр от времени запаздывания или времени нагрева имеет также две области

Были проведены расчеты на ПК кривых переходных процессов в системах рассматриваемых структур при различных законах управления В диссертационной работе предложены структурные математические модели систем управления с различными законами регулирования Пример модели с ПИД - законом показан на рис 3 Пример переходных характеристик САУ объектом (б) для 1 -ой структуры приведен на рис 4 Анализ их позволяет сделать вывод, что при управлении нагревом движущегося объекта типа бесконечной ленты (пластины) с толщиной порядка R= 0,5 -1,5 см и гн = 6 - 10 с САУ структуры 1 с П - законом

имеют приемлемые показатели качества Величина статической ошибки обратно пропорциональна коэффициенту усиления САУ kc(sycT = \/kc) и может быть скомпенсирована уставкой соответствующего входного задающего сигнала Система автоматического управления при использовании машинного генератора в качестве источника питания и в качестве возбудителя - тиристорного усилителя, либо магнитного усилителя, как показали результаты расчетов частотных и переходных характеристик, имеет худшие показатели качества И чем тоньше объект, или иначе, чем более приближается объект типа (б) к объекту типа (а), тем хуже качество отработки ступенчатого входного воздействия линейной САУ при П - законе регулирования

effl Л«0)

'лР

X V. L

1 ±Т„р

L.

1+W

Рис 3 Структурная математическая модель системы управления объектом нагрева типа (б) с ПИД - законом регулирования

а) Время lo» вромя

Рис 4 Переходные характеристики САУ объектом (б) для различных законов управления а) П, б) И, в) ПИ, г) ПИД Анализ переходных процессов в САУ с И - и ПИ - законами управления показал, что перерегулирование системы практически во всех рассматриваемых случаях объекта о > 0 % Самое меньшее значение о имеет САУ при ПИД - законе

Время регулирования изменяется от одной десятой секунды до двух десятков секунд Количественные значения для САУ 1-ой структуры /р = 7 - 11 с, а = 1 - 8 %, для САУ 2-ой структуры tp = 10 - 16 с, а = 4

- 20 %, для САУ 3-ей структуры гр = 15 - 18 с, о = 6 - 24 %

При определенных условиях нагрева изделий выгодно использование управления движущимся объектом индукционного нагрева по косвенным параметрам В работе проведено исследование САУ структур 1 и 2, как наиболее перспективных в настоящее время Показано, что переходные процессы в таких системах монотонные при быстродействии порядка десятых долей секунды, что вполне удовлетворяет требованием индукционного нагрева движущихся изделий

В четвертой главе проведена параметрическая оптимизация систем управления процессом индукционного нагрева по выбранным критериям качества и определены коэффициенты настроек управляющего устройства (УУ) с помощью программного пакета МВТУ

Параметрическая оптимизация проведена для САУ с И, ПИ и ПИД -законами управления для простого случая (а) (а=0, р=0) и для общего случая (б) (а^О, р^О) В качестве критерия оптимизации можно использовать интегральные оценки качества Для 1-ой структуры САУ объектом нагрева типа (б) при ПИ - законе результаты поиска оптимальных значений параметров настройки УУ в смысле интегральной квадратичной оценки приведены в таблице 1 Соответствующие области оптимальных значений в плоскости параметров Ту и кй показаны на рис 5

Таблица 1.

Интегральный критерий качества переходных процессов САУ

h=f(KJy)

т, с

fe. с-1 1.2 1,4 1,6 1.8 2 2.2

0.1 2,33 2,37 2,44 2,5 2,52 2,54

0,2 0,6 0,67 0,76 0,82 0,88 0,94

0,3 0,04 0,04 0,07 0,06 0,08 0,14

0,4 0,34 0,26 0,02 0,01 0,004 0,002

0,5 0,34 0,26 0,22 0,15 0,1 1 0,06

0,6 0,28 0,24 0,19 0,17 0,12 0,1

Ту. о

Рис. 5. Области оптимальных значений параметров САУ Ту и кс при 12, равном 0,1 ^-2.

Анализируя типовые показатели качества САУ 1-ой и 2-ой структур с различными законами регулирования, можно отметить, что области оптимальных настроек как для объекта типа (а), так и для объекта типа (б) находятся в диапазоне k¿= 0,25 + 1 с"1; Ту = 1,3 ^ 4 с.

Показатели качества переходных процессов для полученных областей настроек при минимальном интегральном критерии наилучшие (sycT = 0; tp = 3,0 - 6,2 с; о = 0 - 3%).

В настоящей главе разработано программное приложение с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в пакете MATLAB для обработки и демонстрации результатов компьютерного моделирования САУ процессом индукционного нагрева в непрерывном конвейерном режиме.

Процесс обработки результатов моделирования представлен в виде блок-схемы алгоритма на рис. 6. Главные диалоговые окна разработанного программного приложения показаны на рис. 7(а,б).

Г1у<*

( Осганм у

Рис. 6. Блок-схема алгоритма расчета показателей качества САУ индукционным нагревом в непрерывном конвейерном режиме.

б)

Рис. 7. Главные диалоговые окна разработанного программного

приложения.

В заключении приведены основные выводы и результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

В приложениях представлены документы об использовании результатов диссертационной работы (Приложение I), фрагмент разработанного программного приложения для обработки и демонстрации результатов компьютерного моделирования САУ (Приложение 2), примеры расчета типовых характеристик исследуемого объекта (частотных и временных) (Приложение 3).

Основные результаты работы

1. Разработано математическое описание объектов индукционного нагрева типа бесконечно длинной ленты (пластины) и бесконечно длинной проволоки (цилиндра) в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности, подаваемой в объект. Показано, что они относятся к одному классу динамических объектов.

2. Показано, что передаточная функция данного класса объектов может быть приведена к виду, представляющему собой сочетание передаточной функции неподвижного объекта и бесконечного ряда инер-

ционных звеньев с запаздыванием, отражающих непрерывный конвейерный характер движения объекта

3 Проведено рассмотрение данного класса объектов на примере стальной ленты для общих и для частных условий нагрева, соответствующих реальным практическим случаям закалки изделий (различные виды распределения внутренних источников тепла, условий теплообмена и т п)

4 Разработано математическое описание движущегося объекта индукционного нагрева для наиболее общих условий нагрева при управлении по скорости движения объекта относительно индуктора Показано, что при данном способе управления объект также относится к отмеченному в п 1 классу

5 Разработаны рекомендации по ограничению числа членов бесконечных рядов в выражении передаточной функции объекта Произведена аналитическая оценка точности приближения математического описания объекта Показано, что при допустимой погрешности переходной характеристики движущегося объекта порядка 5% достаточно ограничиться 3-4 членами каждого ряда передаточной функции

6 Исследованы частотные и временные характеристики объекта индукционного нагрева на примере стальной ленты различной толщины при различной скорости движения Компьютерное моделирование подтвердило оценку приближения математического описания объекта, полученную аналитическим путем.

7 Проведена разработка и сравнительный анализ возможных структур САУ индукционным нагревом изделий в непрерывном конвейерном режиме, на основании которого предложены три основных типа структур Проведено исследование их динамики с помощью частотного метода

8 Исследована устойчивость предложенных систем автоматического регулирования Показано, что при безынерционном преобразователе значение предельного коэффициента усиления практически неограниченно При наличии инерционностей в исполнительном устройстве значение Кпр определено в диапазоне 0,03-50.

9 С помощью метода компьютерного моделирования исследовано качество систем указанных структур Показано, что в САУ с безынерционным преобразователем (1-ой структуры) приемлемое качество регулирования обеспечивается практически при всех типовых законах На основании анализа качества САУ с инерционным преобразователем (2-я и 3-я структуры) для управления режимом индукционного нагрева

рекомендуется система структуры 2, как наиболее перспективная и обладающая лучшими динамическими характеристиками

10 На основании сопоставительного анализа систем регулирования объектом индукционного нагрева по косвенному параметру выделены САУ структуры 1 (с безынерционным преобразователем) и 2 (с машинным генератором и тиристорным усилителем) Показано, что переходные процессы в таких системах монотонные при удовлетворительном быстродействии

11 В режиме параметрической оптимизации исследованы области оптимальных значений настроечных коэффициентов устройства управления исследуемой САУ в смысле интегрального квадратичного критерия Рассчитаны временные характеристики САУ с объектом типа "теплотехнически тонкого" тела (а = 0,/? = 0) и с объектом для наиболее общих условиях нагрева (а*0,/?*0), и анализ их показал, что для полученных областей настроек при минимальном интегральном критерии показатели качества переходных процессов наилучшие (еуст = 0, tv = 3,0 - 6,2 с, а = 0 - 3%)

12 Разработано программное приложение с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в пакете MATLAB для обработки и демонстрации результатов компьютерного моделирования САУ процессом индукционного нагрева в непрерывном конвейерном режиме

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях

1 Тун Мин Наинг Анализ показателей качества и компьютерное моделирование САУ инерционным термическим объектом // Микроэлектроника и информатика 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов - М МИЭТ, 2005, с 242

2 Тун Мин Наинг Анализ влияния нелинейностей элементов САУ инерционным термическим объектом на качество управления // Микроэлектроника и информатика 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов - М МИЭТ,

ОЛЛ/Г ~

¿uuO, I- ¿оо

3 Дубовой Н Д, Тарасова Г И , Тун Мин Наинг Оценка качества САУ термическим объектом при учете типовых нелинейностей элементов //Естественные и технические науки 2006, № 4, с 222 - 225

4 Дубовой Н Д, Тарасова Г И, Тун Мин Наинг Идентификация термического объекта с использованием звена запаздывания //Техника и технология 2006, № 5, с 44 - 46

5 Дубовой Н Д , Тарасова Г И , Тун Мин Наинг Исследование влияния запаздывания термического объекта управления на устойчивость и качество САУ //Естественные и технические науки 2006, № 6, с 249 - 252

6 Тун Мин Наинг Моделирование объекта индукционного нагрева типа бесконечной движущейся ленты // Методы и средства экологического мониторинга производств электронной техники Сборник научных трудов / Под ред В И Каракеяна - М МИЭТ, 2006, с 206 -215

7 Тун Мин Наинг. Исследование динамических характеристик объекта с распределенными параметрами с помощью компьютерного моделирования // Микроэлектроника и информатика 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов -М МИЭТ, 2007, с Л278

8 Дубовой Н Д, Тарасова Г И, Тун Мин Наинг, Вим Мьинт Зо Параметрическая оптимизация систем автоматического регулирования с термическим объектом при изодромном управлении // Известия вузов Электроника 2007, № 4, с 85-86

9 Тун Мин Наинг Исследование динамики системы автоматического управления движущимся объектом индукционного нагрева //Естественные и технические науки 2007, № 5, с 233 - 235

10 Тун Мин Наинг Анализ устойчивости САУ движущимся объектом индукционного нагрева// Методы и средства экологического мониторинга производств электронной техники Сборник научных трудов / Под ред Тимошенкова СП - М МИЭТ, 2007, с 132-138

11 Тун Мин Наинг Моделирование информационных систем с распределенными параметрами и анализ их устойчивости // Актуальные проблемы информатизации Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция - М МИЭТ, 2007 г, с 166

12 Тун Мин Наинг Исследование качества САУ технологическим процессом индукционного нагрева при оптимизации настроек регулятора //Микроэлектроника и информатика - 2008 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов Тезисы докладов -М МИЭТ, 2008, с 215

Подписано в печать

Формат 60x84 1/16 Уч -изд л ///Тираж экз Заказ //

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ

124498, г Москва, Зеленоград, проезд 4806, д 5, МИЭТ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ ИНДУКЦИОННЫМ НАГРЕВОМ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА.

1.1. Математическое описание движущегося объекта индукционного нагрева как звена САУ.

1.2. Современные датчики температуры и датчики электрических параметров.

1.3. Аппаратное обеспечение режима индукционного нагрева.

1.4. Современные регуляторы, системы управления объектом индукционного нагрева и их недостатки.

1.5. Цель и задачи диссертационной работы.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА, КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Общая характеристика объекта исследования.

2.2. Объект индукционного нагрева типа бесконечной ленты в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности.

2.3. Объект индукционного нагрева типа бесконечной проволоки в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности.

2.4. Модель объекта индукционного нагрева при управлении по скорости движения.

2.5. Динамические характеристики движущегося объекта индукционного нагрева.

Выводы по главе 2.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВА САУ

ИНДУКЦИОННЫМ НАГРЕВОМ ДВИЖУЩИХСЯ ИЗДЕЛИЙ.

3.1. Структура систем автоматического управления индукционным нагревом изделий в непрерывном конвейерном режиме.

3.2. Устойчивость систем автоматического управления индукционным нагревом при управлении по температуре.

3.3. Анализ качества САУ процессом индукционного нагрева при управлении по температуре.

3.4. Динамика систем управления индукционным нагревом по косвенному параметру.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ САУ ПРОЦЕССОМ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.1. Критерии и методы оптимизации.

4.2. Компьютерное моделирование режима параметрической оптимизации САУ.

4.3. Построение областей оптимальных значений коэффициентов настроек регулятора и анализ качества переходных процессов.

4.4. Разработка алгоритма и программного приложения для обработки и демонстрации результатов компьютерного моделирования САУ процессом индукционного нагрева в непрерывном конвейерном режиме.

Выводы по главе 4.

Актуальность работы. Во многих отраслях промышленности и особенно в машиностроении большое число технологических процессов связано с нагревом металлов. Из всех способов нагрева металла нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) в ряде случаев является наиболее прогрессивным, обладает рядом преимуществ, которые наиболее полно проявляются при термической обработке ТВЧ непрерывно движущихся типовых деталей при массовом изготовлении. Высокие требования к качеству изготавливаемых изделий определяют жесткие условия осуществления технологического процесса индукционного нагрева.

Вопросы, касающиеся исследования неподвижного объекта индукционного нагрева как звена САУ внесли А.В. Нетушил, М.Б. Коломейцева, С.А. Панасенко, Н.Е. Разоренов, А. Е. Слухоцкий, Н.А. Павлов. Анализ и синтез систем автоматического управления объектом индукциопиого нагрева изложен в работах Н.И. Асцатурова, Н.Е. Разоренова, М.Б. Коломейцевой, Д.А. Гитгарца, А.Я. Уклейна, А.В. Бамунэра, А.Д.Свенчанского и др. Основы теории автоматического управления, в частности анализ устойчивости и качества систем, изложены в книгах В.А. Бесекерского, А.А. Воронова, В.В. Соло-довникова и др.

В настоящее время Всероссийский научно-исследовательский институт токов высокой частоты (ВНИИТВЧ), г. Санкт-Петербург совместно с ESTEL AS, г. Таллинн при научно-технической поддержке Санкт-Петербурского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ) готовы поставлять комплектно автоматизированное оборудование и технологию индукционного нагрева слябов, блюмов, цилиндрических заготовок в линиях с прокатными и калибровочными станами. Также разработаны индукционные нагреватели стальной ленты в линиях термообработки, сушки, нанесения покрытий, горячего цинкования и др.

В технологии современного машиностроения все более широкое распространение находит прогрессивный метод поверхностной закалки стальных деталей при индукционном нагреве токами высокой частоты. Особенностями этого метода упрочнения являются: большая скорость индукционного нагрева, позволяющая резко сократить длительность цикла термической обработки и применить ее непосредственно в потоке механической обработки; возможность полной автоматизации операций нагрева и закалки; достижение высоких прочностных свойств поверхностно закаленных изделий, снижение стоимости термической обработки и др. [1].

Поверхностная закалка индукционным способом, предложенная В. П. Вологдиным[2], зарекомендовала себя как высокопроизводительный экономичный способ поверхностной термообработки, полностью соответствующий требованиям современного массового производства. Внесение операции поверхностной закалки в линии механической обработки коренным образом изменило термическое производство и условия труда. Минимальное потребление энергии, принципиально свойственное процессу поверхностной закалки индукционным способом, приобретает особое значение в отношении экономии ограниченных природных ресурсов.

Разработанные методы поверхностной закалки стали, при индукционном нагреве, позволяют более эффективно повышать конструктивную прочность ответственных деталей машин, работающих на изгиб или кручение, так как за короткое время и при автоматическом цикле обработки можно получать необходимую глубину закалки, упрочнять сердцевину детали и получать более мелкую структуру.

Метод индукционного нагрева основан на бесконтактной передаче электрической энергии в нагреваемый объект при помощи электромагнитного поля. Нагреваемое изделие помещается в индуктор (медный виток или многовитковая катушка), по которому протекает ток высокой частоты, достигающий тысяч ампер. Нагрев изделия происходит за счет энергии, выделяющейся в поверхностном слое детали.

Индукционный нагрев изделий может осуществляться в установках садочного типа (нагрев неподвижного изделия) и в установках методического типа (нагрев изделия, движущегося относительно индуктора). В ряде случаев термообработки практически возможен только так называемый непрерывно-последовательный нагрева объекта, то есть нагрев при непрерывном движении детали относительно индуктора. К таким случаям относятся поверхностная закалка крупногабаритных деталей, одновременный нагрев всей поверхности которых потребовал бы чрезмерной мощности высокочастотных генераторов, нагрев трубных или сплошных заготовок различного сечения под прокатку, закалку, механическую обработку и др.

Наиболее распространенным методом управления режима индукционного нагрева является стабилизация электрического режима высокочастотной установки (управление по косвенному параметру). Однако в подавляющем большинстве случаев непрерывно движущегося объекта индукционного нагрева такое управление не может обеспечить ни нужного качества нагрева по длине детали, ни повторяемости нагрева. Это относится, в частности, к нагреву деталей переменного сечения, деталей с различной начальной температурой, а также деталей, движущихся с изменяющейся из-за технологических особенностей скоростью. Некоторые из известных типов регуляторов температур нагрева (управление по прямому параметру) [3,4], в которых используется бесконтактный метод измерения температуры, в отдельных случаях могут быть использованы при управлении движущегося объекта индукционного нагрева. Однако они обладают существенными недостатками и не могут решить все многообразие задач, которые в настоящее время возникают в области индукционного нагрева движущегося изделия.

Поэтому весьма актуальным является задача создания эффективных и качественных систем управления режимом индукционного нагрева, учитывающих особенности непрерывно движущегося объекта. Решение данной задачи будет способствовать удовлетворению требований, предъявляемых современной технологией к качеству термообработки, созданию материалов с более качественными показателями, отвечающих требованиям технического прогресса.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование, разработка и моделирование систем автоматического управления технологическим процессом непрерывного индукционного нагрева протяженных движущихся изделий с целью достижения стабильных качественных характеристик.

Основные задачи работы:

-разработка математического описания движущегося объекта индукционного нагрева в непрерывном конвейерном режиме, как звена систем автоматического управления (САУ);

-исследование динамики систем управления индукционным нагревом движущихся изделий;

-анализ различных структур САУ, разработка предпочтительной структуры системы с точки зрения качества управляемого процесса для получения продукции с заданными параметрами;

-параметрическая оптимизация САУ процессом индукционного нагрева и определение коэффициентов настроек управляющего устройства для получения стабильного качества готовой продукции.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с привлечением методов решения дифференциальных уравнений в частных производных, методов теории идентификации, частотных методов теории автоматического управления, методов параметрической оптимизации с помощью интегральных критериев и методов компьютерного моделирования.

Научная новизна работы. Научная новизна состоит в создании и реализации следующих научных разработок: математических моделей объекта индукционного нагрева типа проволоки (цилиндра) и ленты (пластины) при различных условиях нагрева и теплоотсева в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности и по скорости; методики исследования и моделирования систем регулирования технологического процесса индукционного нагрева при различных законах управления, по результатам которой разработаны предпочтительные структуры систем управления с точки зрения качества процесса нагрева; методики определения коэффициентов настроек управляющего устройства САУ с помощью параметрической оптимизации при выбранном интегральном критерии качества. При проведении исследований и моделирования в рамках данной диссертационной работы получены следующие результаты:

-разработано математическое описание движущихся объектов индукционного нагрева типа бесконечно длинной ленты и бесконечно длинной проволоки в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности, подаваемой в объект и по скорости движения объекта относительно индуктора;

-произведена аналитическая оценка точности приближения математического описания объекта и показано, что при допустимой погрешности переходной характеристики движущегося объекта порядка 5% достаточно ограничиться 3-4 членами каждого ряда передаточной функции;

-проведено исследование частотных и временных характеристик объекта индукционного нагрева на примере ленты различной толщины при различной скорости движения;

-проведен сравнительный анализ возможных структур систем регулирования индукционным нагревом движущихся изделий, на основании которого выделены три основных типа структур;

-исследованы области оптимальных значений настроечных коэффициентов устройства управления исследуемой САУ в смысле интегрального квадратичного критерия и представлены в плоскости параметров и в трехмерном пространстве;

-разработано программное приложение с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в пакете MATLAB для обработки и демонстрации результатов компьютерного моделирования САУ.

Практическая ценность. Разработанные алгоритмы управления для создания качественных САУ нагревом ТВЧ на основе полученных математических моделей могут быть применены в различных отраслях науки, техники и промышленности для решения проблем, возникающих при внедрении производственных процессов, связанных с индукционным нагревом металлических изделий, в различных АСУТП соответствующего профиля. Кроме того, разработанное программное приложение может быть использовано для моделирования, обработки и демонстрации результатов исследования систем управления подобными технологическими процессами.

Результаты моделирования автора показали, что:

-наименьшее значение времени регулирования системы равно 3 с, что как минимум в 3-4 раза ниже времени регулирования системы при моделировании без параметрической оптимизации. Перерегулирование системы равно как максимум 3 % при использовании режима оптимизации.

Достоверность и обоснованность. Достоверность и обоснованность результатов работы обусловлены соответствием свойств исходных данных решаемой задачи постановке научной задачи и используемым методам ее решения.

Достоверность результатов работы подтверждается также результатами вычислительных экспериментов и их сопоставлением с показателями частотных методов.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:

-разработка математического описания объектов индукционного нагрева типа бесконечно длинной ленты (пластины) и бесконечно длинной проволоки (цилиндра) в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности, подаваемой в объект для различных условиях нагрева;

-исследование частотных и временных характеристик объекта индукционного нагрева на примере ленты различной толщины при различной скорости движения;

-исследование устойчивости систем автоматического регулирования индукционным нагревом движущихся изделий при различных законах регулирования и при различных структурах систем;

-проведение с помощью метода компьютерного моделирования исследования качества систем указанных структур при управлении по прямому параметру и по косвенному параметру;

-исследование и определение областей оптимальных значений настроечных коэффициентов устройства управления исследуемой САУ в смысле интегрального квадратичного критерия;

-разработка программного приложения с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в пакете MATLAB для обработки и демонстрации результатов компьютерного моделирования САУ.

Внедрение результатов. Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, а именно:

- математические модели движущегося объекта индукционного нагрева типа стальной ленты (пластины) и проволоки (цилиндра) в непрерывном конвейерном режиме при различных условиях нагрева, распространенных в практике термообработки токами высокой частоты;

- методика исследования динамики систем автоматического управления технологическим процессом индукционного нагрева движущихся изделий, определения предпочтительной структуры САУ по прямому и косвенным параметрам;

- методика определения коэффициентов настроек управляющего устройства САУ исследуемого техпроцесса на основе параметрической оптимизации при использовании метода компьютерного моделирования, использованы в учебно-методических разработках для СРС по курсу «Идентификация и диагностика систем», Москва, МИЭТ, 2007г., http://www.mocnit.miet.ru/oroks-miet/srs.shtml.

Кроме того, перечисленные выше результаты с программным приложением, реализующим алгоритм математических вычислений временных и частотных характеристик САУ с исследуемым объектом управления, расчет показателей качества переходных процессов при оптимальных настроечных коэффициентах с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в среде пакета MATLAB, использованы при разработке лабораторной работы «Исследование объекта идентификации с распределенными параметрами типа движущейся протяженной пластины при индукционном нагреве».

Основные положения, выносимые на защиту:

-математические модели объекта индукционного нагрева типа стальной ленты (пластины) и проволоки (цилиндра) в непрерывном конвейерном режиме при различных условиях нагрева, распространенных в практике термообработки токами высокой частоты;

- методика исследования динамики систем автоматического управления технологическим процессом индукционного нагрева движущихся изделий, определения предпочтительной структуры САУ по прямому и косвенным параметрам;

-методика определения коэффициентов настроек управляющего устройства САУ исследуемого техпроцесса на основе параметрической оптимизации при использовании метода компьютерного моделирования;

-программное приложение, реализующее алгоритм математических вычислений временных и частотных характеристик САУ с исследуемым объектом управления, расчет показателей качества переходных процессов при оптимальных настроечных коэффициентах с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в среде пакета MATLAB.

Апробация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2006» (Москва, 2006 г.), 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2007» (Москва, 2007 г.), 15-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2008» (Москва, 2008 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в двенадцати печатных работах, в их числе пять статей в научных журналах, две статьи в сборниках научных трудов, пять публикаций в тезисах докладов Всероссийских межвузовских научно-технических конференций, в том числе четыре статьи в журналах входящих в перечень ВАК. В четырех работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат обоснования методов решения научных задач, проведение и анализ вычислительных экспериментов, а также участие в постановке научных задач.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении подводятся итоги проведенной работы. В ходе диссертационной работы:

1. Разработано математическое описание объектов индукционного нагрева типа бесконечно длинной ленты (пластины) и бесконечно длинной проволоки (цилиндра) в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности, подаваемой в объект. Показано, что они относятся к одному классу динамических объектов.

2. Показано, что передаточная функция данного класса объектов может быть приведена к виду, представляющему собой сочетание передаточной функции неподвижного объекта и бесконечного ряда инерционных звеньев с запаздыванием, отражающих непрерывный конвейерный характер движения объекта.

3. Проведено рассмотрение данного класса объектов на примере стальной ленты также для частных условий нагрева, соответствующих реальным практическим случаям (в зависимости от распределения внутренних источников тепла, условий теплообмена и т.п.).

4. Разработано математическое описание движущегося объекта индукционного нагрева для наиболее общих условий нагрева при управлении по скорости движения объекта относительно индуктора. Показано, что при данном способе управления объект также относится к отмеченному в п.1 классу.

5. Разработаны рекомендации по ограничению числа членов бесконечных рядов в выражении передаточной функции объекта. Произведена аналитическая оценка точности приближения математического описания объекта. Показано, что при допустимой погрешности переходной характеристики движущегося объекта порядка 5% достаточно ограничиться 3-И членами каждого ряда передаточной функции.

6. Исследованы частотные и временные характеристики объекта индукционного нагрева на примере стальной ленты различной толщины при различной скорости движения. Компьютерное моделирование подтвердило оценку приближения математического описания объекта, полученную аналитическим путем.

7. Проведена разработка и сравнительный анализ возможных структур САУ индукционным нагревом изделий в непрерывном конвейерном режиме, на основании которого предложены три основных типа структур. Проведено исследование их динамики с помощью частотного метода.

8. Исследована устойчивость предложенных систем автоматического регулирования. Показано, что при безынерционном преобразователе значение предельного коэффициента усиления практически неограниченно. При наличии инерционностей в исполнительном устройстве значение Кпр определено в диапазоне 0,03-^-50.

9. С помощью метода компьютерного моделирования исследовано качество систем указанных структур. Показано, что в САУ с безынерционным преобразователем (1-ой структуры) приемлемое качество регулирования обеспечивается практически при всех типовых законах. На основании анализа качества САУ с инерционным преобразователем (2-я и 3-я структуры) для управления режимом индукционного нагрева рекомендуется система структуры 2, как наиболее перспективная и обладающая лучшими динамическими характеристиками.

10. На основании сопоставительного анализа систем регулирования объектом индукционного нагрева по косвенному параметру выделены САУ структуры 1 (с безынерционным преобразователем) и 2 (с машинным генератором и тиристорным усилителем). Показано, что переходные процессы в таких системах монотонные при удовлетворительном быстродействии.

11. В режиме параметрической оптимизации исследованы области оптимальных значений настроечных коэффициентов устройства управления исследуемой САУ в смысле интегрального квадратичного критерия. Рассчитаны временные характеристики САУ с объектом типа "теплотехнически тонкого" тела (а = 0,/? = 0)ис объектом для наиболее общих условиях нагрева (а 0,Р Ф 0), и анализ их показал, что для полученных областей настроек при минимальном интегральном критерии показатели качества переходных процессов наилучшие (еуст = 0; tp = 3,0 6,2 с; а = 0 - 3%).

Разработано программное приложение с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в пакете MATLAB для обработки и демонстрации результатов компьютерного моделирования САУ процессом индукционного нагрева в непрерывном конвейерном режиме.

1. Шепеляковский К. 3. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве. М., «Машиностроение», 1972, 288 с.

2. Демичев А. Д. Поверхностная закалка индукционным способом. Д.: Машиностроение, 1979.

3. Автоматическое управление электротермическими установками.:Учебник для Вузов/А.М.Кручинин и др. Под ред. А.Д.Свенчанского.- М.: Энергоатомиздат. 1990.

4. Разоренов Н. Е. и др., Быстродействующий автоматический регулятор температуры АРТ-2М, "Приборы и систем управления", № 12, 1969.

5. Электротехнология на рубеже XX XXI вв // Сб. докл. науч. техн. семинара, посвященного 100 лению профессора Свенчанского А. Д. - М.: Издательство МЭИ, 2005. с. 89-97.

6. Лыков А. В., Теория теплопроводности. М. Высшая школа, 1967. с. 599.

7. Нетушил А. В., Объект индукционного нагрева или радиационного нагрева как звено САР, Известия АН СССР, ОТН "Энергетика и автоматика", №2, 1962.

8. Коломейцева М. Б. и др., Исследование систем автоматически с тепловым объектом, Труды МЭИ, вып., 1963.

9. Коломейцева М. Б., Панасенко С. А., Цилиндрический слиток, нагреваемый в индукторе на промышленной частоте, как объект регулирования, Доклады н.-т. конференции, СКБ МЭИ, 1969.

10. Панасенко С. А., Передаточная функция индуктора с деталью при учете внутренних источников тепла, Труды МЭИ, "Автоматика и вычислительная техника", вып. 107, 1972.

11. Разоренов Н. Е., Автоматическое регулирование температуры тонкостенных труб при индукционном непрерывно-последовательном нагреве в индукторах конечной длины, Труды ВНИИТВЧ, вып. 4, 1963.

12. Павлов Н. А., Расчет тепловых режимов индукционного нагрева стальных заготовок, "Электротермия", вып. 33, 1964.

13. Павлов Н. А., Слухоцкий А. Е., Расчет распределения температуры по сечению стальных цилиндрических образцов при индукционном нагреве, Известия ВУЗов, "Энергетика", № 6, 1965.

14. Рапопорт Э. Я., Чернеев В. Ф., Проходная индукционная печь как объект автоматического регулирования температуры нагреваемого тела, Известия ВУЗов, "Энергетика" № 7, 1968.

15. Яицков С. А., Ускоренный изотермический индукционный нагрев кузнечных заготовок, Машгиз, М., 1962.

16. Рапопорт Э. Я., Уклейн А. Я., Математическая модель проходной индукционной печи как объекта автоматического регулирования температуры нагреваемых заготовок, Труды I, Поволжской конференции по автоматическому управлению, Куйбышев, 1970.

17. Гитгарц Д. А., Динамические характеристики и принципы построения систем регулирования температуры индукционных установок, Труды НИИ ЭТО, вып. 4, 1970.

18. Уклейн А. Я., Исследование проходной индукционной печи как объекта автоматического регулирования и некоторые вопросы синтеза регулятора температуры, Диссертация, Куйбышев, 1971.

19. Асцатуров Н. И. и др., К вопросу автоматизации непрерывного индукционного нарева легированных сталей, "Электротермия", вып. 96, 1970.

20. Кнорринг В.Г. Несколько штрихов к истории понятия "Датчик" // Датчики и системы. 2004. - № 6. - С. 2-4.

21. Куинн Т. Температура. М.: Мир, 1985г.

22. Измерения в промышленности. Справочник / под ред. Профоса П, пер. с нем. Агейкина Д.И. М.: Металлургия, 1990.

23. Платунов Е.С., Буравой С.Е., Курежин В.В. и др. Теплофизические измерения и приборы. М.: Машиностроение, 1986.

24. Крамаружин Ю.Е. Приборы для измерения температуры. М.: Машиностроение, 1990.

25. Коломейцева М.Б., Хо Д.Л. Синтез адаптивной системы управления на базе нечеткого регулятора для многомерного динамического объекта // Приборы и системы управления. 2002. - № 3. - С. 34-37.

26. Бесекерский В.А., Попов Е.П., Теория систем автоматического управления, СПб, 2004.

27. Шубладзе A.M., Гуляев С.В., Щекина Т.П. Самодиагностирующие автоматически настраиваемые ПИ-системы управления // Датчики и системы. -2001.-№2.-С. 10-12.

28. Теория автоматического управления. / Под редакцией А.А. Воронова: в 2-х ч. М.: Высшая школа, 1986. 4.1: Теория линейных систем автоматического управления. - 367 с.

29. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985.- 536 с.

30. Теория автоматического управления / Под редакцией А.В. Нетушила. -М.:ВШ, 1982.-424 с.

31. Микропроцессорные системы автоматического управления / Под редакцией В.А.Бесекерского. -Л.: Машиностроение, 1988. 366 с.

32. Козицина Н.И., Каплинский Б.И., Мебель Д.М. Микропроцессорные регуляторы "Минитерм" // Приборы и системы управления. 1996. - №4. - С. 22-25.

33. Зелепукин С. Микроконтроллерный регулятор температуры МРТ-1 // Радио. -2001. №8. - С. 19-20.

34. Адамович И.М. др. "Термокон" система управления температурой космического аппарата на стартовой площадке. // Приборы и системы управления. - 1998. - №7. - С. 24-25.

35. Корнилов Р.В. Основы автоматизации. -М.: МИЭТ, 1991. 136 с.

36. Ткаченко А.Н. Терморегуляторы карпорации Omron // Приборы и системы управления. 1998. - № 12. - С. 72-74.

37. Горин В. И.др., Автоматизированная система управления технологическим процессом термической обработки, http://www.eta.ru. 2005.

38. Бажанов В., USWO новый способ формирования управления для замкнутых систем автоматического управления, http://www.cta.ru, 2005.

39. Дубовой Н.Д., Тарасова Г.И., Тун Мин Наинг. Идентификация термического объекта с использованием звена запаздывания //Техника и технология. 2006, № 5, с. 44 46.

40. Дубовой Н.Д., Тарасова Г.И., Тун Мин Наинг. Исследование влияния запаздывания термического объекта управления на устойчивость и качество САУ. //Естественные и технические науки. 2006, № 6, с. 249 252.

41. Дубовой Н.Д., Тарасова Г.И., Тун Мин Наинг. Оценка качества САУ термическим объектом при учете типовых нелинейностей элементов. //Естественные и технические науки. 2006, № 4, с. 222 225.

42. Слухоцкий А.Е. Установки индукционного нагрева. Д.: Энергоиздат, 1981

43. Карташов Э. М. Аналитическое методы в теории теплопроводности твердых тел: Учкб. пособие. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 550 е.: ил.

44. Кацевич Л.С. Теория теплопередачи и тепловые расчеты электрических печей. М.: Энергия, 1977. - 304 с.

45. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: Справочник/В. Е. Зиновьев. М.: Металлургия 1989. 384-с.

46. Слухоцкий А.Е., Рыскин С. Е. Индукторы для индукционного нагрева. -М.: Энергия, 1974. 120 с.

47. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. М.: Энергоатом издат, 1988.

48. Разоренов Н. Е. Регулирование температурных режимов при скоростном индукционном непрерывно-последовательном нагреве, "Электротермия", вып. 80, 1969.

49. Теория автоматического управления. / Под редакцией А.А. Воронова: в 2-х ч. М.: Высшая школа, 1986. 4.1: Теория линейных систем автоматического управления. - С. 367.

50. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985.-С 536.

51. Теория автоматического управления / Под редакцией А.В. Нетушила. -М.:ВШ, 1982.-С. 424.

52. Теория автоматического управления, Ч. II, под ред. Нетушила А. В., "Высшая школа", 1972.

53. Дубовой Н.Д., Тарасова Г.И., Тун Мин Наинг, Вим Мьинт Зо. Параметрическая оптимизация систем автоматического регулирования с термическим объектом при изодромном управлении. // Известия вузов: Электроника 2007, № 4, с. 85-86.

54. Туи Мин Наинг. Исследование динамики системы автоматического управления движущимся объектом индукционного нагрева. //Естественные и технические науки. 2007, № 5, с. 233 235.

55. Тун Мин Наинг. Анализ устойчивости САУ движущимся объектом индукционного нагрева.// Микросистемная техника. Моделирование, технология, контроль: Сборник научных трудов /Под ред. С.П. Тимошенкова. М.: МИЭТ, 2007, с. 132 - 138.

56. Козлов О.С., Кондаков Д.Е., Скворцов JI.M. и др. Программный комплекс для исследования динамики и проектирования технических систем // Информационные технологии. 2005. № 9.

57. Карташов Б.А., Карташов А.Б., Козлов О.С. и др. Практикум по автоматике. Математическое моделирование систем автоматического регулирования. М.: КолосС, 2004. 184 с.

58. Марецкая В.В. Моделирование технологических процессов механической обработки с использованием программного комплекса «Моделирование в технических устройствах» («МВТУ») // Изв. вузов. Машиностроение. 2004. № 4. С. 39-52.

59. Микропроцессорные системы автоматического управления / Под редакцией В.А.Бесекерского. -Д.: Машиностроение, 1988. С. 366.

60. Острем К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ. М.: Мир, 1987.-С. 480.

61. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 3-х т. Т.2: Синтез регуляторов и теория оптимизации систем автоматического управления/ Под ред. Н. Д. Егупова. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. - 736 е.; ил.

62. Неделько А.Ю. Измерение температуры по тепловому излучению // Датчики и системы. 2006. - № 2. - с. 18-23.

63. Костюковский С.Р., Жаковский Е.В., Грачев И.А., Морозова И.В. Бесконтактные измерители температуры пирометры сер. КЕЛЬВИН КБ ДИПОЛЬ// Датчики и системы. - 2006. - № 2. - с. 23-25.

64. Фрунзе А.В. Пирометры ДИЭЛТЕСТ // Датчики и системы. 2006. - № 12.-е. 50-54.

65. Труфанов И.Д., Крутой А.В. Тиристорные преобразователи частоты в установках индукционного нагрева. Электротехника и электроэнергетика №1, 2004. -с.76-78.

66. Тиристорные преобразователи частоты / А.К. Белкин, Т.П. Костюко-ваЛ.Э. Рогинская, А.А. Шуляк. М.: Энергоатомиздат, 2000. - 263с.