Моделирование и оптимальное управление процессом индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Заикина, Наталья Валерьевна

• Заикина, Наталья Валерьевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Заикина, Наталья Валерьевна

Введение.

1 Проблема разработки энергоэффективной инновационной технологии индукционного нагрева металла перед обработкой давлением.

1.1 Традиционные технологии нагрева металла перед обработкой давлением.

1.1.1 Пламенные печи.

1.1.2 Установки индукционного нагрева.

1.1.3 Установки копдукционного нагрева.

1.1.4 Печи сопротивления.

1.1.5 Сравнительный анализ различных технологий нагрева металла.

1.2 Инновационная энергосберегающая технологии индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока.

1.2.1 Современное состояние проблемы численного моделирования полей температур и термонапряжений в процессе индукционного нагрева вращающихся заготовок.

1.2.2 Техническая реализация новой технологии индукционного нагрева.

1.2.3 Современные методы оптимального проектирования и управления процессами индукционного нагрева.

2 Математическое моделирование процесса нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока.

2.1 Аналитическое описание процесса индукционного нагрева.

2.1.1 Аналитическое решение электромагнитной и тепловой задач.

2.1.2 Аналитический расчет полей термонапряжений, возникающих в сплошном цилиндре.

2.1.3 Аналитический расчет механических напряжений, возникающих во вращающемся цилиндре за счет центробежных сил.

2.2 Численное моделирование процесса индукционного нагрева.

2.2.1 Численная двумерная модель температурных полей.

2.2.2 Численная двумерная модель полей термонапряжений.

2.2.3 Численное моделирование механических напряжений, возникающих во вращающемся цилиндре за счет центробежных сил.

2.2.4 Параметрическое исследование численной модели процесса нагрева.

Оптимальное управление процессом индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока.

3.1 Задача оптимального по быстродействию управления процессом нагрева.

3.1.1 Постановка задачи оптимального по быстродействию управления.

3.1.2 Решение задачи оптимального управления.

3.1.2.1 Решение ЗОУ для случая е0 = в^д

3.1.2.2 Решение ЗОУ для случая в

3.1.2.3 Решение ЗОУ для случая вщ-д > б0 > £min

3.2 Задача оптимального по быстродействию управления процессом нагрева с учетом фазовых ограничений.

3.2.1 Учет ограничения на максимально допустимую температуру в процессе нагрева.

3.2.1.1 Постановка задачи оптимального управления с учетом ограничения на максимально допустимую температуру.

3.2.1.2 Алгоритм оптимального управления с учетом ограничения на максимально допустимую температуру.

3.2.1.3 Решение задачи оптимального управления с учетом ограничения на максимально допустимую температуру.

3.2.2 Учет ограничения на максимально допустимое термонапряжение в процессе нагрева.

3.2.2.1 Постановка задачи оптимального управления с учетом ограничения на максимально допустимое термонапряжение.

3.2.2.2 Алгоритм оптимального управления с учетом ограничения на максимально допустимое термонапряжение.

3.2.2.3 Решение задачи оптимального управления с учетом ограничения на максимально допустимое термонапряжение

3.3 Совместный учет ограничений на максимально допустимые температуру и термонапряжение в процессе нагрева.

3.3.1 Постановка задачи с учетом ограничений на максимально допустимые температуру и термонапряжение в процессе нагрева.

3.3.2 Алгоритм оптимального управления с учетом ограничений на максимально допустимые температуру и термонапряжение в процессе нагрева.

3.3.3 Решение задачи с учетом ограничений на максимально допустимые температуру и термонапряжение в процессе нагрева.

3.4 Задача оптимального управления процессом нагрева по критерию расхода энергии.

3.5 Анализ экономической эффективности процесса индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока.

3.5.1 Экономический эффект от внедрения инновационной технологии индукционного нагрева.

3.5.2 Экономические показатели алгоритмов оптимального управления процессом нагрева.

4 Структурно-параметрический синтез оптимальной системы управления процессом нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и оптимальное управление процессом индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока»

Диссертация посвящена разработке методов моделирования, управления и оптимизации процессов термообработки металла с использованием инновационной энергосберегающей технологии индукционного нагрева, основанной на вращении заготовок в магнитном поле постоянного тока, возбуждаемог о сверхпроводниками.

Актуальность проблемы

В настоящее время в различных областях промышленности значительно расширилась область применения электротехнологических процессов. Это обусловлено не только ростом потребности в них, но и в немалой степени сокращением природных запасов и повышением стоимости углеводородного топлива, необходимостью принятия кардинальных мер по охране окружающей среды, созданию безотходных технологий. Одним из крупномасштабных электротехнологических процессов, применяющихся в цветной металлургии, является процесс индукционного нагрева металла (ПИНМ), предназначенный для термообработки металлов под пластическую деформацию, закалку и другие операции. Применение электрической энергии для нагрева имеет ряд достоинств: существенное снижение загрязнения окружающей среды; получение строго заданных значений температур, в том числе и превосходящих уровни, достигаемые при сжигании любых видов топлива; создание сосредоточенных интенсивных тепловых потоков; достижение заданных полей температур в нагреваемом пространстве; строгий контроль и точное регулирование длительности выделения энергии; гибкость в управлении потоками энергии; выделение тепловой энергии непосредственно в нагреваемом веществе и др.

Суммарная мощность действующих индукционных установок для сквозного нагрева в кузнечном и прокатном производствах уже сейчас составляет десятки мегаватт, и здесь сохраняется тенденция ее дальнейшего существенного роста [10, 14, 46].

Затраты на электроэнергию составляют основную статью себестоимости ПИНМ, что, в первую очередь, объясняется низким коэффициентом полезного действия системы «индуктор-металл» при традиционном способе индукционного нагрева металлических изделий в переменном электромагнитном поле [2, 10].

В этих условиях, в соответствии с первостепенной задачей повышения экономической эффективности производственных процессов за счет максимального использования внутренних резервов принципиальное значение приобретает проблема энергосбережения при потреблении электроэнергии мощными промышленными установкалш индукционного нагрева.

Особенно высока актуальность этой задачи применительно к мощным индукционным установкам (ИНУ), широко применяемым в цветной металлургии, несмотря на то, что даже при оптимальном конструировании индуктора по современным методикам, к.п.д. этих ИНУ не превышает 60% [2].

Резкое повышение энергетической эффективности обеспечивает принципиально новая энергосберегающая технология индукционного нагрева, разработанная применительно к процессам нагрева полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, осуществляемая путем вращения заготовок в магнитном поле постоянного тока большой мощности, создаваемом практически без энергетических потерь сильноточными возбудителями со сверхпроводящими обмотками [79, 80].

При вращении заготовки с постоянной скоростью в направленном перпендикулярно оси ее вращения магнитном поле, магнитный поток изменяется по гармоническому закону, обеспечивая нагрев изделия индуцируемыми вихревыми токами. Охлаждение и выдержка сверхпроводящей катушки возбуждения при низкой температуре достигается ее размещением в криостате с хладоагентами, в роли которых применяются сжиженные газы с низкими температурами конденсации (азот, водород, гелий и др.).

При этом достаточно малые энергозатраты, связанные с необходимостью обеспечения сверхнизких температур в целях создания эффекта сверхпроводимости, и высокий к.п.д. электропривода вращения заготовки позволяют увеличить общий коэффициент полезного действия нагревательной установки до 90%.

Таким образом, применение инновационной технологии позволяет уменьшить расход электроэнергии на нагрев металла под обработку давлением в 1,5 раза по сравнению с традиционным способом индукционного нагрева в переменном электромагнитном поле [79], даже при максимально достижимом к.п.д. промышленных ИНУ, что и определяет несомненную актуальность проведенных исследований.

Приоритетные тенденции развития энергосберегающих технологий в современном промышленном производстве, в том числе, применительно к энергоемким электротермическим процессам, широко распространенным в промышленности, диктуют необходимость всестороннего исследования этого способа нагрева.

В настоящее время не достаточно глубоко изучен вопрос о базовых количественных закономерностях и эффективных методах организации нового способа нагрева, без знания которых невозможно осуществить его техническую реализацию с высокими технико-экономическими показателями. Указанные закономерности могут быть получены и 6 исследованы путем построения адекватных математических моделей процесса на базе современной методологии численного моделирования, а наиболее эффективные методы его организации (т.е. разработка оптимальных режимов нагрева) — на основе современных методов теории и техники оптимального управления системами с распределенными параметрами.

Поэтому весьма актуальной являйся задача разработки методов моделирования, управления и оптимизации процесса индукционного нагрева металла с использованием инновационной технологии, решению которой посвящена диссертационная работа.

Диссертация выполнена в соответствии с планом фундаментальных научно-исследовательских работ Самарского государственного технического университета (СамГТУ), выполняемых по заданию Минобрнауки РФ. Работа поддержана грантами Германской Службы Академических Обменов (DAAD) (2007 и 2009 гт.) и выполнялась в рамках Федеральной целевой НИР по программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (государственные контракты №П321 от 23.07.09, №П1448 от 23.09.09, №П2090 от 3.11.09).

Актуальность темы диссертации подтверждается материалами российских и международных конференций по проблемам управления и моделирования в сложных системах; системному анализу; индукционному нагреву; электротехнологиям; краевым задачам и задачам оптимизации.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка моделей, алгоритмов и систем оптимального управления процессом нагрева алюминиевых заготовок посредством их вращения в магнитном поле, возбуждаемом проводниками со сверхпроводящими обмотками.

Для достижения указанной цели в диссертации решены следующие задачи:

1 Адаптация численной модели инновационной технологии нагрева, описывающей взаимосвязанные процессы энергообмена в магнитных и температурных полях, в полях термонапряжений и упругих деформаций, для решения задач анализа параметрических зависимостей базовых характеристик процесса нагрева и синтеза структур алгоритмов оптимизации с максимальной степенью адекватности реальным объектам, недоступной при поиске аналитических приближений;

2 Анализ результатов численного моделирования с целью выявления степени адекватности применяемой модели, аналогий с базовыми характеристиками типовой технологии индукционного нагрева в переменном электромагнитном поле и основных физических закономерностей исследуемой инновационной технологии; 7

3 Постановка задачи разработки эффективных режимов реализации инновационной технологии нагрева, как задачи определения такого оптимального программного управления процессом, которое гарантирует достижение заданного конечного температурного состояния с требуемой абсолютной точностью за минимально возможное время в условиях заранее фиксируемых ограничений на допустимый диапазон изменения управляющего воздействия и максимальные величины температуры и термонапряжений в процессе нагрева;

4 Поиск решения сформулированной задачи оптимального управления (ЗОУ) на основе альтернансного метода, разработка вычислительной технологии полного расчета характеристик оптимальных алгоритмов управления и определение рациональных способов структурно-параметрического синтеза систем автоматической оптимизации с обратными связями;

5 Проведение исследований эффективности исследуемых моделей и алгоритмов оптимального управления инновационной технологией индукционного нагрева.

Научная новизна

Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области оптимального управления процессами индукционного нагрева металла, реализуемыми путем вращении изделий в магнитном поле постоянного тока, создаваемым в возбудителях со сверхпроводящими обмотками. Данная технология индукционного нагрева является принципиально новой и неизученной с точки зрения оптимальной организации режимов ее функционирования.

Впервые для решения задачи оптимального управления процессом нагрева в индукционных нагревательных установках (ИНУ) инновационного типа используется проблемно-ориентированная численная модель объекта с максимальной степенью адекватности, разработанная в наукоемкой среде ANSYS, адаптированная к применению в автоматической вычислительной процедуре оптимизации и позволяющая в реальном масштабе времени осуществлять поиск оптимальных параметров алгоритмов управления.

Точное (в рамках рассматриваемой математической модели) решение задачи оптимального управления исследуемым процессом нагрева выполнено на основе нового метода параметрической оптимизации нестационарных термодиффузионных процессов.

Выводы и рекомендации диссертационной работы позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи синтеза систем автоматической оптимизации режимов функционирования ИНУ инновационного типа.

Основные научные результаты диссертации, полученные, в отличие от известных, применительно к исследуемой инновационной технологии и позволяющие 8 распространить на этот новый класс перспективных объектов управления конструктивные методики построения численных моделей и решения краевых задач оптимизации систем с распределенными параметрами: предложена и исследована в качестве объекта оптимального управления численная модель процесса индукционного нагрева металлических заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока сверхпроводников; предложена формальная постановка задачи оптимизации режимов функционирования ИНУ инновационного типа по критериям быстродействия и расхода энергии без учета основных фазовых ограничений и с их рассмотрением; установлены качественные и количественные закономерности оптимальных процессов нагрева металлических заготовок перед обработкой давлением в процессе их нагрева путем вращения в постоянном магнитном поле по критерию быстродействия; разработаны оптимальные по критериям быстродействия и расхода энергии алгоритмы программного управления режимами работы индукционных нагревательных установок инновационного типа с управляющим воздействием по частоте вращения заготовок; разработаны принципы построения замкнутой системы автоматической оптимизации режимов функционирования ИНУ инновационного типа.

Практическая ценность работы.

Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами: разработана инженерная методика расчетов алгоритмов оптимального управления режимами работы ИНУ инновационного типа в условиях, соответствующих реальным технологическим требованиям; разработана специальная вычислительная процедура реализации предлагаемых методик, предназначенная для автоматизированного расчета оптимальных алгоритмов управления процессом индукционного нагрева заготовок, вращающихся в переменном магнитном поле сверхпроводников; предложена реализуемая структура замкнутой системы оптимального управления ИНУ инновационного типа; обоснована целесообразность практического применения полученных в работе алгоритмов оптимального управления.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Проблемно-ориентированные на использование в оптимизационных процедурах модели температурных полей и полей термонапряжений в процессе индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока.

2. Постановка и решение задачи оптимального управления процессом индукционного нагрева металлических заготовок, вращающихся в постоянном магнитном поле сверхпроводников, по критериям быстродействия и расхода энергии.

3. Инженерные методики расчета алгоритмов оптимального управления процессом индукционного нагрева алюминиевых заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока с учетом основных технологических ограничений.

4. Специальное алгоритмическое, математическое и программное обеспечение для автоматизированного расчета алгоритмов оптимального управления процессом нагрева с использованием проблемно-ориентированной численной модели температурных полей и полей термонапряжений.

Методы исследований

Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы, основанные на системном подходе к решаемой проблеме, в том числе методы теории оптимального управления системами с распределенными параметрами, теории тепло- и массопереноса, методы численного и компьютерного моделирования, экспериментальные методы исследования технологических объектов с распределенными параметрами.

Реализация результатов исследований

Полученные в работе теоретические положения и практические результаты использованы: при выполнении фундаментальной НИР «Создание основ теории и способов реализации точных методов определения алгоритмов оптимального управления объектами с распределенными параметрами», проводимой в СамГТУ по заданию Минобрнауки РФ; при выполнении НИР, проводимых СамГТУ в рамках Программы совместных научных исследований с Институтом Электротехнологий Университета им. Лейбница (г. Ганновер, Германия) в области оптимизации электротермических процессов; при выполнении НИР по проекту Российского Фонда Фундаментальных Исследований «Разработка методов математического моделирования и оптимального управления взаимосвязанными электромагнитными и тепловыми полями в энерготехнологических процессах и установках промышленных производств» (проект 0708-00342);

- при выполнении НИР в рамках Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (государственные контракты №П321 от 23.07.09, №П1448 от 23.09.09, №П2090 от 3.11.09).

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на ХХХП Самарской областной студенческой научной конференции (Самара, 2006 г.); XII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2006 г.); Всероссийской конференции-конкурсном отборе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению "Энергетика и энергосбережение" (Томск, 2006 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2007 г.); XXXIII Самарской областной студенческой научной конференции (Самара, 2007 г.); Пятой Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2008 г.); Международном Научном Коллоквиуме «Modeling for Electromagnetic Processing» (Ганновер, 2008 г.); Международной научно-технической конференции EUROCON 2009 (Санкт-Петербург, 2009 г.); VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2009 г.); Второй международной конференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева «АР1Н-09» (Санкт-Петербург, 2009 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 3 статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК России для опубликования результатов кандидатских диссертаций [19-21].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 154 страницах машинописного текста, содержит 101 рисунок, 9 таблиц, список литературы из 98 наименований и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Заикина, Наталья Валерьевна

Основные результаты и выводы

1 Предложен способ структурно-параметрического синтеза системы оптимального по быстродействию управления процессом индукционного нагрева с обратными связями с учетом фазового ограничения на максимальную температуру.

2 Контроль функции состояния объекта управления предлагается осуществлять на основе метода радиационной термометрии.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Предложена и обоснована в терминах теории оптимального управления системами с распределенными параметрами численная модель процесса индукционного нагрева металлических заготовок, вращающихся в магнитном поле постоянного тока, как объекта оптимального управления.

2. Предложена формальная постановка задачи оптимизации режимов функционирования ИНУ инновационного типа по критериям быстродействия и расхода энергии без учета основных технологических ограничений и с их рассмотрением.

3. Установлены качественные и количественные закономерности оптимальных процессов нагрева металлических заготовок перед обработкой давлением в процессе их нагрева путем вращения в постоянном магнитном поле по критерию быстродействия.

4. Разработаны оптимальные по критериям быстродействия и расхода энергии алгоритмы программного управления режимами работы ИНУ инновационного типа с управляющим воздействием по частоте вращения заготовок без учета дополнительных технологических требований, а также с учетом ограничений на максимально допустимую температуру в ходе нагрева, на максимум растягивающих термонапряжений и с совместным их рассмотрением.

5. Разработаны базовые принципы построения замкнутой системы автоматической оптимизации режимов функционирования ИНУ инновационного типа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Заикина, Наталья Валерьевна, 2010 год

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

2. Альтгаузен А.П. Применение электронагрева и повышение его эффективности. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 127 с.

3. Андреев Ю.Н. Оптимальное проектирование тепловых агрегатов. — М.: Машиностроение, 1983. — 229 с.

4. Баке Э., У. Йорн, А. Мюльбауэр. Энергопотребление и эмиссия СОг при промышленном технологическом нагреве/ Пер. с немецкого под ред. В.Б. Демидовича, 2004.

5. Бялковская B.C., Брянский Г.А. Технические и экономические основы кузнечного производства. М.: Машиностроение, 1972. — 272 с.

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

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

8. Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю.Н. Оптимальное управление нагревом металла. — М.: Металлургия, 1972, 439 с.

9. Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю.Н. Управление нагревом металла. — М.: Металлургия, 1981, 271 с.

10. Вольфовский Г.С. Определение экономической эффективности электротермического оборудования. — М.: Энергия, 1969. — 145 с.

11. Голубь Н.Н. Оптимальное управление процессом нагрева массивных тел с внутренними источниками тепла// Автоматика и телемеханика., 1967, №12. -С. 76-87.

12. Григолюк Э.И., Подстригач Я.С., Бурак Я.И. Оптимизация нагрева оболочек и пластин. Киев: Наукова думка, 1979. — 364 с.

13. Данилушкин А.И. Оптимальное управление процессом индукционного непрерывного нагрева: Автореф. дисс. канд. техн. наук.//Ленинград, 1979. 16 с.

14. Демидович В.Б. Применение индукционного нагрева в металлургической промышленности. Санкт-Петербург, 2003.

15. Егоров А.И. .Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами. -М.: Наука, 1978.-464 с.

16. Ефимов А.П. Алгоритм сплайновой экстраполяции при решении задач полубесконечной оптимизации. // Вестник СамГТУ, Серия "Технические науки", Выпуск 2 (24). Самара: СамГТУ, 2009. - с.25-32.

17. Заикина Н.В., Плешивцева Ю.Э. Оптимальное управление процессом индукционного нагрева металла с учетом ограничений // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия «Информатика, телекоммуникации, управление», № 2(97) Санкт-Петербург, 2010. - С. 39-48.

18. Заикина Н.В. Численное моделирование энергосберегающего процесса индукционного нагрева металла // Вестник Самарского государственного технического университета, серия «Технические науки», № 1 (26) — Самара, 2010. С. 234-238.

19. Заявка W02004066681(A1) Европа. An apparatus and a method for induction heating of pieces of electrically conducting and non-magnetic material / Niklas Magnusson; Sintef Energiforskning AS. 2004-08-05.

20. Заявка US2006157476 (Al) США. An apparatus and a method for induction heating of pieces of electrically conducting and non-magnetic material / Niklas Magnusson; Sintef Energiforskning AS. 2006-07-20.

21. Заявка AU2006338053(A1) Австралия. Method for inductive heating of a workpiece / Wiezoreck Jan, Buehrer Carsten; Zenergy Power GMBH. 2007-08-23.

22. Заявка CA2634602 (Al) Канада. Method for inductive heating of a workpiece / Wiezoreck Jan, Buehrer Carsten; TRITHOR GMBH. 2007-08-23.

23. Заявка KR20080090433 (А) Корея. Method for inductive heating of a workpiece / Wiezoreck Jan, Buehrer Carsten; Zenergy Power GMBH. 2008-10-08.27