Оптимизация переходных режимов работы индукционных нагревательных установок методического действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Осипова, Юлия Александровна

• Осипова, Юлия Александровна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Осипова, Юлия Александровна

Введение.

1 Проблема создания систем оптимального управления. переходными процессами индукционного нагрева.

1.1 Современное состояние вопроса.

1.2 Постановка задачи исследования.

1.3 Критерии оптимальности.

1.4 Описание объекта исследования.

Выводы.

2 Постановка и исследование задачи минимизации суммарной потери темпа в переходных режимах работы ИНУ.

2.1 Постановка и решение задачи минимизации суммарной потери темпа.

2.2 Решение задачи минимизации суммарной потери темпа при первоначальном запуске ИНУ.

2.3 Решение задачи минимизации суммарной потери темпа при запуске ИНУ после технологического перерыва.

2.4 Решение задачи минимизации суммарной потери темпа при смене номенклатуры нагреваемых изделий.

2.5 Решение задачи минимизации суммарной потери темпа при смене производительности ИНУ.

2.6 Исследование влияния уровня тепловых потерь с поверхности заготовки на алгоритм ЛОУ.

2.7 Оценка точности нагрева в режиме первоначального запуска ИНУ с учетом распределенного характера температурного поля нагреваемого объекта при оптимальном управлении средней температурой по критерию минимизации суммарной потери темпа выдачи.

Выводы.

3 Постановка и исследование задачи на максимум точности нагрева в переходных режимах работы ИНУ.

3.1 Постановка и решение задачи на максимум точности нагрева.

3.2 Оценка точности нагрева в режиме первоначального запуска с учетом распределенного характера температурного поля нагреваемого объекта при оптимальном управлении средней температурой нагреваемых заготовок по критерию максимальной точности нагрева.

Выводы.

4. Постановка и исследование задачи оптимизации переходных режимов работы ИНУ по комплексному критерию эффективности.

4.1 Постановка и решение задачи оптимизации переходных режимов работы ИНУ по комплексному критерию эффективности.

4.2 Решение задачи оптимизации переходных режимов работы ИНУ по комплексному критерию эффективности для задачи первоначального запуска ИНУ при v = 2.

4.3 Синтез замкнутой системы автоматической оптимизации переходных режимов работы ИНУ.

Выводы.

5 Анализ экономических показателей алгоритмов оптимального управления переходными режимами работы.

5.1 Оценка потерь в режиме первоначального запуска, реализованного стандартными технологиями.

5.2 Оценка потерь в режиме первоначального запуска, оптимизированного по критерию минимальной суммарной потери темпа.

5.3 Оценка потерь в режиме первоначального запуска, оптимизированного по критерию максимума точности нагрева.

5.4 Оценка потерь в режиме первоначального запуска, оптимизированного по комплексному критерию.

5.5 Сравнительный анализ эффективности оптимизации по различным критериям.

Выводы.

6 Исследование сходимости переходных режимов работы ИНГУ к стационарным режимам.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация переходных режимов работы индукционных нагревательных установок методического действия»

Актуальность работы.

В настоящее время в металлургической и машиностроительной промышленности для нагрева заготовок из черных и цветных металлов перед пластической деформацией широко применяются индукционные нагревательные установки (ИНУ) периодического и непрерывного действия.

В условиях мелкосерийного производства с широкой номенклатурой нагреваемых изделий, получающих все большее распространение на практике и обусловленных переходом в промышленности к гибкому автоматизированному производству, индукционный нагрев способен конкурировать по экономическим показателям с нагревом в газовых печах и электропечах сопротивления лишь при высоком уровне автоматизации нагревателей и оптимизации режимов их работы.

В основополагающих работах А.Г. Бутковского, А.И. Егорова, Ю.В. Егорова, Ж.Л. Лионса, К.А. Лурье, Т.К. Сиразетдинова и др. получены принципиально важные результаты применительно к типичным задачам оптимального управления математическими моделями процессов тепломассопе-реноса. Проблемам оптимизации режимов работы индукционных нагревателей посвящены работы Рапопорта Э.Я., Данилушкина А.И., Горбаткова С.А., Коломейцевой М.Б., Лившица М.Ю., Зимина Л.С., Носова П.И., Синдякова Л.В., Малешкина Н.И. и др. Задачи оптимизации процессов индукционного нагрева исследовались, главным образом, применительно к установкам периодического и непрерывного действия в установившихся режимах их работы.

Наименее исследованными остаются задачи оптимального управления переходными режимами работы нагревателей методического действия с шаговой выдачей заготовок, которые составляют в реальных условиях работы значительную часть от общего времени работы комплекса "нагрев - обработка давлением". Такие режимы возникают при первоначальном запуске и остановке ИНУ, при повторном пуске из различных начальных состояний после технологических перерывов, при изменении производительности деформирующего оборудования и при смене по различным характеристикам номенклатуры нагреваемых изделий.

Основной задачей управления таких ИНУ в переходных стадиях является минимизация потерь, возникающих за счет неизбежных отклонений на всем протяжении этих стадий от характеристик оптимальных стационарных режимов. Специфические проблемы здесь возникают, прежде всего, для типовых ИНУ, конструктивное исполнение которых предусматривает реализацию общего управляющего воздействия для нескольких заготовок, одновременно размещаемых в одном индукторе.

В этой связи актуальными задачами являются: теоретическое и экспериментальное исследования алгоритмов оптимального управления переходными режимами работы ИНУ методического действия по различным критериям качества, анализ показателей качества переходных процессов и их сравнительные характеристики, синтез замкнутых систем автоматического управления с обратными связями, реализующих эти алгоритмы.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов и систем оптимального управления переходными режимами работы ИНУ методического действия по основным технико-экономическим критериям качества.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- Исследование процесса нагрева металлических заготовок в ИНУ методического действия как объекта оптимального управления.

- Математическое моделирование типовых переходных режимов работы ИНУ.

- Разработка и исследование алгоритмов программного оптимального управления нестационарными режимами работы ИНУ по критериям минимальной потери темпа выдачи заготовок из индуктора, максимальной точности нагрева и по комплексному технико-экономическому критерию эффективности.

- Синтез замкнутой системы оптимального управления ИНУ в переходных режимах работы.

- Анализ сходимости переходных температурных режимов к стационарному состоянию в процессе оптимального управления ИНУ.

- Разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения и создание пакетов прикладных программ для автоматизированного расчета алгоритмов оптимального управления типовыми переходными режимами работы ИНУ.

- Сравнительный анализ и оценка полученных результатов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, аппарата преобразований Лапласа, теории теплопроводности, теории автоматического управления, теории оптимального управления.

Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области оптимального управления процессами индукционного нагрева металла. Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи синтеза систем автоматического и автоматизированного управления ИНУ методического действия.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

- предложена и обоснована в терминах дифференциальных уравнений с разрывными правыми частями математическая модель процесса индукционного нагрева металлических заготовок в переходных стадиях работы ИНУ методического действия как объекта оптимального управления;

- предложена формальная постановка задачи оптимизации переходных режимов работы ИНУ по основным технико-экономическим критериям эффективности, отвечающим типовым технологическим требованиям;

- установлены качественные и количественные закономерности оптимальных процессов нагрева металлических заготовок перед обработкой давлением в переходных стадиях работы ИНУ методического действия по критериям потери темпа выдачи, точности нагрева и экономической эффективности;

- разработаны оптимальные по основным технико-экономическим критериям эффективности алгоритмы программного управления переходными режимами работы ИНУ методического действия типового конструктивного исполнения с управляющими воздействиями по напряжению на индукторе и темпу выдачи заготовок;

- обоснована сходимость оптимальных температурных режимов и управляющих воздействий в переходных стадиях работы ИНУ к стационарному состоянию управляемого объекта;

- разработаны принципы построения замкнутых систем автоматической оптимизации переходных режимов работы ИНУ.

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

- разработана инженерная методика расчетов алгоритмов оптимального управления переходными режимами работы ИНУ в условиях, соответствующих реальным технологическим требованиям;

- разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение, на базе которого созданы пакеты прикладных программ для автоматизированного расчета оптимальных алгоритмов управления переходными режимами работы ИНУ;

- предложены реализуемые структуры замкнутых систем оптимального управления ИНУ методического действия в переходных стадиях их работы;

- обоснована целесообразность практического применения полученных в работе алгоритмов оптимального управления.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в проектных разработках перспективных систем управления ИНУ методического действия на АО «САМЕКО» (г. Самара) и в учебном процессе при подготовке в СамГТУ инженеров по специальности «Управление и информатика в технических системах» и магистров техники и технологии по направлению «Автоматизация и управление».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации.» (Новосибирск, 2003), X Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2004), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации.» (Новосибирск, 2004), Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара 2004), V Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Полет» (Киев, 2005), VI Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование» (Санкт-Петербург, 2005), II Всероссийской научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» (Уфа, 2005), XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 в журналах из перечня, рекомендованного ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 3 таблицы, список литературы из 81 наименования и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Осипова, Юлия Александровна

Выводы

1. Оптимальный по любому из рассматриваемых критериев процесс управления переходными режимами работы ИНУ методического действия сходится к установившемуся состоянию при наличии тепловых потерь с поверхности заготовок при любых сочетаниях их начальных температур, а, следовательно, для любых видов оптимизируемых переходных стадий работы ИНУ.

2. Факт сходимости оптимального управления в переходных режимах работы к установившемуся состоянию при любых сочетаниях начальных температур заготовок имеет принципиальное значение, гарантируя выход на стационарные режимы функционирования нагревательных агрегатов.

3. Скорость сходимости оптимального управления в переходных режимах работы ИНУ увеличивается с возрастанием величины тепловых потерь и зависит от других параметров модели объекта.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Поставлены и решены задачи оптимизации по различным критериям эффективности переходных режимов работы индукционных нагревательных установок методического действия.

2. Предложен способ построения замкнутых систем оптимального управления ИНУ.

3. Получено теоретическое обоснование сходимости переходных процессов в оптимальных режимах работы ИНУ к стационарным состояниям.

4. Разработана методика оценки потерь, выраженных в денежных единицах, в переходных режимах работы ИНУ, реализованных стандартными технологиями и с оптимизацией по различным критериям.

5. Обоснована целесообразность практического применения полученных в работе алгоритмов оптимального управления.

6. Разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение, на базе которого созданы пакеты прикладных программ для автоматизированного расчета оптимальных алгоритмов управления переходными режимами работы ИНУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Осипова, Юлия Александровна, 2007 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. Андреев Ю.Н. Оптимальное проектирование тепловых агрегатов. -М.: Машиностроение, 1983. 229 с.

3. Алексеев В.М., Тихомиров В.М., Фомин C.B. Оптимальное управление. -М.: Наука, 1979.-429 с.

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

5. Бойков Ю.Н. Оптимальное проектирование и управление индукционным нагревателем непрерывного действия с дискретной выдачей заготовок широкой номенклатуры: Автореф. дисс. канд. техн. наук.//Москва, 1984.-21 с.

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

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

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

9. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределёнными параметрами М., 1979.

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

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

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

13. Бурак Я.И., Зозуляк Ю.Д., Гера Б.В. Оптимизация переходных процессов в термоупругих оболочках. Киев: Наукова думка, 1984. - 156 с.

14. Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи. М., Энергия, 1967. -415 с.

15. Васильев Ф.П. Методы решения экстремальных задач.//М.: Наука, 1981, 400 с.

16. Вигак В.М. Оптимальное управление нестационарными температурными режимами. Киев.: Наук, думка, 1979, 360 с.

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

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

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

20. Гитгарц Д.А. Автоматизация плавильных электропечей с применением микро-ЭВМ. М: Энергоатомиздат, 1984. - 136 с.

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

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

23. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление. М.: Высшая школа, 1975.-408 с.

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

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

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

27. Казаков А.А.Разработка и исследование алгоритмов и систем оптимального управления индукционным нагревом металла: Автореф. дисс. канд. техн. наук.//Куйбышев, 1975. 24 с.

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

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

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

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

32. Коломейцева М.Б., Панасенко С.А. Оптимизация нагрева сплошного цилиндра в индукторе. // Техническая кибернетика/ Тр. МЭИ. М.: МЭИ, 1972 вып. 95.-С. 139-143.

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

34. Ким Д.П. Теория автоматического управления. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004 -464 с.

35. Круашвили З.Е. Автоматизированный нагрев стали. М.: Металлургия, 1973.-327 с.

36. Лелевкина Л.Г. Вариационный подход к решению задачи индукционного нагрева//Математические методы оптимизации систем с распределенными параметрами. Фрунзе: Илим, 1975. - С. 96-109.

37. Лившиц М.Ю. Разработка и исследование адаптивной системы оптимального управления процессом индукционного нагрева металла с прогнозирующей моделью: Автореф. дис. канд. техн. наук. Москва, 1982. - 19 с.

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

39. Лукьяков В.Б. Определение отклонений температуры от заданной при изменении длины заготовок, нагреваемых в индукционных методических печах// Технология легких сплавов, 1968, №3. С. 65-71.

40. Лурье К.А. Оптимальное управление в задачах математической физики. -М., Наука, 1975,480 с.

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

42. Маковский В.А. Динамика металлургических объектов с распределенными параметрами-М., Металлургия, 1971, 384 с.

43. Малешкин Н.И. Алгоритмизация и автоматизация переходных режимов работы индукционных установок непрерывного действия для нагрева перед прессованием крупногабаритных слитков из алюминиевых сплавов: Автореф. дис. канд. техн. наук. Куйбышев, 1986. - 24 с.

44. Малый С.А. Экономичный нагрев металла-М., Металлургия, 1967, 191 с.

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

46. Носов П.И. Моделирование и оптимизация режимов нагрева слитков из алюминиевых сплавов в индукционных установках полунепрерывного действия: Автореф. дисс. канд. техн. наук.//Ленинград, 1982. -20 с.

47. Осипова Ю.А. Оптимизация по комплексному критерию эффективности переходных режимов работы индукционной нагревательной установки методического действия.// Вестник СамГТУ, серия «Технические науки», №41 -2006, С. 26-31.

48. Осипова Ю.А. Оптимизация переходных режимов работы индукционных нагревательных установок// Мехатроника, автоматизация, управление: Труды XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск: 2006, С. 105-106.

49. Оськин А.Ф., Павлов H.A. К вопросу оптимизации режима нагрева заготовок прямоугольной формы. // Изв. ЛЭТИ, 1973, вып. 114. С. 46-52.

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

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

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

53. Поляк Б.Т. Введение в оптимизацию. М.: Наука, 1983.-384 с.

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

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

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

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

58. Рапопорт Э.Я., Сабуров В.В. Задача оптимального быстродействия для нагрева массивного тела при граничных условиях второго рода. // Системы электропривода и автоматики. Куйбышев: Изд. КПтИ, 1969. - С. 107119.

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

60. Синдяков JT.B. Оптимизация энерготехнологических характеристик установившихся режимов работы индукционных установок непрерывного дейстаия для нагрева стальных заготовок: Автореф. дисс. канд. техн. на-ук.//Ленинград, 1984. 19 с.

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

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

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

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

65. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. М.: Металлургиздат, 1962. -561 с.

66. Термоупругость электропроводных тел/ Я.С. Подстригач, Я.И.Бурак, А.Р. Гачкевич и др. Киев: Наукова думка, 1977. - 248 с.

67. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. -М.:Наука, 1966.-724 с.

68. Тозони О.В. Математические модели для расчета электрических и магнитных полей. Киев: Наукова думка, 1964. 304с.

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

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

71. Фельдбаум A.A. Основы теории оптимальных автоматических систем. -М.: Наука, 1966, 624 с.

72. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Tl. М.: Наука, 1962,608 с.

73. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. ТЗ. М.: Наука, 1966, 656 с.

74. Яицков С.А. Ускоренный изотермический индукционный нагрев кузнечных заготовок. М.: Машгиз, 1962, 96 с.

75. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1964, 344 с.s