大型立式淬火炉温度分布参数系统控制策略研究和应用

摘要

大型立式淬火炉是大型高强度铝合金构件热处理的关键装备，这些构件(如飞机大梁、龙骨、火箭和导弹端环等)是大型航空航天器的重要组成部分。为了获得高强度力学性能，构件内部合金含量较高，铝合金构件生成α过饱和固溶体的完全固溶温度升高，接近合金元素的最低熔化温度，使得淬火温度范围十分狭窄，超过此范围则不能获得均匀的成分、良好的晶粒织构和优良的机械性能，大型航空航天构件的高难度淬火工艺要求大型立式淬火炉温度控制高精度高均匀性。论文从炉内热交换过程的机理出发，抓住大型立式淬火炉的本质特征，应用分布参数控制理论分析和研究大型立式淬火炉控制策略，实现了多区段炉温控制的高精度高均匀性，成为提高大型构件产品质量和生产效率的关键。 大型立式淬火炉体积庞大，炉体结构复杂，各种热交换方式并存，炉内温度分布呈本征非均匀特性，多区段加热方式使得各区段温度具有强耦合特性，动态模型建立十分困难。构件悬吊于工作室中心，温度不能直接测量。传统的炉温控制策略很难实现大型立式淬火炉温度控制高精度高均匀性。论文针对大型立式淬火炉的控制难点，提出了包括测点温度补偿、分布参数系统建模方法、参数辨识算法、动态解耦控制、三段式PWM智能控制等控制策略，解决了大型淬火炉温度控制精度不高，升温过程长、超调量大，容易造成过烧事故等一系列问题，实现了快速低超调以及大空间范围内高精度和高均匀性的控制目标。 针对大型立式淬火炉内构件温度不能直接测量的问题，提出了构件温度测量的新方法。从炉内复杂的热交换机理出发，建立了炉内温度场数学模型，利用离散变换分析计算温度场分布，获得不同工况下构件实际温度和测点温度之间的差值用于补偿测点温度，满足了航空航天铝合金构件对淬火温度点非常严格的要求。 采用合理假设简化复杂的炉体结构，建立了大型立式淬火炉温度对象的二阶分布参数动态控制模型，通过模态分解方法得到保证系统可控条件下控制器应避免配置的位置，研究了控制器个数对炉温均匀性影响，同时验证了控制模型结构的合理性。 提出了二阶分布参数模型参数辨识正交函数逼近的标准化算法，选择计算量小的块脉冲函数(Block Pulse Function，BPF)对二阶动态控制模型进行辨识，辨识过程中考虑了边界条件和初始条件的影响，不仅参数辨识结果精度高，而且辨识过程满足了工业生产过程控制的实时性要求。 针对分布参数控制系统中噪声既是时间又是空间的函数，传感器的位置不同引入的噪声也不相同的问题，提出了传感器位置的优化配置方法，构造Fisher信息矩阵，采用D-最优设计准则求出使得信息矩阵行列式最大(参数估计误差的协方差最小)的传感器位置，为大型立式淬火炉温度传感器的位置配置提供理论依据，减小测量噪声的影响，保证了模型参数的辨识精度。 提出了分布参数动态解耦控制算法，解耦矩阵由二阶分布参数动态控制模型离散化得到，为保证离散化算法的收敛性，分析空间步长和时间步长应满足的条件，并讨论加热区段划分的合理性，解耦系数的大小可由相应的专家规则库在线修正。这种方法对具有多个控制器的分布参数系统控制方案设计具有很好的参考价值。 研制了三段式脉宽调制PWM控制技术，将淬火工艺的加热过程划分为三个阶段，开发了大功率固态继电器PWM调功装置，解决了淬火加热过程中升温过程长、超调量大以及炉温热惯性大难以控制的难题，实现了低超调快速升温的控制目标。 论文提出的大型立式淬火炉温度分布参数系统控制策略投入使用后，运行效果良好，对其它生产过程的分布参数系统控制具有很好的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权说明

第一章绪论

第二章基于温度场分析的炉内测点温度补偿计算

第三章动态控制模型建立与验证

第四章二阶分布参数系统动态模型参数辨识的BPF逼近

第五章基于D-最优实验设计的传感器优化配置

第六章分布参数系统动态解耦控制算法

第七章系统实现与运行结果

第八章总结与创新

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果