铝合金轮毂虚拟低压铸造过程的控制研究

论文摘要

低压铸造是汽车轮毂的主要生产工艺,但在铸造过程中轮毂容易产生缩孔、缩松等缺陷。这些缺陷跟模具的温度有关,稳定铸模的温度可以减少缺陷的产生。过程建模正逐渐成为一种改进和优化工业过程的关键技术。模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)是一种对工业控制工程有着重大影响的先进控制方法。铸造过程是一种间歇过程,可使用MPC来对铸造过程进行控制。本文利用过程建模,对铝合金轮毂低压铸造过程的控制方案进行了研究,采用了模型预测控制这种先进的控制方法,基于ProCAST和MATLAB软件平台离线开发,免除了在运营厂开发这样一个系统的相关费用。本文建立了轮毂的三维几何模型及轮毂的三维有限元模型,采用ProCAST模拟了轮毂的充型凝固过程,预测铸造周期中模具温度的变化及液封缺陷的发生。本文开发了一个系统,将ProCAST模拟转化成一个带通信功能的虚拟工业过程,在该过程中实现了过程数据和控制数据的读取/写入；该系统通过一个Perl脚本实现单周期ProCAST模拟的重复运行,模拟连续的循环过程。铸造过程是一个间歇过程,可以很好地用状态空间模型代表其过程输入和输出间的关系。N4SID是一种系统辨识方法,本文采用N4SID从铸造过程的输入输出数据生成状态空间模型。为了执行系统辨识,本文分别确定了低压铸造过程的过程变量、控制变量和前馈变量；根据输入输出数据生成了状态空间模型。经验证,该模型可以预测轮毂铸造过程的近似输入输出。基于该模型,MPC控制器使用前馈变量可以预测干扰的影响,并计算出最佳的控制变量,在干扰传播之前抵消其影响。为了优化铸造过程的闭环性能,本文对MPC控制器进行了整定,定义了代价函数中的加权矩阵、预测时域和控制时域,并指定了控制变量的约束。本文通过MATLAB实现了MPC控制器的控制。为了确定在低压铸造过程上实施模型预测控制的效果,本文通过虚拟工业过程,在开环和闭环虚拟工业过程上分别应用了三种相同的干扰情况,对该控制方案进行评估。第一种干扰是斜坡金属温度干扰,模拟了工业过程中熔融金属的温度变化。第二种干扰是轮毂从模具中顶出后模具打开时间的长短变化。第三种情况是这两种情况的组合。这些干扰导致模具温度偏离其最佳值,如果偏差足够大,会导致缺陷的产生。结果表明所开发的控制方案改善了工艺性能,能很好地抑制干扰,将模具温度维持在最佳值附近,产生液封的体积也得到了明显减少,进而减少了有缺陷轮毂的生产。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 铝合金轮毂的低压铸造
• 1.2.2 先进控制方法
• 1.2.3 模型预测控制在工业过程中的应用
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 过程建模
• 1.3.2 过程模型及控制
• 1.3.3 间歇过程控制
• 1.3.4 压铸工业过程控制
• 1.4 论文主要研究内容及技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 第二章 三维有限元模型的建立及虚拟工业过程的开发
• 2.1 模型描述
• 2.1.1 数学模型
• 2.1.2 几何模型
• 2.2 液封缺陷预测
• 2.3 虚拟工业过程
• 2.3.1 检索过程控制数据
• 2.3.2 读取/写入MPC数据
• 2.3.3 准备ProCAST的输入文件
• 2.3.4 保存周期数据和模拟文件
• 2.4 小结
• 第三章 状态空间模型的辨识
• 3.1 状态空间模型
• 3.1.1 状态空间模型的建立
• 3.1.2 状态空间模型的修改
• 3.2 系统辨识变量的确定
• 3.2.1 确定过程变量
• 3.2.2 确定控制变量
• 3.2.3 确定前馈变量
• 3.3 过程辨识数据
• 3.4 生成状态空间模型
• 3.5 状态空间模型的验证
• 3.6 小结
• 第四章 模型预测控制的建立及控制器整定
• 4.1 预测方程的构建
• 4.2 代价函数
• 4.3 恒定的输出扰动观测器
• 4.4 控制器整定
• 4.4.1 闭环性能规范
• 4.4.2 Q和R矩阵
• 4.4.3 控制变量约束
• 4.4.4 预测时域和控制时域
• 4.5 控制器的实现
• 4.6 小结
• 第五章 虚拟工业过程控制效果的评估
• 5.1 金属温度干扰评估
• 5.2 开模时间干扰评估
• 5.3 最坏情况干扰评估
• 5.4 没有前馈控制的金属温度干扰评估
• 5.5 没有前馈控制的开模时间干扰评估
• 5.6 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢