真空感应炉先进控制技术研究与应用

论文题目: 真空感应炉先进控制技术研究与应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 检测技术与自动化装置

作者: 邓长辉

导师: 王福利

关键词: 真空感应熔炼,系统建模,系统优化,神经网络,模糊控制,专家控制系统

文献来源: 东北大学

发表年度: 2005

论文摘要: 真空感应炉是生产镍基高温合金、钛合金、不锈钢、超高强度钢等特种合金材料的重要冶炼设备。这些特种合金材料主要应用于航空、航天、军工、核电、能源等重要领域。自动控制系统是真空感应炉的一个重要组成部分,直接影响产品的质量和产量。目前,我国真空感应冶炼过程控制技术落后、自动化水平低,已成为制约真空感应炉发展的一个瓶颈。为此,在国家国防科工委重点工程资助下,本文重点研究了先进控制技术在真空感应炉中的应用,论文取得的主要研究成果如下: (1) 对真空感应冶炼过程进行建模与优化为了实现质量稳定可靠和成本最低的系统控制目标,围绕温度控制和成分控制这两个基本主线,提出了生产过程中工艺设定值优化操作思想。通过对熔炼过程的能量需求与损失的系统分析与计算,利用电热平衡规律,详细推导了感应熔炼过程能量平衡模型,并针对各熔炼阶段特点提出了优化电能供给制度,为实际生产过程制定供电制度提供了理论依据。将模糊控制技术应用到了坩埚高温烧结温度控制中。同时采用BP神经网络进行真空感应炉熔化期工艺过程的建模,利用实际工业生产数据进行仿真,并对某一钢种的熔炼工艺操作,采用遗传算法对熔化期电能的输入与合理分配进行了寻优。通过优化的功率控制实现对温度的最佳控制,通过研究优化配料控制完善了成分控制。整体优化控制算法具有工业有效性和较高的控制精度,解决了真空感应冶炼过程中具有不确定性、非线性、多约束特点的状态优化问题。 (2) 利用神经网络和专家控制系统对终点温度和成分进行预报和控制应用RBF神经网络方法建立了真空感应炉终点钢液温度和终点碳含量预报模型,对输入参数的选择作了详细地分析,并运用聚类算法对该模型进行训练。可在第一次预报时初步计算出冶炼到达炼终点的时间及终点输出值。再经过二次预报,进行校正误差,使结果更加精确。结合现场数据进行了学习和预报,实验结果表明预报命中率较高,取得良好的效果。为了提高终点温度和终点成分双命中率,本文

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独创性声明

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英文摘要

第一章绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 真空感应炉的发展及国内外现状

1.2.1 真空感应炉的发展历史

1.2.2 真空感应炉的设备现状

1.3 真空感应炉电气自动化控制系统的关键技术

1.4 先进控制技术应用于真空感应炉的现状

1.5 本文研究目标与应用前景

1.6 本文工作的主要内容

第二章智能控制基本理论概述

2.1 模糊控制原理

2.1.1 模糊控制基本原理及特点

2.1.2 Mamdani型和T-S型模糊逻辑系统

2.2 神经网络原理

2.2.1 神经网络的起源及典型模型

2.2.2 径向基函数(RBF)网络原理

2.2.2.1 RBF神经网络的发展及其特点

2.2.2.2 RBF网络的结构

2.2.2.3 RBF函数逼近理论

2.2.3 RBF网络训练算法研究

2.2.4 人工神经网络技术在应用中存在的问题

2.3 专家控制系统基本原理

2.3.1 专家控制的产生和应用

2.3.2 专家控制的类型及主要特征

2.3.3 专家控制系统的一般结构

2.3.4 专家控制的知识表示

2.3.5 产生式系统的推理

第三章真空感应炉的工作原理及设备组成

3.1 真空感应炉的工作原理

3.1.1 真空感应炉概述

3.1.2 真空感应炉工作原理

3.1.2.1 工发原理

3.1.2.2 磁场

3.1.2.3 电磁场力

3.1.2.4 金属的自然搅拌以及功率和频率的选择

3.2 真空感应炉熔炼工艺

3.2.1 装料

3.2.2 熔化期

3.2.3 精炼期

3.2.4 出钢浇铸

3.3 真空感应炉设备组成和结构

3.3.1 真空感应炉最基本的设备组成

3.3.2 真空感应炉主要构成单元及功能

3.3.2.1 感应熔炼电源

3.3.2.2 电磁搅拌系统

3.3.2.3 真空系统

3.3.2.4 真空感应炉控制系统

3.3.2.5 真空感应炉保护系统

3.3.3 真空感应炉的结构

3.3.3.1 传统类型的真空感应炉

3.3.3.2 紧凑型真空感应炉

3.3.3.3 带中间包流槽的真空感应炉

第四章真空感应炉过程建模与优化控制

4.1 过程参数分析及优化控制目标

4.1.1 真空冶炼过程的参数分析

4.1.2 冶炼工艺目标值和优化设定值的确定

4.2 优化配料控制

4.2.1 优化配料计算模型

4.2.2 熔液成分计算模型

4.2.3 合金补加优化模型

4.3 最佳熔炼电源频率的设定

4.3.1 能量转换关系

4.3.2 功率因数和电热效率

4.3.3 最佳电源频率的设定

4.4 真空感应炉电热模型的建立及优化供电制度的研究

4.4.1 能量需求计算模型

4.4.1.1 根据钢种炉料成分计算合金熔点(液相线温度)t_r

4.4.1.2 熔炼中某些化学反应吸热能量

4.4.2 能量损失计算模型

4.4.2.1 通过炉衬散出的热量

4.4.2.2 水冷系统的吸热

4.4.2.3 抽空烟气带走的热损失热量

4.4.2.4 停电装料时的能量损失

4.4.3 熔炼过程优化供电制度

4.4.3.1 熔化期供电

4.4.3.2 精炼期供电

4.4.3.3 合金化的供电

4.4.3.4 出钢浇注前的供电

4.4.3.5 实验结果与分析

4.5 真空感应炉坩埚耐火材料及高温烧结控制

4.5.1 坩埚的工作条件及对其要求

4.5.2 影响坩埚寿命的因素

4.5.3 坩埚高温烧结控制

4.5.3.1 坩埚用耐火材料及烧结工艺

4.5.3.2 利用T-S模糊模型对坩埚烧结温度进行预测

第五章终点温度和成分的预报

5.1 真空感应炉温度和成分的测量及终点预报的各种方法

5.1.1 真空感应炉温度和成分的测量

5.1.1.1 温度的测量

5.1.1.2 成分的测量

5.1.2 终点温度和成分的各种预报方法

5.1.2.1 基于机理模型的方法

5.1.2.2 基于统计的方法

5.1.2.3 基于灰色系统理论的灰色预测方法

5.1.2.4 基于智能理论的方法

5.2 基于RBF神经网络的终点温度和终点成分预报

5.2.1 RBF神经网络训练算法

5.2.1.1 确定网络中心

5.2.1.2 确定宽度参数

5.2.1.3 调整权值

5.2.2 数据预处理

5.2.3 终点温度预报方法

5.2.3.1 建立预报模型

5.2.3.2 预报方法

5.2.3.3 实验结果与分析

5.2.3.4 小结

5.2.4 终点碳含量预报方法

5.2.4.1 参数分析

5.2.4.2 预报方法

5.2.4.3 实验结果与分析

5.2.4.4 小结

第六章真空感应炉整体自动控制系统设计

6.1 真空感应炉自动控制系统组成及功能

6.2 真空感应炉控制系统典型硬件实现

第七章结论与展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间发表论文情况

发布时间: 2005-09-07

参考文献

[1].基于粗糙集的转炉炼钢知识发现及终点控制模型研究[D]. 胡燕.重庆大学2013
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[9].电弧炉电极升降控制算法的研究[D]. 李磊.东北大学2012
[10].铁矿石烧结过程智能集成优化控制技术及其应用研究[D]. 向婕.中南大学2010

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