大型立式淬火炉温度分布参数系统控制策略研究和应用

论文摘要

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，

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源与意义
• 1.2 大型立式淬火炉温度控制系统研究现状
• 1.2.1 淬火工艺
• 1.2.2 炉体结构及淬火工作流程
• 1.2.3 大型加热炉温度控制研究现状
• 1.3 分布参数控制系统理论发展和主要研究内容
• 1.3.1 分布参数控制系统理论的发展
• 1.3.2 分布参数系统控制策略的主要研究内容
• 1.3.3 分布参数控制系统的研究应用领域
• 1.4 大型立式淬火炉温度控制系统现存问题
• 1.5 论文研究的主要内容
• 第二章 基于温度场分析的炉内测点温度补偿计算
• 2.1 测点温度补偿分析计算
• 2.1.1 加热过程
• 2.1.2 淬火炉内热交换过程分析
• 2.2 大型立式淬火炉温度场数学模型
• 2.3 计算结果讨论
• 2.4 小结
• 第三章 动态控制模型建立与验证
• 3.1 系统建模
• 3.1.1 模型复杂性分析和模型简化
• 3.1.2 分布参数系统动态控制模型建立
• 3.2 模型的定性分析
• 3.2.1 控制执行器位置对系统可控性的影响分析
• 3.2.2 控制执行器的个数对炉温均匀性分布的影响
• 3.2.3 模型验证
• 3.3 小结
• 第四章 二阶分布参数系统动态模型参数辨识的BPF逼近
• 4.1 分布参数系统的参数辨识问题
• 4.1.1 问题描述
• 4.1.2 正交函数逼近法
• 4.2 积分运算矩阵的标准化算法
• 4.2.1 积分运算矩阵
• 4.2.2 块脉冲函数的积分运算矩阵
• 4.2.3 不同正交函数积分运算矩阵的标准化算法
• 4.3 二阶分布参数模型参数辨识的正交函数逼近法
• 4.4 仿真示例
• 4.5 大型淬火炉温度分布参数系统动态模型的辨识
• 4.6 小结
• 第五章 基于D-最优实验设计的传感器优化配置
• 5.1 问题描述
• 5.2 Fisher信息矩阵的构造
• 5.3 D-最优设计准则及其数值设计方法
• 5.3.1 回归模型与试验计划的概念
• 5.3.2 信息矩阵的性质
• 5.3.3 密集椭球体与D-最优设计
• 5.3.4 构造D-最优设计的数值方法
• 5.4 仿真示例
• 5.5 大型淬火炉内传感器的优化配置
• 5.6 小结
• 第六章 分布参数系统动态解耦控制算法
• 6.1 动态解耦控制算法及收敛性分析
• 6.1.1 分布参数模型的离散化
• 6.1.2 分布参数模型的集中化处理
• 6.1.3 离散化方法收敛性分析
• 6.2 分布参数系统动态解耦控制算法
• 6.2.1 解耦矩阵
• 6.2.2 自学习PID控制算法
• 6.2.3 三段式PWM智能控制技术
• 6.3 小结
• 第七章 系统实现与运行结果
• 7.1 系统实现
• 7.1.1 硬件实现
• 7.1.2 软件实现
• 7.2 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