基于温度场建模的电熔镁炉设定值优化

论文摘要

电熔镁砂是一种重要的耐火材料,广泛用于冶金、化学、航天等工业,电熔镁炉是其主要的生产设备,现阶段电熔镁炉的运行主要依靠工人经验来指导,对电熔镁炉内部各种复杂的物理化学现象还不甚了解,存在能耗高,产率低,控制方法落后,自动化水平偏低等问题。对电熔镁砂的生产过程的研究要涉及结晶学、矿物学、传热学等学科,涉及数据采集、电气分析、控制系统设计等理论,单从某一学科或某一理论出发不能良好的解决电熔镁炉中存在的问题。本文从传热学中热传导理论出发,求解了电熔镁炉三维非稳态温度场。并将控制理论中的粒子群优化算法与温度场模型结合在一起,对电熔镁炉运行过程最主要的输入变量—电流,进行优化。在温度场的求解过程中,首先提出内热源模型假设,然后采用有限差分法推导了电熔镁炉导热微分方程边界条件离散化格式,用于温度场的计算机求解,最后研究了适合计算机求解的直角坐标系下圆柱体三维温度场的27种类型的边界点计算方法。同时研究了导热微分方程中一个重要参数导热系数对温度场求解过程的影响,并用MATLAB对温度场进行仿真,实现了电熔镁炉三维非稳态温度场的可视化。将粒子群优化算法应用于电熔镁炉输入电流的优化问题上,分析了电熔镁砂品位与最高熔炼温度之间的联系,提出了基于电熔镁炉温度场数值解的单位能耗函数和指标分解函数。以安全生产电流为约束条件,用粒子群算法对电熔镁炉熔炼电流进行优化求解。仿真结果证明新的电流调节方案单位能耗更低,生产效益更高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景
• 1.2 存在的问题
• 1.3 国内外研究成果
• 1.4 本文主要工作及其意义
• 第二章 电熔镁炉节能优化方法
• 2.1 电熔镁炉节能优化问题的分析
• 2.2 热传导理论
• 2.2.1 温度场和温度梯度
• 2.2.2 傅里叶导热定律
• 2.2.3 导热微分方程式
• 2.3 导热微分方程定解条件
• 2.3.1 热传递基本方式—导热微分方程的边界条件
• 2.3.2 初始条件及必要假设
• 2.4 粒子群优化算法（PSO）
• 2.4.1 现代优化算法
• 2.4.2 粒子群算法的起源
• 2.4.3 标准粒子群算法
• 2.4.4 粒子群算法实现示意伪代码
• 2.5 有限差分法（FDM）
• 2.5.1 用泰勒级数求导数的有限差分近似
• 2.5.2 数值解的误差
• 2.6 本章小结
• 第三章 直角坐标系下圆柱体的含内热源的三维非稳态温度场数值解
• 3.1 控制方程与边界条件的离散化
• 3.1.1 控制方程的离散化
• 3.1.2 边界条件的离散化
• 3.2 直角坐标系下圆柱体边界温度计算方法
• 3.2.1 边界处温度计算方法
• 3.2.2 边界点的种类
• 3.2.3 一种特殊的奇点
• 3.3 内热源模型假设
• 3.4 温度场计算机求解流程及仿真结果
• 3.4.1 计算机求解流程
• 3.4.2 一万安培下温度场仿真结果
• 3.5 局限性
• 3.5.1 差分方程解的稳定性
• 3.5.2 圆柱坐标系求解的局限性
• 3.5.3 辐射传热和导热系数对温度场仿真结果的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 节能优化与指标分解
• 4.1 单位能耗的提出
• 4.1.1 熔陀成分分析及其区域划分
• 4.1.2 熔陀内不同品位产品的分布与温度场的关系
• 4.1.3 单位能耗的提出及其计算方法
• 4.2 以单位能耗为目标函数的输入电流优化
• 4.2.1 PSO算法在电流优化问题上的应用
• 4.2.2 PSO算法实现的流程
• 4.2.3 约束条件与惩罚函数
• 4.2.4 仿真结果
• 4.3 指标分解
• 4.3.1 目标函数
• 4.3.2 约束条件
• 4.3.3 仿真结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文