大型立式淬火爐溫度分布參數(shù)系統(tǒng)控制策略研究和應用.pdf

1、大型立式淬火爐是大型高強度鋁合金構(gòu)件熱處理的關(guān)鍵裝備，這些構(gòu)件(如飛機大梁、龍骨、火箭和導彈端環(huán)等)是大型航空航天器的重要組成部分。為了獲得高強度力學性能，構(gòu)件內(nèi)部合金含量較高，鋁合金構(gòu)件生成α過飽和固溶體的完全固溶溫度升高，接近合金元素的最低熔化溫度，使得淬火溫度范圍十分狹窄，超過此范圍則不能獲得均勻的成分、良好的晶?？棙?gòu)和優(yōu)良的機械性能，大型航空航天構(gòu)件的高難度淬火工藝要求大型立式淬火爐溫度控制高精度高均勻性。論文從爐內(nèi)熱交換過程的

2、機理出發(fā)，抓住大型立式淬火爐的本質(zhì)特征，應用分布參數(shù)控制理論分析和研究大型立式淬火爐控制策略，實現(xiàn)了多區(qū)段爐溫控制的高精度高均勻性，成為提高大型構(gòu)件產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。 大型立式淬火爐體積龐大，爐體結(jié)構(gòu)復雜，各種熱交換方式并存，爐內(nèi)溫度分布呈本征非均勻特性，多區(qū)段加熱方式使得各區(qū)段溫度具有強耦合特性，動態(tài)模型建立十分困難。構(gòu)件懸吊于工作室中心，溫度不能直接測量。傳統(tǒng)的爐溫控制策略很難實現(xiàn)大型立式淬火爐溫度控制高精度高均勻性

3、。論文針對大型立式淬火爐的控制難點，提出了包括測點溫度補償、分布參數(shù)系統(tǒng)建模方法、參數(shù)辨識算法、動態(tài)解耦控制、三段式PWM智能控制等控制策略，解決了大型淬火爐溫度控制精度不高，升溫過程長、超調(diào)量大，容易造成過燒事故等一系列問題，實現(xiàn)了快速低超調(diào)以及大空間范圍內(nèi)高精度和高均勻性的控制目標。 針對大型立式淬火爐內(nèi)構(gòu)件溫度不能直接測量的問題，提出了構(gòu)件溫度測量的新方法。從爐內(nèi)復雜的熱交換機理出發(fā)，建立了爐內(nèi)溫度場數(shù)學模型，利用離散變換

4、分析計算溫度場分布，獲得不同工況下構(gòu)件實際溫度和測點溫度之間的差值用于補償測點溫度，滿足了航空航天鋁合金構(gòu)件對淬火溫度點非常嚴格的要求。 采用合理假設簡化復雜的爐體結(jié)構(gòu)，建立了大型立式淬火爐溫度對象的二階分布參數(shù)動態(tài)控制模型，通過模態(tài)分解方法得到保證系統(tǒng)可控條件下控制器應避免配置的位置，研究了控制器個數(shù)對爐溫均勻性影響，同時驗證了控制模型結(jié)構(gòu)的合理性。 提出了二階分布參數(shù)模型參數(shù)辨識正交函數(shù)逼近的標準化算法，選擇計算量小

5、的塊脈沖函數(shù)(Block Pulse Function，BPF)對二階動態(tài)控制模型進行辨識，辨識過程中考慮了邊界條件和初始條件的影響，不僅參數(shù)辨識結(jié)果精度高，而且辨識過程滿足了工業(yè)生產(chǎn)過程控制的實時性要求。 針對分布參數(shù)控制系統(tǒng)中噪聲既是時間又是空間的函數(shù)，傳感器的位置不同引入的噪聲也不相同的問題，提出了傳感器位置的優(yōu)化配置方法，構(gòu)造Fisher信息矩陣，采用D-最優(yōu)設計準則求出使得信息矩陣行列式最大(參數(shù)估計誤差的協(xié)方差最小)

6、的傳感器位置，為大型立式淬火爐溫度傳感器的位置配置提供理論依據(jù)，減小測量噪聲的影響，保證了模型參數(shù)的辨識精度。 提出了分布參數(shù)動態(tài)解耦控制算法，解耦矩陣由二階分布參數(shù)動態(tài)控制模型離散化得到，為保證離散化算法的收斂性，分析空間步長和時間步長應滿足的條件，并討論加熱區(qū)段劃分的合理性，解耦系數(shù)的大小可由相應的專家規(guī)則庫在線修正。這種方法對具有多個控制器的分布參數(shù)系統(tǒng)控制方案設計具有很好的參考價值。 研制了三段式脈寬調(diào)制PWM控