Платная доработка на тему Разработка системы управления индукционным нагревом металлических оболочек.

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………………… 5

1
Исследование процессов индукционного нагрева заготовки…………………… 7

1.1 Индукционный нагрев…………………………………………………………………….. 7

1.2 Математическая
модель индукционного нагрева………………………………… 9

1.3 Описание и
программа электромагнитного расчета…………………………… 11

1.4 Выполнение вычислений для индукторов с
изменением параметров его радиуса и длины……………………………………………………………………………………………….. 13

1.5 Анализ результатов, нахождение оптимальных
параметров индуктора.. 19

1.6 Выводы……………………………………………………………………………………….. 20

2
Одноинтервальное управление индукционным нагревом заготовки………. 22

2.1 Оптимальное
управление индукционным нагревом…………………………… 22

2.2
Тепловая модель индукционного нагрева………………………………………… 23

2.3
Дифференциально-разностная модель процесса нагрева……………………. 24

2.4
Программа численного моделирования процесса нагрева………………….. 26

2.5
Описание алгоритма расчета оптимального времени нагрева……………… 30

2.6
Выполнение вычислений для индукторов с изменением параметров его радиуса и
длины……………………………………………………………………………………………….. 32

2.7
Анализ результатов, нахождение оптимальных параметров индуктора.. 39

2.8
Выводы……………………………………………………………………………………….. 41

3
Двухинтервальное управление индукционным нагревом заготовки……….. 42

3.1
Программа численного моделирования процесса нагрева/охлаждения… 42

3.2 Выполнение вычислений для индукторов с
изменением параметров его радиуса и длины……………………………………………………………………………………………….. 45

3.3 Анализ результатов, нахождение оптимальных
параметров индуктора.. 53

3.4 Выводы……………………………………………………………………………………….. 55

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………………. 56

СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………………. 58

ПРИЛОЖЕНИЕ
А – Программа вычисления удельной мощности по
длине и радиусу заготовки в MATLAB
(электромагнитная модель)…………………………………. 60

ПРИЛОЖЕНИЕ
Б – Программа расчета в MATLAB коэффициента
неравномерности нагрева по объемной плотности электромагнитной энергии в
заготовке…… 63

ПРИЛОЖЕНИЕ
В – Программа
расчета в MATLAB распределения
температур по длине заготовки (тепловая модель для этапа нагрева)……………………………………… 64

ПРИЛОЖЕНИЕ Г –Программа
расчета в MATLAB минимизируемой
функции при одноинтервальном управлении……………………………………………………………. 65

ПРИЛОЖЕНИЕ Д – Программа
расчета в MATLAB распределения
температур по длине заготовки (тепловая модель для этапа охлаждения)……………………………….. 67

ПРИЛОЖЕНИЕ
Е – Программа
расчета в MATLAB минимизируемой
функции при двухинтервальном управлении ……………………………………………………………. 68

Введение:

Развитие ведущих отраслей
современной тяжёлой промышленности не­разрывно связано с возрастающим
применением процессов индукционного нагрева металлов и их последующей
обработкой давлением. Индукционный нагрев широко применяется в различных
технологических процессах и обладает такими преимуществами, по сравнению с дру­гими
конкурентоспособными технологиями, как высокая концентрация энергии в
нагреваемом материале, бесконтактность нагрева, надежность работы, удобство
регулирования и автоматизации и отсутствие загрязнения окружающей среды.

В частности, индукционные
нагревательные установки широко применяются для предварительного нагрева
заготовок перед прессованием. Прессование, как один из ос­новных способов обработки металлов давлением, используется для получения изде­лий разнообразных форм
и размеров в поперечном сечении.

Наиболее распространенные
требования к системам управления – это достижение более высокой точности
управления и увеличение быстродействия. Рост требований к системам управления и
послужил толчком к развитию теории оптимального управления. Увеличение быстродействия
напрямую связано с правильным распределением ограниченных ресурсов управления.

Внедрение
модельно-ориентированного проектирования является ключевым фактором успеха
современного инженерного труда. Основным элементом модельно-ориентированного
проектирования любого технического устройства является его адекватная и
быстродействующая математическая модель. Адекватность модели позволяет на любой
стадии разработки иметь представление о поведении технического устройства в
различных ситуациях. Быстродействие модели позволит использовать разнообразные,
в том числе достаточно трудоемкие, алгоритмы настройки и корректировки
параметров технического устройства в соответствии с потребностями практики.

Математическая модель общей
задачи управления содержит описание исследуемого объекта с помощью языка
математики, то есть в виде определенных математических соотношений, связывающих
элементы. Это могут быть дифференциальные уравнения, передаточные функции,
функции качества, начальные и граничные условия и др.

Целью выполнения данной работы
является – разработка процесса управления индукционным нагревом металлических
оболочек.

Для выполнения поставленной цели
необходимо решить следующие задачи:

— рассмотреть общую
математическую модель индукционного нагрева;

— составить тепловую модель
численного моделирования процесса индукционного нагрева на основе
дифференциально-разностного метода расчета;

— рассчитать физические
параметры тепловой модели;

— произвести численный расчет
объемной плотности электромагнитной энергии в заготовке для разных
геометрических параметров индукционного нагревателя и выявить лучшие варианты
системы с точки зрения равномерности прогрева заготовки;

— для модели одноинтервального
управления: выполнить численное моделирование процесса нагрева заготовки для
разных геометрических параметров индукционного нагревателя и выявить лучшие
варианты системы с точки зрения равномерности распределения температур по длине
заготовки относительно требуемой температуры нагрева;

— для
модели двухинтервального управления: выполнить численное моделирование процесса
нагрева (1-ый этап) и охлаждения (2-ой этап) заготовки для разных
геометрических параметров индукционного нагревателя и выявить лучшие варианты
системы с точки зрения равномерности распределения температур по длине
заготовки относительно требуемой температуры нагрева. 

Заключение:

В
данной дипломной работе разрабатывался технологический процесс управления
индукционным нагревом цилиндрической металлической заготовки.

В
ходе выполнения работы выполнены следующие этапы:

В первой главе:

— рассмотрена общая
математическая модель индукционного нагрева;

— составлена тепловая модель
численного моделирования процесса индукционного нагрева на основе
дифференциально-разностного метода расчета;

— рассчитаны физические
параметры тепловой модели;

— с помощью программной среды MATLAB произведен
численный расчет объемной плотности электромагнитной энергии в заготовке для
разных геометрических параметров индукционного нагревателя и выявлены лучшие
варианты системы с точки зрения равномерности прогрева заготовки;

Во второй главе:

— для модели одноинтервального
управления: в программной среде MATLAB выполнено численное моделирование процесса нагрева заготовки
для разных геометрических параметров индукционного нагревателя и выявлены
лучшие варианты системы с точки зрения равномерности распределения температур
по длине заготовки относительно требуемой температуры нагрева 1000 °C.

Во третьей главе:

— для модели двухинтервального
управления: в программной среде MATLAB выполнено численное моделирование процесса нагрева (1-ый
этап) и охлаждения (2-ой этап) заготовки для разных геометрических параметров
индукционного нагревателя и выявлены лучшие варианты системы с точки зрения
равномерности распределения температур по длине заготовки относительно
требуемой температуры нагрева 1000 °C.

В результате для заготовки с
параметрами L=0.2 м, R = 0.05 м подобраны
оптимальные геометрические параметры индукционного нагревателя: 1) LIND = 0.22 м, RIND = 0.055 м, 2) LIND = 0.22 м, RIND = 0.05 м.

В общем результаты выполнения
дипломной работы вполне соответствуют поставленным целям.

Фрагмент текста работы:

1 Исследование процессов индукционного нагрева заготовки

1.1 Индукционный нагрев

 Индукционный нагрев — это нагревание
материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным
полем. Следовательно — это нагрев изделий из проводящих материалов
(проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного
поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая
(металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор,
представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В
индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной
частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора
возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке
вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла
(см. закон Джоуля-Ленца).

Особенностью индукционного ввода энергии является
возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов.

Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади,
охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в
магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела.

Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и,
следовательно, зоны выделения энергии зависит, кроме других факторов, от
частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается с
повышением частоты).

Эффективность передачи энергии
от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и
повышается при его уменьшении.

Установка индукционного нагрева

Рисунок
1.1 – Установка
индукционного нагрева

Преимущества индукционного нагрева

1) Передача электрической энергии непосредственно в
нагреваемое тело позволяет осуществить прямой нагрев проводниковых материалов.
При этом повышается скорость нагрева по сравнению с установками косвенного
действия, в которых изделие нагревается только с поверхности.

2) Передача электрической энергии непосредственно в
нагреваемое тело не требует контактных устройств. Это удобно в условиях
автоматизированного поточного производства, при использовании вакуумных и
защитных средств.

3) Благодаря явлению поверхностного эффекта максимальная
мощность, выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия. Поэтому
индукционный нагрев при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверхностного слоя
изделия. Это позволяет получить высокую твердость поверхности детали при
относительно вязкой середине. Процесс поверхностной индукционной закалки
быстрее и экономичнее других методов поверхностного упрочнения изделия.

4) Индукционный нагрев в большинстве случаев позволяет
повысить производительность и улучшить условия труда.