[發明專利]基于有限元模型和系統辨識的感應加熱閉環仿真方法

有效

• 申請號: 201210265977.7
• 申請日: 2012-07-30
• 公開（公告）號: CN102778844A
• 公開（公告）日: 2012-11-14
• 發明（設計）人: 徐哲;吳坤;何必仕;孔亞廣;薛安克
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明屬于電力電子應用領域，涉及一種電磁感應加熱過程的閉環仿真方法，具體是一種基于有限元模型和系統辨識的感應加熱過程的閉環仿真方法。

背景技術

感應加熱技術是利用電磁場產生渦流加熱工件，由于其加熱速度快、被加熱件不易變形、污染少及能耗小等特點，廣泛應用于鋼坯鍛造、軋制、熱處理等工業領域。

經文獻檢索，浙江工業大學的趙敏在碩士論文《45鋼坯鍛前感應加熱的有限元模擬分析》（2006.4）利用ANSYS有限元軟件，建立了鍛前感應加熱有限元模擬的計算模型，確立了模擬計算過程中的分析單元、網格劃分、邊界條件以及材料溫度依賴性等問題的處理方法，并對鋼坯通過單節和兩節感應線圈的感應加熱過程進行了模擬分析。Janne?Nery在文章Numerical?solution?of?2D?and?3D?induction?heating?problems?with?non-linear?material?properties?take?into?account?(IEEE?Transactions?on?magnetics,2000,36(5):3119~3121)中用有限元方法計算感應加熱過程鋼坯在整體方向上的溫度變化情況，可以得到實驗中無法進行采樣的數據。華中科技大學的劉浩在博士論文《連鑄連軋電磁感應加熱過程數值模擬技術的研究與開發》（2007,10,30）中在鑄坯內部測溫較為困難的情況下，利用ANSYS軟件對感應加熱過程進行模擬，并研究影響感應加熱過程的各個因素。由于電磁感應加熱過程存在電磁感應、渦流生熱、熱傳導、熱輻射等多種物理變化耦合，采用前述有限元方法建立感應加熱過程系統模型是一種有效手段，然而有限元模型的階次非常高，無法直接用于控制。張麗芳等在文章感應加熱溫度的Fuzzy+PID復合控制方法（新技術新工藝，2004，6.38-40）中針對感應加熱熱處理過程中的溫度控制，采用一種Fuzzy控制和PID控制的復合控制方法，用于直接控制。?但是這種方法必須基于電磁感應加熱實際過程進行，無法考慮電磁感應加熱和控制系統的耦合作用，不能用于事先仿真及控制性能分析。

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發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提出了一種基于有限元模型和系統辨識的感應加熱閉環仿真方法，以便感應加熱溫度閉環控制的事先性能分析。該方法利用了有限元感應加熱模型和系統辨識方法，直接整定PID控制器，實現感應加熱溫度閉環控制的仿真，反映了電磁感應加熱和控制系統的耦合作用，能大幅提高仿真精度，克服現有設備中加熱溫度實時響應性差，加熱溫度難以控制等問題。

本發明是通過以下技術方案實現的，采用ANSYS軟件建立鋼坯電磁感應加熱有限元模型，求解實現對鋼坯的感應加熱過程的模擬，獲得模擬的數據。將有限元模擬給出的系統輸入和輸出時間歷程代替實驗數據，并采用最小二乘的系統辨識方法處理此輸入和輸出時間歷程，從而得到系統的響應特性參數，然后基于此模型設計PID反饋控制器，最后采用ANSYS的APDL語言將PID反饋控制器引入有限元模型，實現基于有限元模擬和PID反饋控制結合的感應加熱閉環系統仿真過程。

本發明方法具體步驟是：?

步驟1.連鑄鋼坯電磁感應加熱過程有限元建模，采用商業有限元軟件ANSYS建立有限元感應加熱過程模型，具體建模如下：

步驟1.1.將鋼坯分為120段，取其中任意一段的四分之一進行建模。

步驟1.2.利用ANSYS自身的前處理器創建或從其它建模軟件中讀入幾何模型。

步驟1.3.在電磁場分析部分，設定遠場區域邊緣處磁勢為零，鋼坯中心施加磁力線平行邊界條件；激勵源電流通過感應線圈內側橫界面時是均勻分布的，它作為電磁場的激勵條件；鋼坯、感應器線圈與空氣的網格單元采用相同的SOLID117六面體單元。

步驟1.4.定義750℃—1200℃溫度范圍內鋼坯的相對磁導率、電阻率，感應器線圈的相對磁導率，空氣的相對磁導率。

步驟1.5.在溫度場分析部分，將感應器線圈與空氣都設置為空單元，鋼坯改為SOLID97單元，只計算鋼坯區域的熱場，鋼坯周圍的空氣初始溫度設定為常數；與空氣接觸的鋼坯表面，只計算與空氣網格節點進行輻射熱交換。

步驟1.6.定義750℃—1200℃溫度范圍內鋼坯的導熱系數、比熱容、密度，鋼坯表面的熱輻射系數、波茲曼常數。

步驟1.7.劃分鋼坯網格時越靠近感應器線圈越密，網格密度由表面向中心遞減。