專利名稱：基于有限元模型和系統(tǒng)辨識(shí)的感應(yīng)加熱閉環(huán)仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種電磁感應(yīng)加熱過(guò)程的閉環(huán)仿真方法，具體是一種基于有限元模型和系統(tǒng)辨識(shí)的感應(yīng)加熱過(guò)程的閉環(huán)仿真方法。
背景技術(shù)：
感應(yīng)加熱技術(shù)是利用電磁場(chǎng)產(chǎn)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼坯鍛造、軋制、熱處理等工業(yè)領(lǐng)域。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，浙江工業(yè)大學(xué)的趙敏在碩士論文《45鋼坯鍛前感應(yīng)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(yīng)加熱有限元模擬的計(jì)算模型，確立了模擬計(jì)算過(guò)程中的分析單元、網(wǎng)格劃分、邊界條件以及材料溫度依賴性等問(wèn)題的處理方法，并對(duì)鋼坯通過(guò)單節(jié)和兩節(jié)感應(yīng)線圈的感應(yīng)加熱過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。 Janne Nery 在文章 Numerical solution of 2D and 3D induction heating problemswith non-linear material properties take into account (IEEE Transactions onmagnetics, 2000, 36(5) :3119 3121)中用有限元方法計(jì)算感應(yīng)加熱過(guò)程鋼坯在整體方向上的溫度變化情況，可以得到實(shí)驗(yàn)中無(wú)法進(jìn)行采樣的數(shù)據(jù)。華中科技大學(xué)的劉浩在博士論文《連鑄連軋電磁感應(yīng)加熱過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)》(2007，10, 30)中在鑄坯內(nèi)部測(cè)溫較為困難的情況下，利用ANSYS軟件對(duì)感應(yīng)加熱過(guò)程進(jìn)行模擬，并研究影響感應(yīng)加熱過(guò)程的各個(gè)因素。由于電磁感應(yīng)加熱過(guò)程存在電磁感應(yīng)、渦流生熱、熱傳導(dǎo)、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(yīng)加熱過(guò)程系統(tǒng)模型是一種有效手段，然而有限元模型的階次非常高，無(wú)法直接用于控制。張麗芳等在文章感應(yīng)加熱溫度的Fuzzy+PID復(fù)合控制方法(新技術(shù)新工藝，2004，6. 38-40)中針對(duì)感應(yīng)加熱熱處理過(guò)程中的溫度控制，采用一種Fuzzy控制和PID控制的復(fù)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(yīng)加熱實(shí)際過(guò)程進(jìn)行，無(wú)法考慮電磁感應(yīng)加熱和控制系統(tǒng)的耦合作用，不能用于事先仿真及控制性能分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出了一種基于有限元模型和系統(tǒng)辨識(shí)的感應(yīng)加熱閉環(huán)仿真方法，以便感應(yīng)加熱溫度閉環(huán)控制的事先性能分析。該方法利用了有限元感應(yīng)加熱模型和系統(tǒng)辨識(shí)方法，直接整定PID控制器，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱溫度閉環(huán)控制的仿真，反映了電磁感應(yīng)加熱和控制系統(tǒng)的耦合作用，能大幅提高仿真精度，克服現(xiàn)有設(shè)備中加熱溫度實(shí)時(shí)響應(yīng)性差，加熱溫度難以控制等問(wèn)題。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，采用ANSYS軟件建立鋼坯電磁感應(yīng)加熱有限元模型，求解實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼坯的感應(yīng)加熱過(guò)程的模擬，獲得模擬的數(shù)據(jù)。將有限元模擬給出的系統(tǒng)輸入和輸出時(shí)間歷程代替實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并采用最小二乘的系統(tǒng)辨識(shí)方法處理此輸入和輸出時(shí)間歷程，從而得到系統(tǒng)的響應(yīng)特性參數(shù)，然后基于此模型設(shè)計(jì)PID反饋控制器，最后采用ANSYS的APDL語(yǔ)言將PID反饋控制器引入有限元模型，實(shí)現(xiàn)基于有限元模擬和PID反饋控制結(jié)合的感應(yīng)加熱閉環(huán)系統(tǒng)仿真過(guò)程。本發(fā)明方法具體步驟是
步驟I.連鑄鋼坯電磁感應(yīng)加熱過(guò)程有限元建模，采用商業(yè)有限元軟件ANSYS建立有限元感應(yīng)加熱過(guò)程模型，具體建模如下
步驟I. I.將鋼坯分為120段，取其中任意一段的四分之一進(jìn)行建模。步驟I. 2.利用ANSYS自身的前處理器創(chuàng)建或從其它建模軟件中讀入幾何模型。步驟I. 3.在電磁場(chǎng)分析部分，設(shè)定遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域 邊緣處磁勢(shì)為零，鋼坯中心施加磁力線平行邊界條件；激勵(lì)源電流通過(guò)感應(yīng)線圈內(nèi)側(cè)橫界面時(shí)是均勻分布的，它作為電磁場(chǎng)的激勵(lì)條件；鋼坯、感應(yīng)器線圈與空氣的網(wǎng)格單元采用相同的S0LID117六面體單元。步驟I. 4.定義750°C — 1200°C溫度范圍內(nèi)鋼坯的相對(duì)磁導(dǎo)率、電阻率，感應(yīng)器線圈的相對(duì)磁導(dǎo)率,空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率。步驟1.5.在溫度場(chǎng)分析部分，將感應(yīng)器線圈與空氣都設(shè)置為空單元，鋼坯改為S0LID97單元，只計(jì)算鋼坯區(qū)域的熱場(chǎng)，鋼坯周?chē)目諝獬跏紲囟仍O(shè)定為常數(shù)；與空氣接觸的鋼坯表面，只計(jì)算與空氣網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輻射熱交換。步驟I. 6.定義750°C—1200°C溫度范圍內(nèi)鋼坯的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度，鋼坯表
面的熱輻射系數(shù)、波茲曼常數(shù)。步驟I. 7.劃分鋼坯網(wǎng)格時(shí)越靠近感應(yīng)器線圈越密，網(wǎng)格密度由表面向中心遞減。步驟I. 8.采用順序耦合法進(jìn)行電磁一熱之間的耦合計(jì)算，首先根據(jù)初始條件的溫度場(chǎng)，確定材料的物性參數(shù)，求解電磁場(chǎng)問(wèn)題，這樣得到了電磁場(chǎng)輸出的熱生成率，作為熱場(chǎng)所需的內(nèi)熱源輸入，然后對(duì)熱場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)根據(jù)此時(shí)鋼坯溫度場(chǎng)的分布，去修正材料的物性參數(shù),再去求解電磁場(chǎng),如此循環(huán)下去,直到達(dá)到設(shè)定的加熱時(shí)間。步驟2.電磁感應(yīng)加熱過(guò)程模擬仿真，具體是
步驟2. I.保持中頻電源輸出功率U1、輸出頻率f、輸出電壓U不變，鋼坯加熱前橫截面邊界中點(diǎn)的初始溫度U2作為可變輸入信號(hào)，模擬得出鋼坯加熱后該點(diǎn)的溫度yi。步驟2. 2.保持中頻電源輸出電壓U，輸出頻率f，初始溫度U2不變，以施加給感應(yīng)線圈的輸出功率U1作為可變輸入信號(hào)，模擬得出鋼坯加熱后橫截面邊界中點(diǎn)的溫度y2。記錄上述有限元模擬過(guò)程得到的系統(tǒng)輸入和輸出時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，代替實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)辨識(shí)算法的輸入。步驟3.電磁感應(yīng)加熱過(guò)程系統(tǒng)辨識(shí)，具體是
對(duì)于一個(gè)雙輸入單輸出TISO系統(tǒng),輸入U(xiǎn)、輸出Y和過(guò)程傳遞函數(shù)之間G的基本關(guān)系
為
y = Gu-￥■€(I)
其中' ,G = [qG2；|，Ul為輸出功率，U2為初始溫度，ε為噪聲信號(hào)；在系統(tǒng)辨識(shí) _ 2」
過(guò)程中，TISO系統(tǒng)分解成兩個(gè)獨(dú)立的SISO系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)著兩個(gè)傳遞函數(shù)；一般情況下，絕大多數(shù)工業(yè)過(guò)程采用一階或二階加純滯后模型來(lái)描述，這里采用一階加純滯后模型表示傳遞函數(shù)為
權(quán)利要求
1.基于有限元模型和系統(tǒng)辨識(shí)的感應(yīng)加熱閉環(huán)仿真方法，其特征在于該方法包括以下步驟 步驟I.連鑄鋼坯電磁感應(yīng)加熱過(guò)程有限元建模，采用商業(yè)有限元軟件ANSYS建立有限元感應(yīng)加熱過(guò)程模型，具體建模如下 步驟I. I.將鋼坯分為120段，取其中任意一段的四分之一進(jìn)行建模； 步驟I. 2.利用ANSYS自身的前處理器創(chuàng)建或從其它建模軟件中讀入幾何模型； 步驟I. 3.在電磁場(chǎng)分析部分，設(shè)定遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域邊緣處磁勢(shì)為零，鋼坯中心施加磁力線平行邊界條件；激勵(lì)源電流通過(guò)感應(yīng)線圈內(nèi)側(cè)橫界面時(shí)是均勻分布的，它作為電磁場(chǎng)的激勵(lì)條件；鋼坯、感應(yīng)器線圈與空氣的網(wǎng)格單元采用相同的SOLID117六面體單元； 步驟1. 4.定義750°C — 1200°C溫度范圍內(nèi)鋼坯的相對(duì)磁導(dǎo)率、電阻率，感應(yīng)器線圈的相對(duì)磁導(dǎo)率,空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率； 步驟1.5.在溫度場(chǎng)分析部分，將感應(yīng)器線圈與空氣都設(shè)置為空單元，鋼坯改為SOLID97單元，只計(jì)算鋼坯區(qū)域的熱場(chǎng)，鋼坯周?chē)目諝獬跏紲囟仍O(shè)定為常數(shù)；與空氣接觸的鋼坯表面，只計(jì)算與空氣網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輻射熱交換； 步驟I. 6.定義750°C—1200°C溫度范圍內(nèi)鋼坯的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度，鋼坯表面的熱輻射系數(shù)、波茲曼常數(shù)； 步驟I. 7.劃分鋼坯網(wǎng)格時(shí)越靠近感應(yīng)器線圈越密，網(wǎng)格密度由表面向中心遞減； 步驟1.8.采用順序耦合法進(jìn)行電磁一熱之間的耦合計(jì)算，首先根據(jù)初始條件的溫度場(chǎng)，確定材料的物性參數(shù)，求解電磁場(chǎng)問(wèn)題，這樣得到了電磁場(chǎng)輸出的熱生成率，作為熱場(chǎng)所需的內(nèi)熱源輸入，然后對(duì)熱場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)根據(jù)此時(shí)鋼坯溫度場(chǎng)的分布，去修正材料的物性參數(shù),再去求解電磁場(chǎng),如此循環(huán)下去,直到達(dá)到設(shè)定的加熱時(shí)間； 步驟2.電磁感應(yīng)加熱過(guò)程模擬仿真，具體是 步驟2. I.保持中頻電源輸出功率U1、輸出頻率f、輸出電壓U不變，鋼坯加熱前橫截面邊界中點(diǎn)的初始溫度U2作為可變輸入信號(hào)，模擬得出鋼坯加熱后該點(diǎn)的溫度yi ； 步驟2. 2.保持中頻電源輸出電壓U，輸出頻率f，初始溫度U2不變，以施加給感應(yīng)線圈的輸出功率U1作為可變輸入信號(hào)，模擬得出鋼坯加熱后橫截面邊界中點(diǎn)的溫度y2 ； 記錄上述有限元模擬過(guò)程得到的系統(tǒng)輸入和輸出時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，代替實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)辨識(shí)算法的輸入； 步驟3.電磁感應(yīng)加熱過(guò)程系統(tǒng)辨識(shí)，具體是 對(duì)于一個(gè)雙輸入單輸出TISO系統(tǒng),輸入U(xiǎn)、輸出y和過(guò)程傳遞函數(shù)之間G的基本關(guān)系為y = Gu + ε (I) 其中，a= 'G2] ,U1為輸出功率，U2為初始溫度，ε為卩栄聲彳目號(hào)；在系統(tǒng)辨識(shí) Laa」過(guò)程中，TISO系統(tǒng)分解成兩個(gè)獨(dú)立的SISO系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)著兩個(gè)傳遞函數(shù)；一般情況下，絕大多數(shù)工業(yè)過(guò)程采用一階或二階加純滯后模型來(lái)描述，這里采用一階加純滯后模型表示傳遞函數(shù)為
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于有限元模型和系統(tǒng)辨識(shí)的感應(yīng)加熱閉環(huán)仿真方法。本發(fā)明采用ANSYS軟件建立鋼坯電磁感應(yīng)加熱有限元模型，求解實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼坯的感應(yīng)加熱過(guò)程的模擬，獲得模擬的數(shù)據(jù)。將有限元模擬給出的系統(tǒng)輸入和輸出時(shí)間歷程代替實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并采用最小二乘的系統(tǒng)辨識(shí)方法處理此輸入和輸出時(shí)間歷程，從而得到系統(tǒng)的響應(yīng)特性參數(shù)，然后基于此模型設(shè)計(jì)PID反饋控制器，最后采用APDL語(yǔ)言將PID反饋控制器引入有限元模型，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱閉環(huán)系統(tǒng)仿真過(guò)程。本發(fā)明吸取感應(yīng)加熱有限元建模的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)加熱和控制系統(tǒng)的耦合作用，能大幅提高仿真精度，以便感應(yīng)加熱溫度閉環(huán)控制的事先性能分析。
文檔編號(hào)G05B17/02GK102778844SQ20121026597
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月30日
發(fā)明者何必仕, 吳坤, 孔亞廣, 徐哲, 薛安克 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)