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面向节能优化的钢坯加热特征参数化模型研究

作　者: 王永科
导　师: 杨承志
学　校: 昆明理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 钢坯加热 B样条模型随机分布控制概率密度函数 ANSYS 节能优化
分类号: TG335.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

面对全球能源危机,节能降耗已成为世界各国目前所面临的突出课题。就钢铁工业为例,钢坯加热所需的能耗占整个钢铁工业能耗相当大的比重,因此,在保证钢坯加热表面温度和中心温度满足工艺要求的前提下,如何使加热炉能耗最小从而达到经济效益最大,是一个非常具有研究价值的课题。考虑到钢坯加热问题是一个非线性、大滞后的随机系统,同时由于目前测试技术的限制,运用常规的热电偶测温技术很难获得钢坯加热过程中精确的温度全信息参数。本文基于加热炉节能降耗提出了参数化钢坯加热过程温度的全信息化模型,利用钢坯加热表面温度场、表面热流密度场、表面热流密度概率分布和钢坯断面温度场等表征钢坯加热特征模型,建立钢坯加热特征模型和能源消耗的关联原理,并尝试应用随机分布控制(SDC)理论对钢坯加热温度进行概率密度函数(PDF)控制,此思路为钢坯加热系统节能降耗这样的随机控制系统研究提供一种新的理论依据和技术方法。在本文中,主要的工作和贡献有：(1)钢坯表面加热特征模型应用B样条参数化技术,结合钢坯加热工艺,利用参数化模型来描述钢坯表面温度场和钢坯表面热流密度场,同时结合统计学原理,建立钢坯表面热流密度的概率分布模型,从而整体描述钢坯表面加热特征模型和关联钢坯加热能耗,以期运用SDC理论,通过修改钢坯加热特征参数化模型参数达到钢坯加热节能降耗的目的。(2)钢坯内部加热特征模型运用机理建模和有限元分析ANSYS软件建模两种方法,建立钢坯加热内部温度场模型,通过分析钢坯全断面温度分布模型,得到钢坯内部的温度分布情况,以期修正钢坯表面加热特征模型参数,为钢坯加热过程加热炉炉温设定和分析钢坯加热瞬时工况提供研究模型。(3)非均匀有理B样条(NURBS)模型在SDC建模方面,分析基于B样条基函数建模的多种模型,并在研究计算机辅助几何设计(CAGD)基础上,提出了一种新的B样条模型——NURBS模型。通过调节NURBS模型的控制顶点和权因子来控制输出,为PDF曲线形状调整提供了充分的灵活性,通过分析验证,NURBS模型与其他B样条模型形成了一个描述随机系统输出PDF的统一体。(4)钢坯加热PDF控制系统本文提出应用SDC理论对钢坯加热系统进行PDF控制的新思路。考虑应用钢坯表面热流密度分布模型,得到钢坯表面热流密度分布PDF,然后采用有界SDC理论设计钢坯加热PDF控制系统,调节加热炉的输入量,从而控制加热炉内温度的变化,使得钢坯表面热流密度分布PDF尽可能逼近给定的PDF,从而实现修改钢坯加热特征参数化模型参数达到钢坯加热节能降耗的效果,此方法有望对现有的钢坯加热控制研究现状从其根本方法上有一个突破。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 课题研究背景  9-10
  1.2 相关领域的研究进展及成果  10-12
  1.3 本课题研究的主要内容和组织结构  12-14
  1.4 主要缩略及其意义  14-15
第二章钢坯加热生产工艺  15-22
  2.1 加热炉生产工艺介绍  15-17
    2.1.1 加热炉控制系统介绍  15-16
    2.1.2 钢坯加热的目的  16-17
    2.1.3 钢坯加热过程描述  17
  2.2 钢坯表面温度采集  17-21
    2.2.1 热电偶测温  18-19
    2.2.2 红外热成像测温  19-21
  2.3 小结  21-22
第三章参数化造型技术  22-43
  3.1 CAD与CAGD  22-33
    3.1.1 曲线和曲面参数化  23
    3.1.2 B样条曲线和曲面  23-29
    3.1.3 NURBS曲线和曲面  29-33
  3.2 拟合精度研究  33-42
    3.2.1 最小二乘拟合  34-35
    3.2.2 最小熵拟合  35-36
    3.2.3 基于遗传算法的NURBS曲线拟合  36-42
  3.3 小结  42-43
第四章钢坯加热特征模型  43-63
  4.1 钢坯表面加热特征模型  43-51
    4.1.1 钢坯表面温度模型  43-45
    4.1.2 钢坯表面热流密度模型  45-48
    4.1.3 钢坯表面热流密度概率分布模型  48-51
  4.2 钢坯内部加热特征模型  51-62
    4.2.1 钢坯加热机理模型  51-55
    4.2.2 基于ANSYS的钢坯加热模型  55-60
    4.2.3 钢坯内部温度场数值模拟分析  60-62
  4.3 小结  62-63
第五章钢坯加热PDF控制  63-75
  5.1 SDC建模  63-66
    5.1.1 线性B样条模型  63-65
    5.1.2 平方根B样条模  65
    5.1.3 NURBS模型  65-66
  5.2 PDF控制器设计  66-74
    5.2.1 参数辨识基础  67-68
    5.2.2 递推最小二乘参数辨识  68-69
    5.2.3 PDF控制作用  69-74
  5.3 小结  74-75
第六章总结与展望  75-77
  6.1 全文工作总结  75-76
  6.2 进一步研究的展望  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-82
附录攻读硕士期间发表的论文  82

面向节能优化的钢坯加热特征参数化模型研究

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