[发明专利]基于有限元模型和系统辨识的感应加热闭环仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子应用领域，涉及一种电磁感应加热过程的闭环仿真方法，具体是一种基于有限元模型和系统辨识的感应加热过程的闭环仿真方法。

背景技术

感应加热技术是利用电磁场产生涡流加热工件，由于其加热速度快、被加热件不易变形、污染少及能耗小等特点，广泛应用于钢坯锻造、轧制、热处理等工业领域。

经文献检索，浙江工业大学的赵敏在硕士论文《45钢坯锻前感应加热的有限元模拟分析》（2006.4）利用ANSYS有限元软件，建立了锻前感应加热有限元模拟的计算模型，确立了模拟计算过程中的分析单元、网格划分、边界条件以及材料温度依赖性等问题的处理方法，并对钢坯通过单节和两节感应线圈的感应加热过程进行了模拟分析。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)中用有限元方法计算感应加热过程钢坯在整体方向上的温度变化情况，可以得到实验中无法进行采样的数据。华中科技大学的刘浩在博士论文《连铸连轧电磁感应加热过程数值模拟技术的研究与开发》（2007,10,30）中在铸坯内部测温较为困难的情况下，利用ANSYS软件对感应加热过程进行模拟，并研究影响感应加热过程的各个因素。由于电磁感应加热过程存在电磁感应、涡流生热、热传导、热辐射等多种物理变化耦合，采用前述有限元方法建立感应加热过程系统模型是一种有效手段，然而有限元模型的阶次非常高，无法直接用于控制。张丽芳等在文章感应加热温度的Fuzzy+PID复合控制方法（新技术新工艺，2004，6.38-40）中针对感应加热热处理过程中的温度控制，采用一种Fuzzy控制和PID控制的复合控制方法，用于直接控制。 但是这种方法必须基于电磁感应加热实际过程进行，无法考虑电磁感应加热和控制系统的耦合作用，不能用于事先仿真及控制性能分析。

 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种基于有限元模型和系统辨识的感应加热闭环仿真方法，以便感应加热温度闭环控制的事先性能分析。该方法利用了有限元感应加热模型和系统辨识方法，直接整定PID控制器，实现感应加热温度闭环控制的仿真，反映了电磁感应加热和控制系统的耦合作用，能大幅提高仿真精度，克服现有设备中加热温度实时响应性差，加热温度难以控制等问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，采用ANSYS软件建立钢坯电磁感应加热有限元模型，求解实现对钢坯的感应加热过程的模拟，获得模拟的数据。将有限元模拟给出的系统输入和输出时间历程代替实验数据，并采用最小二乘的系统辨识方法处理此输入和输出时间历程，从而得到系统的响应特性参数，然后基于此模型设计PID反馈控制器，最后采用ANSYS的APDL语言将PID反馈控制器引入有限元模型，实现基于有限元模拟和PID反馈控制结合的感应加热闭环系统仿真过程。

本发明方法具体步骤是： 

步骤1.连铸钢坯电磁感应加热过程有限元建模，采用商业有限元软件ANSYS建立有限元感应加热过程模型，具体建模如下：

步骤1.1.将钢坯分为120段，取其中任意一段的四分之一进行建模。

步骤1.2.利用ANSYS自身的前处理器创建或从其它建模软件中读入几何模型。

步骤1.3.在电磁场分析部分，设定远场区域边缘处磁势为零，钢坯中心施加磁力线平行边界条件；激励源电流通过感应线圈内侧横界面时是均匀分布的，它作为电磁场的激励条件；钢坯、感应器线圈与空气的网格单元采用相同的SOLID117六面体单元。

步骤1.4.定义750℃—1200℃温度范围内钢坯的相对磁导率、电阻率，感应器线圈的相对磁导率，空气的相对磁导率。

步骤1.5.在温度场分析部分，将感应器线圈与空气都设置为空单元，钢坯改为SOLID97单元，只计算钢坯区域的热场，钢坯周围的空气初始温度设定为常数；与空气接触的钢坯表面，只计算与空气网格节点进行辐射热交换。

步骤1.6.定义750℃—1200℃温度范围内钢坯的导热系数、比热容、密度，钢坯表面的热辐射系数、波兹曼常数。

步骤1.7.划分钢坯网格时越靠近感应器线圈越密，网格密度由表面向中心递减。