（控制理论与控制工程专业论文）大型高真空退火炉温度控制系统研究.pdf

兰州理工七学碗士学位论文 y 7 2 1 1 8 4 摘要 摘要 近年来，随着对设备金属零件性能和精度要求的提高，真空退火已成 为金属热处理技术研究和发展的主要方向，在真空退火过程中，退火温度 的精确稳定控制，直接影响着退火工件的质量和成品率。而在真空退火的 生产过程中，退火工件温度的精确控制是一个典型的非线性、大时滞、强 祸合的复杂控制问题。为了实现工件温度的精确控制，本文通过对真空退 火炉传热特性的研究，采用遗传算法对待辨识模型参数进行优化和对神经 网络进行优化的方法，建立了真空退火炉的两种控制模型，并分别对两种 控制模型进行了分析与比较，并在所建模型的基础上，结合p i d 控制器各 参数物理意义明确的优点，自适应免疫遗传算法强大的全局寻优能力的特 点，采用了自适应免疫遗传算法优化变参数p i d 控制策略中p i d 控制的待 定参数，实现了对真空退火炉工件退火温度的精确控制。控制器的硬件采 用r o c k w e l l a l l e n b r a d l e y 公司的s c l 5 0 0 p l c ，监控系统软件在r o c k w e l l 公司的r s v i e w 3 2 平台上进行开发，控制算法在上位研华工业控制计算机 中采用c + + 语言实现。经实践运行表明整个控制系统具有良好的可靠性、 自适应性和鲁棒性，可以很好的满足真空退火炉的生产工艺要求。 关键词：真空退火炉遗传算法神经网络自适应免疫遗传算法 变参数p i d 工件温度控制 兰州理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t v a c u u ma n n e a lh a s a l r e a d yd e v e l o p e d t h em a i n r e s e a r c h i n g a n d d e v e l o p i n ga s p e c ti nm e t a lh e a tt r e a t m e n ta l o n gw i t ht h ea d v a n c eo fm e t a l a c c e s s o r yp e r f o r m a n c e a n d p r e c i s i o nr e q u i r e m e n t i n e q u i p m e n tr e c e n t l y a c c u r a t ea n ds t e a d yc o n t r o lo f t e m p e r a t u r ea f f e c t st h eq u a l i t y a n de l i g i b l er a t e o fa n n e a l i n gw o r kp i e c e s d i r e c t l y i nt h ec o u r s eo fv a c u u ma n n e a l t h e a c c u r a t ec o n t r o lo ft h ew o r k p i e c e st e m p e r a t u r ei nv a c u u ma n n e a l i n gf u r n a c e i sa t y p i c a l n o n l i n e a r l a r g e t i m e d e l a y a n dc r o s s c o u p l i n gc o m p l i c a t e d p r o b l e m i n o r d e rt or e a l i z et h ea c c u r a t ec o n t r o lo ft h ew o r k p i e c e s t e m p e r a t u r e ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed i a t h e r m a n o u sc h a r a c t e r i s t i c ，o b t a i n st w o c o n t r o lm o d e l sv i at h em e t h o d so ft h e o p t i m i z e d t h e p a r a m e t e r s o ft h e d y n a m i t i cm o d e l v i ag e n e t i ca l g o r i t h ma n dt h en e u r a ln e t w o r kt h a tw e i g h sa n d b i a sw e r eo p t i m i z e db yg e n e t i ca l g o r i t h ma n dr e a l i z e st h ea c c u r a t ec o n t r o lo f t h ew o r k p i e c e st e m p e r a t u r e v i at h em e t h o do fv a r i a b l e a r g u m e n t p i d c o n t r o l l e rt h a tp i dp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e db ya d a p t i v ei m m u n eg e n e t i c a l g o r i t h m ，w h i c h c o m b i n ew i t ht h e s t r o n g p o i n t o ft h e p h y s i c a lm e a n i n g c l e a r l y a n ds t r o n gc o m p l e t e a b i l i t y t os e a r c hf o ro p t i m i z a t i o no fa d a p t i v e i m m u n eg e n e t i c a l g o r i t h m t h eh a r d w a r eo fc o n t r o l l e r i sm a d eu po ft h e s c l 5 0 0p l ct h a tm a d e b yr o c k w e l l a l l e n b r a d l e y ，m o n i t o r s o f t w a r ei s i m p l e m e n t e db yc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r er s v i e w 3 2t h a tm a d e b yr o c k w e l l ，a n d t h ec o n t r o la l g o r i t h mw a si m p l e m e n t e db yc + + p r o g r a ml a n g u a g ei n u p p e r i n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e r t h ep r a c t i c a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e rh a sa g o o dr e l i a b i l i t y ，a d a p t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s sa n d c a nr e a c h t ot h em a n u f a c t u r et e c h n i c s r e q u i r e m e n t so f v a c u u ma n n e a l k e y w o r d s ：v a c u u m a n n e a lf u r n a c eg e n e t i ca l g o r i t h mn e u r a ln e t w o r k a d a p t i v ei m m u n eg e n e t i ca l g o r i t h m v a r i a b l ea r g u m e n tp i d w o r k p i e c et e m p e r a t u r e c o n t r o l n 兰州理工人学硕t 学位论文第一章绪论 1 1 课题的来源与意义 第一章绪论 本文所讨论的大型高真空退火炉，是中国航天科技集团5 1 0 所在生产 过程中，对工件进行真空退火处理的重要设备，原有设备的温度控制系统 技术较为落后，且经过长时间的运行已经趋于老化，从而导致产品的合格 率不高、功耗较大。为了提高产品的合格率，减小功耗，由兰州理工大学 自动化研究所，对其温度控制系统进行技术改造，以达到提高生产自动化 程度、提高生产效率、产品合格率、及降低能耗的目的。本文针对该课题 中的温度控制系统进行探讨和研究。 真空热处理技术具有无氧化、无脱碳、脱气、脱脂、表面质量好、变 形微小、热处理零件综合力学性能优异、使用寿命长、无污染、无公害、 自动化程度高等一系列优点。因此，四十余年来始终是国际金属热处理技 术发展的热点，在我国近几十年来也得到了迅速发展。 根据美国会属学会热处理学会、美国金属处理研究院、美国能源部工 业技术厅对美国热处理工业2 0 2 0 年发展远景的预测【1 1 ，未来的热处理工业 要有一流的质量，生产率提高到8 0 ，工作环境好，清洁无污染，生产中 采用标准的闭环控制系统，智能系统控制决定产品的性能，综合技术的结 果使工艺时间减少5 0 ，成本降低7 5 。所有这些设想，为真空热处理技 术的发展提供了广阔的舞台和机遇，问时促进了现有的各种先进控制策略 在真空热处理设备控制系统中的应用。 我国真空热处理技术的发展趋势和国际热处理工业的发展趋势同步， 我国热处理行业九五规划和2 0 1 0 年设想提出( 2 1 ，今后我国需要制造大量的 真空热处理设备投入生产运行。有人估计，如果2 0 1 0 年基本上完成以少 氧化、无氧化热处理技术为中心的技术改造，则至少需要5 0 0 0 8 0 0 0 台先 进设备，我国真空热处理技术的发展应当满足工业发展和技术进步的需 求，结合我国国情，应当集中力量发展急需适用的先进真空热处理技术， 这就要求各相关行业对此进行深入的研究，在此，我们结合实际的热处理 设备的特性，将现有的先进控制策略应用于真空热处理设备的控制系统中 去，设计出适合于真空热处理工艺的性能优异的控制系统。同时，本课题 的实施，不仅是对控制理论应用的一种拓展，而且对于实现象真空退火设 备这样复杂的工业过程的综合自动化控制也有着十分重要的意义。另一方 面，工业生产过程的最终目标可能不是直接由过程的物理量表现的，如退 火工件的产品质量并不是直接的过程物理量，而是经过许多过程控制环节 之后得到的结果。这类控制问题已经不能用简单的多变量控制系统理论进 行描述和控制，而是多个控制综合的结果，而且其最终目标与过程中的物 兰州理工大学硕士学位论文 第一章绪论 理量不存在直接的定量数值关系。使得传统的控制理论不能很好的解决该 过程中的实现问题。针对此生产过程的工艺要求和最终优化控制目标的要 求，把智能控制系统的目标与此过程的最佳生产目标相结合，研究可以实 现复杂非线性过程或对象的最终优化目标的智能控制理论和方法，尤其是 生产过程优化的智能控制理论和方法。 综上可知，对于真空热处理炉先进控制技术的应用研究具有十分重要 的现实意义，同时，真空退火是真空热处理的一种，广泛应用于各种行业。 为此，兰州理工大学电信学院自动化研究所，以中国航天科技集团5 1 0 所 的高真空退火炉为研究对象，对真空退火炉的真空机组抽气和测量控制、 炉体加热的控制、温度的测量和控制等几个方面进行了深入地研究，其主 要包括：退火工艺过程和参数的研究及工程实现、退火过程生产综合自动 化等，采用先进的计算机智能控制技术、s c a d a 技术等针对现代工业生 产过程的工艺要求和最终优化控制目标要求，实现适用于工业环境下的智 能控制理论和方法，通过大量深入细致的计算机仿真实验和对现场数据进 行分析，然后将其投入现场使用中去，从而得到较为理想的控制效果。 1 2 退火炉温度控制系统的发展现状 真空退火是随着精密机械制造、 新型热处理方法，特别是近些年来， 退火炉越来越受到人们的重视。 航天、国防等尖端工业而发展起来的 对零件性能、精度要求的提高使真空 国际上从上世纪7 0 年代开始就开始了退火炉计算机控制的研究，近 年来由于计算机技术以及新的控制技术的迅速发展，退火炉的计算机控制 得到了迅速的发展，退火炉的整体控制水平也有了不断的提高。如日本 k a s h i m a 钢厂采用钢温预报，空燃比控制，炉温最优控制；瑞典的d o m n a r v e t 厂采用确定最佳加热曲线和炉温控制等。 国内对退火炉控制系统的研究始于上世纪8 0 年代，随着近年来计算 机技术的飞速发展退火炉的计算机控制达到了空前的应用规模。国内针 对退火炉控制系统的应用主要采用了：先进的控制设备；新的控制理论和 方法，生产过程的现代化管理等新技术。主要表现在：在硬件上广泛应用 工业控制计算机、可编程控制器、数字化仪表等应用方便、运行稳定的先 进产品，以替代早期的继电器及模拟仪表的使用，使系统的运行维护更加 方便；在控制算法的应用上，运用控制理论的新发展对以往的传统p i d 控 制系统进行了多种补充与改进，并且使用了一些现代的控制理论和方法， 如最优控制、自适应控制、自整定p i d 控制等，来增加控制系统的可靠性、 自适应性和鲁棒性；随着工业控制网络技术的发展，除了传统的现场闭环 控制以外，退火炉的生产调度已经开始使用上位机进行管理，以使生产流 程更加合理，增加生产效率。 兰州理工大学硕上学位论文第一章绪论 总之，目前，国内外对退火炉的温度控制系统已经做了一些研究，并 且已取得了很大的进展，针对不同类型的退火炉建立了不同的数学模型 4 】【5 j 并设计了许多相应的控制策略及优化方法【6 1 【7 】【3 1 ，这些研究中大部分 是针对冶金行业用到的连续退火炉、罩式退火炉等作的深入研究。针对真 空退火炉控制系统的研究报道还不多见，国内有关真空退火炉的报道主要 有：浙江大学化机c a d 中心研究开发的钛合金真空退火炉控制系统【9 j ； 武汉工学院开发研究的外热式高真空退火炉及些厂家开发研制的一些 真空退火设备。而针对内热式真空退火炉控制系统的研究还较少，且大多 数控制系统还是针对真空退火炉内的温度为控制目标进行研究和控制的： 本论文采用智能控制理论的相关知识，并以退火工件的温度为目标，来研 究真空退火炉生产过程中模型的建立及其温度的精确控制问题。 1 3 本文所要进行的工作 本课题针对大型高真空退火炉温度控制系统进行了深入的研究，开发 研制出了一套新型的真空退火过程智能控制系统，很好的解决了退火温度 的精确控制问题，同时提高了生产效率、降低了能耗。主要完成的工作包 括：首先，结合退火工艺的特殊要求，对高真空退火炉生产过程中退火炉 内的传热过程进行了分析，并在此基础上建立了以退火工件温度为目标温 度的真空退火炉控制模型；其次，针对生产工艺的要求在所建模型的基础 上，结合已有的控制经验和目前先进的控制方法，设计出适合本文所讨论 的大型高真空退火炉的控制策略，并进行温度控制系统的硬件设计和控制 策略的软件开发；最后，根据实际生产结果进行控制结果的分析比较。 3 兰州理工人学硕i ：学位论文第一二章真空退火炉的结构及其传热过程分析 第二章真空退火炉的结构及其传热过程分析 2 1 真空退火炉简介 2 1 1 退火的工艺与过程 我们通常将组织偏离平衡状态的：金属或合金加热到合适的温度，保持 一定时间，然后缓慢冷却( 一般是随炉温自然冷却) 已达到接近平衡状态 组织的热处理工艺过程称之为退火1 1 0 l i l l 】。 在金属零件加工过程中，金属毛胚的退火工艺是金属加工过程中的一 个关键环节，对金属加工的后续工艺有着重要的影响。对金属进行退火的 目的在于最大限度均匀化学成分、改善机械性能及工艺特性、消除或减少 内应力，并为金属零件的后续工艺操作( 如切削加工、淬火等) 准备合适 的内部组织。 余属退火的工艺种类很多，按加热可分为两大类：一类是在临界温度 ( a “球光体一奥氏体的临界温度或ac 3 铁素体一奥氏体的临界温度) 以上的退火，又称为相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、扩散 退火和球化退火等：另一类是在临界温度以下的退火，包括软化退火、再 结晶退火及去应力退火。常见退火工艺曲线如图2 1 所示。本文讨论的退 火炉主要用于工件的去应力退火，在此，对去应力退火过程做一简单介绍。 ( 。c ) 时间 图2 - 1 常见退火工艺曲线图 4 兰州理【人学坝士学位论文第一二章真空退火炉的结构及其传热过程分析 为了去除由于形变加工、锻造、焊接等所引起的及铸件内存在的残余 应力( 但不弓t 起组织的变化) 而进行的退火称为去应力退火。去应力退火 就是将具有应力的工件加热到内部质点可以移动的温度，利用质点的位移 使应力松弛，从而消除或减弱内部的残余应力。应力松弛的速度在很大程 度上取决于退火的的温度，温度越高，则质点容易移动，松弛速度越快。 退火温度过低，则松弛速度慢，导致退火时间延长，相应退火设备庞大， 投资增加，或者根本无法达到退火的目的。但是，温度过高，松弛速度虽 快，工件受其自重或来自堆积在上面的制品压力的影响，会产生变形，从 而导致废品；因此，一个合适的退火温度范围，是工件获得良好退火质量 的保证。实际中由于材料成分、加工方法、内应力大小及分布的不同，以 及去除程度的不同，去应力退火的加热温度范围很宽，应根据具体情况而 定。例如中碳结构钢为避免调质时的淬火变形需在切削前加工或最终热处 理前进行5 0 0 6 0 0 的去应力退火；如对切削加工量大，形状复杂而要求 严格的道具、模具等，在粗加工及半精加工之间的淬火之前，常进行 6 0 0 7 0 0 、2 - 4 小时的去应力退火。但是去应力退火后，均应缓慢冷卸， 以避免产生新的应力。 由退火的原理可知，得到一个残余应力在允许范围内的金属制品，就 需要有一个合理的退火制度。这是一个既能使应力消除又不使应力再产生 的过程。通常，去应力退火可以分为以下几个阶段： 1 加热阶段：将己冷却的有应力的金属工件加热到退火温度； 2 保温阶段：将金属工件保持在高退火温度附近，有利于金属内部质点 的移动，并使制品的整体温度均匀，从而消除应力。 3 冷却阶段：冷却阶段金属工件达到保温时间后，缓慢自然冷却的过 程。 2 1 2 真空退火炉的组成结构 真空退火炉的结构一般分为外热式和内热式两种，本文讨论的控制对 象是内热式真空退火炉，其主要特点如下： 1 ) 不采用耐热炉罐，退火温度范围广，最高积热温度可达2 2 0 0 或 更高； 2 ) 结构较为复杂，炉子造价高，但易于实现全程的自动化，工作中 无污染，环境好，操作安全； 3 ) 炉内热惯性小，加热和冷却工序循环短，热效率较高，生产率也 较高； 4 ) 炉温均匀性好，工件加热均匀，变形微小，产品质量好； 5 ) 加热期间不需要保护气氛，除非为防止金属挥发或在低温区提高 加热速度和炉温均匀性通入的惰性气体。 5 兰州理t 大学硕上学位论文第二章真空退火炉的结构及j 传热过程分析 本文讨论的高真空退火炉结构示意图如图2 2 所示，整个退火炉由加 热系统、抽真空系统和水冷系统组成。，加热系统由分别安装在退火炉顶部、 侧部和底部的总功率为3 1 0 k w 的三组钼加热丝构成；抽真空系统由四台 用于一级预抽的机械泵( 此级将炉内的真空度抽至1 0 3 p a 左右，以达到启 动罗茨泵的真空度要求) 、两台二级预抽的罗茨泵( 此级将炉内真空度抽 至1 0 p a 左右，以达到启动油扩散泵的真空度要求) 和两台油扩散泵( 此 级将炉内真空度抽到并维持在1 0 l o 。3 p a ，以达到高真空退火的工艺要 求) 分别组成两套抽真空系统( 图2 - 2 中各级真空泵分别只画了其中的一 台) ；水冷系统由环绕在炉体外部的循环水管道组成。 9 图2 2 真空退火炉结构示意图 l 一炉盖2 一冷却水管3 一工件4 一电热元件5 一隔热屏 6 一炉体7 一机械泵8 罗茨泵9 一旁路阕l o 一真空阀1 l 一油扩散泵 2 1 3 真空退火工艺对控制系统的要求 本文讨论的高真空退火炉主要用二f 去应力退火，其退火曲线为图2 一l 中的去应力退火曲线，其主要生产过程为： 1 ) 工件装炉并检查炉体的密封状况； 2 ) 启动抽真空系统，抽真空过程为：首先启动机械泵抽真空到1 0 3p a 左右，再启动罗茨泵抽真空至l o p a 左右，最后启动油扩散泵抽真空至1 0 1 6 兰州理工大学硕十学位论文笫一苹真空退火炉的结构及其传热过程分析 一l o 。p a ，并在整个生产过程中，使退火炉内的真空度保持在1 0 一1 0 。p a 范围； 3 ) 启动水循环系统； 4 ) 启动加热系统，按生产工艺曲线对工件进行加热、保温； 5 ) 根据工艺要求，保温时间到关闭加热系统，自然冷却到出炉温度： 6 ) 关闭抽真空系统，充气工件出炉。 根据生产工艺和技术要求，控制系统要实现以下功能： 1 ) 要求对突然停水、停电和真空度遭到破坏后的保护； 2 ) 对各级真空泵工作状况、炉内真空度和炉内各加热温区和工件温 度的数据采集； 3 ) 记录各热工量的实时趋势和历史趋势，实现系统报警，打印等功能： 4 ) 生产工艺流程动态显示，设备故障报警显示等功能； 5 ) 加热过程中电流由小到大，逐渐达到工艺要求； 6 ) 温度控制范围：2 0 1 0 0 0 ； 7 ) 工件温度控制精度：土2 5 ； 8 ) 有效加热区温度不均匀度：5 ； 9 ) 冷却过程为自然冷却。 2 2 真空退火过程的传热过程分析 2 2 1 热传递的基本方式及其特性分析 在进行高真空退火炉炉内热传递过程分析以前，首先对热传递的方式 做一个简单的介绍，以加深对真空退火炉内传热过程的理解。 热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。根据热力 学定律，热量总是自动的从高温物体传递给温度较低的物体，热传递的方 式有：传导、辐射和对流三种【1 2 1 1 13 1 。下面对这三种传热方式进行简单的介 绍。 一、热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之 接触的温度较低的另一物体的过程称之为热传导，简称导热。 物体的热传导过程可以由傅立叶定律描述如下： d q = 一五刎兰 ( 2 一1 ) 一 锄 式中：q ：单位时间内传导的热量，g ； a ：导热面积，即垂直于热流方向的截面积，吖； 五：导热系数，w m k 或w 坍o c ： t ：温度场，置或o c ； n ：温度场的梯度。 7 兰州理工大学坝 j 学位论文第一：章真空退火炉的结构及始传热过程分析 式中负号表示热流方向与温度梯度的方向相反，导热系数表示物质的 导热能力，是物质的物理性质之一，其数值和物质的组成、结构、密度、 压力和温度有关，可用实验方法求得。 二、对流 对流是指流体间个部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，因 此对流只能发生在流体中。 对流传热是一复杂的过程，包括通过层流底层的热传导以及层流瓦哦 流体个部分之间发生相对位移所引起的热量传递，因此影响对流传热的因 素很多，由于过程复杂，严格计算相当困难，目前对流传热过程常由牛顿 冷却公式描述如下： d q = h ( t f 、洲 ( 2 2 ) 式中：p ：单位时间内传导的热量，w ； a ：导热面积，即垂直于热流方向的截面积，m 2 ； h ：总传热系数，矿m k 或聊。c ： t t ：热冷流体的温差，足或o c 。 分析对流过程的关键问题是总传热系数h 的确定，确定h 的基本方法 有4 个：分析法、类比法、数值法及实验法”1 。具体的确定方法以超出本 文的论述范围，在此不再讲述。 三、辐射 辐射是一种以电磁波传播能量的现象。物体会因各种原因发出辐射能， 其中因热而发出的辐射能的过程成为热辐射。物体在放热时，热能转变成 为辐射能，以电磁波的形式发射而在空间传播，当遇到另一物体时，则部 分的活全部的被吸收又重新转变为热能。因此辐射不仅是能量的转移，而 且伴有能量形式的转化，这是热辐射区别于热传导和对流的主要特点之 一。此外，辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质做媒介。 由辐射的定义可知，辐射是靠物体发出辐射能来进行热交换的，辐射 能是一种电磁波，和可见光一样具有反射、折射、和吸收的特性，根据物 体吸收辐射能的多少将物体分为黑体、灰体和透体。黑体是能够完全吸收 辐射能的物体，透体是能够完全透过辐射能的物体，灰体即是介于两者之 间的未提。黑体发出的发射能力可以由斯蒂芬一波尔茨曼定律描述如下： 下 e o = o o t 4 = c o ( 孟) 4 ( 2 3 ) 式中：晶：黑体的发射能力，w m 2 盯。：斯蒂芬一波尔茨曼常数，其值为5 6 6 9 1 0 。8 w m 2 k 4 ； 兰州理工大学硕 学位论文第二章真空退火炉的结构及其传热过程分析 g ：黑体的发射系数，c f ) = o 0 1 0 8 = 5 6 6 9 w m 2 k 4 灰体的发射能力可由下式描述： 肚c ( 斋4 = 战2 瞩( 志) 4 式中：e ：灰体的发射能力，w m 2 ； c ：灰体发射系数，c = 以； f ：物体的发射率。 因此，两物体间的辐射传热过程可以描述如下： q l ，c l - 2 爿一【而l i ) 4 一( 蒜) 4 】( 2 - 5 ) 式中：g 一：物体1 辐射给物体2 的热量，缈； g 总发射系数，m 2 k 4 ； a ，：物体的辐射面积，r ； z 、正：分别为物体l 、2 的温度，k 。 2 2 2 真空退火生产过程中传热分析 由真空退火炉的结构、工艺要求及生产过程可知，在整个生产过程中 炉内的真空度保持在l o 1 0 3 p a ，在如此高真空条件下，炉内的加热元件 主要通过热辐射向工件传热，工件吸收的有效热量通过热传导的方式在工 件内部由高温部分传导给低温部分从而使工件受热均匀，同时加热元件产 生的热量筒过热传导通过炉壁传递到外界，在整个生产过程中，真空抽气 系统一直保持工作状态，以使由外界泄露到炉内的空气与真空抽气系统抽 出的空气达到动态平衡，从而保证热处理炉内的真空度一直保持在工艺要 求的范围内，因而炉内还存在微弱的气体流动，因而在炉内还存在着微弱 的对流传热过程。综上分析，真空退火炉在整个工作过程中三种传热方式 在炉内同时存在，因此，真空退火炉的传热过程是一个较为复杂的过程， 炉内具体热传递关系如下所述： 1 ) 根据传热及退火炉的结构对退火炉的传热过程写出如下的热平衡 方程： q 总= q 有效+ q 掼失+ q w ( 2 - 6 式中：q 总：加热器发出的总的热量，k j ； o 有效：有效的热消耗，即加热工件及夹具所消耗的热量，k j ； q 损失：无功热损耗，k j ； 兰州理工人学硕士学位论立第二章真空退火炉的结构及其传热过程分析 q 蓄：加热过程中退火炉结构蓄热消耗的热量，k j 。 2 ) 加热器发出的总热量的计算 为了使工件受热均匀，分别在真空退火炉的底部、侧部和顶部安装了 电加热丝，因此，真空退火炉的总加热功率为这三组加热丝放出的总热量 之和，即 q 总= q 底+ q 侧+ q 项 q 底：底部加热丝放出的热量，k j q 侧：侧部加热丝放出的热量，k j ( 2 7 ) q 琢：顶部加热丝放出的热量，k j 。 3 ) 无功热损耗的计算： 真空退火炉的无功热损耗主要有三部分组成：1 通过隔热层传给外炉 壁的热损失q 。；2 热短路造成的损失q ：；3 其它热损失q ，。因此总的无 功热损失如下式表示： q 损失= q 1 + q 2 + q 3 ( 2 - 8 ) 下面分剐讨论各部分热损失的计算： ( 1 通过隔热层传给外炉壁的热损失q 1 这部分热量包含通过炉体侧部、底部及顶部损失的热量，根据真空退 火的隔热层的结构，热量采用不同的热传递方式向外部传出。真空退火炉 的隔热层一般有四种结构形式让1 ：全金属隔热层，夹层式隔热层，石墨毡 隔热层和混合毡隔热层。对于全金属隔热层热量以热辐射的方式损失，对 于其它形式的隔熟层，热量以传导的方式传出。本文讨论的真空退火炉的 隔热层采用的是混合毡隔热层结构，因此这部分热量以传导的方式损失， 下面分别对真空退火炉的侧部、底部和顶部写出其传热方程。 真空退火炉的炉体是一圆筒形的，同时由于组成混合毡的各部分材料 的导热率较小，且隔热层的厚度较薄，因此，真空退火炉的侧部通过热传 导损失的热量可以按单层圆筒壁进行计算。根据传热学理论有下式成立： q l 鲥：2 7 r , k ( 下t , 一- t o ) ( 2 9 ) l n 尘 d l 式中：q ，侧：通过退火炉侧部传出的热量，k j ； 五：隔热层材料的导热率，k l m 。c ； 兰州理工人学硕士学位论文第二章真卒退火炉的结构及其传热过程分析 l ：退火炉的深度，m ； t f 、t 0 ：隔热层内外壁的温度，o c d 、d ，：隔热层内外壁的直径，m 。 同理，真空退火炉的顶部和底部的热传导损失可以按单层平壁进行计 算，根据热传导理论有下式： q 佩底= 土产 ( 2 - 1 0 ) 殛 式中：d ：退火炉顶部、侧部的厚度，m ； f ：退货炉顶部、僦部的5 产均面积，r n 2 。 ( 2 ) 热短路损失q ， 该项热损失包括隔热层支撑件与炉壁联接传热损失，炉床或工件支撑 架短路传导损失，以及其它热短路损失等。这部分损失很难精确计算，一 般取为q 的( 5 - t 0 ) 左右”1 ，即： q 2 = ( 5 1 0 ) q 1 ( 2 - 1 1 ) ( 3 ) 其它热损失q ， 其它热损失主要包括热电偶导出装置、真空管路、观察孔等的热损失。 这部分热损失也很难精确计算，一般取为q 的( 3 5 ) 左右“3 ，即： q 3 = ( 3 5 ) q 。 ( 2 1 2 ) 4 ) 加热过程中退火炉结构蓄热消耗热量的计算 退火炉结构蓄热消耗是指隔热层、炉壳内壁等热消耗之和，用下式求 出： q 薷= g c 。詈 ( 2 - 1 3 ) 式中：g ：结构件质量，k g ； c 。：结构件材料的平均比热容，k j k g 。c ； _ d t ：结构件温度随时间的变化率，。c s d t 5 ) 有效热消耗热量与工件及其夹具温度变化的计算 这部分热量由退火工件和支撑工件的夹具吸收，最终以其温度变化的 形式表现出来，其温度的变化也即是本文讨论的真空退火炉温度控制问题 的最终控制目标，由传热理论温度的变化与这部分热量的关系如下式描 述： q 自教= q 【+ q 夹 ( 2 1 4 ) q r = m g c 。罢 ( 2 一1 5 ) 兰州埋t 人学倾 学位论文 第一二章真空退火炉的结构及其传热过程分析 q * = m j g j 百d t ( 2 一1 6 ) 式中：q 。、q 夹：分别为工件和夹具吸收的热量，k j ； m g 、m j ：分别为工件和夹具的质量，k g ； c g 、c ，：分别为工件和夹具的比热容，k j k g 。c 。 本章主要对退火的原理，工艺进行了一个简单的介绍，并对本文所要 讨论的高真空退火炉的结构、生产工艺要求，及真空退火炉内的热传递方 式进行了介绍，并对真空退火炉内的传热关系进行了详细的分析，为我们 进一步认识控制对象的特性及建立相应的控制模型，选取合适的控制策略 做一个基础。 兰州理【大学碗上学位论文 第二章真空退火炉的结构及其传热过程分析 第三章真空退火炉的建模与优化 3 1 基于遗传算法优化辨识参数的数学模型【1 5 1 3 1 1 真空退火炉动态模型的推导 通过上一章的分析，我们可以清楚地认识到退火炉工作过程中，炉内 的热传递过程和炉内的热平衡关系，下面我们首先根据真空退火炉内的热 平衡关系推导出真空退火炉的动态模型表达式。 本文讨论的真空退火炉在生产过程中，依靠控制分别安装在退火炉侧 部、顶部和底部的三组电加热丝的输入电流来改变退火炉的输入能量，从 而达到控制退火工件温度的目的，本节的主要目的是找出这三组输入电流 与工件温度之间的关系。 总热量q 。由这三组电加热丝产生，对于每组电加热丝，输入输出关系 可以由下式给出： q ，= n f “( 女一j ) + b j s ( k - 1 ) ( 3 - 1 ) j = o i = 1 则三组电炉丝的总热量为： 3” q 总= 【日f 坼( 七一，) + ( 七一，) 】 ( 3 - 2 ) i = 1 j = 0 l = 1 式中：a 。、b a ：待定系数； “( 七) ：k 时刻输入量； t t ：电加热丝的温度： i = l 、2 、3 ：分别表示退火炉的侧部、顶部和底部。 重写式( 2 - 9 ) 和式( 2 - 1 0 ) ： = 半产= 二t , - 忑t 。i n= 等o i n ! w d l 2 n d l d 1 q 呱底= 警= 等 ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 这里，r 侧= 上2 ：i z = a l l n 鲁、r 顶、底= 而d ，这是类似于电路分析中电阻的 概念引入的一个称之为热阻的参数，根据2 1 1 节中的论述我们知道导热 兰州理工大学硕l 学位论文第二章真字退火炉的结构及其传热过程分析 率z 是随着温度变化而变化的一个物理量，因此，热阻r 在退火炉生严过 程中也随着温度的变化而变化，是一个时变得参量，其数值可以通过参数 辨识的方法在线得到。 我们可以将式( 3 - 3 ) 、( 3 - 4 ) 统一写成如下形式： q 一警= 罟一詈- k 1 小k s ， 式中：“- - 2 玄；“z - = 一i i o ，这里，1 = 1 、2 、3 分别表示真空退火炉的侧 部、顶部和底部，由于u 值在生产过程中是随着温度的变化而变化的，因 此k 值在生产过程中也是在不断的变化的。 这里，我们假设真空退火炉结构件的温度变化与各加热温区温度的变 化相同，将式( 2 一1 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 - 1 3 ) 、( 2 - 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 、( 3 - 2 ) 、( 3 - 5 ) 分别离散化后代入式( 2 - 7 ) 并经过化简可得： 丁( 尼) 。一t ( k 1 ) + 髓“贞( p + + 日i 瓢蹦璜( 七一7 聩) + 悄o “侧( 七) + - 巧赫“侧( 七一门侧) + 戚o “峨( 七) + 。刃鼢e u j e ( k 一以底) + 叩顶0 0 ( 七) + 叩顶。0 ( 七一m r s ) + 7 7 侧o ( ) + 叩侧。* ( 七一m 侧) + ，7 庭。丁飚( 后) 十。叩底。丁爵( 七一珊底) + k ( 3 - 6 ) 舯：砜2 面赫； = 瓦- 1 忑1 2 k 丽, i - g c l ； 碾= 瓦b 百n - 再g c 再, “； 玑2 瓦i o 而i l 而1 1 ) ； k = 一1 1 2 ( k 2 倒+ k 2 璜+ k 2 雇) 。 上式中各个口、玑k 为待定参数，由上述讨论可知，其值在生产过 程中随着退火炉内的温度的变化而变化的，很难给出一个精确的定值，这 里通过遗传算法进行寻优得到。 3 1 2 遗传算法寻优的基本过程【1 6 1 1 7 】1 1 8 】 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h i i r g a ) 由美国的j o h nh o l l a n d 教授首 先提出来的，是基于自然选择和基因遗传学原理的搜索算法。将“适者生 存”这一基本的达尔文进化理论引入结构串，在串之间进行有组织的但又 随机的信息交换。在遗传算法运行的过程中，性能较差的个体被淘汰掉， 1 4 兰州埋工大学硕，l 学位论文第二章真空退火炉的结构及其传热过程分析 性能优良的个体被保留，从而不断的产生更佳的个体，从而使整个种群不 断的进化向前发展，最终得到最优解。遗传算法比着其他寻优算法有以下 有点： 1 ) 遗传算法是从多个初始值开始的，因而可以有效地防止寻优结果 收敛于局部最优解，并且有较大的可能求得全部的最优解； 2 ) 遗传算法的寻优终止条件是通过寻优目标函数计算出的适应度函 数值，而不是寻优函数本身的推导和附加信息，因此，遗传算法对寻优问 题本身的依赖性较小； 3 ) 遗传算法在解空间内不是盲目地穷举或完全随机测试，而是用一 种启发式的搜索，其搜索效率往往优于其他的寻优方法； 4 ) 遗传算法对于待寻优的函数没有必须是连续的这一限制，既可以 是数学解析的表达式，又可以是映射矩阵甚至可以是神经网络等隐函数； 5 ) 遗传算法具有并行计算的特点，因而可通过大规模并行计算来提 高计算速度。 一般遗传算法包括选择、交叉和变异三种基本操作： 1 ) 选择操作 选择操作又称为复制操作，主要模拟生物界优胜劣汰的自然选择现象。 本操作主要是从旧种群中选择出适应性强的个体为下一步进行交叉和变 异操作产生新种群做准备。一般适应度函数值越高的个体被选中的可能性 就越大。进行选择操作有多种方法，如随机数法、确定性选择法、排序法、 赌轮法等，使用比较普遍的一种是赌轮法。 赌轮法的基本思想是：把种群中所有个体适应度函数值的总和看作一 个赌轮的圆周，每个个体按其适应度函数值在总和中所占比例，占据轮子 的一个扇区。个体的选择可以看作是赌轮的一次随机转动，转到哪个扇区 停下来，那个扇区对应的个体就被选中，每个扇区被选中的概率为： p ，、，、 e = ：饕 ( 3 - 7 ) 。乞f ( x i ) 式中：只：选择概率： f ( x ) ：第i 个个体的适应度函数值。 赌轮法的基本步骤如下： ( 1 ) 计算每个个体的适应度值f ( x ；) 。 ( 2 ) 累加所有各体的适应度函数值，得最终累加值$ u l t i = 罗f ( x 。) ，并记 录对于每个个体的中间累加值s m i d ； ( 3 ) 产生一个随机数n ，0 n n 的第一个个体进入交换集： ( 5 ) 重复( 3 ) 、( 4 ) 直到交换集中包含足够多的个体为止。 兰州理工大学硕士学位论文第一二章真宅退火炉的结构及其传热过程分析 显然，此法要求个体的适应度函数值应为正值。 2 ) 交叉操作 选择操作虽然能够从旧种群中选择出优秀者，但不能创造出新的个 体，因此，遗传算法中引入了交叉操作，此操作模拟了进化过程中的繁殖 现象。交叉操作可以分为两个步骤：第一步是将复制产生的种群的个体随 机两两匹配，第二步是对匹配好的个体组进行交叉操作。交叉即在种群中 任选两个个体，随即选择一点或多点交换点位置，交换个体的交换点右边 的部分以得到两个新的个体。例如，在某个种群中取出的一对个体为： 个体a1 0 1 1 0 0 lo l1 0 1 个体b0 1 1 l o ll0 0 1 1 0 设随机产生一交换点在第六位，则交换个体a 和个体b 中第六位以后的 部分则得到下一代的两个新个体a 、b ： 个体a 1 0 1 1 0 0 0 0 l1 0 个体b 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 l 3 ) 变异操作 变异操作用来模拟进化过程中由于各种偶然因素引起的基因突变。变 异操作主要是以很小的概率 随机的改变个体的某一位的 值，对于二进制编码即将随机 选取的位将o 变成1 ，将1 变 成o 。变异操作的概率通常是 很小的，一般只有千分之几。 引入变异操作的目的是为了 防止丢失一些有用的遗传基 因，如果没有变异操作，则寻 优无法在初始基因组合范围 以外的空间进行寻优搜索，使 得寻优过程过早的就陷入局 部的最优解而终止寻优过程， 从而，使得寻优结果的质量受 到很大的影响。 在运用遗传算法进行寻 优时，首先要针对要寻优的问 题进行一系列的初始化工作， 主要包括种群的编码，寻优解 空间的确定，遗传算法的基本 操作方法的选择，变异概率的 确定等，遗传算法寻优过程如图3 图3 一l 遗传算法寻优过程图 1 所示。 兰州理t 大学硕上学位论文第二章真空退火炉的结构及其传热过程分析 3 1 3 遗传算法优化动态模型中的参数 在3 1 2 节中，我们对遗传算法进行了简单的介绍，我们知道，遗传 算法是模拟自然界生物进化过程的计算模型。它依据适者生存、优胜劣汰 的进化规则，在包含可能解的种群中反复进行遗传操作，不断生成新的种 群，同时以全局并行搜索方式来搜索最优个体，以求得满足要求的最优解， 这里，我们利用遗传算法来对( 3 - 6 ) 式所示模型中的盯、r 、k 参数进行 优化。遗传算法主要有编码、解码、复制、交叉和变异等过程，同时为了 避免算法早熟，引入大规模变异操作。参数的具体寻优过程如下所述： ( 1 ) 算法的初始化过程：这里二e 要用于寻优的参数是数学模型中的 各个万、r 、k 值，( 3 - 6 ) 式中的、m 顶、m 底的值由经 验进行确定，这里经过多次对真空退火炉的仿真实验及测试选定 2 2 2 3 ，m 顶= m 侧2 m 底2 2 。各个万的寻优范围都选为 一1 2 ，1 2 ，各 个聍的范围都选为 一1 9 ，1 9 j ，k 的范围选为 一l ，1 。 ( 2 ) 种群的初始化与编码，种群的初始亿是对种群中的个体根据编码 方式进行随机赋值的过程，这里采用二进制编码方式，每个待寻优的参数 用一个二进制串表示，将每一个参数的码串连起来即为种群中的一个个 体，每个参数数码串的长度决定了寻优的精度，数码串较长则精度较高， 但势必会增加寻优时间，这里寻优精度为0 0 0 1 ，因此，二进制数串的长 度定位1 0 ，即每个寻优参数由1 0 位二进制数组成。为了得到一个较好的 初始种群，先初始化一个较小的种群然后将这个种群中适应度函数值最大 的个体作为种群中的一个个体，如此重复直至达到期望的种群规模。种群 的规模越大，其代表性越广泛，得到最优解的可能性越大，但势必造成计 算时间的增加，一般种群的规模为2 0 到1 0 0 个，这里我们将群体