Vestnik of Samara State Technical University. Technical Sciences SeriesVestnik of Samara State Technical University. Technical Sciences SeriesВестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки»1991-85422712-8938Samara State Technical University7921210.14498/tech.2021.9Electrical EngineeringЭлектротехникаResearch ArticleProgram complex for optimization of surface hardening of steel billetsПрограммный комплекс для оптимизации процесса поверхностной закалки стальных заготовокPopovAnton V.ПоповАнтон Валерьевич
Russian Federation

researcher

младший научный сотрудник НИС кафедры «Управление и системный анализ теплоэнергетических и социотехнических комплексов»

vest_teh@samgtu.ruPleshivtsevaYulia E.ПлешивцеваЮлия Эдгаровна
Russian Federation

Professor

д.т.н., проф., профессор кафедры «Управление и системный анализ теплоэнергетических и социотехнических комплексов»

vest_teh@samgtu.ruSamara State Technical UniversityСамарский государственный технический университет300820212921291442608202126082021Copyright ©; 2021, Popov A.V., Pleshivtseva Y.E.Copyright ©; 2021, Попов А.В., Плешивцева Ю.Э.2021Popov A.V., Pleshivtseva Y.E.Попов А.В., Плешивцева Ю.Э.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/1991-8542/article/view/79212

The aim of the paper is to develop program complex in software MATLAB with integrated numerical 2D nonlinear FLUX model, which is used for solving optimal inductor design and control problems for heating stage of surface induction hardening. Considered program complex is based on alternance method, that allows to write systems of transcendental equations, closed with respect to all unknown design and control parameters of the process. The suggestion for implementation of obtained optimal control algorithm is presented.

Формулируются задачи оптимального проектирования и управления режимами работы индукционного нагревателя, реализующего стадию нагрева процесса поверхностной индукционной закалки, для решения которых в ПО MATLAB разработан проблемно-ориентированный программный комплекс. Основой комплекса является оптимизационная процедура, базирующаяся на использовании альтернансного метода параметрической оптимизации, который позволяет записать системы трансцендентных уравнений, замкнутых относительно всех неизвестных конструктивных характеристик и параметров алгоритмов управления. В оптимизационную процедуру интегрирована нелинейная двумерная численная модель процесса индукционного нагрева, разработанная в программном пакете Altair FLUX. Предложен вариант технической реализации найденного в ходе решения задачи оптимального быстродействия алгоритма управления с учетом ограничения на максимальную температуру обрабатываемой заготовки.

surface hardeninginduction heatingoptimal designtime-optimal controlprogram complexalternance methodnumerical modelelectromagnetic and thermal fieldsFLUXповерхностная закалкаиндукционный нагревоптимальное проектированиеоптимальное по быстродействию управлениепрограммный комплексальтернансный методчисленная модельэлектромагнитные и тепловые поляFLUXRussian Foundation for Basic Research, projects No. 20-08-00240, No. 19-08-00232РФФИ, проекты №19-08-00232 и №20-08-00240Rapoport E.Ya. Optimalnoe upravleniye sistemami s raspredelennimi parameterami [Optimal control of systems with distributed parameters]. Moscow: Visshaya shkola, 2009. 678 p.Рапопорт Э.Я. Оптимальное управление системами с распределенными параметрами. – М.: Высшая школа, 2009. – 678 c.Rudnev V.I. et al. Handbook of Induction Heating. New York, Basel: Marcel Dekker Inc., 2003. 797 p.Blanter M.E. Metallovedenie i ternicheskaya obrabotka [Metal science and heat treatment]. Moscow: Mashgiz, 1963. 416 р.Блантер М.Е. Металловедение и термическая обработка. – М.: Машгиз, 1963. – 416 с.Lakhtin Yu.M. Mettalovedenie i termicheskaya obrabotka metallov [Metal science and heat treatment of metals]. Moscow: Metallurgiya, 1983. 360 р.Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1983. – 360 с.Pleshivtseva Yu.E., Popov A.V., Popova M.A., Derevyanov M.Yu. Optimalnoye proektirovaniye induktora dlya poverkhnostnoi zakalki tsilindricheskikh zagotovok na osnove chislennoi dvumernoi modeli [Optimal inductor design for surface hardening of cylindrical billets] // Bulletin of Astrakhan State Technical Unversity. Series “Control, computer engineering, informatics”. Astrakhan, 2019. No. 1. Рр. 40–50.Плешивцева Ю.Э., Попов А.В., Попова М.А., Деревянов М.Ю. Оптимальное проектирование индуктора для поверхностной закалки цилиндрических заготовок на основе численной двумерной модели // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. – 2019. – № 1. – С. 40–50.Popov A.V. Optimization of Heating Stage for Induction Hardening of Cylindrical Billets // 2019 XXI International Conference Complex Systems: Control and Modeling Problems (CSCMP). Samara, 2019. Рр. 237–241.Popov А. Optimization of Heating Stage for Induction Hardening of Cylindrical Billets // 2019 XXI International Conference Complex Systems: Control and Modeling Problems (CSCMP). Samara, 2019. Pp. 237–241.Rapoport E.Ya., Pleshivtseva Yu.E. Optimalnoe upravleniye temperaturnimi rezhimami induktsionnogo nagreva [Optimal control of induction heating processes]. Мoscow: Nauka, 2012. 309 p.Рапопорт Э.Я., Плешивцева Ю.Э. Оптимальное управление температурными режимами индукционного нагрева. – М.: Наука, 2012. – 309 c.Popov A.V. Optimalnoe proektirovaniye i upravlenie rezhimami induktsionnogo nagreva v protsesse poverkhnostnoy zakalki. Avtoref. kand. diss. [Optimal design and control of induction heating for surface hardening process. Cand. diss. abstract]. Samara, 2020. 24 р.Попов А.В. Оптимальное проектирование и управление режимами индукционного нагрева в процессе поверхностной закалки: Автореф. дисс. … канд. техн. наук. – Самара, 2020. – 24 с.Popov A.V., Diakonov A.I. Optimalnoe po bistrodeystviyu upravlenie protsessom periodicheskogo induktsionnogo nagreva s uchetom ogranicheniya na maksimalnuyu temperaturu [Time-optimal control of batch induction heating process with respect to maximum temperature restriction] // Bulletin of Samara State Technical University. Technical Sciences Series. 2015. No. 3(47). Рр. 56–68.Попов А.В., Дьяконов А.И. Оптимальное по быстродействию управление процессом периодического индукционного нагрева с учетом ограничения на максимальную температуру // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. – 2015. – № 3(47). – С. 56–68.Rapoport E.Ya. Optimizatsiya protsessov induktsionnogo nagreva metalla [Optimization of induction heating processes]. Moscow: Metallurgiya, 1993. 279 p.Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. – М.: Металлургия, 1993. – 279 c.Rapoport E.Ya. Alternansniy metod v prikladnikh zadachakh optimizatsii [Alternance method in applied optimization problems]. Moscow: Nauka, 2000. 336 p.Рапопорт Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации. – М.: Наука, 2000. – 336 c.Flux [electronic source]: www.altair.com/flux/ (accessed 01.09.2020).Flux [Электронный ресурс]: сайт программного продукта FLUX. URL: www.altair.com/flux/ (дата обращения 01.05.2021).Pleshivtseva Yu., Rogachev G., Popov A. MATLAB-FLUX Coupling for numerical modeling in education // SHS Web of Conferences 29,02033 (2016).MATLAB Documentation [electronic source]. URL: https://www.mathworks.com/help/matlab/ (accessed 04.05.2021).MATLAB Documentation [Электронный ресурс]: сайт документации MATAB. URL: https://www.mathworks.com/help/matlab/ (дата обращения 04.05.2021).Marochnik staley i splavov 2-e izdaniye [Grade guide of steels and alloys. Second edition] / A.S. Zubchenko, M.M. Koloskov, Yu.V. Kashirskiy et al. – Moscow: Mashinostroyeniye, 2003. 784 p.Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общ. ред. А.С. Зубченко. – М.: Машиностроение, 2003. – 784 с.Codesys [electronic source]. URL: https://www.codesys.com/ (accessed 03.05.2021).Codesys [Электронный ресурс]. URL: https://www.codesys.com/ (дата обращения 03.05.2021).Owen PLC [electronic source]. URL: https://owen.ru/product/plk100_150_154/ (accessed 04.05.2021).ОВЕН ПЛК [Электронный ресурс]. URL: https://owen.ru/product/plk100_150_154/ (дата обращения 04.05.2021).Owen operator panels [electronic source]. URL: https://www.owen.ru/product/sp3xx/ (accessed 04.05.2021).ОВЕН панели оператора [Электронный ресурс]. URL: https://www.owen.ru/product/sp3xx/ (дата обращения 04.05.2021).