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文檔簡介
1、微波作為一類新型能量載體已經(jīng)在食品、化工、冶金及材料等眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價值。相比于傳統(tǒng)的加熱過程,微波能夠容易地穿透大部分介電媒質(zhì),在與媒質(zhì)相互作用的同時直接生成體積熱,具有卓越的節(jié)能、省時和環(huán)保特性。隨著節(jié)能減排的全球化理念深入人心,微波能技術(shù)已經(jīng)吸引越來越多科學家、工程師的重視,并作為一種新型熱工手段,對各類涉及熱處理行業(yè)的技術(shù)改造與設(shè)備更新造成了極大地沖擊。
但由于對微波與媒質(zhì)相互作用的機理不夠熟悉,常導致在不匹
2、配的微波輻射下,被加熱媒質(zhì)會出現(xiàn)受熱不均。若缺乏有效的調(diào)控策略,局部過熱現(xiàn)象將會進一步加劇,并有可能引發(fā)燃燒、爆炸等熱失控(thermal runaway)現(xiàn)象,進而毀壞磁控管、傳輸線以及被加熱媒質(zhì),無法保證微波源安全、高效及可靠的應(yīng)用。而解決上述問題的有效措施之一則是在深入分析微波加熱動態(tài)過程的基礎(chǔ)上,輔以不同區(qū)域的檢測信息,設(shè)計合理的功率調(diào)節(jié)策略,以實現(xiàn)期望的全局/局部溫升曲線。
本論文在973計劃子課題“基于負載特性的微
3、波源實時智能控制理論與關(guān)鍵技術(shù)”支持下,主要圍繞微波加熱過程中“建模”及“控制”兩大關(guān)鍵性問題展開研究,探尋多物理場自身演化機理與相互耦合規(guī)律,構(gòu)建具有明確耗散功率的微波加熱溫度模型,改進譜迦遼金法,提出有限維微波加熱ODE溫度模型及其耦合算法并設(shè)計輸入受限的滾動時域魯棒溫度譜/溫度跟蹤控制策略,以實現(xiàn)微波加熱過程中熱失控的抑制,其主要研究工作及相關(guān)成果包括如下幾個方面:
?、籴槍ξ⒉訜峤殡娒劫|(zhì)的耦合原理,將微波加熱溫度模型劃
4、分為電磁場及熱動力學場子模型兩大部分,并運用數(shù)學語言分別對多物理場自身演化與相互耦合機理進行刻畫。其中,媒質(zhì)內(nèi)部熱傳導、邊界熱對流以及能量轉(zhuǎn)化的過程利用一類具有非齊次項的拋物線型偏微分方程(PDE)模型進行表征。而“熱-電磁”時空耦合過程需要在深入分析電磁傳播機理的基礎(chǔ)上,分別針對介電常數(shù)不隨/隨溫度變化情形,將傳統(tǒng)的主模分析法和空間離散法進行推廣,構(gòu)建出具有明確耗散功率的微波加熱溫度模型。
②空間微分算子無限維特征和非齊次N
5、eumann邊界條件的約束導致難以基于機理模型設(shè)計控制器。針對這一障礙,論文首先從理論上分析非齊次Neumann邊界條件的穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)特征,推導出具有齊次Neumann邊界條件的等價PDE模型。并以此為基礎(chǔ),利用特征譜分解與迦遼金截斷的特性,提出適合于控制設(shè)計的有限維微波加熱常微分方程(ODE)近似溫度模型。并圍繞微波加熱德拜媒質(zhì)數(shù)值仿真中多物理場子模型間網(wǎng)格化與非網(wǎng)格化的沖突,借助空間離散局部反饋信息,提出時變電磁子模型與有限維ODE
6、模型串行求解策略,為控制器設(shè)計奠定堅實的基礎(chǔ)。
?、垡杂邢蘧SODE溫度模型為基礎(chǔ),首先研究在熱點區(qū)域未知情形下的跟蹤控制策略,利用未受擾動的期望模型,將模型跟蹤問題轉(zhuǎn)化成誤差鎮(zhèn)定問題。并在線性矩陣不等式(LMI)多目標優(yōu)化框架下,圍繞微波加熱德拜與非德拜媒質(zhì)過程中輸入受限的有界擾動抑制問題進行分析,融合魯棒優(yōu)化理論,分別提出滾動時域H∞與改進型滾動時域H∞溫度譜跟蹤策略。進一步,為了提高閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能并減弱輸入抖振,以H∞增益
7、與保性能函數(shù)兩者結(jié)合的性能指標為依托,提出滾動時域H∞保性能溫度譜跟蹤控制策略。
④針對熱點區(qū)域已知的微波加熱過程作為研究對象,利用期望的溫升曲線,對監(jiān)測點的最高溫度跟蹤問題進行分析與探討。分別圍繞介電常數(shù)不隨溫度和隨溫度變化兩種情形,構(gòu)建出離散形式的確定型/不確定型增廣模型。同樣以H∞增益與保性能函數(shù)作為性能指標,將連續(xù)時間域中所設(shè)計的輸入受限魯棒控制策略推廣到離散時間層面,分別提出滾動時域H∞、改進型滾動時域H∞以及滾動時
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