CC BY
29
1. списки контроля доступа с использованием МАС-адресов;
2. сертификация Wi-Fi;
3. шифрование и безопасность;
4. различные инструментальные средства для конфигурирования сети. Необходимо учитывать показатели эффективности передачи информации в сети:
1. энергетическая эффективность;
2. частотная эффективность;
3. информационная эффективность.
Список литературы:
1. www.freshmeat.net/projects/netio.
2. www.qcheck.net.
3. Бобров С.И. Эффективность беспроводных решений // Программные продукты и системы. - 2009. - № 4.
ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
© Щелочкова A.M.*, Зимин Л.С.4
Самарский государственный технический университет, г. Самара
Рассматривается проблема проектирования и функционирования системы индукционного нагрева, включающей индукционную нагревательную установку (ИНУ), источник питания, системы электроснабжения и управления, и предназначенной для нагрева металла под деформацию.
Процесс оптимизации лежит в основе всей инженерной деятельности, которая направлена, с одной стороны, на проектирование новых, более эффективных и менее дорогостоящих технических систем и, с другой стороны, на разработку методов повышения качества функционирования существующих систем. Оптимизация даже при небольшом уменьшении затрат приводит к значительному суммарному экономическому эффекту. Она особенно ощутима для массового производства или для объектов с большими капиталовложениями, к которым относятся и технологические комплексы для об-
* Магистрант кафедры Электроснабжения промышленных предприятий. Научный руководитель: Зимин Л.С., заведующий кафедрой Электроснабжения промышленных предприятий, Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор.
* Заведующий кафедрой Электроснабжения промышленных предприятий, Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор.
работки металлов давлением (ОМД). При этом экономия намного превышает затраты на оптимизацию, на которую целесообразно затрачивать до 15 % стоимости проектирования.
При формализации достаточно общей задачи проектирования проектное решение представляется вектором:
х=х[У(о, х(0), г, к] (1)
Где составляющие векторы: У(/) - внешнее воздействие, зависящее от времени; Х(0) - начальное условие; 2 - параметры, не зависящие от времени; К - вектор параметров структурной или конструктивной схемы.
При этом можно считать, что:
г = 2(К), У = У(и к), X = Х(и к (2)
На реализацию и функционирование объекта проектирования накладываются разнообразные ограничения, совокупность которых можно представить с помощью вектор-функционала:
я[Х(о, У(о, х(0), г, к] <>= о (3)
Условия (1)-(3) выделяют в векторном пространстве переменных замкнутые допустимые области, внутри которых находятся искомые проектные решения:
X е О, Уе Пу, Х(0) еОо, 2 е а, К е Пк (4)
где О - замкнутое множество векторов.
Представленная задача (1)-(4) относится к обратным задачам исследования операций, которые в общем виде некорректны. Для регуляризации задачи используется идея целенаправленности, реализуемая с помощью критерия оптимальности, определяемого через проектные данные функционалом:
ДХ(0, У(0, Х(о), г, К] (5)
Введение критерия оптимальности преобразует рассмотренную выше задачу проектирования в задачу оптимального проектирования: «Максимизировать (минимизировать) функционал (5) по всем независимым аргументам при соблюдении (4)».
Решение данной задачи, как правило, предполагает в общем случае три уровня, которыми в порядке эффективности применения являются: первый - выбор наилучшей руководящей технической идеи, принципа действия; второй - поиск наилучшей структуры в рамках выбранного принципа действия и третий - определение наилучших значений параметров (конструктивных и режимных) - параметрическая оптимизация, когда находится
экстремум (5) по аргументу X при фиксированном К с учетом (4). К этому же уровню можно отнести задачу оптимального управления, когда аргументом является 7(/). Если при этом ограничить класс функций для описания управления, как это обычно делается, кусочно-непрерывными функциями, то задача также сводится к поиску некоторой совокупности функций и параметров, которые в общем случае должны удовлетворять требованиям взаимной независимости и управляемости.
Поскольку в данной работе объект оптимизации по принципу действия предопределен - система индукционного нагрева [3], то рассмотрению подлежат последние два уровня задачи оптимизации, которая в общем случае представляется в виде:
/(X*) = ехй /(X), УХ е Пх (6)
Здесь X - оптимальное проектное решение, отражающее в соответствии с (1) структуру системы и ее конструктивные и режимные параметры.
Основными элементами системы индукционного нагрева являются: индукционная установка; источник питания; конденсаторная батарея; схема управления и система электроснабжения.
Вначале, на этапе структурной оптимизации, обычно на эвристическом уровне, определяется тип индукционного нагревателя [1] по принципу действия (периодического, непрерывного, полунепрерывного) и конструктивному исполнению (цилиндрические, прямоугольные, щелевые, вертикальные, горизонтальные и т.п.); схема соединения секций индуктора; компоновка нагревательного отделения (число линий, число нагревателей в линии) и т.п.
Перед параметрическим синтезом необходимо четко выделить параметры системы, которые в общем случае можно разделить на входные (варьируемые) и выходные (рабочие показатели). Вектор варьируемых параметров значениями своих составляющих однозначно определяет вектор рабочих показателей, определяющий качество системы и характеризующий вариант проекта. В данном случае к рабочим показателям можно отнести следующие: производительность; температура нагрева по уровню и точности; КПД; коэффициент мощности; капитальные затраты; затраты энергии; вибрация и шум индукционного нагревателя.
Варьируемые параметры, которые по сути дела и являются параметрами оптимизации, в свою очередь можно разделить на внутренние и внешние. Внутренние: размеры индуктора; толщина и термическое сопротивление тепловой изоляции; число витков и секций индуктора; шаг витков; величина заглубления выходного торца заготовки в индукторе; форма, толщина и материал виброзащитной оболочки индуктора; параметры виброизоляции. Внешние: мощность источника питания; напряжение на индукторе; частота тока; угол сдвига ме^ду напряжениями секций; емкость конденсаторной
батареи; темп работы деформирующего оборудования и расстояние от него до индуктора; условия охлаждения заготовок вне индуктора; физические и геометрические параметры нагреваемых заготовок; число и длительность интервалов оптимальных управляющих воздействий.
Особое место среди параметров оптимизации занимает активная мощность ИНУ как потребляемая, так и выделяемая в заготовке. Она определяется внешними и внутренними параметрами системы индукционного нагрева. Также следует отметить условия согласования источника питания с нагрузкой - индуктор, конденсаторная батарея, соединительный токопровод.
Обычно конструктор при проектировании решает не задачу выбора некоторых фиксированных параметров при неполных данных о начальных условиях Х(0) (1), а задачу выбора степени неопределенности задания этих условий. В такой постановке задачи в качестве выбираемых рассматриваются множества, которым принадлежат значения режимных и конструктивных параметров, а также множества значений неопределенных параметров, т.е. Х(0).
Задача параметрической оптимизации (6) является разрешимой, если критерий оптимальности (5) достигает экстремума в некоторой внутренней или граничной точке допустимой области (4). Условия оптимальности, которые должны выполняться в этой точке, формулируются лишь при наличии информации о классе функций, образующих критерий оптимальности и ограничения. Согласно теореме Вейерштрасса задача параметрической оптимизации разрешима, если критерий (5) является непрерывной функцией, либо полунепрерывной сверху (в задачах на максимум), а допустимая область (4) образует замкнутое ограниченное множество.
Действительно оптимальное проектирование ИНУ возможно только при системном подходе, когда ИНУ рассматривается как составная часть комплекса «ИНУ-ОМД» [2].
Определяющая роль температурного фактора позволяет описать комплекс «ИНУ-ОМД» поведением температурного поля обрабатываемого металла на соответствующих стадиях технологического процесса. Отсюда вытекает возможность представления этого комплекса в виде ступенчатой системы, состоящей из трех объектов управления с последовательными во времени режимами их работы, где модель каждого из объектов представляется соответствующим уравнением нестационарной теплопроводности. В общем случае это уравнение Фурье-Кирхгофа, отражающее на первой стадии нагрев металла в индукторе, на второй - его охлаждение при транспортировании к деформирующему оборудованию, и на третьей - температурное поле в процессе ОМД.
Применение системного подхода в данном случае вызвано тем, что он представляет собой методологию эффективного решения задач, возникающих в сложных системах, к которым может быть отнесен и комплекс «ИНУ-ОМД».
Системный подход к оптимальному проектированию при индукционном нагреве позволяет по новому увидеть объект проектирования - основной фактор, органически связывающий обе стадии обработки металла в единый технологический комплекс, - температурные кондиции металла - заранее фиксируется, а при системном подходе, как будет показано, находится, исходя из достижения экстремума совокупного экономического показателя.
Список литературы:
1. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.
2. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. - М.: Металлургия, 1993. - 279 с.
3. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. - Л.: Энергия, 1974. - 264 с.
