CN110913519A - 一种基于闭环控制加热导体胚料的方法和设备 - Google Patents

一种基于闭环控制加热导体胚料的方法和设备 Download PDF

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CN110913519A CN201911175728.7A CN201911175728A CN110913519A CN 110913519 A CN110913519 A CN 110913519A CN 201911175728 A CN201911175728 A CN 201911175728A CN 110913519 A CN110913519 A CN 110913519A
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    • G05D23/30—Automatic controllers with an auxiliary heating device affecting the sensing element, e.g. for anticipating change of temperature
    • G05D23/32—Automatic controllers with an auxiliary heating device affecting the sensing element, e.g. for anticipating change of temperature with provision for adjustment of the effect of the auxiliary heating device, e.g. a function of time

Abstract

本发明公开了一种基于闭环控制加热导体胚料的方法和设备，应用于高温超导直流感应加热系统中，该方法包括：根据所述导体胚料的目标轴向温度分布确定磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合；基于所述控制指令集合依次控制所述伺服电机进行转动，以使磁场适配单元达到与所述目标轴向温度分布对应的位置分布；获取所述导体胚料在所述位置分布下加热后的测量轴向温度分布；根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布进行闭环控制，以使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度，从而在按照指定的轴向温度分布目标加热导体胚料的过程中，实现对加热温度误差的有效控制，提高了温度调控精度。

Description

一种基于闭环控制加热导体胚料的方法和设备
技术领域
本申请涉及高温超导直流感应加热技术领域，更具体地，涉及一种基于闭环控制加热导体胚料的方法和设备。
背景技术
当前高温超导直流感应加热技术，通常由直流电通过超导磁体产生强直磁场，选用适当的磁通集中器将该磁场集中到感应加热的工作气隙，通过电机驱动导体胚料在该工作气隙中旋转(即导体切割磁力线)，使胚料工件内形成涡流生热现象，达到温度升高的效果。与传统电磁感应加热技术不同的是，其胚料内部加热效率高，具有良好的径向温度均匀性，适用于高效、均匀地对各类有色金属进行加热处理。
在铝型材挤压加工中，挤压前需要对铝胚料进行预热，铝料的预热温度需要保持在其溶线温度和固熔相线温度之间，并且需要配合挤压速度进行调节，太高会引起撕裂现象，太低会减低挤压速度。此外，实际应用中，还需要根据胚料工件不同的型号、性能等要求，灵活并准确的调节胚料的轴向温度分布。
在当前已知的高温超导感应加热方法和设备中，胚料工件的轴向温度分布和加热效果的调节和控制，通常采用模型匹配、数值计算或者仿真实验等预处理和计算，再用人工或者自动控制的方法，对工作气隙的磁场强度按照预先确定的调整模式，进行一次或多次的开环调节来实现。
由于没有采用有效的温度分布效果反馈和控制，所以对目标温度分布的调节控制不够精确，存在各类调节误差，例如，在对工作气隙中的磁场强度进行预处理的环节，通常存在模型预测的误差；在磁场强度的调节控制阶段，又容易产生位移误差。在工业生产中，这些误差的存在是必然的，但是基于自动化工业生产和智能化高端制造的要求，多种应用场合都需要对误差进行测量和控制，以确保各类误差的总和，不能对加热效果的精度产生不良影响。
由此可知，如何运用高温超导直流感应加热技术在按照指定的轴向温度分布目标精准地加热导体胚料的基础上，实现对加热温度误差的有效控制，是本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种基于闭环控制加热导体胚料的方法，用以解决现有技术中对导体胚料进行轴向温度分布调控时不能有效控制加热温度误差的技术问题，该方法应用于高温超导直流感应加热系统中，所述加热系统中设置有多组一一对应的磁场适配调节单元和磁场适配单元，该方法包括：
步骤S1，根据所述导体胚料的目标轴向温度分布确定所述磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合；
步骤S2，基于所述控制指令集合依次控制所述伺服电机进行转动，以使所述磁场适配单元达到与所述目标轴向温度分布对应的位置分布；
步骤S3，获取所述导体胚料在所述位置分布下加热后的测量轴向温度分布；
步骤S4，根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布进行闭环控制，以使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度。
优选的，所述步骤S4，具体为：
根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布确定轴向温度误差分布；
当所述轴向温度误差分布中任一误差分量的绝对值大于所述预设加热精度时，基于所述温度误差分布确定所述目标轴向温度分布，执行所述步骤S1；
当所述轴向温度误差分布中每一误差分量的绝对值均小于所述预设加热精度时，结束所述闭环控制。
优选的，所述加热系统中还设置有温度传感器集合，所述步骤S3，具体为：
基于所述温度传感器集合获取多个原始温度数据；
根据预设多项式拟合阶数对多个所述原始温度数据进行归一化拟合；
基于所述归一化拟合的结果确定所述测量轴向温度分布。
优选的，所述步骤S2，具体为：
步骤a，根据待调节磁场适配单元对所述伺服电机进行选址；
步骤b，基于所述选址的结果确定待控制伺服电机；
步骤c，从所述控制指令集合中选取与所述待控制伺服电机对应的控制指令，所述控制指令中包括转动方向和转动角度；
步骤d，基于所述控制指令驱动所述待控制伺服电机按所述转动方向和所述转动角度进行转动，以使所述待调节磁场适配单元移动到对应位置；
步骤e，依次选定其他磁场适配单元作为所述待调节磁场适配单元，执行所述步骤a-d，以使所述磁场适配单元达到所述位置分布；
其中，所述步骤d，具体为：
基于所述控制指令驱动所述待控制伺服电机上的齿轮按所述转动方向和所述转动角度进行转动；
基于所述齿轮的转动带动与所述齿轮啮合的链条和与所述链条相连的曳引绳发生水平位移；
基于所述水平位移使经滑轮与所述曳引绳连接的所述待调节磁场适配单元产生垂直方向上的第一位移，以及使经所述齿轮与所述链条连接的对重产生垂直方向上的第二位移，所述第一位移和所述第二位移的距离相等且方向相反；
基于所述第一位移和所述第二位移使所述待调节磁场适配单元移动到所述对应位置。
优选的，所述步骤S1，具体为：
根据所述目标轴向温度分布和预设对应关系确定目标轴向磁场分布，所述预设对应关系为在所述导体胚料上呈现均匀温度分布时，均匀温度与匀强磁场的对应关系；
根据所述目标轴向磁场分布和当前轴向磁场分布确定权函数，其中，当所述当前轴向磁场分布按所述权函数加权叠加后等于所述目标轴向磁场分布；
基于所述权函数和预设映射关系表确定所述磁场适配单元的调节量集合，所述预设映射关系表是根据所述权函数的分量与所述调节量的映射关系建立的；
根据所述调节量集合确定所述伺服电机的控制指令集合。
相应地，本发明还提出了一种基于闭环控制加热导体胚料的设备，应用于高温超导直流感应加热系统中，所述加热系统中设置有多组一一对应的磁场适配调节单元和磁场适配单元，所述设备包括：
确定模块，用于根据所述导体胚料的目标轴向温度分布确定所述磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合；
第一控制模块，用于基于所述控制指令集合依次控制所述伺服电机进行转动，以使所述磁场适配单元达到与所述目标轴向温度分布对应的位置分布；
获取模块，用于获取所述导体胚料在所述位置分布下加热后的测量轴向温度分布；
第二控制模块，根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布进行闭环控制，以使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度。
优选的，所述第二控制模块，具体用于：
根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布确定轴向温度误差分布；
当所述轴向温度误差分布中任一误差分量的绝对值大于所述预设加热精度时，基于所述温度误差分布确定所述目标轴向温度分布，并通知所述确定模块继续根据所述目标轴向温度分布确定所述控制指令集合；
当所述轴向温度误差分布中每一误差分量的绝对值均小于所述预设加热精度时，结束所述闭环控制。
优选的，所述加热系统中还设置有温度传感器集合，所述获取模块，具体用于：
基于所述温度传感器集合获取多个原始温度数据；
根据预设多项式拟合阶数对多个所述原始温度数据进行归一化拟合；
基于所述归一化拟合的结果确定所述测量轴向温度分布。
优选的，所述第一控制模块，具体用于执行：
步骤a，根据待调节磁场适配单元对所述伺服电机进行选址；
步骤b，基于所述选址的结果确定待控制伺服电机；
步骤c，从所述控制指令集合中选取与所述待控制伺服电机对应的控制指令，所述控制指令中包括转动方向和转动角度；
步骤d，基于所述控制指令驱动所述待控制伺服电机按所述转动方向和所述转动角度进行转动，以使所述待调节磁场适配单元移动到对应位置；
步骤e，依次选定其他磁场适配单元作为所述待调节磁场适配单元，执行所述步骤a-d，以使所述磁场适配单元达到所述位置分布；
其中，所述步骤d，具体为：
基于所述控制指令驱动所述待控制伺服电机上的齿轮按所述转动方向和所述转动角度进行转动；
基于所述齿轮的转动带动与所述齿轮啮合的链条和与所述链条相连的曳引绳发生水平位移；
基于所述水平位移使经滑轮与所述曳引绳连接的所述待调节磁场适配单元产生垂直方向上的第一位移，以及使经所述齿轮与所述链条连接的对重产生垂直方向上的第二位移，所述第一位移和所述第二位移的距离相等且方向相反；
基于所述第一位移和所述第二位移使所述待调节磁场适配单元移动到所述对应位置。
优选的，所述确定模块，具体用于：
根据所述目标轴向温度分布和预设对应关系确定目标轴向磁场分布，所述预设对应关系为在所述导体胚料上呈现均匀温度分布时，均匀温度与匀强磁场的对应关系；
根据所述目标轴向磁场分布和当前轴向磁场分布确定权函数，其中，当所述当前轴向磁场分布按所述权函数加权叠加后等于所述目标轴向磁场分布；
基于所述权函数和预设映射关系表确定所述磁场适配单元的调节量集合，所述预设映射关系表是根据所述权函数的分量与所述调节量的映射关系建立的；
根据所述调节量集合确定所述伺服电机的控制指令集合。
与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：
本发明公开了一种基于闭环控制加热导体胚料的方法和设备，应用于高温超导直流感应加热系统中，该方法包括：根据所述导体胚料的目标轴向温度分布确定磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合；基于所述控制指令集合依次控制所述伺服电机进行转动，以使磁场适配单元达到与所述目标轴向温度分布对应的位置分布；获取所述导体胚料在所述位置分布下加热后的测量轴向温度分布；根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布进行闭环控制，以使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度，从而在按照指定的轴向温度分布目标加热导体胚料的过程中，实现对加热温度误差的有效控制，提高了温度调控精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提出的一种基于闭环控制加热导体胚料的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中基于闭环控制加热导体胚料的方法对应的高温超导直流感应加热设备示意图；
图3为本发明实施例中一种调节量下对磁场适配单元进行垂直调节示意图；
图4为本发明实施例中另一种调节量下对磁场适配单元进行垂直调节示意图；
图5为本发明实施例中单个适配调节单元结构示意图；
图6为本发明实施例中对磁场适配装置进行垂直调节时的装配效果示意图；
图7为本发明实施例提出的一种基于闭环控制加热导体胚料的设备的结构示意图；
图2-图6中：1、磁场发生装置；2、磁场集中装置；3、磁场适配装置；4、导体胚料；5、旋转驱动装置；6、磁场适配单元；7、适配调节装置；8、PLC；9、温度传感装置；10、磁导部分；11、磁阻部分；12、支架；13、挂环；14、曳引绳；15、滑轮；16、伺服电机；17、齿轮；18、链条；19、对重导架；20、对重；21、主磁路；22、工作气隙磁场。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如背景技术所述，现有技术中现有技术中对导体胚料进行轴向温度分布调控时不能有效控制加热温度误差。
为解决上述问题，本申请实施例提出了一种基于闭环控制加热导体胚料的方法，根据目标轴向温度分布和测量轴向温度分布进行闭环控制，以使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度，从而实现对加热温度误差的有效控制，提高了温度调控精度。
如图1所示为本发明实施例提出的基于闭环控制加热导体胚料的方法的流程示意图，该方法应用于高温超导直流感应加热系统中，所述加热系统中设置有多组一一对应的适配调节单元和磁场适配单元，包括以下步骤：
S101，根据所述导体胚料的目标轴向温度分布确定所述磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合。
如上所述，加热系统中设置有多组一一对应的适配调节单元和磁场适配单元，适配调节单元可通过伺服电机调节与其对应的磁场适配单元的位置，目标轴向温度分布是通过调整各磁场适配单元到对应位置实现的，如图3和图4所示为两种不同位置磁场单元组合，两种组合体现了磁导部分10和磁阻部分11不同的占比，各磁场适配单元要通过不同的调节量达到不同的位置，可根据目标轴向温度分布确定磁场适配单元的调节量集合，进而可确定对应的磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合。
为确定准确的控制指令集合，在本申请优选的实施例中，根据所述导体胚料的目标轴向温度分布确定所述磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合，具体为：
根据所述目标轴向温度分布和预设对应关系确定目标轴向磁场分布，所述预设对应关系为在所述导体胚料上呈现均匀温度分布时，均匀温度与匀强磁场的对应关系；
根据所述目标轴向磁场分布和当前轴向磁场分布确定权函数，其中，当所述当前轴向磁场分布按所述权函数加权叠加后等于所述目标轴向磁场分布；
基于所述权函数和预设映射关系表确定所述磁场适配单元的调节量集合，所述预设映射关系表是根据所述权函数的分量与所述调节量的映射关系建立的；
根据所述调节量集合确定所述伺服电机的控制指令集合。
如上所述，在所述导体胚料上呈现均匀温度分布时，均匀温度与匀强磁场存在对应关系，根据预设的该对应关系可确定与目标轴向温度分布对应的目标轴向磁场分布，再确定一个权函数，使当前轴向磁场分布按该权函数加权叠加后等于目标轴向磁场分布，权函数中各分量与各磁场适配单元的调节量存在映射关系，通过预先建立相应的映射关系表，通过该权函数和该映射关系表可确定磁场适配单元的调节量集合，进而可确定出与调节量集合对应的伺服电机的控制指令集合。
需要说明的是，以上优选实施例的方案仅为本申请所提出的一种具体实现方案，其他基于目标轴向温度分布确定所述控制指令集合的方式均属于本申请的保护范围。
S102，基于所述控制指令集合依次控制所述伺服电机进行转动，以使所述磁场适配单元达到与所述目标轴向温度分布对应的位置分布。
如上所述，基于控制指令集合依次控制伺服电机转动，使各磁场适配单元达到对应的位置，形成与目标轴向温度分布对应的位置分布。
为使磁场适配单元达到准确的位置分布，在本申请优选的实施例中，基于所述控制指令集合依次控制所述伺服电机进行转动，以使所述磁场适配单元达到与所述目标轴向温度分布对应的位置分布，具体为：
步骤a，根据待调节磁场适配单元对所述伺服电机进行选址；
步骤b，基于所述选址的结果确定待控制伺服电机；
步骤c，从所述控制指令集合中选取与所述待控制伺服电机对应的控制指令，所述控制指令中包括转动方向和转动角度；
步骤d，基于所述控制指令驱动所述待控制伺服电机按所述转动方向和所述转动角度进行转动，以使所述待调节磁场适配单元移动到对应位置；
步骤e，依次选定其他磁场适配单元作为所述待调节磁场适配单元，执行所述步骤a-d，以使所述磁场适配单元达到所述位置分布；
其中，所述步骤d，具体为：
基于所述控制指令驱动所述待控制伺服电机上的齿轮按所述转动方向和所述转动角度进行转动；
基于所述齿轮的转动带动与所述齿轮啮合的链条和与所述链条相连的曳引绳发生水平位移；
基于所述水平位移使经滑轮与所述曳引绳连接的所述待调节磁场适配单元产生垂直方向上的第一位移，以及使经所述齿轮与所述链条连接的对重产生垂直方向上的第二位移，所述第一位移和所述第二位移的距离相等且方向相反；
基于所述第一位移和所述第二位移使所述待调节磁场适配单元移动到所述对应位置。
如上所述，基于控制指令集合调节磁场适配单元的位置时，先选定一个待调节适配单元，基于该待调节适配单元对伺服电机选址确定待控制伺服电机，然后从控制指令集合中选择与待控制伺服电机对应的控制指令，基于该控制指令控制该待控制伺服电机按一定方向和转动一定角度，进而带动待调节适配单元移动至对应位置，依次选定其他磁场适配单元作为待调节适配单元并重复上述步骤，使磁场适配单元达到对应的位置分布。
在本申请的具体应用场景中，如图5所示，伺服电机16根据来自PLC的调节控制指令中的方向和转角信息，转过特定的调节角度，同时带动与其相连的齿轮17转动，齿轮17带动与其啮合的链条18、及与链条18相连的曳引绳14发生水平方向的位移，经过滑轮15及齿轮17的转向后，使磁场适配单元6和对重19在垂直方向产生与所确定的调节量一致的位移。
需要说明的是，以上优选实施例的方案仅为本申请所提出的一种具体实现方案，本领域技术人员也可将控制指令同时下发至各伺服电机，使各磁场适配单元同时达到对应位置，进而形成对应的位置分布，其他基于所述控制指令集合使磁场适配单元达到所述位置分布的方式均属于本申请的保护范围。
S103，获取所述导体胚料在所述位置分布下加热后的测量轴向温度分布。
具体的，在本申请的具体应用场景中，如图2所示，还设置有温度传感装置9，在所述位置分布下加热导体胚料后，通过温度传感装置9对导体胚料进行温度测量后获取测量轴向温度分布。
为获取准确的测量轴向温度分布，在本申请优选的实施例中，所述加热系统中还设置有温度传感器集合，获取所述测量轴向温度分布，具体为：
基于所述温度传感器集合获取多个原始温度数据；
根据预设多项式拟合阶数对多个所述原始温度数据进行归一化拟合；
基于所述归一化拟合的结果确定所述测量轴向温度分布。
在本申请的具体应用场景中，温度传感装置可选用一组温度传感器集合，各温度传感器可选用不同型号的辐射型温度传感器；各温度传感器的选择，应从两个维度上遵循全面覆盖原则：导体胚料的几何形状和整个感应加热设备的标称加热范围。根据待加热导体胚料的型材，对集合内各温度传感器在其有效量程内进行检定，输出集合内各温度传感器的读数经归一化拟合处理后的温度数据，从而确定测量轴向温度分布。
需要说明的是，以上优选实施例的方案仅为本申请所提出的一种具体实现方案，本领域技术人员也可灵活选用其他形式的温度测量方式，其他获取测量轴向温度分布的方式均属于本申请的保护范围。
S104，根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布进行闭环控制，以使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度。
闭环控制是指指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系，当操作者启动系统后，通过系统运行将控制信息输向受控对象，并将受控对象的状态信息反馈到输入中，以修正操作过程，使系统的输出符合预期要求。基于目标轴向温度分布和测量轴向温度分布进行闭环控制可使测量轴向温度分布达到预设加热精度。
为确保测量轴向温度分布达到预设加热精度，在本申请优选的实施例中，基于所述闭环控制使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度，具体为：
根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布确定轴向温度误差分布；
当所述轴向温度误差分布中任一误差分量的绝对值大于所述预设加热精度时，基于所述温度误差分布确定所述目标轴向温度分布，执行所述步骤S101；
当所述轴向温度误差分布中每一误差分量的绝对值均小于所述预设加热精度时，结束所述闭环控制。
具体的，根据目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布各分量之差可确定轴向温度误差分布，分以下两种情况进行处理：
当轴向温度误差分布中任一误差分量的绝对值大于预设加热精度时，确定测量轴向温度分布未达到预设加热精度，需要根据此时轴向温度误差分布确定目标轴向温度分布，重新执行步骤S101，以重新对磁场适配单元的位置进行调整后再次确定轴向温度误差；
当轴向温度误差分布中每一误差分量的绝对值均小于所述预设加热精度时，确定测量轴向温度分布达到预设加热精度，结束所述闭环控制。
需要说明的是，以上优选实施例的方案仅为本申请所提出的一种具体实现方案，本领域技术人员也可在绝对值小于预设加热精度的误差分量的数量大于预设阈值时，确定测量轴向温度分布达到预设加热精度，结束闭环控制，其他基于所述闭环控制使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度的方式均属于本申请的保护范围。
通过应用以上技术方案，根据所述导体胚料的目标轴向温度分布确定磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合；基于所述控制指令集合依次控制所述伺服电机进行转动，以使磁场适配单元达到与所述目标轴向温度分布对应的位置分布；获取所述导体胚料在所述位置分布下加热后的测量轴向温度分布；根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布进行闭环控制，以使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度，从而在按照指定的轴向温度分布目标加热导体胚料的过程中，实现对加热温度误差的有效控制，提高了温度调控精度。
为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。
本发明实施例提出了一种基于闭环控制加热导体胚料的方法，应用于高温超导直流感应加热系统中，通过在加热系统中设置多组一一对应的适配调节单元和磁场适配单元，根据所述导体胚料的目标轴向温度分布确定所述磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合；基于所述控制指令集合依次控制所述伺服电机进行转动，以使所述磁场适配单元达到与所述目标轴向温度分布对应的位置分布；获取所述导体胚料在所述位置分布下加热后的测量轴向温度分布；根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布进行闭环控制，以使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度，从而在按照指定的轴向温度分布目标加热导体胚料的过程中，实现对加热温度误差的有效控制，提高了温度调控精度。
如图2所示为基于闭环控制加热导体胚料的方法对应的高温超导直流感应加热设备示意图，包括磁场发生装置1、磁场集中装置2、磁场适配装置3(由多个磁场适配单元6组成)、适配调节装置7(悬于磁场适配装置3上方)、PLC 8、旋转驱动装置5和温度传感装置9。
磁场发生装置1在由高温超导带材绕组而成的结构体两端，施加直流电压产生直流电流，可形成静态强磁场Φs；
磁场集中装置2采用预留有感应加热工作气隙(主气隙)和可调气隙的磁路结构，选取可加工铁磁性介质材料加工而成；根据材料的磁导率，由经验公式推导出磁场集中装置2的设计，包括结构、尺寸、横截面积等。该装置前端结构与磁场发生装置1产生的磁场相匹配，将磁场发生装置1产生的主磁通引导出来；后端与磁场适配装置3匹配相连；属于设备的固定主磁路。
磁场适配装置3由多个磁场适配单元6组合而成，位于主磁通经过的路径上。前端与磁场集中装置2匹配相连，后端位于主气隙的边界，属于设备的可调磁路。如图3和图4中所示，每个磁场适配单元6包括磁导部分10和磁阻部分11，还包括位移调节机构和固定机构组成，磁导部分10由与磁场集中装置2相同的铁磁性介质材料制备而成，磁阻部分11选取非铁磁性介质材料(如空气等)制备而成，位移调节机构可根据感应加热方法确定的调节量，实现磁导部分10和磁阻部分11的位置的精准调节，使磁导部分10和磁阻部分11在主磁通经过的路径上实现不同的占比，然后由固定机构将磁场适配单元6各部分固定在调节后的位置。
适配调节装置7由多个适配调节单元组合而成，位于磁场适配装置3上方，远离强磁场工作气隙。每个适配调节单元对应于一个磁场适配单元6。如图5所示，单个适配调节单元由支架12、挂环13、曳引绳14、滑轮15、齿轮17、链条18、伺服电16、对重20和对重导架19组成。
温度传感装置9可选用一组温度传感器的集合，各温度传感器可选用不同型号的辐射型温度传感器；各温度传感器的选择，应从两个维度上遵循全面覆盖原则：导体胚料4的几何形状和整个感应加热设备的标称加热范围。根据待加热导体胚料4的型材，对集合内各温度传感器在其有效量程内进行检定，输出集合内各温度传感器的读数经归一化拟合处理后的温度数据。
用适配调节装置7对磁场适配装置3进行自动化调节配置，磁场集中装置2将磁场发生装置1产生的静态磁场传导至磁场适配装置3，再经磁场适配装置3传导至感应加热工作气隙的边界，由旋转驱动装置5驱动导体胚料4在感应加热工作气隙内作旋转运动，切割磁力线产生的涡流焦耳热，使导体胚料4的温度升高。如图6所示为对磁场适配装置进行垂直调节时的装配效果示意图，温度传感装置9将采集到的导体胚料4的实际温度数据，反馈给PLC 8，由PLC 8与预先设定的温度数据目标值进行比较，并根据比较的结果，对工作气隙磁场22进行反馈调节。通过闭环调控，能够使实际加热温度与温度目标的误差，达到加热系统的标称加热精度要求。各适配调节单元、温度传感器可由单一的PLC 8控制，或由分布式PLC 8系统调度和控制。
本实例中基于闭环控制加热导体胚料的方法具体包括以下步骤：
步骤一，配置温度传感装置。
具体包括：
步骤(1)，选择一组温度传感器的集合，使集合内各传感器的测量区域能覆盖整个导体胚料4的几何形状；
步骤(2)，选择集合内的传感器时，还应使各传感器的量程之间有一定的量程重叠区间，使用多项式拟合的方法，将各传感器的量程拼接起来，使拼接后的量程应当覆盖体导体胚料4加热温度T的调控范围(TL，TH)，且部分传感器的准确度需满足感应加热设备的准确度TA的要求；
步骤(3)，选择适当的多项式拟合阶数(通常3～6之间的阶数即可满足需要)。对各量程重叠区间以加热温度准确度TA为间隔做采样时，采样(拟合)点数应当大于多项式拟合处理的阶数；
步骤(4)，在各量程重叠区间内，分别选择适当的拟合点，在每对量程相重叠的传感器之间，依次采用未检定向已检定拟合，低精度向高精度拟合的优先原则，对每对传感器应用多项式拟合及量程拼接，直至集合内所有传感器被归一化拟合。归一化拟合后，温度读数量程将覆盖体胚料加热温度T调控范围(TL，TH)，该读数精度将满足TA要求；
步骤(5)，根据采样定理可知，假设温度传感器集合内选用的传感器个数为n，则当集合内经过针对当前待加热型材检定的测量误差值最小的传感器，其准确度满足tA≤TA/2n时，对集合内其他温度传感器的准确度没有任何限制要求。特别简化地，可以采用低-高-低-高-低的间隔排布，以直线或者蜂巢型等阵列形式，将不同精度的温度传感器组合起来，一次遍历的两两拟合处理即可完成全量程的拼接，同时使温度传感装置的精度达到其中高精度温度传感器的一半。
举例来说，温度传感装置9包括用于测量0℃～400℃的第一温度传感器以及用于测量300℃～800℃的第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器同时对导体胚料4进行测温，分别读出各自的测量结果，再通过现有的计算机及计算机程序对上述两个温度传感器的读数进行误差比对、时间轴校准和归一化拟合，从而得出输出范围为0℃～800℃的测量结果。具体地，第一温度传感器为未检定的温度传感器(即精度较低)，第二温度传感器为已检定的温度传感器(即精度高于第二温度传感器，尤其是用于精确感知导体胚料4的温度)。在测量导体胚料4温升的过程中，将导体胚料4加热至500℃需5分钟左右，两个温度传感器的采样频率为16次/分钟。
拟合公式为
Figure BDA0002289886990000141
M≤i<N②
其中，其中，温度轴为Yi，时间轴为Xi，i＝0～79(共80个采样点)，设XM采样点时导体胚料4达到300℃，XN采样点时导体胚料4达到400℃，式②采用三阶多项式拟合。在本实施例中，三阶多项式拟合利用300℃～400℃温度量程的重合区间(如式②)，完成将第一温度传感器的测量结果拟合至与第二温度传感器的测温结果基本一致的效果，一次达到测量量程的扩展，且测量精度在上述两个温度传感器中取精度更高的一方。
步骤二，确定感应加热区域(工作气隙磁场22)对应的匀强磁场强度B的调控范围(BL，BH)和准确度BA，建立温度—匀强磁场强度的对应关系：
B＝C1T
其中：T为(TL，TH)内以TF为间距均匀分布的离散点
C1为转化函数，B为(BL，BH)内的离散值
具体包括以下步骤：
步骤(1)，确定匀强磁场强度。
结合预设的感应加热目标功率和旋转驱动装置5的旋转速率等系统参数，根据预设的导体胚料4的目标轴向温度分布，由经验公式或实验确定该加热温度对应的感应加热区域(主气隙)所需的匀强磁场强度。
步骤(2)，确定匀强磁场调控范围。
对温度调控范围内目标温度值的下限TL和上限TH，确定其在感应加热区域(工作气隙磁场)对应的匀强磁场强度的下限BL和上限BH，该下限至上限之间的磁场强度取值区间(BL，BH)，即为匀强磁场调控范围。
步骤(3)，确定匀强磁场调控准确度BA。
根据预设的温度调控目标准确度TA，分别确定温度值(TL+TA)和(TH-TA)在感应加热区域(工作气隙)对应的匀强磁场强度BLA和BHA，则匀强磁场调控准确度需满足：
BA≤min(|BL-BLA|，|BH-BHA|)
步骤三，配置磁场发生装置1、磁场集中装置2、磁场适配装置3、适配调节装置7，形成当前磁场分布。
当前磁场分布应当满足以下要求：
(1)、当磁场适配装置3中各磁场适配单元6在主磁通路径上均全部由磁导部分10组成时，感应加热工作气隙内的磁场强度为目标磁场强度上限阙值BH；
(2)、当磁场适配装置3中各磁场适配单元6在主磁通路径上均全部由磁阻部分11组成时，感应加热工作气隙内的磁场强度为目标磁场强度下限阙值BL；
(3)、当磁场适配装置3中单一磁场适配单元6以最小非零调节量进行调节时，该调节过程对工作气隙磁场22中轴向磁场强度分布产生的改变量(矢量取模)，应小于或等于匀强磁场调控准确度BA；
(4)、磁场适配装置3在主磁路21上做全磁导和全磁阻之间的转化所需的力矩、行程、精度等要求，还应尽量排除其包含的对重20、曳引绳14、支架12等机构对主磁路21和工作气隙磁场22强度的干扰；
步骤四，确定磁场适配装置3的调节量。
由PLC 8采用矩阵运算的方式，根据预设的导体胚料4目标轴向温度分布矢量，确定各个磁场适配单元6的调节量，具体包括以下步骤：
步骤(1)，根据预设的导体胚料4目标轴向温度分布要求(记为矢量Ts)，依照上述建立的温度—匀强磁场强度的对应关系，确定对应的目标轴向磁场强度分布(记为矢量BS)，即：
Bs＝C1Ts
步骤(2)，假设磁场适配装置中包括m个磁场适配单元6，视每个磁场适配单元6为一个磁通路“微元”，忽略边缘效应和各“微元”磁路之间的耦合效应，确定各“微元”对应的轴向磁场强度分布(记为矩阵Bm)，各分量B1，B2，...Bm分别对应一个磁路“微元”对工作气隙轴向磁场强度分布的影响量。通过对单个磁场适配单元6使用磁路解析法，或通过多次实验，均可确定该矩阵Bm。
步骤(3)，求解一个权函数(记为矢量Q)，使得各“微元”磁路对应的轴向磁场强度(矢量)按照该权函数加权叠加后，正好等于目标轴向磁场强度分布BS，即：
BmQ＝BS
步骤(4)，上述权函数Q与磁场适配装置3的调节量(记为矢量P)，之间存在固定映射关系R。通过对单个磁场适配单元6使用磁路解析法，或通过多次实验，均可确定该映射关系R。R与磁场适配装置3的调节量P之间存在以下关系：
P＝QR
步骤(5)，每次向PLC 8输入设定的感应加热目标温度分布矢量Ts后，可以由PLC 8根据该设定的矢量Ts，和各已知量Bm、C1、R，通过矩阵运算确定磁场适配装置的位移调节量P，即：
P＝BmC1TsR
步骤五，调节磁场适配装置。
结合图5所示，由PLC 8通过适配调节装置3，根据上述过程所确定的磁场适配装置3的位移调节量P，对磁场适配装置3进行调节，具体包括以下步骤：
步骤(1)，PLC 8通过对应的控制端口，依次发送下一个待调节的磁场适配单元6对应的伺服电机16的选址指令，从而选中下一个待调节的伺服电机16；
步骤(2)，PLC 8将该磁场适配单元6在调节量P中的对应分量，通过脉码调制的方式，转化为伺服电机16的调节控制指令，并将该指令发送给选中的伺服电机16，该控制指令为包括转动方向和转动角度信息的脉冲；
步骤(3)，伺服电机16根据来自PLC的调节控制指令中的方向和转角信息，转过特定的调节角度，同时带动与其相连的齿轮17转动；
步骤(4)，齿轮17带动与其啮合的链条18、及与链条18相连的曳引绳14发生水平方向的位移，经过滑轮15及齿轮17的转向后，使磁场适配单元6和对重19在垂直方向产生与所确定的调节量一致的位移；
步骤(5)，重复以上步骤(1)、(2)、(3)、(4)，直至每个磁场适配单元6都按照确定的调节量调节一遍。
步骤六，进行闭环调试。
具体包括以下步骤
步骤(1)，将导体胚料4平行于区域边界，置于感应加热区域(工作气隙22)中，在旋转驱动装置5的驱动下绕轴心旋转，对导体胚料进行一次调试性的加热升温全过程；
步骤(2)，由PLC 8利用加热升温调试过程中从温度传感装置9中各温度传感器读取到的n个原始温度读数，并进行一次检定和归一化拟合处理，并将归一化拟合的数据作为该温度传感装置9的测量结果Tm；
步骤(3)，PLC 8将温度传感器的测量结果Tm和对预设的感应加热目标温度分布矢量Ts和进行比较，得到本次调试过程的轴向温度分布误差Te，即：
Te＝Tm-Ts
步骤(4)，如本次温度误差Te的任一分量的绝对值大于感应加热设备加热精度的标称值，则基于此次的温度误差Te确定目标轴向温度分布，再次执行步骤四，继续对磁场适配装置3进行调整后再次确定温度误差；
步骤(5)，如本次温度误差Te的绝对值小于感应加热设备加热精度的标称值，则使用磁场适配装置3中的位移固定机构，锁定当前的磁场强度调节结果，闭环调试过程完成；
步骤七，重复多次进行正常的感应加热过程，可以根据实际应用的需要，适时运行一次闭环调试，保证加热效果误差符合设备的加热精度要求。
通过应用以上技术方案，在高温超导直流感应加热系统中设置多组一一对应的适配调节单元和磁场适配单元，根据所述导体胚料的目标轴向温度分布确定所述磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合；基于所述控制指令集合依次控制所述伺服电机进行转动，以使所述磁场适配单元达到与所述目标轴向温度分布对应的位置分布；获取所述导体胚料在所述位置分布下加热后的测量轴向温度分布；根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布进行闭环控制，以使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度，从而在按照指定的轴向温度分布目标加热导体胚料的过程中，实现对加热温度误差的有效控制，提高了温度调控精度。
为了达到以上技术目的，本申请实施例还提出了一种基于闭环控制加热导体胚料的设备，应用于高温超导直流感应加热系统中，所述加热系统中设置有多组一一对应的适配调节单元和磁场适配单元，如图7所示，所述设备包括：
确定模块701，用于根据所述导体胚料的目标轴向温度分布确定所述磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合；
第一控制模块702，用于基于所述控制指令集合依次控制所述伺服电机进行转动，以使所述磁场适配单元达到与所述目标轴向温度分布对应的位置分布；
获取模块703，用于获取所述导体胚料在所述位置分布下加热后的测量轴向温度分布；
第二控制模块704，根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布进行闭环控制，以使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度。
在具体的应用场景中，所述第二控制模块704，具体用于：
根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布确定轴向温度误差分布；
当所述轴向温度误差分布中任一误差分量的绝对值大于所述预设加热精度时，基于所述温度误差分布确定所述目标轴向温度分布，并通知所述确定模块701继续根据所述目标轴向温度分布确定所述控制指令集合；
当所述轴向温度误差分布中每一误差分量的绝对值均小于所述预设加热精度时，结束所述闭环控制。
在具体的应用场景中，所述加热系统中还设置有温度传感器集合，所述获取模块703，具体用于：
基于所述温度传感器集合获取多个原始温度数据；
根据预设多项式拟合阶数对多个所述原始温度数据进行归一化拟合；
基于所述归一化拟合的结果确定所述测量轴向温度分布。
在具体的应用场景中，所述第一控制模块702，具体用于执行：
步骤a，根据待调节磁场适配单元对所述伺服电机进行选址；
步骤b，基于所述选址的结果确定待控制伺服电机；
步骤c，从所述控制指令集合中选取与所述待控制伺服电机对应的控制指令，所述控制指令中包括转动方向和转动角度；
步骤d，基于所述控制指令驱动所述待控制伺服电机按所述转动方向和所述转动角度进行转动，以使所述待调节磁场适配单元移动到对应位置；
步骤e，依次选定其他磁场适配单元作为所述待调节磁场适配单元，执行所述步骤a-d，以使所述磁场适配单元达到所述位置分布；
其中，所述步骤d，具体为：
基于所述控制指令驱动所述待控制伺服电机上的齿轮按所述转动方向和所述转动角度进行转动；
基于所述齿轮的转动带动与所述齿轮啮合的链条和与所述链条相连的曳引绳发生水平位移；
基于所述水平位移使经滑轮与所述曳引绳连接的所述待调节磁场适配单元产生垂直方向上的第一位移，以及使经所述齿轮与所述链条连接的对重产生垂直方向上的第二位移，所述第一位移和所述第二位移的距离相等且方向相反；
基于所述第一位移和所述第二位移使所述待调节磁场适配单元移动到所述对应位置。
在具体的应用场景中，所述确定模块701，具体用于：
根据所述目标轴向温度分布和预设对应关系确定目标轴向磁场分布，所述预设对应关系为在所述导体胚料上呈现均匀温度分布时，均匀温度与匀强磁场的对应关系；
根据所述目标轴向磁场分布和当前轴向磁场分布确定权函数，其中，当所述当前轴向磁场分布按所述权函数加权叠加后等于所述目标轴向磁场分布；
基于所述权函数和预设映射关系表确定所述磁场适配单元的调节量集合，所述预设映射关系表是根据所述权函数的分量与所述调节量的映射关系建立的；
根据所述调节量集合确定所述伺服电机的控制指令集合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于闭环控制加热导体胚料的方法，应用于高温超导直流感应加热系统中，其特征在于，所述加热系统中设置有多组一一对应的磁场适配调节单元和磁场适配单元，所述方法包括：
步骤S1，根据所述导体胚料的目标轴向温度分布确定所述磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合；
步骤S2，基于所述控制指令集合依次控制所述伺服电机进行转动，以使所述磁场适配单元达到与所述目标轴向温度分布对应的位置分布；
步骤S3，获取所述导体胚料在所述位置分布下加热后的测量轴向温度分布；
步骤S4，根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布进行闭环控制，以使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4，具体为：
根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布确定轴向温度误差分布；
当所述轴向温度误差分布中任一误差分量的绝对值大于所述预设加热精度时，基于所述温度误差分布确定所述目标轴向温度分布，执行所述步骤S1；
当所述轴向温度误差分布中每一误差分量的绝对值均小于所述预设加热精度时，结束所述闭环控制。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热系统中还设置有温度传感器集合，所述步骤S3，具体为：
基于所述温度传感器集合获取多个原始温度数据；
根据预设多项式拟合阶数对多个所述原始温度数据进行归一化拟合；
基于所述归一化拟合的结果确定所述测量轴向温度分布。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2，具体为：
步骤a，根据待调节磁场适配单元对所述伺服电机进行选址；
步骤b，基于所述选址的结果确定待控制伺服电机；
步骤c，从所述控制指令集合中选取与所述待控制伺服电机对应的控制指令，所述控制指令中包括转动方向和转动角度；
步骤d，基于所述控制指令驱动所述待控制伺服电机按所述转动方向和所述转动角度进行转动，以使所述待调节磁场适配单元移动到对应位置；
步骤e，依次选定其他磁场适配单元作为所述待调节磁场适配单元，执行所述步骤a-d，以使所述磁场适配单元达到所述位置分布；
其中，所述步骤d，具体为：
基于所述控制指令驱动所述待控制伺服电机上的齿轮按所述转动方向和所述转动角度进行转动；
基于所述齿轮的转动带动与所述齿轮啮合的链条和与所述链条相连的曳引绳发生水平位移；
基于所述水平位移使经滑轮与所述曳引绳连接的所述待调节磁场适配单元产生垂直方向上的第一位移，以及使经所述齿轮与所述链条连接的对重产生垂直方向上的第二位移，所述第一位移和所述第二位移的距离相等且方向相反；
基于所述第一位移和所述第二位移使所述待调节磁场适配单元移动到所述对应位置。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1，具体为：
根据所述目标轴向温度分布和预设对应关系确定目标轴向磁场分布，所述预设对应关系为在所述导体胚料上呈现均匀温度分布时，均匀温度与匀强磁场的对应关系；
根据所述目标轴向磁场分布和当前轴向磁场分布确定权函数，其中，当所述当前轴向磁场分布按所述权函数加权叠加后等于所述目标轴向磁场分布；
基于所述权函数和预设映射关系表确定所述磁场适配单元的调节量集合，所述预设映射关系表是根据所述权函数的分量与所述调节量的映射关系建立的；
根据所述调节量集合确定所述伺服电机的控制指令集合。
6.一种基于闭环控制加热导体胚料的设备，应用于高温超导直流感应加热系统中，其特征在于，所述加热系统中设置有多组一一对应的磁场适配调节单元和磁场适配单元，所述设备包括：
确定模块，用于根据所述导体胚料的目标轴向温度分布确定所述磁场适配调节单元中的伺服电机的控制指令集合；
第一控制模块，用于基于所述控制指令集合依次控制所述伺服电机进行转动，以使所述磁场适配单元达到与所述目标轴向温度分布对应的位置分布；
获取模块，用于获取所述导体胚料在所述位置分布下加热后的测量轴向温度分布；
第二控制模块，根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布进行闭环控制，以使所述测量轴向温度分布达到预设加热精度。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述第二控制模块，具体用于：
根据所述目标轴向温度分布和所述测量轴向温度分布确定轴向温度误差分布；
当所述轴向温度误差分布中任一误差分量的绝对值大于所述预设加热精度时，基于所述温度误差分布确定所述目标轴向温度分布，并通知所述确定模块继续根据所述目标轴向温度分布确定所述控制指令集合；
当所述轴向温度误差分布中每一误差分量的绝对值均小于所述预设加热精度时，结束所述闭环控制。
8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述加热系统中还设置有温度传感器集合，所述获取模块，具体用于：
基于所述温度传感器集合获取多个原始温度数据；
根据预设多项式拟合阶数对多个所述原始温度数据进行归一化拟合；
基于所述归一化拟合的结果确定所述测量轴向温度分布。
9.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述第一控制模块，具体用于执行：
步骤a，根据待调节磁场适配单元对所述伺服电机进行选址；
步骤b，基于所述选址的结果确定待控制伺服电机；
步骤c，从所述控制指令集合中选取与所述待控制伺服电机对应的控制指令，所述控制指令中包括转动方向和转动角度；
步骤d，基于所述控制指令驱动所述待控制伺服电机按所述转动方向和所述转动角度进行转动，以使所述待调节磁场适配单元移动到对应位置；
步骤e，依次选定其他磁场适配单元作为所述待调节磁场适配单元，执行所述步骤a-d，以使所述磁场适配单元达到所述位置分布；
其中，所述步骤d，具体为：
基于所述控制指令驱动所述待控制伺服电机上的齿轮按所述转动方向和所述转动角度进行转动；
基于所述齿轮的转动带动与所述齿轮啮合的链条和与所述链条相连的曳引绳发生水平位移；
基于所述水平位移使经滑轮与所述曳引绳连接的所述待调节磁场适配单元产生垂直方向上的第一位移，以及使经所述齿轮与所述链条连接的对重产生垂直方向上的第二位移，所述第一位移和所述第二位移的距离相等且方向相反；
基于所述第一位移和所述第二位移使所述待调节磁场适配单元移动到所述对应位置。
10.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述确定模块，具体用于：
根据所述目标轴向温度分布和预设对应关系确定目标轴向磁场分布，所述预设对应关系为在所述导体胚料上呈现均匀温度分布时，均匀温度与匀强磁场的对应关系；
根据所述目标轴向磁场分布和当前轴向磁场分布确定权函数，其中，当所述当前轴向磁场分布按所述权函数加权叠加后等于所述目标轴向磁场分布；
基于所述权函数和预设映射关系表确定所述磁场适配单元的调节量集合，所述预设映射关系表是根据所述权函数的分量与所述调节量的映射关系建立的；
根据所述调节量集合确定所述伺服电机的控制指令集合。
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