CN116126056B - 材料加工温度动态控制策略生成方法、系统、终端及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了材料加工温度动态控制策略生成方法、系统、终端及介质，涉及温度控制技术领域，其技术方案要点是：建立三维模型；模拟得到加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场，并随机叠加得到融合温度分布场；以加工温度上限值为融合温度分布场的热点温度以及融合温度分布场所有位置的温度均不小于加工温度下限值为条件，筛选得到温度热点位于反应容器同一径向方向不同位置时的加热功率序列；依据水平循环周期与竖向旋转周期的乘积确定调控周期；分配得到实现温度热点在调控周期内同时沿径向方向和圆周方向变换的实时加热功率序列。本发明实现了加工材料在热点温度下无死区加热，使得加工材料高效的均匀升温，保证了加工制品的材料特性。

Description

材料加工温度动态控制策略生成方法、系统、终端及介质

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，更具体地说，它涉及材料加工温度动态控制策略生成方法、系统、终端及介质。

背景技术

材料加工主要是将原材料、添加剂、助剂等转变成实用材料或制品的技术，其过程一般会通过对反应容器进行加热来使得加工过程保持在一定的温度范围之内，而材料加工的加热方式主要有电加热、导热油加热、蒸汽加热等方式，相比较导热油加热而言，电加热具有安全性高、清洁无污染和操作方便等特点，其具有更好的应用前景。

目前，电加热方式主要是在反应容器中设置电加热器件来实现加工材料的加热，其受加热器件的分布位置和加工材料混合不均匀的因素影响，导致反应容器中加工材料的加热温度分布不均匀，易出现稳定的温度热点。为此，现有技术中一般通过设置搅拌器来对加工材料进行搅拌，以使得加工材料受热更为均匀。然而，受加工过程混合物的成分增多而导致的粘度变化以及搅拌器的结构限制影响，加工材料在搅拌过程中存在一定的层流现象和搅拌死区，导致部分材料受热不均匀，从而影响到加工制备的性能和加工效率。如复合绝缘材料，其受热不均匀所制备的成品，将会严重影响材料的绝缘强度、耐压强度以及耐热性能等，在复杂环境下的使用寿命将会极大的缩短。

因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的材料加工温度动态控制策略生成方法、系统、终端及介质是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供材料加工温度动态控制策略生成方法、系统、终端及介质，通过模拟分析各个加热单元的有效温度分布场，并将温度热点在反应容器的整个平面内动态调控，配合加工材料在搅拌混合的流体运动下，实现了加工材料在热点温度下无死区加热，使得加工材料高效的均匀升温，保证了加工制品的材料特性。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了材料加工温度动态控制策略生成方法，包括以下步骤：

依据反应容器的结构参数和位于反应容器上呈分布式布置的加热组件的分布位置信息建立三维模型；

依据反应容器和加工材料的热传导效应模拟得到加热组件中单个加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场，并将所有加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场在三维模型中进行随机叠加得到多个融合温度分布场；

以加工温度上限值为融合温度分布场的热点温度以及融合温度分布场所有位置的温度均不小于加工温度下限值为条件，筛选得到温度热点位于反应容器同一径向方向不同位置时各个加热单元所对应的加热功率序列；

依据加工材料的流动特性以及搅拌件的结构参数和搅拌速度进行流体动力学分析，得到加工材料层流时切向流速以及径向流速或轴向流速，并结合加工材料的层流路径确定水平循环周期和竖向旋转周期，以及依据水平循环周期与竖向旋转周期的乘积确定调控周期；

从多个加热功率序列中为各个加热单元分配得到实现温度热点在调控周期内同时沿径向方向和圆周方向变换的实时加热功率序列。

进一步的，所述有效温度分布场为加热单元在对应的加热功率下于预设升温时间内通过热传导效应对反应容器中相应层流的加工材料进行加热所形成的温度分布场。

进一步的，若所述层流的竖向厚度大于反应容器的等效半径，则竖向旋转周期的计算公式具体为：

其中，T表示竖向旋转周期；vh表示轴向流速；h表示层流厚度；r表示反应容器的等效半径。

进一步的，若所述层流的竖向厚度小于或等于反应容器的等效半径，则竖向旋转周期的计算公式具体为：

其中，T表示竖向旋转周期；vr表示径向流速；h表示层流厚度；r表示反应容器的等效半径。

进一步的，所述水平循环周期为反应容器在等效半径下的周长与对应等效半径下的切向流速之比。

进一步的，所述调控周期为N倍的水平循环周期与竖向旋转周期之积，N为正整数。

进一步的，所述实时加热功率序列的分配公式具体为：

T_d＝T₀m

其中，Pj表示反应容器在第j个径向位置所对应的加热功率序列；Pij表示第j个加热功率序列中的第i个加热功率；n表示加热功率序列中加热功率的数量，取值为加热单元数量；m表示加热功率序列的数量，取值为加热单元数量；Pi(T0j)表示第i个加热单元在第j个调控时段T0j所分配的实时加热功率；

表示第j个加热功率序列中的第i+j-1-fn个加热功率；f表示自然数；Td表示调控周期；T0表示调控时段。

第二方面，提供了材料加工温度动态控制策略生成系统，包括：

模型构建模块，用于依据反应容器的结构参数和位于反应容器上呈分布式布置的加热组件的分布位置信息建立三维模型；

温度模拟模块，用于依据反应容器和加工材料的热传导效应模拟得到加热组件中单个加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场，并将所有加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场在三维模型中进行随机叠加得到多个融合温度分布场；

功率生成模块，用于以加工温度上限值为融合温度分布场的热点温度以及融合温度分布场所有位置的温度均不小于加工温度下限值为条件，筛选得到温度热点位于反应容器同一径向方向不同位置时各个加热单元所对应的加热功率序列；

周期分析模块，用于依据加工材料的流动特性以及搅拌件的结构参数和搅拌速度进行流体动力学分析，得到加工材料层流时切向流速以及径向流速或轴向流速，并结合加工材料的层流路径确定水平循环周期和竖向旋转周期，以及依据水平循环周期与竖向旋转周期的乘积确定调控周期；

功率分配模块，用于从多个加热功率序列中为各个加热单元分配得到实现温度热点在调控周期内同时沿径向方向和圆周方向变换的实时加热功率序列。

第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的材料加工温度动态控制策略生成方法。

第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的材料加工温度动态控制策略生成方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的材料加工温度动态控制策略生成方法，通过模拟分析各个加热单元的有效温度分布场，并将温度热点在反应容器的整个平面内动态调控，配合加工材料在搅拌混合的流体运动下，实现了加工材料在热点温度下无死区加热，使得加工材料高效的均匀升温，保证了加工制品的材料特性；

2、本发明将温度热点沿以半径逐渐增大或减小螺旋轨迹进行调控，可以有效减少部分加工材料在进行非循环的流体运动时所导致的加热不均匀的情况；

3、本发明依据加工材料形成层流运动的具有情况，灵活选取径向流速或轴向流速进行竖向旋转周期分析，使得竖向旋转周期的结果更加准确与可靠。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例1中的流程图；

图2是本发明实施例2中的系统框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：材料加工温度动态控制策略生成方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：依据反应容器的结构参数和位于反应容器上呈分布式布置的加热组件的分布位置信息建立三维模型；其中，加热组件由多个电加热方式的独立加热单元组成；

步骤S2：依据反应容器和加工材料的热传导效应模拟得到加热组件中单个加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场，并将所有加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场在三维模型中进行随机叠加得到多个融合温度分布场；

步骤S3：以加工温度上限值为融合温度分布场的热点温度以及融合温度分布场所有位置的温度均不小于加工温度下限值为条件，筛选得到温度热点位于反应容器同一径向方向不同位置时各个加热单元所对应的加热功率序列；热点温度一般为在一定波动范围内的最高温度；而加工温度上限值与加工温度下限值一般由材料加工过程中温度范围的端点值决定；

步骤S4：依据加工材料的流动特性以及搅拌件的结构参数和搅拌速度进行流体动力学分析，得到加工材料层流时切向流速以及径向流速或轴向流速，并结合加工材料的层流路径确定水平循环周期和竖向旋转周期，以及依据水平循环周期与竖向旋转周期的乘积确定调控周期；

步骤S5：从多个加热功率序列中为各个加热单元分配得到实现温度热点在调控周期内同时沿径向方向和圆周方向变换的实时加热功率序列。

需要说明的是，反应容器的结构参数包括但不限于反应容器的内部与外部的尺寸大小，如反应容器内部空间的半径大小与深度以及反应容器壳体的厚度。

在本实施例中，分布式布置的加热组件主要是在反应容器的圆周方向间隔布置多个加热单元，同时沿反应容器轴线方向布置多层加热单元。

基于以上的结构参数和分布位置信息，通过已有的3D建模软件即可构建三维模型。

在本实施例中，有效温度分布场为加热单元在对应的加热功率下于预设升温时间内通过热传导效应对反应容器中相应层流的加工材料进行加热所形成的温度分布场。

需要说明的是，温度分布场既可以采用数值模拟方法进行构建，也可以采用SOLIDWORKS Simulation软件模拟热传导后得到温度分布场，在此不受限制。

本发明还可以依据加工材料形成层流运动的具体情况，灵活选取径向流速或轴向流速进行竖向旋转周期分析。

具体的，若层流的竖向厚度大于反应容器的等效半径，则竖向旋转周期的计算公式具体为：

其中，T表示竖向旋转周期；vh表示轴向流速；h表示层流厚度；r表示反应容器的等效半径。

若层流的竖向厚度小于或等于反应容器的等效半径，则竖向旋转周期的计算公式具体为：

其中，T表示竖向旋转周期；vr表示径向流速；h表示层流厚度；r表示反应容器的等效半径。

在本实施例中，水平循环周期为反应容器在等效半径下的周长与对应等效半径下的切向流速之比。需要说明的是，分析获取的切向流速所对应的半径改变，其所对应的周长也为对应半径下的周长。

此外，如反应容器为圆形，则等效半径则为反应容器的真实半径，若反应容器为其他形状，则等效半径为将反应容器的内部体积转换成等高的圆形容器后所对应的半径。

调控周期为N倍的水平循环周期与竖向旋转周期之积，N为正整数，其可以适用于不同的材料加热效率要求以及调控频率要求。

为减少部分加工材料在进行非循环的流体运动时所导致的加热不均匀的情况，本发明将温度热点沿以半径逐渐增大或减小螺旋轨迹进行调控。为此，实时加热功率序列的分配公式具体为：

T_d＝T₀m

其中，Pj表示反应容器在第j个径向位置所对应的加热功率序列；Pij表示第j个加热功率序列中的第i个加热功率；n表示加热功率序列中加热功率的数量，取值为加热单元数量；m表示加热功率序列的数量，取值为加热单元数量；Pi(T0j)表示第i个加热单元在第j个调控时段T0j所分配的实时加热功率；

表示第j个加热功率序列中的第i+j-1-fn个加热功率；f表示自然数；Td表示调控周期；T0表示调控时段。

此外，除上述一个调控时段内仅变换一次调控功率外，本发明中还可以在一个调控时段内进行多次的加热功率调控。

实施例2：材料加工温度动态控制策略生成系统，该系统用于实现实施例1中所记载的材料加工温度动态控制策略生成方法，如图2所示。包括模型构建模块、温度模拟模块、功率生成模块、周期分析模块和功率分配模块。

其中，模型构建模块，用于依据反应容器的结构参数和位于反应容器上呈分布式布置的加热组件的分布位置信息建立三维模型；温度模拟模块，用于依据反应容器和加工材料的热传导效应模拟得到加热组件中单个加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场，并将所有加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场在三维模型中进行随机叠加得到多个融合温度分布场；功率生成模块，用于以加工温度上限值为融合温度分布场的热点温度以及融合温度分布场所有位置的温度均不小于加工温度下限值为条件，筛选得到温度热点位于反应容器同一径向方向不同位置时各个加热单元所对应的加热功率序列；周期分析模块，用于依据加工材料的流动特性以及搅拌件的结构参数和搅拌速度进行流体动力学分析，得到加工材料层流时切向流速以及径向流速或轴向流速，并结合加工材料的层流路径确定水平循环周期和竖向旋转周期，以及依据水平循环周期与竖向旋转周期的乘积确定调控周期；功率分配模块，用于从多个加热功率序列中为各个加热单元分配得到实现温度热点在调控周期内同时沿径向方向和圆周方向变换的实时加热功率序列。

工作原理：本发明通过模拟分析各个加热单元的有效温度分布场，并将温度热点在反应容器的整个平面内动态调控，配合加工材料在搅拌混合的流体运动下，实现了加工材料在热点温度下无死区加热，使得加工材料高效的均匀升温，保证了加工制品的材料特性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.材料加工温度动态控制策略生成方法，其特征是，包括以下步骤：

依据反应容器的结构参数和位于反应容器上呈分布式布置的加热组件的分布位置信息建立三维模型；

依据反应容器和加工材料的热传导效应模拟得到加热组件中单个加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场，并将所有加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场在三维模型中进行随机叠加得到多个融合温度分布场；

以加工温度上限值为融合温度分布场的热点温度以及融合温度分布场所有位置的温度均不小于加工温度下限值为条件，筛选得到温度热点位于反应容器同一径向方向不同位置时各个加热单元所对应的加热功率序列；

依据加工材料的流动特性以及搅拌件的结构参数和搅拌速度进行流体动力学分析，得到加工材料层流时切向流速以及径向流速或轴向流速，并结合加工材料的层流路径确定水平循环周期和竖向旋转周期，以及依据水平循环周期与竖向旋转周期的乘积确定调控周期；

从多个加热功率序列中为各个加热单元分配得到实现温度热点在调控周期内同时沿径向方向和圆周方向变换的实时加热功率序列；

若所述层流的竖向厚度大于反应容器的等效半径，则竖向旋转周期的计算公式具体为：

其中，T表示竖向旋转周期；vh表示轴向流速；h表示层流厚度；r表示反应容器的等效半径；

若所述层流的竖向厚度小于或等于反应容器的等效半径，则竖向旋转周期的计算公式具体为：

其中，T表示竖向旋转周期；vr表示径向流速；h表示层流厚度；r表示反应容器的等效半径；

所述水平循环周期为反应容器在等效半径下的周长与对应等效半径下的切向流速之比；

所述实时加热功率序列的分配公式具体为：

T_d＝T₀m

其中，Pj表示反应容器在第j个径向位置所对应的加热功率序列；Pij表示第j个加热功率序列中的第i个加热功率；n表示加热功率序列中加热功率的数量，取值为加热单元数量；m表示加热功率序列的数量，取值为加热单元数量；

表示第i个加热单元在第j个调控时段/>

所分配的实时加热功率；/>

表示第j个加热功率序列中的第i+j-1-fn个加热功率；f表示自然数；Td表示调控周期；T0表示调控时段。

2.根据权利要求1所述的材料加工温度动态控制策略生成方法，其特征是，所述有效温度分布场为加热单元在对应的加热功率下于预设升温时间内通过热传导效应对反应容器中相应层流的加工材料进行加热所形成的温度分布场。

3.根据权利要求1所述的材料加工温度动态控制策略生成方法，其特征是，所述调控周期为N倍的水平循环周期与竖向旋转周期之积，N为正整数。

4.材料加工温度动态控制策略生成系统，其特征是，包括：

模型构建模块，用于依据反应容器的结构参数和位于反应容器上呈分布式布置的加热组件的分布位置信息建立三维模型；

温度模拟模块，用于依据反应容器和加工材料的热传导效应模拟得到加热组件中单个加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场，并将所有加热单元在不同加热功率下的有效温度分布场在三维模型中进行随机叠加得到多个融合温度分布场；

功率生成模块，用于以加工温度上限值为融合温度分布场的热点温度以及融合温度分布场所有位置的温度均不小于加工温度下限值为条件，筛选得到温度热点位于反应容器同一径向方向不同位置时各个加热单元所对应的加热功率序列；

周期分析模块，用于依据加工材料的流动特性以及搅拌件的结构参数和搅拌速度进行流体动力学分析，得到加工材料层流时切向流速以及径向流速或轴向流速，并结合加工材料的层流路径确定水平循环周期和竖向旋转周期，以及依据水平循环周期与竖向旋转周期的乘积确定调控周期；

功率分配模块，用于从多个加热功率序列中为各个加热单元分配得到实现温度热点在调控周期内同时沿径向方向和圆周方向变换的实时加热功率序列；

若所述层流的竖向厚度大于反应容器的等效半径，则竖向旋转周期的计算公式具体为：

其中，T表示竖向旋转周期；vh表示轴向流速；h表示层流厚度；r表示反应容器的等效半径；

若所述层流的竖向厚度小于或等于反应容器的等效半径，则竖向旋转周期的计算公式具体为：

其中，T表示竖向旋转周期；vr表示径向流速；h表示层流厚度；r表示反应容器的等效半径；

所述水平循环周期为反应容器在等效半径下的周长与对应等效半径下的切向流速之比；

所述实时加热功率序列的分配公式具体为：

Td＝T0m

其中，Pj表示反应容器在第j个径向位置所对应的加热功率序列；Pij表示第j个加热功率序列中的第i个加热功率；n表示加热功率序列中加热功率的数量，取值为加热单元数量；m表示加热功率序列的数量，取值为加热单元数量；

表示第i个加热单元在第j个调控时段/>

所分配的实时加热功率；/>

表示第j个加热功率序列中的第i+j-1-fn个加热功率；f表示自然数；Td表示调控周期；T0表示调控时段。

5.一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-3中任意一项所述的材料加工温度动态控制策略生成方法。

6.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1-3中任意一项所述的材料加工温度动态控制策略生成方法。

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