ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT TRỤ TRÒN  DỰA TRÊN MÔ HÌNH ĐIỆN TỪ - NHIỆT 1-D

Đặng Danh Hoằng; Nguyễn Văn Chí

doi:10.34238/tnu-jst.14040

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT TRỤ TRÒN DỰA TRÊN MÔ HÌNH ĐIỆN TỪ - NHIỆT 1-D

Thông tin bài báo

Ngày nhận bài: 19/11/25 Ngày hoàn thiện: 28/02/26 Ngày đăng: 28/02/26

Các tác giả

1. Đặng Danh Hoằng, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên
2. Nguyễn Văn Chí , Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, quá trình gia nhiệt trụ tròn được mô hình hóa bằng mô hình điện từ – nhiệt một chiều và xây dựng bài toán điều khiển tối ưu tần số theo thời gian. Với thời gian gia nhiệt đặt trước , quỹ đạo tần số được tối ưu nhằm đảm bảo nhiệt độ bề mặt đạt giá trị mục tiêu tại thời điểm cuối, đồng thời giảm chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề mặt và làm mượt tín hiệu điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy quỹ đạo tần số tối ưu cải thiện đáng kể độ đồng đều nhiệt so với trường hợp tần số không đổi trong cùng thời gian gia nhiệt. Trên cơ sở mô hình điện từ–nhiệt 1-D theo bán kính, bài toán tối ưu được quy về tính toán theo từng điểm và giải bằng fmincon với các ràng buộc đảm bảo nhiệt độ bề mặt đạt chính xác giá trị mong muốn trong thời gian đặt trước, đồng thời giữ gradient nhiệt giữa tâm và bề mặt luôn nhỏ hơn giới hạn cho phép. Kết quả tính toán cho thấy tần số ban đầu tăng theo nhiệt độ mục tiêu và giảm theo thời gian để tránh quá nhiệt độ, phân bố nhiệt độ đồng đều khẳng định tính hiệu quả của nghiệm tối ưu, trong khi quỹ đạo điều chỉnh tần số thay đổi trơn tru cho thấy tính khả thi trong triển khai thực tế. Nghiên cứu mở đường cho việc mở rộng mô hình lên 2-D (r–z) nhằm xét dẫn nhiệt dọc trục và điều kiện biên đầu–cuối, cũng như phát triển luật điều khiển đa tham số phục vụ các ứng dụng gia công phụ gia, xử lý nhiệt bán dẫn và vật liệu composite.

Từ khóa

Gia nhiệt cảm ứng; Tần số tối ưu; Điều khiển tối ưu; Mô hình 1-D; Mô hình điện từ- nhiệt

Toàn văn:

PDF

Tài liệu tham khảo

[1] S. Midson and K. Brissing, “Semi-solid casting of aluminum alloys: a status report,” Mod. Cast., vol. 87, pp. 41–43, 1997.

[2] S. Midson,V. Rudnev, and R. Gallik, “Semi-solid processing of aluminumalloys,” Ind. Heat., vol. 1, pp. 37–41, 1999.

[3] H. K. Jung and C. G. Kang, “Induction heating process of an Al–Si aluminum alloy for semi-solid die casting and its resulting microstructure,” J. Mater. Process. Technol., vol. 120, pp. 355–364, 2002.

[4] Y. Ono, C. Q. Zheng, F.G. Hamel, R. Charron, and C. A. Loong, “Experimental investigation on monitoring and control of induction heating process for semi-solid alloys using the heating coil as sensor,” Meas. Sci. Technol., vol.13, pp. 1359–1365, 2002.

[5] D.-C. Ko, G.-S. Min, B.-M. Kim, and J.-C. Choi, “Finite element analysis for the semi-solid state forming of aluminum alloy considering induction heating,” J. Mater. Process. Technol., vol. 100, pp. 95–104, 2000.

[6] M. C. Flemings, “Behavior of metal alloys in the semi-solid state,” Metall. Trans. A, vol. 22, pp. 957–981, 1991.

[7] K.T. Nguyen and A. Bendada, “An inverse approach for the prediction of the temperature evolution during induction heating of a semi-solid casting billet,” Modell. Simul. Mater. Sci. Eng., vol. 8, pp. 857–870, 2000.

[8] S. Midson, V. Rudnev, and R. Gallik, “The induction heating of semi-solid aluminum alloys,” in: Proceedings of the Fifth International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Golden, CO, 1998, pp. 497–504.

[9] A. Bendada, K. T. Nguyen, and C. A. Loong, “Application of infrared imaging in optimizing the induction heating of semi-solid aluminum alloys,” in Proceedings of the International Symposium on Advanced Sensors for Metals Processing, Quebec, 1999, pp. 331–342.

[10] P. Kapranos, R.C. Gibson, D. H. Kirkwood, and C. M. Sellars, “Induction heating and partialmelting of highmelting point thixoformable alloys,” in Proceedings of the Fourth International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Shefﬁeld, 1996, pp. 148–152.

[11] A. G. Butkovskii and A. Y. Lerner, “The optimal control systemswith distributed parameter,” Auto. Remote Control, vol. 21, pp. 472–477, 1960.

[12] Y. Sakawa, “Solution of an optimal control problem in a distributed parameter system,” IEEE Trans. Auto. Contr., vol. 9, pp. 420–426, 1964.

[13] Y. Sakawa, “Optimal control of a certain type of linear distributed-parameter system,” IEEE Trans. Auto. Contr., vol.11, pp. 35–41, 1966.

[14] R. K. Cavin and S. C. Tandon, “Distributed parameter system optimum con- trol design via ﬁnite element discretization,” Automatica, vol. 13, pp. 611–614, 1977.

[15] R. A. Meric, “Finite element analysis of optimal heating of a slab with temperature dependent thermal conductivity,” Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 22, pp. 1347–1353, 1979.

[16] R. A. Meric, “Finite element and conjugate gradient methods for a nonlinear optimal heat transfer control problem,” Int. J. Numer. Methods Eng., vol. 14, pp. 1851–1863, 1979.

[17] C. T. Kelley and E. W. Sachs, “A trust region method for parabolic boundary control problems,” SIAM J. Optimization, vol. 9, pp. 1064–1081, 1999.

[18] C. H. Huang, “A nonlinear optimal control problem in determining the strength of the optimal boundary heat ﬂuxes,” Numer. Heat Transfer Part B, vol. 40, pp. 411–429, 2001.

[19] C. H. Huang and C. Y. Li, “A three-dimensional optimal control problemin determining the boundary control heat ﬂuxes,” Heat Mass Transfer, vol. 39, pp. 589–598, 2003.

[20] C. J. Chen and M. N. Ozisik, “Optimal heating of a slabwith a plane heat source of timewise varying strength,” Numer. Heat Transfer Part A, vol. 21, pp. 351–361, 1992.

[21] X. Cui et al., “Analysis and optimization of induction heating processes,” Applied Energy, vol. 321, pp.1-10, 2022.

[22] P. Garois et al., “Data-Driven Inverse Problem for Optimizing Double-Frequency Induction Heating,” Metals, vol.13, pp. 1-15, 2023.

[23] M. Zarghoon et al., “Full-state feedback LQR with integral gain for control of induction heating of steel billet,” Engineering Science and Technology, an International Journal, vol. 55, pp. 1-14, 2024.

[24] B. Heinrich, “Efficient induction heating frequency analysis,” Master Thesis, Technische Universitat Wien, Mat.No. 11826363, 2023.

[25] V. I. Lusgin et al., “Energy-efficient installations of multi-zone multi-frequency induction heating of steel billets for large deformation,” IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, vol. 950, pp.1-11, 2020.

[26] H. Ghafoorinejad et al., “Cascade deep learning approach for design and control optimization of a dual-frequency induction heating device,” Energies, vol. 18, pp.1-19, 2025.

DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.14040

Các bài báo tham chiếu

Hiện tại không có bài báo tham chiếu



Ghi nhớ