反重力铸造精密控制的关键参数分析及卡尔曼滤波估计

论文摘要

反重力铸造是一种获得大型优质构件的理想方法,它的一个主要特点是金属液在压力作用下结晶和凝固成形,从而提高铸件的性能和质量。现有的反重力铸造的铸造方法,多强调压力的控制精度,更多的关注铸件结晶凝固的过程来保证工艺要求,而由于系统具有非线性特征,对充型的动态过程研究并不深入。随着工艺的发展和小型精密构件在反重力铸造中的需求,提出了反重力精密铸造的问题,它要求能够精确的控制充型动态过程中的升液速度,由于在高温熔融的金属液中速度难以测量,需要我们对其进行控制方法上的研究,来解决充型速度的控制问题。针对这一点,本文主要做了如下工作:(1)从精密控制的角度定性分析整个铸造浇注过程,针对反重力精密铸造问题,确立要研究的控制过程和控制对象,对关键的控制参数进行工艺的研究,并给出选择方法,使整体工艺控制过程顺利进行。(2)对反重力铸造的动态过程进行了建模分析和实验验证,并有此分析得出,由于这一动态模型是一个复杂的非线性系统,具有滞后性,现行的铸造控制方法无法对充型速度进行精确的控制。(3)为了适用控制理论,解决反重力精密铸造的问题,对其控制过程进一步进行了s域的研究,并作线性化处理,得到了反重力铸造过程的控制描述,同时研究控制方案,可以通过构建状态观测器的方法,由系统输出(充型压力)来对状态变量(充型速度)进行估计。(4)鉴于卡尔曼滤波方法是一种良好的动态测量方法,可以对目标进行跟踪和预测,其估值是最小方差估计,同时考虑到反重力铸造过程具有众多噪声的干扰,采用卡尔曼滤波方法设计系统的状态观测器,分析卡尔曼滤波的递推过程,得到反重力铸造的卡尔曼滤波递推公式,并进行实验测试和仿真研究,说明其在解决反重力精密铸造对速度精度控制问题上具有可行性。本文对反重力铸造的工作机理和关键参数进行了详细的研究,将控制方法引入到了铸造工艺问题当中,清晰地描述了具有非线性特征的反重力铸造控制过程,并通过卡尔曼滤波的方法实现了对关键参数的实时估计,使用控制的方法解决了反重力精密铸造的工艺问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 反重力铸造综述
• 1.2.1 反重力铸造原理
• 1.2.2 反重力铸造类型
• 1.2.3 反重力铸造的特点
• 1.2.4 反重力铸造控制系统的发展现状与趋势
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.3.1 反重力精密铸造的控制问题
• 1.3.2 本文的结构
• 第二章 反重力铸造的控制参数的研究与选择
• 2.1 反重力铸造工艺的浇注过程
• 2.2 反重力控制参数的研究
• 2.2.1 充型压力和充型速度
• 2.2.2 结壳时间的确定
• 2.2.3 增压压力的确定
• 2.2.4 保压时间的确定
• 2.3 本章小结
• 第三章 反重力铸造过程的动态分析与建模
• 3.1 反重力铸造过程的动态过程研究
• 3.1.1 几点假设
• 3.1.2 稳态数学模型的建立
• 3.1.3 动态过程分析与建模
• 3.2 理论模型的实验验证与分析
• 3.2.1 实验过程与结果分析
• 3.2.2 对于充型信号的进一步研究
• 3.3 反重力铸造模型在S 域中的研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于卡尔曼滤波的状态观测器的设计与仿真
• 4.1 反重力精密铸造的控制方案
• 4.1.1 反重力铸造过程的状态空间描述
• 4.1.2 连续时间线性系统的时间离散化处理
• 4.1.3 控制方案的研究
• 4.2 最优线性离散滤波
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 离散系统的卡尔曼滤波
• 4.3 卡尔曼滤波观测器的实验仿真结果与分析
• 4.3.1 反重力铸造系统的卡尔曼滤波递推公式
• 4.3.2 实验测试与仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文