Elektrikli ısıl işlem fırınlarının modellenmesi ve sıcaklık kontrolü

Abstract

Bu tez, elektrikli ısıl işlem fırınlarına farklı kontrol stratejilerinin uygulamalarını hedef almaktadır. Öncelikle, elektrikli bir ısıl işlem fırınının ısıl davranışını tanımlayan bir dinamik model geliştirilmiş ve fırının durum denklemleri standart matris formunda elde edilmiştir. Daha sonra sayısal hesaplamalarda kullanılan sistem parametreleri belirlenmiştir. Yalıtımın etkisini incelemek için fırının yalıtım duvar katmanının yapısı üç farklı şekilde tasarlanmıştır. Belirlenme zorluklarından dolayı, fırının iç refrakter katmanı ve ısıl işlem gören malzeme arasındaki konveksiyon/radyasyon direncinin üç farklı değeri seçilmiştir. Hesaplamalar işlem gören malzemenin iki farklı kütle değeri için yürütülmüştür. Aç-kapa, PID, optimum ve düşük mertebeden durum gözlemleyicileriyle optimum kontrol yöntemlerinin uygulanması için algoritmalar geliştirilmiştir. Fırında işlem gören malzemeyi ortam sıcaklığından belli bir referans sıcaklığına getirmek için her bir kontrol yöntemi uygulanarak sayısal simulasyonlar yapılmıştır. Sonuçlar kontrol doğruluğunu ve geçici cevap özelliklerini özetleyen performans kartlarıyla sunulmuştur. Sistem çıkışının ve diğer önemli sistem değişkenlerinin zaman cevapları grafikler halinde verilmiştir. Simulasyonlardan elde edilen performans kartları ve grafikler düşük mertebeden durum gözlemleyicisi kullanılarak yapılan optimum kontrolün, tüm durum değişkenlerinin geribeslendiği optimum kontrol kadar iyi olduğunu; diğer önerilen kontrol yöntemlerinden çok daha iyi kontrol doğruluğu, göreli kararlılık ve cevap hızı sağladığını göstermiştir.

This thesis addresses different kinds of control strategy applications for electrical heat treatment furnaces. First, a dynamic model of an electrical heat treatment furnace has been developed to describe its termal behavior, and the state equations have been obtained in the standard matrix form. Then, system parameters of the furnaces used in the numerical calculations have been determined. Three different values of thickness of the insulation layer have been considered to investigate the effect of insulation on the system behavior. Since determination of the equivalent thermal resistance between the inner furnace wall and the processed material is difficult, three different values of it have been used. The calculations were carried out for two different mass values of the processed material. Algorithms have been developed to perform on-off, PID, optimum, and reduced-order state observer based optimal control methods. Numerical simulations have been carried out to bring temperature of the processed material from the environment temperature to a final reference temperature by using each of the control methods. Results have been presented by performance charts which summarize the control accuracy and the transient response features. Time response of the system output and other relevant variables have been presented in graphical form. Performance charts and graphics obtained from simulations have shown that the reduced-order state observer based optimal control is as good as the optimal control in which all the state variables are employed, and provides much better control accuracy, relative stability and speed of response compared to the other proposed control methods.