微波加熱過程有限維熱-電磁耦合建模及魯棒溫度控制.pdf

1、微波作為一類新型能量載體已經(jīng)在食品、化工、冶金及材料等眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值。相比于傳統(tǒng)的加熱過程，微波能夠容易地穿透大部分介電媒質(zhì)，在與媒質(zhì)相互作用的同時(shí)直接生成體積熱，具有卓越的節(jié)能、省時(shí)和環(huán)保特性。隨著節(jié)能減排的全球化理念深入人心，微波能技術(shù)已經(jīng)吸引越來越多科學(xué)家、工程師的重視，并作為一種新型熱工手段，對(duì)各類涉及熱處理行業(yè)的技術(shù)改造與設(shè)備更新造成了極大地沖擊。
　　但由于對(duì)微波與媒質(zhì)相互作用的機(jī)理不夠熟悉，常導(dǎo)致在不匹

2、配的微波輻射下，被加熱媒質(zhì)會(huì)出現(xiàn)受熱不均。若缺乏有效的調(diào)控策略，局部過熱現(xiàn)象將會(huì)進(jìn)一步加劇，并有可能引發(fā)燃燒、爆炸等熱失控(thermal runaway)現(xiàn)象，進(jìn)而毀壞磁控管、傳輸線以及被加熱媒質(zhì)，無法保證微波源安全、高效及可靠的應(yīng)用。而解決上述問題的有效措施之一則是在深入分析微波加熱動(dòng)態(tài)過程的基礎(chǔ)上，輔以不同區(qū)域的檢測(cè)信息，設(shè)計(jì)合理的功率調(diào)節(jié)策略，以實(shí)現(xiàn)期望的全局/局部溫升曲線。
　　本論文在973計(jì)劃子課題“基于負(fù)載特性的微

3、波源實(shí)時(shí)智能控制理論與關(guān)鍵技術(shù)”支持下，主要圍繞微波加熱過程中“建?！奔啊翱刂啤眱纱箨P(guān)鍵性問題展開研究，探尋多物理場(chǎng)自身演化機(jī)理與相互耦合規(guī)律，構(gòu)建具有明確耗散功率的微波加熱溫度模型，改進(jìn)譜迦遼金法，提出有限維微波加熱ODE溫度模型及其耦合算法并設(shè)計(jì)輸入受限的滾動(dòng)時(shí)域魯棒溫度譜/溫度跟蹤控制策略，以實(shí)現(xiàn)微波加熱過程中熱失控的抑制，其主要研究工作及相關(guān)成果包括如下幾個(gè)方面：
　　①針對(duì)微波加熱介電媒質(zhì)的耦合原理，將微波加熱溫度模型劃

4、分為電磁場(chǎng)及熱動(dòng)力學(xué)場(chǎng)子模型兩大部分，并運(yùn)用數(shù)學(xué)語言分別對(duì)多物理場(chǎng)自身演化與相互耦合機(jī)理進(jìn)行刻畫。其中，媒質(zhì)內(nèi)部熱傳導(dǎo)、邊界熱對(duì)流以及能量轉(zhuǎn)化的過程利用一類具有非齊次項(xiàng)的拋物線型偏微分方程（PDE）模型進(jìn)行表征。而“熱-電磁”時(shí)空耦合過程需要在深入分析電磁傳播機(jī)理的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)介電常數(shù)不隨/隨溫度變化情形，將傳統(tǒng)的主模分析法和空間離散法進(jìn)行推廣，構(gòu)建出具有明確耗散功率的微波加熱溫度模型。
　　②空間微分算子無限維特征和非齊次N

5、eumann邊界條件的約束導(dǎo)致難以基于機(jī)理模型設(shè)計(jì)控制器。針對(duì)這一障礙，論文首先從理論上分析非齊次Neumann邊界條件的穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)特征，推導(dǎo)出具有齊次Neumann邊界條件的等價(jià)PDE模型。并以此為基礎(chǔ)，利用特征譜分解與迦遼金截?cái)嗟奶匦裕岢鲞m合于控制設(shè)計(jì)的有限維微波加熱常微分方程（ODE）近似溫度模型。并圍繞微波加熱德拜媒質(zhì)數(shù)值仿真中多物理場(chǎng)子模型間網(wǎng)格化與非網(wǎng)格化的沖突，借助空間離散局部反饋信息，提出時(shí)變電磁子模型與有限維ODE

6、模型串行求解策略，為控制器設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　?、垡杂邢蘧SODE溫度模型為基礎(chǔ)，首先研究在熱點(diǎn)區(qū)域未知情形下的跟蹤控制策略，利用未受擾動(dòng)的期望模型，將模型跟蹤問題轉(zhuǎn)化成誤差鎮(zhèn)定問題。并在線性矩陣不等式（LMI）多目標(biāo)優(yōu)化框架下，圍繞微波加熱德拜與非德拜媒質(zhì)過程中輸入受限的有界擾動(dòng)抑制問題進(jìn)行分析，融合魯棒優(yōu)化理論，分別提出滾動(dòng)時(shí)域H∞與改進(jìn)型滾動(dòng)時(shí)域H∞溫度譜跟蹤策略。進(jìn)一步，為了提高閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能并減弱輸入抖振，以H∞增益

7、與保性能函數(shù)兩者結(jié)合的性能指標(biāo)為依托，提出滾動(dòng)時(shí)域H∞保性能溫度譜跟蹤控制策略。
　?、茚槍?duì)熱點(diǎn)區(qū)域已知的微波加熱過程作為研究對(duì)象，利用期望的溫升曲線，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最高溫度跟蹤問題進(jìn)行分析與探討。分別圍繞介電常數(shù)不隨溫度和隨溫度變化兩種情形，構(gòu)建出離散形式的確定型/不確定型增廣模型。同樣以H∞增益與保性能函數(shù)作為性能指標(biāo)，將連續(xù)時(shí)間域中所設(shè)計(jì)的輸入受限魯棒控制策略推廣到離散時(shí)間層面，分別提出滾動(dòng)時(shí)域H∞、改進(jìn)型滾動(dòng)時(shí)域H∞以及滾動(dòng)時(shí)