基于非线性时延反馈控制的混沌电磁搅拌技术研究

Electromagnetic stirring is a special kind of stirring, contactless, easy to control, widely used in metallurgical industry. Chaotic electromagnetic stirring can strengthen the convective motion, heat transmission and mass transfer of molten steel, improve the surface and internal quality greatly. At the same time, it can further improve the effect of stirring and reduce the system energy consumption. At present, the innovative technology is facing the following problems: a large range of chaotic parametric domain, continuous chaotic state under variable condition, using small control and effective chaotification for low frequency band, etc. All of these are the key problem for the application of chaotic electromagnetic stirring technology. This research can provide an effective chaotificaiton method for electromagnetic stirring system through dynamics characteristic analysis and chaotification method research. This method can theoretically provide a systematic design of chaotification for electromagnetic stirring system. This research can also reveal the inherent mechanism for quality improvement of continuous casting product on the basis of numerical simulation and experimental study of electromagtic field and flow field in the process of electromagnetic stirring. It can provide theoretical basis and technical support to achieve high efficiency, energy saving of electromagnetic stirring.

电磁搅拌属于一种不接触、易控制的搅拌形式，在冶金行业中应用广泛。当系统工作在混沌运动状态时，可以强化液态金属的对流、传热和传质过程，极大地改善铸坯的表面和内部质量，并进一步提高电磁搅拌的效率、降低系统能耗。目前，这项创新性技术面临着以下难题：大参数范围混沌区间、变工况持续混沌化、小能量控制和低频区间有效混沌化等，这些都是基于混沌控制的电磁搅拌技术能否走向工程应用的关键问题。本项目通过开展电磁搅拌系统动力学特性和混沌化方法的研究，期望为系统提供一种有效的混沌化方法，建立系统混沌化设计的标准流程。通过对电磁搅拌过程中电磁场和流场的数值仿真和试验研究，以期揭示混沌电磁搅拌对连铸产品质量改善的内在机理，为实现高效、节能的电磁搅拌提供理论基础和技术支持。

为强化液态金属的对流、传热和传质过程，进一步提高电磁搅拌的效率、降低系统能耗，利用时延反馈混沌化方法和广义同步混沌化方法，实现了电磁搅拌系统在大参数范围内的小能量混沌化。开展的研究工作如下：.电磁搅拌系统多场耦合仿真。根据Maxwell电磁学基本方程，结合有限元法，创建了电磁搅拌器系统的磁流耦合数学模型，并采用ANSYS软件进行模拟仿真。深入研究了磁场和电磁力在金属熔体中的分布规律以及电磁搅拌参数对两者的影响。建立了金属溶体流场的Gambit模型，通过自定义函数将电磁场仿真得出的电磁力加载至Fluent中进行多场耦合仿真。系统地讨论了电磁搅拌参数对金属熔体流动状态的影响规律。.基于直流电机系统的混沌反控制。建立了基于直流电机系统的时延反馈控制和广义同步混沌化动力学模型。采用非线性时延反馈控制方法，推导出了混沌电机转速关于系统参数和控制参数的解析表达式。在此基础上，根据系统目标函数，优化混沌化控制参数，寻求最优的混沌状态，以此来进一步提高系统的工作效率。采用广义同步混沌化的驱动控制原理，利用经典的Lorenz系统产生混沌信号去驱动永磁直流电机，使电机转速工作处于混沌状态。.电磁搅拌熔体中粒子的运动轨迹分析。通过分析金属溶体中粒子的运动轨迹，建立了熔体流动轨迹模型。分析和计算了金属熔体流动的Lyapunov指数和Kolmogorov熵，判断和识别金属溶体的运动状态，并比较了周期运动和混沌运动状态下金属熔体的流动效果。.非线性系统动力学分析。提出了一种基于多谐波及快速傅里叶变换的FFT多谐波平衡法。该方法可以用来获得高精度的解析解，并应用于隔振系统的阶跃响应多解性、倍周期和拟周期响应等非线性动力学特性分析。将准零刚度系统用于混沌化设计，以此来减少舰船内机械振动引发的线谱特征。将小能量控制混沌化与准零刚度系统的小刚度特性结合起来，用来降低线谱强度和提高系统响应功率谱重构的效率。