基于模糊控制的工業電熱爐智能控制系統研究實踐*

謝祥洲 ， 梁 濤 ， 紀久祥

（重慶城市管理職業學院， 重慶 401331）

工業生產過程中對溫度控制的要求越來越高，但是由于高溫度無法直接測試，就算能用紅外線測量，也只是得到表面溫度，這就使得在控制溫度時存在參數差、控制難等問題。與此同時，溫度受環境溫度的影響非常大，這也加大了問題的解決難度[1]。電熱爐是工業生產熱處理中的一個重要設備。控制電熱爐的溫度是溫度控制系統的典型案例，其控制特點為時變性慢、滯后性嚴重以及加熱溫度的非線性，同時受外界干擾大。一般的電熱爐升溫是靠發熱管通電加熱，降溫則是自然降溫或鼓風機物理降溫，其溫度一旦超過設置值就無法快速有效地降溫。因此，如果能高精度地控制電熱爐的溫度，一方面能極大提高熱處理工件的質量，另一方面也能有效降低能耗和提高效率。

差補式的控制方式是當前控制電熱爐溫度最常用且最便宜的控制方法，優點是成本低、結構簡單、適用面廣。然而，這種方法也存在致命缺點，即溫度控制的精確性非常低、能耗非常高、溫度控制和滯后性非常嚴重。因為插補式的控制方式所用的傳感器、計算方式和升溫降溫控制形式都存在很多問題[2]，所以用這種傳統的方法較難滿足智能制造的高精度要求。電子技術和邏輯控制器的發展，特別是一些智能化控制CPU的出現，實現了對一些常用被控對象的高精度和高穩定的控制[3]。

在工業生產過程中，尤其是金屬材料加工行業中，常常需要使用電加熱爐對加工工件進行均勻加熱處理，避免形變影響質量。針對現有技術中存在的問題，本研究旨在提供一種基于模糊PID控制的工業電熱爐裝置，在模糊控制系統中，模糊論域與物理論域可以完全一樣，但為了方便模糊控制器在不同環境下的調取應用，通常將模糊推理器參數固定不變，通過量化因子、比例因子對其進行縮放[4]。具體設計是通過圓筒箱體內部的中間軸安裝支撐桿，進而通過鉸接座連接鉸接桿和托板，在方便放置和取出加工工件的同時，能夠轉動進行均勻受熱，避免溫差導致的形變，這樣大大提高了使用的便利性和穩定性，保證加熱的安全高效。

1 工業電熱爐的機械結構設計

1.1 工業電熱爐的機械結構技術方案

基于模糊PID的工業電熱爐溫度智能控制系統包括圓筒箱體，圓筒箱體的表面固定連接長條加熱盒。圓筒箱體的一端表面轉動安裝中間軸，中間軸的一端表面設有支撐孔，中間軸的兩端表面均固定連接支撐桿[5]。支撐桿的一端側面設有鉸接座，鉸接座的表面設有鉸接桿，鉸接桿的一端固定連接托板，鉸接桿和托板均位于支撐桿的側面，托板的表面轉動安裝于圓筒箱體的側面。支撐桿的另一側表面設有限位頭，限位頭位于鉸接桿的兩側，中間軸的另一端固定安裝從動齒輪，從動齒輪轉動安裝于圓筒箱體的一端側面。

1.2 工業電熱爐外部結構立體及平面結構設計

圓筒箱體的表面固定連接長條加熱盒，可以從多個位置進行電加熱，保證加熱的效率和均勻性。鉸接桿的一端固定連接托板，可以放置工件，然后捆綁定位，方便穩定；同時可以通過鉸接桿帶著托板小幅度擺動，有利于接觸熱空氣，安全高效。結合兩側的限位頭限位，不會大幅度動作，避免相互磕碰干涉，安全高效，利于使用。鉸接桿和托板均位于支撐桿的側面，托板的表面轉動安裝于圓筒箱體的側面，支撐桿的一側表面設有限位頭，限位頭位于鉸接桿的兩側位置。圓筒箱體的側面固定安裝電機，電機的軸端轉動安裝主動齒輪，主動齒輪的表面嚙合于從動齒輪的表面。通過電機連接的主動齒輪嚙合從動齒輪，可以從外部驅動進行轉動，避免熱量沖擊電機，安全高效。

圓筒箱體的另一側表面兩端設有支腿，圓筒箱體的表面固定安裝控制盒。底部安裝支腿和控制盒，利于支撐控制，避免干涉，方便穩定。圓筒箱體的另一端開口設有支撐座，支撐座的表面鉸接蓋板。鉸接安裝蓋板，利于保溫防護，同時方便打開進行出料，安全高效。蓋板的一側表面設有支撐頭，支撐頭的表面插接于支撐孔的側面，通過蓋板連接支撐頭，可以對中間軸進行支撐，保證轉動的穩定性。蓋板的另一端表面設有定位塊，定位塊的表面螺紋安裝于圓筒箱體的側面，通過蓋板連接定位塊，可以鎖緊定位，強化防護保溫效果[6]。圓筒箱體的另一側表面設有排氣管，排氣管位于長條加熱盒的一側位置，通過安裝排氣管，可以排氣泄壓，提高使用的安全性。

使用時，可以打開蓋板，將加工工件插入圓筒箱體內部，并且放置到托板表面，然后捆綁定位，方便穩定。合上蓋板，通過定位塊螺紋定位，可以保溫密封，穩定高效，然后可以啟動電路通過加熱棒進行加熱，利于熱處理。通過電機帶著主動齒輪轉動，可以嚙合從動齒輪帶著中間軸轉動，也就可以通過支撐桿帶著托板轉動，保證定位的工件轉動的不同位置，保證受熱均勻，避免因局部溫差過大而形變，提高質量和效率。工業電熱爐的整體結構外部立體和平面結構分別如圖1、圖2所示。

圖1 工業電熱爐的整體結構外部立體示意圖

圖2 工業電熱爐的平面結構示意圖

1.3 工業電熱爐主要內部結構設計

工業電熱爐托板連接的局部結構中，圓筒箱體的一端表面轉動安裝有中間軸。中間軸的兩端表面均固定連接支撐桿，支撐桿的一端側面就是鉸接座并且連接著鉸接桿，鉸接桿的另一端固定連接托板，用于放置加工工件。同時可以通過鉸接桿帶著托板小幅度擺動，利于接觸熱空氣，安全高效。中間軸的另一端固定安裝從動齒輪，電機的軸端轉動安裝主動齒輪，主動齒輪的表面嚙合于從動齒輪的表面，通過電機連接的主動齒輪嚙合從動齒輪，可以從外部驅動進行轉動，避免熱量沖擊電機[7]。工業電熱爐托板連接的局部結構示意圖如圖3所示。

圖3 工業電熱爐托板連接的局部結構示意圖

1.4 工業電熱爐機械結構設計優點

仿真實踐證明，課題組設計的工業電熱爐在結構上存在以下優點：1）本方案通過在圓筒箱體內部的中間軸安裝支撐桿，進而通過鉸接座連接鉸接桿和托板，在方便放置和取出加工工件的同時，能夠轉動進行均勻受熱，避免溫差而導致的形變；2）通過電機連接的主動齒輪嚙合從動齒輪，可以從外部驅動進行轉動，避免熱量沖擊電機，安全高效；3）通過底部安裝支腿和控制盒，利于支撐控制，避免干涉，方便穩定；4）通過鉸接安裝蓋板，利于保溫防護，同時方便打開進行出料，安全高效；5）通過蓋板連接支撐頭，可以對中間軸進行支撐，保證轉動的穩定性；6）通過蓋板連接定位塊，可以鎖緊定位，強化防護保溫效果；7）通過安裝排氣管，可以排氣泄壓，提高使用的安全性。

2 工業電熱爐軟件控制系統設計

2.1 系統主界面

主界面中顯示了整個系統的操作模式，通過觸摸不同按鈕，可進入相對應的畫面。工業電熱爐軟件控制系統主界面包括控制界面、參數設置、報表界面、曲線界面、報警界面、退出系統，具體如圖4所示。

圖4 工業電熱爐軟件控制系統主界面

2.2 鍋爐溫度實時監控調節控制界面

電熱爐溫度實時監控調節控制界面是一種針對電熱爐溫度實時監控調節控制的操作程序，用戶可根據系統程序進入的實際操作界面[8]。通過系統操作界面對相關電熱爐溫度進行實時監控、調節與控制，日常的相關運行數據將通過系統顯示界面呈現，便于用戶進行下一步操作。鍋爐溫度實時監控調節控制界面如圖5所示。

圖5 鍋爐溫度實時監控調節控制界面

2.3 部分程序

為實現一臺上位機對四臺電熱爐工作狀況的實時監控，為企業節約設備投入成本[9]，選擇兼具PID控制和模糊控制兩者優點的模糊PID控制算法作為本系統的調節方法。通過對電熱爐溫度控制的特點分析、對比和研究，課題組設計了一種以智能控制器件為核心，加上模糊PID算法并以脈沖寬度調制方式控制電熱爐發熱管工作的智能溫度控制系統。該系統不僅控溫精度高、節約能源，而且功能強、操作方便、可靠性高，在一定程度上實現了溫控智慧化[10]。部分程序如下：

3 總結

1）本系統完成爐溫的實時檢測與顯示、模糊調節，并通過輸出控制繼電器開關閉合與斷開時間的比值來精確地控制電熱爐溫度的變化。

2）通過對溫度控制系統的軟件設計以及模糊控制算法的分析，實現對電熱爐溫度的檢測、調節、顯示及越限報警，同時本系統還具有工作時間預約的功能。

3）本系統通過四路高精度A/D轉換對電熱爐四個點進行溫度采樣，較好地實現了溫度的準確檢測。通過輸出控制爐溫并設有越限報警及顯示模塊，增強程序的可讀性，實現模塊化設計。

4）本系統是現代智能信息處理方法與工程實踐的結合。研究成果可直接應用于溫度控制系統的設計和研發領域，以提高電熱爐的控溫精度和可靠性，在一定程度上實現了溫控智慧化。