基于模糊控制的工業(yè)電熱爐智能控制系統(tǒng)研究實(shí)踐*

謝祥洲 ， 梁 濤 ， 紀(jì)久祥

（重慶城市管理職業(yè)學(xué)院， 重慶 401331）

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)溫度控制的要求越來(lái)越高，但是由于高溫度無(wú)法直接測(cè)試，就算能用紅外線測(cè)量，也只是得到表面溫度，這就使得在控制溫度時(shí)存在參數(shù)差、控制難等問題。與此同時(shí)，溫度受環(huán)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(yè)生產(chǎn)熱處理中的一個(gè)重要設(shè)備?？刂齐姛釥t的溫度是溫度控制系統(tǒng)的典型案例，其控制特點(diǎn)為時(shí)變性慢、滯后性嚴(yán)重以及加熱溫度的非線性，同時(shí)受外界干擾大。一般的電熱爐升溫是靠發(fā)熱管通電加熱，降溫則是自然降溫或鼓風(fēng)機(jī)物理降溫，其溫度一旦超過(guò)設(shè)置值就無(wú)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(zhì)量，另一方面也能有效降低能耗和提高效率。

差補(bǔ)式的控制方式是當(dāng)前控制電熱爐溫度最常用且最便宜的控制方法，優(yōu)點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用面廣。然而，這種方法也存在致命缺點(diǎn)，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(yán)重。因?yàn)椴逖a(bǔ)式的控制方式所用的傳感器、計(jì)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(tǒng)的方法較難滿足智能制造的高精度要求。電子技術(shù)和邏輯控制器的發(fā)展，特別是一些智能化控制CPU的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一些常用被控對(duì)象的高精度和高穩(wěn)定的控制[3]。

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是金屬材料加工行業(yè)中，常常需要使用電加熱爐對(duì)加工工件進(jìn)行均勻加熱處理，避免形變影響質(zhì)量。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)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(yè)電熱爐裝置，在模糊控制系統(tǒng)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(huán)境下的調(diào)取應(yīng)用，通常將模糊推理器參數(shù)固定不變，通過(guò)量化因子、比例因子對(duì)其進(jìn)行縮放[4]。具體設(shè)計(jì)是通過(guò)圓筒箱體內(nèi)部的中間軸安裝支撐桿，進(jìn)而通過(guò)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(shí)，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行均勻受熱，避免溫差導(dǎo)致的形變，這樣大大提高了使用的便利性和穩(wěn)定性，保證加熱的安全高效。

1 工業(yè)電熱爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工業(yè)電熱爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)方案

基于模糊PID的工業(yè)電熱爐溫度智能控制系統(tǒng)包括圓筒箱體，圓筒箱體的表面固定連接長(zhǎng)條加熱盒。圓筒箱體的一端表面轉(zhuǎn)動(dòng)安裝中間軸，中間軸的一端表面設(shè)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(cè)面設(shè)有鉸接座，鉸接座的表面設(shè)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(cè)面，托板的表面轉(zhuǎn)動(dòng)安裝于圓筒箱體的側(cè)面。支撐桿的另一側(cè)表面設(shè)有限位頭，限位頭位于鉸接桿的兩側(cè)，中間軸的另一端固定安裝從動(dòng)齒輪，從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)安裝于圓筒箱體的一端側(cè)面。

1.2 工業(yè)電熱爐外部結(jié)構(gòu)立體及平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圓筒箱體的表面固定連接長(zhǎng)條加熱盒，可以從多個(gè)位置進(jìn)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(wěn)定；同時(shí)可以通過(guò)鉸接桿帶著托板小幅度擺動(dòng)，有利于接觸熱空氣，安全高效。結(jié)合兩側(cè)的限位頭限位，不會(huì)大幅度動(dòng)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(cè)面，托板的表面轉(zhuǎn)動(dòng)安裝于圓筒箱體的側(cè)面，支撐桿的一側(cè)表面設(shè)有限位頭，限位頭位于鉸接桿的兩側(cè)位置。圓筒箱體的側(cè)面固定安裝電機(jī)，電機(jī)的軸端轉(zhuǎn)動(dòng)安裝主動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪的表面嚙合于從動(dòng)齒輪的表面。通過(guò)電機(jī)連接的主動(dòng)齒輪嚙合從動(dòng)齒輪，可以從外部驅(qū)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，避免熱量沖擊電機(jī)，安全高效。

圓筒箱體的另一側(cè)表面兩端設(shè)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(wěn)定。圓筒箱體的另一端開口設(shè)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(hù)，同時(shí)方便打開進(jìn)行出料，安全高效。蓋板的一側(cè)表面設(shè)有支撐頭，支撐頭的表面插接于支撐孔的側(cè)面，通過(guò)蓋板連接支撐頭，可以對(duì)中間軸進(jìn)行支撐，保證轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性。蓋板的另一端表面設(shè)有定位塊，定位塊的表面螺紋安裝于圓筒箱體的側(cè)面，通過(guò)蓋板連接定位塊，可以鎖緊定位，強(qiáng)化防護(hù)保溫效果[6]。圓筒箱體的另一側(cè)表面設(shè)有排氣管，排氣管位于長(zhǎng)條加熱盒的一側(cè)位置，通過(guò)安裝排氣管，可以排氣泄壓，提高使用的安全性。

使用時(shí)，可以打開蓋板，將加工工件插入圓筒箱體內(nèi)部，并且放置到托板表面，然后捆綁定位，方便穩(wěn)定。合上蓋板，通過(guò)定位塊螺紋定位，可以保溫密封，穩(wěn)定高效，然后可以啟動(dòng)電路通過(guò)加熱棒進(jìn)行加熱，利于熱處理。通過(guò)電機(jī)帶著主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可以嚙合從動(dòng)齒輪帶著中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)，也就可以通過(guò)支撐桿帶著托板轉(zhuǎn)動(dòng)，保證定位的工件轉(zhuǎn)動(dòng)的不同位置，保證受熱均勻，避免因局部溫差過(guò)大而形變，提高質(zhì)量和效率。工業(yè)電熱爐的整體結(jié)構(gòu)外部立體和平面結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

圖1 工業(yè)電熱爐的整體結(jié)構(gòu)外部立體示意圖

圖2 工業(yè)電熱爐的平面結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 工業(yè)電熱爐主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)電熱爐托板連接的局部結(jié)構(gòu)中，圓筒箱體的一端表面轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)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(shí)可以通過(guò)鉸接桿帶著托板小幅度擺動(dòng)，利于接觸熱空氣，安全高效。中間軸的另一端固定安裝從動(dòng)齒輪，電機(jī)的軸端轉(zhuǎn)動(dòng)安裝主動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪的表面嚙合于從動(dòng)齒輪的表面，通過(guò)電機(jī)連接的主動(dòng)齒輪嚙合從動(dòng)齒輪，可以從外部驅(qū)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，避免熱量沖擊電機(jī)[7]。工業(yè)電熱爐托板連接的局部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 工業(yè)電熱爐托板連接的局部結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 工業(yè)電熱爐機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

仿真實(shí)踐證明，課題組設(shè)計(jì)的工業(yè)電熱爐在結(jié)構(gòu)上存在以下優(yōu)點(diǎn)：1）本方案通過(guò)在圓筒箱體內(nèi)部的中間軸安裝支撐桿，進(jìn)而通過(guò)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(shí)，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行均勻受熱，避免溫差而導(dǎo)致的形變；2）通過(guò)電機(jī)連接的主動(dòng)齒輪嚙合從動(dòng)齒輪，可以從外部驅(qū)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，避免熱量沖擊電機(jī)，安全高效；3）通過(guò)底部安裝支腿和控制盒，利于支撐控制，避免干涉，方便穩(wěn)定；4）通過(guò)鉸接安裝蓋板，利于保溫防護(hù)，同時(shí)方便打開進(jìn)行出料，安全高效；5）通過(guò)蓋板連接支撐頭，可以對(duì)中間軸進(jìn)行支撐，保證轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性；6）通過(guò)蓋板連接定位塊，可以鎖緊定位，強(qiáng)化防護(hù)保溫效果；7）通過(guò)安裝排氣管，可以排氣泄壓，提高使用的安全性。

2 工業(yè)電熱爐軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主界面

主界面中顯示了整個(gè)系統(tǒng)的操作模式，通過(guò)觸摸不同按鈕，可進(jìn)入相對(duì)應(yīng)的畫面。工業(yè)電熱爐軟件控制系統(tǒng)主界面包括控制界面、參數(shù)設(shè)置、報(bào)表界面、曲線界面、報(bào)警界面、退出系統(tǒng)，具體如圖4所示。

圖4 工業(yè)電熱爐軟件控制系統(tǒng)主界面

2.2 鍋爐溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)控制界面

電熱爐溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)控制界面是一種針對(duì)電熱爐溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)控制的操作程序，用戶可根據(jù)系統(tǒng)程序進(jìn)入的實(shí)際操作界面[8]。通過(guò)系統(tǒng)操作界面對(duì)相關(guān)電熱爐溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)節(jié)與控制，日常的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)將通過(guò)系統(tǒng)顯示界面呈現(xiàn)，便于用戶進(jìn)行下一步操作。鍋爐溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)控制界面如圖5所示。

圖5 鍋爐溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)控制界面

2.3 部分程序

為實(shí)現(xiàn)一臺(tái)上位機(jī)對(duì)四臺(tái)電熱爐工作狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為企業(yè)節(jié)約設(shè)備投入成本[9]，選擇兼具PID控制和模糊控制兩者優(yōu)點(diǎn)的模糊PID控制算法作為本系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法。通過(guò)對(duì)電熱爐溫度控制的特點(diǎn)分析、對(duì)比和研究，課題組設(shè)計(jì)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(diào)制方式控制電熱爐發(fā)熱管工作的智能溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅控溫精度高、節(jié)約能源，而且功能強(qiáng)、操作方便、可靠性高，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了溫控智慧化[10]。部分程序如下：

3 總結(jié)

1）本系統(tǒng)完成爐溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)與顯示、模糊調(diào)節(jié)，并通過(guò)輸出控制繼電器開關(guān)閉合與斷開時(shí)間的比值來(lái)精確地控制電熱爐溫度的變化。

2）通過(guò)對(duì)溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及模糊控制算法的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱爐溫度的檢測(cè)、調(diào)節(jié)、顯示及越限報(bào)警，同時(shí)本系統(tǒng)還具有工作時(shí)間預(yù)約的功能。

3）本系統(tǒng)通過(guò)四路高精度A/D轉(zhuǎn)換對(duì)電熱爐四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度采樣，較好地實(shí)現(xiàn)了溫度的準(zhǔn)確檢測(cè)。通過(guò)輸出控制爐溫并設(shè)有越限報(bào)警及顯示模塊，增強(qiáng)程序的可讀性，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。

4）本系統(tǒng)是現(xiàn)代智能信息處理方法與工程實(shí)踐的結(jié)合。研究成果可直接應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)領(lǐng)域，以提高電熱爐的控溫精度和可靠性，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了溫控智慧化。