摘 要：热处理直接关系着工件的硬度、耐磨性和强度等，是工业加工中非常重要的环节之一，而热处理常用的设备就是电热炉。传统方法在控制电热炉的温度时，存在时变性慢、滞后性严重和加热温度的非线性等难点，导致很难得到精确的控制参数。基于此，课题组以智能控制为核心，采用模糊PID控制算法、稳定性高的机械结构，同时开发较强逻辑性的软件系统。仿真结果表明，该控制系统可以精准控制电热炉温度，降低能耗，提高工业电热炉的稳定性，从而达到工业实际加工中热处理所要求的相关性能指标。
关键词:电热炉;温度控制;模糊PID;机械结构;
工业生产过程中对温度控制的要求越来越高，但是由于高温度无法直接测试，就算能用红外线测量，也只是得到表面温度，这就使得在控制温度时存在参数差、控制难等问题。与此同时，温度受环境温度的影响非常大，这也加大了问题的解决难度[1]。电热炉是工业生产热处理中的一个重要设备。控制电热炉的温度是温度控制系统的典型案例，其控制特点为时变性慢、滞后性严重以及加热温度的非线性，同时受外界干扰大。一般的电热炉升温是靠发热管通电加热，降温则是自然降温或鼓风机物理降温，其温度一旦超过设置值就无法快速有效地降温。因此，如果能高精度地控制电热炉的温度，一方面能极大提高热处理工件的质量，另一方面也能有效降低能耗和提高效率。
差补式的控制方式是当前控制电热炉温度最常用且最便宜的控制方法，优点是成本低、结构简单、适用面广。然而，这种方法也存在致命缺点，即温度控制的精确性非常低、能耗非常高、温度控制和滞后性非常严重。因为插补式的控制方式所用的传感器、计算方式和升温降温控制形式都存在很多问题[2]，所以用这种传统的方法较难满足智能制造的高精度要求。电子技术和逻辑控制器的发展，特别是一些智能化控制CPU的出现，实现了对一些常用被控对象的高精度和高稳定的控制[3]。
在工业生产过程中，尤其是金属材料加工行业中，常常需要使用电加热炉对加工工件进行均匀加热处理，避免形变影响质量。针对现有技术中存在的问题，本研究旨在提供一种基于模糊PID控制的工业电热炉装置，在模糊控制系统中，模糊论域与物理论域可以完全一样，但为了方便模糊控制器在不同环境下的调取应用，通常将模糊推理器参数固定不变，通过量化因子、比例因子对其进行缩放[4]。具体设计是通过圆筒箱体内部的中间轴安装支撑杆，进而通过铰接座连接铰接杆和托板，在方便放置和取出加工工件的同时，能够转动进行均匀受热，避免温差导致的形变，这样大大提高了使用的便利性和稳定性，保证加热的安全高效。
1 工业电热炉的机械结构设计
1.1 工业电热炉的机械结构技术方案
基于模糊PID的工业电热炉温度智能控制系统包括圆筒箱体，圆筒箱体的表面固定连接长条加热盒。圆筒箱体的一端表面转动安装中间轴，中间轴的一端表面设有支撑孔，中间轴的两端表面均固定连接支撑杆[5]。支撑杆的一端侧面设有铰接座，铰接座的表面设有铰接杆，铰接杆的一端固定连接托板，铰接杆和托板均位于支撑杆的侧面，托板的表面转动安装于圆筒箱体的侧面。支撑杆的另一侧表面设有限位头，限位头位于铰接杆的两侧，中间轴的另一端固定安装从动齿轮，从动齿轮转动安装于圆筒箱体的一端侧面。
1.2 工业电热炉外部结构立体及平面结构设计
圆筒箱体的表面固定连接长条加热盒，可以从多个位置进行电加热，保证加热的效率和均匀性。铰接杆的一端固定连接托板，可以放置工件，然后捆绑定位，方便稳定；同时可以通过铰接杆带着托板小幅度摆动，有利于接触热空气，安全高效。结合两侧的限位头限位，不会大幅度动作，避免相互磕碰干涉，安全高效，利于使用。铰接杆和托板均位于支撑杆的侧面，托板的表面转动安装于圆筒箱体的侧面，支撑杆的一侧表面设有限位头，限位头位于铰接杆的两侧位置。圆筒箱体的侧面固定安装电机，电机的轴端转动安装主动齿轮，主动齿轮的表面啮合于从动齿轮的表面。通过电机连接的主动齿轮啮合从动齿轮，可以从外部驱动进行转动，避免热量冲击电机，安全高效。
圆筒箱体的另一侧表面两端设有支腿，圆筒箱体的表面固定安装控制盒。底部安装支腿和控制盒，利于支撑控制，避免干涉，方便稳定。圆筒箱体的另一端开口设有支撑座，支撑座的表面铰接盖板。铰接安装盖板，利于保温防护，同时方便打开进行出料，安全高效。盖板的一侧表面设有支撑头，支撑头的表面插接于支撑孔的侧面，通过盖板连接支撑头，可以对中间轴进行支撑，保证转动的稳定性。盖板的另一端表面设有定位块，定位块的表面螺纹安装于圆筒箱体的侧面，通过盖板连接定位块，可以锁紧定位，强化防护保温效果[6]。圆筒箱体的另一侧表面设有排气管，排气管位于长条加热盒的一侧位置，通过安装排气管，可以排气泄压，提高使用的安全性。
使用时，可以打开盖板，将加工工件插入圆筒箱体内部，并且放置到托板表面，然后捆绑定位，方便稳定。合上盖板，通过定位块螺纹定位，可以保温密封，稳定高效，然后可以启动电路通过加热棒进行加热，利于热处理。通过电机带着主动齿轮转动，可以啮合从动齿轮带着中间轴转动，也就可以通过支撑杆带着托板转动，保证定位的工件转动的不同位置，保证受热均匀，避免因局部温差过大而形变，提高质量和效率。工业电热炉的整体结构外部立体和平面结构分别如图1、图2所示。
1.3 工业电热炉主要内部结构设计
工业电热炉托板连接的局部结构中，圆筒箱体的一端表面转动安装有中间轴。中间轴的两端表面均固定连接支撑杆，支撑杆的一端侧面就是铰接座并且连接着铰接杆，铰接杆的另一端固定连接托板，用于放置加工工件。同时可以通过铰接杆带着托板小幅度摆动，利于接触热空气，安全高效。中间轴的另一端固定安装从动齿轮，电机的轴端转动安装主动齿轮，主动齿轮的表面啮合于从动齿轮的表面，通过电机连接的主动齿轮啮合从动齿轮，可以从外部驱动进行转动，避免热量冲击电机[7]。工业电热炉托板连接的局部结构示意图如图3所示。
1.4 工业电热炉机械结构设计优点
仿真实践证明，课题组设计的工业电热炉在结构上存在以下优点：1)本方案通过在圆筒箱体内部的中间轴安装支撑杆，进而通过铰接座连接铰接杆和托板，在方便放置和取出加工工件的同时，能够转动进行均匀受热，避免温差而导致的形变；2)通过电机连接的主动齿轮啮合从动齿轮，可以从外部驱动进行转动，避免热量冲击电机，安全高效；3)通过底部安装支腿和控制盒，利于支撑控制，避免干涉，方便稳定；4)通过铰接安装盖板，利于保温防护，同时方便打开进行出料，安全高效；5)通过盖板连接支撑头，可以对中间轴进行支撑，保证转动的稳定性；6)通过盖板连接定位块，可以锁紧定位，强化防护保温效果；7)通过安装排气管，可以排气泄压，提高使用的安全性。
2 工业电热炉软件控制系统设计
2.1 系统主界面
主界面中显示了整个系统的操作模式，通过触摸不同按钮，可进入相对应的画面。工业电热炉软件控制系统主界面包括控制界面、参数设置、报表界面、曲线界面、报警界面、退出系统，具体如图4所示。
2.2 锅炉温度实时监控调节控制界面
电热炉温度实时监控调节控制界面是一种针对电热炉温度实时监控调节控制的操作程序，用户可根据系统程序进入的实际操作界面[8]。通过系统操作界面对相关电热炉温度进行实时监控、调节与控制，日常的相关运行数据将通过系统显示界面呈现，便于用户进行下一步操作。锅炉温度实时监控调节控制界面如图5所示。
2.3 部分程序
为实现一台上位机对四台电热炉工作状况的实时监控，为企业节约设备投入成本[9]，选择兼具PID控制和模糊控制两者优点的模糊PID控制算法作为本系统的调节方法。通过对电热炉温度控制的特点分析、对比和研究，课题组设计了一种以智能控制器件为核心，加上模糊PID算法并以脉冲宽度调制方式控制电热炉发热管工作的智能温度控制系统。该系统不仅控温精度高、节约能源，而且功能强、操作方便、可靠性高，在一定程度上实现了温控智慧化[10]。部分程序如下：
3 总结
1)本系统完成炉温的实时检测与显示、模糊调节，并通过输出控制继电器开关闭合与断开时间的比值来精确地控制电热炉温度的变化。
2)通过对温度控制系统的软件设计以及模糊控制算法的分析，实现对电热炉温度的检测、调节、显示及越限报警，同时本系统还具有工作时间预约的功能。
3)本系统通过四路高精度A/D转换对电热炉四个点进行温度采样，较好地实现了温度的准确检测。通过输出控制炉温并设有越限报警及显示模块，增强程序的可读性，实现模块化设计。
4)本系统是现代智能信息处理方法与工程实践的结合。研究成果可直接应用于温度控制系统的设计和研发领域，以提高电热炉的控温精度和可靠性，在一定程度上实现了温控智慧化。
[1] 潘祥亮，罗利文.模糊PID控制在工业锅炉控制系统中的应用[J].微计算机信息，2004(7)：1-2.
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[10] 马琳，王建华基于MATLAB的模糊PID控制研究[J]现代电子技术, 2013, 36(3): 165-167.