鋼鐵行業(yè)使用的加熱爐以焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、天然氣、重油等為燃料，利用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量將鋼錠加熱到需要的溫度。加熱爐是軋鋼生產(chǎn)線上的重要設(shè)備，窯爐溫度的穩(wěn)定性對(duì)后續(xù)工序的正常進(jìn)行和保證產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。但是由于加熱爐是一個(gè)多干擾通道的分布參數(shù)系統(tǒng)，且有些很多參數(shù)無(wú)法測(cè)量，有些參數(shù)會(huì)緩慢變化，隨著窯爐運(yùn)行工況的不同某些參數(shù)還可能會(huì)快速變化，而且是一個(gè)大慣性、大滯后、時(shí)變的被控對(duì)象。這類(lèi)對(duì)象被公認(rèn)為是比較難控制的。因此對(duì)加熱爐的溫度控制方法進(jìn)行研究具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

加熱爐爐溫對(duì)象具有以下不利于控制的特點(diǎn)：

1、大滯后特性

對(duì)于加熱爐來(lái)說(shuō)，爐體的容量、結(jié)構(gòu)、檢測(cè)元件及其安放位置等都影響著滯后的大小。它不是一個(gè)單一的問(wèn)題，是一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題（容積滯后時(shí)間就是級(jí)聯(lián)的各個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)之和）。純滯后產(chǎn)生的根源也要從整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)考慮，并且與溫度的高低有關(guān)。熱量從熱源傳到溫度傳感器要經(jīng)過(guò)多個(gè)熱阻與熱容相串聯(lián)的熱慣性環(huán)節(jié)，而串聯(lián)的多容對(duì)象會(huì)產(chǎn)生等效純時(shí)滯。隨著溫度的升高，輻射傳熱的比例增大，輻射具有穿透性，使傳熱路徑縮短，傳熱速度加快。故純滯后時(shí)間隨溫度升高而減小。

2、非線性

在三種傳熱方式中，只有一維的導(dǎo)熱可以認(rèn)為基本是線性的；輻射熱量是絕對(duì)溫度的四次方函數(shù)，對(duì)流傳熱受多種因素的影響，一般是自然對(duì)流，都是非線性的。從模型參數(shù)上看，在窯爐的整個(gè)溫度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，對(duì)象的增益、容積滯后時(shí)間和純滯后時(shí)間通常是與工作溫度與負(fù)載變化有關(guān)的變參數(shù)，而且參數(shù)變化量與溫度變化量之間是非線性關(guān)系。如在高溫段，其純滯后時(shí)間和過(guò)程增益將比低溫段有顯著減少，而時(shí)間常數(shù)則顯著增大。

3、時(shí)變性

隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，爐子的保溫隔熱材料會(huì)逐漸老化，尤其是窯爐處于中、后期，燒損嚴(yán)重，使窯爐保溫、密封性能變差，通過(guò)窯體向外散失的熱量增大；窯爐運(yùn)行的環(huán)境溫度也是經(jīng)常變化的。如此種種因素都會(huì)引起爐溫特性的變化，但變化的速度十分緩慢而不明顯。爐子初次使用以及久停后再用時(shí)，由于絕熱保溫材料中的水分大，爐溫特性差別也是很大的。

4、不對(duì)稱(chēng)性

溫度上升靠強(qiáng)迫加熱，溫度下降靠自然冷卻，一般不用強(qiáng)迫散熱。這是絕大多數(shù)窯爐的共性。從節(jié)能的觀點(diǎn)看，要求所有的加熱爐都應(yīng)當(dāng)盡可能地具有良好的保溫特性而不是要求它的散熱性能好；從提高生產(chǎn)率出發(fā)，又希望升溫時(shí)間盡量縮短，因而在設(shè)計(jì)爐體時(shí)所考慮的加熱功率都有很大的余量。由于爐體設(shè)計(jì)上的這些特點(diǎn)，造成爐子升、降溫速度上的巨大差異，升溫時(shí)響應(yīng)快，而降溫時(shí)響應(yīng)慢。從模型參數(shù)上看，在低溫狀態(tài)時(shí)，傳遞函數(shù)中的對(duì)象增益和容積滯后時(shí)間在升降溫兩個(gè)方向上差別很大，而在高溫狀態(tài)則很接近。

結(jié)論

加熱爐具有大慣性、大滯后特性。在爐子的整個(gè)溫度范圍內(nèi)，對(duì)象的增益、容積滯后時(shí)間、純滯后時(shí)間都是與工作溫度有關(guān)的變參數(shù)。從傳熱原理可知，這些參數(shù)也與負(fù)荷變化有關(guān)。在爐子設(shè)計(jì)的工作溫區(qū)，在工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)其動(dòng)特性接近于線性，較容易控制，用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器也能控制得很好，

但不能經(jīng)受太大的擾動(dòng)，也不能夠大范圍地跟蹤變化較快的給定信號(hào)。對(duì)于常規(guī)儀表，大范圍地改變溫度要靠手動(dòng)，僅當(dāng)溫度接近給定值時(shí)方可投入自動(dòng)。

根據(jù)以上分析，可以認(rèn)為加熱爐是一種具有大容積滯后和大純滯后的對(duì)象。在整個(gè)爐子的溫區(qū)內(nèi)，其動(dòng)態(tài)參數(shù)隨爐子的工作溫度變化，在工作點(diǎn)附近

的小溫度范圍內(nèi)，爐子的動(dòng)態(tài)特性近似線性的[7]。

上述分析說(shuō)明，加熱爐的動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜，用先進(jìn)的控制策略來(lái)對(duì)窯爐進(jìn)行控制顯然是必要的[8]。

加熱爐內(nèi)鋼錠的加熱過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的，影響鋼錠溫度的主要因素是各段爐溫和推鋼節(jié)奏，而推鋼節(jié)奏由軋鋼要求而定，因此爐溫就是唯一可控因素。影響爐溫的原因是燃料流量的變化，因此，爐溫?cái)?shù)學(xué)模型即為燃耗與爐溫的函數(shù)關(guān)系。為此，必須建立爐子的熱平衡方程式。