鋼鐵行業使用的加熱爐以焦爐煤氣、高爐煤氣、天然氣、重油等為燃料，利用燃料燃燒產生的熱量將鋼錠加熱到需要的溫度。加熱爐是軋鋼生產線上的重要設備，窯爐溫度的穩定性對后續工序的正常進行和保證產品質量至關重要。但是由于加熱爐是一個多干擾通道的分布參數系統，且有些很多參數無法測量，有些參數會緩慢變化，隨著窯爐運行工況的不同某些參數還可能會快速變化，而且是一個大慣性、大滯后、時變的被控對象。這類對象被公認為是比較難控制的。因此對加熱爐的溫度控制方法進行研究具有較大的現實意義。

加熱爐爐溫對象具有以下不利于控制的特點：

1、大滯后特性

對于加熱爐來說，爐體的容量、結構、檢測元件及其安放位置等都影響著滯后的大小。它不是一個單一的問題，是一個系統問題（容積滯后時間就是級聯的各個慣性環節的時間常數之和）。純滯后產生的根源也要從整個測量系統來考慮，并且與溫度的高低有關。熱量從熱源傳到溫度傳感器要經過多個熱阻與熱容相串聯的熱慣性環節，而串聯的多容對象會產生等效純時滯。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，只有一維的導熱可以認為基本是線性的；輻射熱量是絕對溫度的四次方函數，對流傳熱受多種因素的影響，一般是自然對流，都是非線性的。從模型參數上看，在窯爐的整個溫度調節范圍內，對象的增益、容積滯后時間和純滯后時間通常是與工作溫度與負載變化有關的變參數，而且參數變化量與溫度變化量之間是非線性關系。如在高溫段，其純滯后時間和過程增益將比低溫段有顯著減少，而時間常數則顯著增大。

3、時變性

隨著使用時間的增長，爐子的保溫隔熱材料會逐漸老化，尤其是窯爐處于中、后期，燒損嚴重，使窯爐保溫、密封性能變差，通過窯體向外散失的熱量增大；窯爐運行的環境溫度也是經常變化的。如此種種因素都會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，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、不對稱性

溫度上升靠強迫加熱，溫度下降靠自然冷卻，一般不用強迫散熱。這是絕大多數窯爐的共性。從節能的觀點看，要求所有的加熱爐都應當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；從提高生產率出發，又希望升溫時間盡量縮短，因而在設計爐體時所考慮的加熱功率都有很大的余量。由于爐體設計上的這些特點，造成爐子升、降溫速度上的巨大差異，升溫時響應快，而降溫時響應慢。從模型參數上看，在低溫狀態時，傳遞函數中的對象增益和容積滯后時間在升降溫兩個方向上差別很大，而在高溫狀態則很接近。

結論

加熱爐具有大慣性、大滯后特性。在爐子的整個溫度范圍內，對象的增益、容積滯后時間、純滯后時間都是與工作溫度有關的變參數。從傳熱原理可知，這些參數也與負荷變化有關。在爐子設計的工作溫區，在工作點附近的小范圍內其動特性接近于線性，較容易控制，用常規的PID調節器也能控制得很好，

但不能經受太大的擾動，也不能夠大范圍地跟蹤變化較快的給定信號。對于常規儀表，大范圍地改變溫度要靠手動，僅當溫度接近給定值時方可投入自動。

根據以上分析，可以認為加熱爐是一種具有大容積滯后和大純滯后的對象。在整個爐子的溫區內，其動態參數隨爐子的工作溫度變化，在工作點附近

的小溫度范圍內，爐子的動態特性近似線性的[7]。

上述分析說明，加熱爐的動態特性比較復雜，用先進的控制策略來對窯爐進行控制顯然是必要的[8]。

加熱爐內鋼錠的加熱過程是相當復雜的，影響鋼錠溫度的主要因素是各段爐溫和推鋼節奏，而推鋼節奏由軋鋼要求而定，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，爐溫數學模型即為燃耗與爐溫的函數關系。為此，必須建立爐子的熱平衡方程式。