一種基于預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法的管式加熱爐溫度控制策略研究

徐強(qiáng)

摘 要：管式加熱爐是一個(gè)時(shí)變復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到眾多因素的影響，而傳統(tǒng)的PID控制難以達(dá)到令人滿(mǎn)意的控制效果。因此，引入了預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法對(duì)管式加熱爐的爐口溫度進(jìn)行控制，并通過(guò)仿真研究驗(yàn)證了該算法的有效性。仿真結(jié)果表明，預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法能對(duì)超調(diào)量進(jìn)行有效控制，從而使系統(tǒng)輸出平穩(wěn)，在工程應(yīng)用方面具有一定的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法；管式加熱爐；PID控制；仿真驗(yàn)證

中圖分類(lèi)號(hào)：TE683 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.085

管式加熱爐作為一種加熱能源設(shè)備，在石油化工、冶金機(jī)械、電子材料等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。目前，我國(guó)管式加熱爐的使用量大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，但熱效率普遍偏低，僅為西方發(fā)達(dá)國(guó)家的70%～80%.因此，應(yīng)提高管式加熱爐的熱效率，這樣不僅能提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還能在節(jié)能降耗、減少環(huán)境污染方面起著重要的作用。管式加熱爐具有大滯后、強(qiáng)耦合和強(qiáng)時(shí)變性等特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)的PID控制難以獲得滿(mǎn)意的控制效果。預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法可基于當(dāng)前和以往時(shí)間段控制器的狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合算法的預(yù)測(cè)模型，并利用滾動(dòng)優(yōu)化函數(shù)確定當(dāng)前控制器的最優(yōu)輸出控制量參數(shù)。本文提出了一種基于預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法來(lái)控制管式加熱爐出口溫度，并通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證了該算法的有效性。

1 管式加熱爐控制工藝簡(jiǎn)介

管式加熱爐是將爐內(nèi)加熱管柱中流動(dòng)的被加熱介質(zhì)（氣體或液體）加熱到生產(chǎn)工藝所要求的溫度，以滿(mǎn)足其生產(chǎn)過(guò)程的需求。被加熱物料出口的溫度是加熱爐操作中極其重要的控制參數(shù)之一，需要穩(wěn)定在生產(chǎn)工藝所要求的范圍內(nèi)，其直接影響著后續(xù)生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，對(duì)加熱爐的長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行有較大的影響。

2 控制算法設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法

預(yù)測(cè)函數(shù)控制（Predictive Functional Control，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為PFC）建立在原有模型預(yù)測(cè)控制的基礎(chǔ)上，保留了其控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)造性地引入了基函數(shù)概念，提升了控制結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，減少了運(yùn)算量，是針對(duì)快速反應(yīng)系統(tǒng)控制需求而逐漸發(fā)展的一種新穎的預(yù)測(cè)算法。預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法由3部分組成，即預(yù)測(cè)模型、反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化。基于當(dāng)前和以前時(shí)間段控制器的狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合算法的預(yù)測(cè)模型，利用滾動(dòng)優(yōu)化函數(shù)可確定當(dāng)前控制器的最優(yōu)輸出控制量參數(shù)大小。

2.2 加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)的PFC算法

式（4）中：yp（k+hp）為k+hp時(shí)刻的過(guò)程預(yù)測(cè)輸出；ym（k+hp）為模型輸出值；e（k+hp）為未來(lái)誤差；hp為擬合點(diǎn)值。

3 管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)仿真研究

本文將PFC前饋控制算法用于加熱爐出口溫度的控制之中，采用M語(yǔ)言編寫(xiě)了仿真程序，并在MATLAB R2010a軟件上進(jìn)行了跟蹤單位階躍設(shè)定值的仿真研究實(shí)驗(yàn)。在PFC前饋控制系統(tǒng)中，PFC算法仿真參數(shù)設(shè)置如下：選用階躍基函數(shù)，預(yù)測(cè)模型選為km=1和Tm=300，Td=120 s，采樣周期設(shè)置為20 s，上升時(shí)間設(shè)置為150 s，預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度設(shè)置為8.在PID控制系統(tǒng)中，控制器比例Kp=0.15，積分時(shí)間Ti=28 s，微分時(shí)間Td=0 s，仿真效果如圖1所示。由圖1可知，針對(duì)加熱爐出口溫度控制，采用PFC控制系統(tǒng)能快速跟蹤階躍設(shè)定值，且無(wú)超調(diào)量，實(shí)際輸出平緩、無(wú)偏差，相比于傳統(tǒng)PID控制優(yōu)越性明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以管式加熱爐控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，將一種預(yù)測(cè)函數(shù)控制方法應(yīng)用于管式加熱爐出口的溫度控制。仿真結(jié)果表明，預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法能快速跟蹤階躍設(shè)定值，且無(wú)超調(diào)量，實(shí)際輸出平緩、無(wú)偏差。因此，該方法具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕