一种基于预测函数控制算法的管式加热炉温度控制策略研究

徐强

摘 要：管式加热炉是一个时变复杂的动态系统，运行过程中会受到众多因素的影响，而传统的PID控制难以达到令人满意的控制效果。因此，引入了预测函数控制算法对管式加热炉的炉口温度进行控制，并通过仿真研究验证了该算法的有效性。仿真结果表明，预测函数控制算法能对超调量进行有效控制，从而使系统输出平稳，在工程应用方面具有一定的价值。

关键词：预测函数控制算法；管式加热炉；PID控制；仿真验证

中图分类号：TE683 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.085

管式加热炉作为一种加热能源设备，在石油化工、冶金机械、电子材料等工业生产领域中得到了广泛应用。目前，我国管式加热炉的使用量大、运行时间长，但热效率普遍偏低，仅为西方发达国家的70%～80%.因此，应提高管式加热炉的热效率，这样不仅能提升企业的经济效益，还能在节能降耗、减少环境污染方面起着重要的作用。管式加热炉具有大滞后、强耦合和强时变性等特点，使用传统的PID控制难以获得满意的控制效果。预测函数控制算法可基于当前和以往时间段控制器的状态参数，结合算法的预测模型，并利用滚动优化函数确定当前控制器的最优输出控制量参数。本文提出了一种基于预测函数控制算法来控制管式加热炉出口温度，并通过Matlab仿真验证了该算法的有效性。

1 管式加热炉控制工艺简介

管式加热炉是将炉内加热管柱中流动的被加热介质（气体或液体）加热到生产工艺所要求的温度，以满足其生产过程的需求。被加热物料出口的温度是加热炉操作中极其重要的控制参数之一，需要稳定在生产工艺所要求的范围内，其直接影响着后续生产工艺和产品的产量、质量，对加热炉的长期、安全、稳定运行有较大的影响。

2 控制算法设计

2.1 预测函数控制算法

预测函数控制（Predictive Functional Control，以下简称为PFC）建立在原有模型预测控制的基础上，保留了其控制系统优点，创造性地引入了基函数概念，提升了控制结构的规律性，减少了运算量，是针对快速反应系统控制需求而逐渐发展的一种新颖的预测算法。预测函数控制算法由3部分组成，即预测模型、反馈校正和滚动优化。基于当前和以前时间段控制器的状态参数，结合算法的预测模型，利用滚动优化函数可确定当前控制器的最优输出控制量参数大小。

2.2 加热炉出口温度控制系统的PFC算法

式（4）中：yp（k+hp）为k+hp时刻的过程预测输出；ym（k+hp）为模型输出值；e（k+hp）为未来误差；hp为拟合点值。

3 管式加热炉温度控制系统仿真研究

本文将PFC前馈控制算法用于加热炉出口温度的控制之中，采用M语言编写了仿真程序，并在MATLAB R2010a软件上进行了跟踪单位阶跃设定值的仿真研究实验。在PFC前馈控制系统中，PFC算法仿真参数设置如下：选用阶跃基函数，预测模型选为km=1和Tm=300，Td=120 s，采样周期设置为20 s，上升时间设置为150 s，预测时域长度设置为8.在PID控制系统中，控制器比例Kp=0.15，积分时间Ti=28 s，微分时间Td=0 s，仿真效果如图1所示。由图1可知，针对加热炉出口温度控制，采用PFC控制系统能快速跟踪阶跃设定值，且无超调量，实际输出平缓、无偏差，相比于传统PID控制优越性明显。

4 结束语

本文以管式加热炉控制系统为研究对象，将一种预测函数控制方法应用于管式加热炉出口的温度控制。仿真结果表明，预测函数控制算法能快速跟踪阶跃设定值，且无超调量，实际输出平缓、无偏差。因此，该方法具有较高的工程应用价值。

参考文献

[1]李明.炼油厂管式加热炉优化与控制的研究[D].北京：北京化工大学，2012.

[2]李宏光，臧灏.管式加热炉多模型神经网络预测控制[J].控制工程，2012，19（04）.

〔编辑：张思楠〕