钢铁行业使用的加热炉以焦炉煤气、高炉煤气、天然气、重油等为燃料，利用燃料燃烧产生的热量将钢锭加热到需要的温度。加热炉是轧钢生产线上的重要设备，窑炉温度的稳定性对后续工序的正常进行和保证产品质量至关重要。但是由于加热炉是一个多干扰通道的分布参数系统，且有些很多参数无法测量，有些参数会缓慢变化，随着窑炉运行工况的不同某些参数还可能会快速变化，而且是一个大惯性、大滞后、时变的被控对象。这类对象被公认为是比较难控制的。因此对加热炉的温度控制方法进行研究具有较大的现实意义。

加热炉炉温对象具有以下不利于控制的特点：

1、大滞后特性

对于加热炉来说，炉体的容量、结构、检测元件及其安放位置等都影响着滞后的大小。它不是一个单一的问题，是一个系统问题（容积滞后时间就是级联的各个惯性环节的时间常数之和）。纯滞后产生的根源也要从整个测量系统来考虑，并且与温度的高低有关。热量从热源传到温度传感器要经过多个热阻与热容相串联的热惯性环节，而串联的多容对象会产生等效纯时滞。随着温度的升高，辐射传热的比例增大，辐射具有穿透性，使传热路径缩短，传热速度加快。故纯滞后时间随温度升高而减小。

2、非线性

在三种传热方式中，只有一维的导热可以认为基本是线性的；辐射热量是绝对温度的四次方函数，对流传热受多种因素的影响，一般是自然对流，都是非线性的。从模型参数上看，在窑炉的整个温度调节范围内，对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间通常是与工作温度与负载变化有关的变参数，而且参数变化量与温度变化量之间是非线性关系。如在高温段，其纯滞后时间和过程增益将比低温段有显著减少，而时间常数则显著增大。

3、时变性

随着使用时间的增长，炉子的保温隔热材料会逐渐老化，尤其是窑炉处于中、后期，烧损严重，使窑炉保温、密封性能变差，通过窑体向外散失的热量增大；窑炉运行的环境温度也是经常变化的。如此种种因素都会引起炉温特性的变化，但变化的速度十分缓慢而不明显。炉子初次使用以及久停后再用时，由于绝热保温材料中的水分大，炉温特性差别也是很大的。

4、不对称性

温度上升靠强迫加热，温度下降靠自然冷却，一般不用强迫散热。这是绝大多数窑炉的共性。从节能的观点看，要求所有的加热炉都应当尽可能地具有良好的保温特性而不是要求它的散热性能好；从提高生产率出发，又希望升温时间尽量缩短，因而在设计炉体时所考虑的加热功率都有很大的余量。由于炉体设计上的这些特点，造成炉子升、降温速度上的巨大差异，升温时响应快，而降温时响应慢。从模型参数上看，在低温状态时，传递函数中的对象增益和容积滞后时间在升降温两个方向上差别很大，而在高温状态则很接近。

结论

加热炉具有大惯性、大滞后特性。在炉子的整个温度范围内，对象的增益、容积滞后时间、纯滞后时间都是与工作温度有关的变参数。从传热原理可知，这些参数也与负荷变化有关。在炉子设计的工作温区，在工作点附近的小范围内其动特性接近于线性，较容易控制，用常规的PID调节器也能控制得很好，

但不能经受太大的扰动，也不能够大范围地跟踪变化较快的给定信号。对于常规仪表，大范围地改变温度要靠手动，仅当温度接近给定值时方可投入自动。

根据以上分析，可以认为加热炉是一种具有大容积滞后和大纯滞后的对象。在整个炉子的温区内，其动态参数随炉子的工作温度变化，在工作点附近

的小温度范围内，炉子的动态特性近似线性的[7]。

上述分析说明，加热炉的动态特性比较复杂，用先进的控制策略来对窑炉进行控制显然是必要的[8]。

加热炉内钢锭的加热过程是相当复杂的，影响钢锭温度的主要因素是各段炉温和推钢节奏，而推钢节奏由轧钢要求而定，因此炉温就是唯一可控因素。影响炉温的原因是燃料流量的变化，因此，炉温数学模型即为燃耗与炉温的函数关系。为此，必须建立炉子的热平衡方程式。