徐 強，章家?guī)r，馮旭剛

（安徽工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，安徽 馬鞍山 243000）

基于預測函數(shù)控制算法的管式加熱爐溫度控制策略

徐 強，章家?guī)r，馮旭剛

（安徽工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，安徽 馬鞍山 243000）

提出采用預測函數(shù)控制（PFC）和前饋溫度控制相結(jié)合的控制方案解決管式加熱爐溫度控制問題，確定了PFC控制器設計中的基函數(shù)、參考軌跡和誤差校正補償問題，利用仿真分析對PFC和前饋溫度控制相結(jié)合的控制方案進行了分析，并將此方案應用于某煉油廠圓筒型管式加熱爐進行現(xiàn)場控制運行。實驗結(jié)果表明，PFC和前饋溫度控制相結(jié)合的控制方案能夠?qū)囟瘸{(diào)量、調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差等動態(tài)性能指標進行有效的控制，且控制效果優(yōu)于常規(guī)的比例積分微分（PID）控制方案；利用PFC和前饋溫度控制相結(jié)合的控制方案控制某煉油廠圓筒型管式加熱爐，溫度波動在260.0～262.3 ℃，控制偏差約為±1℃，PFC和前饋溫度控制相結(jié)合的控制方案比PID控制方案具有更強的抗干擾能力和系統(tǒng)魯棒性。

管式加熱爐；預測函數(shù)控制；模型失配；溫度控制

管式加熱爐作為一種工業(yè)加熱設備，在石油化工、鋼鐵冶金和機械制造等工業(yè)生產(chǎn)領域得到了廣泛的應用［1-2］，但作為一種重要的能耗設備，其熱效率不高［3-4］。目前，我國工業(yè)生產(chǎn)中使用的很多加熱爐的熱效率均低于發(fā)達國家的先進水平，因此，進行燃燒過程優(yōu)化控制，提高熱效率對于企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗、減少環(huán)境污染具有重要意義。

加熱爐溫度控制的效果對于其熱效率具有重要影響［5］。目前，工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的比例積分微分（PID）控制方法由于調(diào)節(jié)器增益參數(shù)固定不變，很難達到滿意的動態(tài)控制效果［6］。雎剛等［7］采用變結(jié)構(gòu)的預測控制算法，求解預測控制量，并應用于火電機組的過熱汽溫控制，具有較好的控制品質(zhì)。王文蘭等［8］構(gòu)建了實時辨識模型，修正了預測函數(shù)控制器參數(shù)，進一步改善了鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制性能，通過仿真可知該模型對于多輸入、出系統(tǒng)具有良好的控制效果。但加熱爐由于工況復雜、環(huán)境惡劣，會造成系統(tǒng)參數(shù)的不確定性，被控過程很難以一個或一族模型來描述［9-10］，使常規(guī)模型預測方法（動態(tài)矩陣控制和廣義預測控制）的控制效果因較大的模型失配而惡化［11-12］。

本工作采用預測函數(shù)控制（PFC）和前饋溫度控制相結(jié)合的控制方案解決管式加熱爐溫度控制問題，確定了PFC控制器設計中的基函數(shù)、參考軌跡和誤差校正補償問題，利用仿真分析對PFC和前饋溫度控制相結(jié)合的控制方案進行了分析，并將此方案應用于某煉油廠圓筒型管式加熱爐進行現(xiàn)場控制運行。

1 實驗部分

1.1 管式加熱爐工藝原理

管式加熱爐是將爐內(nèi)加熱管中流動的被加熱流體物料（氣體或液體）加熱到一定溫度，以滿足生產(chǎn)工藝的需要［13］。一般由輻射室、對流室、燃燒系統(tǒng)、預熱器和排煙系統(tǒng)5個部分構(gòu)成，常規(guī)管式加熱爐的工藝流程見圖1。物料首先經(jīng)上料泵進入換熱器管程內(nèi)進行預熱處理，然后進入加熱爐的對流段，并從末端流出進入加熱爐的輻射段，接受燃料燃燒產(chǎn)生的炙熱火焰和高溫煙氣的輻射熱量；最后爐膛燃燒產(chǎn)生的炙熱煙氣自下而上將輻射熱量傳遞給爐管物料，當煙氣到達輻射室頂端后，又自上而下通過對流段爐管，與被加熱物料進行熱交換。燃燒過程所需燃料和空氣則分別由燃料泵和變頻鼓風機導入加熱爐中，在爐膛燃燒器內(nèi)進行混合燃燒，產(chǎn)生的大量熱量使輻射室爐管內(nèi)流動的被加熱物料快速升溫。

圖1 常規(guī)管式加熱爐的工藝流程Fig.1 Process fow of a conventional tubular furnace.

1.2 管式加熱爐控制要求

管式加熱爐是一典型的復雜控制對象，各參數(shù)之間存在較強的耦合關系，在滿足安全生產(chǎn)的條件下，不僅要控制加熱爐出口物料溫度和爐膛壓力在規(guī)定的范圍內(nèi)，還要優(yōu)化燃燒過程，提高燃燒效率，實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒。加熱爐生產(chǎn)過程中涉及的參數(shù)變量見圖2。

由圖2可知，加熱爐在運行過程中涉及的被控參數(shù)包括被加熱物料溫度、爐膛壓力、爐膛溫度、煙氣氧含量等。而施加的操縱量分別為加熱物料流量、燃料量、引風量等。被加熱物料出口溫度是加熱爐操作中的一個重要被控參數(shù)，需穩(wěn)定在生產(chǎn)工藝所要求的范圍內(nèi)，即溫度波動在設定值的±1 ℃范圍變化。

圖2 加熱爐運行所涉及的主要參量Fig.2 Relative parameters with the operation of the heating furnace.

1.3 管式加熱爐溫度控制方案

PFC算法繼承了一般預測控制算法的三大基本特征［14-15］：預測模型，滾動優(yōu)化和反饋校正。引入基函數(shù)，將控制輸入用基函數(shù)表示，系統(tǒng)輸出是基函數(shù)作用于對象響應后的加權組合，再經(jīng)在線優(yōu)化得出線性加權系數(shù)，求出未來的控制輸入。由于基函數(shù)及其輸出響應均可事先離線計算［16］，因此，在線參數(shù)計算量顯著減少，提高了控制的實時性和快速性。PFC的管式加熱爐溫度控制方案見圖3。

其中，被加熱物料出口溫度為被控變量，燃料閥門開度為操縱變量。

圖3 加熱爐PFC溫度控制方案Fig.3 The predictive functional(PFC) temperature control scheme for the heating furnace.

由于加熱爐控制對象具有較大的滯后性，當被加熱物料流量變化時，反饋控制不能及時影響系統(tǒng)的輸出，可能會引起被控溫度的較大波動，直接影響控制品質(zhì)。因此，在控制系統(tǒng)中加入了前饋控制環(huán)節(jié)（見圖4），通過物料流量的擾動變化來對輸出溫度的影響進行補償。

圖4 加熱爐PFC-前饋溫度控制方案Fig.4 The PFC feed-forward temperature control scheme for the heating furnace.

1.3.1 預測模型

管式加熱爐溫度控制預測模型輸出由模型自由輸出和模型函數(shù)輸出構(gòu)成。預測模型是模型預測算法的構(gòu)成及控制基礎，主要依據(jù)系統(tǒng)的輸入狀態(tài)和對象的過去狀態(tài)預測系統(tǒng)未來時刻的過程輸出值［17］。預測模型輸出式見式（1）。

1.3.2 參考軌跡的選擇

在實際應用中，為使控制過程平穩(wěn)進行，需根據(jù)系統(tǒng)實際輸出值和期望輸出值，設計一條逐漸趨近于設定值的參考軌跡，使系統(tǒng)輸出盡可能平緩地跟蹤設定值［18］。漸進穩(wěn)定系統(tǒng)的參考軌跡常取為一階指數(shù)，見式（2）。

一般情況下，對于一階系統(tǒng)?。骸＆碌脑O計影響系統(tǒng)動態(tài)性能和魯棒性，T的取值決定參考軌跡能否更快趨近設定值。

1.3.3 誤差補償校正

由于預測控制過程中，系統(tǒng)輸出與設定值之間會產(chǎn)生偏差，為保證更精確的預估過程輸入，則通過預估器估計誤差，并以前饋的形式引入?yún)⒖架壽E，對模型輸出進行校正。預測估計多項式見式（3）。

1.4 PFC溫度控制器設計

由PFC原理可知，在輸入頻譜有限的情況下，控制輸入為一組與設定值軌跡和系統(tǒng)對象有關的特定函數(shù)族，因此，可對控制輸入進行規(guī)范化和結(jié)構(gòu)化處理，即將每一時刻的控制輸入視為事先選定的相關基函數(shù)fj（j=1，…，N）的線性組合，見式（4）。

參考軌跡的選定和被控對象的性質(zhì)決定了基函數(shù)的選擇。對于加熱爐溫度控制系統(tǒng)，在預測時域內(nèi)其設定值變化率一般小于或等于某一闕值（γ），因此，可取階躍函數(shù)作為基函數(shù)。

實際加熱爐是一個時變復雜的非線性控制對象，具有強耦合、大時滯和參數(shù)不確定性等特點，很難建立精確的數(shù)學模型［19］，這給PFC控制器的輸出求解帶來了很大的困難。因此，采用一階慣性延時環(huán)節(jié)作為加熱爐溫度控制對象的模型，其被控溫度與供熱流量之間的動態(tài)特性函數(shù)見式（5）。

當Td=0，對優(yōu)化函數(shù)式（1）擬合時間（hp），得到一階純滯后對象的控制作用。零階保持器模型離散差分方程式見式（6）。

其中，αmhp=e-T/Tm。

經(jīng)算法優(yōu)化，預測函數(shù)預測輸出即為式（7）。

當Td≠0時，需修正控制器的預測輸出值。設d=Td/T，參照Smith預估的控制算法思路，修改式見式（8）。

誤差補償修正式見式（9）。

加熱爐出口溫度PFC控制器的k時刻控制輸出式見式（10）。

u（k）的值可使過程的輸出和控制的參考值在第（k+hp）時刻之間的差值最小。根據(jù)基函數(shù)的過程響應，對目標函數(shù)進行優(yōu)化計算可得到各個基函數(shù)的權系數(shù)，從而求得相應的控制量。

2 結(jié)果與討論

2.1 仿真分析結(jié)果

通過MATLAB對PFC算法進行仿真研究，參數(shù)設置為：Km=1，Tm=300 s，Td=120 s，在PID控制系統(tǒng)中，控制器比例Kp=0.15，積分時間Tt=28 s，微分時間Td=0；采樣周期為1 s，預測時域L=8 s。

PFC和PID仿真效果見圖5。從圖5可看出，PFC-前饋控制方案具有穩(wěn)態(tài)誤差小、調(diào)節(jié)速率快、能夠快速跟蹤設定值的優(yōu)點，其控制品質(zhì)優(yōu)于PID控制方案。

圖5 PFC和PID仿真效果Fig.5 Simulation results of PFC and proportional integral diferential(PID).

當被控溫度接近穩(wěn)態(tài)值時（t=2 000 s），加入幅值為20%階躍干擾，加干擾時PFC和PID仿真曲線見圖6。由圖6可知，加入擾動會使PID控制產(chǎn)生較大的超調(diào)，且在t=3 000 s時才能達到穩(wěn)態(tài)值，而PFC方法在t=2 800 s時即能達穩(wěn)態(tài)值。因此，PFC方法具有較強的干擾抑制能力。

Tm失配時（Tm由150 s增大到450 s），時間常數(shù)失配仿真曲線見圖7。由圖7 可知，當Tm增大時，上升時間縮短，響應速度加快，系統(tǒng)波動變大；當Tm減小時，上升速度減緩，響應時間延長。但均能在較短時間內(nèi)趨于平穩(wěn)。Km失配時（Km由0.7增大到1.3），預測增益失配仿真曲線見圖8。由圖8可知，當Km逐漸增大時，系統(tǒng)跟蹤函數(shù)設定值的實際輸出響應速度將減緩；當Km逐漸減小時，系統(tǒng)響應速度加快，但超調(diào)量增大。模型不匹配時，調(diào)節(jié)時間變化不大，在較短時間內(nèi)趨于平穩(wěn)。因此，PFC-前饋控制方案能夠有效處理模型失配導致控制品質(zhì)下降的問題。

圖6 加干擾時PFC和PID仿真曲線Fig.6 Simulation curves of PFC and PID with disturbance.

圖7 時間常數(shù)失配仿真曲線Fig.7 The simulation curves of the time constant mismatch.

圖8 預測增益失配仿真曲線Fig.8 The simulation curves of the prediction gain mismatch.

2.2 工程應用

將PFC-前饋控制方案運用到某煉油廠5 000 kW圓筒型管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)，控制架構(gòu)采用分布式兩級計算機控制方案?；A自動化級采用SIEMENS的S7-400系列PLC，過程控制級由工業(yè)以太網(wǎng)和工程師操作站組成，采用PCS7/WINCC實現(xiàn)控制算法的編程，通過組態(tài)軟件實現(xiàn)控制過程的實時監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)改造前后的溫度控制曲線分別見圖9和圖10。由圖9和圖10對比分析可知，在加熱爐出口物料設定值為261 ℃的條件下，采用PID方法，溫度波動在259～263.5 ℃，控制偏差約±2 ℃；采用PFC-前饋控制方案，溫度波動在260.0～262.3 ℃，控制偏差約為±1 ℃。因此，PFC-前饋控制方案比普通的PID控制方案具有更強的抗干擾能力和系統(tǒng)魯棒性。

圖9 PID的溫度曲線Fig.9 Temperature curve of PID.

圖10 PFC-前饋溫度曲線Fig.10 Feed-forward temperature curve of PFC.

3 結(jié)論

1）PFC和前饋溫度控制相結(jié)合的控制方案解決了管式加熱爐溫度控制問題，能夠?qū)囟瘸{(diào)量、調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差等動態(tài)性能指標進行有效的控制，且控制效果優(yōu)于常規(guī)的PID控制方案。

2）利用PFC和前饋溫度控制相結(jié)合的控制方案控制某煉油廠圓筒型管式加熱爐，溫度波動在260.0～262.3 ℃，控制偏差約為±1 ℃。

3）PFC和前饋溫度控制相結(jié)合的控制策略比PID控制方案具有更強的抗干擾能力和系統(tǒng)魯棒性。

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（編輯 平春霞）

通過在熔融金屬上裂化甲烷生產(chǎn)氫氣

Chem Eng，2016 - 01 - 01

德國先進的可持續(xù)發(fā)展研究所（IASS）以及Karlsruhe理工學院（KIT）的研究人員開發(fā)出一種工藝可將甲烷轉(zhuǎn)化成氫氣和炭黑。由諾貝爾經(jīng)濟學獎得主，前IASS科學主任Carlo Rubbia教授發(fā)起的一個聯(lián)合項目已經(jīng)證明了這一概念的可驗證性。

根據(jù)Rubbia提出的一種新型反應器設計，甲烷在熔融金屬上發(fā)生裂解。甲烷被引入充滿熔融錫的溫度高于750℃的塔底部。當氣泡上升時，甲烷被熱裂解為H2，炭黑沉積在氣泡表面。氣泡在頂部分解釋放H2，留下炭黑粉末膜，炭黑可回收用于銷售。

從2012年到2015年，IASS和KIT已經(jīng)在KIT的Karlsruhe液態(tài)金屬實驗室中，在由石英和不銹鋼制成的1.2 m高的反應器中進行實驗。在最近的實驗中，反應器連續(xù)運行2周，在溫度為1 200 ℃下以78%的轉(zhuǎn)化率生產(chǎn)H2。由IASS和亞琛工業(yè)大學進行的生命周期評估表明，生產(chǎn)每單位H2在CO2排放量方面，CH4裂解相當于電解水，而比蒸汽甲烷重整“更清潔”50%。

初步的經(jīng)濟學計算表明，該技術可以實現(xiàn)H2生產(chǎn)成本為1.9～3.3歐元/kg（采用德國天然氣價格，并且炭黑的市場價值沒有考慮在內(nèi)）。接下來IASS和KIT側(cè)重于優(yōu)化反應器設計的某些方面（如碳去除工藝），并逐漸將其放大以適應更高的流速。

Genomatica-Braskem生物基丁二烯工藝取得進展

Chem Eng，2016 - 01 - 01

由于對目的生產(chǎn)丁二烯的需求不斷增長，更多地使用來自頁巖的乙烷為原料用于生產(chǎn)乙烯引人關注，丁二烯歷來主要作為傳統(tǒng)的石腦油乙烯生產(chǎn)中的副產(chǎn)品而生產(chǎn)。研究領域中有一種采用可再生原料生產(chǎn)丁二烯的生物基路線。

Genomatica公司和Braskem公司的一項聯(lián)合項目已導致采用基于發(fā)酵的工藝由糖持續(xù)的直接生產(chǎn)丁二烯。自2015年6月他們一直在以實驗室規(guī)模生產(chǎn)生物基丁二烯。

所述Genomatica-Braskem方案開發(fā)出一種細菌菌株，能夠消耗糖并在2 L的發(fā)酵罐中合成丁二烯。通過使用計算工具，Genomatica公司鑒定60種生產(chǎn)丁二烯可能的代謝途徑并選定在酶的活性和特異性以及利于自由能方面5種最有前途的途徑用于實驗驗證。采用基因工程、酶改性及相關代謝途徑定向進化，Genomatica公司能夠使酶的性能提高60倍。

兩家公司對于項目采取了“工藝為先”的方針，利用Braskem公司丁二烯處理專長的優(yōu)勢，共同優(yōu)化整個生產(chǎn)工藝以及微生物菌株。Genomatica公司及Braskem公司目前正在擴大該工藝的規(guī)模，生產(chǎn)出足夠量的丁二烯來測試下游加工單元的運行。

美國研究人員創(chuàng)建納米反應器用于生產(chǎn)氫生物燃料

Clean Technol Business Rev，2016 - 01 - 07

美國印第安納大學的研究人員由細菌開發(fā)出一種納米反應器用于生產(chǎn)氫生物燃料。這種P22-Hyd材料或納米反應器是一種改性的酶，可催化氫的形成，這是在分解水產(chǎn)生氧和氫用于以水為動力的汽車過程中的關鍵階段。據(jù)說，該生物材料在室溫下通過使用一種簡單的發(fā)酵過程而生成，它比未改變形式的酶效率高150倍。研究人員在制這種酶中使用了氫化酶，由2種來自插入保護衣殼內(nèi)的常見細菌大腸桿菌的基因而產(chǎn)生，保護衣殼源自稱為噬菌體P22的細菌病毒。據(jù)說，與目前用于生產(chǎn)燃料電池的其他材料相比，該P22-Hyd材料更便宜且更環(huán)保。

印第安納大學化學教授指出：從本質(zhì)上講， 利用病毒自聚集多種基因結(jié)構(gòu)單元的能力并結(jié)合了非常脆弱和敏感的酶，這些酶具有卓越的吸收質(zhì)子和釋放氫氣的性質(zhì)。最終的結(jié)果是一種似病毒的顆粒，其表現(xiàn)如同能夠催化生產(chǎn)氫的高度復雜的材料。此外，P22-Hyd材料不僅打破了水的化學鍵產(chǎn)生氫，而且還重組氫和氧產(chǎn)生動力。這項研究得到了美國能源部的支持。

基于加工條件預測等規(guī)聚丙烯的力學性能

Polym，2016 - 01 - 28

研究人員提出了在非等溫靜態(tài)條件下在加工過程中經(jīng)歷不同熱機械歷史之后，預測屈服動力學的策略。這種策略涉及3個主要部分（即加工、結(jié)構(gòu)和性能）：1）應用冷卻條件結(jié)合結(jié)晶動力學并推測材料的冷卻歷史；2）從這段歷史預測層狀厚度分布；3）這些分布用于預測屈服應力。對所有的不同策略部分進行了實驗驗證。為驗證的目的進行原位溫度測量、來自XRD的層狀厚度分布實驗和單軸拉伸變形下的屈服應力測量。通過應用此過程對2種不同的等規(guī)聚丙烯牌號的多功能性進行研究。屈服應力預測顯示，在2種不同的變形機制下與獲得的實驗結(jié)果吻合良好，且只有少數(shù)參數(shù)依賴于這里所使用的特定的等規(guī)聚丙烯牌號。研究結(jié)果表明，平均層狀厚度足以預測屈服應力，而層狀厚度分布的寬度不必考慮在內(nèi)。

Temperature control strategy of tubular heating furnace based on predictive functional control algorithm

Xu Qiang，Zhang Jiayan，F(xiàn)eng Xugang
（School of Electrical & Information Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan Anhui 243000，China）

A compound control model based on the predictive functional control and feed-forward temperature control for the temperature control of tubular heating furnace was proposed. The basis function，reference trajectories，error correction and compensation in the design of the predictive functional controller were confirmed. The compound control model was analyzed by simulation analysis and applied to a cylindrical tubular heating furnace in a refinery. The simulation results showed that the method could efectively control some dynamic performances，namely temperature overshoot，time adjustment and steady-state error，and the effects were better than those using the conventional proportional integral diferential(PID) control algorithm. In the application the temperature fuctuated between 260.0 ℃ and 262.3 ℃，and the control deviation was about ±1 ℃. Compared to PID，the compound control model possesses strong anti-interference ability and system robustness.

tubular heating furnace；predictive functional control；model mismatch；temperature control

1000 - 8144（2016）04 - 0467 - 07

TQ 018

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.04.015

2015 - 10 - 26；［修改稿日期］2015 - 12 - 24。

徐強（1991—），男，安徽省蕪湖市人，碩士生，電話 0555 - 2316592，電郵 fxg773@ahut.edu.cn。

安徽省教育廳自然科學基金重點項目（KJ2015A058）。