本发明涉及冶金生产领域，尤其涉及一种加热炉温度控制方法。一种加热炉温度的模型控制方法，首先以生产实绩数据为基础，建立加热炉内各个单一产品稳定生产节奏下的燃气统计样本；然后建立炉温线性分布曲线和产品温度跟踪模型并结合加热炉参数和炉内产品类型得到某一控制段炉温初始设定值；再计算得到该控制段的燃气流量标准值和燃气流量计算值并与该控制段的燃气流量实测值结合比较设置得到该控制段的温度修正调节因子，最后利用温度修正调节因子计算得到该控制段的炉温最终设定值。本发明能够有效缓解因加热炉热负荷变化导致的炉温测量精度异常、产品加热质量异常、能源浪费等问题，是工业生产精细化控制、环境经营的一种具体体现。
1.一种加热炉温度的模型控制方法，其特征是，包括以下步骤：首先以生产实绩数据为基础，建立加热炉内各个单一产品稳定生产节奏下的燃气统计样本，将产品索引与燃气统计样本一一对应以表征实际生产过程中的最佳炉况；然后以加热炉内各控制段实际测量炉温为基础，建立加热炉长度方向的炉温线性分布曲线，并利用炉内产品温度跟踪模型、加热炉参数和炉内产品类型得到某一控制段炉温初始设定值；再根据该控制段内的产品索引调用对应的燃气统计样本结合炉内产品温度跟踪模型计算得到该控制段的燃气流量标准值和燃气流量计算值；将燃气流量标准值和燃气流量计算值与该控制段的燃气流量实测值结合比较设置得到该控制段的温度修正调节因子，最后利用温度修正调节因子和炉内相关参数计算得到该控制段炉温修正值，将炉温修正值代回炉温初始设定值得到该控制段的炉温最终设定值；
所述利用温度修正调节因子和炉内相关参数计算得到该控制段炉温修正值具体为式中：ΔT,,(j)为第j控制段的炉温修正值；
κ(j)为当前生产状态下，第j控制段的燃气综合利用率；
ξ(j)为当前生产状态下，第j控制段内去除烟气和产品吸收热量之外的其他热损失；
Cp′为当前生产状态下，第j控制段内热电偶测量温度对应的烟气比热；
ΔV(j)为当前生产状态下，第j控制段标准燃气流量偏差值；
V5(j)为当前生产状态下，第j控制段的实测燃气流量值。
2.如权利要求1所述的加热炉温度的模型控制方法，其特征是：以生产实绩数据为基础，建立加热炉内单一产品稳定生产节奏下的燃气统计样本，燃气统计样本中包括索引为i的产品在第j控制段内对应的必要燃气流量V1(i,j)、段末目标温度T(i,j)、产量P(i)、实测燃气流量V2(i,j)、燃气利用率κ(i,j)，其中产品索引i为具体钢种、具体规格对应的唯一索引；
式中： 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下，第j控制段入口温度到出口目标温度之间的平均比热；
ΔTi,j为索引为i的单一产品在稳定生产状态下，第j控制段段末目标温度与控制段入口温度的温差；
P(i)为索引为i的单一产品在稳定生产状态下在各控制段的小时产量；
3.如权利要求1所述的加热炉温度的模型控制方法，其特征是：所述根据该控制段内的产品索引调用对应的燃气统计样本结合炉内产品温度跟踪模型计算得到该控制段的燃气流量标准值和燃气流量计算值具体为， V3(j)为当前生产状态下，第j控制段所需的燃气流量标准值，V4(j)为当前生产状态下，第j控制段所需的燃气流量计算值；
式中：V3(i,j)为当前生产状态下，索引为i的产品在第j控制段，对应的小时产量所需的燃气流量标准值；
P(i,j)为当前生产状态下，产品索引i在第j控制段的小时产量；
P(i)为索引为i的单一产品在稳定生产状态下在控制段的小时产量；
V2(i,j)为实测燃气流量，表示的含义为，索引为i的单一产品在稳定生产状态下在第j控制段的实测燃气流量；
式中：P(i,j)为当前生产状态下，产品索引i在第j控制段的小时产量；
为索引为i的单一产品在稳定生产状态下，在第j控制段入口温度到出口目标温度之间的平均比热；
κ(i,j)为索引为i的单一产品在稳定生产状态下，在第j控制段的燃气利用率；
ΔT’i,j为当前生产状态下，索引为i的产品在第j控制段段末目标温度与控制段入口温度的温差；
4.如权利要求3所述的加热炉温度的模型控制方法，其特征是：所述设置得到该控制段的温度修正调节因子具体为，首先，设定第j控制段的流量调节因子δ(j)和流量变化趋势调节因子γ(j)的范围；标准燃气流量偏差值ΔV(j)＝V5(j)-V3(j)，计算燃气流量偏差值ΔV1(j)＝V5(j)-V4(j)，变化趋势值ΔV2(j)＝V5(j)-V5old(j)，其中V5(j)为当前生产状态下，第j控制段的实测燃气流量值，V5old(j)为当前生产状态下，上一测量时间的实测燃气流量值；然后，根据ΔV(j)、ΔV1(j)和ΔV2(j)的数值关系在设定的范围内根据经验选取流量调节因子δ(j)和流量变化趋势调节因子γ(j)的数值，最后得到当前生产状态下第j控制段的温度修正调节因子α(j)＝δ(j)×γ(j)。
加热炉温度的模型控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及冶金生产领域，尤其涉及一种加热炉温度控制方法。
背景技术
[0002] 加热炉燃烧控制，最终是要实现燃气流量在各控制段的合理分配，确定各控制段的热负荷满足产品加热质量的要求。在自动化程度日益提高的加热炉过程控制中，一般都
通过控制炉温来实现燃气流量的自动调节。随着产品规格拓展，市场对产品质量的要求日
益增加，对加热炉生产过程的精细化控制提出了更高的要求。因加热炉设备特性、燃烧控制
方法等因素的影响，当产品规格多、生产节奏变化时，炉内热负荷的变化可能会影响加热炉
的炉温测量精度，使其不能准确反应出实际炉况，导致产品实际出炉温度波动，影响产品质
量，造成能源浪费。
[0003] 正是因为产品规格的多样化，加热炉内不同产品混装加热的现象越来越普遍。因此，通过将温度信息和流量信息有机结合，实现不同热负荷下炉温精细化控制，对提高产品
质量，节约能源是非常有意义的。遗憾的是，目前加热炉的炉温自动控制，多以单一因素为
基准，只根据产品温度反算炉温进行控制，不考虑测量燃气流量，导致的炉温测量精度异
常、产品加热质量异常、能源浪费等问题。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种加热炉温度的模型控制方法，该控制方法将炉内温度信息和燃气流量信息相结合，能够有效缓解因加热炉热负荷变化导致的炉温测
量精度异常、产品加热质量异常、能源浪费等问题。
[0005] 本发明是这样实现的：一种加热炉温度的模型控制方法，包括以下步骤：首先以生产实绩数据为基础，建立加热炉内各个单一产品稳定生产节奏下的燃气统计样本，将产
品索引与燃气统计样本一一对应以表征实际生产过程中的最佳炉况；然后以加热炉内各控
制段实际测量炉温为基础，建立加热炉长度方向的炉温线性分布曲线，并利用炉内产品温
度跟踪模型、加热炉参数和炉内产品类型得到某一控制段炉温初始设定值；再根据该控制
段内的产品索引调用对应的燃气统计样本结合炉内产品温度跟踪模型计算得到该控制段
的燃气流量标准值和燃气流量计算值；将燃气流量标准值和燃气流量计算值与该控制段的
燃气流量实测值结合比较设置得到该控制段的温度修正调节因子，最后利用温度修正调节
因子和炉内相关参数计算得到该控制段炉温修正值，将炉温修正值代回炉温初始设定值得
到该控制段的炉温最终设定值。
[0006] 以生产实绩数据为基础，建立加热炉内单一产品稳定生产节奏下的燃气统计样本，燃气统计样本中包括索引为i的产品在第j控制段内对应的必要燃气流量 、段末目标温度 、产量 、实测燃气流量 、燃气利用率 ，其中产品
索引i为具体钢种、具体规格对应的唯一索引；
[0007]
[0008] 式中： 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下，第j控制段入口温度到出口目标温度之间的平均比热；
[0009] 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下，第j控制段段末目标温度与控制段入口温度的温差；
[0010] 为燃气热值；
[0011] 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下在各个控制段的小时产量；
[0012] 。
[0013] 所述根据该控制段内的产品索引调用对应的燃气统计样本结合炉内产品温度跟踪模型计算得到该控制段的燃气流量标准值和燃气流量计算值具体为， 、
， 为当前生产状态下，第j控制段所需的燃气流量标准值， 为
当前生产状态下，第j控制段所需的燃气流量计算值；
[0014]
[0015] 式中： 为当前生产状态下，索引为i的产品在第j控制段，对应的小时产量所需的燃气流量标准值；
[0016] 为当前生产状态下，产品索引i在第j控制段的小时产量；
[0017] 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下在各个控制段的小时产量；
[0018] 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下在第j控制段的实测燃气流量；
[0019]
[0020] 式中： 为当前生产状态下，产品索引i在第j控制段的小时产量；
[0021] 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下，在第j控制段入口温度到出口目标温度之间的平均比热；
[0022] 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下，在第j控制段的燃气利用率；
[0023] 为当前生产状态下，索引为i的产品在第j控制段段末目标温度与控制段入口温度的温差；
[0024] 为燃气热值。
[0025] 所述设置得到该控制段的温度修正调节因子具体为，首先，设定第j控制段的流量调节因子 和流量变化趋势调节因子 的范围；标准燃气流量偏差值
，计算燃气流量偏差值 ，变化趋势值
，其中 为当前生产状态下，第j控制段的实测燃气流量值， 为当前生产状态下，
上一测量时间的实测燃气流量值；然后，根据 、 和 的数值关系在设定
的范围内根据经验选取流量调节因子 和流量变化趋势调节因子 的数值，最后得到
当前生产状态下第j控制段的温度修正调节因子 。
[0026] 所述利用温度修正调节因子和炉内相关参数计算得到该控制段炉温修正值具体为
[0027]
[0028] 式中： 为当前生产状态下，第j控制段的燃气综合利用率；
[0029] 为空燃比；
[0030] 为当前生产状态下，第j控制段内去除烟气和产品吸收热量之外的其他热损失；
[0031] 为烟气生成系数；
[0032] 为当前生产状态下，第j控制段内热电偶测量温度对应的烟气比热；
[0033] 为燃气热值；
[0034] 为当前生产状态下，第j控制段标准燃气流量偏差值；
[0035] 为温度修正调节因子；
[0036] 为当前生产状态下，第j控制段的实测燃气流量值。
[0037] 本发明加热炉温度的模型控制方法在进行炉温控制时，将炉内温度信息和燃气流量信息相结合，能够有效缓解因加热炉热负荷变化导致的炉温测量精度异常、产品加热质
量异常、能源浪费等问题，是工业生产精细化控制、环境经营的一种具体体现；特别适合应
用于产品规格多、生产节奏变化快的加热炉。
具体实施方式
[0038] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人
员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定
的范围。
[0039] 实施例1
[0040] 一种加热炉温度的模型控制方法，包括以下步骤：
[0041] 步骤一、首先以生产实绩数据为基础，建立加热炉内各个单一产品稳定生产节奏下的燃气统计样本，将产品索引与燃气统计样本一一对应以表征实际生产过程中的最佳炉
况；内容如下：
[0042]
[0043] 单一产品稳定生产节奏：加热炉内进行加热产品的钢种及规格完全一样，产品索引均为i，且加热炉的抽钢节奏稳定，具体钢种、具体规格对应的唯一索引；
[0044] 索引为i的单一产品在稳定生产状态下，产品到达第j控制段段末的实绩温度，该温度通过炉内产品温度跟踪来获取；
[0045] 索引为i的单一产品在稳定生产状态下，在第j控制段的必要燃气流量，即升温所吸收热量对应的燃气流量； ，式中： 为索引为i的单
一产品在稳定生产状态下，第j控制段入口温度到出口目标温度之间的平均比热； 为
索引为i的单一产品在稳定生产状态下，第j控制段段末目标温度与控制段入口温度的温
差； 为燃气热值；
[0046] 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下在各控制段的小时产量，单一产品稳定生产状态下各控制段的小时产量相等， ，其中： 为第j控制段内产品
重量， 为第j控制段的长度，v为步进速度；对于稳定生产节奏而言，炉内是均匀布料，
即 恒定，所以各控制段的小时产量是相等的；
[0047] 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下在第j控制段的燃气利用率，
[0048] ，其中： 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下，在第j控制段的实测燃气流量。
[0049] 步骤二、然后以加热炉内各控制段实际测量炉温为基础，建立加热炉长度方向的炉温线性分布曲线；在生产现场，根据产品的实际尺寸，可采用1维或2维的离散差分方法
进行热传导方程的求解。这样，结合加热炉设备布局，以炉内各控制段实际测量炉温为基
础，可以建立加热炉长度方向的炉温线性分布曲线；以产品热传导方程为基础，通过对热传
导方程对应的离散差分方程进行迭代求解，实现炉内产品温度跟踪，由工业控制计算机根
据控制段内不同产品的必要炉温计算得到第j控制段炉温初始设定值 ，此为成熟的现
有技术。
[0050] 步骤三、再结合产品温度跟踪信息，计算加热炉当前生产状态下各控制段的燃气流量标准值和燃气流量计算值；首先计算当前生产状态下，产品索引i在第j控制段的小
时产量 ， ，其中： 为当前生产状态下，索引为i的产品在第
j控制段的的产品重量；然后计算，当前生产状态下，第j控制段所需的燃气流量标准值
和当前生产状态下，第j控制段所需的燃气流量计算值 ；
最后计算当前生产状态下第j控制段的燃气综合利用率 ， ；
[0051]
[0052] 式中： 为当前生产状态下，索引为i的产品在第j控制段，对应的小时产量所需的燃气流量标准值；
[0053] 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下在第j控制段的实测燃气流量；
[0054]
[0055] 式中： 为当前生产状态下，产品索引i在第j控制段的小时产量；
[0056] 为索引为i的单一产品在稳定生产状态下，在第j控制段入口温度到出口目标温度之间的平均比热；
[0057] 为当前生产状态下，索引为i的产品在第j控制段段末目标温度与控制段入口温度的温差；
[0058] 为燃气热值。
[0059] 步骤四、另外将燃气流量标准值和燃气流量计算值与该控制段的燃气流量实测值结合比较，进行状态判断，然后根据比较结果设置得到该控制段的温度修正调节因子，
用以实现不同状态下的燃气流量对炉温的差别化调节；首先，设定第j控制段的流量调节
因子 和流量变化趋势调节因子 的范围，例如可取 ，
；标准燃气流量偏差值 ，计算燃气流量偏差值 ，变化趋
势值 ，其中 为当前生产状态下，第j控制段的实测燃气流量值，
为当前生产状态下，上一测量时间的实测燃气流量值；然后，根据 、
和 的数值关系在设定的范围内根据经验选取流量调节因子 和流量变化趋势
调节因子 的具体数值；最后得到当前生产状态下第j控制段的温度修正调节因子
。
[0060] 若 和 同号，即同为正或同为负，说明产品温度跟踪信息和燃气流量信息所表征的炉况相似度高，此时流量调节因子 可在设定的范围内选取取较大值；反之，
流量调节因子 取较小值。
[0061] 利用 和 的关系，在设定的范围内选取流量变化趋势调节因子的具体值，如下所示：
[0062]
A B
C D
[0063] A：当前实际燃气流量偏大，且实际燃气流量呈增加趋势，流量变化趋势调节因子取较大值；
[0064] B：当前实际燃气流量偏小，且实际燃气流量呈增加趋势，流量变化趋势调节因子取较小值；
[0065] C：当前实际燃气流量偏大，且实际燃气流量呈减小趋势，流量变化趋势调节因子取较小值；
[0066] D：当前实际燃气流量偏小，且实际燃气流量呈减小趋势，流量变化趋势调节因子取较大值；
[0067] 步骤五、最后利用温度修正调节因子和炉内相关参数计算得到该控制段炉温修正值，将炉温修正值代回炉温初始设定值得到该控制段的炉温最终设定值，第j控制段的炉
温最终设定值 具体计算如下：
[0068] = -
[0069] 其中，
[0070] 式中： 为第j控制段的炉温修正值；
[0071] 为第j控制段的炉温初始设定值；
[0072] 为空燃比；
[0073] 为当前生产状态下，第j控制段内去除烟气和产品吸收热量之外的其他热损失；为了方便调节，在实施例中设置为0，然后全部通过调节 来表征；
[0074] 为烟气生成系数，可以用实际测量的烟气量与投入空气、燃气量之和的比值表征，也可以根据空气和燃气成分进行计算；
[0075] 为当前生产状态下，第j控制段内热电偶测量温度对应的烟气比热。
[0076] 以本厂实际应用的某加热炉为例，该加热炉有效炉长46m，分为炉尾段、预热段、一加段、二加段、均热段等5段，其中预热段、一加段、二加段、均热段等4段为控制段，分别对
3
应j为1，2，3，4；燃气采用混合煤气，热值为2120kcal/m，空燃比 为2.18；烟气生成系数
为0.948；假设当前炉内加热钢种包括2种，两产品对应索引分别为1，2，炉内产品单重和
布料方式一致，出炉温度均为1200℃；炉尾段到一加段中部为索引2的产品，一加段中部到
均热段为索引1的产品；当前步进速度v为19.82m/h。
[0077] 当前生产状态下，各控制段实测燃气流量值如下表1：
[0078]控制段 1 2 3 4
(m3/h) 10350 13600 7610 1218
(m3/h) 10300 12950 7600 1250
[0079] 表1
[0080] 当前生产状态下，根据炉内产品温度跟踪，获取不同产品在各控制段入口温度如表2所示：
[0081]
[0082] 表2
[0083] 工业控制设定的各控制段炉温初始设定值 ，如下表3所示：
[0084]控制段j 1 2 3 4
设定炉温T(j) 1005℃ 1190℃ 1250℃ 1210℃
[0085] 表3
[0086] 在单一产品稳定生产节奏下，索引为1、2的产品对应的小时产量分别为280吨，250吨，对应步进速度v分别为19.82m/h，17.69m/h，产品进入第1号控制段时的温度为
450℃，建立的的燃气样本统计信息如下表4：
[0087]
[0088] 表4
[0089] 其中，索引为i的单一产品在稳定生产状态下，在第j控制段的必要燃气流量计算如下：
[0090]
[0091]
[0092]
[0093]
[0094]
[0095]
[0096]
[0097]
[0098] 加热炉当前生产状态下，计算各控制段所需的燃气流量标准值V3(j)和各控制段所需的燃气流量计算值V4(j)。
[0099] 当前生产状态下，产品单重和布料方式一致，因此各控制段的小时产量相等，均为280吨；采用公式：
[0100]
[0101] 计算索引为i的产品在第j控制段，对应的小时产量 见下表5：
[0102]
[0103] 表5
[0104] 当前生产状态下，索引为i的产品在第j控制段，对应的小时产量所需的燃气流量标准值 计算如下：
[0105]
[0106]
[0107]
[0108]
[0109]
[0110]
[0111]
[0112]
[0113]
[0114] 当前生产状态下第j控制段的燃气综合利用率 计算如下：
[0115]
[0116]
[0117]
[0118]
[0119]控制段j 1 2 3 4
0.6294 0.5160 0.5081 0.3523
[0120] 用控制段段末目标温度减去各控制段入口温度，可以获得为当前生产状态下，索引为i的产品在第j控制段段末目标温度与控制段入口温度的温差 ；如下：
[0121]
[0122] 当前生产状态下，索引为i的产品在第j控制段，对应的小时产量所需的燃气流量计算值 计算如下：
[0123]
[0124]
[0125]
[0126]
[0127]
[0128]
[0129]
[0130]
[0131] 当前生产状态下，第j控制段所需的燃气流量计算值：
[0132]
[0133]
[0134] 状态判断，从两个方面来确定各控制段的流量调节因子 。
[0135]
[0136]
[0137]
[0138]
[0139]
[0140]
[0141]
[0142]
[0143]
[0144]
[0145]
[0146]
[0147]j 1 2 3 4
46 -176 110 18
-366 -103 194 77
0.2 0.8 0.8 0.8
[0148]j 1 2 3 4
46 -176 110 18
50 640 10 -32
0.8 0.3 0.8 0.3
[0149]j 1 2 3 4
0.16 0.24 0.64 0.24
[0150] 利用温度修正调节因子和炉内相关参数计算得到该控制段炉温修正值 ，具体计算如下：
[0151]
[0152]
[0153]
[0154]
[0155] 将炉温修正值 代回控制段炉温初始设定值 ，得到该控制段的炉温最终设定值 = -
[0156] 设定值取整，因此得到修正后的设定温度：
[0157]
