高炉热风炉是炼铁工序的核心设备，其燃烧效率直接影响风温和能耗水平。传统PID控制以拱顶温度偏差调节煤气流量，但热风炉具有大惯量、长延迟、多变量耦合的特点，PID在换炉和变工况时响应迟缓，导致超调或欠烧。某钢铁企业3000立方米高炉配4座顶燃式热风炉，原控制方案下拱顶温度波动正负15度，废气温度超标率12%，煤气消耗偏高。
热风炉燃烧过程可简化为三输入三输出系统：输入为高炉煤气流量、焦炉煤气流量、助燃空气流量；输出为拱顶温度、废气温度、烟气含氧量。根据现场数据辨识，开运体育官网入口拱顶温度对高炉煤气流量的响应延迟约45秒，时间常数约180秒；对焦炉煤气延迟约30秒，时间常数约120秒。拱顶温度与废气温度存在热耦合——提高拱顶温度必然推高废气温度，需在约束窗口内协调。
基于2年历史运行数据（采样周期10秒，共630万组），采用子空间辨识方法（N4SID算法）建立MIMO预测模型，模型阶次为12，预测时域60步（10分钟），控制时域10步。模型验证：拱顶温度一步预测RMSE为2.1度，十步预测RMSE为5.8度，满足控制精度要求。
目标函数采用带约束的二次规划形式，包含输出跟踪项、输入惩罚项和增量惩罚项三部分。约束条件：拱顶温度1320正负20度（加热期），废气温度不超过380度，烟气O2浓度1%到3%，煤气阀开度5%到95%，阀动作速率不超过5%每步。
权重整定原则：拱顶温度跟踪权重最高（设为10），废气温度权重次之（设为3），氧量权重最低（设为1）。输入增量惩罚取较大值（50到100）以抑制阀门抖动。QP求解采用活动集法，单步计算时间小于15ms（Intel i5-8500），满足10秒控制周期要求。
传统方案采用固定空燃比（如1.05），实际燃烧过程中煤气热值波动正负10%，固定空燃比导致部分时段过氧燃烧（热损失）或欠氧燃烧（CO超标）。MPC方案将烟气O2浓度作为被控变量纳入优化框架，控制器在拱顶温度跟踪和O2调节之间自动平衡空燃比。
实测数据：加热期前30分钟，MPC控制下的拱顶温度上升速率比PID快8%（从800度升到1300度用时缩短约2分钟），且超调量从12度降低到3度。稳态期拱顶温度波动正负3度（PID方案正负15度），废气温度超标率从12%降至1.5%，烟气O2稳定在1.8%到2.2%区间。
控制器部署在冗余PLC的上位机中，通过OPC DA与PLC通信，读写周期500ms。安全策略：MPC输出指令经过限幅和速率约束后写入PLC，PLC侧保留硬联锁保护（拱顶温度超过1380度自动切断煤气）。操作员可一键切换MPC和PID模式，切换过程无扰动。
4座热风炉全部投用MPC后，平均风温从1190度提升至1210度（高炉增产约1.5%），高炉煤气消耗降低8%（年节约标煤约3600吨），CO排放降低35%。项目投资回收期约8个月。该方案已在该企业4座高炉推广。
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