最新东北大学柴天佑院士主持的973项目申报书复杂生产制造过程一体化控制系统理论和技术基础研究Word格式.docx

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作业班的运行工程师将运行控制指标转化为过程控制系统的设定值。

当市场需求和生产工况发生变化时，上述部门根据生产实绩数据，自动调整相应指标，通过控制系统跟踪调整后的设定值，实现对生产线全流程的控制与运行，从而将企业的综合生产指标控制在目标范围内。

当市场需求和生产工况发生频繁变化时，以人工操作为主体的上述部门不能及时准确地调整相应的指标，导致产品质量下降、生产效率降低和能耗增加，从而无法实现企业综合生产指标的优化控制。

要实现对生产制造全流程的一体化控制必须解决下列关键问题：

●采用何种控制结构和方案实现综合生产指标、生产制造全流程的运行指标、过程运行控制指标、过程控制系统自动协同，实现对整条生产线的控制；

●如何实时确定实现企业综合生产指标优化的生产全流程的运行指标；

●如何实现难以建立过程模型的生产制造全流程基于数据和知识的实时智能运行优化；

●如何实现基于过程模型的生产全流程在线动态运行优化；

●如何通过自适应调整控制回路设定值对过程运行指标进行闭环反馈控制；

●如何设计一个具有安全性、协同性和易用性的一体化控制系统。

解决上述难题的关键就在于解决：

复杂生产制造全流程运行控制、复杂生产制造全流程基于数据和知识的实时智能优化和基于过程模型的生产全流程在线实时动态优化等重大关键科学问题和关于一体化控制系统安全性、协同性、易用性的若干技术基础问题。

2、关键科学问题的内涵与本项目主要研究内容

复杂生产制造全流程是由多个生产设备（或过程）有机联接而成，其具有如下综合复杂性：

多变量、变量类型混杂、变量之间强非线性强耦合，其特性随生产条件变化而变化、受到原料成分、运行工况、设备状态等多种不确定因素的干扰，难以用数学模型来描述等。

其一体化控制系统涉及到生产计划调度部门将企业综合生产指标分解转化为生产制造全流程运行指标过程、工艺技术部门将生产制造全流程运行指标转化为过程运行控制指标、作业班将过程运行控制指标转化为过程控制系统设定值的多层次、多尺度的运行控制与管理过程。

要实现复杂生产制造全流程运行控制首先就要确定其控制性能指标——生产制造全流程的运行指标，运行指标由反映整条生产线的中间产品在运行周期内的质量、效率、能耗、物耗等相关的多项指标组成。

运行指标和综合生产指标之间的关系具有非线性、强耦合、难以用数学模型描述、受市场环境和生产条件的变化而变化等特征。

企业的综合生产指标是反映企业最终产品的生产指标，而生产制造全流程的运行指标是反映生产线的中间产品在运行周期内的生产指标。

因此综合生产指标分解转化过程的优化涉及到多层次、多尺度的非线性动态优化难题。

生产制造全流程的一体化控制系统涉及到全流程的运行、生产设备（或过程）的运行控制、过程控制等不同层次，运行层又涉及到不同行业的生产工艺和设备运行知识。

如何建立一个统一的控制结构来实现一体化控制是对传统的由反馈、前馈所构成的控制系统的挑战。

过程运行控制的目的是在保证安全运行的条件下，尽可能地提供反映产品质量与效率的运行控制指标，尽可能地降低反映产品在加工过程中消耗的运行控制指标。

复杂工业过程（或设备）的运行控制指标往往难于在线测量，与底层控制回路的输出密切相关，它们之间的动态特性常常具有强非线性、强耦合、难以用精确模型描述、随工况运行条件变化而变化的综合复杂性，难以采用已有的模型预测控制方法实现运行控制。

目前运行控制仍主要采用人工控制的控制方法，当工况变化频繁时，仅依赖人工经验不能及时准确地调整设定值，常造成故障工况。

工业过程运行控制不仅涉及到底层控制层的反馈控制，而且涉及到上层运行控制指标的反馈控制。

运行控制的底层（回路控制）和上层（回路设定控制）采用不同的控制周期。

由于运行控制指标不能在线连续测量，往往需要对运行工况进行识别和对运行控制指标进行预报。

运行工况的识别有时需要采用过程数据、声音、图像等多源信息与无线传感器网络信息融合。

运行控制指标往往和产品质量数据的分布相关。

因此，工业过程的运行控制对现有的反馈控制方法提出了挑战。

回路控制与回路设定控制的复合闭环控制系统的稳定性、收敛性、鲁棒性是对现代控制理论中闭环控制系统性能分析方法的挑战。

为解决上述科学问题，本项目将研究如下内容：

研究内容一：

复杂生产制造全流程一体化控制系统整体控制策略与运行控制方法

具体研究内容：

1）复杂生产制造全流程一体化控制系统体系结构研究

2）在市场需求、节能降耗、环保等约束条件下，实现企业效益最大化的生产过程运行指标的智能优化决策方法

3）具有综合复杂性的工业过程运行控制理论与方法

4）过程运行控制方法在典型工业过程的应用验证

（2）复杂生产制造全流程基于数据和知识的实时智能运行优化

复杂生产制造全流程是由多个生产设备（或过程）有机联接而成，其运行过程具有如下特点：

多变量、变量类型混杂、变量之间强非线性强耦合，其特性随生产条件变化而变化，受到原料成分、运行工况、设备状态等多种不确定因素的干扰，运行过程往往具有动态特性。

复杂生产制造全流程的运行指标是由运行周期内整条生产线各中间产品的质量、效率、能耗、物耗等相关指标组成，难以在线连续测量。

运行优化的目的是将运行指标控制在目标值范围内。

上述复杂生产制造全流程运行优化问题对已有的优化理论和方法提出了挑战。

对于难以建立过程模型的复杂生产制造过程，还未形成适用于生产制造全流程的运行优化方法。

目前，在工业企业，大量的新型仪表、网络化仪表和传感技术已经应用于生产制造全流程中，获得了大量的实时数据。

生产线的操作专家也已积累了丰富的系统运行优化和故障诊断、安全运行维护的知识。

采用数据和知识融合，建立基于数据和知识的实时智能运行优化理论和方法是解决复杂生产制造全流程运行优化问题的有效途径。

鉴于在钢铁等行业的复杂生产过程中，运行优化与实时优化调度是紧密相关的，为提高运行优化的效果，必须实现实时调度与运行优化的一体化。

另外，由于受基于数据和知识所建立的运行过程模型精确度的影响及设备状况、原材料和其它生产环境的变化，复杂生产制造全流程会出现异常工况，因此，为提高运行优化的效果，研究难以建立过程模型的复杂生产制造全流程运行优化必须考虑工况故障预报与安全运行维护。

同时，现有的传感器还无法实现对影响过程运行指标的若干关键工艺参数的在线检测，因此在复杂生产制造全流程运行优化研究中还须考虑难以在线检测的关键工艺参数的检测问题。

除上述工业企业的复杂生产制造过程需要采用基于数据和知识的实时智能运行优化系统外，城市污水排放过程等也需进行实时优化调度，以达到节能减排、提高效率的目标。

而面向城市污水排放过程的基于数据驱动的实时优化调度方法与面向工业企业复杂生产制造过程的基于数据驱动的实时优化调度方法具有很多共性，本课题在研究面向钢铁、微电子等行业复杂生产制造过程基于数据驱动的实时优化调度理论和方法的同时，结合城市污水排放过程调度的特点进一步研究基于数据驱动的实时优化调度理论和方法，以使本课题基于数据驱动的实时优化调度相关成果具有更大的通用性。

研究内容二：

复杂生产制造全流程基于数据和知识的实时智能运行优化理论和方法研究

具体研究内容包括：

1）复杂生产制造全流程的实时运行优化系统的体系结构及设计方法研究

2）基于数据驱动及问题特征的实现调度与运行优化一体化的实时优化调度理论和算法

3）基于数据和知识的实时智能运行优化理论和方法

4）故障预报与安全运行维护理论和方法

5）影响运行指标的关键参数在线检测中的若干技术基础研究

6）实时智能运行优化系统在典型工业过程中的应用验证

（3）基于过程模型的生产全流程在线动态运行优化

对于具有过程模型的工业过程，其生产全流程的优化运行受到技术规范与操作规范、设备能力、原材料与作业条件等多种约束，在优化过程中过程模型的规模可达十多万维，约束方程具有柔性、刚性和变量混杂等综合复杂性。

目前，该类工业过程（如石化过程）的运行优化常采用“稳态优化（RTO）+多变量先进控制（MPC或PID）”的方案。

其中，过程优化是基于稳态模型的，所考虑的是过程的经济指标；

而过程控制则主要考虑动态过程的控制性能和操作性。

稳态优化获得的设定值直接作为过程控制系统的设定值。

传统的做法中两者是独立的。

过程控制中的操作性问题、动态特性问题、控制自由度问题、过程工序前后关联问题、控制约束和边界问题等在过程稳态优化中未被考虑。

这样在实施过程中两者经常会出现冲突。

其结果是，或者为保证控制性能而不得不降低设定值优化性能，影响过程的经济指标；

或者稳态优化设定值与动态过程特性不匹配，影响控制品质，过程操作性能下降，这将导致原料消耗大、能耗高、产品收率低等问题。

因此，有必要基于统一的过程动态模型，整体联立求解面向经济指标的优化问题和面向操作指标的控制问题。

因此，建立基于过程动态模型的全流程在线动态优化理论和方法是解决该问题的有效途径，也是当前国际研究的前沿方向。

复杂生产制造过程模型规模巨大（几万甚至几十万个非线性联立方程），且大多为微分-代数混合方程组，无法利用解析方法进行流程模拟和和动态优化。

动态优化计算需要解决过程模型多尺度特征导致的严重病态问题和在线情况下超大规模动态系统优化求解问题。

在线动态运行优化还需要解决在有限测量信息条件下高解析度过程模型与实际动态过程的一致性问题。

过程模型还原与修正问题是大规模非线性优化问题，具有变量与方程数量大，优化目标复杂、可能存在多个局部极小点的特点。

复杂生产制造全流程运行优化的目的是使运行指标处于目标值范围内的最佳位置。

由于存在模型误差和各种扰动，运行优化需要在工况点过渡过程满足时间最优、经济性与产品稳定等性能要求下，达到较佳的目标运行区域。

在存在扰动时，调整设计参数使得动态运行优化可行，同时又不降低原有控制性能，需要将动态系统优化求解方法与非线性模型预测控制相结合解决在线动态优化难题。

研究内容三：

基于过程模型的生产全流程在线动态运行优化理论和方法研究

具体研究内容为：

1）基于机理模型的大规模动态系统优化计算方法

2）基于有限测量信息的高解析度过程模型修正方法

3）基于过程模型的全流程在线动态运行优化方法

4）基于过程模型的在线动态运行优化方法在典型工业过程中的应用验证

（4）关键技术基础问题涉及的其它研究内容

实现解决上述三个科学问题而提出一体化控制策略和方法，必须研究一体化控制系统实现的关键技术基础问题。

一体化控制系统与传统的工业过程控制系统和生产管理系统相比，其结构和组成发生了根本的变化，其结构涉及控制、运行和管理三个层次，其组成包括由多种类型网络（设备网、控制网（工业以太网）、企业管理网等）、多种控制计算机（PLC、DCS、管理计算机）、传感器与执行机构组成的硬件平台，由组态软件、实时数据库、关系数据库等组成的支撑软件平台和采用一体化控制方法研制的软件系统（运行控制软件、运行优化软件、指标分解与转换软件）。

这种变化对控制系统的安全性、协同性和易用性提出了挑战。

由于一体化控制系统涉及到具有不同结构和协议的网络（如企业网、以太网、控制网和设备网等），系统中的各种信息（如控制流、物料流等）均经各层次通讯网络传送，多层次不同类型网络之间不同步、信号传输延时、数据包的时序错乱及丢失、信息损失和量化误差等均会对控制系统性能造成影响，必须在控制系统的设计与实现中尽可能地减少这种影响。

因而，需首先研究多层次、不同类型网络环境下的网络化控制问题。

由于一体化控制系统涉及到不同种类的计算机、网络和软件系统、传感器与执行机构，运行环境复杂。

故障预报与故障诊断是提高系统安全运行不可缺少的重要部分。

如何保证整个系统的安全运行还需要采用基于过程数据、知识和模型的故障预报和故障诊断来研究控制系统的安全分析问题。

为实现生产制造全流程的一体化控制，必须在本项目所研究的过程运行控制算法、运行优化算法和指标分解算法基础上，研制一体控制软件系统。

由于算法复杂、实时性要求高，这增加了开发一体化控制软件系统过程中出现错误的可能，加上错误的发生具有离散特点，导致传统的系统安全分析技术不能直接应用于一体化控制软件系统的设计与开发过程，因此需要研究一体化控制软件系统设计与开发中的安全性分析技术。

为实现企业全局优化，一体化控制软件系统还需具备协同运行控制软件、运行优化软件与指标分解转化软件，这就需要以各种网络通讯为基础，研究组态软件、实时数据库、关系数据库等平台软件与运行控制软件、运行优化软件、指标分解转化软件之间的互通和互操作技术。

一体化控制软件系统的使用者是生产管理者、工艺工程师、运行工程师、操作员等。

软件系统的易操作、易理解、易学习对于提高其使用效率至关重要，对控制软件的易用性提出了更高的要求。

要解决上述问题，必须开展具有安全性、协同性、易用性的一体化控制系统的若干技术基础研究。

另外，为验证项目所提出的一体化控制方法和一体化控制系统的有效性，还应研制一体化控制系统的半实物仿真平台，在此基础上对复杂生产过程全流程一体化控制系统进行仿真实验验证。

为此，本项目将研究如下内容：

研究内容四：

具有安全性、协同性、易用性的一体化控制系统的若干技术基础与半实物仿真实验平台的研究

1）网络化复杂系统控制基础理论和关键技术研究

2）具有安全性、协同性、易用性的一体化控制系统的若干技术基础研究

3）一体化控制系统的半实物仿真平台的研究与开发

4）复杂生产过程全流程一体化控制系统的仿真实验验证

二、预期目标

总体目标：

本项目将瞄准国家目标，针对复杂生产制造过程一体化控制系统中急需解决的上述关键共性问题，提出若干具挑战性的关键科学问题与关键技术基础问题，进行研究并加以解决。

（1）取得一批原创性强的研究成果，部分课题的研究预期将有重大突破并达到国际领先水平，使我国在复杂生产制造全流程一体化控制方面处于国际先进水平，并提高我国在相关学科的整体研究水平。

（2）为解决复杂生产制造全流程控制与优化难题，提供全流程一体化控制理论和控制系统设计方法。

（3）生产制造全流程一体化控制系统在我国钢铁、有色金属、石化等行业的典型生产线成功应用，取得节能降耗、提高产品质量的显著成效，为我国工业企业采用先进控制系统节能降耗树立成功范例。

（4）建立生产制造全流程一体化控制系统半实物仿真实验平台，为我国开展工业过程综合自动化的研究提供实验平台，为我国工业企业实现信息化与工业化的融合，实现企业综合生产指标优化控制和管理的扁平化树立样板。

五年目标：

（1）针对具有多变量、变量类型混杂、变量之间强非线性强耦合，其特性随生产条件变化而变化、受到原料成分、运行工况、设备状态等多种不确定因素的干扰，难以用数学模型来描述等综合复杂性的生产制造全流程，提出一体化控制系统整体控制策略和运行控制方法，包括一体化控制系统的体系结构、运行指标的智能优化决策方法、运行控制方法等。

（2）针对难以建立过程模型的复杂生产制造过程，提出复杂生产制造全流程基于数据和知识的实时智能运行优化理论和方法。

主要包括：

复杂生产制造全流程的实时智能运行优化系统的体系结构及设计方法、基于数据驱动及问题特征的实现调度与运行优化一体化的实时优化调度理论和算法、基于数据和知识的实时智能运行优化理论和方法、故障预报与安全运行维护理论和方法、影响运行指标的关键参数在线检测中的若干技术基础；

（3）针对可建立过程模型的复杂生产过程，提出基于过程模型的生产全流程在线动态运行优化理论和方法。

将结合过程机理分析，在超大规模动态过程建模与求解方法、高维低自由度过程系统优化计算的简约空间内点算法、面向实时操作运行的动态优化快速收敛方法方面形成原创性强的研究成果；

结合过程在线运行数据，提出数据调和与参数估计一体化算法、动态模型的实时修正和精度估计方法；

探索控制优化一体化闭环系统的分析与设计方法，将数值优化与非线性模型预测控制相结合，形成适应大范围工况变化的生产过程在线动态运行优化算法。

（4）提出网络化复杂系统控制基础理论和关键技术。

包括：

不同类型网络系统通讯限制下，信息采集、信号传输与处理过程对对控制系统的不确定性因素分析与描述；

通讯限制所造成的随机延时特性的建模与估计；

随机延时对运行指标模型的不确定性影响分析与建模方法；

不同类型网络环境下的信息处理的若干基础理论与关键技术基础；

多层次不同类型网络环境下网络化运行控制方法；

不同类型网络环境下不确定性对控制系统性能的影响分析。

研究解决具有安全性、协同性、易用性的一体化控制系统的若干技术基础问题。

基于过程数据、知识和模型的故障诊断和故障预报的控制系统安全分析方法；

一体化控制软件系统设计与开发过程中的安全性分析和安全性验证方法；

运行控制、运行优化与指标分解转化软件的实时协同运行平台与协同引擎；

运行控制、运行优化与指标分解转化软件中的数据库、模型库、算法库的表达、统一管理和运行机制；

针对最终用户的友好、安全、易用的人机交互方法

（5）将所提出的运行控制方法在电熔镁生产过程进行应用验证研究，实现电熔镁生产电量单耗降低5%，同时提高优质产品产出率2%，降低电极消耗1%，显著降低粉尘扩散和热量污染的目标；

将所提出的基于数据和知识的运行优化方法在炼钢—连铸生产过程中进行应用验证研究，实现炼钢—连铸生产过程的优化运行，降低能耗2%，缩短制造周期10%；

将所提出的在线动态运行优化方法在石化行业聚烯烃生产过程中进行应用验证，减少切换时间10%以上，实现平稳切换，减少烯烃原料损耗10%，减少动力和高压蒸汽等能耗10%。

（6）学科建设与人才培养：

形成一支具有原创能力，理论联系实际，具有国际先进水平的稳定的从事控制科学与工程的基础研究和应用研究队伍；

建立工业过程综合自动化研究的科技创新平台；

造就一些在国内外相关学科领域有相当影响力的年轻学术带头人，培养长江学者或杰出青年基金获得者、教育部新世纪优秀人才支持计划入选者等青年学术带头人10名以上；

培养博士生30人以上。

（7）出版论著：

发表学术论文SCI收录100篇，EI收录200篇，其中在国际权威刊物上发表学术论文50篇以上；

预期五年内出版高水平专著4本以上。

（8）专利和软件著作权：

申请发明专利或软件版权10项以上；

（9）获得国际、国家或省部级科技奖励5项以上；

三、研究方案

本项目将在国家973计划项目（《复杂生产制造过程实时、智能控制与优化理论和方法研究》）、国家自然科学基金重点项目、国家863高技术计划项目以及支撑计划等国家计划项目已形成的高水平研究队伍和已取得的丰富研究成果基础上，明确国家目标，瞄准学术前沿，围绕若干对国民经济发展具有重要意义的复杂生产制造过程一体化控制系统中具挑战性的重大科学问题和关键技术基础问题开展研究。

1、实现项目五年预期目标的总体研究思路与技术路线

由于复杂生产过程制造全流程一体化控制系统的被控对象特性、控制目标、约束、涉及范围及系统的实现结构远远超出已有的控制理论和控制系统设计方法的适用范围，目前还没有形成实现生产制造全流程控制与优化的控制理论和控制系统设计方法。

从工业界迫切需要生产制造全流程一体化控制技术及系统的重大需求出发，首先将复杂控制系统凝聚为复杂生产制造过程一体化控制系统，再将复杂生产制造全流程聚焦为多个独立运行的生产设备（或过程）组成的工业生产过程、具有过程模型的多个生产设备有机联接串行运行的生产制造全流程、难以建立过程模型的多个生产设备有机联接串行运行的生产制造全流程。

选择有色金属、钢铁、石化行业中的典型工业过程，结合聚焦的三个科学问题：

复杂生产制造全流程运行控制、复杂生产制造全流程基于数据和知识的实时智能优化和基于过程模型的生产全流程在线实时动态优化开展研究，提出新的运行控制和运行优化方法。

结合有色金属、钢铁、石化行业中的典型工业过程，开展所提出方法的应用验证。

同时，开展具有安全性、协同性、易用性的一体化控制系统的若干技术基础研究，研制一体化控制系统的半实物仿真实验平台，进行一体化控制系统的实验研究。

将提出的新的控制方法和一体化控制系统设计方法进一步进行理论研究，最终形成复杂生产制造全过程一体化控制系统的理论、技术和系统设计方法。

详述如下：

（1）复杂生产过程全流程一体化控制系统整体控制策略与运行控制方法

充分利用申请者在工业过程综合自动化方面的研究基础，采用如下思路：

将企业综合生产指标分解转化为生产制造全流程的运行指标，然后转化为过程运行控制指标，进而转化为控制系统设定值。

当市场需求和生产工况发生变化时，自动调整设定值，使控制系统跟踪设定值，从而保证实际综合生产指标在其目标值范围内。

采用指标分解转化、生产制造全流程运行优化和过程运行控制三层结构，将智能行为和综合自动化、智能方法与预测和反馈相结合，建模与控制相集成，充分利用前期国家973项目课题《复杂工业生产过程实时智能控制理论与方法研究》在智能控制和智能优化调度方面的研究成果，研究复杂生产过程全流程一体化控制系统体系结构与功能，以及一体化控制系统所涉及的模型体系、模型结构与功能。

将智能优化方法（案例推理、规则推理、模糊推理、知识挖掘）与数学规划方法相结合、采用动态过程信息在线分析与多信息融合方法，借鉴反馈与前馈控制思想，研究在市场需求、节能降耗、环保等约束条件下，实现企业效益最大化的生产过程运行指标的智能优化决策方法。

采用回路控制和回路设定控制两层结构，采用图像、声音与数据的多源信息与无线传感器网络信息融合，将建模与控制相集成，前馈、反馈与预测控制相结合，案例推理、规则推理、神经网络等智能方法与优化控制方法相结合，借鉴采样系统和多速率系统的研究成果，研究具有综合复杂性的工业过程由回路控制与回路设定控制组成的两层结构的复合闭环运行控制方法。

将所提出策略与方法在本项目将研制的一体化控制系统的半实物仿真实验平台上进行实验研究。

然后结合电熔镁生产过程开展所提出运行控制方法的应用验证研究。

应用上述研究成果，研究电熔镁生产过程运行控制算法，开展仿真研究，研制电熔镁生产过程运行控制系统软硬件装置，开展工程应用研究，将工程应用的成果进行提炼，修正与完善具有综合复杂性的工业过程运行控制理论与方法，进一步深入进行理论研究形成运行控制理论和方法。

（2）复杂生产制造全流程基于数据和知识的实时智能运行优化理论和方法研究

在