东北大学复杂工业过程的智能检测与先进控制装置.docx

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东北大学复杂工业过程的智能检测与先进控制装置

“985 工程”

流程工业综合自动化科技创新平台

学术方向建设《项目指南》（第一批）

学术方向：

复杂工业过程的智能检测与先进控制装置

责任教授：

王福利

流程工业综合自动化科技创新平台

二 ΟΟ 六 年 五 月 二十八 日

一、研究方向支持的主要领域

检测与先进控制资助检测技术与自动化装置、先进控制技术及相关交叉学科领域的基础

理论和关键技术研究，主要资助以下研究主题：

1）复杂过程建模与优化；

2）连铸生产过程参数专用检测技术；

3）复杂过程故障检测及诊断；

4）多总线系统集成设计理论及应用；

5）过程控制器的评估理论及方法；

6）不确定性时滞系统的鲁棒故障辨识；

7）多智能体控制策略；

8）容错控制技术；

9）气力输送粉体流动参数可视化监控系统；

10）粉尘浓度在线检测技术。

二、研究方向建设的总体目标

1） 凝炼检测技术与先进控制学术方向，将其建设成为国际先进、国内领先的学术方向；

2） 形成一支以责任教授为核心、以国家自然科学基金获得者为主要学术骨干、以创新

团队为核心的年龄和知识结构合理的基础研究与应用研究相结合的研究队伍；

3） 取得一批代表性的具有国际先进水平的科研成果；

4） 申请省级自然科学基金、国家自然科学基金等 5 项以上；

5） 在国内一级期刊及国际杂志上发表论文 70 篇以上，被三大检索收录 47 篇以上；

6） 培养博士研究生 18 名以上，硕士研究生 70 名以上。

三、建议课题

课题 1：

复杂过程建模与控制

1.1、研究目的与意义：

系统建模是控制理论研究的一个重要分支，它是控制系统设计的基础。

随着控制过程复

杂性的提高，控制理论的应用日益广泛。

神经网络领域取得的研究成果，给非线性系统的建

模提供了一定的途径。

目前，基于神经网络的建模方法尚处于探索阶段，这就需要我们做进

更深、更广的研究，以使其逐渐趋于完善。

虽然，从理论上来讲，神经网络具有逼进任意非

线性函数的能力，但直接将其应用于复杂生产过程的建模还存在许多问题。

因此，本课题组

针对复杂过程，针对基于神经网络的各种混合建模方法进行深入研究。

通过该课题的研究，

使得神经网络在复杂系统建模这一方向上达到一定的学术水平，并利用已有的生物发酵实验

装置、注塑成型装置对提出的建模方法进行不断的改进和完善，整理出一批有价值的学术论

文，在重要的国际、国内学术会议和刊物上发表。

研究出适合于复杂系统建模及控制的应用

软件包，并将其推广应用于实际的过程，产生一定的经济效益和社会效益。

随着现代工业技术的进步，工业生产逐步向综合化方向发展，生产规模越来越大，流程

日益复杂。

为保证生产过程安全平稳、高效低耗、运行于最佳工况，就必须提高生产过程的

优化控制水平。

所以，研究面向存在非线性、不确定性、大时滞、参数分步性与时变性等内

在的复杂机理问题的工业过程建模与优化问题及其相关技术具有重要的理论与现实意义。

预期目标：

1）在国际杂志及重要国际会议上发表论文 5 篇以上，在国内一级及核心期刊上发表论

文 5 篇以上；

2）发表的论文被三大检索收录 5 篇以上；

3）申请省部级基金项目 1 项；

4）培养博士研究生 3 名以上，硕士研究生 6 名以上。

1.2、主要研究内容

1） 基于先验知识的机理建模技术的研究；

2） 基于数据的智能建模技术的研究；

3） 机理模型与智能模型相结合的混合建模方法研究；

4） 过程模型实时校正方法的研究；

5） 基于在线子阶段划分的分阶段过程优化方法的研究；

6） 过程优化模型评估机制的研究；

7） 在线过程优化算法与实施方法的研究。

1.3 研究期限：

2005 年 1 月 1 日至 2007 年 12 月 31 日

1.4 拟支持经费：

5 万元

课题 2：

连铸生产过程参数专用检测技术的研究

2.1、研究目的与意义：

检测技术是实现工业自动化的重要技术基础，参数的检测精度直接影响优化控制模型的

应用效果。

当今，工业过程自动化发展的最大阻碍是许多久攻不下的难测工艺参数不能实现

在线检测。

这些工艺参数靠传统的方法和仪表是无法胜任的，因此检测技术发展趋势已从常

规的检测方法和装置的研究转为难测参数的专用检测方法和专用装置的研究开发。

连铸生产过程的自动控制一直是国际难题，其主要原因是在连铸现场高温、高湿度、低

能见度的恶劣环境下，许多关键工艺参数的准确在线检测仍未解决，如：

钢水温度的连续测

量、连铸二冷区铸坯表面温度的检测、铸坯表面的换热系数的检测等。

开发这些参数专用检

测技术迫在眉睫。

本项目正是以上述这些参数的检测作为主要研究内容，集中力量攻克这些

难题。

我国连铸坯年产量约 2.6 亿吨，在钢铁工业乃至国民经济中都占有重要地位。

连铸生产

过程参数检测关键技术的解决，必将带动连铸生产过程的综合控制与管理总体水平的提高，

并产生重大的经济和社会效益。

预期目标

1）拟在国际杂志及重要国际会议上发表论文 5 篇以上，在国内一级及核心期刊上发表

论文 5 篇以上；发表的论文被三大检索收录 8 篇以上；

2）申请省级自然科学基金，国家自然科学基金等 1 项以上；

3）培养博士研究生 3 名以上，硕士研究生 10 名以上。

2.2、主要研究内容

1） 钢水连续测温技术研究及装置改造；

2） 铸坯表面温度的检测技术研究及装置研制；

3） 连铸二冷区喷雾冷却特性检测技术研究；

4） 连铸生产过程图像检测技术研究（大包下渣检测，棒材计数等）；

5） 铸坯质量检测技术研究；

6） 连铸过程系统建模优化与系统仿真。

2.3 研究期限：

2005 年 1 月 1 日至 2007 年 12 月 31 日

2.4 拟支持经费：

10 万元

课题 3：

复杂工业过程监测与故障诊断研究

3.1、研究目的与意义

随着控制技术的发展与应用，为了提高控制系统的维修性和安全性，人们迫切需要建立

一个监控系统，监视控制系统的运行状态，实时检测出系统发生的故障，并对故障原因、故

障频率和故障的危害程度进行分析、判断，得出结论，采取必要的措施，防止系统灾难性事

故的发生。

这就需要研究和应用控制系统的故障诊断理论。

与发达工业化国家比较而言，我国流程工业监测与故障诊断应用现状不容乐观。

目前，

大中型流程企业的过程基础自动化程度相对较高，DCS 和数字化工业测控系统被广泛使用，

但当前较为普遍的情况是：

一方面，过程固有的多变量、多工序、反应复杂、工序运行时间

不确定等多种原因，难以在很短的研发周期内，依靠有限的资金投入，建立精确可靠的机理

模型或基于知识推理的专家模型。

因此，基于机理模型或知识模型的过程监测与故障诊断方

法很难适用于复杂工业过程。

另一方面，大量的在线仪表采集的过程数据没有发挥应有作用，

相应的数据处理手段十分落后和不完善，出现了“数据采集能力大大增强，有用信息的获取

却很少”的矛盾，过程监测与故障诊断基本还处于“粗放经营”的状态，令人忧愁。

因此，研究探讨基于大量过程数据的工业过程监测与故障诊断不仅具有重要的理论意义

而且具有重大的应用价值。

项目的实施能够建立起一套完整的基于数据的，以多元统计理论

为基础的建模、监测、故障诊断与质量监控体系，提升我国工业过程的检测与自动控制水平，

提高我校检测技术与自动化装置学科的知名度和影响力。

预期目标

1）申请到国家自然科学基金和省部级自然科学基金 1～2 项；

2）在国内外杂志或会议上发表学术论文 10 篇以上，其中 6 篇被 SCI 检索，10 篇被 EI

检索；出版专著 1 部。

3）在人才培养方面，计划培养博士 2 名，研究生 3 名。

3.2、主要研究内容

1） 搜集并分析几个典型的工业过程生产数据，建立过程数据预处理（滤波、去噪、增

强、校正等）、压缩和重构算法的统一框架，实现高性能的实时数据处理技术。

2） 研究基于多元统计理论的 PCA/PLS、MPCA/MPLS 等过程建模、监测、故障诊断算法。

具体内容是当前热点问题，包括动态 PCA/PLS，非线性 PCA/PLS，针对间歇工业过程

的 MPCA/MPLS，2DPCA 等。

3） 研究小波变换、神经网络、支持向量机、粗糙集、灰色建模理论与多元统计方法结

合的混合建模理论和方法，实现过程监测和故障诊断，并能够对过程中难以在线检

测的关键变量预报。

4） 基于上述方法，提出质量的闭环控制算法，包括预测控制、迭代学习控制等，并研

究统计模型下算法的稳定性，鲁棒性问题。

5） 展开上述方法的实际应用研究，主要是发酵过程、注塑生产过程、加热炉及电炉炼

钢过程，形成相应的软件包，推向企业服务。

3.3 研究期限：

2005 年 1 月 1 日至 2007 年 12 月 31 日

3.4 拟支持经费：

5 万元

课题 4：

多总线系统集成设计理论及应用研究

4.1、研究目的与意义：

目前在各大型企业的生产过程控制系统中，多以三层（或两层）网络结构为主，即设备

网、控制网和信息网。

由于所连接的设备、要求传输速度的不同，常采用多种总线的集成，

这就要求实现各种总线间的无缝集成，并实现多种总线的互操作。

目前我国还没有自主知识

产权的现场总线，而对引进国外的多总线系统及其集成，也未能从理论上理解其设计思想、

设计依据。

为了发展我国的具有自主知识产权的总线标准，赶超世界的先进技术，必须深入

现场总线基础理论和多种总线集成技术的研究，这不仅是网络环境下先进控制技术的难点和

热点问题，也是打破外国的技术垄断的重要过程，具有极大的经济效益和社会效益。

预期目标

1）在本领域国内外重要杂志及会议上发表 10 篇论文（三大检索 5 篇）；

2）申请国家或省部自然科学基金 1 项；

3）培养研究生 10 名（其中博士 1 名、硕士 9 名）。

4.2、主要研究内容

1） 多种总线的选择、多种总线间集成和相互转换的理论与实现；

2） 面向设备和面向信息的互操作性研究；

3） 根据运动控制的需要，在提高总线实时性的同时，进行建模与仿真分析；

4） 对总线系统进行稳定性和鲁棒性分析。

4.3 研究期限：

2005 年 1 月 1 日至 2007 年 12 月 31 日

4.4 拟支持经费：

5 万元

课题 5：

不确定时滞系统的鲁棒故障辨识

5.1、研究目的与意义：

故障诊断是提高动态系统安全性、可靠性的一种极为重要的途径。

在各类工业系统中，

时滞现象是极其普遍的，时滞的存在使得系统的分析和综合变得更加复杂和困难，同时时滞

的存在也往往是系统不稳定和系统性能变差的根源，因而深入研究时滞系统的故障诊断技术，

不但具有重要的理论意义，而且也具有巨大的实际应用价值。

预期目标

1） 在国内外杂志上发表论文 8 篇;

2） 申请国家自然科学基金。

5.2、主要研究内容

1） 研究不确定时滞系统有限时域内及无限时域内的鲁棒去卷积故障辨识；

2） 不确定时滞系统故障信号（传感器故障、执行器故障）的鲁棒H∞故障辨识；

3） 不确定时滞系统系统内部参数故障的辨识；

4） 不确定时滞系统系统一般非线性时滞系统的故障辨识。

5） 仿真和实验研究

5.3 研究期限：

2005 年 1 月 1 日至 2007 年 12 月 31 日

5.4 拟支持经费：

5 万元

课题 6：

过程控制器评估理论与方法的研究

6.1、研究目的与意义：

在先进过程控制的实践中，人们注意到过程控制器或者在工程实施初期可以很好地满足

预定的设计要求、获得良好的性能，但在运行一段时间之后，其控制性能会逐渐变差；或者

由于设计上的原因，过程控制器一直不能达到所期望的优化指标，因此可能最终导致先进控

制系统不能正常运行而被淘汰。

控制性能变坏的直接后果是企业不能从实施先进控制中获得

应有的回报，进而会丧失使用先进控制软件的信心。

为了解决这一问题，一方面，控制理论

研究者着重提出并研究了自适应控制、鲁棒控制等一些新型算法;另一方面，从对控制系统

的可维护性角度出发，提出了对控制系统性能进行实时监测和评估，及时发现控制器性能是

否正在变差，分析并分离出性能变坏的原因，进行及时维护。

预期目标

1）在国际杂志及重要会议上发表学术论文 3 篇以上，国内核心期刊及重要会议上发表

论文 3 篇以上,被 SCI、EI、ISTP 检索 3 篇以上;

2） 申请省级自然基金 1 项;

3） 培养硕士研究生名 6 名以上。

6.2、主要研究内容

1） 建立以生产指标为目标的复杂工业过程过程控制器评估指标基准。

性能指标是无量

纲的，而且度量标准不是随意的，应该可以和当前的一些广泛应用的度量标准相比

较。

2） 研究过程控制器性能下降的评估理论与方法。

该评估方法应能分析出过程过程控制

器性能下降的不同情况，如是由于控制器设计不完善引起的控制性能下降，还是由

于过程工况变化引起的控制性能下降；进一步分析出性能下降的原因，如分析出是

由于过程控制器参数还是过程控制器结构上的原因。

3） 根据上述评估结果，对过程控制器进行分析和修正，或者改进过程控制器的学习算

法，或者改变过程控制器的结构，并对修正后的过程控制器重新进行性能评估。

4） 结合具体的优化控制过程，如发酵过程控制，对上述理论进行仿真研究。

6.3 研究期限：

2005 年 1 月 1 日至 2007 年 12 月 31 日

6.4 拟支持经费：

5 万元

课题 7：

多智能体控制策略的基础研究

7.1、研究目的与意义：

以带钢轧制为代表的复杂工业流程，随着模型的增多，控制策略的复杂，对控制系统的

集成和协作提出了更高的要求。

多智能体理论对于复杂系统、复杂问题的强大表现力及其开

放性、智能化的特性，无疑使它成为指导和支持现代化工业过程控制系统的最佳理论选择。

带钢轧制流程每一个控制子系统都可归属为一个智能体，采用多智能体方法，可以建立轧制

流程的的广义集成模型，对轧制流程进行分布式智能控制，实现生产的高度自动化和智能化。

预期目标

1） 在国际杂志上发表学术论文 1-2 篇（SCI），国内核心杂志 2-4 篇，国际会议 2-3 篇,

EI、SCI 检索 3-5 篇;

2） 申请国家自然基金 1 项;

3） 协助培养硕士研究生 2-3 名。

7.2、主要研究内容

本项目结合当今国内冶金工业的实际情况，以带钢轧制生产流程为背景，研究基于现场

总线及工业网络的分布式控制理论，并引入多智能体理论体系，按照多智能体理论对控制系

统按功能、任务和知识进行划分，研究智能体系统模型结构、协调控制机制以及现场总线分

布式环境下多智能体控制方法的实现。

主要研究内容包括：

1） 基于多智能体的系统设计方法

2） 轧制流程中多个单智能体系统的建立

3） 多智能体控制的模型结构和协调机制

4） 多智能体控制仿真平台的构建

5） 多智能体控制的仿真和优化

7.3 研究期限：

2005 年 1 月 1 日至 2007 年 12 月 31 日

7.4 拟支持经费：

5 万元

课题 8：

基于模糊神经网络的复杂过程的智能故障调节

8.1、研究目的与意义

随着工业过程越来越趋向于大型化和复杂化，以及大规模高水平的综合自动化系统的出

现，对控制质量的要求日趋突出。

这类过程一旦发生事故就可能造成人员和财产的巨大损失。

当今国际国内生化竞争越来越激烈，对生物发酵过程要求越来越复杂，对其可靠性，准确性

的要求也越来越高，这使得控制过程出现故障的可能性增大。

传感器、执行机构或系统故障

都可能彻底的改变系统行为，导致系统性能下降，甚至不稳定。

因此，故障调节对保证现代

复杂过程的稳定性，避免灾难性事故的发生是极其必要的。

到目前为止，大部分文献都是将故障检测和诊断与容错控制分开进行研究的，只有少量

的论文是研究故障调节的；而且故障调节后只保证系统的稳定性，对系统的整体性能未做出

评价。

只有对容错控制器做出评价，才能通过改进控制器，系统具有较理想的性能。

故障检

测和容错控制可以结合起来，使用在线学习的方法。

该方法的主要思想是使用非线性模型技

术如神经网络，在动态情况下，监控系统的任何不正常行为。

可以使用多模型的方法进行故

障调节设计。

可以基于自适应观测器，给出了一类非线性系统的故障调节算法。

由此可见，故障调节作为目前还没有深入研究的课题，可提高系统在故障下的恢复能力

和生存能力，因而具有深入的研究价值和广泛的应用前景。

预期目标：

1）在国际杂志上发表学术论文 1-2 篇（SCI），国内核心杂志 2-4 篇，国际会议 2-3 篇,

三大检索收录 3-5 篇；

2）申请国家自然基金 1 项；

3）培养硕士研究生 3 名以上，协助培养博士研究生 2 名以上。

8.2、主要研究内容

以生物发酵过程为背景，研究具有不确定性和干扰的非线性系统的故障调节的理论、方

法与技术.主要包括:

1） 重构控制过渡过程中系统动态性能的改善（如过渡过程的缩短和超调量的减少）。

2） 研究生物发酵过程的在线故障检测和重构控制器的集成设计方案，将在线检测并估

计出的故障信息及时的传递给重构控制器，减少故障检测和容错控制之间的延时，

以便两者协调运作，避免由于检测和重构间的延时给生物发酵过程带来的高风险，

提高系统的安全性。

3） 基于神经网络逼近提出了依赖于状态的执行器故障调节策略，神经网络用于学习故

障函数并提供故障的修正行为，故障调节后闭环系统是稳定的。

故障调节是在故障

发生后通过附加控制律等方法进行调节。

减少了计算时间和避免了故障检测环节的

漏报、误报和延迟等问题，该方法易于工程实现。

4） 对于执行器故障和传感器故障，利用模糊逻辑系统的全局逼近性质，采用滑模平面

来集中在线误差和误差变化率的信息，克服了模糊系统参数完全匹配的缺点。

模式

转换函数用来柔化控制信号，有效地抑制了颤动现象。

跟踪误差渐近收敛于零或零

的任意一个给定的邻域内，即故障调节后闭环系统是稳定的；

5） 故障检测与重构控制律的软件可实现性与仿真。

8.3、研究期限:

 2005 年 1 月 1 日---2007 年 12 月 31 日

8.4、支持经费：

5 万元。

课题 9：

气力输送粉体流动参数可视化监控系统研究

9.1、研究目的与意义：

气力输送粉体是一项在国内外工业领域很有前景的自动化输送新技术。

它具有提高燃烧

效率、改善生产环境、减轻劳动强度等优点。

在工业生产中，粉体通过气力进行输送属于气

/固两相流流动，粉体在流动过程中具有空间分布随机性、不均匀性，流动形态的多样性，

而且粉体的浓度分布与其速度分布不一致。

因此，气力输送粉体的流动关键参数（粉体浓度、

速度、质量流量、粒度等）实时监控问题，是国内外相关行业急需而一直未能很好解决的难

题。

工业中使用燃煤主要采用气力输送煤粉的方式。

如何有效地控制燃煤的最佳燃烧，降低

燃烧的环境污染、提高燃煤的热效率是制约能源有效利用的重要因素。

煤粉流动参数的有效

监控是监控煤粉燃烧的关键参数，也是实现煤粉燃烧优化控制的基础环节。

我国能源匮乏、

能源利用率低、不到发达国家的 1/2。

由于一直缺乏对于煤粉流动参数的有效监控设备，这

方面的问题尤其严重。

本项目的实施，不仅仅适用于消耗煤炭的主要行业--电力及冶金行业，同时也适用于气

力输送粉体的化工、制药、粮食等行业的粉体状态在线监控。

预期目标

1）在国际杂志及重要国际会议上发表论文 5 篇以上，在国内一级及核心期刊上发表论

文 5 篇以上；发表的论文被三大检索收录 5 篇以上；

2） 申请省级自然科学基金、国家自然科学基金等 1 项以上；

3）培养博士研究生 2 名以上，硕士研究生 6 名以上。

9.2、主要研究内容

以气力输送煤粉为研究对象，研究气固两相流固相流动参数可视化监控的理论、方法与

技术，并提供相应的检测装置及监控软件。

1） 气力输送下粉体流动关键参数（浓度、速度、质量流量、粒度等）检测方法研究；

2） 气力输送下多管路喷吹粉体质量流量模型及在线校正方法研究；

3） 气力输送下粉体流型辨识方法研究；

4） 适用于工业的气力输送下粉体快速图像重建算法研究；

5） 气力输送下粉体故障诊断专家系统研究；

6） 气力输送粉体系统最优比例控制模型研究。

9.3、研究期限

2005 年 1 月 1 日---2007 年 12 月 31 日

9.4、支持经费：

5 万元。

课题 10：

粉尘浓度在线检测技术研究

10.1、研究目的与意义：

在工业生产、物料输送、环境保护、劳动安全、科学研究等许多领域都提出了对粉尘浓

度进行在线测量的问题。

在煤粉喷吹燃烧系统中，为了保证系统安全，需要对煤粉浓度进行

在线监测。

在煤矿瓦斯爆炸中，往往伴随着煤尘爆炸，为此要对煤尘浓度及其爆炸危害进行

研究。

为了保护环境，保持空气的清洁，要对燃煤锅炉排放的粉尘、烟尘进行监测。

工业仓

储过程中的物料进仓、出仓往往伴随着可燃粉尘的产生，为此要对粉尘浓度进行在线监测。

粉尘浓度的测量已成为流程工业自动化中的重要检测参数之一。

目前，国内在流程工业上使用的主要是国外的粉尘浓度测量仪。

开发具有自主知识产权、

性能稳定可靠、融合网络技术与新型传感器技术为一体的粉尘浓度在线测量仪，将具有广阔

的市场前景，具有良好的经济效益和社会效益。

针对不同的流程工业，开发与之相适应的不

同测量原理的粉尘浓度测量仪，并对其在线标定方法进行深入研究，以攻克粉尘浓度在线标

定的难题。

预期目标

1）在国际杂志及重要国际会议上发表论文 3 篇以上，在国内一级及核心期刊上发表论

文 5 篇以上；发表的论文被三大检索收录 6 篇以上；

2）申请省级自然科学基金、国家自然科学基金等 1 项以上；

3）培养硕士研究生 8 名以上。

10.2、主要研究内容

1） 粉尘浓度在线检测；

2） 粉尘粒度在线测量；

3） 烟尘浓度在线测量；

4） 烟尘排放量在线测量；

5） 粉尘浓度检测机理及标定技术研究；

6） 粉粒物料成分在线检测技术研究；

7） 粉尘爆炸防护技术研究。

10.3、研究期限

2005 年 1 月 1 日---2007 年 12 月 31 日

10.4、支持经费：

5 万元。