复杂工业过程运行的混合智能优化控制方法

工业过程运行的优化控制的目标是将反应产品在加工过程中的质量、效率、消耗的工艺指标控制在目标值范围内. 由于复杂工业过程的工艺指标难于在线测量且与控制回路输出之间的动态特性具有强非线性、强耦合、难以用精确模型描述、随生产边界条件变化而变化的综合复杂性,因此, 难以采用已有优化控制方法, 运行控制只能采用人工设定的控制方式. 由于人工控制不能及时准确地随运行工况调整设定值, 难以将工艺指标控制在目标值范围内, 甚至造成故障工况.本文提出了根据运行工况实时调整控制回路设定值, 通过控制系统跟踪调整后的设定值, 将工艺指标控制在目标值范围内的过程优化运行的混合智能控制方法. 该方法由控制回路预设定模型、前馈补偿与反馈补偿器、工艺指标预报模型、故障工况诊断和容错控制器组成. 在某选矿厂22台竖炉组成的焙烧过程的应用案例, 证明了所提出方法的有效性.     

复杂工业过程非串级双速率组合分散运行优化控制

复杂工业过程具有模型维数高、多时间尺度耦合、动态不确定性等特点, 其运行优化控制(Operational optimal control, OOC)一直是控制领域的研究难点与热点. 本文聚焦一类由多个快变且互联的设备单元与慢变且模型未知的运行过程串联组成的工业过程, 提出一种数据和模型混合驱动的非串级双速率组合分散运行优化控制方法. 该方法通过奇异摄动理论, 将非串级双速率运行优化问题描述为异步采样的慢子系统最优设定值跟踪和快子系统最优调节控制. 利用工业运行数据, 采用不依赖系统动态的Q-学习算法设计慢子系统最优跟踪策略, 克服运行过程模型难以建立的情形; 针对快子系统, 设计基于模型的分散次优控制策略, 并给出收敛因子的下界, 解决设备层互联项对系统稳定性的影响. 通过浮选过程仿真实验验证了所提控制方法的有效性.     

复杂工业过程运行状态评价方法回顾与展望

准确感知和认知复杂工业过程的运行状态对于实现过程智能控制和优化决策至关重要,是当前实现工业人工智能需要解决的关键问题之一.传统过程监测理论系统已不能满足现代工业生产过程对过程运行状态认知的精细化及准确化的需求,因此,复杂工业过程运行状态评价技术应运而生,近几年受到学术界和工业界广泛关注并快速发展.对此,首先从复杂工业过程的主要特性以及数据提取过程中面临的问题出发,回顾基于数据驱动的相关工业过程运行状态评价方法;然后根据最优性评价结果总结导致状态非“优”的原因,并进一步给出相关非优因素追溯方法;最后对现有研究内容和这一领域中值得进一步研究的发展方向做出总结和展望.     

数据驱动的工业过程运行监控与自优化研究展望

现代工业过程向大规模、连续化、集成化方向发展,有必要对生产全流程运行的决策、协同控制、底层控制进行有效监控,也是当前国际控制领域的研究热点.本文首先分析了工业过程全流程运行监控的内涵与行业现状;其次,阐述了基于模型的控制系统故障诊断与容错控制方法,以及数据驱动的异常工况诊断与自愈控制方法的研究现状,并指明了信息物理系统（Cyber-physical systems,CPS）时代智能安全运行监控与自优化的发展机遇;最后,论述了工业过程运行监控与自优化研究的新方向和最新进展,包括：1）数据驱动的决策、协同控制、底层控制多层面联合监控;2）基于机理、数据、知识多源动态信息融合的异常工况诊断;3）专家知识与控制手段相结合的协同层自愈控制;4）数据驱动的运行动态性能分析与自优化;5）支撑运行监控与自优化系统的实现技术.     

无线网络环境下工业过程运行反馈控制方法

针对一类工业过程运行控制中采用无线网络传输运行指标反馈值时存在的噪声和丢包问题,建立了输入为过程控制的输入输出、输出为运行指标的随机过程模型;提出了由不同采样速率的过程控制与过程控制设定值反馈控制组成的运行反馈控制方法;采用Lyapunov函数和不同采样频率的提升技术设计了过程PI控制器参数和过程控制设定值反馈控制器参数,保证了双闭环控制系统的随机稳定性;同时实现了运行指标实际值与目标值稳态误差的均值为零;通过浮选过程运行反馈控制仿真实验验证了本文所提方法的有效性.     

复杂工业过程智能优化决策系统的现状与展望

流程工业是制造业的重要组成部分,是我国国民经济和社会发展的重要支柱产业.新一代信息技术和人工智能技术为流程工业的发展带来新的挑战和机遇.只有与流程工业的特点与目标密切结合,充分利用大数据,将人工智能、移动互联网、云计算、建模、控制与优化等信息技术与工业生产过程的物理资源紧密融合与协同,实现流程工业智能优化制造,才可能实现流程工业的跨越式发展.本文聚焦流程工业的复杂生产过程,从其智能优化决策系统的角度,描述了复杂工业过程优化决策系统的问题、回顾总结了复杂工业过程全流程优化决策系统的现状,分析了智能优化决策系统的必要性,提出了智能优化决策系统的发展目标及愿景,并对智能优化决策系统的下一步重点研究方向进行了展望.     

竖炉焙烧过程运行优化控制系统的开发及实验研究

为解决具有综合复杂动态特性的竖炉焙烧(shaft furnace roasting,SFR)过程运行优化控制问题,基于研制的流程工业一体化运行控制平台,开发了具有可伸缩、可扩展、可复用以及模块化、组态化特点的SFR过程运行优化控制(operational optimization control,OOC)系统.该系统支持MATLAB、动态链接库等多种算法实现方式,并采用非编译融合算法方式实现算法与系统功能模块的解耦.基于开发的OOC系统,建立了具有运行控制层、过程控制层以及虚拟对象层的半实物仿真实验平台,开展了相应的仿真实验研究.结果表明OOC系统在正常工况和局部故障工况下均能取得满意的控制性能.     

复杂工业过程计算机建模、仿真与控制

近年来,在科技水平不断提高的同时,工业生产过程中受控对象的复杂程度越来越高,具体表现出以下特征:时变性、非线性、不确定性、多输入及多输出、信息量少、耦合以及高性能指标等等,这使得一些复杂的系统无法建立精确的数学模型,也就是说传统的控制理论无法对复杂工业过程起到良好的控制效果,甚至无法进行控制。鉴于此,本文针对复杂工业过程,提出一种模型预测控制方法,并对具体的建模仿真过程进行分析。     

典型赤铁矿磨矿过程智能运行反馈控制

冶金磨矿是典型的高能耗、低效率过程,其控制与优化不仅仅是使常规过程控制系统尽可能好地跟踪期望设定值,而且要控制整个过程运行,实现表征磨矿整体运行性能的磨矿粒度与生产效率等运行指标的优化.针对我国广泛使用的赤铁矿两阶段全闭路磨矿,由于其原矿石性质与成份复杂且不稳定、粒级波动大,磨矿运行指标不能在线测量,工况时变,难以建立过程数学模型,提出基于数据与知识的智能运行反馈控制方法,包括基于案例推理的控制回路预设定、磨矿粒度动态神经网络软测量以及多变量模糊动态调节器.为了验证所提方法的有效性,将所题方法应用于中国某大型赤铁矿选厂,取得显著应用成效.     

一类工业过程运行反馈优化控制方法

为了克服流程工业运行优化中控制回路闭环系统的动态误差对运行优化性能的影响,本文针 对一类工业过程提出了使运行指标实际值与目标值偏差和控制回路输出与设定值跟踪误差的二次性能 指标极小化的运行优化反馈控制方法. 该方法由运行层设定值反馈控制和回路控制层设定值跟踪控制组成,其中设定值反馈控制采用基于LMI的 模型预测控制,回路控制采用衰减率可调的带有积分项的状态反馈调节律. 本文给出了保证运行优化反馈控制闭环系统渐近稳定的充分条件,并开展了浮选过程运行优化反馈控制仿 真实验,实验结果表明所提方法的有效性.     

复杂流程工业系统的优化操作

ＳＱＰ方法在中小规模非线性规划中已成为主流算法,但在求解大规模优化问题时存在Ｈｅｓｓｉａｎ矩阵规模过大,存储、计算困难,以及计算量随不等式约束数量呈指数上升等缺点,简约空间ＳＱＰ法将变量分解为独立变量和非猖变量两部分。优化时只考虑独立变量,从而大大降低了变量维数,减小了Ｈｅｓｓｉａｎ矩阵规模。内点法、修改障碍函数法在求解不等式约束问题时都具有迭代次数几乎不受不等式约束规模影响的特点,因此可以将它们集成入简约空间ＳＱＰ法,使之可以更有效地对大规模优化问题求解。     

复杂生产流程协同优化与智能控制

我国流程行业原料来源复杂, 如何优化调控工艺指标使复杂生产流程适应原料波动, 是保障产品质量、降低物耗能耗的关键. 本文结合全流程、工序、反应器等不同生产层级的工艺特点, 系统研究复杂生产流程协同优化和智能控制方法. 针对全流程多工序关联的特点, 提出了操作模式优化方法和操作模式动态匹配的全流程多工序协同优化方法; 针对单元工序多反应器级联的特点, 分析了工序内不同反应器的物质转化效率差异, 提出了反应器指标梯度协同优化方法; 针对反应器多反应共存、工况多变的特点, 研究了基于完备状态空间的动态特性描述框架, 建立了竞争−促进反应体系机理模型, 提出了工况全覆盖的模型参数自主辨识方法和基于分工况智能综合调节的反应器操作参数精细化调控方法. 通过锌冶炼智能工厂建设案例阐述了所提方法在提高工艺原料适应能力、生产效率、质量稳定性等方面的成效. 最后, 结合我国流程行业智能化发展现状和需求, 分析了需进一步研究的问题.     

生产制造全流程优化控制对控制与优化理论方法的挑战

从控制系统的观点描述了生产制造全流程的控制与运行管理流程, 分析了表征产品的质量、产量、成本、消耗等相关的综合生产指标与控制系统动作之间的联系, 回顾了涉及的控制与优化的研究成果. 从基于数学模型、基于数据和基于模型与数据相结合的角度综述了控制与优化方面的研究现状. 在此基础上分析了生产制造全流程优化控制对过程控制与运行优化、以及控制系统实现技术的挑战, 分析了实现生产制造全流程优化控制应开展的研究内容.     

基于视觉的复杂工业生产过程智能控制系统

针对食品加工过程中质量控制这一动态范围宽、模型难以建立的过程,提出了一个基于视觉的面包加工过程智能控制系统。主要控制面包的形状、大小和颜色。内容包括参数检测、视觉系统、模型建立以及智能控制策略。利用图像处理技术分析面包的质量参数。采用统计及神经一模糊技术建立其数学模型,构成多级计算机智能控制系统。通过产品的图像信息实时准确地检测产品的质量,构成质量闭环控制。该系统已应用到面包加工生产厂,达到了设计要求。该系统控制效果明显,减轻了劳动强度,提高了产品质量,不仅适合面包加工过程．同时可以应用到其他寅杂工业生产过程的控制。     

数据驱动的复杂磨矿过程运行优化控制方法

针对赤铁矿磨矿过程的磨矿粒度（Grinding particle size,GPS）与控制回路输出之间的动态特性难以用数学模型描述,且磨矿粒度不能在线测量,并受矿石成分与性质频繁波动干扰,难以采用已有运行优化方法的难题,结合磨矿过程的特点,利用数据,采用神经网络,提出由回路预设定值优化、性能指标估计、优化设定值评价以及磨矿粒度软测量组成的数据驱动的磨矿过程运行优化控制方法. 该方法由磨矿粒度软测量估计矿浆粒度,通过回路预设定值优化模块求得使性能指标估计值接近最优值的回路预设定值,经优化设定值评估产生回路设定值,最后通过控制回路跟踪设定值,将矿浆粒度控制在目标值范围内并尽可能的接近目标值. 通过研制的运行优化与控制研究平台,采用实际运行数据进行仿真实验,表明所提方法的有效性.     

工业串联系统的多反馈预测控制

本文针对由一系列环节串联而成的工业对象,提出一种利用过程中间信息多重反馈的预测控制算法。其结构清晰直观,物理意义明确,设计简单规范。仿真结果表明,该算法具有较强的抗干扰性和鲁棒性。     

复杂工业过程控制结构的综合

介绍了复杂工业过程控制结构综合的研究进展，对所涉及的主要内容以及相关方法、策略进行了阐述，最后对研究复杂工业过程控制结构综合策略的发展方向作了展望。