CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)用課程6

1、2022/10/12CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)用1 第六章 CIPS實施工作的瓶頸問題與關(guān)鍵技術(shù)6.1 人的問題 企業(yè)實施CIPS不僅是通過解決單純的技術(shù)問題的途徑，而是通過人、技術(shù)與經(jīng)營三方面綜合集成的途徑來取得成功的 (1) 人在CIPS實施過程中起到了決定性作用 哲理、全局過程的生產(chǎn)經(jīng)營模式 、組織機構(gòu)(2) 人在生產(chǎn)過程中起到了核心作用 自動化技術(shù)應(yīng)用水平及人們對它的認識程度人的創(chuàng)造性工作 (3) 人在CIPS系統(tǒng)中的地位 涉及到社會的、經(jīng)濟的、有關(guān)人的行為及心理的、文化的等多方面問題，這些方面可能成為CIPS系統(tǒng)實施工作的瓶頸。 2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用2

2、6.2集成的技技術(shù)方面面問題6.2.1綜合自動動化面臨臨的挑戰(zhàn)戰(zhàn)a)工業(yè)過程程復(fù)雜性性過程對象象特性復(fù)復(fù)雜對象的特特性和反反應(yīng)機理理十分復(fù)復(fù)雜，精精確的機機理建模模日益困困難，所所得的模模型往往往具有非非線性、分布參參數(shù)、時時變、時時滯和不不確定性性基于解析析數(shù)值計計算和單單一形式式的模型型（參數(shù)數(shù)化的數(shù)數(shù)學(xué)模型型）很難難刻畫系系統(tǒng)的真真實運動動狀態(tài)，需要采采用多種種多樣的的描述方方式的描描述模型型來反映映生產(chǎn)過過程的真真實系統(tǒng)統(tǒng)的行為為和狀態(tài)態(tài)，支持持不同層層次、不不同要求求的控制制目標動態(tài)系統(tǒng)統(tǒng)還具有有多時間間標度，有時還還會發(fā)生生動態(tài)突突變；環(huán)境的復(fù)復(fù)雜性系統(tǒng)常常常處于不不確定的的環(huán)境中

3、中，擾動動頻繁，且常常常是不可可測量的的；任務(wù)的復(fù)復(fù)雜性完成監(jiān)督督、預(yù)測測、控制制、安全全保護、經(jīng)濟、最優(yōu)等等目標；2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用3 綜合自動動化面臨臨的挑戰(zhàn)戰(zhàn)(續(xù)1)b)關(guān)聯(lián)性控制對象象一般是是多變量量的系統(tǒng)統(tǒng)，生產(chǎn)產(chǎn)的規(guī)模模龐大，生產(chǎn)裝裝置的操操作存在在著強關(guān)關(guān)聯(lián)c)信息復(fù)雜雜性信息獲取取存在問問題在許多的的場合下下，關(guān)鍵鍵變量不不可測量量，導(dǎo)致致信息的的不完全全；信息模式式復(fù)雜信息往往往呈現(xiàn)定定量、半半定量、定性語語義的模模式，不不同深度度不同層層次地反反映實際際系統(tǒng)，提供關(guān)關(guān)于系統(tǒng)統(tǒng)不同模模式的信信息知識識。傳感器和和執(zhí)行器器分布于于過程之之中，信信

4、息量龐龐大信息通常常受到噪噪聲的干干擾，有有效的信信息的獲獲得較為為困難2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用4 綜合自動動化面臨臨的挑戰(zhàn)戰(zhàn)(續(xù)2)d)知識及其其表達的的多樣性性和復(fù)雜雜性信息模式式的多樣樣性客觀觀上造成成了系統(tǒng)統(tǒng)信息層層次結(jié)構(gòu)構(gòu)的形成成：越是高層層的信息息其數(shù)據(jù)據(jù)量越少少，但它它包含的的信息知知識量越越大，其其模式越越表現(xiàn)為為定性描描述的知知識表示示；層次次越低的的信息其其包含信信息量越越簡單、直觀，數(shù)據(jù)量量越大，其模式式越表現(xiàn)現(xiàn)為基于于定量描描述的數(shù)數(shù)值形式式。信息層次次結(jié)構(gòu)要要求對象象模型呈呈現(xiàn)相應(yīng)應(yīng)的分層層結(jié)構(gòu)：較低層的的信息模模型趨向向與采用用傳統(tǒng)的的基于

5、數(shù)數(shù)值計算算的微分分或差分分方程等等模式表表達，過過程較高高層次的的模型則則趨向于于采用定定性的符符號描述述模型表表達過程程的行為為特性，不同層層次的知知識表達達方法相相應(yīng)于多多樣性和和層次性性的信息息處理的的需要。 e)管理、控控制任務(wù)務(wù)的通常常是多目目標、多多約束的的命題2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用5 6.2.2系統(tǒng)協(xié)同同的問題題由一系列列完成特特定任務(wù)務(wù)和目標標子系統(tǒng)統(tǒng)集成而而成的復(fù)復(fù)雜系統(tǒng)統(tǒng)，具有有分布性性（時間間上的分分布、空空間上的的分布或或功能上上的分布布）的特特點。限于知識識、能力力、處理理速度、信息、資源等等因素以以及待求求解問題題的規(guī)模模、復(fù)雜雜性造成

6、成的實現(xiàn)現(xiàn)困難，在CIPS系統(tǒng)增強系統(tǒng)統(tǒng)性能(快速性、可靠性性、智能能程度、完成質(zhì)質(zhì)量)、有效地利利用資源源(信息、知知識、物物理裝置置等)，個體間間的協(xié)作作是必然然的。通過并行行性提高高任務(wù)的的完成率率通過共享享資源（信息、專門知知識、物物理裝置置等）擴擴大完成成任務(wù)的的能力范范圍通過備份份任務(wù)，采用不不同的方方法去完完成指定定任務(wù)，以提高高完成任任務(wù)的可可能性及及可靠性性通過避免免任務(wù)間間有害的的相互作作用,減少任務(wù)務(wù)間的沖沖突2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用6 系統(tǒng)協(xié)同同的四種種協(xié)作類類型水平協(xié)作作(horizontalcooperation)由于能力力、知識識處理、速

7、度、資源利利用等因因素的限限制，單單獨的個個體（人人/機構(gòu)，子子系統(tǒng)）都不具具有解決決全局問問題的能能力，將將全局問問題分解解成子問問題后交交給適當當?shù)膫€體體采用協(xié)協(xié)同工作作的方式式分別去去完成，獲得求求解綜合合問題的的能力。為提高對對綜合問問題求解解的結(jié)果果的可信信度，可可以基于于系統(tǒng)不不同個體體的獨立立解決問問題的能能力，采采用不同同的信息息與知識識或不同同的信息息處理機機制獲得得問題的的結(jié)果，通過個個體之間間的相互互作用，最終獲獲得高可可靠性的的結(jié)果。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用7 系統(tǒng)協(xié)同同的問題題(續(xù))(2)樹型協(xié)作作(treecooperation)系統(tǒng)中高高

8、層的功功能系統(tǒng)統(tǒng)或人/群體依據(jù)據(jù)下層獲獲得的結(jié)結(jié)果做出出進一步步處理工工作。(3)循環(huán)協(xié)作作(recursive cooperation)為了求得得問題的的結(jié)果，系統(tǒng)的的個體之之間相互互依賴，往復(fù)協(xié)協(xié)作。(4)混雜協(xié)作作(hybrid cooperation)整個系統(tǒng)統(tǒng)在某些些級上采采用水平平協(xié)作的的類型，而在系系統(tǒng)整體體上又是是樹型協(xié)協(xié)作或循循環(huán)協(xié)作作類型，或整體體上采用用水平協(xié)協(xié)作類型型而局部部上采用用樹型或或循環(huán)協(xié)協(xié)作類型型。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用8 系統(tǒng)的兩兩種協(xié)作作形式CIPS系統(tǒng)內(nèi)主主要存在在任務(wù)共共享(Tasksharing)、結(jié)果共共享(Result

9、 sharing)兩種協(xié)作作形式：任務(wù)共享享各系統(tǒng)相相互協(xié)作作，分擔擔各子任任務(wù)的處處理負荷荷，而且且當一個個單元的的任務(wù)太太重而無無法完成成時，它它將把任任務(wù)分解解，讓其其它單元元承擔并并完成。結(jié)果共享享系統(tǒng)內(nèi)的的各單元元相互傳傳遞并共共同利用用根據(jù)不不同觀點點方法所所得出的的有關(guān)總總體問題題得部分分結(jié)果，通過相相互交換換部分暫暫時得結(jié)結(jié)果相互互協(xié)同工工作。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用9 系統(tǒng)協(xié)同同的關(guān)鍵鍵技術(shù)問問題-沖突的消消解資源沖突突、目標標沖突、結(jié)果沖沖突- CSCW(ComputerSupported cooperative Work)理論與應(yīng)應(yīng)用-群件技術(shù)術(shù)

10、-分布式智智能控制制理論和和方法、MAS多智能體體MultiAgentSystem、 移動動智能體體mobileAgentSystem-人-人、人-機系統(tǒng)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用10 6.2.3控制、決決策與管管理集成成問題CIPS系統(tǒng)本質(zhì)質(zhì)上是一一類混雜雜（Hybrid）系統(tǒng):離散事件件系統(tǒng)和和連續(xù)時時間系統(tǒng)統(tǒng)的混合合，分布布參數(shù)和和集中參參數(shù)的混混合，符符號系統(tǒng)統(tǒng)與數(shù)值值系統(tǒng)的的混合，模糊系系統(tǒng)和精精確系統(tǒng)統(tǒng)的混合合，定量量系統(tǒng)與與定性系系統(tǒng)混合合。信息和數(shù)數(shù)據(jù)獲取取與處理理系統(tǒng)的控控制、決決策依賴賴于獲取取數(shù)量眾眾多，性性質(zhì)各異異的定量量、半定定量、定定性語義義

11、的不同同模式、不同深深度及不不同層次次的過程程信息。數(shù)據(jù)信信息常常常因受工工業(yè)噪聲聲、傳感感器精度度、傳感感器故障障以及檢檢測技術(shù)術(shù)技術(shù)手手段等因因素的影影響，不不夠精確確、不一一致、不不完整，有些信信息不能能以定量量的形式式表達。1.過程數(shù)據(jù)據(jù)的預(yù)處處理技術(shù)術(shù)數(shù)據(jù)變換換、數(shù)據(jù)據(jù)校正、濾波等等預(yù)處理理手，將將真實信信號從含含有噪聲聲的混合合信號分分離出來來2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用11 數(shù)據(jù)校正正問題(1)隨機誤差差的處理理數(shù)字濾波波方法利用信號號與噪聲聲隨自變變量改變變的頻率率不同將將真實信信號與噪噪聲分離離。高通通濾波、低通濾濾波、數(shù)數(shù)據(jù)平滑滑等數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)調(diào)(Data

12、Reconciliation)技術(shù)根據(jù)由物物料平衡衡和能量量平衡等等方程建建立起來來的精確確數(shù)學(xué)模模型，以以估計值值和測量量值的方方差最小小為目標標，構(gòu)造造估計模模型，為為測量數(shù)數(shù)據(jù)提供供一個最最優(yōu)估計計，以及及時準確確地檢測測誤差的的存在，近而剔剔除或補補償其影影響。(2)顯著誤差差的處理理a)基于理論論分析可可能導(dǎo)致致顯著誤誤差的因因素并進進行相應(yīng)應(yīng)處理b)基于硬件件冗余，借助不不同的測測量手段段對同一一過程變變量進行行測量，通過結(jié)結(jié)果比較較來識別別顯著誤誤差。c)基于測量量數(shù)據(jù)的的統(tǒng)計特特性進行行檢驗(統(tǒng)計假設(shè)設(shè)檢驗、殘差分分析、廣廣義似然然法、貝貝葉斯、主元分分析法)2020-02-1

13、0CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用12 數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)調(diào)化工過程程測量的的基本模模型可以以表示為為： 其中：為被測變變量測量量值；為被測變變量真實實值；代表測量量誤差。 其中：是測量數(shù)數(shù)據(jù)的估計是測量誤誤差的方方差是未測向向量的估計值值2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用13 數(shù)據(jù)變換換數(shù)據(jù)變換換影響過過程模型型的精度度和非線線性映射射能力以以及數(shù)值值優(yōu)化算算法的運運行結(jié)果果。包括括標度(Scaling)、轉(zhuǎn)換和和權(quán)函數(shù)數(shù)三各方方面標度對工業(yè)過過程中出出現(xiàn)的工工程單位位不同或或數(shù)值數(shù)數(shù)量級相相差較大大的測量量數(shù)據(jù)，利用合合適的因因子進行行標度，避免因因為計算算機字長長而丟失失有用信信息或

14、引引起算法法的不穩(wěn)穩(wěn)定。轉(zhuǎn)換包括直接接轉(zhuǎn)換和和尋找新新變量代代替原變變量，通通過轉(zhuǎn)換換可有效效地降低低原對象象的非線線性特性性(如對數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換)。權(quán)函數(shù)實現(xiàn)對變變量動態(tài)態(tài)特性的的補償，使穩(wěn)態(tài)態(tài)模型實實現(xiàn)對過過程動態(tài)態(tài)估計成成為可能能。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用14 2.過程數(shù)據(jù)據(jù)的軟測測量技術(shù)術(shù)軟測量技技術(shù)的理理論根源源是20世紀70年代Brosillow提出的推推斷控制制。把把自動控控制技術(shù)術(shù)與生產(chǎn)產(chǎn)工藝過過程知識識有機結(jié)結(jié)合起來來，應(yīng)用用計算機機技術(shù)對對生產(chǎn)過過程中一一些難于于測量或或不能測測量的重重要變量量(主導(dǎo)變量量)，選擇另另外一些些容易測測量的變變量(輔助變量

15、量或二次次變量)，通過構(gòu)構(gòu)成某種種數(shù)學(xué)關(guān)關(guān)系來推推斷和估估計，以以軟件來來代替硬硬件(傳感器)功能。過程ud1d2yy 主導(dǎo)變量量； 可測的輔輔助變量量d1可測擾動動；d2不可測擾擾動；u 控制變量量2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用15 軟測量系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)測量數(shù)據(jù)據(jù)預(yù)處理模模塊簡單機理理模型軟測量模模型長期校正正模塊初始模型型在線校正正模型歷史數(shù)據(jù)據(jù)模型參數(shù)數(shù)修正的模模型參數(shù)數(shù)歷史數(shù)據(jù)據(jù)化驗數(shù)據(jù)據(jù)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用16 軟測量模模型(1)機理方法法基于物料料平衡、能量平平衡、動動量平衡衡、相平平衡、傳傳熱傳質(zhì)質(zhì)等基本本動力學(xué)學(xué)方程(2)經(jīng)驗方法

16、法系統(tǒng)辯識識用用測量數(shù)數(shù)據(jù)直接接求取模模型的方方法參數(shù)估計計根根據(jù)既定定的模型型結(jié)構(gòu)由由測量數(shù)數(shù)據(jù)確定定參數(shù)的的方法a)基于狀態(tài)態(tài)估計的的方法Luenberger觀測器、Kalman濾波器b)基于回歸歸分析的的方法最小二乘乘法、主主元回歸歸法、部部分最小小二乘法法(PLS)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用17 軟測量模模型(續(xù))(3)基于人工工智能方方法a)人工神經(jīng)經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)絡(luò)b)模糊技術(shù)術(shù)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用18 3.復(fù)雜過程程數(shù)據(jù)處處理技術(shù)術(shù)不同信息息控制與與決策層層次之間間的信息息表達、傳遞、通訊和和融合處處理機制制，混雜雜信息的的變換、信息

17、與與數(shù)據(jù)的的壓縮、信息特特征的提提取與恢恢復(fù)、信信息與數(shù)數(shù)據(jù)的挖挖掘。復(fù)雜工業(yè)業(yè)對象模模型化(1)模型化方方法白箱方法法、灰箱箱方法、黑箱方方法(3)分層系統(tǒng)統(tǒng)信息模模式的非非同態(tài)性性導(dǎo)致系系統(tǒng)模型型形式的的復(fù)雜化化(2)模型化的的精度和和模型的的適應(yīng)性性2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用19 基于模型型的控制制和基于于知識的的控制(1)基于模型型的控制制技術(shù)實例：預(yù)預(yù)測控制制技術(shù)預(yù)測控制制技術(shù)的的產(chǎn)生并并不是理理論發(fā)展展的需要要，而首首先是工工業(yè)實踐踐向控制制提出的的挑戰(zhàn)。現(xiàn)代控制制理論(基于狀態(tài)態(tài)空間的的分析設(shè)設(shè)計方法法、最優(yōu)優(yōu)性能指指標的設(shè)設(shè)計理論論)取得空前前成果但但仍

18、面臨臨巨大挑挑戰(zhàn)：i)現(xiàn)代控制制理論的的基點是是對象精精確的數(shù)數(shù)學(xué)模型型ii)工業(yè)對象象的結(jié)構(gòu)構(gòu)、參數(shù)數(shù)和環(huán)境境都具有有很大的的不確定定性(魯棒性/最優(yōu)性)iii)工業(yè)控制制中必須須考慮到到控制手手段的經(jīng)經(jīng)濟性，對工業(yè)業(yè)控制計計算機的的要求不能能太高(簡易性/實時性)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用20 A)預(yù)測控制制的基本本構(gòu)成i)預(yù)測模型型根據(jù)對象象的歷史史信息和和未來的的輸入預(yù)預(yù)測其未未來的輸輸出(動態(tài)行為為)。模型的功功能狀態(tài)方程程傳遞函數(shù)數(shù)階躍響應(yīng)應(yīng)脈沖響應(yīng)應(yīng)非線性模模型.漸近穩(wěn)定定的線性性對象，非參數(shù)數(shù)模型ii)滾動優(yōu)化化通過優(yōu)化化控制算算法，追追求某一一性能指指

19、標的最最優(yōu)來確確定未來來的控制制作用。性能指標標構(gòu)造通通常基于于對象輸輸出在未未來采樣樣點上跟跟蹤某一一期望軌軌跡的方方差為最最?。豢乜刂颇芰苛孔钚《瑫r保保持輸出出在某一一給定的的范圍等等有限時段段的滾動動優(yōu)化，優(yōu)化不不是一次次離線進進行，而而是反復(fù)復(fù)在線進進行2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用21 預(yù)測控制制的基本本構(gòu)成(續(xù))iii)反饋校正正閉環(huán)控制制算法(不僅基于于模型，同時利利用實際際輸出的的反饋值值)?；趦?yōu)化化性能指指標確定定了一系系列未來來的控制制作用后后，為了了防止模模型失配配或環(huán)境境的干擾擾引起的的控制效效果與理理想狀態(tài)態(tài)的偏離離，通常常的作法法不是把把求

20、得的的控制作作用序列列逐一全全部實施施，而只只是實現(xiàn)現(xiàn)本時刻刻的控制制作用，到下一一采樣時時刻，首首先檢測測對象的的實際輸輸出，并并利用它它對基于于模型的的相應(yīng)預(yù)預(yù)測值進進行修正正，在進進行新的的優(yōu)化。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用22 B)動態(tài)矩陣陣控制算算法(DMC)i)預(yù)測模型型對于漸近近穩(wěn)定的的對象，動態(tài)信信息可近近似用單單位階躍躍響應(yīng)的的采樣參參數(shù)構(gòu)成成有限集集合描述述：根據(jù)線性性系統(tǒng)的的比例疊疊加性質(zhì)質(zhì)，可以以利用上上述的階階躍響應(yīng)應(yīng)模型參參數(shù)預(yù)測測對象在在未來時時刻的輸輸出值。在k時刻控制制作用有有一增量量時，在在其作用用下未來來深刻的的輸出在M個連續(xù)的的控制

21、增增量u(k),u(k+M-1)的作用下下未來時時刻輸出出值(B-1)(B-2)(B-3)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用23 預(yù)測模型型（單位位階躍響響應(yīng)）2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用24 ii)滾動優(yōu)化化動態(tài)矩陣陣控制算算法(續(xù)1)在每一時時刻k，M個連續(xù)的的控制增增量u(k),u(k+M-1)(控制時域域)，使被控控對象在在其作用用下未來來P個時刻(優(yōu)化時域域)的輸出預(yù)預(yù)測值盡可能接接近給定定的期望望值w(K+i), i=1,P，規(guī)定MP，P N，同時考考慮控制制增量變變化不能能過分劇劇烈的要要求構(gòu)成成優(yōu)化性性能指標標為：(B-4)在不考慮慮約束的

22、的情況下下，求在在預(yù)預(yù)測模型型(B-3)下使性能能指標(B-4)最小的優(yōu)優(yōu)化問題題2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用25 基于模型型的預(yù)測測控制Referencek+Mk+PProcessModelPredictionfuturepastInput2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用26 模型輸出出反饋校校正2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用27 基于模型型的預(yù)測測控制機機制2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用28 動態(tài)矩陣陣控制算算法(續(xù)2)以向量的的形式改改寫(B-3)、(B-4)(B-5)其中：(B-6)其中：2020-02-1

23、0CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用29 動態(tài)矩陣陣控制算算法(續(xù)3)(B-5)代入(B-6)(B-7)求極值的的必要條條件：得到：僅將控制制作用序序列中即即時控制制質(zhì)量構(gòu)構(gòu)成控制制作用施施加給對對象：(B-8)(B-9)其中：(B-10)表示取首首元素運運算控制向量量2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用30 動態(tài)矩陣陣控制算算法(續(xù)4)iii)反饋校正正k時刻將控控制u(k)加于對象象，相當當于在對對象得輸輸入端加加了一個個幅值為為u(k)的階躍激激勵，根根據(jù)(B-2)可以計算算在控制制作用下下未來時時刻的輸輸出預(yù)測測值：(B-11)經(jīng)移位處處理，可可以作為為k+1時刻的初初始預(yù)測

24、測值進行行新的優(yōu)優(yōu)化計算算。但是是由于實實際過程程中存在在模型失失配、環(huán)環(huán)境干擾擾等因素素，由(B-11)得到的預(yù)預(yù)測值肯肯定偏離離實際值值，需要要利用實實時檢測測信息進進行反饋饋校正：構(gòu)造輸出出誤差：(B-12)采用對e(k+1)加權(quán)的方方式對輸輸出的預(yù)預(yù)測值進進行修正正(B-13)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用31 模型輸出出反饋校校正2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用32 動態(tài)矩陣陣控制算算法(續(xù)5)其中：為校正后后的輸出出預(yù)測向向量為校正向向量在k+1時刻，時時間基點點的變動動，k+1時刻的初初始預(yù)測測值可以以通過移位獲得得，構(gòu)造造移位陣陣：2020

25、-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用33 動態(tài)矩陣陣控制算算法(續(xù)6)k+1輸出初始始預(yù)測值值為：(B-14)基于(B-14)又可以像像上述以以k時刻為基基點的方方法進行行k+1時刻的優(yōu)優(yōu)化計算算，反復(fù)復(fù)在線進進行。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用34 動態(tài)矩陣陣控制對象控制預(yù)測校正2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用35 C)多變量系系統(tǒng)的動動態(tài)矩陣陣控制設(shè)被控對對象有m個控制輸輸入，p個輸出，假定已已測得每每一輸出出yi對每一輸輸入uj的階躍響響應(yīng)aij(t)，則模型型向量表表達為：(C-1)i)預(yù)測模型型考慮uj有一個增增量uj(k)時,yi在未來N

26、個時刻的的輸出預(yù)預(yù)測值：(C-2)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用36 多變量動動態(tài)矩陣陣控制算算法(續(xù)1)在uj依次有M個增量uj(k), , uj(k+M)時,yi在未來P個時刻的的輸出預(yù)預(yù)測值：(C-3)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用37 多變量動動態(tài)矩陣陣控制算算法(續(xù)2)根據(jù)線性性系統(tǒng)的的疊加性性質(zhì)處理理系統(tǒng)輸輸出yi受到u1, , um共同作用用時的情情況：(C-4)u1, , um從k時刻起均均變化M次時，共共同作用用時的情情況：(C-5)為了簡潔潔化，記記：2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用38 多變量動動態(tài)矩陣陣控制算算法

27、(續(xù)3)則可得到到一般的的多變量量系統(tǒng)的的預(yù)測模模型：(C-6)(C-7)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用39 多變量動動態(tài)矩陣陣控制算算法(續(xù)4)ii)滾動優(yōu)化化在不考慮慮約束的的情況下下，可以以求得全全部控制制增量：(C-8)(C-9)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用40 多變量動動態(tài)矩陣陣控制算算法(續(xù)5)即時控制制增量：(C-10)(C-11)(C-12)(C-13)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用41 iii)反饋校正正多變量動動態(tài)矩陣陣控制算算法(續(xù)6)(C-14)(C-15)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用4

28、2 D)動態(tài)矩陣陣控制的的參數(shù)設(shè)設(shè)計(i)采樣周期期T(ii)優(yōu)化時域域P，控制時時域MP：穩(wěn)定性性(魯棒性)、動態(tài)快快速性M：優(yōu)化變變量的個個數(shù)，在在P確定的情情況下，M越小，越越難保證證輸出在在各采樣樣點緊密密跟蹤期期望值，所得到到得性能能指標也也就越差差。(iii)誤差權(quán)矩矩陣Q和控制權(quán)權(quán)矩陣(iv)校正矩陣陣H直接可調(diào)調(diào)得運算算參數(shù)，僅在對對象受到到未知干干擾或存存在模型型失配造造成預(yù)測測輸出與與實際輸輸出不一一致時才才起作用用，而對對控制的的動態(tài)響響應(yīng)沒有有明顯的的影響2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用43 E)有約束的的多變量量動態(tài)矩矩陣控制制二次規(guī)劃劃問題，非線性

29、性規(guī)劃方方法2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用44 F)預(yù)測控制制技術(shù)在在工業(yè)過過程的應(yīng)應(yīng)用Primary ControlProcessing UnitPrimary ControlProcessing UnitPrimary ControlProcessing UnitPrimary ControlProcessing UnitMPCMPCMPCMPCModel Based OptimizerProduction SchedulerHierarchyinproductionplantcontrol of acontinuousproduction site2020-02-10

30、CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用45 預(yù)測控制制的工業(yè)業(yè)應(yīng)用00.20.40.60.811.21.41.61.82x 10414001402140414061408141014121414141614181420Measured throat temperaturetimeTemperature (0C)00.511.522.53probability density functionprobability densityCpk = 0.96024681012Cpk = 0.96Cpk = 4.3024681012Cpk = 0.96Cpk = 1.6EconomicbenefitStandar

31、dControlModelPredictive ControlwithoutoptimizationModelPredictive Controlwithperformanceoptimization2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用46 (2)基于知識識的控制制技術(shù)智能控制制理論與與方法的的研究-模糊控制制技術(shù)-人工神經(jīng)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-專家系統(tǒng)統(tǒng)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用47 工況監(jiān)測測和過程程故障診診斷技術(shù)術(shù)干擾和異異常事件件的發(fā)生生盡管基于于性能優(yōu)優(yōu)良的控控制系統(tǒng)統(tǒng)的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，但但是生產(chǎn)產(chǎn)過程的的運行仍仍離不開開操作人人員經(jīng)常常性的干干預(yù)，以以預(yù)防操操作工

32、況況的惡化化。(1)工況監(jiān)測測正常操作作工況的的統(tǒng)計學(xué)學(xué)模型過程對象象的反應(yīng)應(yīng)機理模模型操作經(jīng)驗驗和專業(yè)業(yè)知識.集成化方方法過程的監(jiān)監(jiān)視、評評估操作的指指導(dǎo)化工過程程的動態(tài)態(tài)仿真技技術(shù)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用48 (2)故障檢測測和診斷斷(Faultdetectonand diagnosticsFDD)故障(Fault)系統(tǒng)至少少一個特特性或參參數(shù)出現(xiàn)現(xiàn)了較大大的偏差差，超出出了可以以接受的的范圍，系統(tǒng)性性能明顯顯低于正正常的水水平，難難于完成成系統(tǒng)預(yù)預(yù)期的功功能。故障檢測測和診斷斷(FDD)根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)癥候，確定是是否發(fā)生生了故障障，確定定故障的的種類，故障發(fā)發(fā)生的部

33、部位，并并確定故故障的大大小以及及故障發(fā)發(fā)生的時時間故障檢測測和診斷斷(FDD)工作環(huán)節(jié)節(jié)故障建模模按照先驗驗信息和和輸入輸輸出關(guān)系系，建立立系統(tǒng)故故障的數(shù)數(shù)學(xué)模型型，作為為故障診診斷的依依據(jù)。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用49 (5)故障的評評價與決決策判斷故障障的嚴重重程度及及其對診診斷對象象的影響響和發(fā)展展趨勢，針對不不同的工工況采取取不同的的措施。故障檢測測和診斷斷(續(xù)1)(2)故障檢測測從可測量量或不可可測量變變量的估估計中，判斷被被診斷系系統(tǒng)是否否發(fā)生了了故障。(3)故障分離離在檢測出出故障后后，給出出故障源源的位置置，區(qū)別別出故障障原因是是執(zhí)行器器、傳感感器、

34、被被控對象象或者是是特大擾擾動。(4)故障辨識識在分離出出故障后后，確定定故障的的大小、發(fā)生時時刻及其其時變特特性。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用50 故障檢測測和診斷斷(續(xù)2)性能指標標檢測靈敏度及時性漏報率誤報率診斷分離能力故障辯識的準確性2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用51 故障檢測測和診斷斷(續(xù)3)故障診斷斷的方法法2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用52 綜合自動動化系統(tǒng)統(tǒng)集成優(yōu)優(yōu)化與決決策理論論與方法法本質(zhì)上是是有約束束、多目目標、多多自由度度的優(yōu)化化與決策策，所追追求的往往往不是是單一的的最優(yōu)指指標，而而是多種種要求經(jīng)經(jīng)過協(xié)調(diào)調(diào)

35、后的綜綜合結(jié)果果。追求一個個“精確確的”最最優(yōu)的工工作點方方式來實實現(xiàn)優(yōu)化化與決策策策略滿意的過過程操作作工況區(qū)區(qū)域，立立足于滾滾動優(yōu)化化機制僅靠傳統(tǒng)統(tǒng)“自主主型”控控制決策策的方法法解決工工業(yè)系統(tǒng)統(tǒng)的整體體優(yōu)化與與決策這這個命題顯顯得力不不從心通過人機協(xié)同同工作方方式，發(fā)發(fā)揮人與與計算機機各自的的特長，將人直直覺思維維能力與計計算機學(xué)學(xué)習(xí)能力力相結(jié)合合，可以以減少系系統(tǒng)的搜搜索空間間，使復(fù)復(fù)雜的問問題在有限限的時間間內(nèi)，有有限的背背景知識識條件下下得到解解決，共共同解決決優(yōu)化與與決策復(fù)雜雜命題。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用53 2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)

36、與應(yīng)應(yīng)用54 6.2.5信息的綜綜合利用用問題生產(chǎn)過程程信息的的巨大存存儲量拙劣的數(shù)數(shù)據(jù)分析析、挖掘掘，綜合合利用能力數(shù)據(jù)倉庫庫(DW)支持管理理決策過過程的、面向主主題的、集成的的、穩(wěn)定定的、不不同時間間的數(shù)據(jù)據(jù)集合。存儲面向向管理應(yīng)應(yīng)用與綜綜合分析析的集成成化和綜綜合性信信息，從從歷史的的角度描描述系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)和和狀態(tài)的的變化，要求采采用能夠夠反映時時間維特特征的數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)基于傳統(tǒng)統(tǒng)的面向向業(yè)務(wù)的的數(shù)據(jù)庫庫或外界界數(shù)據(jù)庫庫作為數(shù)數(shù)據(jù)源，經(jīng)過提提煉、加加工、匯匯總和歸歸一化整整理，生生成符合合數(shù)據(jù)應(yīng)應(yīng)用語義義規(guī)范要要求的數(shù)數(shù)據(jù)集合合；支持多種種復(fù)雜的的數(shù)據(jù)應(yīng)應(yīng)用和綜綜合性的的管理決決策分析析

37、；2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用55 數(shù)據(jù)倉庫庫(DW)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用56 知識發(fā)現(xiàn)現(xiàn)(KDD)與數(shù)據(jù)挖挖掘(DM)KDD(Knowledge DiscoveryinDatabase)是從大量的的數(shù)據(jù)信信息中獲獲取正確確、新穎穎、有潛潛在應(yīng)用用價值和和最終可可被理解解的模式式的非平平凡過程程。DM(Data Mining)是KDD綜合過程程中的一一個具體體但卻是是關(guān)鍵的的步驟，DM是從數(shù)據(jù)據(jù)中提取取模式的的過程。數(shù)據(jù)挖掘掘是KDD最核心的的部分，是采用用機器學(xué)學(xué)習(xí)、統(tǒng)統(tǒng)計等方方法進行行知識學(xué)學(xué)習(xí)的階階段。模式按功功能可分分有兩大大類：預(yù)預(yù)

38、測型（Predictive）模式和和描述型型（Descriptive）模式。預(yù)測型模模式:根據(jù)數(shù)據(jù)據(jù)項的值值精確確確定某種種結(jié)果的的模式。描述型模模式：對數(shù)據(jù)據(jù)中存在在的規(guī)則則做一種種描述，或者根根據(jù)數(shù)據(jù)據(jù)的相似似性把數(shù)據(jù)據(jù)分組。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用57 六種具體體的DM模式(1)分類模式式分類模式式是一個個分類函函數(shù)（分分類器），能夠夠把數(shù)據(jù)據(jù)集中的的數(shù)據(jù)項項映射到到某個給給定的類類上。分分類模式式往往表表現(xiàn)為一一棵分類類樹，根根據(jù)數(shù)據(jù)據(jù)的值從從樹根開開始搜索索，沿著著數(shù)據(jù)滿滿足的分分支往上上走，走走到樹葉葉就能確確定類別別。(2)回歸模式式回歸模式式的函數(shù)數(shù)定

39、義與與分類模模式相似似，它們們的差別別在于分分類模式式的預(yù)測測值是離離散的，回歸模模式的預(yù)預(yù)測值是是連續(xù)的的。(3)時間序列列模式時間序列列模式根根據(jù)數(shù)據(jù)據(jù)隨時間間變化的的趨勢預(yù)預(yù)測將來來的值。受監(jiān)督模模式提取取過程，在建立立模式前前數(shù)據(jù)的的結(jié)果是是已知的的，建立立這些模模式時，使用一一部分數(shù)數(shù)據(jù)作為為樣本，用另一一部分數(shù)數(shù)據(jù)來檢檢驗、校校正模式式。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用58 (4)聚類模式式聚類模式式把數(shù)據(jù)據(jù)劃分到到不同的的組中，組之間間的差別別盡可能能大，組組內(nèi)的差差別盡可可能小。六種具體體的DM模式(續(xù))(5)關(guān)聯(lián)模式式是數(shù)據(jù)項項之間的的關(guān)聯(lián)規(guī)規(guī)則。(6)序列

40、模式式序列模式式與關(guān)聯(lián)聯(lián)模式相相仿，而而把數(shù)據(jù)據(jù)之間的的關(guān)聯(lián)性性與時間間聯(lián)系起起來。為為了發(fā)現(xiàn)現(xiàn)序列模模式，不不僅需要要知道事事件是否否發(fā)生，而且需需要確定定事件發(fā)發(fā)生的時時間。模式建立立前結(jié)果果是未知知的，模模式的產(chǎn)產(chǎn)生不受受任何監(jiān)監(jiān)督。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用59 決策支持持系統(tǒng)(DSS)的理論和和方法2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用60 (1)決策支持持系統(tǒng)的的產(chǎn)生和和發(fā)展決策人們在日日常工作作和生活活中做出出的選擇擇和決定定事務(wù)處理理系統(tǒng)(TransactionProcessing SystemTPS)20世紀50年代,電子計算算機作為為信息

41、處處理工具具，廣泛泛用于政政府、企企業(yè)等場場合進行行信息的的收集、存儲、加工和和整理。（財物、生產(chǎn)統(tǒng)統(tǒng)計）等等業(yè)務(wù)的的數(shù)據(jù)處處理，減減輕人的的工作負負擔，提提高工作作效率。決策支持持系統(tǒng)(DecisionSupportSystemDSS)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用61 管理信息息系統(tǒng)(Management Information SystemMIS)20世紀60年代，計計算機系系統(tǒng)在全全面掌握握組織內(nèi)內(nèi)部信息息流通與與處理的的基礎(chǔ)上上，合理理組織信信息處理理方式，生成各各種報表表。提高信息息處理的的效率能能力，工工作的協(xié)協(xié)調(diào)一致致性決策支持持系統(tǒng)(DecisionSup

42、port SystemDSS)20世紀70年代，計計算機系系統(tǒng)在信信息分析析基礎(chǔ)上上，根據(jù)據(jù)主客觀觀情況作作出判斷斷和選擇擇。面向決策策問題，基于交交互式計計算機系系統(tǒng)幫助助決策使使用數(shù)據(jù)據(jù)和模型型，解決決半結(jié)構(gòu)構(gòu)化和非非結(jié)構(gòu)化化的問題題2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用62 決策趨于于困難和和復(fù)雜由于技術(shù)術(shù)進步，可選用用的方案案增多決策失誤誤的代價價可能很很大(連鎖反應(yīng)應(yīng))決策所需需的信息息可能難難以獲取取必須迅速速作出決決策計算機決決策支持持快速計算算克服人類類處理和和存儲中中認知能能力的限限制減少費用用，減少少專家群群體的規(guī)規(guī)模技術(shù)支持持(數(shù)據(jù)庫、多媒體體、數(shù)據(jù)據(jù)處理)質(zhì)

43、量支持持(更多方案案，評價價、分析析、仿真真)競爭支持持企業(yè)過程程再造工工程2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用63 (2)決策支持持系統(tǒng)的的組成數(shù)據(jù)庫DB模型庫MB數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS模型庫管理系統(tǒng)MBMS對話管理系統(tǒng)DGMS用戶2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用64 計算機決決策支持持系統(tǒng)的的基本部部件人機接口口(對話系統(tǒng)統(tǒng)/語言系統(tǒng)統(tǒng))數(shù)據(jù)庫(數(shù)據(jù)庫管管理系統(tǒng)統(tǒng))模型庫(模型庫管管理系統(tǒng)統(tǒng))知識庫(知識庫管管理系統(tǒng)統(tǒng))方法庫(方法庫管管理系統(tǒng)統(tǒng))LS問題處理理系統(tǒng)PPS數(shù)據(jù)庫模型庫知識庫KS用戶2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用65 (3)

44、DSS的功能(1)人機協(xié)同同作用的的系統(tǒng)(2)支持決策策、輔助助決策，不是代代替決策策者(3)由用戶主主導(dǎo)進行行決策分分析(4)可以對組組織的各各層次(高層、中中層、基基層)進行決策策支持(5)主要支持持半結(jié)構(gòu)構(gòu)化決策策，能支支持結(jié)構(gòu)構(gòu)化決策策，在一一定程度度上支持持非結(jié)構(gòu)化化決策。(6)較高的使使用靈活活性、適適應(yīng)性和和靈活性性(7)較好用戶戶友好性性，非計計算機專專業(yè)人士士使用(8)提高工作作效能而而非提高高效率(9)作用不全全是提供供決策結(jié)結(jié)論，是是在支持持過程中中提高決決策者的的洞察力力和決策策水平2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用66 (4)DSS的相關(guān)技技術(shù)領(lǐng)域域(

45、1)過程專業(yè)業(yè)技術(shù)(2)管理科學(xué)學(xué)、運籌籌學(xué)與系系統(tǒng)工程程(3)計算機技技術(shù)(數(shù)據(jù)庫、編程語語言、操操作統(tǒng))(4)人工智能能(5)行為科學(xué)學(xué)2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用67 (6)企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)與管理理過程計計算機決決策支持持案例分分析(A)煉油生產(chǎn)工工藝過程程2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用68 (B)生產(chǎn)經(jīng)營營決策活活動的特特點(i)范圍廣、跨度大大從決策的的范圍：有例行的(如生產(chǎn)計計劃、生生產(chǎn)調(diào)度度等)、非例行的(如企業(yè)發(fā)發(fā)展規(guī)劃劃、經(jīng)營營決策等等)從決策的的跨度：時間跨跨度有短短期的(幾天)、中期的的(月、季、年等)和長期的的(幾年、十十幾年)；空間

46、跨跨度，有有燃料油油生產(chǎn)系系統(tǒng)、潤潤滑油生生產(chǎn)系統(tǒng)統(tǒng)和石蠟蠟生產(chǎn)系系統(tǒng)。(ii)涉及的因因素多要考慮到到各種內(nèi)內(nèi)部的、外部的的多種因因素。-生產(chǎn)系統(tǒng)統(tǒng)有關(guān)(生產(chǎn)裝置置、油罐罐、產(chǎn)品品、工藝藝流程、生產(chǎn)成成本等等等)，-國家計劃劃、市場場需求等等經(jīng)營環(huán)環(huán)境有關(guān)關(guān)(原油、產(chǎn)產(chǎn)品品種種、價格格、供給給需求求量等等等)。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用69 (iii)決策的好好壞對企企業(yè)的經(jīng)經(jīng)濟效益益影響很很大(iv)突發(fā)性的的決策活活動增加加(C)生產(chǎn)經(jīng)營營決策活活動的類類型(a)制訂企業(yè)業(yè)生產(chǎn)發(fā)發(fā)展規(guī)則則企業(yè)的發(fā)發(fā)展規(guī)則則確定企企業(yè)今后后生產(chǎn)的的發(fā)展方方向，根根據(jù)確定定的企業(yè)業(yè)發(fā)展目目標制訂訂企業(yè)發(fā)發(fā)展規(guī)劃劃，選擇擇合理的的工藝流流程(包括確定定新建裝裝置、規(guī)規(guī)模、和和原來工工藝流程程的銜接接、裝置置配套、產(chǎn)品選選擇、原原油選擇擇等等)，尋求達達到目標標的最佳佳方案。2020-02-10CIMS和CIPS技術(shù)與應(yīng)應(yīng)用70 (b)制訂企業(yè)業(yè)年、月月生產(chǎn)計計劃、庫庫存計劃劃在系統(tǒng)外外部給出出的約束束條件和和系統(tǒng)內(nèi)內(nèi)部固有有的約束束條件下下，最大大限度地地增加企企業(yè)的利利潤。年生產(chǎn)計計劃在原油供供應(yīng)量一一定，國國家指令令性指標標和市場場情況基基本確定定的情況況下，在在保證國國家計劃劃的完成成、滿足足市場需需求、工工藝條件件要求的的前提下下，確定定一個能能獲