工業(yè)過程先進控制與故障診斷

工業(yè)過程先進控制與故障診斷技術(shù)彭開香北京科技大學(xué)自動化學(xué)院◆概要◆研究工業(yè)背景工業(yè)過程先進技術(shù)過程監(jiān)控與故障診斷團隊介紹研究背景32023/11/23現(xiàn)代化復(fù)雜工程系統(tǒng)規(guī)模越來越大航空航天航海核電電網(wǎng)高鐵石化冶金企業(yè)信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決策層管理層調(diào)度層經(jīng)營決策系統(tǒng)產(chǎn)品策略管理信息系統(tǒng)生產(chǎn)計劃生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度指令過程監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)化過程控制系統(tǒng)控制信息生產(chǎn)過程監(jiān)控層控制層關(guān)系數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫以企業(yè)盈利優(yōu)化為目標(biāo)的過程綜合自動化的內(nèi)容

ERP（企業(yè)資源計劃）&SCM(供應(yīng)鏈)MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）－－通過對生產(chǎn)系統(tǒng)的跟蹤和監(jiān)督，以有效實現(xiàn)生產(chǎn)計劃和調(diào)度的優(yōu)化Monitoring&SPC（StatisticalProcessControl）(過程監(jiān)控與統(tǒng)計過程分析)ROP（Real-TimeOptimization實時優(yōu)化）APC&R2R（AdvancedProcessControl&RuntoRunControl先進控制與運行控制）（美國DMC公司提供）CLRTO:Closed-LoopReal-timeOptimization閉環(huán)實時優(yōu)化DMC:DynamicMatrixControl動態(tài)矩陣控制TAC:TraditionalAdvancedControl傳統(tǒng)先進控制DCS:DistributedControlSystem集散控制系統(tǒng)1020304050607080901000投資0102030405060708090100效益DCSTACDMCCLRTO各層次經(jīng)濟效益分析10:3510:4010:1070:15先進控制的提出與特點大型復(fù)雜工業(yè)過程的特點：規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不確定性，非線性，強耦合性實現(xiàn)安全、平穩(wěn)、高效生產(chǎn)的需要；提高企業(yè)經(jīng)濟效益和增強競爭力的重要對策；先進控制與在線優(yōu)化在工廠綜合優(yōu)化控制中起著承上啟下的重要作用先進控制的提出的背景美國的化學(xué)工業(yè)每年的產(chǎn)值四千億美元，提供一百多萬個就業(yè)崗位，2000年出口總值達725億美元，占美國出口的10%。要保持化工工業(yè)在全球的銷售實力，就要保持更低的價格和更可靠的服務(wù)，必須不斷將先進的信息技術(shù)和過程控制技術(shù)融合到生產(chǎn)過程中。生產(chǎn)過程中使用反饋控制能提高產(chǎn)品的質(zhì)量、降低材料和能源的消耗、減少對環(huán)境的影響、提高安全性、降低成本，從而，在全球經(jīng)濟中更具競爭力。先進過程控制的發(fā)展歷史20世紀(jì)60年代后期，過程控制已被廣泛應(yīng)用于石化和材料的加工過程，主要是單回路局部反饋控制形式，各控制器之間幾乎沒有聯(lián)系。在80年代和90年代，多變量控制特別是基于模型預(yù)測控制的多變量優(yōu)化控制得到迅速的發(fā)展。先進過程控制的發(fā)展歷史－續(xù)基于模型預(yù)測控制近幾年已用于處理大規(guī)模的過程控制問題?；谀Ｐ皖A(yù)測控制的多變量優(yōu)化控制，在具有控制約束和狀態(tài)約束的工業(yè)過程中，已成為一種標(biāo)準(zhǔn)的控制技術(shù)。在2000年據(jù)控制廠商報道，模型預(yù)測控制已有5000多例，包括煉油、石化、紙漿和造紙、空氣分離、食品加工、煉鋼、航空和汽車。先進控制的發(fā)展現(xiàn)狀基于模型控制的理論體系已基本形成，出現(xiàn)了許多基于模型預(yù)測的多變量約束模型控制，如AspenTech的DMCplus、MCC等工程化軟件包，是應(yīng)用廣泛和最有前途的先進控制策略專家控制系統(tǒng)：過程故障診斷，監(jiān)督控制，檢測儀表和控制回路有效性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：非線性過程的建模，軟測量，控制系統(tǒng)的設(shè)計先進控制的發(fā)展現(xiàn)狀－續(xù)模糊系統(tǒng)：模糊控制理論基礎(chǔ)，表達不確定性知識；非線性控制：開發(fā)中，應(yīng)用不多；魯棒控制：研究熱點，理論性太強，實際應(yīng)用需做大量的改進和簡化；使先進控制具備魯棒性是重要的發(fā)展方向。其他先進控制還包括：內(nèi)?？刂?，自適應(yīng)控制，增益調(diào)整，解耦控制，時滯補償?shù)?；過程監(jiān)控與統(tǒng)計過程控制

（PM&SPC）的內(nèi)容過程監(jiān)測（PM,ProcessMonitoring）統(tǒng)計過程控制（SPC,StatisticalProcessControl）過程故障檢測與診斷（FDD,FaultDetectionandDiagnosis）過失誤差檢測和數(shù)據(jù)校正（GrossErrorDetection&DataRectification）控制系統(tǒng)性能的實時監(jiān)測與評估（Real-TimeMonitoringControl&SystemEvaluation）工業(yè)系統(tǒng)的過程監(jiān)控方法14系統(tǒng)龐大的規(guī)模與高度的復(fù)雜程度系統(tǒng)中出現(xiàn)的某些微小故障若不能及時檢測并排除，就有可能造成整個系統(tǒng)的失效、癱瘓，甚至導(dǎo)致巨大的災(zāi)難性后果如何提高系統(tǒng)的安全性、可靠性，防止和杜絕影響系統(tǒng)正常運行的故障的發(fā)生和發(fā)展就成為一個重要的有待解決的問題提高系統(tǒng)安全性、可靠性的方法有多種，其中一個重要的方法就是采用故障檢測與診斷技術(shù)工業(yè)過程故障診斷的必要性質(zhì)量相關(guān)的故障定義過程變量X溫度、流量、液位等質(zhì)量變量Y產(chǎn)量、濃度、粒度、pH值輸入輸出反饋控制產(chǎn)品傳感器多回路：生產(chǎn)過程實時采樣采樣頻率高數(shù)量眾多相關(guān)性大傳感器采樣延遲大采樣周期長數(shù)量有限工業(yè)生產(chǎn)過程：鋼鐵、化工、磨礦、污水處理等質(zhì)量相關(guān)的故障檢測與診斷

傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺

計算機網(wǎng)絡(luò)平臺集成軟件平臺數(shù)據(jù)平臺信息集成PCS系統(tǒng)監(jiān)控MESERP知識管理優(yōu)化控制安全運行一體化系統(tǒng)的集成環(huán)境彭開香，教授/博士生導(dǎo)師。研究方向：復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化控制與故障診斷楊衛(wèi)東，教授/博士生導(dǎo)師。研究方向：軋鋼過程先進控制楊旭，副教授。研究方向：故障診斷與容錯控制高海，副教授。研究方向：高性能控制系統(tǒng)集成開發(fā)王玲，副教授。研究方向：大數(shù)據(jù)及其工業(yè)應(yīng)用董冀媛，講師。研究方向：機器學(xué)習(xí)與故障診斷團隊介紹梯隊在研項目2014年國家自然科學(xué)基金項目（61473033）：“質(zhì)量相關(guān)的多工況動態(tài)間歇過程建模及故障診斷方法研究”。2013年北京市自然科學(xué)基金項目（4142035）：“數(shù)據(jù)驅(qū)動的多工況非高斯復(fù)雜間歇過程的故障診斷”。2014年通號國際控股公司委托課題（2014-106）“鐵路信號安全控制系統(tǒng)開發(fā)”。2013年中冶賽迪委托課題（2013-605）“熱軋質(zhì)量包與模型開發(fā)”。英國皇家工程學(xué)院牛頓合作研究項目：ProbabilisticState-ConstrainedOptimalControlforK