【文章內(nèi)容簡介】 合隨機系統(tǒng)建模方法，研究在多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的隨機延時估計和運行指標評估模型等的建模方法。利用矩陣不等式、模糊分析等方法，研究不同類型網(wǎng)絡(luò)的通信限制下，信息采集、傳輸與處理過程對控制系統(tǒng)造成的不確定性因素分析與描述以及對控制系統(tǒng)性能影響的分析方法。采用前期 973項目提出的智能控制，結(jié)合延時估計與補償，研究多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的運行控制方法及系統(tǒng)性能分析方法。采用申請者提出的 “基于高維過程數(shù)據(jù)的異常工況檢測、辨識和重構(gòu)技術(shù)，及協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)故障診斷與容錯控制 ”，針對多層次網(wǎng)絡(luò)、多種計算 機組成的一體化控制系統(tǒng)，研究提高控制系統(tǒng)安全運行的方法。 將故障模式與影響分析（ FMEA）、故障危險分析（ FHA）等系統(tǒng)安全性分析技術(shù)和時間自動機、 Petri 網(wǎng)等軟件分析方法相結(jié)合，研究一體化控制軟件系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)過程中的安全性分析和安全性驗證方法。以實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)集成為核心，采用瀏覽器 /服務(wù)器和客戶端 /服務(wù)器相結(jié)合的模式和基于DCOM 的軟件總線技術(shù)，結(jié)合一體化控制優(yōu)化集成算法，研究運行控制、運行優(yōu)化與指標分解轉(zhuǎn)化軟件的實時協(xié)同運行平臺與協(xié)同引擎。針對二次開發(fā)過程中信息表示的異構(gòu)性、接口和調(diào)用 的不一致性問題，采用運用面向?qū)ο蟮乃枷?，結(jié) 14 合 UML、 XML等信息表達方式和自動代碼生成技術(shù)，研究運行控制、運行優(yōu)化與指標分解轉(zhuǎn)換軟件中的數(shù)據(jù)庫、模型庫、算法庫的表達、統(tǒng)一管理和運行機制。在分析使用者特性的基礎(chǔ)上，采用認知預排、用戶行為分析等易用性檢查方法，和現(xiàn)場觀測的易用性測試方法，研究針對最終用戶（管理者、工藝工程師、操作員）的友好、安全、易用的人機交互方法。在此基礎(chǔ)上，采用一體化控制算法，設(shè)計與開發(fā)具有安全性、協(xié)同性、易用性的一體化控制軟件系統(tǒng)。 采用一體化控制系統(tǒng)的整體控制策略，在上述研制的一體化控制 軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合控制系統(tǒng)軟、硬件平臺，研究與開發(fā)真實的生產(chǎn)制造全流程一體化控制系統(tǒng)，研究生產(chǎn)制造全流程仿真建模與仿真方法，研發(fā)生產(chǎn)制造全流程仿真平臺，在此基礎(chǔ)上研究與開發(fā)一體化控制系統(tǒng)的半實物仿真平臺。 以冶金工業(yè)的典型復雜生產(chǎn)過程為背景，從工業(yè)現(xiàn)場獲得大量的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立實際的典型生產(chǎn)過程的全流程動態(tài)模型并進行模型校驗，開展對復雜生產(chǎn)過程全流程一體化控制系統(tǒng)的仿真實驗驗證研究。不斷完善所提出的一體化控制系統(tǒng)的控制方法和控制系統(tǒng)設(shè)計方法。 創(chuàng)新性與特色 本項目的選題緊密結(jié)合我國制造業(yè)中的實際重大 需求，瞄準國際學科前沿，采用學科交叉和學科融合手段，將控制與優(yōu)化理論、人工智能、計算機技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學、管理技術(shù)等相結(jié)合，理論研究與研究成果的重大驗證相結(jié)合，復雜控制系統(tǒng)的理論研究、系統(tǒng)設(shè)計方法研究和系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究相結(jié)合使研究成果更有利于解決國家重大需求。與其他國家科技計劃緊密銜接，互相促進。 與國內(nèi)外同類研究相比，本項目的特色和創(chuàng)新點如下： （ 1）生產(chǎn)制造全流程一體化控制策略 國外只有針對化工過程方面的研究成果。其策略是計劃調(diào)度系統(tǒng)提供與產(chǎn)品相關(guān)的指標、與成本相關(guān)的參數(shù)和約束，通過 RTO和模型預 測控制實現(xiàn)全流程控制。 本項目的創(chuàng)新點在于采用如下思路，將企業(yè)綜合生產(chǎn)指標分解轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)制造全流程的運行指標，然后轉(zhuǎn)化為過程運行控制指標，進而轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)設(shè)定值，當市場需求和生產(chǎn)工況發(fā)生變化時，自動調(diào)整設(shè)定值，使控制系統(tǒng)跟蹤設(shè)定值，從而保證實際綜合生產(chǎn)指標在其目標值范圍內(nèi)，將首次建立指標分解轉(zhuǎn)化、運行優(yōu)化與運行控制三層結(jié)構(gòu)組成的一體化控制策略。 （ 2）生產(chǎn)設(shè)備（或過程）的運行控制 國外提出采用模型預測控制來實現(xiàn)運行控制，但是要求工業(yè)過程可由線性模型描述，對于具有綜合復雜性（運行控制指標往往難于在線測量，與 底層控制回 15 路的輸出密切相關(guān)，它們之間的動態(tài)特性常常具有強非線性、強耦合、難以用精確模型描述、隨工況運行條件變化而變化等）的工業(yè)過程，針對具體的生產(chǎn)設(shè)備（或過程）采用經(jīng)驗模型和工藝模型將運行指標轉(zhuǎn)化為控制回路設(shè)定值，通過開環(huán)設(shè)定控制與回路控制實現(xiàn)運行控制。 本項目的創(chuàng)新點在于在前期 973項目提出的混合智能控制方法基礎(chǔ)上，采用控制回路預設(shè)定模型、運行指標預報模型、前饋與反饋設(shè)定值補償器，擬提出對運行指標實現(xiàn)反饋閉環(huán)控制的工業(yè)過程新的運行控制方法和系統(tǒng)性能分析方法。 （ 3）復雜生產(chǎn)制造全流程基于數(shù)據(jù)和知識的實時智 能運行優(yōu)化 對于難以建立過程模型的生產(chǎn)制造全流程在線動態(tài)優(yōu)化方面的研究成果尚未見報道。本項目的創(chuàng)新點在于在前期 973項目提出的基于預測 /反饋、學習、自適應(yīng)精調(diào)等綜合優(yōu)化機制的智能調(diào)度與優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上，擬采用將數(shù)據(jù)和知識融合，研究復雜生產(chǎn)制造全流程基于數(shù)據(jù)和知識的實時智能運行優(yōu)化理論和方法。 （ 4）基于過程模型的生產(chǎn)全流程在線動態(tài)運行優(yōu)化 基于過程模型的生產(chǎn)制造全流程在線動態(tài)運行優(yōu)化方面，國外針對石化過程，在 RTO和模型預測控制的基礎(chǔ)上，采用非線性動態(tài)優(yōu)化求解與非線性模型預測控制相結(jié)合的方法來進行新的在線動 態(tài)優(yōu)化方法研究。 本項目的創(chuàng)新點在于在前期 973項目提出的基于混合模式自動微分、稀疏存儲等策略的智能操作優(yōu)化方法基礎(chǔ)上，提出新的高維低自由度非線性動態(tài)優(yōu)化求解方法，并與項目申請者提出的非線性模型預測控制方法相結(jié)合，研究基于過程模型的生產(chǎn)全流程在線動態(tài)運行優(yōu)化理論和方法。 （ 5）多層次不同類型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)化控制 國際上網(wǎng)絡(luò)化控制方法的研究集中在單一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的控制問題，如圖 2所示，將網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的設(shè)備網(wǎng)改為以太網(wǎng)，因此造成輸入延時 1和輸出延時 2。在假設(shè)延時范圍已知有界的前提下，采用李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 、 H∞和線性矩陣不等式等工具設(shè)計控制器，保證閉環(huán)系統(tǒng)的性能。盡管已有的網(wǎng)絡(luò)化控制方法能夠保證閉環(huán)控制回路穩(wěn)定性，使系統(tǒng)輸出跟蹤設(shè)定值。但是不能控制整個生產(chǎn)設(shè)備（或過程）運行，使實際運行指標進入目標范圍內(nèi)。 為了保證控制系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)化運行，本項目采用設(shè)備網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡(luò)化運行控制系統(tǒng)。如圖 3所示，控制回路層采用設(shè)備網(wǎng)，消除輸入輸出延時；設(shè)定控制采用工業(yè)以太網(wǎng)，造成設(shè)定值延時 輸入延時 2和輸出延時 3。由于以太網(wǎng)造成的延時是隨機的，因此需要采用隨機系統(tǒng)建模的方法描述信號傳輸 16 延時、數(shù)據(jù)包時序錯亂及丟 失、信息損失和量化誤差，進而分析這些不確定性對控制系統(tǒng)性能的影響。采用前期 973項目提出的智能控制，結(jié)合延時估計與補償，研究多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的建模方法、運行控制方法及系統(tǒng)性能分析方法。 （ 6）一體化控制系統(tǒng)半實物仿真平臺 國際上，控制系統(tǒng)的半實物仿真平臺采用激勵 DCS仿真機（ Stimulation DCS）和生產(chǎn)過程仿真模型相結(jié)合的方法。激勵 DCS仿真機不能完全模擬工業(yè)過程的 DCS和工業(yè)控制網(wǎng)中并存的多種型號的 DCS。與此相比，本項目的特色在于： a）由五種工業(yè)界普遍采用的國內(nèi)外主流 DCS/PLC設(shè)備、五臺 企業(yè)級服務(wù)器（ Dell 1850/2850）、十臺工作站（ Dell Precision 670/690）、生產(chǎn)過程控制與指揮操作臺、和工業(yè)環(huán)境中的各種網(wǎng)絡(luò)（設(shè)備網(wǎng)（無線網(wǎng)、現(xiàn)場總線）、控制網(wǎng)（ Control Net、 ProfiBus、 Profi、 Node bus）、管理網(wǎng)（光纖環(huán)網(wǎng)、以太網(wǎng)））等組成的生產(chǎn)過程控制與管理系統(tǒng)的硬件平臺，由工業(yè)環(huán)境使用的實時數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫Oracle 9i/10g Database企業(yè)版、 MES管理軟件平臺 Siemens Simatic IT等組成的軟件平臺研制一體化 控制系統(tǒng)的軟、硬件平臺。 b）研制能夠模擬各種工業(yè)環(huán)境下的儀表與執(zhí)行機構(gòu)的虛擬儀表與執(zhí)行機構(gòu)裝置，建立由 MATLAB、 LabView、 FlexSim、 EXTEND等組成的仿真軟件平臺。研制生產(chǎn)制造全流程對象仿真平臺。 c）研制由一體化控制軟件系統(tǒng)、一體化控制系統(tǒng)的軟、硬件平臺組成的一體化控制系統(tǒng)；研制由一體化控制系統(tǒng)、虛擬儀表與執(zhí)行機構(gòu)裝置和生產(chǎn)制造全流程對象仿真平臺組成的半實物仿真平臺。該平臺可以模擬工業(yè)現(xiàn)場中跨不同類型網(wǎng)絡(luò)、不同廠家設(shè)備環(huán)境下的一體化控制系統(tǒng)。 項目可行性 （ 1）該項目是在國家 973重點基礎(chǔ)研究計劃項目 “復雜生產(chǎn)制造過程實時、智能控制與優(yōu)化理論和方法研究 ”取得 成果 的基礎(chǔ)上提出的。國家 973計劃項目取得的主要創(chuàng)新性成果如下： 1）針對復雜的工業(yè)過程，將建模與控制相集成，反饋、預測、前饋相結(jié)合，智能方法和控制方法相結(jié)合，提出了混合智能優(yōu)化控制方法，并將其應(yīng)用于赤鐵礦選礦過程和鋁合金構(gòu)件制備重大裝備，取得顯著應(yīng)用成效，該研究成果分別獲 2022年國家科技進步二等獎（混合智能優(yōu)化控制技術(shù)及應(yīng)用）和 2022年國家科技進步獎二等獎（大型高強度鋁合金構(gòu)件制備重大裝備智能控制技術(shù)與應(yīng)用）。 17 2）針對復 雜離散制造過程，提出了基于預測 /反饋、學習、自適應(yīng)精調(diào)等綜合優(yōu)化機制的智能調(diào)度與優(yōu)化 算法 ，將其應(yīng)用于紡織生產(chǎn)過程，取得顯著應(yīng)用成效。該研究成果獲 2022年國家科技進步二等獎（大規(guī)模復雜生產(chǎn)過程智能調(diào)度與優(yōu)化技術(shù)研究及應(yīng)用）。 3）針對復雜化工生產(chǎn)的操作過程，綜合采用混合模式自動微分、稀疏存儲等策略，提出了智能操作優(yōu)化 方法 ，將其成功應(yīng)用于石化生產(chǎn)過程，取得顯著應(yīng)用成效。該研究成果獲 2022年國家科技進步二等獎（大型精對苯二甲酸生產(chǎn)過程智能建模、控制與優(yōu)化技術(shù)）。 從本項目的特色和創(chuàng)新性（見 創(chuàng)新性與特色 ）分 析中可看出，上述研究成果均與本項目的創(chuàng)新性密切相關(guān)，為本項目取得重大突破打下基礎(chǔ)。 （ 2）本項目的研究團隊是由 973 項目當中的主要承擔和完成單位，清華大學、東北大學、浙江大學等基礎(chǔ)上吸收了在網(wǎng)絡(luò)控制和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面取得突出成果的哈爾濱工業(yè)大學和山東大學。本項目研究團隊吸收了國家自然科學基金委三支創(chuàng)新研究團隊（《復雜工業(yè)過程控制與實時調(diào)度的理論、方法及其應(yīng)用研究》、《復雜系統(tǒng)控制與信息處理中的若干關(guān)鍵問題研究與應(yīng)用》和《先進運作管理建模優(yōu)化與決策分析的理論與方法》）的負責人與研究骨干，吸收了海外控制學術(shù)界 著名的教授（東北大學、清華大學、山東大學的長江學者講座教授和東北大學 “111 計劃 ”高等學校引智基地的海外學術(shù)骨干）作為本項目的研究骨干。 項目的研究骨干在與本項目相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)取得了國際領(lǐng)先的研究成果（ 詳見七、研究隊伍 ） 。 （ 3）本項目參與 單位 擁有 1個國家實驗室（籌）、 2個國家重點實驗室、 3個國家工程研究中心、 1 個教育部重點實驗室。承擔單位的控制科學與工程學科在全國名列前茅。 總之，本項目的承擔單位具有深厚的研究基礎(chǔ)和很強的研究團隊，并建立了以國家實驗室、國家重點實驗室、國家工程研究中心等為主的研究基地，建成了基 于網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)過程綜合自動化實驗平臺。本項目針對國家重大需求，瞄準國際學科前沿，學術(shù)思想、技術(shù)路徑與國內(nèi)外同類研究相比，特色鮮明，創(chuàng)新性強。 經(jīng)過五年努力，可以取得重大突破，達到預期目標。 課題設(shè)置思路及各課題之間的相互關(guān)系 本項目圍繞要解決的 三個關(guān)鍵科學問題：（ 1）復雜生產(chǎn)制造全流程運行控制；（ 2）復雜生產(chǎn)制造全流程基于數(shù)據(jù)和知識的實時智能優(yōu)化；（ 3）基于過程模型的生產(chǎn)全流程在線實時動態(tài)優(yōu)化，和若干技術(shù)基礎(chǔ)問題 ，結(jié)合研究重點和預期目標，設(shè)置了四個課題。 18 課題一 “復雜生產(chǎn)制造全流程一體化控制系統(tǒng)整體控制策 略與運行控制方法研究 ”重點在于解決關(guān)鍵科學問題（ 1）；課題二 “復雜生產(chǎn)制造全流程基于數(shù)據(jù)和知識的實時智能運行優(yōu)化理論和方法研究 ”主要解決關(guān)鍵科學問題（ 2）；課題三 “基于過程模型的生產(chǎn)全流程在線動態(tài)運行優(yōu)化理論和方法研究 ”主要解決關(guān)鍵科學問題（ 3）；課題四 “具有安全性、協(xié)同性、易用性的一體化控制系統(tǒng)的若干技術(shù)基礎(chǔ)與半實物仿真實驗平臺的研究 ”研究一體化控制系統(tǒng)實現(xiàn)中的若干技術(shù)基礎(chǔ)問題，攻克由課題一至三提出的整體控制策略、運行控制與運行優(yōu)化方法為基礎(chǔ)的一體化控制系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)。驗證一體化控制方法，提高控制系統(tǒng)的 安全性、協(xié)同性、易用性。 課題一主要解決實現(xiàn)全流程的一體化控制的體系結(jié)構(gòu)和整體方案，產(chǎn)生生產(chǎn)制造全流程的運行指標；建立由多個獨立運行的生產(chǎn)設(shè)備（或過程）組成的生產(chǎn)過程的運行控制理論和方法。課題二和課題三是在課題一提出的生產(chǎn)制造全流程的一體化控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)下，分別針對難以建立過程模型的多個生產(chǎn)設(shè)備有機聯(lián)接串行運行的生產(chǎn)制造全流程和具有過程模型的多個生產(chǎn)設(shè)備有機聯(lián)接串行運行的生產(chǎn)制造全流程的在線運行優(yōu)化問題，建立解決上述問題的基于數(shù)據(jù)和知識的實時智能運行優(yōu)化理論與方法和基于過程模型的在線動態(tài)運行優(yōu)化理論與 方法。上述三個課題研究的運行控制和運行優(yōu)化方法涉及到的三類對象基本上反映了具有不同特點的生產(chǎn)制造全流程。上述三個課題的研究內(nèi)容覆蓋了復雜生產(chǎn)制造全流程的控制與優(yōu)化的主要難點和問題。課題四是針對上述三個課題所研究的一體化控制方法實現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)展開研究，解決一體化控制系統(tǒng)的安全性、協(xié)同性、易用性，研制一體化控制系統(tǒng)的半實物仿真平臺，驗證上述三個課題所提出方法的有效性。課題四的設(shè)置考慮了控制系統(tǒng)實現(xiàn)中的復雜性，因此課題設(shè)置的研究內(nèi)容對于復雜控制系統(tǒng)的研究具有普遍性。課題設(shè)置考慮了項目的主要內(nèi)容和研究目標，課 題的設(shè)置覆蓋了主要研究內(nèi)容，上述四個課題一旦完成，即可實現(xiàn)項目的預期目標。 課題設(shè)置（課題名稱、課題研究內(nèi)容、課題研究目標、課題承擔單位、課題負責人及學術(shù)骨干和課題經(jīng)費比例） 課題一：復雜生產(chǎn)