【文章內容簡介】 合隨機系統(tǒng)建模方法，研究在多網絡環(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，研究不同類型網絡的通信限制下，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，結合延時估計與補償，研究多網絡環(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 “基于高維過程數據的異常工況檢測、辨識和重構技術，及協(xié)調控制系統(tǒng)故障診斷與容錯控制 ”，針對多層次網絡、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)安全性分析技術和時間自動機、 Petri 網等軟件分析方法相結合，研究一體化控制軟件系統(tǒng)設計與開發(fā)過程中的安全性分析和安全性驗證方法。以實時數據庫和關系數據庫的數據集成為核心，采用瀏覽器 /服務器和客戶端 /服務器相結合的模式和基于DCOM 的軟件總線技術，結合一體化控制優(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性、接口和調用 的不一致性問題，采用運用面向對象的思想，結 14 合 UML、 XML等信息表達方式和自動代碼生成技術，研究運行控制、運行優(yōu)化與指標分解轉換軟件中的數據庫、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上，采用認知預排、用戶行為分析等易用性檢查方法，和現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。在此基礎上，采用一體化控制算法，設計與開發(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)基礎上，結合控制系統(tǒng)軟、硬件平臺，研究與開發(fā)真實的生產制造全流程一體化控制系統(tǒng)，研究生產制造全流程仿真建模與仿真方法，研發(fā)生產制造全流程仿真平臺，在此基礎上研究與開發(fā)一體化控制系統(tǒng)的半實物仿真平臺。 以冶金工業(yè)的典型復雜生產過程為背景，從工業(yè)現場獲得大量的實際生產數據，建立實際的典型生產過程的全流程動態(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)設計方法。 創(chuàng)新性與特色 本項目的選題緊密結合我國制造業(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、應用數學、管理技術等相結合，理論研究與研究成果的重大驗證相結合，復雜控制系統(tǒng)的理論研究、系統(tǒng)設計方法研究和系統(tǒng)實現的關鍵技術基礎研究相結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。 與國內外同類研究相比，本項目的特色和創(chuàng)新點如下： （ 1）生產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。其策略是計劃調度系統(tǒng)提供與產品相關的指標、與成本相關的參數和約束，通過 RTO和模型預 測控制實現全流程控制。 本項目的創(chuàng)新點在于采用如下思路，將企業(yè)綜合生產指標分解轉化為生產制造全流程的運行指標，然后轉化為過程運行控制指標，進而轉化為控制系統(tǒng)設定值，當市場需求和生產工況發(fā)生變化時，自動調整設定值，使控制系統(tǒng)跟蹤設定值，從而保證實際綜合生產指標在其目標值范圍內，將首次建立指標分解轉化、運行優(yōu)化與運行控制三層結構組成的一體化控制策略。 （ 2）生產設備（或過程）的運行控制 國外提出采用模型預測控制來實現運行控制，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，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，針對具體的生產設備（或過程）采用經驗模型和工藝模型將運行指標轉化為控制回路設定值，通過開環(huán)設定控制與回路控制實現運行控制。 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上，采用控制回路預設定模型、運行指標預報模型、前饋與反饋設定值補償器，擬提出對運行指標實現反饋閉環(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）復雜生產制造全流程基于數據和知識的實時智 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、自適應精調等綜合優(yōu)化機制的智能調度與優(yōu)化算法的基礎上，擬采用將數據和知識融合，研究復雜生產制造全流程基于數據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全流程在線動態(tài)運行優(yōu)化 基于過程模型的生產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合，研究基于過程模型的生產全流程在線動態(tài)運行優(yōu)化理論和方法。 （ 5）多層次不同類型網絡環(huán)境下的網絡化控制 國際上網絡化控制方法的研究集中在單一網絡環(huán)境下的控制問題，如圖 2所示，將網絡化控制系統(tǒng)中的設備網改為以太網，因此造成輸入延時 1和輸出延時 2。在假設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計控制器，保證閉環(huán)系統(tǒng)的性能。盡管已有的網絡化控制方法能夠保證閉環(huán)控制回路穩(wěn)定性，使系統(tǒng)輸出跟蹤設定值。但是不能控制整個生產設備（或過程）運行，使實際運行指標進入目標范圍內。 為了保證控制系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)化運行，本項目采用設備網和工業(yè)以太網組成網絡化運行控制系統(tǒng)。如圖 3所示，控制回路層采用設備網，消除輸入輸出延時；設定控制采用工業(yè)以太網，造成設定值延時 輸入延時 2和輸出延時 3。由于以太網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、數據包時序錯亂及丟 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，結合延時估計與補償，研究多網絡環(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）和生產過程仿真模型相結合的方法。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)界普遍采用的國內外主流 DCS/PLC設備、五臺 企業(yè)級服務器（ Dell 1850/2850）、十臺工作站（ Dell Precision 670/690）、生產過程控制與指揮操作臺、和工業(yè)環(huán)境中的各種網絡（設備網（無線網、現場總線）、控制網（ Control Net、 ProfiBus、 Profi、 Node bus）、管理網（光纖環(huán)網、以太網））等組成的生產過程控制與管理系統(tǒng)的硬件平臺，由工業(yè)環(huán)境使用的實時數據庫、關系數據庫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)行機構的虛擬儀表與執(zhí)行機構裝置，建立由 MATLAB、 LabView、 FlexSim、 EXTEND等組成的仿真軟件平臺。研制生產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)行機構裝置和生產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)現場中跨不同類型網絡、不同廠家設備環(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重點基礎研究計劃項目 “復雜生產制造過程實時、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、前饋相結合，智能方法和控制方法相結合，提出了混合智能優(yōu)化控制方法，并將其應用于赤鐵礦選礦過程和鋁合金構件制備重大裝備，取得顯著應用成效，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)化控制技術及應用）和 2022年國家科技進步獎二等獎（大型高強度鋁合金構件制備重大裝備智能控制技術與應用）。 17 2）針對復 雜離散制造過程，提出了基于預測 /反饋、學習、自適應精調等綜合優(yōu)化機制的智能調度與優(yōu)化 算法 ，將其應用于紡織生產過程，取得顯著應用成效。該研究成果獲 2022年國家科技進步二等獎（大規(guī)模復雜生產過程智能調度與優(yōu)化技術研究及應用）。 3）針對復雜化工生產的操作過程，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 ，將其成功應用于石化生產過程，取得顯著應用成效。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過程智能建模、控制與優(yōu)化技術）。 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，為本項目取得重大突破打下基礎。 （ 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、浙江大學等基礎上吸收了在網絡控制和無線傳感器網絡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)過程控制與實時調度的理論、方法及其應用研究》、《復雜系統(tǒng)控制與信息處理中的若干關鍵問題研究與應用》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領域內取得了國際領先的研究成果（ 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 于網絡的工業(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，學術思想、技術路徑與國內外同類研究相比，特色鮮明，創(chuàng)新性強。 經過五年努力，可以取得重大突破，達到預期目標。 課題設置思路及各課題之間的相互關系 本項目圍繞要解決的 三個關鍵科學問題：（ 1）復雜生產制造全流程運行控制；（ 2）復雜生產制造全流程基于數據和知識的實時智能優(yōu)化；（ 3）基于過程模型的生產全流程在線實時動態(tài)優(yōu)化，和若干技術基礎問題 ，結合研究重點和預期目標，設置了四個課題。 18 課題一 “復雜生產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 ”重點在于解決關鍵科學問題（ 1）；課題二 “復雜生產制造全流程基于數據和知識的實時智能運行優(yōu)化理論和方法研究 ”主要解決關鍵科學問題（ 2）；課題三 “基于過程模型的生產全流程在線動態(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)的若干技術基礎與半實物仿真實驗平臺的研究 ”研究一體化控制系統(tǒng)實現中的若干技術基礎問題，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)化方法為基礎的一體化控制系統(tǒng)若干關鍵技術。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全流程的一體化控制的體系結構和整體方案，產生生產制造全流程的運行指標；建立由多個獨立運行的生產設備（或過程）組成的生產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制造全流程的一體化控制系統(tǒng)的體系結構下，分別針對難以建立過程模型的多個生產設備有機聯接串行運行的生產制造全流程和具有過程模型的多個生產設備有機聯接串行運行的生產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據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制造全流程。上述三個課題的研究內容覆蓋了復雜生產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中的關鍵技術基礎展開研究，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。課題四的設置考慮了控制系統(tǒng)實現中的復雜性，因此課題設置的研究內容對于復雜控制系統(tǒng)的研究具有普遍性。課題設置考慮了項目的主要內容和研究目標，課 題的設置覆蓋了主要研究內容，上述四個課題一旦完成，即可實現項目的預期目標。 課題設置（課題名稱、課題研究內容、課題研究目標、課題承擔單位、課題負責人及學術骨干和課題經費比例） 課題一：復雜生產