工業過程先進控制與故障診斷技術彭開香北京科技大學自動化學院◆概要◆研究工業背景工業過程先進技術過程監控與故障診斷團隊介紹研究背景32023/11/23現代化復雜工程系統規模越來越大航空航天航海核電電網高鐵石化冶金企業信息化系統結構決策層管理層調度層經營決策系統產品策略管理信息系統生產計劃生產調度系統調度指令過程監控系統系統優化過程控制系統控制信息生產過程監控層控制層關系數據庫實時數據庫以企業盈利優化為目標的過程綜合自動化的內容

ERP（企業資源計劃）&SCM(供應鏈)MES（制造執行系統）－－通過對生產系統的跟蹤和監督，以有效實現生產計劃和調度的優化Monitoring&SPC（StatisticalProcessControl）(過程監控與統計過程分析)ROP（Real-TimeOptimization實時優化）APC&R2R（AdvancedProcessControl&RuntoRunControl先進控制與運行控制）（美國DMC公司提供）CLRTO:Closed-LoopReal-timeOptimization閉環實時優化DMC:DynamicMatrixControl動態矩陣控制TAC:TraditionalAdvancedControl傳統先進控制DCS:DistributedControlSystem集散控制系統1020304050607080901000投資0102030405060708090100效益DCSTACDMCCLRTO各層次經濟效益分析10:3510:4010:1070:15先進控制的提出與特點大型復雜工業過程的特點：規模龐大，結構復雜，不確定性，非線性，強耦合性實現安全、平穩、高效生產的需要；提高企業經濟效益和增強競爭力的重要對策；先進控制與在線優化在工廠綜合優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工業每年的產值四千億美元，提供一百多萬個就業崗位，2000年出口總值達725億美元，占美國出口的10%。要保持化工工業在全球的銷售實力，就要保持更低的價格和更可靠的服務，必須不斷將先進的信息技術和過程控制技術融合到生產過程中。生產過程中使用反饋控制能提高產品的質量、降低材料和能源的消耗、減少對環境的影響、提高安全性、降低成本，從而，在全球經濟中更具競爭力。先進過程控制的發展歷史20世紀60年代后期，過程控制已被廣泛應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系。在80年代和90年代，多變量控制特別是基于模型預測控制的多變量優化控制得到迅速的發展。先進過程控制的發展歷史－續基于模型預測控制近幾年已用于處理大規模的過程控制問題。基于模型預測控制的多變量優化控制，在具有控制約束和狀態約束的工業過程中，已成為一種標準的控制技術。在2000年據控制廠商報道，模型預測控制已有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。先進控制的發展現狀基于模型控制的理論體系已基本形成，出現了許多基于模型預測的多變量約束模型控制，如AspenTech的DMCplus、MCC等工程化軟件包，是應用廣泛和最有前途的先進控制策略專家控制系統：過程故障診斷，監督控制，檢測儀表和控制回路有效性神經網絡：非線性過程的建模，軟測量，控制系統的設計先進控制的發展現狀－續模糊系統：模糊控制理論基礎，表達不確定性知識；非線性控制：開發中，應用不多；魯棒控制：研究熱點，理論性太強，實際應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展方向。其他先進控制還包括：內模控制，自適應控制，增益調整，解耦控制，時滯補償等；過程監控與統計過程控制

（PM&SPC）的內容過程監測（PM,ProcessMonitoring）統計過程控制（SPC,StatisticalProcessControl）過程故障檢測與診斷（FDD,FaultDetectionandDiagnosis）過失誤差檢測和數據校正（GrossErrorDetection&DataRectification）控制系統性能的實時監測與評估（Real-TimeMonitoringControl&SystemEvaluation）工業系統的過程監控方法14系統龐大的規模與高度的復雜程度系統中出現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的失效、癱瘓，甚至導致巨大的災難性后果如何提高系統的安全性、可靠性，防止和杜絕影響系統正常運行的故障的發生和發展就成為一個重要的有待解決的問題提高系統安全性、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工業過程故障診斷的必要性質量相關的故障定義過程變量X溫度、流量、液位等質量變量Y產量、濃度、粒度、pH值輸入輸出反饋控制產品傳感器多回路：生產過程實時采樣采樣頻率高數量眾多相關性大傳感器采樣延遲大采樣周期長數量有限工業生產過程：鋼鐵、化工、磨礦、污水處理等質量相關的故障檢測與診斷

傳感器網絡平臺

計算機網絡平臺集成軟件平臺數據平臺信息集成PCS系統監控MESERP知識管理優化控制安全運行一體化系統的集成環境彭開香，教授/博士生導師。研究方向：復雜工業系統優化控制與故障診斷楊衛東，教授/博士生導師。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：高性能控制系統集成開發王玲，副教授。研究方向：大數據及其工業應用董冀媛，講師。研究方向：機器學習與故障診斷團隊介紹梯隊在研項目2014年國家自然科學基金項目（61473033）：“質量相關的多工況動態間歇過程建模及故障診斷方法研究”。2013年北京市自然科學基金項目（4142035）：“數據驅動的多工況非高斯復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開發”。2013年中冶賽迪委托課題（2013-605）“熱軋質量包與模型開發”。英國皇家工程學院牛頓合作研究項目：ProbabilisticState-ConstrainedOptimalControlforK