工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制與故障診斷

工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制與故障診斷技術(shù)彭開(kāi)香北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院◆概要◆研究工業(yè)背景工業(yè)過(guò)程先進(jìn)技術(shù)過(guò)程監(jiān)控與故障診斷團(tuán)隊(duì)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(lái)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(yíng)決策系統(tǒng)產(chǎn)品策略管理信息系統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度指令過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程控制系統(tǒng)控制信息生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控層控制層關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)以企業(yè)盈利優(yōu)化為目標(biāo)的過(guò)程綜合自動(dòng)化的內(nèi)容

ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）&SCM(供應(yīng)鏈)MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）－－通過(guò)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的跟蹤和監(jiān)督，以有效實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度的優(yōu)化Monitoring&SPC（StatisticalProcessControl）(過(guò)程監(jiān)控與統(tǒng)計(jì)過(guò)程分析)ROP（Real-TimeOptimization實(shí)時(shí)優(yōu)化）APC&R2R（AdvancedProcessControl&RuntoRunControl先進(jìn)控制與運(yùn)行控制）（美國(guó)DMC公司提供）CLRTO:Closed-LoopReal-timeOptimization閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化DMC:DynamicMatrixControl動(dòng)態(tài)矩陣控制TAC:TraditionalAdvancedControl傳統(tǒng)先進(jìn)控制DCS:DistributedControlSystem集散控制系統(tǒng)1020304050607080901000投資0102030405060708090100效益DCSTACDMCCLRTO各層次經(jīng)濟(jì)效益分析10:3510:4010:1070:15先進(jìn)控制的提出與特點(diǎn)大型復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的特點(diǎn)：規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不確定性，非線性，強(qiáng)耦合性實(shí)現(xiàn)安全、平穩(wěn)、高效生產(chǎn)的需要；提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要對(duì)策；先進(jìn)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(jìn)控制的提出的背景美國(guó)的化學(xué)工業(yè)每年的產(chǎn)值四千億美元，提供一百多萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位，2000年出口總值達(dá)725億美元，占美國(guó)出口的10%。要保持化工工業(yè)在全球的銷售實(shí)力，就要保持更低的價(jià)格和更可靠的服務(wù)，必須不斷將先進(jìn)的信息技術(shù)和過(guò)程控制技術(shù)融合到生產(chǎn)過(guò)程中。生產(chǎn)過(guò)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(duì)環(huán)境的影響、提高安全性、降低成本，從而，在全球經(jīng)濟(jì)中更具競(jìng)爭(zhēng)力。先進(jìn)過(guò)程控制的發(fā)展歷史20世紀(jì)60年代后期，過(guò)程控制已被廣泛應(yīng)用于石化和材料的加工過(guò)程，主要是單回路局部反饋控制形式，各控制器之間幾乎沒(méi)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(cè)控制的多變量?jī)?yōu)化控制得到迅速的發(fā)展。先進(jìn)過(guò)程控制的發(fā)展歷史－續(xù)基于模型預(yù)測(cè)控制近幾年已用于處理大規(guī)模的過(guò)程控制問(wèn)題?；谀Ｐ皖A(yù)測(cè)控制的多變量?jī)?yōu)化控制，在具有控制約束和狀態(tài)約束的工業(yè)過(guò)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(bào)道，模型預(yù)測(cè)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(jìn)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(cè)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(jìn)控制策略專家控制系統(tǒng)：過(guò)程故障診斷，監(jiān)督控制，檢測(cè)儀表和控制回路有效性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：非線性過(guò)程的建模，軟測(cè)量，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)先進(jìn)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(dá)不確定性知識(shí)；非線性控制：開(kāi)發(fā)中，應(yīng)用不多；魯棒控制：研究熱點(diǎn)，理論性太強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用需做大量的改進(jìn)和簡(jiǎn)化；使先進(jìn)控制具備魯棒性是重要的發(fā)展方向。其他先進(jìn)控制還包括：內(nèi)?？刂?，自適應(yīng)控制，增益調(diào)整，解耦控制，時(shí)滯補(bǔ)償?shù)龋贿^(guò)程監(jiān)控與統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制

（PM&SPC）的內(nèi)容過(guò)程監(jiān)測(cè)（PM,ProcessMonitoring）統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC,StatisticalProcessControl）過(guò)程故障檢測(cè)與診斷（FDD,FaultDetectionandDiagnosis）過(guò)失誤差檢測(cè)和數(shù)據(jù)校正（GrossErrorDetection&DataRectification）控制系統(tǒng)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估（Real-TimeMonitoringControl&SystemEvaluation）工業(yè)系統(tǒng)的過(guò)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(shí)檢測(cè)并排除，就有可能造成整個(gè)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(yùn)行的故障的發(fā)生和發(fā)展就成為一個(gè)重要的有待解決的問(wèn)題提高系統(tǒng)安全性、可靠性的方法有多種，其中一個(gè)重要的方法就是采用故障檢測(cè)與診斷技術(shù)工業(yè)過(guò)程故障診斷的必要性質(zhì)量相關(guān)的故障定義過(guò)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(guò)程實(shí)時(shí)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(zhǎng)數(shù)量有限工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程：鋼鐵、化工、磨礦、污水處理等質(zhì)量相關(guān)的故障檢測(cè)與診斷

傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)集成軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)平臺(tái)信息集成PCS系統(tǒng)監(jiān)控MESERP知識(shí)管理優(yōu)化控制安全運(yùn)行一體化系統(tǒng)的集成環(huán)境彭開(kāi)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(guò)程先進(jìn)控制楊旭，副教授。研究方向：故障診斷與容錯(cuò)控制高海，副教授。研究方向：高性能控制系統(tǒng)集成開(kāi)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(jī)器學(xué)習(xí)與故障診斷團(tuán)隊(duì)介紹梯隊(duì)在研項(xiàng)目2014年國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61473033）：“質(zhì)量相關(guān)的多工況動(dòng)態(tài)間歇過(guò)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(xiàng)目（4142035）：“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多工況非高斯復(fù)雜間歇過(guò)程的故障診斷”。2014年通號(hào)國(guó)際控股公司委托課題（2014-106）“鐵路信號(hào)安全控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”。2013年中冶賽迪委托課題（2013-605）“熱軋質(zhì)量包與模型開(kāi)發(fā)”。英國(guó)皇家工程學(xué)院牛頓合作研究項(xiàng)目：ProbabilisticState-ConstrainedOptimalControlforK