工业过程先进控制与故障诊断
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Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved. Date: File: 10.07.2015 FDD.19
AC & FD Lecture
梯队在研项目
2014年国家自然科学基金项目（61473033）：“质量相关的
Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved.
Date: File:
10.07.2015 FDD.9
AC & FD Lecture
先进过程控制的发展历史－续
基于模型预测控制近几年已用于处理大规 模的过程控制问题。
Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved. Date: File: 10.07.2015 FDD.11
AC & FD Lecture
先进控制的发展现状－续
模糊系统：模糊控制理论基础，表达不确定性知识 ； 非线性控制：开发中，应用不多； 鲁棒控制：研究热点，理论性太强，实际应用需做 大量的改进和简化；使先进控制具备鲁棒性是重要 的发展方向。 其他先进控制还包括：内模控制，自适应控制，增 益调整，解耦控制，时滞补偿等；
Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved.
Date: File:
10.07.2015 FDD.12
AC & FD Lecture
过程监控与统计过程控制 （PM & SPC）的内容
过程监测（PM, Process Monitoring） 统计过程控制（SPC, Statistical Process Control ） 过程故障检测与诊断（FDD, Fault Detection and Diagnosis） 过失误差检测和数据校正（Gross Error Detection & Data Rectification） 控制系统性能的实时监测与评估（Real-Time Monitoring Control & System Evaluation）
Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved.
Date: File:
10.07.2015 FDD.7
AC & FD Lecture
先进控制的提出的背景
美国的化学工业每年的产值四千亿美元，提供一百多万个就业岗 位，2000年出口总值达725亿美元，占美国出口的10%。 要保持化工工业在全球的销售实力，就要保持更低的价格和更可 靠的服务，必须不断将先进的信息技术和过程控制技术融合到生 产过程中。 生产过程中使用反馈控制能提高产品的质量、降低材料和能源的 消耗、减少对环境的影响、提高安全性、降低成本，从而，在全 球经济中更具竞争力。
研究背景
航空
电网
高铁
现代化复杂工 程系统规模越 来越大
航天
冶金
航海 2015-7-10
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved.
石化
Date: File: 10.07.2015 FDD.3
核电
3
AC & FD Lecture
Advanced Control and Fault Diagnosis
企业信息化系统结构
决策层 经营决策系统
产品策略
管理层
调度层
管理信息系统
生产计划
关系数据库
生产调度系统
调度指令
监控层 控制层
过程监控系统
系统优化
实时数据库
过程控制系统
控制信息
生产过程
Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved. Date: File: 10.07.2015 FDD.4
AC & FD Lecture
团队介绍
彭开香，教授/博士生导师。研究方向：复杂工业系统
优化控制与故障诊断
杨卫东，教授/博士生导师。研究方向：轧钢过程先进
控制
杨旭，副教授。研究方向：故障诊断与容错控制 高海，副教授。研究方向：高性能控制系统集成开发 王玲，副教授。研究方向：大数据及其工业应用 董冀媛，讲师。研究方向：机器学习与故障诊断
采样延迟大 采样周期长 数量有限
产量、浓度 、粒度、pH 值
传感器
输入
多回路： 生产过程 反馈控制
输出
产 品
Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved.
Date: File:
10.07.2015 FDD.16
工业过程先进控制与 故障诊断技术
彭开香 北京科技大学自动化学院
Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved.
Date: File:
10.07.2015 FDD.1
AC & FD Lecture
◆概
AC & FD Lecture
以企业盈利优化为目标的过程 综合自动化的内容
ERP（企业资源计划）&SCM (供应鏈)
MES（制造执行系统）－－通过对生产系统的跟踪 和监督，以有效实现生产计划和调度的优化 Monitoring & SPC（Statistical Process Control ）(过程监控与统计过程分析)
AC & FD Lecture
各层次经济效益分析
（美国DMC公司提供）
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
投 资
CLRTO
TAC
DMC 10:35
10:40
10:10
70:15 DCS
0 10 20 30
效益
40 50 60 70 80 90 100
CLRTO: Closed-Loop Real-time Optimization闭环实时优化 DMC: Dynamic Matrix Control动态矩阵控制 TAC: Traditional Advanced Control传统先进控制 DCS: Distributed Control System 集散控制系统
AC & FD Lecture
质量相关的故障检测与诊断
Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved.
Date: File:
10.07.2015 FDD.17
AC & FD Lecture
优化控制安全运行一体化 系统的集成环境
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Date: File:
10.07.2015 FDD.10
AC & FD Lecture
先进控制的发展现状
基于模型控制的理论体系已基本形成，出现 了许多基于模型预测的多变量约束模型控制 ，如AspenTech 的DMCplus、 MCC等工程化 软件包，是应用广泛和最有前途的先进控制 策略 专家控制系统：过程故障诊断，监督控制， 检测仪表和控制回路有效性 神经网络：非线性过程的建模，软测量，控 制系统的设计
ERP 信 息 集 成 MES 系统监控 PCS
知 识 管 理
数据平台 集成软件平台 计算机网络平台 传感器网络平台
Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved. Date: File: 10.07.2015 FDD.18
Advanced Control and Fault Diagnosis
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Date: File:
10.07.2015 FDD.8
Βιβλιοθήκη Baidu
AC & FD Lecture
先进过程控制的发展历史
20世纪60年代后期，过程控制已被广泛应用 于石化和材料的加工过程，主要是单回路局 部反馈控制形式，各控制器之间几乎没有联 系。 在80年代和90年代，多变量控制特别是基于 模型预测控制的多变量优化控制得到迅速的 发展。
能造成整个系统的失效、瘫痪，甚至导致巨大的灾难性后果
如何提高系统的安全性、可靠性，防止和杜绝影响系统正常 运行的故障的发生和发展就成为一个重要的有待解决的问题
提高系统安全性、可靠性的方法有多种，其中一个重要的方
法就是采用故障检测与诊断技术
Advanced Control and Fault Diagnosis
多工况动态间歇过程建模及故障诊断方法研究”。 2013年北京市自然科学基金项目（4142035）：“数据驱动的 多工况非高斯复杂间歇过程的故障诊断”。 2014年通号国际控股公司委托课题（2014-106）“铁路信号安 全控制系统开发”。 2013年中冶赛迪委托课题（2013-605）“热轧质量包与模型开 发”。 英国皇家工程学院牛顿合作研究项目：Probabilistic StateConstrained Optimal Control for Key Performance Indicators in Large-Scale Industrial Plants and its Application to Hot Strip Mill Process，2015.1～2015.12， 中方负责人，项目批准号：R33265。
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved.
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10.07.2015 FDD.15
AC & FD Lecture
质量相关的故障定义
工业生产过程： 钢铁、化工、磨矿、污水处理等
实时采样 采样频率高 数量众多 相关性大
温度、 流量、 液位等 传感器
ROP（Real-Time Optimization实时优化）
APC & R2R（Advanced Process Control & Run to Run Control 先进控制与运行控制）
Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved. Date: File: 10.07.2015 FDD.5
基于模型预测控制的多变量优化控制，在具有控制约 束和状态约束的工业过程中，已成为一种标准的控制 技术。 在2000年据控制厂商报道，模型预测控制已有5000多 例，包括炼油、石化、纸浆和造纸、空气分离、食品 加工、炼钢、航空和汽车。
Advanced Control and Fault Diagnosis
Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved. Date: File: 10.07.2015 FDD.6
AC & FD Lecture
先进控制的提出与特点
大型复杂工业过程的特点：
规模庞大，结构复杂，不确定性，非线性，强耦合性 实现安全、平稳、高效生产的需要； 提高企业经济效益和增强竞争力的重要对策； 先进控制与在线优化在工厂综合优化控制中起着承上 启下的重要作用
Advanced Control and Fault Diagnosis
Peng Kaixiang 2015. All rights reserved. Date: File: 10.07.2015 FDD.13
AC & FD Lecture
工业系统的过程监控方法
基于定性模型 的方法 工业过程 故障诊断 方法 基于机理模型 的方法 基于系统辨识 的方法 多元统计过程 监控方法 基于人工智能 的方法 基于信号处理 的方法
研究工业背景 工业过程先进技术 过程监控与故障诊断 团队介绍
要◆
Advanced Control and Fault Diagnosis
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10.07.2015 FDD.2
AC & FD Lecture
数据驱动的 方法
Advanced Control and Fault Diagnosis
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Date: File:
14
10.07.2015 FDD.14
AC & FD Lecture
工业过程故障诊断 的必要性
系统庞大的规模与高度的复杂程度 系统中出现的某些微小故障若不能及时检测并排除，就有可
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AC & FD Lecture
梯队在研项目
2014年国家自然科学基金项目（61473033）：“质量相关的
Advanced Control and Fault Diagnosis
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先进过程控制的发展历史－续
基于模型预测控制近几年已用于处理大规 模的过程控制问题。
Advanced Control and Fault Diagnosis
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先进控制的发展现状－续
模糊系统：模糊控制理论基础，表达不确定性知识 ； 非线性控制：开发中，应用不多； 鲁棒控制：研究热点，理论性太强，实际应用需做 大量的改进和简化；使先进控制具备鲁棒性是重要 的发展方向。 其他先进控制还包括：内模控制，自适应控制，增 益调整，解耦控制，时滞补偿等；
Advanced Control and Fault Diagnosis
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过程监控与统计过程控制 （PM & SPC）的内容
过程监测（PM, Process Monitoring） 统计过程控制（SPC, Statistical Process Control ） 过程故障检测与诊断（FDD, Fault Detection and Diagnosis） 过失误差检测和数据校正（Gross Error Detection & Data Rectification） 控制系统性能的实时监测与评估（Real-Time Monitoring Control & System Evaluation）
Advanced Control and Fault Diagnosis
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先进控制的提出的背景
美国的化学工业每年的产值四千亿美元，提供一百多万个就业岗 位，2000年出口总值达725亿美元，占美国出口的10%。 要保持化工工业在全球的销售实力，就要保持更低的价格和更可 靠的服务，必须不断将先进的信息技术和过程控制技术融合到生 产过程中。 生产过程中使用反馈控制能提高产品的质量、降低材料和能源的 消耗、减少对环境的影响、提高安全性、降低成本，从而，在全 球经济中更具竞争力。
研究背景
航空
电网
高铁
现代化复杂工 程系统规模越 来越大
航天
冶金
航海 2015-7-10
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石化
Date: File: 10.07.2015 FDD.3
核电
3
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Advanced Control and Fault Diagnosis
企业信息化系统结构
决策层 经营决策系统
产品策略
管理层
调度层
管理信息系统
生产计划
关系数据库
生产调度系统
调度指令
监控层 控制层
过程监控系统
系统优化
实时数据库
过程控制系统
控制信息
生产过程
Advanced Control and Fault Diagnosis
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团队介绍
彭开香，教授/博士生导师。研究方向：复杂工业系统
优化控制与故障诊断
杨卫东，教授/博士生导师。研究方向：轧钢过程先进
控制
杨旭，副教授。研究方向：故障诊断与容错控制 高海，副教授。研究方向：高性能控制系统集成开发 王玲，副教授。研究方向：大数据及其工业应用 董冀媛，讲师。研究方向：机器学习与故障诊断
采样延迟大 采样周期长 数量有限
产量、浓度 、粒度、pH 值
传感器
输入
多回路： 生产过程 反馈控制
输出
产 品
Advanced Control and Fault Diagnosis
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工业过程先进控制与 故障诊断技术
彭开香 北京科技大学自动化学院
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◆概
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以企业盈利优化为目标的过程 综合自动化的内容
ERP（企业资源计划）&SCM (供应鏈)
MES（制造执行系统）－－通过对生产系统的跟踪 和监督，以有效实现生产计划和调度的优化 Monitoring & SPC（Statistical Process Control ）(过程监控与统计过程分析)
AC & FD Lecture
各层次经济效益分析
（美国DMC公司提供）
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
投 资
CLRTO
TAC
DMC 10:35
10:40
10:10
70:15 DCS
0 10 20 30
效益
40 50 60 70 80 90 100
CLRTO: Closed-Loop Real-time Optimization闭环实时优化 DMC: Dynamic Matrix Control动态矩阵控制 TAC: Traditional Advanced Control传统先进控制 DCS: Distributed Control System 集散控制系统
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质量相关的故障检测与诊断
Advanced Control and Fault Diagnosis
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优化控制安全运行一体化 系统的集成环境
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先进控制的发展现状
基于模型控制的理论体系已基本形成，出现 了许多基于模型预测的多变量约束模型控制 ，如AspenTech 的DMCplus、 MCC等工程化 软件包，是应用广泛和最有前途的先进控制 策略 专家控制系统：过程故障诊断，监督控制， 检测仪表和控制回路有效性 神经网络：非线性过程的建模，软测量，控 制系统的设计
ERP 信 息 集 成 MES 系统监控 PCS
知 识 管 理
数据平台 集成软件平台 计算机网络平台 传感器网络平台
Advanced Control and Fault Diagnosis
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先进过程控制的发展历史
20世纪60年代后期，过程控制已被广泛应用 于石化和材料的加工过程，主要是单回路局 部反馈控制形式，各控制器之间几乎没有联 系。 在80年代和90年代，多变量控制特别是基于 模型预测控制的多变量优化控制得到迅速的 发展。
能造成整个系统的失效、瘫痪，甚至导致巨大的灾难性后果
如何提高系统的安全性、可靠性，防止和杜绝影响系统正常 运行的故障的发生和发展就成为一个重要的有待解决的问题
提高系统安全性、可靠性的方法有多种，其中一个重要的方
法就是采用故障检测与诊断技术
Advanced Control and Fault Diagnosis
多工况动态间歇过程建模及故障诊断方法研究”。 2013年北京市自然科学基金项目（4142035）：“数据驱动的 多工况非高斯复杂间歇过程的故障诊断”。 2014年通号国际控股公司委托课题（2014-106）“铁路信号安 全控制系统开发”。 2013年中冶赛迪委托课题（2013-605）“热轧质量包与模型开 发”。 英国皇家工程学院牛顿合作研究项目：Probabilistic StateConstrained Optimal Control for Key Performance Indicators in Large-Scale Industrial Plants and its Application to Hot Strip Mill Process，2015.1～2015.12， 中方负责人，项目批准号：R33265。
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AC & FD Lecture
质量相关的故障定义
工业生产过程： 钢铁、化工、磨矿、污水处理等
实时采样 采样频率高 数量众多 相关性大
温度、 流量、 液位等 传感器
ROP（Real-Time Optimization实时优化）
APC & R2R（Advanced Process Control & Run to Run Control 先进控制与运行控制）
Advanced Control and Fault Diagnosis
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基于模型预测控制的多变量优化控制，在具有控制约 束和状态约束的工业过程中，已成为一种标准的控制 技术。 在2000年据控制厂商报道，模型预测控制已有5000多 例，包括炼油、石化、纸浆和造纸、空气分离、食品 加工、炼钢、航空和汽车。
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Advanced Control and Fault Diagnosis
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先进控制的提出与特点
大型复杂工业过程的特点：
规模庞大，结构复杂，不确定性，非线性，强耦合性 实现安全、平稳、高效生产的需要； 提高企业经济效益和增强竞争力的重要对策； 先进控制与在线优化在工厂综合优化控制中起着承上 启下的重要作用
Advanced Control and Fault Diagnosis
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工业系统的过程监控方法
基于定性模型 的方法 工业过程 故障诊断 方法 基于机理模型 的方法 基于系统辨识 的方法 多元统计过程 监控方法 基于人工智能 的方法 基于信号处理 的方法
研究工业背景 工业过程先进技术 过程监控与故障诊断 团队介绍
要◆
Advanced Control and Fault Diagnosis
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AC & FD Lecture
数据驱动的 方法
Advanced Control and Fault Diagnosis
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14
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工业过程故障诊断 的必要性
系统庞大的规模与高度的复杂程度 系统中出现的某些微小故障若不能及时检测并排除，就有可