工业过程先进控制与故障诊断..

Advanced Control and Fault Diagnosis
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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。
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）
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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
能造成整个系统的失效、瘫痪，甚至导致巨大的灾难性后果
Leabharlann Baidu
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
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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；
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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）
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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。
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
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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
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
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质量相关的故障检测与诊断
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优化控制安全运行一体化 系统的集成环境
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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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
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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
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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
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 2018/7/29
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石化
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核电
3
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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
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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梯队在研项目
2014年国家自然科学基金项目（61473033）：“质量相关的
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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。
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
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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◆
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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)
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。
数据驱动的 方法
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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