东北大学柴天佑院士主持的973项目申报书_复杂生产制造过程一体化控制系统理论和技术基础研究.doc

PAGE PAGE 1 word文档整理分享 参考资料 项目名称： 复杂生产制造过程一体化控制系统理论和技术基础研究 首席科学家： 柴天佑 东北大学 起止年限： 2009.1至2013.8 依托部门： 教育部 一、研究内容 本项目从提高我国制造业综合自动化水平、实现企业全局优化、提高企业竞争力的重大需求出发，针对复杂生产制造过程全流程控制与优化中提出的工业界亟待解决的，对控制理论与控制系统设计方法中具有挑战性的如下三个关键科学问题： 复杂生产制造全流程运行控制 复杂生产制造全流程基于数据和知识的实时智能优化 基于过程模型的生产全流程在线实时动态优化 和关于一体化控制系统安全性、协同性、易用性的若干技术基础问题开展研究。 1、三个关键科学问题和一个关键技术基础问题覆盖了复杂生产制造全流程控制与优化中面临的主要问题与难点 目前，复杂生产制造全流程的控制与运行管理流程如图1所示，生产计划部门和调度部门采用人工方式将企业的综合生产指标（反映企业最终产品的质量、产量、成本、消耗等相关的生产指标）从空间和时间两个尺度上转化为生产制造全流程的运行指标（反映整条生产线的中间产品在运行周期内的质量、效率、能耗、物耗等相关的生产指标）；工艺部门的工程师将生产制造全流程的运行指标转化为过程运行控制指标（反映产品在生产设备（或过程）加工过程中的质量、效率与消耗等相关变量）；作业班的运行工程师将运行控制指标转化为过程控制系统的设定值。当市场需求和生产工况发生变化时，上述部门根据生产实绩数据，自动调整相应指标，通过控制系统跟踪调整后的设定值，实现对生产线全流程的控制与运行，从而将企业的综合生产指标控制在目标范围内。当市场需求和生产工况发生频繁变化时，以人工操作为主体的上述部门不能及时准确地调整相应的指标，导致产品质量下降、生产效率降低和能耗增加，从而无法实现企业综合生产指标的优化控制。 要实现对生产制造全流程的一体化控制必须解决下列关键问题： 采用何种控制结构和方案实现综合生产指标、生产制造全流程的运行指标、过程运行控制指标、过程控制系统自动协同，实现对整条生产线的控制； 如何实时确定实现企业综合生产指标优化的生产全流程的运行指标； 如何实现难以建立过程模型的生产制造全流程基于数据和知识的实时智能运行优化； 如何实现基于过程模型的生产全流程在线动态运行优化； 如何通过自适应调整控制回路设定值对过程运行指标进行闭环反馈控制； 如何设计一个具有安全性、协同性和易用性的一体化控制系统。 解决上述难题的关键就在于解决：复杂生产制造全流程运行控制、复杂生产制造全流程基于数据和知识的实时智能优化和基于过程模型的生产全流程在线实时动态优化等重大关键科学问题和关于一体化控制系统安全性、协同性、易用性的若干技术基础问题。 2、关键科学问题的内涵与本项目主要研究内容 （1）复杂生产制造全流程运行控制 复杂生产制造全流程是由多个生产设备（或过程）有机联接而成，其具有如下综合复杂性：多变量、变量类型混杂、变量之间强非线性强耦合，其特性随生产条件变化而变化、受到原料成分、运行工况、设备状态等多种不确定因素的干扰，难以用数学模型来描述等。其一体化控制系统涉及到生产计划调度部门将企业综合生产指标分解转化为生产制造全流程运行指标过程、工艺技术部门将生产制造全流程运行指标转化为过程运行控制指标、作业班将过程运行控制指标转化为过程控制系统设定值的多层次、多尺度的运行控制与管理过程。 要实现复杂生产制造全流程运行控制首先就要确定其控制性能指标——生产制造全流程的运行指标，运行指标由反映整条生产线的中间产品在运行周期内的质量、效率、能耗、物耗等相关的多项指标组成。运行指标和综合生产指标之间的关系具有非线性、强耦合、难以用数学模型描述、受市场环境和生产条件的变化而变化等特征。企业的综合生产指标是反映企业最终产品的生产指标，而生产制造全流程的运行指标是反映生产线的中间产品在运行周期内的生产指标。因此综合生产指标分解转化过程的优化涉及到多层次、多尺度的非线性动态优化难题。 生产制造全流程的一体化控制系统涉及到全流程的运行、生产设备（或过程）的运行控制、过程控制等不同层次，运行层又涉及到不同行业的生产工艺和设备运行知识。如何建立一个统一的控制结构来实现一体化控制是对传统的由反馈、前馈所构成的控制系统的挑战。 过程运行控制的目的是在保证安全运行的条件下，尽可能地提供反映产品质量与效率的运行控制指标，尽可能地降低反映产品在加工过程中消耗的运行控制指标。复杂工业过程（或设备）的运行控制指标往往难于在线测量，与底层控制回路的输出密切相关，它们之间的动态特性常常具有强非线性、强耦合、难以用精确模型描述、随工况运行条件变化而变化的综合复杂性，难以采用已有的模型预测