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【热点专题】流程工业自动化

已有 528 次阅读 2019-6-19 18:14 |系统分类:博客资讯

作为制造业的重要组成部分,流程工业是我国国民经济和社会发展的重要支柱产业。流程工业自动化以智能化和绿色化为目标,研究流程工业的运行信息检测、生产过程建模和优化控制、企业经营决策支持等新方法、新技术,并实现集成应用。流程工业自动化涉及控制科学、计算机技术、运筹学、生产工艺等多个交叉学科,蕴含着丰富的科学和工程问题。近年来,在石油化工、钢铁、冶金等多个典型应用领域,流程工业自动化水平不断提升,生产过程检测、建模、控制、优化、决策支持等相关理论和技术取得突破进展。


本专题推荐自动化学报和IEEE/CAA JAS近年发表的相关文章。





01综述


复杂工业过程智能优化决策系统的现状与展望

流程工业是制造业的重要组成部分,是我国国民经济和社会发展的重要支柱产业.新一代信息技术和人工智能技术为流程工业的发展带来新的挑战和机遇.只有与流程工业的特点与目标密切结合,充分利用大数据,将人工智能、移动互联网、云计算、建模、控制与优化等信息技术与工业生产过程的物理资源紧密融合与协同,实现流程工业智能优化制造,才可能实现流程工业的跨越式发展.本文聚焦流程工业的复杂生产过程,从其智能优化决策系统的角度,描述了复杂工业过程优化决策系统的问题、回顾总结了复杂工业过程全流程优化决策系统的现状,分析了智能优化决策系统的必要性,提出了智能优化决策系统的发展目标及愿景,并对智能优化决策系统的下一步重点研究方向进行了展望.

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复杂工业过程智能优化决策系统的结构示意图

丁进良, 杨翠娥, 陈远东, 柴天佑. 复杂工业过程智能优化决策系统的现状与展望. 自动化学报, 2018, 44(11): 1931-1943.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2018-11-1931.htm



铝电解生产智能优化制造研究综述

铝电解行业具有战略基础地位,面临着诸多挑战性难题,包括原料来源复杂使得工况难以稳定优化运行、多目标协同优化难度大、控制决策智能化水平和数据利用率低以及铝电解企业在内外环境的不确定性影响下难以实时做出正确决策等.为了解决上述问题,本文提出构建一种集铝电解智能分布式感知系统、系列槽智能协同优化控制系统、大型槽智能优化控制系统、智能安全运行监控系统和虚拟制造系统于一体的铝电解智能优化制造系统的方法.同时提出了铝电解制造系统的未来发展目标和愿景功能,并给出了相关研究方向.最后给出了技术发展规划,提出中短期规划和中长期规划"两步走"战略,并对铝电解生产智能优化制造系统发展前景作出展望.

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铝电解智能优化制造系统

桂卫华, 岳伟超, 谢永芳, 张红亮, 阳春华. 铝电解生产智能优化制造研究综述. 自动化学报, 2018, 44(11): 1957-1970.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2018-11-1957.htm



石油和化工行业智能优化制造若干问题及挑战

石油和化工行业是国家的基础性产业,目前面临转型升级的重大需求.本文首先回顾了石油和化工行业在生产全流程的信息检测、建模、优化控制,企业经营管理决策以及故障监测和安全环保等几个方面的进展.剖析了当前石油和化工行业存在的主要问题,提出了利用现代信息技术从生产、管理以及营销全流程优化出发,推进实现石化行业智能优化制造的智能化、绿色化、安全化的愿景目标,讨论了石油和化工行业智能优化制造所面临的新挑战.

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钱锋, 杜文莉, 钟伟民, 唐漾. 石油和化工行业智能优化制造若干问题及挑战. 自动化学报, 2017, 43(6): 893-901.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2017-6-893.htm



批次过程控制—回顾与展望

批次过程是一类重要的化工过程.因其本身的灵活性及高效性,被广泛应用于半导体制造、塑料加工、生物制药等领域.针对批次过程控制算法的研究也得到了大批学者的关注.在近三十年中,批次过程控制理论得到了长足的发展.但由于过程本身复杂的动态特性,以及对控制精度要求的提高,现有的理论和方法仍面临着挑战.本文从批次过程的特性出发,分析了算法设计的难点,对几种重要的控制算法进行总结分析,同时讨论了未来可能的发展方向.

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批次过程多重时变特性示意图

卢静宜, 曹志兴, 高福荣. 批次过程控制——回顾与展望. 自动化学报, 2017, 43(6): 933-943.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2017-6-933.htm


02论文


Modeling, Optimization, and Control of Solution Purification Process in Zinc Hydrometallurgy

本文提出湿法炼锌净化过程的建模、优化与控制相关方法,并通过工业试验证明了所提方法的有效性。

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Zinc hydrometallurgy process

Bei Sun, Chunhua Yang, Hongqiu Zhu, Yonggang Li and Weihua Gui, "Modeling, Optimization, and Control of Solution Purification Process in Zinc Hydrometallurgy," IEEE/CAA J. of Autom. Sinica, vol. 5, no. 2, pp. 564-576, Mar. 2018

http://www.ieee-jas.org/en/article/doi/10.1109/JAS.2017.7510844



混合选别浓密过程双速率智能切换控制

赤铁矿混合选别浓密过程是以底流矿浆泵频率为输入,以底流矿浆流量为内环输出,以底流矿浆浓度为外环输出的强非线性串级工业过程.由于受到频繁的浮选过程产生的中矿矿浆和污水的随机干扰,底流矿浆浓度外环和流量内环始终处于动态变化之中,控制器积分作用失效,内外环相互影响,使被控系统的动态性能变坏,底流矿浆浓度与流量超出工艺规定的控制目标的范围,甚至产生谐振.本文针对上述问题利用提升技术建立基于内环流量闭环动态模型的浓度外环动态模型,将基于未建模动态补偿驱动的一步最优PI控制和基于模糊推理与规则推理的切换控制相结合,提出了由浓度外环控制和流量内环控制组成的混合选别浓密过程的双速率智能切换控制算法,建立了由机理主模型和神经网络补偿模型组成的混合选别浓密过程动态模型.所提算法通过混合选别浓密过程的半实物仿真实验结果表明本文所提控制方法的有效性.

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混合选别浓密过程

王琳岩, 李健, 贾瑶, 柴天佑. 混合选别浓密过程双速率智能切换控制. 自动化学报, 2018, 44(2): 330-343.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2018-2-330.htm



集成自编码与PCA的高炉多元铁水质量随机权神经网络建模

针对随机权神经网络建模存在的过拟合和泛化能力差的问题,集成自编码和主成分分析技术,提出一种新型的改进RVFLNs算法,即AE-P-RVFLNs算法,用于建立高炉多元铁水质量在线估计的NARX模型.首先,为了尽可能挖掘实际复杂工业数据中的有用信息和充分揭示输入数据之间的内在关系,采用Autoencoder前馈随机网络技术训练建模输入数据,并将训练得到的输出权值作为后续RVFLNs的输入权值;然后,引入PCA技术对RVFLNs的高维隐层输出矩阵进行降维,避免隐层输出矩阵多重共线性问题,从而解决由于隐层节点过多导致模型过拟合的问题;最后,基于所提AE-P-RVFLNs算法建立某大型高炉多元铁水质量在线估计的NARX模型.工业实验和比较分析表明:采用本文算法建立的多元铁水质量在线估计模型可有效提高运算效率和估计精度,尤其是避免常规RVFLNs建模存在的过拟合问题.

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AE-P-RVFLNs结构

周平, 张丽, 李温鹏, 戴鹏, 柴天佑. 集成自编码与PCA的高炉多元铁水质量随机权神经网络建模. 自动化学报, 2018, 44(10): 1799-1811.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2018-10-1799.htm



电熔镁砂熔炼过程带输出补偿的PID控制

电熔镁砂熔炼过程是以三相电机转动方向与频率为输入,以三相电极电流为输出的强非线性工业过程,其模型参数埋弧电阻率、熔池电阻率和熔池高度随熔炼过程和原矿颗粒长度及杂质成分的变化而变化.本文采用线性模型和未知高阶非线性项来描述电熔镁砂熔炼过程,其中未知高阶非线性项用已知的前一时刻高阶非线性项和其变化率来描述,采用线性模型设计PID控制器,并设计消除前一时刻高阶非线性项的补偿器和消除其变化率的补偿器,提出了带输出补偿的PID控制器,同时采用一步最优前馈控制律和一步最优调节律设计控制器参数.通过仿真实验和电熔镁炉的工业应用,表明当该过程的动态特性发生未知随机变化时,本文所提方法在所有运行时间内可以将电流跟踪误差控制在目标值范围内.

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电熔镁砂熔炼过程

王维洲, 吴志伟, 柴天佑. 电熔镁砂熔炼过程带输出补偿的PID控制. 自动化学报, 2018, 44(7): 1282-1292.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2018-7-1282.htm



数据与模型驱动的电熔镁群炉需量预报方法

电熔镁群炉需量指当前时刻k和(k-1),…,(k-n+1)时刻群炉功率的平均值,用于度量高耗能电熔镁群炉用电量.(k+1)时刻群炉需量取决于功率变化率.本文建立了功率变化率与电流控制系统输出电流之间由线性项与未知非线性项组成的动态模型,其中线性项通过电流被控对象的参数和控制器的参数计算,未知非线性项采用基于偏自相关函数(Partial autocorrelation function,PACF)输入变量决策的径向基函数神经网络(Radial basis function neural network,RBFNN)来估计.本文提出了由当前k时刻的需量和功率,(k-n+1)时刻功率及k时刻功率变化率的估计组成的(k+1)时刻需量的计算模型.通过某电熔镁砂厂实际数据的仿真实验和工业实验表明所提方法可准确预报需量变化趋势,可以防止因原料变化引起需量尖峰导致错误切断电熔镁炉供电造成电熔镁砂质量降低.

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电熔镁群炉需量监控原理图

杨杰, 柴天佑, 张亚军, 吴志伟. 数据与模型驱动的电熔镁群炉需量预报方法. 自动化学报, 2018, 44(8): 1460-1474.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2018-8-1460.htm



虚拟未建模动态补偿驱动的双率自适应控制

工业换热过程是蒸汽与循环水在换热器中进行热交换,使供水温度达到工艺规定的目标范围内的复杂工业过程.由于存在蒸汽压力、回水流量波动以及换热器内管壁结垢的扰动,导致被控对象模型参数发生未知随机的大范围变化,使控制器积分作用失效,造成内环蒸汽流量和外环供水温度波动,相互影响,甚至谐振.针对上述问题,利用工业换热过程运行在工作点附近的特点,用确定性低阶线性模型和虚拟未建模动态来描述被控过程.将自适应信号法与双率控制技术相结合,提出了以蒸汽流量为内环输出、以供水温度为外环输出的双率自适应控制器,并给出了该控制器的稳定性和收敛性分析.本文将工业换热过程机理模型作为被控对象,进行了半实物仿真.结果表明,对于工业换热过程,在模型参数大范围变化时,本文提出的控制方法可以将供水温度控制在工艺要求的目标范围内.

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工业换热过程工艺流程图

杨天皓, 李健, 贾瑶, 刘腾飞, 柴天佑. 虚拟未建模动态补偿驱动的双率自适应控制. 自动化学报, 2018, 44(2): 299-310.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2018-2-299.htm



基于能量流网络仿真的钢铁工业多能源介质优化调配

钢铁工业发展面临能源的严重制约,能源优化调配是钢铁企业系统节能的关键技术之一.从钢铁制造流程物质流能量流耦合特点出发,首先,探讨了基于能量流网络仿真的钢铁工业多能源介质综合优化调配策略;然后,探讨了能量流网络化建模、生产流程与能源系统结合的能源仿真、多能源介质综合优化调配技术;最后,给出了在钢铁企业示范应用的效果.

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能量流网络模型的信息流与控制

孙彦广, 梁青艳, 李文兵, 贾天云. 基于能量流网络仿真的钢铁工业多能源介质优化调配. 自动化学报, 2017, 43(6): 1065-1079.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2017-6-1065.htm



连铸-轧制混流生产模式下轧批调度问题的分支-定价算法

研究了连铸——轧制在热装、温装和冷装混流生产模式下的一类新型轧批调度问题.以最小化温装钢坯(热钢锭)缓冷(等待)导致的热能损失和连轧机架切换带来的产能损失为目标,建立了整数规划模型.由于商业优化软件难以在有限时间内直接求得模型的最优解甚至可行解,提出利用Dantzig-Wolfe分解技术将原模型分解为主问题和子问题,采用列生成算法对主问题和子问题进行迭代求解得到原问题的紧下界,最后以列生成算法作为定界机制嵌入分支——定界框架中形成分支——定价算法,执行分支搜索过程以获得整数最优解.本文还从影响分支——定价算法性能的要素出发提出改进策略.针对主问题,提出列生成和拉格朗日松弛混合求解策略来抑制单一列生成算法的尾效应.针对价格子问题,在动态规划算法中提出了基于占优规则和标号下界计算方法来及早消除无效状态空间,加速求解过程.以钢铁企业的实际生产数据和扩展的随机算例进行了数值实验,结果显示所提出改进策略能够突破求解能力的限制,使分支——定价算法在可接受计算时间内求得工业规模问题的最优解.

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初轧生产工艺流程图

汪恭书, 刘静宜, 唐立新. 连铸-轧制混流生产模式下轧批调度问题的分支-定价算法. 自动化学报, 2017, 43(7): 1178-1189.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2017-7-1178.htm



多变量逆解耦自抗扰控制及其在精馏塔过程中的应用

化工生产是一类典型的多变量过程对象,该类对象具有时变性、耦合性、时滞性等特点,传统的单变量控制方法很难在此类系统中取得良好的控制效果.针对时变性,本文在假设对象模型未知的前提下,利用阶跃响应数据,研究了基于最小二乘的一阶、二阶时滞系统辨识方法.针对多变量系统存在耦合性的特点,采用逆解耦方法实现对象的解耦.再对解耦后的时滞子系统设计了自抗扰控制器.仿真实验中,以精馏塔的Wood-Berry模型和Ogunnaike-Ray模型为例,验证了算法的有效性.

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TITO系统逆解耦器结构图

程赟, 陈增强, 孙明玮, 孙青林. 多变量逆解耦自抗扰控制及其在精馏塔过程中的应用. 自动化学报, 2017, 43(6): 1080-1088.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2017-6-1080.htm



基于分数阶的多向微分算子的高炉料面轮廓自适应检测

高炉料面图像含有丰富的高炉炉况信息,高炉料面轮廓能直接反映料面的凹凸起伏、煤气流分布以及炉况等信息,但高炉料面图像具有对比度低、细节不明显和有强亮斑等特点,使得高炉料面轮廓检测十分困难.本文提出一种新型的高炉料面轮廓检测方法:1)对高炉料面图像进行预处理,增强图像动态范围和图像边缘信息;2)采用分数阶的多向微分算子提取一组料面轮廓可行域;3)用自适应方法确定最佳分数阶阶次,获得可行域中最优的料面轮廓曲线;4)用改进的Canny算子对其进行修正和补偿,得到连续准确的料面轮廓曲线.理论研究和实验结果表明,该方法可准确获取平滑的高炉料面轮廓,对高炉操作人员及时有效调控布料具有很好的参考价值.

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高炉料面轮廓检测过程

蒋朝辉, 吴巧群, 桂卫华, 阳春华, 谢永芳. 基于分数阶的多向微分算子的高炉料面轮廓自适应检测. 自动化学报, 2017, 43(12): 2115-2126.

http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2017-12-2115.htm






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