生产全流程优化决策与控制一体化理论及应用
报送单位:东北大学 推荐单位:东北大学

支撑项目(平台):流程工业综合自动化国家重点实验室

参与单位:东北大学

所属学科:控制科学与工程

主要贡献者:柴天佑及其研究团队

成就简介:围绕流程工业的重大需求和挑战性的科学难题,提炼出生产全流程优化决策与控制一体化研究方向,历经十多年的研究,提出了生产全流程全局优化控制原创性理论与方法,成功应用于国内外流程工业典型过程,取得显著成效。

  生产全流程是一个包含物理化学反应的气液固多相共存的连续化复杂制造流程,实现其全局优化控制不仅是我国流程工业实现高效化与绿色化的重大需求,也是控制科学领域具有挑战性的科学难题。该项目从中提炼出生产全流程多目标动态优化决策与控制一体化研究方向,在国家两期973项目、国家自然科学基金创新群体和重点项目的资助下,项目组历经十多年的研究,提出了生产全流程全局优化控制的多个原创性理论与方法,成功应用于巴布亚新几内亚镍钴生产、越南氧化铝、酒钢选矿400万吨生产线、电熔镁炉等行业,取得显著成效。取得了创新性研究成果如下:
  一、建立了生产全流程多目标动态优化决策与控制一体化理论,为实现复杂工业生产全流程运行优化奠定了理论基础。
  工业生产全流程决策与控制一体化的运行优化仍是学术界尚未解决的难题。美国工程院院士、卡内基梅隆大学L. T. Biegler教授指出:“集成优化的地位越来越重要,但当前仍缺乏工业生产全流程的运行优化方法”。针对上述问题,提出了“工业过程一体化控制”概念,构建了生产全流程决策与控制一体化系统的架构,提出了优化与预测和前馈与反馈校正相结合的多冲突目标复杂动态系统优化的基础框架,解决了工业过程决策与控制过程集成优化的难题。提出了以实现全流程生产指标优化为目标的多层次多尺度多冲突目标的动态系统智能优化算法架构和算法,解决了非线性优化易陷入局部优化的难题。建立了具有综合复杂性的工业过程高性能智能控制系统设计方案,解决了控制系统快速跟踪指令随全局优化频繁变化的控制难题。
  二、研制了生产全流程一体化控制系统实验平台,提供了一体化控制方法的研发、验证与实验的与工业应用环境相一致的集成环境。自主研发了可视化组态的运行优化控制系统软件平台,为多目标动态智能运行优化控制方法的研究、验证与分析提供了易用的软件工具。该平台突破动态智能运行优化控制的双闭环优化结构和集成智能算法缺乏理论分析工具的局限,提供了新的研究工具。经科技成果鉴定一致认为:“所研制的平台属国际首创,在一体化控制技术与软件方面国际领先。”
  三、结合选矿生产全流程的特点,研发了选矿生产全流程一体化控制技术;结合重大耗能设备的特点,研发了智能运行反馈控制技术,在巴布亚新几内亚镍钴生产、越南氧化铝、酒钢选矿400万吨生产线、电熔镁炉、氧化铝等行业成功应用,取得显著经济社会效益。
  应邀在系列国际会议上作特邀报告10余次,在国际顶级期刊IEEE汇刊和IFAC会刊上发表论文50余篇。其中,1篇论文获2011-2013年度IFAC会刊 Control Engineering Practice最佳论文奖(国内单位和学者首次入选)。在《自动化学报》发表的1篇论文被评为中国科协优秀科技论文,2篇获《自动化学报》优秀论文奖。2篇论文分别获第十七届和第十九届IFAC世界大会(每三年一次)最佳应用论文提名奖(国内唯一)。美国工程院院士、加拿大工程院院士、IEEE Fellow、IFAC Fellow等几十位国际知名学者及其研究团队对研究成果给予高度评价。此外,在国内外著名期刊IEEECIM、IEEE TASE、IEEE TNN和自动化学报等组织5个相关领域专辑,扩大了国际影响,获得发明专利30余项,计算机软件著作权10余项。获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖3项,省部级特等奖、一等奖11项。
  该成果的研究方向被写入国际自动控制联合会(IFAC)引领未来自动化发展方向白皮书《Systems & Control for the Future of humanity》,作为未来国际自动化发展方向之一。

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