面向控制系统性能的复杂工业过程容错控制研究及其应用

The main purpose of process control design is to develop efficient and reliable industrial systems, despite complex processes, harsh operating environment, and frequently occurring faults that can lower plant performance and prematurely age the process equipment. Thus, the implementation of performance-based, fault-tolerant control system that can handle performance degradation resulting from process faults is an important component of a modern, smart plant..The 4 objectives of this project are: (1) the development of a fault-tolerant framework using the parametrized forms of observer and controller to address the issues involved with complex operation conditions, fault detection and threshold setting, and fault characterization; (2) the determination for the model of fault-tolerant control system under different operation conditions is proposed, using subspace identification techniques and process information, so that when a severe fault occurs, the observer and state feedback controller for the FTC system can be identified and reconfigured online using appropriate data-driven, machine-learning algorithm; (3) the optimization of the parametrization matrix, using data-driven recursive regression methods, due to changes in control performance caused by fluctuations in operating conditions; and (4) the application of the theoretical results to a real, industrial, hot-strip-mill process in order to fine tune and test them on an industrial process with the goal of eventually applying them to similar industrial systems. In short, this proposal seeks to develop a control-performance-relevant FTC architecture for complex industrial processes.

工业设备的稳定、高效运行是其过程控制系统设计的首要任务，但复杂工业过程机理复杂、工况多变、故障频发，极易导致控制系统性能的下降和生产设备损耗的加剧。对此，本项目以带钢热连轧这一复杂工业生产过程为背景，探索面向控制系统性能的容错控制理论和技术，主要研究内容包括：(1)给出复杂工业过程容错控制系统框架及其观测器、控制器的参数化形式，揭示工况机理与故障特性，提出面向控制系统性能的故障检测动态阈值设计方法；(2)利用工业过程数据信息，基于子空间辨识技术完成不同工况下容错控制系统模型的离线设计，并在发生严重故障时，采用数据驱动方法进行容错控制系统的参数辨识与快速重构；(3)分析工况波动导致的控制系统性能下降，通过数据在线迭代实现容错控制系统动态补偿控制器的优化设计；(4)在带钢热连轧生产过程中进行理论算法的应用验证。本项目旨在为复杂工业过程控制系统性能相关的容错控制研究提供理论依据与技术支撑。

工业设备的稳定、高效运行是其过程控制系统设计的首要任务，但复杂工业过程机理复杂、工况多变、故障频发，极易导致控制系统性能的下降和生产设备损耗的加剧。对此，本项目以带钢热连轧这一复杂工业生产过程为背景，探索面向控制系统性能的容错控制理论和技术，提出了一套面向控制系统性能的复杂工业过程容错控制框架及其观测器、控制器的模块化设计方法，形成了适用于带钢热连轧动态过程故障诊断与容错控制的技术和原型软件。主要工作体现在如下四个方面：1）给出面向性能指标的复杂工业系统过程监测与故障诊断系统的设计方法，提出复杂工业过程关键性能指标的软测量模型设计方法，提出面向控制系统性能的故障检测动态阈值设计方法；2）利用工业过程数据信息，基于子空间辨识理论完成不同工况下容错控制系统模型的离线设计，采用数据驱动方法进行容错控制系统的参数辨识与快速重构；3）提出面向复杂工业过程的数据驱动控制系统的性能优化与参数设计方法；4) 在带钢热连轧、矿渣微粉生产等复杂工业过程中进行理论算法的实验验证，并搭建半实物仿真实验平台。项目执行期间，在Automatica、IEEE TCST、中国电机工程学报等国内外高水平学术期刊及IFAC SAFEPROCESS、中国自动化大会等国内外学术会议上发表论文24篇，其中SCI检索17篇，EI检索7篇；申请发明专利2项，授权发明专利1项，专利权技术转让1项，登记软件著作权3项；项目组成员在项目执行期间晋升正教授职称1人，出站博士后1名，博士生毕业3人，硕士生毕业6人。