多层结构过程控制系统性能实时监控、评估与优化

流程工业在我国国民经济中占有举足轻重的地位，我国流程工业普遍存在能耗大、成本高、资源利用率低等问题，多层结构过程控制与优化是流程工业节能降耗的重要手段，但由于流程工业对象特性复杂、控制系统规模庞大、缺乏维护等原因，控制系统难免出现性能下降，成为制约流程工业生产过程持续实现节能降耗目标的原因。本项目以大型流程生产过程为背景，研究面向多层结构过程控制系统性能实时监控、评估与优化理论与技术。主要研究内容包括：(1)基础回路控制系统性能实时监控、评估与诊断理论及技术；(2)耦合多回路控制性能实时监控、评估与优化理论及技术；(3)模型预测控制系统性能实时监控及其优化层经济性能评估与优化；(4)全流程预测控制系统协调与优化理论；(5)基于过程先验知识、专家系统的控制系统性能综合分析与优化；(6)研究成果在石化等大型生产过程如聚乙烯中的应用与试点。

多层结构过程控制与优化是流程工业节能降耗的重要手段，控制系统性能评估是过程控制领域国际上的前沿研究热点。本项目通过研究，取得以下主要成果：(1) 提出了流程工业单回路层-多回路层-MPC层-MPC协调层的多层结构控制系统性能评估体系。在单回路层评估提出了基于迭代凸优化的结构受限控制器性能评估理论，解决了基础回路固有波动控制评估非凸计算难题；在多回路层提出新型子空间-约束LQG评估基准，揭示了多回路间性能约束规律；在MPC层提出机会退避机制，实现固有波动在稳态优化与动态控制层的再分配与再抑制，解决控制性能诊断到控制参数重诊定的“落地”问题；在MPC协调层提出了基于分布式活动集与双模优化的多MPC协调算法，解决协调评估计算代价高、迭代博弈次优的难题。(2) 提出了流程工业控制系统性能诊断的系列理论与方法。提出本质时间分解和符号化转移熵的过程信号因果分析方法，定量给出回路波动的内/外成因的区分原理，解决回路波动随机特征下的波动成因准确区分问题；提出数据驱动XCH模型描述执行机构粘滞特性，结构简单，实现了回路内生波动的机理分析与准确定位；提出高效自适应KPCA算法与自适应潜结构模型，实现控制性能波动的关联快速分析，传播途径的实时跟踪。(3) 多层结构控制系统性能评估体系纳入先进控制与优化第一项国际标准。先进控制与优化技术(APC-O)是实现流程工业信息化与工业化深度融合的关键技术，目前国内外相关产品众多，差异大，迫切需要统一的标准进行规范。浙江大学于2012年获得APC-O第一项国际标准(ISO 15746)的制定权，为我国开发下一代自主知识产权的先进控制与优化系统产品奠定了坚实的基础。共发表英文专著2本，在IEEE Transactions等国际期刊和本领域重要的国际会议上发表论文83篇，SCI收录47篇。培养研究生37名，授权国家发明专利8项。