描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030451293
序一
序二
前言
第1章绪论
1.1研究背景及研究意义
1.2工业过程运行反馈控制的含义及特点
1.2.1过程控制指标与运行控制指标
1.2.2工业过程运行反馈控制的含义
1.2.3工业过程运行反馈控制的特点
1.3工业过程运行优化与控制的研究现状
1.3.1调节优化或自优化控制
1.3.2实时优化控制
1.3.3RTO与MPC集成优化与控制方法
1.3.4基于智能技术的工业过程运行控制方法
1.4磨矿过程运行反馈控制的必要性及研究现状
1.4.1磨矿过程的重要性及其运行控制研究的必要性
1.4.2基于模型的磨矿过程运行控制与优化方法及技术
1.4.3基于智能的磨矿过程运行控制与优化方法及技术
1.5存在的问题及本书主要工作
1.5.1存在的问题
1.5.2主要工作及内容概述
第2章冶金磨矿过程及其运行反馈控制问题描述
2.1冶金磨矿过程工艺描述
2.1.1磨矿过程简介
2.1.2磨矿过程关键工艺设备
2.2闭路磨矿回路流程以及两类典型闭路磨矿过程描述
2.2.1磨矿回路流程
2.2.2两类典型磨矿过程介绍
2.3磨矿过程运行指标及其影响因素分析
2.3.1磨矿过程运行指标
2.3.2影响磨矿过程运行性能的因素分析
2.4磨矿过程运行反馈控制的问题描述及其复杂性分析
2.4.1磨矿过程运行反馈控制的问题描述
2.4.2磨矿过程运行反馈控制难点及其复杂性分析
2.5人工监督的复杂赤铁矿磨矿运行控制过程描述
2.6本章小结
第3章基于改进2-DOF解析解耦与模型近似的磨矿过程运行反馈控制方法
3.1基于多点阶跃响应匹配的复杂高阶多时滞系统的低阶单时滞模型近似
3.1.1模型近似在基于模型的运行反馈控制设计中的重要性
3.1.2多点阶跃响应匹配模型近似问题描述
3.1.3模型近似参数搜索算法
3.1.4模型近似求解步骤
3.1.5仿真实验与结果
3.2基于改进2-DOF解析解耦与模型近似的工业过程运行反馈控制方法
3.2.1基于改进2-DOF解析解耦的工业过程运行反馈控制策略
3.2.2基于改进2-DOF解耦与模型近似的运行反馈控制
3.2.3稳定性分析
3.3基于改进2-DOF解耦的磨矿过程运行反馈控制设计及仿真比较
3.3.1棒磨开路？球磨-旋流器闭路磨矿及控制问题
3.3.2基于改进2-DOF的闭路磨矿运行反馈控制系统设计
3.3.3仿真实验与结果
3.4本章小结
第4章基于DOB与MPC的磨矿过程集成运行反馈控制方法
4.1基于DOB与MPC的集成运行反馈控制策略
4.2基于IDOB-MPC的集成运行反馈控制方法及在磨矿过程的仿真实验
4.2.1改进的单变量干扰观测器设计
4.2.2基于IDOB-MPC的集成反馈控制设计及性能分析
4.2.3基于IDOB-MPC的磨矿过程集成运行反馈控制设计及仿真实验
4.3基于MDOB-MPC的集成运行反馈控制方法及在磨矿过程的仿真实验
4.3.1基于MIMO系统近似逆的MDOB设计
4.3.2基于MDOB-MPC的集成运行反馈控制设计及性能分析
4.3.3基于MDOB-MPC的磨矿过程集成运行反馈控制设计及仿真比较
4.4本章小结
第5章数据驱动两段全闭路磨矿智能运行反馈控制及工业应用研究
5.1两段球磨全闭路复杂赤铁矿磨矿系统及其运行控制问题
5.1.1赤铁矿两段全闭路复杂磨矿过程简介
5.1.2两段全闭路磨矿过程的综合复杂动态特性分析
5.1.3两段全闭路磨矿过程运行控制问题及现状
5.2数据驱动的赤铁矿两段球磨全闭路复杂磨矿智能运行反馈控制策略
5.2.1智能运行反馈控制策略
5.2.2几点说明及一般性推广
5.3数据驱动的两段全闭路磨矿智能运行反馈控制实现算法
5.3.1PPS神经网络在线动态软测量
5.3.2控制系统预设定值的案例推理求解
5.3.3控制系统设定值多变量模糊动态调节
5.4工业实验及应用
5.4.1工业试验
5.4.2工业应用
5.4.3经济效益分析
5.5本章小结
第6章面向运行优化与安全的闭路磨矿智能运行反馈控制及工业应用
6.1球磨机-螺旋分级机闭路磨矿过程及其运行控制问题
6.1.1球磨机-螺旋分级机闭路磨矿过程简介
6.1.2球磨机-螺旋分级机闭路磨矿过程运行控制问题及其动态特性分析
6.1.3人工监督操作的球磨机-螺旋分级机闭路磨矿运行控制现状
6.2面向闭路磨矿过程运行优化与安全的智能运行反馈控制策略
6.2.1磨矿过程运行优化与安全的智能运行反馈控制策略
6.2.2几点说明及一般性推广
6.3面向闭路磨矿运行优化与安全的智能运行反馈控制实现算法
6.3.1过程控制系统设定值优化
6.3.2分级机溢流矿浆粒度智能在线预测
6.3.3正常工况下的控制系统设定值多变量动态反馈调节
6.3.4磨机过负荷智能监测与过负荷故障工况多变量反馈调节
6.4工业应用
6.5本章小结
第7章磨矿过程运行反馈控制半实物仿真实验系统的设计及实验
7.1磨矿过程运行反馈控制半实物仿真实验系统总体设计
7.1.1仿真实验系统的总体架构
7.1.2仿真实验系统的总体功能
7.1.3仿真实验系统软硬件结构设计
7.2磨矿过程运行反馈控制半实物仿真实验系统设计与开发
7.2.1磨矿过程虚拟层系统以及过程控制层系统的设计与开发
7.2.2运行反馈控制系统软件平台的设计
7.2.3运行反馈控制系统软件平台的开发
7.3磨矿过程运行反馈控制系统软件及半实物仿真实验研究
7.3.1系统搭建及主要界面
7.3.2半实物仿真实验研究
7.4本章小结
第8章结语与展望
8.1结束语
8.2研究展望
附录A基于模糊相似粗糙集的案例特征权值确定
参考文献
1.1 研究背景及研究意义
改革开放以来，我国30多年工业化的进程取得了举世瞩目的成就？目前，我国已成为全球制造业大国，其钢铁？水泥？煤炭？有色金属？石化？纺织和电子等主要生产制造产业均取得了跨越式发展[1]？以钢铁生产为例，我国的钢铁产量自1996年已连续17年排名世界**，并且领先优势越来越大，其总量已超过排名世界前几位的其他国家钢铁产量的总和？据中国社会科学院发布的《产业蓝皮书:中国产业竞争力报告（2010）》报道，2009年我国粗钢产量达56800万吨，居世界**位，是排在第二到第五位的日本？俄罗斯？美国和印度粗钢产量总和的2.2倍[2]？另据统计，2010年，我国国内生产总值（gross domestic product，GDP）为408903.0亿元，首次超过日本，成为世界第二大经济体？其中，以石化加工与制造？黑色与有色金属冶炼？装备制造业？电子及相关产业为主体的工业生产总值为162376.4亿元，占到GDP的39.71%？因此，我国工业企业的经济效益和市场竞争力在我国国民经济和社会发展中占有重要地位并具有重大影响？
《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006~2020年）》指出:“我国是世界制造大国，但还不是制造强国;制造技术基础薄弱，创新能力不强;产品以低端为主;制造过程资源？能源消耗大，污染严重[3]？”与发达国家相比，我国工业生产与制造普遍存在能耗高？资源消耗大？生产效率低？产品质量差的问题？据不完全统计，在我国国民经济体系中，以金属冶炼？石油化工等行业工业能耗为主体的我国工业生产能耗占我国总能耗的71.4%左右，工业单位能源消耗比发达国家高30%以上，其中比重较大的石化行业（占全国总能耗的15%，2007年数据）？钢铁行业（占全国总能耗的6%，2007年数据）的工业单位能耗尤其高[4， 5]？除此之外，我国工业生产整体起步较晚？基础薄弱，并面临着复杂多变的原料供应？日新月异的技术创新？瞬息万变的市场需求，处于更加激烈的国际竞争之中？
为了在全球化经济大环境下提高企业竞争力，我国流程工业企业也逐渐由过去的单纯追求大型化？高速化？连续化，转向注重提高产品质量？降低生产成本？减少资源消耗和环境污染？可持续发展的轨道上来？中共十六大[6]？中共十七大[7]及中共十八大[8]报告均指出:信息化与工业化融合是提高我国流程过程工业以及制造业竞争力的必然选择，其关键是工业过程自动化[9-13]？如今，过程自动化的前沿核心技术是流程工业的过程运行优化与控制，其内涵是采用信息技术，围绕生产过程的知识与数据信息进行集成，通过过程运行控制与优化的智能化与集成化，在保证过程安全运行的条件下，不仅使过程基础反馈控制系统输出很好地跟踪设定值，而且控制整个运行过程，使其在生产条件约束下尽可能提高产品在加工过程的质量与效率的运行指标，尽可能降低反映产品在加工过程中消耗的运行指标，实现工业过程的优化运行[9， 10]？
采用先进？可靠的自动化技术，可以改善流程工业生产设备的运营状况？提高运行效率与产品质量？降低消耗？延长设备运行周期，从而*终提高企业竞争力，实现可持续发展？1994年，美国SimSci公司基于其DMC软件应用绘制了先进控制与优化的投资收益图，如图1.1所示？用DCS实现常规基础反馈的多回路PID控制，其投资占总投资的70%，但取得的经济效益仅占总效益的15%;实现比值？串级和前馈等传统先进控制，投资额增加10%的同时效益也会提高10%;如果再增加10%的投入实现DMC先进控制，便可使经济效益增加35%;若进一步增加成本10%，实施工业过程的闭环实时优化，可再使经济效益大大提高40%[14]？又据国外某权威机构分析，流程工业生产过程采用先进控制技术，可提高产值3%~5%;实现优化调度与优化运行，质量提高19.2%，生产效率提高13.5%，产量提高11.5%？
图1.1 文献[14]绘制的先进控制及过程优化的投资效益图
CLRTO（closed-loop real-time optimization）表示闭环实时优化;DMC（dynamic matrix control）表示动态矩阵控制;TAC（traditional advanced control）表示常规先进控制;DCS（distributed control system）表示分散控制系统
流程工业中，选矿是极为重要的金属原材料工业？特别是在我国，由于矿石品位低？成分复杂？嵌布粒度细等原因，97%的铁矿石需要经过选矿处理以得到有用成分含量高的精矿，然后才能再进行金属的冶炼及相关处理？一个完整的选矿作业流程包括破碎？磨矿和选别三个典型过程？其中，磨矿是*为关键的工序，起着承上启下的作用，其任务就是将破碎后的矿物原料粉碎到适宜的粒度，使有用矿物与脉石单体解离，或使不同有用矿物相互解离，为后续选别作业提供原料？另外，磨矿不但用于冶金选矿，在国民经济的其他工业领域，如水泥与硅酸盐及陶瓷制造？新型建筑材料？火力发电以及国防等均具有非常重要的作用？磨矿是典型的高耗能？低效率过程，其电能消耗占整个选厂的45%~70%，生产成本占选矿总成本的40%~60%？磨矿产品粒度（质量指标）？磨矿生产效率等决定着选厂精矿品位的好坏和生产能力的高低，并与整个选矿的经济技术指标密切相关？长期以来，磨矿过程控制与优化被认为是提高磨矿产品质量与生产效率以及整个选厂经济利润的重要手段，因而一直受到国内外学者的关注和重视？以多回路PI/PID和多变量预测控制为主的控制技术均一定程度达到了调控磨矿设备，使其按照期望目标运行的目的？然而，从过程工程层次控制的角度来看，这些控制方法仅限于底层局部单元的基础反馈控制，因而对磨矿过程整体运行性能即磨矿产品质量？磨矿运行效率等的改进和提高非常有限？
目前，工业过程运行反馈控制已然成为信息领域中用于解决国家绿色生产？节能降耗目标的重要手段，受到国家相关部门以及工业界和学术界的密切关注？2009年，以东北大学柴天佑院士为首席科学家的国家973计划项目“复杂生产制造过程一体化控制系统理论和技术基础研究”，将复杂生产制造过程的运行控制作为*为重要的子课题（课题1）进行专项研究？2012年，国家自然科学基金委员会将“复杂工业系统运行控制”作为当时中国自动化领域**的国家自然科学基金重大项目“一类复杂工业系统高性能运行控制的基础理论与关键技术”进行立项，并授予由浙江大学？中南大学？东北大学？清华大学？上海交通大学等中国控制学科实力*强的几所高校联合参与的研究团队？另外，近年关于复杂工业过程运行优化与控制的国家自然科学基金重点项目？面上项目？青年基金也越来越多地被申请立项？例如，2013年东北大学千人计划教授王宏联合华南理工大学和浙江大学获得国家自然科学基金重点项目“面向节能降耗和纤维形态分布的制浆过程运行优化控制”？作者近年也以运行控制为主题连续获得了两项国家自然科学基金项目？
本书从现代选矿企业对提高产品质量与生产效率以及节能降耗的迫切需求出发，依托国家自然科学基金项目（项目编号61104084，61290323，61333007，614730 646）？国家973计划项目（项目编号2009CB320601）以及中央高校基本科研业务费项目（项目编号N130508002，N130108001），以冶金选矿的两类典型磨矿过程（一类为国际通用的可建模一段棒磨开路？二段球磨-旋流器闭路磨矿，另一类为具有中国特色的难建模赤铁矿磨矿）为研究对象，开展以提高产品质量和生产效率为目标的磨矿过程运行反馈控制方法及应用研究？
1.2 工业过程运行反馈控制的含义及特点
1.2.1 过程控制指标与运行控制指标
对每一个工业过程的全局优化与控制来说，存在过程控制指标和过程运行指标两方面的优化与控制问题？过程控制指标通常是要求过程或装置局部单元中的某个或一些变量稳定在一个范围之内，一般由基础反馈控制系统的控制回路来完成;过程运行指标问题一般包括反映过程整体运行性能的产品质量？产量以及能耗大小等，它的实现一般遵循这样的原则，首先由设定系统或操作人员给出基础反馈控制回路的设定值或操作值，然后基础反馈控制回路按此设定值进行动作，通过上层设定或运行控制系统及底层基础反馈控制系统的共同作用实现过程运行指标？
（1）过程控制指标？对每一个具体复杂工业过程或系统来说，可以从长期的生产运行中总结出若干人工手动操作的经验，并结合机理分析法从中找出影响过程运行指标好坏而需要基础回路控制的关键过程变量？过程优化与控制的目的就是保证关键过程变量被控制在人们希望的范围之内或者跟踪某设定值的变化，达到预期的控制指标，如响应速度？稳定性？收敛性？干扰抑制能力等？而这些关键过程变量的控制往往与生产运行指标的实现有着不可分割的联系，所以在控制系统的实现中需要考虑运行指标的要求？
（2）过程运行指标（简称运行指标）？在实际工业过程中，往往有一些表征过程整体运行性能的工艺指标，包括工业生产在加工过程的产品质量？生产效率以及能源消耗等？此时需要分析出衡量产品质量好坏的质量指标以及决定单位时间产量的主要因素？在此基础上，还要分析出影响能源消耗的主要原因？只有从工业过程运行的全局优化与控制角度出发，即从考虑工业生产中的运行指标出发，才能抓住主要矛盾，真正达到生产过程的优化控制与优化运行？
注1.1 由于产品质量？生产效率以及消耗等运行指标与工业企业经济利润直接相关，因此上述运行指标可通过更上层的经济性能指标优化来确定？在实际工程中，涉及产品质量？产量的运行指标往往与所在过程工艺和后续过程工艺直接相关，有可能直接取决于这些工艺，因此这些运行指标可根据特定的生产工艺由领域专家进行确定？
1.2.2 工业过程运行反馈控制的含义
过程自动化作为工业生产不可缺少的组成部分，一直是实现生产过程安全？平稳？优质？高效的基本条件和重要保证？随着现代工业生产的集中化和大型化，自动化装置与大型工业设备已成为不可分割的一个整体？可以说，如果不配置合适的自动化系统，现代过程生产根本无法进行？实际上，生产过程自动化的水平已经成为衡量工业企业现代化水平的一个极为重要的标志[15]？
工业过程的运行工况是由控制器进行闭环反馈控制的，而控制器的设定值是根据某些特定要求规定的？在过去很长时间内，模拟控制器被作为**的控制器广泛应用于工业过程控制中？20世纪60年代初，出现了用数字计算机代替老旧的模拟控制器，这就是沿用至今的直接数字控制？此后，就是Rockwell？Siemens？Honeywell？三菱等专用控制系统PLC和DCS的出现，使得工业过程控制越来越简易化和集中化？借助于数字计算机专用PLC以及DCS，尽管使得工业过程被设计得按一定的正常工况条件连续运行，但是运行环境的变化？原料成分的波动？工艺设备的磨损和老化等因素形成了对工业过程运行的持续或快或慢的扰动？这种情况下，之前设定的过程运行工作点不再与当前工况条件相匹配，即不是**的？为此，需要根据运行工况和干扰因素以及边界条件的变化，通过上层运行控制系统自动修改和调整各个底层基础反馈控制回路的设定值，使工业过程能长时间保持在**运行状态，从而达到提高产品质量与生产效率，减少原材料和能源消耗的控制目标？这就是工业过程运行反馈控制，它与传统的过程反馈控制有着本质的不同？
（1）传统的过程反馈控制假定可以获得控制器设定值的条件下，研究集中在如何设计控制器在保证闭环系统稳定的条件下，使被控对象的输出尽可能好地跟踪设定值，从而完成特定的过程控制指标？传统过程反馈控制通常忽略偏离理想设定点的反馈控制不能实现工业过程或系统的整体优化运行[9-11]？
（2）工业过程运行反馈控制的被控对象包含基础反馈控制层和运行控制层两层动态系统，其内涵就是在保证过程安全运行的条件下，采用分层反馈控制结构，不仅使过程底层局部单元的基础反馈控制系统输出很好地跟踪设定值，而且要控制整个运行过程，通过调整底层基础反馈控制系统的设定值使反映产品在整个加工过程中产品质量？生产效率与消耗的运行指标在目标值范围内？尽可能提高产品加工过程
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