工業(yè)過(guò)程智能制造的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

分層多速率運(yùn)行優(yōu)化控制是指：考慮工業(yè)過(guò)程分層控制結(jié)構(gòu)下的多時(shí)間尺度與多速率特點(diǎn)，通過(guò)運(yùn)行層設(shè)定值優(yōu)化與回路層過(guò)程控制的集成化和智能化，控制整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、效率和能耗等運(yùn)行指標(biāo)的最優(yōu)化。

工業(yè)過(guò)程智能制造的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)，其關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)制造流程智能化，愿景是建立以企業(yè)高效化與綠色化為目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)制造流程的智能優(yōu)化決策與加工裝備（過(guò)程）智能自主控制為特征的制造模式。實(shí)現(xiàn)這一愿景的關(guān)鍵是要實(shí)施工業(yè)過(guò)程運(yùn)行優(yōu)化控制，其內(nèi)涵是其通過(guò)優(yōu)化與控制的智能化和集成化，感知生產(chǎn)條件的變化，自適應(yīng)決策并跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、效率和能耗等運(yùn)行指標(biāo)的最優(yōu)化。

典型工業(yè)過(guò)程（冶金磨礦過(guò)程與重介質(zhì)選煤過(guò)程）

分層控制是便于實(shí)現(xiàn)的工程化選擇。然而，在分層控制結(jié)構(gòu)下，整個(gè)系統(tǒng)因?qū)蛹?jí)功能以及所涉及的被控對(duì)象特性的差異導(dǎo)致層級(jí)間時(shí)間尺度各異。運(yùn)行層面向工業(yè)運(yùn)行過(guò)程，具有慢時(shí)間尺度特性，回路層面向基礎(chǔ)設(shè)備/回路過(guò)程，具有快時(shí)間尺度特性。其中，運(yùn)行過(guò)程多是含物理化學(xué)反應(yīng)的氣液固多相共存的連續(xù)化復(fù)雜過(guò)程，機(jī)理難以搞清，無(wú)法建模。為全面感知系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，通常需要部署全方位的檢測(cè)裝置，但由于信號(hào)變化速率相差較大，各檢測(cè)裝置因自身的特殊性，獲取信息和處理信息的速度不同，加之控制節(jié)點(diǎn)分散，難以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)輸入與輸出采樣周期的統(tǒng)一。因此，在工業(yè)過(guò)程運(yùn)行優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)時(shí)將面臨如下的挑戰(zhàn)性問(wèn)題：

1）運(yùn)行過(guò)程動(dòng)態(tài)未知；

2）層級(jí)間具有多時(shí)間尺度；

3）層級(jí)內(nèi)存在多速率采樣。

上述特性使得運(yùn)行優(yōu)化控制問(wèn)題變得尤為復(fù)雜。

多速率工業(yè)過(guò)程的雙層層級(jí)架構(gòu)

如何針對(duì)多時(shí)間尺度、多速率采樣且運(yùn)行層模型未知的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程設(shè)計(jì)運(yùn)行優(yōu)化控制策略？本文將提升技術(shù)、模型預(yù)測(cè)與增強(qiáng)學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，提出一種工業(yè)過(guò)程多速率分層運(yùn)行優(yōu)化控制方法。其通過(guò)兩種提升方法將多速率分層問(wèn)題統(tǒng)一到一個(gè)時(shí)間尺度，進(jìn)而采用一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的Q-學(xué)習(xí)算法，求解基礎(chǔ)回路最優(yōu)設(shè)定值，同時(shí)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)回路層的MPC控制器實(shí)現(xiàn)設(shè)定值的快速跟蹤，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)行指標(biāo)的優(yōu)化控制。

最后，針對(duì)一典型復(fù)雜工業(yè)過(guò)程，即閉環(huán)冶金磨礦過(guò)程，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明了該方法能夠在分層多速率采樣下，無(wú)需使用運(yùn)行層模型來(lái)設(shè)計(jì)運(yùn)行優(yōu)化控制器，僅利用數(shù)據(jù)通過(guò)自學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)設(shè)定值的在線優(yōu)化，從而控制運(yùn)行指標(biāo)。這一研究成果對(duì)運(yùn)行層機(jī)理復(fù)雜難以建立模型的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程運(yùn)行優(yōu)化控制器的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。