53生产全流程多目标动态优化决策与控制一体化理论及应用

1、2019年度国家自然科学奖提名公示材料项目名称生产全流程多目标动态优化决策与控制一体化理论及应用提名单位教育部提名意见（不超过600字）实现生产全流程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。东北大学 柴天佑教授领导的团队从中提炼出工业过程决策与控制一体化研究方 向，在两期国家973、国家自然科学基金创新群体和重点项目的资助下， 项目组历经十多年研究，构建了由多冲突目标复杂工业系统的运行优化 控制、多层次多尺度多目标动态智能优化算法、复杂工业过程高性能智 能控制组成的生产全流程多目标动态优化决策与控制一体化理论与方 法，在巴布亚新几内亚

2、镍钻生产线和越南氧化铝生产线等冶金工业取得 成功应用与验证。该项目组取得的成果具有原创性，学术贡献突出，发表了一系列高 水平的学术论文，其中两篇代表性论文分别获国际控制领域顶级期刊 Automatical Control Engineering Practice 的最高引用论文奖和最佳 论文奖，得到了国内外学者的高度评价和广泛认同，研究成果达到了国 际先进水平。研究成果对于建立决策与控制集成优化新理论，推动我国 控制技术进步和智能制造核心技术持续创新具有重要的理论意义和实际 应用价值。该项目部分成果获教育部自然科学一等奖。对照国家自然科学奖授奖条件，我部决定提名该项目为2019年度国 家自然科

3、学奖二等奖。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 中提炼出工业过程决策与控制一体化研究方向，在两期国家973、国家 自然科学基金创新群体和重点项目的资助下，项目组历经十多年研究， 提出了生产全流程全局优化控制的原创性理论与方法，成功应用于巴布 亚新几内亚镍钻生产线和越南氧化铝生产线，取得显著成效。主要发现 与创新点如下：1）提出了 “一体化过程控制”概念，发现了生产全流程决策指标与 控制系统动作之间的交互作用机制，构建了生产全流程决策与控制一体

4、化系统的架构；揭示了前馈与反馈对动态系统优化进行补偿的作用机理， 提出了 “性能指标终点预报”的概念，建立了优化与预测和前馈与反馈 校正相结合的复杂动态系统多冲突目标优化控制的基础框架，解决了工 业过程决策与控制过程集成优化难题。2）发现了生产全流程生产指标优化、各工业过程运行指标优化、控 制系统设定值优化之间的内在联系，揭示了这三个不同层次、不同时间 尺度、不同性能指标与不同约束方程之间的影响机理，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的动态系统智能优化算法架项目简介构。发现并证明了多目标寻优方向特性，构造自适应参数分配机制、变 异策略选择机制和梯度寻优算子，提出了多目标混合智

5、能优化算法，解 决了非线性优化易陷入局部优化的难题。3）发现了非线性切换系统反馈互联的不变性，揭示了切换信号、未 建模动态补偿信号与控制器之间的作用机理和复杂系统内部增益关联同 稳定性之间的规律，提出了数据驱动的信号补偿方法，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 跟踪随全局最优解而变化的控制系统设定值的难题。8篇代表作均发表在控制与智能优化领域国际权威期刊。其中1篇 获Automatica最高引用论文奖，1篇获IFAC会刊Control Engineering Practice最佳论文奖（创立20年来国内首次入选），5篇为ESI高被引 论文，SCI他引

6、521次，总他引1187次。该项目在IEEE汇刊和IFAC会 刊发表论文百余篇，自动化学报发表的论文被评为中国科协优秀科技 论文（当年该刊唯一），2篇获自动化学报优秀论文奖，2篇分获第 17和19届IFAC世界大会（3年1次）最佳应用论文提名奖（国内唯一）。 澳大利亚科学院院士、瑞典皇家科学院院士、IEEE Fellow和IFAC Fellow 等80余位国际知名学者及其研究团队给予高度评价。第一完成人在美英 加日等国举办的IEEE和IFAC系列国际会议上作大会特邀报告17次。该 成果的研究方向被写入国际自控联（IFAC）引领未来自动化发展方向白 皮书Systems & Control for

7、 the Future of Humanit，作为未来国 际自动化发展方向之一。第一完成人为IEEE Fellow和I FAC Fellow，8 篇代表性论文中的3名完成人获国家杰出青年基金资助，1名获国家优 秀青年基金资助。项目部分成果获教育部自然科学一等奖。该项目部分成果获杨嘉墀科技一等奖、何梁何利科学与技术进步奖 和多项国际科技奖励。研究成果的引文分布在127种期刊，成果得到美 国、英国、澳大利亚和中国等30多个国家/地区的80余位国际知名学者 的高度评价。(1)第三方对科学发现1的评价代表性论文1,6代表性论文1于2014年获国际自动控制联合会IFAC会刊 Control Engine

8、ering Practice 期刊 2011-2013 年度取佳论文奖(为该 奖创立20年来国内单位和国内学者首次获得)。获奖评语如下：“该文章 提出的实现工业过程运行优化的控制系统设定值控制方法成功应用于实 际大型工业过程。该文很好地阐明了基于工业需求结合先进控制理论的 不同方法解决选矿过程中特别难的控制问题”。(The design procedure targets the upper control layer that determines setpoints for optimal operation of the plant. The results have been impl

9、emented successfully in a real large-scale plant and successful results are shown. The paper nicely illustrates how different approache from advanced control theory can be combined to solve particularly difficult control problems that occur in mineral processing plants. The proposed solution is clea

10、rly driven by industrial needs and requirements.)”(见附件 27)。引文1引用了代表性论文1。国际控制领域著名学者、前任IFAC 主席、国际控制技术权威期刊IFAC会刊Control Engineering Practice客观评价前任主编、南非比勒陀利亚大学教授I.K. Craig和美国华盛顿大学教授 N.L. Ricker 在国际权威期刊 IFAC 会刊 Journal of Process Control (2012)上发表长文评价代表性论文1： “提出了一种新的由校正、故 障诊断与优化补偿组成的混合智能方法并应用于竖炉焙烧过程”。原文：

11、 “Chai et al. describe a hybrid system consisting of regulation fault detection, and optimization components applied to an industrial roasting furnace”。其中 Chai et al.为代表性论文1。引文2引用了代表性论文6。AIAA Honorary Fellow、美国杜克 大学Earl H. Dowell教授在Automatica (2012)上发表文章指出该项 目组“通过将执行器故障建模成正常、部分失效和中断三种情况，提出 了 H8容错控制方

12、法，与现有方法相比减少了保守性”。原文：“By modeling actuator faults in three states, normal, loss of effectiveness, and outage, the proposed H 8 controllers can reduce the degree of conservatism compared with existing methods”。 代表性论文6入选ESI高被引论文。(2)第三方对科学发现2的评价代表性论文1,2,3引文3引用了代表性论文3。澳大利亚New South Wales大学 Ruhul Sarker教授

13、指出该项目组提出的智能优化算法“对28个无约束 问题算例进行了测试，结果表明它的性能优于最先进的算法”。原文:“The algorithm was tested on 28 unconstrained problems, with the results demonstrated that it was superior to state-of-the-art algorithms”。代表性论文3入选了 ESI高被引论文。引文4引用了代表性论文2。新加坡国家RFID中心主任s(National RFID Centre) Lee Eng Wah 教授提出该项目组“提出了一 种改进的差分进化算法，

14、采用嵌入增量机制和实时事件出现时前一差分 进化求解过程的最终种群生成新的初始种群”。原文：“They proposed an improved differential evolution(DE) algorithm by embedding an incremental mechanism to generate a new initial population for the DE whenever a real-time event arises, based on the final population in the last DE solution process”。代表性论文2入

15、选了 ESI 高被 引论文。(3)第三方对科学发现3的评价代表性论文4, 5, 7, 8引文5引用了代表性论文4。美国工程院外籍院士、澳洲科学院 前院长、IEEE Fellow、IFAC Fellow、国际著名控制专家澳洲国立大学 Brian D. O. Anderson教授在Automatica(2016)上发表论文指出该 项目组的工作是“非线性切换系统的有限时间稳定性分析的有效技术”。 原文：“effective techniques for finite-time stability analysis of switched nonlinear systems (Fu, Ma, & Ch

16、ai, 2015) ”Fu, Ma, & Chai, 2015为代表性论文4。代表性论文4入选了 ESI高被引论文，获 Automatica最高引用论文奖。引文6引用了代表性论文8。IEEE Fellow 、 IEEETransactions on Neural Networks and Learning Systems 期刊主编、 美国罗德岛大学Haibo He教授指出该项目组提出的信号补偿方法“已被 机械系统控制等多个工业控制应用采用”。原文“TSMC has been applied to numerous industrial control applications, such as

17、 mechanical system control 13, 14.”其中文13为代表性论文8。代表性论 文8入选了 ESI高被引论文。引文7引用了代表性论文5。IEEE Fellow、IFAC Fellow、香港 中文大学机械与自动化工程系原系主任Jie Huang教授指出该项目组采 用“多回路小增益定理和状态反馈事件触发控制率解决了受外部干扰的 一类非线性系统的鲁棒镇定问题”。原文：“In 18, by using the cyclic small gain theorem, the robust stabilization problem for a class of nonlinear

18、 systems subject to external disturbances was solved by a state-based event-triggered control law”。文18为 代表性论文5。引文8引用了代表性论文7。IEEE Fellow、Automatica编委、 美国 Virginia 大学 Gang Tao 教授在(Automatica, 50(11), 2014)发 表综述文章，将该项目组的工作列为多变量非线性自适应控制方向的代 表性成果。原文： “Some references that focus on MIMO nonlinear systems

19、are: (i) multivariable adaptive control using neural networks: Deng and Li (2005),Fu and Chai (2007),)”，其中 Fu and Chai (2007)为代表性论文7。代表性论文专著目录序 号论文专著名称/刊名/作者年卷页码发表 时间通讯作者第一作者国内作者SCI 他引 次数他引总 次数论文 署名 单位 是否 包含 国外 单位1Hybrid intelligent controlforoptimal operation of shaft furnace roasting process/ Cont

20、rol Engineering Practice/ Tianyou Chai, Jinliang Ding, Fenghua Wu2011 年 19卷264-275页2011 年03 月01 日Tiany ou ChaiTiany ou Chai柴天佑、丁进良、吴峰华1241否2An improved differential evolution algorithm for practical dynamic scheduling in steelmaking-co ntinuous casting production/ IEEE Transactions on Evolutionary C

21、omputation/ Lixin Tang, Yue Zhao, Jiyin Liu2014 年 18卷209-225页2014 年04 月01 日LixinTangLixinTang唐立新、赵月59119是3Differential evolution with an individual-depe ndent2015 年 19卷560-574页2015 年08 月01 日LixinTangLixinTang唐立新、董赟46116是mechanism/ IEEETransactions onEvolutionary Computation/ Lixin Tang, Yun Dong, Ji

22、yin Liu4Global finite-time stabilization of a class of switched nonlinear systems with the powers of positive odd rational numbers/ Automatica/ JunFu,Ruicheng Ma, Tianyou Chai2015 年 54卷360-373页2015 年04 月01 日JunFuJunFu付俊、马瑞成、柴天佑122183否5A small-gain approach to robust event-triggered controlofnonlinea

23、r systems/ IEEE Transactions on Automatic Control/ Tengfei Liu, Zhong-Ping Jiang2015 年 60卷2072-2085页2015 年08 月01 日Tengf ei LiuTengf ei Liu刘腾 飞29131是6Reliable H-infinity controloflinear systems with adaptive mechanism/ IEEE Transactions on Automatic2010 年 55卷242-247页2010 年01 月01 日Guan g-Ho ng YangGua

24、n g-Ho ng Yang杨光 红、 叶丹76245否Control/Guang-HongYang, Dan Ye7Nonlinear multivariable adaptive control using multiple models and neural networks/ Automatica/ Yue Fu, Tianyou Chai2007 年 43卷1101-1110页2007 年06 月01 日Tiany ou ChaiYueFu4富月、柴天佑38119否8Neural-networ k-based terminal sliding mode control ofrobot

25、icmanipulators including actuator dynamics/ IEEE Transactions on Industrial Electronics/ Liangyong Wang, Tianyou Chai, Lianfei Zhai2009 年 56卷3296-3304页2009 年09 月01 日Liang yong WangLiang yong Wang王良勇、柴天佑、翟廉飞139233否合计5211187主要完成人情 况（格式：姓名、排名、行政职务、技术职称、工作单位、完成单位、对本 项目贡献）柴天佑、排名第一、主任、教授、东北大学、东北大学。对主要发现 点1,2和3做出了突出贡献，是代表性论文1的第一作者，是代表性论文 4, 7和8的主要作者。在发现点1中，提出了 “工业过程一体化控制”概 念和生产全流程决策与控制一体化系统的架构；提出了 “性能指标终点预 报”的概念和多目标复杂动态系统优化的基础框架。在发现点2中，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。在发现点3中，提出