成果简介：通过揭示自然界中鱼群、鸟群自主编队的机理，研究了多智能体协同控制理论，并将其应用于多无人平台的协同控制中。其典型特点是采用分布式信息，没有全局指挥中心，作战单元能够根据具体作战任务灵活编制， 控制器结构简单，任务适用面广。本研究将多智能体一致性控制，势能场函 数，分布式估计器理论相结合，突破了多无人平台协同编队控制，拓扑连通 性保持条件下的协同控制，协同编队控制等关键技术，可实现无人平台位置、 朝向、速度等控制参数的严格一致。 无人化

汽车工业是衡量一个国家经济发展水平的重要标志，汽车齿轮是汽车上重要的传动零件，齿轮质量的高低决定着汽车性能的好坏。通常，高质量的齿轮钢应具有四个方面的质量指标，即窄的末端淬透性宽、洁净度高、细小均匀的晶粒度和优良的表面质量。齿轮钢的洁净度对于齿轮钢产品性能具有重要影响，其中大颗粒的脆性点状不变形夹杂、呈串状分布的 Al 2 O 3 对齿轮钢的疲劳寿命最有害。而为了细化晶粒，通常需要在齿轮钢中保持一定的酸溶铝含量（0.010%-0.040%）。因此，必须解决如何在保持一定酸溶铝含量的情况下尽量减少钢中的 Al 2 O 3 夹杂物含量的难题。 （1）齿轮钢精准钙处理改性夹杂物模型。为控制齿轮钢中的串状脆性点状不变形 Al 2 O 3 夹杂物，同时进一步改善齿轮钢的水口结瘤，需要对于齿轮钢中的Al 2 O 3 夹杂进行改性处理。通过改性处理的方法将钢中的 Al 2 O 3 夹杂物改性为低熔点的液态夹杂物，增强其轧制过程的变形能力以减少大颗粒脆性串状不变形夹杂对齿轮钢疲劳寿命的影响，也可改善水口结瘤现象。但必须要关注的是，喂钙量对于夹杂物的改性效果具有重要的影响，喂钙量过低无法将钢液中高熔点的Al 2 O 3 及 Al 2 O 3 ·MgO 完全改性，而喂钙量过高则导致生成更高熔点的 CaS 及 CaO生成，从而恶化齿轮钢产品质量。同时钢液成分对于钙处理具有较大影响，而目前大多数企业还仅通过钙铝比指导现场的喂钙操作。本项目基于不同喂钙速度、钙线插入深度的统计，得到最优喂钙速度和钙线插入深度下稳定的钙收得率，并结合喂钙操作过程中导致的钢液增氧以及喂钙后至中间包浇注钙损，对超洁净齿轮钢不同钢液成分条件下钙处理进行热力学计算，确定了超洁净齿轮钢的不同成分条件下最优的喂钙线量，并结合精准钙处理软件，实现超洁净齿轮钢在线精准钙处理，通过理论计算并结合现场钙收得率，进一步优化现场的喂钙操作。 （2）电磁搅拌对超洁净齿轮钢铸坯中夹杂物的影响研究。电磁搅拌使钢液在交变电磁场中产生电流，通过电磁力来控制钢液的流动、传热及凝固过程。目前国内普遍认为电磁搅拌可以提升铸坯的表面质量、提高钢的洁净度、扩大铸坯的等轴晶区、降低元素中心偏析，同时减轻或消除中心疏松和中心缩孔等作用。但也有报道随着结晶器电磁搅拌强度的增加，铸坯表层附近的负偏析更加严重，同时加剧枝晶转变区域的正偏析，恶化铸坯的均质性。为进一步明晰结晶器电磁搅拌对于超洁净齿轮钢夹杂物的影响，本项目通过对于有结晶器电磁搅拌和无结晶器电磁搅拌两种工况下，铸坯全断面夹杂物扫描，研究不同电磁搅拌条件对齿轮钢铸坯中夹杂物的影响，结合铸坯宏观偏析、微观组织等结果，优化结晶器电磁搅拌参数，从而提高齿轮钢的产品质量。

含硫齿轮钢中 S 含量通常为 0.015-0.02%，同时为了保证钢水可浇性，生产过程中采用钙处理。目前是先喂 Ca 线，软吹后再喂入 S 线，由于 CaS 的生成，导致 Ca 和 S 的损耗大，收得率不稳定。由以上可知，目前制约含硫齿轮钢生产过程中的主要因素之一是钢中非金属夹杂物，因此，很有必要对含硫齿轮钢生产过程中洁净度进行控制与提升。 （1）高硫齿轮钢中硫化物控制技术。开展硫化物生成热力学计算，确定不同钢液成分对钢中硫化物析出种类及析出温度的影响；进行硫化物析出及长大的相关动力学计算，确定硫化物析出尺寸及析出量随温度、反应物浓度的变化。同时研究了氧化物和硫化物的联合控制研究，研究总氧含量对硫化物夹杂含量及形貌的影响，研究不同类型氧化物与钢中析出的硫化物的大小、数量和分布的关系，确定有利于钢中 MnS 弥散分布的氧化物夹杂种类，实现高硫齿轮钢钢中氧化物和硫化物的联合控制，降低 A 类夹杂物评级。 （2）高硫齿轮钢精准钙处理改性夹杂物模型。高硫齿轮钢生产时采用 Al脱氧使得钢中生成大量的以 Al 2 O 3 为主的高熔点夹杂物，为了避免浇注过程水口结瘤以及减小高熔点 Al 2 O 3 夹杂物在后续轧制过程中对钢材质量的危害，生产过程中需要进行钙处理将钢中的高熔点夹杂物改性为低熔点的液态夹杂物。然而，钙的加入量存在一个合适的范围，过多的钙加入形成的大量的 CaS 同样会导致水口结瘤。本项目基于吉布斯自由能最小的原理，对“高硫齿轮钢-夹杂物”进行热力学平衡计算，并根据“高硫齿轮钢-夹杂物”反应平衡相图，得到“液态窗口”的加钙范围，实现了高硫齿轮钢生成过程中的精准钙处理控制。

随着我国国民经济的不断发展，对不锈钢表面质量提出了更高的要求。超洁净不锈钢被广泛地应用于高端电子产品 Logo、高端装饰行业、以及核电行业等对表面质量严格要求的领域。高等级光亮表面不锈钢板对成品表面质量几乎是零表面缺陷要求，此类钢产品时炼钢冶炼难度极高，主要是由于其钢中非金属夹杂物控制存在以下三个难题： （1）高熔点的夹杂物造成了冷轧板产品线鳞缺陷； （2）冷轧板表面抛光后不变形夹杂物引起的麻点类缺陷；（3）氮化钛夹杂物引起的冷轧板达到米级别的长条纹缺陷。此前，我国超洁净不锈钢产品完全依赖于国外进口。因此，开发超洁净不锈钢冶炼关键技术为打破此领域国外产品及技术垄断、实现国内自主生产做出了卓越贡献。 （1）不锈钢冶炼脱氧及原辅料成分设计技术。对于不锈钢冶炼原材料的控制方面，国内企业生产时更倾向于买价格低廉的铁合金等原材料，从而降低生产成本，但是对于铁合金及铁合金对不锈钢冶炼的影响研究几乎为空白。国外学者对于铁合金做过一些研究，但主要是集中于铁合金洁净度对碳钢的影响，关于铁合金对奥氏体不锈钢夹杂物的研究很少。同时，国外学者研究铁合金的种类主要集中在铝含量上，然而对铁合金中钙含量对不锈钢的影响却未见报道。本项目首先提出了使用低铝无钙铁合金，降低钢中的酸溶铝含量，同时降低钢中 Al2O3含量，从而提升夹杂物变形能力，但此类铁合金成本较高。在此基础上又提出了使用高铝高钙铁合金，此类铁合金只是在冶炼传统高铝无钙铁合金添加小部分的钙，成本增加极低，但是由于钙的添加，可以在最初夹杂物生成之时就显著提升夹杂物中的 CaO 含量，从而显著提升夹杂物变形能力。 （2）超洁净不锈钢精炼渣成分设计技术. 传统的铝脱氧不锈钢都是通过高碱度精炼渣提升钢材的洁净度，减少钢中夹杂物数量。但是本项目发现即使把钢中总氧降低到 10 ppm 以下也不能解决其高 Al 2 O 3 含量的夹杂物造成的线鳞缺陷。因此通过对硅脱氧不锈钢中精炼渣碱度由原来的 2.3 降低到了现在的 1.6，虽然夹杂物的总数量没有降低，但是成功的把钢中的夹杂物控制在低熔点区，显著地提升了夹杂物的变性能力，有效地改善了高表面质量奥氏体不锈钢产品的线鳞缺陷和表面抛光缺陷。此外，本项目对调整精炼渣成分的研究非常全面，国内学者研究的炉渣碱度对钢中夹杂物的影响，其中只研究碱度为 1.0 和 1.5 的个别情况，这样很难确定出最优精炼渣成分；本项目研究应用 FactSage 热力学计算软件建立了渣-钢-夹杂物平衡反应热力学模型，通过模型研究了不同精炼渣成分对钢液成分、脱硫、夹杂物成分、夹杂物熔点、耐火材料侵蚀等的影响。通过对 400 种不同精炼渣系进行设计优化，确定精炼渣成分；同时，在实验研究方面，本项目从碱度 1.0-2.3，连续考虑了 9 中不同的碱度对不锈钢中夹杂物的影响，此外还研究了4种不同渣中MgO含量和4种不同渣中Al 2 O 3 含量对不锈钢中夹杂物的影响，从而更系统准确地确定了有利于超洁净不锈钢夹杂物控制的最优精炼渣成分。 （3）不锈钢精准钙处理改性夹杂物模型。通过可用改性处理的方法将钢中的夹杂物改性为低熔点的液态夹杂物，增强其轧制过程的变形能力以减小其对钢材质量的危害，也可避免水口堵塞现象。然而，钙处理喂钙线量的多少对钢中夹杂物的变性效果影响很大。但是大多数钢铁企业只是知道需要钙处理，对于钙处理时最优喂钙线量并没有太多理论研究，因此，在实际生产过程中经常出现钙处理效果不好、甚至钙处理后产品质量更差的现象。本项目通过对超洁净不锈钢不同钢液成分条件下钙处理进行的计算，确定了超洁净不锈钢的不同成分条件下最优的喂钙线量，可实现在线对不锈钢中夹杂物的精确钙处理改性控制，与国外同类型模型相比，实现了了不锈钢生产过程在线应用，考虑的反应物和产物更全面，计算结果更直观。

1.项目背景 化学反应器与精馏装置是石化生产过程中使用最为广泛的设备，也是最主要的耗能单元，反应器与精馏塔运行的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益。反应与分离强化过程通常由多个单元耦合联接而成，其不仅涉及反应与分离能力的协同机制、多单元组合与系统整体运行效能的关系，而且强化过程具有强非线性、大滞后和多变量耦合特性，以及经济、环境与安全等不确定性因素的干扰，都对强化过程的平稳操作、协同调控与分级优化带来诸多的挑战。 采用反应与精馏强化技术，通过传质与传热的强化、物质流与能量流相互耦合，使强化过程具有大幅度提高反应转化率或选择性，降低生产能耗和污染物排放等优越性。然而这种集成优势只有在反应能力与分离能力动态协同作用条件下才能被充分发挥，而且强化过程具有多稳态、强非线性和多变量强耦合特性，这些都对强化过程的自动控制与优化理论提出了新的挑战。 采用传统控制模式，当系统受到干扰时，很容易引起反应与分离能力动态失调和工况发生大范围波动与偏移，造成产品质量不合格和能耗增加等控制难题。因此，在传统控制模式的基础上，探索反应与精馏强化过程的动态协同调控方法与动态优化理论，对解决集成装置的平稳操作与自动控制难题，切实提高系统运行品质，有效降低装置生产能耗和污染物排放方面具有重要意义 2.项目技术原理 南京工业大学绿色化工研究所，经过多年研究发明了不同工况反应与蒸馏集成技术，可根据不同体系的特殊要求，实现不同工况反应与精馏的最佳匹配，解决了反应与蒸馏操作条件必须一致等问题。本项目在对强化过程机理模型、经济稳态优化和动态特性分析的前期研究基础上，研究反应能力与精馏能力的动态协同调控新方法和强化过程的分级优化理论，提出反应与精馏强化过程一体化设计思想，对传统多单元生产过程具有很好的借鉴作用。项目针对反应与精馏过程自动控制系统设计与性能优化调节方面主要开展以下技术： （1）反应与精馏强化过程多变量自动控制方案的设计与性能分析 在对反应与精馏过程机理建模、经济稳态优化设计和动态特性分析基础上，采用稳态增益矩阵和奇异值分析方法，合理选择过程被控变量和操作变量配对模式，运用传统控制策略设计反应精馏强化过程多变量自动控制方案，采用ASPEN PLUS流程模拟软件和ASPEN DYNAMIC模块进行控制方案的动态模拟测试，并根据实际工艺扰动情况，通过在动态流程模拟系统上分别加入不同幅度和方向的多种扰动和改变系统设定值，评价传统控制模式闭环系统性能，在此基础上，改进自动控制方案设计，确保设计的自动控制方案在实际应用中能够维持平稳有效运行。 （2）生产负荷自动调节和优化技术原理 反应与精馏过程的生产负荷经常随着市场需求的变化进行调整，负荷的变化将可能引起系统工况的波动，产品质量下降，能耗增加等问题，甚至造成系统不稳定而被迫停机。本项目采用设定值多步长滚动优化、偏差区域容忍动态矩阵控制与传统控制相融合方法，实现反应与分离能力动态协同调控；本项目在多变量基础控制系统上，在关键控制回路增加设定值智能调节模块和多变量协调预测控制模块，分别采用设定值多步长滚动优化、偏差区域容忍动态矩阵控制（Error tolerant DMC）与传统控制相融合方法，实现反应能力与分离能力动态协同调控，使系统获得了良好的跟踪性能和鲁棒性。解决传统控制模式下扰动引起反应与分离动态失调，导致产品质量不合格、能耗和污染物排放增加等控制问题。在多变量协调预测控制模块设计中，对于反应器出口成分和产品质量等不可在线测量的关键变量，采用机理模型和经验模型建立产品成分软测量模型，实现对产品成分、反应转化率等不可测被控变量的在线估计。 （3）反应与精馏强化过程的系统性能优化技术 在经济稳态优化设计前期研究基础上，开展多目标多约束动态优化与多变量跟踪控制相结合的分级优化理论研究。在上层多目标多约束的动态优化设计中，是以能耗和操作成本最小为优化目标，以质量、尾气/废液排放和过程动态模型等为约束条件，采用多目标优化算法对强化过程的关键操作参数进行动态优化计算，给出工况最优调节方案。根据多目标动态优化给出的关键参数设定值最优调节方案，采用设定值多步长滚动优化给出多变量预测控制的参考轨迹，通过多变量协调预测控制和基础控制回路的跟踪调节，使系统输出快速跟踪设定值的最佳操作值，实现工况优化与平滑调节，确保系统维持高品质运行特性，从源头降低工况大范围波动和事故发生的概率。 3.关键技术路线 项目针对反应与精馏过程，融合了化学工程理论、自动控制理论、智能学习算法与计算机模拟技术，采取理论研究、模拟实验和工业应用相结合的技术路线，如下图所示。项目分别开展反应精馏过程的多变量基础控制系统设计、反应与分离能力动态协同调控新方法、强化过程分级优化理论研究，并将项目成果融合，开展不同工况反应与精馏强化过程的一体化工程设计，研制一套流程模拟综合实验平台，进行模拟验证和工程应用研究。 4.项目技术特色和创新性 （1）针对反应与精馏强化过程，在传统控制模式下扰动引起反应与分离动态失调和工况偏移，导致集成优势难以充分发挥工程问题，项目提出将设定值多步长滚动优化、偏差区域容忍动态矩阵控制、多目标多约束动态优化与传统基础控制相融合的动态协同调控新方法与分级优化理论，在反应与分离动态协同作用下实现工况的优化与平滑调节，确保系统维持高品质运行特性。 （2）项目沿着学科交叉与融合方向，将化学工程理论、自动控制理论、智能学习算法与计算机模拟技术相结合，提出不同工况反应与精馏强化过程流程模拟、控制系统设计与集成优化理论相结合的一体化工程设计思想，并在常压反应与减压精馏集成的甲苯氯化反应精馏工业装置上进行工程应用研究，解决装置自动控制与平稳操作等实际控制问题，发挥强化过程高转化率/高选择性、低能耗的集成优势。

系统软件使用了多项当前国际上最新的计算机开发技术，包括COM plus技术、基于UDP协议的远程通讯技术、ADO数据访问核心技术、GIS技术、TTS语言引擎技术、MSAGENT技术，以及虚拟仪器组态技术、WINDOWS SDK编程技术等。软件引入了面向仿真、工业自动化、虚拟仪器仪表等数据图形领域的图形仪表组件，包括实时和历史趋势图曲线等，使软件具有逼真的人机界面，很强的实时数据处理能力。软件可以允许用户自行添加管辖区域列表和嵌入GIS地图，以及监控企业的厂貌图和设施图，从而系统软件更富有地方特色和满足个性化需求。软件还创造性地引入了具有当前国际先进水平的TTS(Text To Speech)语音技术，实现中、英文语音报警。软件界面还引用了Windows XP配色方案，提供多种SKIN更换功能；而MSAGENT的人性化动作配合报警进程，使软件充分体现“科技以人为本”的设计理念，使软件界面更加生动、突出。软件特别在GIS系统中，设计了“放大镜”功能，使浏览地理信息更加清晰。软件全部使用自主开发、设计的24位真彩色，拥有自主知识产权的ICO图标和自行开发的通信系统。系统设计了“读实时数据”等10条命令字通信格式，通过发送命令字方式与现场污染治理设施运行记录仪进行通信。 系统通过“YSC-Ⅲ型污染治理设施运行记录仪”、PSTN城市公共电话网络，实时在线监测企业污水排放数据和污染治理设施的运行状况；上传历史数据，并存入数据库，以供查询、生成报表和打印。系统能自动监测企业超标排放报警信号，自动打开报警系统软件，并接收企业污水排放报警数据。同时，迅速启动GIS系统，标出报警企业的地理位置和详细地理信息，包括企业编码、企业名称、企业地址、联系人和联系电话，并作为一次报警记录，记录在日志文件中，以备查询。同时系统将该企业的报警数据，包括流量排放数据、COD数据、PH数据，以及污染治理设施运行记录仪运行状况等数据记录在系统的数据库文档中。 环保监理部门通过系统实时监测企业的污水排放质量、上传企业的历史排放数据、对企业实施立即“反控”和定时“反控”等措施，对超标排放的企业在第一时间掌握超标排放企业的信息(包括地理位置)、超标数据，以便快速、有效地采取相应的措施，对超标排放的企业作出相应的处理，使城市环境污染能得有效的控制。

研发阶段/n本发明公开了一种有机物污染土壤修复系统，包括烟囱和回转窑反应器，回转窑反应器的排烟口与炉腔连接，炉腔与旋风分离器连接，旋风分离器一端与预热通道连接，另一端与返料器连接，返料器与炉腔连接，预热通道依次通过烟气脱硫脱硝净化器和布袋除尘器与烟囱连接，预热通道内设置有空气预热器，空气预热器一端与第一风机相连，另一端分别与回转窑反应器和炉腔连接，回转窑反应器上设置有回转窑修复土壤出口，本发明还公开了一种有机物污染土壤修复方法。本发明充分发挥热脱附技术在修复有机物污染土壤过程中的优势，结合新型的回转

热泵空调是提升电动汽车冬季续航里程的重要技术途径，本团队近十年来围绕车用热泵空调关键技术，系统深入开展了热泵空调整机及关键设备的性能实验与理论研究工作。分别设计并发展了电动汽车HFCs和CO2热泵空调系统，揭示了循环关键运行参数对热泵空调制冷制热性能的影响规律，并提出了热泵空调冷暖双模式车室温度控制及高效运行控制策略，发展了基于冷凝器出口过冷度的节流阀模糊控制策略，设计了实现CO2热泵空调系统压缩机自动精确调速的模糊控制器。 基于在车用热泵空调技术方面积累的雄厚理论基础以及丰富设计经验，以突破车用CO2热泵空调系统关键技术瓶颈、发展CO2热泵空调系统及设备核心技术为目标，本项目设计研发了零污染高效高可靠性车用空调CO2涡旋式压缩机。针对CO2近临界区剧烈物性变化、高循环压力以及大压差工作环境引起的压缩机性能及可靠性下降、泄漏及摩擦损失升高等问题，基于流动控制技术，创新性提出了降低非对称性流动效应的吸气结构设计方法，发展了考虑过压缩效应的齿头修正设计方法，提出了具有高可靠性的涡旋齿结构及齿顶气动密封技术。

基于目前世界上亟需解决的环境污染和能源危机两大问题，开发一种同时净化环境与能源转化的装置将具有巨大的应用潜力。因此对于水体环境污染处理和清洁能源生产本课题组已开发出有效的技术——光电催化有机污染物降解协同产氢。开发了新型金属氧化物纳米管阵列异质结杂化光电催化体系,在电场诱导下，使光生电子与空穴分别于阴极和阳极氧化降解有机污染物与析氢，实现光电催化同步去污与制氢。通过增强纳米管阵列与基底相互作用，纳米管本体结晶度提高或单晶化，纳米管管壁表面形成异质结光催化杂化体系和导电碳基材料的修饰等途径，提高光生电子传输速率，促成电子与空穴有效分离，拓宽体系的光响应范围，提高光的吸收效率与量子效率。结合表征等手段及分析，阐明光电催化体系的构效关系，设计出高效、稳定的新型光电催化构筑应用于污水的资源化。通过两个反应过程的相互促进，不仅提高了光催化效率，而且符合变“废”为宝的绿色能源化学理念；构建了新型光催化反应器和高性能光电催化剂；发展了光电协同催化理论在同步去污-制氢反应中的应用。

烟气黑度和大气污染联网视频监测系统是城市环境监测管理系统的一个重要组成部分，它利用安装在城区制高点的前端摄像机及监控室的视频多媒体计算机和控制器实现的监控点的手动或自动检测。系统实现了每个摄像球80个预置点(摄像球机或解码器必须带预置位功能)的烟气排放林格曼指数自动监测功能，系统可以工作在手动模式和自动扫描模式。每个预置点都有各自的参考区域和自定义的图像属性（此功能需要VCXP-C20彩色字符叠加器的支持），通过扣除背景有效地降低了误报概率。 自动识别和扫描重点污染监控区域并监测大气