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。

本发明公开了双边LC网络的无线电能传输系统恒流输出的参数设置方法，属于无线电能传输的技术领域。该系统包括：高频全桥逆变电路、原边LC补偿网络、松耦合变压器、副边LC补偿网络、全桥整流滤波电路，通过调整原边补偿网络的LC参数使其输出负载所需的的恒流，通过调整副边补偿网络LC参数，使其同时实现电路近似零无功环流和开关器件的软开关，提高效率，减小器件应力。

环境温湿度、光照强度、水分、盐碱度、作物生理指标……这些参数关系农作物生长，现代农业通过农业信息智能感知技术便可轻松“一网打尽”。 然而实时监测这些指标需要电力驱动，电力无疑是智慧农业蓬勃发展的“源头活水”。田间地头常常难以铺设管线，而电池有限续航能力和污染风险又比较突出。因此发展农业信息“无源感知”是未来智慧农业一大趋势。 为更好地解决这一难题，浙江大学生物系统工程与食品科学学院IBE团队平建峰研究员课题组，提出了一种简便有效的方法，从农业环境中挖掘自然能源并将其高效转化为电能。首次将摩擦纳米发电机技术应用于农用纺织品中，并用于降雨时雨水能的收集，通过能量转化获取电能。 这项研究，近日发表在国际知名期刊《纳米能源》（ Nano Energy ）上，论文第一作者为浙江大学生物系统工程与食品科学学院2020级博士研究生姜成美 ，通讯作者为平建峰研究员。 功能化纱线的制备流程及其在农业中的应用场景把摩擦纳米发电机装进农用纺织品的纱线里 南方地区经常暴雨成灾，造成农业生产的巨大损失。农用纺织品在大棚设施中最为常见，它能够遮阴挡雨，保护农作物。 如何从农业环境中挖掘能源？ 浙大科研人员将这两者巧妙结合，通过纱线表面功能化，将摩擦纳米发电机依附在纱线上，织成智能化农用纺织品，利用雨水冲刷时的电子转移与流动产生电流，源源不断地为智慧农业供能。装载摩擦纳米发电机的纱线可以说是智慧农业的“无源活水”。 这个研究灵感来自一场突如其来的大雨：仲夏时节，一场突如其来的倾盆大雨透过来不及关闭的窗户摧残了窗台边的绿植。这引起了研究人员的思考：“农作物所处的环境只会更恶劣，那么我们就想办法利用它的恶劣。”大棚不仅可以作为作物、动物的“保护伞”，还可以作为雨滴能的收集器。 实验数据显示，在9.5牛顿的连续力作用下，3厘米长的纱线就能产生7.7伏的电压。 平建峰介绍，未来通过连接储能设备，这些被改造的农用纺织品，不仅可以为种植业和畜牧业提供保护以提高农畜产品质量与产量，还可以为物联网感知器件源源不断地输送电能，从而开展农业信息的无源监测和实时提供天气状况。 功能化纱线在农用纺织品上的应用绿色能源在智慧农业中具有广阔应用 为什么雨滴的能量可以转化成电能呢？ 这是因为对农用纺织品的纱线进行了特殊改造。科研人员在其表面覆盖了两层特殊材料——导电的碳化钛纳米材料和不导电的聚二甲基硅氧烷（一种高分子聚合物）。 功能化纱线收集雨滴能的原理 该聚合物能够防水并与环境中的雨水发生电子转移。而碳化钛感应电极，不仅具有高导电性能，还因其高电负性可以助力表面聚合物抢夺电子。因此在实现农用纺织品原有的农用保护材料、保温、遮阳、水土保持、排水灌溉、种子培育基材的功能基础上，还能从农业环境中源源不断地获取能源，为智慧农业提供驱动力，实现农业信息“无源实时感知”。 平建峰说，这两种材料具有良好的生物相容性，而且整个制备过程易于规模化和工业化。

无尾家电金属异物检测: 当无线电能传输系统能量交换区中混入金属时，由于涡流效应金属温度会 急剧升高，进而产生严重的安全事故，因此对混入能量传输区域金属的检测需 亟待解决。本项目组经过多年的研究，积累了丰富金属检测经验，提出了基于 混沌理论和改进平衡线圈技术的检测方法。基于该技术，2013-2014年项目组与 海尔公司合作开发了“无尾家电金属异物检测”系统，成功应用于700W无尾搅拌 器系统中，实验证明系统具有很高的灵敏度和抗干扰性，可实现金属异物检测 精度小于5mm，确保了家电的安全性。磁耦合谐振式无线电能传输系统: 自从2007年美国麻省理工学院(MIT)的Marin Soljacic教授等人利用磁耦合谐 振技术成功地在2m外点亮一只60W的灯泡，无线电能传输技术(WPT)迅速成为 一个世界范围内的研究热点。磁耦合谐振原理是目前电能传输的最好方式，可 实现大功率、高效率、远距离的电能传输，克服有线供电取电不灵活问题。基 于该原理，本项目组成功开发了样机系统，其最大功率10kW，整体传输效率85% 以上，垂直传输距离达200mm，水平自由度100mm，具备金属异物检测功能。 能量传输平台采用扁平化设计，使该系统占用空间体积更小，可非常方便地应 用于家电无尾传输、汽车无线充电、AVG车、机器人等领域。

空气、烟气成分和质量综合检测仪 该检测仪系统采用国家环保总局认可和美国环境保护署推荐的检测方法，利用差分吸收光谱技术（Differential Optical Absorption Spectroscopy—DOAS）检测大气环境以及烟气中有害气体含量。DOAS技术原理简单描述为：空气环境质量监测是一种长光程空气质量监测技术，光源发出的紫外可见光，经抛物反射镜准直成平行光射出，通过100 m甚至1,000 m的长光程，由接收端抛物反射镜将光汇聚耦合进入光纤，通过光纤导入光栅分光系统，在出射狭缝处用光电倍增管或者CCD探测，得到吸收光谱，通过对吸收光谱的数据处理就可以得到监测污染气体的浓度含量。由于该系统采用线采样，采样代表性较传统的点式有较大的改善，其结果不受光强、烟尘、水汽的影响，系统具有运行维护费用低，稳定可靠，测量准确，无人职守等特点。 烟气污染气体在线连续检测系统也是基于以上DOAS原理，主要的差别就是增加了对测量工况环境的适应性，例如增加了保护光学镜头的吹扫系统和测头得设计