严洪森

发布者:夏思宇发布时间:2019-05-28浏览次数:4632

严洪森

教授/博导

  • 学历:博士

  • 系:机器人工程系

  • 学科组:

  • 邮箱:hsyan@seu.edu.cn

  • 个人概况: 严洪森教授(二级),博士生导师,制造系统控制与优化研究所所长,国家重点学科《控制理论与控制工程》和复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室先进制造方向学科带头人,美国工业工程师学会(IIE)高级会员,江苏省普通高等学校“青蓝工程”第二期计划省级中青年学术带头人培养人选,江苏省“新世纪科学技术带头人培养工程”培养对象,《系统工程学报》编委会成员。

  • 个人简介:


严洪森教授(二级),博士生导师,制造系统控制与优化研究所所长,国家重点学科《控制理论与控制工程》和复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室先进制造方向学科带头人,美国工业工程师学会(IIE)高级会员,江苏省普通高等学校“青蓝工程”第二期计划省级中青年学术带头人培养人选,江苏省“新世纪科学技术带头人培养工程”培养对象,《系统工程学报》编委会成员195773日生,浙江省江山市人。19821月在哈尔滨船舶工程学院自动控制系获工学学士学位,19893月和19926月分别在哈尔滨工业大学电气工程系和控制工程系获工学硕士和博士学位。19822月至19868月在中国船舶工业总公司第723研究所任助理工程师,19927月至19946月在南京航空航天大学机械工程学科从事博士后研究工作,19947月到东南大学自动化所任副研究员、所长助理,19984月破格晋升为教授,19995月评为博士生导师,200710月任东南大学自动化学院制造系统控制与优化研究所所长,20081月任东南大学自动化学院三级教授,20111月任东南大学自动化学院二级教授。主要研究方向为多维泰勒网,多维泰勒网优化控制,等效论(Equivology)与经济系统控制,正负反馈交替论(简称交替论,Napofics)与灾害预报,CIMS(计算机集成制造系统/现代集成制造系统)FMS(柔性制造系统)建模、生产计划、调度、控制、仿真,并行工程、敏捷制造、知识化制造与知识网等。近年来,先后负责国家自然科学基金项目7(含重点项目1)、国家863/CIMS项目3项,省部级项目3项;获2007年第四届中国科协期刊优秀学术论文奖(全国200篇,由中国科学技术协会授奖,第一作者)1项,省部级科技进步二等奖1(第一名),在国内外核心期刊和国际学术会议上发表论文328篇,其中,国际核心期刊论文78(其中第一作者53篇,通讯作者78篇,在线出版4),被SCI收录71篇、SSCI收录8篇、他人引用2144(其中SCI他人引用335次,而他引者中绝大部分是美、英、德、法、意、瑞士、荷、丹、爱、芬、西、希腊、土耳其、波兰、斯洛文尼亚、克罗地亚、捷、加拿大、澳大利亚、日、印度、墨西哥、哥伦比亚、伊朗、约旦、卡塔尔、新加坡、港、台专家;非SCI的国外他人引用247次,而他引者是美、英、德、法、意、瑞典、奥地利、丹、西、土耳其、匈牙利、波兰、斯洛文尼亚、克罗地亚、罗马尼亚、捷、加拿大、墨西哥、哥伦比亚、日、印度、伊朗、阿曼、约旦、马来西亚、新加坡、港、台专家),被EI收录197篇、SA收录88篇、ISTP收录40篇、CSA收录7篇并全部做成文摘。尤其,美国西北大学工业工程与管理科学系主任、《IIE Transactions》主编Mark S. Daskin教授在美国工业工程师学会会刊《Industrial Engineer2003, 35(8)上发表“Research Reports”介绍了他在汽车装配线生产计划与调度集成优化方面取得的成果,以期引起工业工程界的注意和应用,这在国内还是第一次。

他先后历经33年,在五个方面做出开创性工作:(1)在国际上首次提出了知识化制造新理念和一种全新的复杂知识表示方法——知识网;(2)针对诺贝尔生理学提名奖获得者美籍奥地利理论生物学家和哲学家路德维希·冯·贝塔朗菲(Ludwig von Bertalanffy)创始的系统论的不足,提出了等效论(Equivology),为实现等效论又提出了多维泰勒网从而解决一般非线性系统的建模问题,并基于等效论和多维泰勒网建立了社会经济系统控制包括离散与连续时间系统在内的数学模型;(3)揭示菲尔兹奖获得者法国数学家雷内托姆(Rene Thom)创始的突变论与量变质变规律的本质和引起突变的内在机制,在动力学系统的意义上统一了两者的哲理并克服了其不足,提出了正负反馈交替论(Napofics),基于正负反馈交替论和多维泰勒网建立了相应的离散与连续时间系统动力学模型(4)以多维泰勒网作为集成平台融合了经典控制、现代控制与智能控制的精华,克服了其不足,从而在国际上首次提出多维泰勒网优化控制并建立了相应理论,实现并解决了自1950年代苏联著名学者庞特里亚金(Pontryagin)创立最大值原理以来最优控制理论中难以解决的一般非线性系统最优闭环控制问题和非常困难的快时变非线性系统自适应控制问题,使控制理论发展到了一个新阶段,并最终使多维泰勒网优化控制发展成在武器装备控制和民用装备设施控制中预计至少占70%的控制技术(5)对于占全国工业总产值70%以上的流程工业,基于多维泰勒网,建立了流程工业实时控制层设定点能耗、产量、质量及环保指标之间半机理时滞非线性动力学模型解决了目前世界上无法解决的流程工业实时控制层设定点与能耗、产量、质量及环保指标之间的时滞非线性动力学模型的建立难题,突破了流程工业纵向集成优化控制的最后一公里的瓶颈发明了在流程工业集成优化控制中具有独占性和不可替代性的多维泰勒网集成优化控制技术一旦在我国流程工业全面推广应用,则所带来的经济效益和社会效益无疑将是一个巨大的天文数字。详见开创性工作。

应用研究表明多维泰勒网(MTN)优化控制不仅可显著改善我国海陆空火箭军武器装备的机动性、鲁棒性和抗干扰性能,并显著提高其打击能力、目标打击精度和生存能力,而且可显著改善我国民用行业装置、设备、生产线与系统控制的精度、动态性能、鲁棒性和抗干扰性能,预示着很好的应用前景(详见开创性工作四)。这些应用研究,除无人机的实际飞行控制和智能小车实际轨迹跟踪是实物(比较便宜,3000元左右一个)实验和水泥分解炉出口温度控制因从实际数据辨识出来就是多入单出时滞线性系统外,其余都是基于被控对象非线性多入多出强耦合动力学模型且其模型参数取自实物辨识、应用单位提供、书籍、学术论文、学位论文或互联网的Matlab数字仿真。当无法建立被控对象机理模型时,如坦克,则使用Adams建立包含187个刚体、1015个自由度的三维虚拟坦克来进行三维仿真实验。由于火箭、导弹、飞机、直升机、坦克、舰艇、鱼雷和海上石油钻井平台非常昂贵,既买不起,也无处购买,所以只能采用仿真实验。具体如下:

(1)在多旋翼无人机的实际飞行控制中,MTN优化控制的调节时间比PID优化控制缩短29.5%38.6%,在56 m/s的自然风速情况下前者的最高飞行高度比后者提高2.73.2 m(高度越高,风越大)。在抗风干扰极限仿真实验中,MTN优化控制的抗常值风能力比基于反步法的动态面优化控制和PID优化控制分别提高1倍和89%,前者的抗随机风能力比后两者分别提高2.25倍和86%,前者的抗阵风能力比后两者分别提高33.3%17.6%,前者的抗切变风能力比后两者分别提高47.1%42.9%

(2)对于智能小车实际轨迹跟踪与仿真,当实际行驶于沥青路面时,MTN优化控制左右两车轮的速度响应曲线超调量比PID优化控制分别降低1.70倍和1.43倍,调节时间比PID缩短42%38%,最大静态误差比PID减少63%1.25倍,且稳定状态下两种控制器均出现信号抖动现象,MTN控制器的抖动幅度小于PID控制器。抗路面干扰仿真实验表明,MTN控制允许的最大路面摩擦力系数和滚动摩擦力系数比PID优化控制分别提高20%71%,比反步法优化控制分别提高45%1.08倍。

(3)对于运载火箭飞行的滤波与控制,自适应MTN控制、PD优化控制和模型参考自适应控制的一阶弹性振动负向极限误差分别为-49%、-36%和-36%,MTNPD和模型参考自适应均提升了36%MTNPD和模型参考自适应允许的放大系数(即平均稳定裕度)最大值分别为2.71.71.9MTNPD和模型参考自适应分别提升了58%52%。经与某航天院的运载火箭全数字虚拟仿真验证系统的对接验证表明,采用自适应多维泰勒网控制器已能解决一次控制器设计及其参数优化无需修改直接在具有不同载荷与罐装燃料的同型运载火箭上的多次复用问题。

(4)对于打击态目标的对称巡航导弹飞行控制,多维泰勒网控制相比PID控制和PID神经网络控制可提高12个数量级的目标打击精度。对于打击态目标对称巡航导弹飞行控制,分别采用比例制导和滑模制导时,多维泰勒网优化控制的平均目标命中精度比PID优化控制和需要精确机理模型的积分滑模变结构优化控制分别提高1.246.16倍和1.945.91倍。对于打击态目标的对称巡航导弹飞行控制,多维泰勒网优化控制的平均目标命中精度也比PID和需要精确机理模型的积分型滑模优化控制分别提高10.68倍和1.40倍。对于打击机动目标的对称导弹飞行控制,多维泰勒网优化控制的平均目标命中精度也比PID和需要精确机理模型的滑模优化控制分别提高2.43倍和1.91倍。

(5)对于固定翼飞机飞行控制,多维泰勒网优化控制的横侧向给定控制角度相比PID和需要精确机理模型的滑模优化控制分别提高1317度和56度。

(6)对于无人直升机飞行控制,MTN优化控制、PID优化控制和模糊PID优化控制分别最大能够经受住1.74倍、1.17倍和1.24倍的“基准”干扰,MTN优化控制的抗干扰能力比PID和模糊PID控制分别提高48.7%40.3%MTN优化控制的抗常值风能力比PID优化控制、模糊PID优化控制分别提高7.09%6.25%,前者的抗随机风能力比后两者分别提高58.82%68.75%,前者的抗阵风能力比后两者分别提高37.5% 29.41%,前者的抗切变风能力比后两者均提高39.13%

(7)对于坦克高速行进间发射控制,多维泰勒网控制的坦克最大行驶速度可比PID控制提高9.913 km/h,而多维泰勒网控制的弹丸平均脱靶量即使在忽略PID失控的情况下也比PID控制减少80.23102.52 m

(8)对于舰船减摇控制,多维泰勒网控制达到横摇角的最大允许倾斜角时海浪有义波高值最大,在11.2m11.3m之间;PID的海浪有义波高值次之,在10.5m10.6m之间;需要舰船精确机理模型的滑模变结构控制的海浪有义波高值最小,在8.0m8.1m之间。

(9)对于打击态目标的鱼雷航行控制,多维泰勒网优化控制的平均打击精度比PID优化控制和需要精确机理模型的滑模优化控制分别提高了5.075倍和2.476倍。对于打击态目标的鱼雷航行控制,多维泰勒网优化控制的平均打击精度比PID优化控制和需要精确机理模型的滑模优化控制分别提高3.558倍和1.743倍。

(10)对于海上石油钻井平台动力定位控制,在无一阶波浪干扰的情况下,MTN优化控制的调节时间比PID优化控制和反步法优化控制分别缩短了61.69%44.60%;就抗干扰和定位波动性而言,MTN、反步法和PID优化控制允许的最大海浪有义波高分别为11.0m11.2m10.1m10.3m8.9m9.1m,相应的横荡平均值的均方差分别为0.11760.1254m1.57311.9935m0.15560.1439m;就鲁棒性而言,MTN、反步法和PID优化控制允许的最大钻井平台水动力阻尼系数和惯性矩阵系数误差分别为54%4%44%。其中,反步法优化控制器不仅需要钻井平台的精确机理模型,而且需要精确干扰测量。

(11)对于水泥分解炉出口温度控制,自适应多维泰勒网控制的调节时间比PID优化控制和自适应BP神经网络PID控制分别平均缩短43.41%23.26%

需要指出,多维泰勒网优化控制器不仅继承了PID控制器既可以不需要被控对象机理模型又可以不需要干扰测量的优点,而且两者所需要的测量装置也相同,也就是说,既不需要额外增加硬件成本,也不会降低系统可靠性。唯一不同的是前者与后者相比增加了高次项,即增加了计算量,而多旋翼无人机的实际飞行控制和智能小车实际轨迹跟踪试验已经表明这一点计算量对嵌入式系统来说根本算不了什么,丝毫不影响多维泰勒网优化控制器的实时性。



  

  

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  • l主要研究方向

    l开创性工作

    l已完成和正在承担的主要科研项目

    l主要获奖和荣誉称号

    l主要论著

    l主要学术兼职

    l博士生和研究生培养




    主要研究方向
  • 1控制理论与控制工程

    (1)计算机集成制造系统

    面向国民经济建设主战场,沿着信息化带动工业化的方向,着重进行计算机集成制造系统/现代集成制造系统(CIMS)、制造资源计划(MRP II)、管理信息系统(MIS)和制造业信息化等方面的推广应用工作。  

    (2)控制与管理综合自动化

    本方向的特色是注重理论联系实际——即在综合自动化实践中发现问题,形成理论,反过来又指导实践。鉴于国内当前实际需要和国际最新研究前沿,正在深入开展敏捷制造、并行工程定量过程建模、车间生产计划与调度优化、柔性制造系统建模与调度、制造系统控制、企业产品市场需求预测、产品开发时间预测等方面的研究工作,并有望在先进制造过程建模、计划、调度与优化方面取得重大突破。  

    (3)复杂知识处理理论与知识化制造

    知识化制造系统(Knowledgeable Manufacturing Systems)和知识网(Knowledge Mesh)是他在国际上首次提出的新概念。目前,正在研究基于知识网的复杂知识处理方法和知识化制造的若干关键技术,逐步建立和完善知识化制造的理论体系,并有望取得重大突破(详见开创性工作一)。  

    (4)多维泰勒网优化控制

    多维泰勒网优化控制是他历经30年的研究成果,是近7年的主攻方向。多维泰勒网优化控制以多维泰勒网作为集成平台融合了经典控制、现代控制与智能控制的精华,克服了其不足,使控制理论发展到了一个新阶段。多维泰勒网(MTN)优化控制相比神经网络控制的优点如下:(1) MTN从其低维非线性空间映射到高维线性空间后将成为线性控制器;(2) MTN善于表示或逼近非线性动力学系统,包括不稳定的非线性动力学系统,至少能精确表示多项式动力学系统;(3) MTN作为非线性辨识器,是状态和输入的简单函数,便于分析和求解,尤其便于用最小值原理求解最优控制并据此获得能使闭环系统稳定的MTN控制器初始参数;(4) MTN只包含加法和乘法,计算量小,便于实现实时控制;(5) PID和线性控制器是MTN控制器的特例,因此前两者可作为能使闭环系统稳定的MTN控制器初始参数;(6) 在任何实际情况下都能获得使闭环系统稳定的MTN控制器初始参数。此外,MTN与神经网络一样具有学习能力,因此多维泰勒网优化控制同样具有智能控制的优点。就应用来说,PID与线性控制器更适合高控制精度+小输入信号+小扰动;多维泰勒网优化控制更适合高控制精度+大输入信号+小扰动,或高控制精度+小输入信号+大扰动,或高控制精度+大输入信号+大扰动;智能控制更适合低控制精度。应用研究表明多维泰勒网优化控制不仅可显著改善我国海陆空火箭军武器装备的机动性和抗干扰性能,并显著提高其打击能力、目标打击精度和生存能力,而且可显著改善我国民用行业装置、设备、生产线与系统控制的精度、动态性能和抗干扰性能,预示着很好的应用前景(详见开创性工作四)。

      

    2.系统工程

    (1)生产计划与调度

    面向国民经济建设主战场,沿着信息化带动工业化的方向,着重研究生产计划与调度优化理论,进行其在计算机集成制造系统/现代集成制造系统(CIMS)、制造资源计划(MRP II)、管理信息系统(MIS)和制造业信息化等方面的开发应用工作。  

    (2)等效论(Equivology)与经济系统控制

    等效论与经济系统控制是他历经30年的研究成果,是近几年的主攻方向之一。基于等效论、多维泰勒网和社会经济系统控制包括离散与连续时间系统在内的数学模型,着重研究经济的定量预测、经济分析与控制、经济稳定性定量分析、和经济政策定量分析的理论与方法。在此基础上,研发经济系统控制软件并应用于实际(详见开创性工作二)。  

    (3)正负反馈交替论(简称交替论,Napofics)与灾害预报

    正负反馈交替论与灾害预报是他历经29年的研究成果,是近几年的主攻方向之一。基于产品需求预测和产品开发时间预测的多年研究积累,参照国家中长期科学和技术发展规划纲要并结合我国频发重大灾害(如汶川地震等)对灾害预报提出的重大需求,采用基于正负反馈交替论的离散与连续时间系统动力学模型和多维泰勒网,开展灾害预报研究工作(详见开创性工作三)。


  • 开创性工作

  • 严洪森---开创性工作(2020 3.0).pdf


  • 已完成和正在承担的主要科研项目
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      • 1.已完成的主要科研项目

        1)国家863/CIMS主题应用基础研究项目(863-511-708-008),敏捷制造环境中客车装配车间计划与调度的集成优化系统,1997919998月,14, 负责,已完成。

        本项目已于19999月通过国家863/CIMS主题制造自动化专题专家评审组的验收,评审结论为“该项目研究已超额完成了国家863项目合同规定的任务,项目成果有创新,具有国际先进水平”,项目得分91.8,等级为A,在1999年全国该专题验收的所有9个应用基础研究项目中排名第二,也是其中仅有的项目得分在90分以上的两个项目之一。2000320日通过由江苏省科委组织并委托江苏省教委主持的鉴定,鉴定结论为:“该成果在车间生产计划与调度的集成优化方面有创新,达到国际先进水平”。

        本项目研发的汽车装配车间生产计划与调度的集成优化系统已于19993月在南京跃进轻型汽车股份有限公司总装厂投入实际运行,取得了显著经济效益和良好的社会效益,包括降低在制品库存30%,缩短生产周期45%,年节约生产成本376万元,提高了车间的现代化管理水平和员工生产积极性。

        2)国家863/CIMS主题应用基础研究项目(863-511-943-005),敏捷制造模式下的汽车装配件制造执行系统,19993-200010月,21万,负责,已完成。

        本项目已于200010通过国家863/CIMS主题制造自动化专题专家评审组的验收。验收结论为“该项目已很好地完成了国家863项目合同规定的任务。理论成果有创新,具有国际先进水平”。项目得分90.29,在2000年全国该专题同批验收的所有18个应用基础研究项目中排名第二。200012月通过由江苏省科学技术厅组织的鉴定。鉴定委员会认为“系统关键技术先进、有效;体系结构和数据库设计合理;实现技术先进;功能齐全,系统安全、实用;还具备了进一步应用于CIMS环境和敏捷制造环境的可扩展性。项目成果有创新,具有国际先进水平。

        本项目研发的汽车装配件制造执行系统已于20009月在南京跃进轻型汽车股份有限公司车身厂投入实际运行, 并取得了显著经济效益和良好的社会效益。它通过计划自动编排使生产计划编制时间从原来的3人编2天缩短为40分钟,通过合理安排生产和优化资源(设备、工装、物料等)配置提高设备利用率10%,压缩在制品10%,通过技术工艺文档的无纸化管理来确保文档的唯一性,通过成本管理来制定合理的成本指标以控制各个环节的成本,最终达到年节约生产成本 81万元,提高了车间的现代化管理水平和员工生产积极性。

        上述两个国家863/CIMS主题应用基础研究项目(863-511-708-008863-511-943-005 )的综合成果“汽车制造车间生产计划与调度优化系统”已获2001年度江苏省科技进步二等奖。

        3国家863计划现代制造集成技术专题探索导向类课题(2007AA04Z112),混批生产车间作业计划与调度的集成优化和仿真系统,200710-20099月,39万,负责,已完成,已提交课题自验收报告

        4)国家自然科学基金项目(69884001)CIMS并行工程的组织、过程建模及仿真的定量研究, 19991200112月,12万,负责,已完成,结题评审结果为特优。

        5国家自然科学基金项目(60443001),知识化制造系统的自重构研究, 20041–200412月,10万,负责,已完成,结题评审结果为优。

        6国家自然科学基金项目(50475075),混批制造系统的生产计划与调度的集成优化研究, 20051–200712月,21万,负责,已完成,已通过国家自然科学基金委员会工程与材料科学部的审核,准予结题。

        7国家自然科学基金项目(60574062),基于知识网的知识化制造系统自重构优化研究,20061–200812月,22万,负责,已完成,结题评审结果为优,准予结题。

        8国家自然科学基金项目(50875046),制造系统成品需求短期预测模型研究及应用,20091–201112月,36万,负责,已完成,已通过国家自然科学基金委员会工程与材料科学部的审核,准予结题。

        9国家自然科学基金重点项目(60934008)知识化制造系统优化方法研究与应用20101–201312月,200万,负责,已完成,结题评审结果为良好,准予结题

        10)江苏省自然科学基金项目(BK95047506),灵活(Agile)并行工程的建模及仿真的研究, 19959-19988月,4万,负责,已完成。

        该项目已于19989月通过由江苏省自然科学基金委所组织的专家组的验收,验收结论为国际先进水平,结题项目评议等级为优秀。

        11高等学校骨干教师资助计划项目,产品开发任务所需时间智能预测系统研究, 20006–20025月,6万,负责,已完成

        12高等学校博士学科点专项科研基金项目(20040286012),多生产系统协调的生产计划与调度的集成优化研究,20051–200712月,5万,负责,已完成

        13)国家863/CIMS主题重点应用工程项目,车间、单元、工作站和DNC接口系统研究与开发, 19927-199510月,40万,第5完成人,承担车间控制器的开发,已完成。

        该项目已于19961月通过江苏省科委主持的鉴定,鉴定结论为国际先进水平,获1996年度中国航空工业总公司科技进步三等奖和1996年度江苏国防科技工业科技进步二等奖。

        14)江苏省电子振兴办公室项目,江苏利港电力有限公司管理信息系统, 19967-19983月,120万,第14完成人,负责集控分系统,已完成。

        该项目已于199812月通过江苏省科委主持的鉴定,鉴定结论为国内领先水平,获1999年度江苏省科技进步三等奖。

        江苏利港电力有限公司管理信息系统已于19977月开始投入实际运行,年创经济效益2558.78万元,其中集控分系统年创经济效益606.65万元。

        15)国家863/CIMS应用示范工程项目,江苏沙钢集团CIMS70万,19953-9961月期间参加可行性研究和初步设计,服务队中排名第3,负责总体设计,已完成。

        16)东南大学基本科研业务费重大科学研究引导基金重点研究领域定向项目(2242014K10031),严氏最优控制可行性研究,20141201512月,20万,负责,已完成和结题。根据一些同行专家的建议, 已将“严氏最优控制”改称“多维泰勒网优化控制”。

        17)东南大学基本科研业务费重大科学研究引导基金重点研究领域定向项目(2242017K10003),多维泰勒网优化控制平台研究与应用,20171201712月,15万,负责,已完成

        18)江苏高校优势学科建设工程资助项目,多维泰勒网优化控制研究,20141201712月,30万,负责,已完成

          

        2.正在承担的主要科研项目

        1国家自然科学基金项目(61673112)存在返工的定点装配车间生产计划与调度的集成优化研究及应用20171–202012,直接费用61万,负责,正在进行中。

        2中国航天科技集团公司上海航天技术研究院2019年度科技创新(SAST)基金项目(SAST2019-020),运载火箭飞行的多维泰勒网自适应控制技术研究与仿真,20201–202012月,经费10万,负责人:严洪森,正在进行中。

  • 科研论文:

    严洪森---主要论著.pdf

  • 博士生与研究生培养

  • 严洪森---博士生和研究生培养(2020 1.0).pdf