实验室面向实现我国流程工业绿色化与综合自动化、实现企业全局优化、提高企业竞争力的重大需求，解决实现流程工业综合自动化提出的工业界亟待解决的，对控制理论与控制系统设计方法中具有挑战性的关键科学技术问题，确定了实验室的主要研究方向为：生产全流程一体化控制、企业生产与运作管理中的建模与优化决策方法、具有综合复杂性的工业过程智能建模与控制、难测工艺参数与生产指标的软测量与检测技术及装置、生产过程的运行工况故障预测、诊断与自愈控制。五个研究方向形成有机的整体，以工业装置的检测与控制—复杂工业过程的运行控制与运行工况故障诊断—生产管理与运作管理的决策—全流程一体化控制—流程工业综合自动化理论与方法为主线，解决难测参数与生产指标的实时检测、具有综合复杂性的工业过程的控制、难以建立数学模型的工业过程的安全运行控制、以综合生产指标为目标的生产全流程运行控制以及综合自动化系统的安全性、协同性和易用性等的理论与方法问题。主要研究方向的相互关系如下图所示。
1）生产全流程一体化控制
流程工业综合自动化是采用自动化技术，以计算机和网络技术为手段，将生产过程的生产工艺技术、设备运行技术和生产过程管理技术进行集成，实现生产过程的控制、运行、管理的优化集成，从而实现管理的扁平化与精细化和与产品质量、产量、成本、消耗相关的综合生产指标的优化控制。因此，需要从总体上研究生产全流程一体化控制的体系结构、设计技术、集成技术和实现技术。主要研究内容包括：
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生产全流程一体化过程控制系统的模型体系、模型结构与建模方法
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数据、机理分析和知识驱动的复杂工业过程整体优化控制理论与方法
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生产制造全流程运行优化控制方法
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全流程运行优化控制与企业生产与运作管理的优化集成方法
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综合自动化系统的半实物仿真系统的研制与仿真研究
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综合自动化系统体系结构、设计方法、实现技术及工程应用
2）企业生产与运作管理中的建模与优化决策方法
生产管理与经营决策是综合自动化的一个核心内容。“管理与决策”将设备级的底层自动化系统与企业面临的产品、原料两个市场联系起来，使企业成为一个“资源配置合理、物料流动有序、生产井井有条”
的有机整体，在整个综合自动化中起着“提纲挈领”的作用。主要包括：
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数据和模型相融合的多目标非线性智能优化理论与方法
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企业运作管理中的建模与优化决策方法
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流程工业生产计划调度和物流与供应链计划调度中的建模与优化理论和技术
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流程工业一体化计划调度理论与方法
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制造执行系统的体系结构、设计方法与实现技术及应用
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企业资源计划系统的体系结构、设计方法与实现技术及应用
3）具有综合复杂性的工业过程混合智能建模与控制
具有综合复杂性的工业过程控制是对基于数学模型的控制理论与控制器设计方法具有挑战性的难题。混合智能建模与控制的理论和技术是实现复杂工业系统运行优化和优化控制的理论基础。主要研究内容包括：
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复杂工业过程混合智能建模方法
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非线性鲁棒自适应控制
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多变量智能解耦控制理论与方法
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数据驱动的具有综合复杂性的工业过程智能控制方法
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复杂工业系统的分析与优化控制方法
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重大耗能设备智能优化控制系统的研究与应用
4）难测工艺参数与生产指标的软测量与检测技术及装置
流程工业工艺参数与生产指标是确保生产全流程安全、可靠、高效运行的关键参数与指标。其检测、监控、分析测试技术和装置是综合自动化系统得以正常运行的神经中枢。主要研究内容包括：
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黑体空腔辐射测温理论及其钢水、板坯测温技术
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气力输送粉体流动参数检测方法与装置
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高精度固液相混合流体流量检测技术与装置
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管道破损内检测与实时泄漏检测定位技术及装置
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难测工艺参数与性能指标的软测量方法
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与生产过程质量、效率、能耗、物耗相关的生产指标在线检测技术与装置
5）生产过程的运行工况故障预测、诊断与自愈控制
生产过程的故障诊断与安全运行技术是保证大型生产制造装备安全、可靠运行的前提，是保证生产制造全流程优化运行的关键技术，也是综合自动化系统正常运行的保证；其涉及的理论与方法也是对已有的以控制器、执行机构和检测装置为对象的故障诊断与容错控制方法的挑战。主要包括：
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复杂工业过程的监控方法
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模型与数据驱动的复杂工业过程运行工况的故障预报、诊断与自愈控制
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生产过程全流程控制与管理决策中的故障诊断、预报与安全运行控制技术
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工业过程故障诊断与安全运行系统的体系结构、设计方法与实现技术及应用