4.6-化工过程大系统的优化培训讲学.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 化工过程系统的优化,化工过程分析与合成,目 录,4.1,概述,4.2,化工过程系统优化问题基本概念,4.3,化工过程系统最优化问题的类型,4.4,化工过程中的线性规划问题,4.5,化工过程中的非线性规划问题,4.6,化工过程大系统的优化,4.6,化工过程大系统的优化,前面所描述的优化问题，仅仅涉及到一个单元设备或一个局部过程。,实际的过程系统往往是针对一个较大或者是较复杂的系统进行的，所包含的线性和非线性方程更多、更复杂。,一般来说当方程个数大于,100,时，用计算机直接求解就有困难。,化工过程大系统的优化方法,和过程系统的稳态模型一样，过程大系统的最优化问题可有以下方程来描述：,流程描述方程,尺寸，成本方程,等式设计约束,不等式设计约束,求解,(OPT1),优化问题的优化方法视其处理约束条件的方式分为两大类：,可行路径型和不可行路径型,可行路径型是指优化搜索过程在可行域内进行，因此对决策变量,w,迭代的每次取值，都必须求解流程方程，尺寸及成本模型方程和等式设计约束方程。,不可行路径型是指优化搜索过程仅在最优解处满足约束条件。这类方法中所有变量,w,、,x,、,z,同时向使目标函数,F,最优而又满足约束条件的方向移动。,不可行方法,可行方法,NLP,规模,大,小,过程模型每一步需要求解,不,是,需要的初始猜测值,状态和控制变量,控制变量,两种优化方法的比较,过程大系统优化问题的求解方法，可以看作是最优化方法与稳态模拟方法的结合。,通常，可以利用稳态模拟方法求解等式约束方程，利用最优化方法寻求满足约束的目标函数最优解。,这两方面中不同方法相结合就产生了不同类型的系统模拟优化策略。,序贯模块法,面向方程法,联立模块法,可行路径法,不可行路径法,过程系统模拟法,最优化方法,1,2,3,1,4,5,可行路径黑箱搜索法,(Feasible-Path Pointwise Black Box Method),；,可行路径联立模块法（又称可行路径组合模块法）,(Feasible-Path Block Modular Method),不可行路径序贯模块法,(Infeasible-Path Sequential Modular Method),不可行路径面向方程法,(Infeasible-Path Equation Oriented Method),；,不可行路径联立模块法,(Infeasible-Path Block Modular Method),。,(2),化工过程大系统优化方法评价标准,应用方便，如尽可能地利用现有的流程模拟系统，把数据和函数引入最优化算法程序，且花费的人工最少。,计算可靠，初值选择方便，计算过程需要人工干预少，计算方法的适应性强。,解效率高,(3),系统模拟优化采用的最优化方法评述,直接搜索法,它应用简便，计算比较可靠，但优化计算每迭代一次都要做一次全流程模拟计算，属于可行路径法。用这种方法即使计算变量很少的优化问题（如,5,个变量），也需要,5-400,次全流程模拟，计算效率很低。因此在早期的的研究工作中报道较多，目前已很少被采用。,罚函数型和拉格朗日函数型的优化方法。,曾被广泛用于处理有约束的非线性问题，但随着问题维数的增多，其数学性质变得复杂，条件变坏，求解困难，而且罚函数的选择和修正带有很大的任意性。因而，仅用于解决大系统参数优化问题。,序列线性逼近法（,SLP,）,该法适应性强，能处理大规模的优化问题，但收敛速度慢。序列二次规划法（,SQP,）属于不可行路径法，它具有很好的性质：收敛速度快，计算效率高，是当前公认的最好的优化方法之一。但,SQP,法不能直接用于维数过多的优化问题，须辅以变量分解法以缩小变量空间。,广义简约梯度法（,GRG,）,该法是一种很有吸引力的方法，它适应性好，收敛速度快，特别是可以直接用于处理大规模优化问题，但在过程优化方面应用的报道不多。,4.6.1,可行路径优化法,(1),可行路径黑箱搜索法,将过程系统视为“黑箱”，在优化计算确定决策变量的搜索过程中，只是根据目标函数确定搜索方向，而不涉及任何有关过程系统结构或过程单元类型的信息,利用流程模拟系统作为基础,过程优化问题,(OPT1),被简化成下列非线性规划问题,:,每组决策变量,w,，利用流程模拟系统作为功能黑箱，产生相应的状态变量值,x,。模拟方程的解,x,与决策变量,w,一起用于评价目标函数,F,和不等式约束,g,。然后，利用非线性规划,(NLP),模块产生新的决策变量,(2),可行路径联立模拟法,可行路径优化方法与联立模拟法结合的产物,产生新的决策变量时，利用了某些过程系统模型的信息,该法把描述流程的方程和变量分解为描述每个过程单元的模块子集。每个单元模块的变量分为输入输出变量和内部变量。,在一组给定的决策变量下求解各个严格单元模块，产生单元的简化模型。单元简化模型与系统结构模型构成了流程系统的简化模型,4.6.2,不可行路径,可行路径优化方法计算效率低，其根本原因是抛弃大量超出可靠域的试算点,优化方法在每个搜索点处不一定满足等约束方程（流程方程），但在最优点处可以保证约束方程收敛,模拟与优化同步收敛,Wilson-Han-powell,提出的序列二次规划法（,SQP,）,End,