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基于模糊理论的化工过程多目标优化集成研究

孙力  
【摘要】:化工过程优化以往主要注重经济性,随着可持续发展的要求越来越迫切,在优化过 程中还要考虑过程的环境影响,优化的目标扩充为过程经济最优和环境影响最小。而化 工过程优化不仅要使上述两个目标最优,还应满足过程的可操作性。本论文将过程安全 性及装置可靠性作为新的优化目标加入到过程优化中。 本论文在总结以往化工过程优化策略的基础上,对多目标优化问题提出基于模糊理 论的复合式过程集成方法,并进行了理论和实例研究。论文的主要内容有: (1) 本论文对过程的经济性、安全性和装置可靠性这三个优化目标直接引进相关领域 的研究成果进行了数学描述,而针对过程的环境影响开发了基于多目标模糊优选理论的 化合物环境影响指数的确定方法。论文中将多目标模糊优选理论应用于化学物质环境影 响指数的确定,并非简单、直接的套用,而是针对环境问题的特点,结合系统性和层次 性,根据不同的分层准则,建立化学物质的环境影响系统模型;同时充分考虑事物的过 渡性质,浮动地选择阈值,结合决策者的主观能动性,以保证评价系统的灵活性、可操 作性和实用性,使结果更符合客观实际。 (2) 化工过程优化目标之间往往通过决策变量相互制约,目标函数的拓扑结构十分复 杂,而且其重要性和优越性并不相同,因此各优化目标具有不同的优先度。目标优先度 的确定合适与否将关系到优化决策的合理性,乃至成败。 论文应用模糊决策分析法确定目标的优先度,突破了以往应用层次分析法(AHP 法)等进行多目标决策的传统。通过对决策集中定性因素重要性和优越性的反复思考, 按照严谨的数学定理和逻辑推理,确定合适的目标优先度,以反映多目标优化的实际要 求。 (3) 集成概念为化工优化问题提供了系统方法。本论文探讨了各种集成方法的特点及 其在化工优化中的应用。 对于多目标优化问题的求解策略,将不同集成策略进行组合是必然的发展趋势。而 优化目标的增加,不可避免地增加过程的不确定性和模糊性。本论文提出了基于模糊理 论的复合式过程集成方法,并建立了化工过程多目标优化的总体框架。对于具体问题, 应用层次分析等集成方法寻找过程优化的机会,确定备选方案;应用模拟技术评价备选 方案的优劣,并为过程优化建模提供基础;对于形成的多目标MINLP问题,应用本论 文开发的基于相对优属度的模糊优化方法进行求解。 (4) 论文讨论了广义Benders分解法,分枝定界法等常用的求解MINLP问题的方法和 大连理工大学博士学位论文 遗传算法、模拟退火、禁忌搜索法等启发式算法的特点。这些算法对于实际应用,在运 算通用性、有效性和规模问题上还有一些差距。本论文开发了基于相对优属度的模糊优 化方法,将多目标优化问题根据问题特点和决策者的要求转换为单目标优化形式,并应 用本论文开发的基于模糊算子的稳态非劣排序遗传算法进行求解,以获得多目标同时优 化的适宜解,最终获得过程的满意解。 (5)本研究在稳态非劣排序遗传算法的基础上,引入模糊算子处理约束问题和前期劣 个体,形成了基于模糊算子的稳态非劣排序遗传算法,并进行算法测试。 模糊处理约束问题是将模糊理论和GA集成,模糊化决策变量空间可行域和不可行 域之间明显的界限,保留了部分离可行域较近的不可行个体,使其有机会通过交叉、变 异等算子进入可行域,增加了种群的多样性;前期处理劣个体,是指在遗传操作前期, 对部分较劣的个体进行一定的处理。引入模糊算子处理约束问题和前期劣个体的操作在 提高种群适应度的同时,改善了遗传算法的局部搜索能力,兼顾了种群的多样性,在保 证算法收敛质量的前提下,加快了算法的收敛速度,有效预防成熟前收敛的发生。 (6)本论文应用基于模糊理论的复合式过程集成方法对合成氨、尿素凝液回收处理系 统进行过程的环境影响,经济效益,过程安全性,装置可靠性这四个目标同时优化的实 例研究,并与实际过程比较,以分析和验证优化策略的有效性和实用性。 关键词:多目标优化目标优先度复合集成模糊理论多目标模糊优化遗传算法


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