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过程系统的大规模优化问题研究

仲卫涛  
【摘要】: 流程工业作为一个国家的主导行业,对国民经济的发展起着举足轻重的作 用。利用企业综合自动化改造传统产业,可极大挖掘企业的内部潜力,产生巨 大的经济和社会效益。 过程优化作为工业企业综合自动化的关键一环,是企业挖潜增效的核心所 在。当前,以严格机理模型、开放式方程建模为基础的流程工业大规模优化已 成为过程优化技术发展的主流方向。 本文立足于流程工业大规模过程优化的现实需求,在对国内外现有研究成 果及技术发展脉络进行系统总结及把握的基础上,对大规模过程系统优化中涉 及的关键技术和优化理论进行了深入的研究,并结合实际,对若干应用问题进 行了有益的探索。 本文的主要研究工作包括: 1)对大规模过程系统优化问题产生的原因和发展过程进行了详尽的分析与阐 述,系统论述了流程工业大规模优化的主要推动力及发展现状,对现有研究 成果进行了分析与评述,并指出了理论研究与实际应用中所存在的困难和一 些亟待解决的问题; 2)提出一种通用的过程优化预处理算法,通过数值侦测手段自动获得优化命题 的稀疏结构信息,可显著减少寻优过程所需计算量,为大规模稀疏优化命题 的有效求解提供了可能; 3)开发了一种基于通用优化预处理算法、结合稀疏矩阵技术的大规模过程优化 稀疏SQP方法及实施策略。大量数值实验表明,该策略求解流程工业优化 命题十分有效; 4)提出一种扩展的自动微分方法XAD,可满足数值计算中对精确数值/解析导 数的需求,并解决现有求导方法不能求取程序封装函数解析导数的困难,为 大规模数值计算中导数表达式的获得提供了一条全新的途径。目前,尚未见 到有关此方面的研究文献报道; 11 浙江大学博士学位论文 一 5)开发了一种结合矩阵压缩技术的XAD方法,可充分利用流程工业大规模优 化命题的稀疏结构,显著提高XAD的求导效率。对高维稀疏Jacobian矩阵 及典型流程工业优化命题的数值实验表明了该方法的有效性; 6)提出一种基于随机多点残差估计的离散化模型精度控制算法,可有效处理微 分-代数混合系统优化中OCFE的离散化模型精度问题。数值实验表明,该 算法具有构造简单、计算量少、易于实施的优点: 刀 针对一个间歇缩聚反应釜的生产,提出以反应温度为调节手段、每釜反应时 间最小为目标函数的间歇缩聚反应釜操作优化方案。利用现场数据校验反应 机理模型,并以OCFE方法及开放式方程建模思想为基础,综合运用模型精 度控制算法、扩展自动微分技术、变量标度化等多项措施对该微分·代数混 合系统优化命题进行求解,优化结果令人鼓舞。


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