大規(guī)模復(fù)雜過程系統(tǒng)的高性能優(yōu)化理論與方法研究.pdf

1、優(yōu)化是流程工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的一項(xiàng)重要技術(shù)手段。從過程系統(tǒng)工程的角度來看，流程工業(yè)優(yōu)化主要分為兩個方面，最優(yōu)過程設(shè)計(jì)以及最優(yōu)過程操作。目前對于最優(yōu)過程設(shè)計(jì)的研究主要集中在過程綜合，包括換熱網(wǎng)絡(luò)綜合、分離序列綜合以及反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)綜合，這類綜合問題通?？梢员幻枋龀苫旌险麛?shù)非線性規(guī)劃問題，求解非線性規(guī)劃問題的優(yōu)化算法作為求解混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題的核心部件，其魯棒性是成功求解混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題的一個前提條件，如果某個非線性規(guī)劃問題不能被求解，

2、則整個算法將無以為繼。在最優(yōu)過程操作方面，目前采用的是實(shí)時過程操作優(yōu)化系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)調(diào)和問題、參數(shù)估計(jì)問題以及整體操作優(yōu)化問題都可以被描述成非線性規(guī)劃問題，求解非線性規(guī)劃問題的優(yōu)化算法的魯棒性和實(shí)時性在是整個實(shí)時操作優(yōu)化系統(tǒng)得以正常運(yùn)行和實(shí)施的保證，如果優(yōu)化算法不能夠及時地收斂到最優(yōu)點(diǎn)，并仍然將優(yōu)化計(jì)算結(jié)果強(qiáng)行進(jìn)行實(shí)施的話，操作優(yōu)化的實(shí)際意義就會喪失。以上的過程系統(tǒng)優(yōu)化都是基于穩(wěn)態(tài)模型的，但是在過程系統(tǒng)中，不可避免地存在穩(wěn)態(tài)模型無法描述

3、的動態(tài)過程，故需要采用優(yōu)化控制一體化技術(shù)對這類動態(tài)過程進(jìn)行優(yōu)化和控制。聯(lián)立法是目前求解動態(tài)優(yōu)化問題的主流方法，其基本思想是將原動態(tài)問題離散成非線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解，故求解非線性規(guī)劃問題的優(yōu)化算法是聯(lián)立法的重要計(jì)算引擎，同時，離散化的好壞關(guān)系到動態(tài)優(yōu)化問題的解的精度和最優(yōu)性。流程模擬軟件是優(yōu)化理論和方法得以施展和應(yīng)用的平臺，同時也促進(jìn)著優(yōu)化理論和方法的發(fā)展。本文探討了目前高性能優(yōu)化理論和方法中存在的若干問題以及解決方法。主要研究成果如下：

4、
　　 1.基于傳統(tǒng)收斂準(zhǔn)則的內(nèi)點(diǎn)算法在求解強(qiáng)非線性、多尺度的大規(guī)模流程模型優(yōu)化命題時出現(xiàn)的帕累托現(xiàn)象，提出了針對內(nèi)點(diǎn)算法的收斂深度控制策略，分析并證明了相關(guān)的性質(zhì)。
　　 2.針對目前的主流優(yōu)化算法在求解時仍然碰到很多求解困難和求解效率的問題，分析了算法參數(shù)設(shè)置與算法性能之間的關(guān)系，提出了基于啟發(fā)式算法和直接搜索算法的參數(shù)自動整定算法，并在對參數(shù)自動整定問題進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)上又提出了基于隨機(jī)采樣的參數(shù)自動整定算法。

5、r>　　 3.針對聯(lián)立法在求解動態(tài)優(yōu)化問題時涉及到的如何在保證解的精度的情況下確定有限元的個數(shù)和有限元節(jié)點(diǎn)的位置、如何找到不連續(xù)最優(yōu)控制曲線的不連續(xù)點(diǎn)以及如何保證解的最優(yōu)性這些問題，提出了自適應(yīng)移動有限元法。
　　 4.通過Aspen Open Solvers接口集，將基于內(nèi)點(diǎn)算法的求解器與Aspen Plus進(jìn)行了有效集成，開發(fā)了Aspen Plus下首個內(nèi)點(diǎn)算法求解器。并在Aspen OpenSolvers接口集的基礎(chǔ)上，