大規(guī)模簡約空間SQP算法及其在過程系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用.pdf

1、當前，以嚴格機理開放式方程建模為基礎(chǔ)的流程工業(yè)優(yōu)化成為國際主流的發(fā)展方向，流程工業(yè)過程優(yōu)化正由單元、裝置級別的局部優(yōu)化轉(zhuǎn)向更高級別的全廠、整個生產(chǎn)流程級別的系統(tǒng)優(yōu)化方向發(fā)展，閉環(huán)在線優(yōu)化也從穩(wěn)態(tài)優(yōu)化向更高級、更復(fù)雜的動態(tài)優(yōu)化發(fā)展。由于過程系統(tǒng)優(yōu)化向著大規(guī)模、大系統(tǒng)等方向發(fā)展，且由于過程對象的高度復(fù)雜性、強非線性和不確定性等特點，使得流程工業(yè)大規(guī)模優(yōu)化無論在理論研究，還是在實際應(yīng)用中都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。如何針對流程工業(yè)大規(guī)模優(yōu)化命題的結(jié)構(gòu)

2、、稀疏性等特點，開發(fā)高效可靠的大規(guī)模優(yōu)化算法與技術(shù)，是當前急需解決、極有挑戰(zhàn)性的前沿課題。 本文根據(jù)流程工業(yè)大規(guī)模過程系統(tǒng)優(yōu)化的需求，在對國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果及其技術(shù)進行系統(tǒng)總結(jié)和把握的基礎(chǔ)上，針對過程系統(tǒng)流程的特點，對基于簡約空間SQP算法的大規(guī)模優(yōu)化算法進行深入的研究，并將改進的優(yōu)化算法用于大規(guī)模乙烯生產(chǎn)過程中精餾塔的操作優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，本文也對動態(tài)過程系統(tǒng)優(yōu)化進行了有益的探討。 本文的主要研究工作包括以下幾個方面：

3、1.分析了企業(yè)綜合自動化和大規(guī)模過程系統(tǒng)優(yōu)化的背景和推動力，對國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)進行了系統(tǒng)的總結(jié)和闡述，并指出了大規(guī)模優(yōu)化技術(shù)在理論和應(yīng)用方面存在的困難。 2.對簡約空間SQP算法原理、計算框架和關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了詳細的分析，在此基礎(chǔ)上對算法進行了改進，提出了一種智能的基變換規(guī)則，可以減小大型矩陣運算所需的計算量，且基變量的變換在迭代過程中實時更新，增強了算法的穩(wěn)定性和魯棒性；提出了一種綜合過濾線性搜索方法，結(jié)合了傳統(tǒng)線性搜索

4、方法和過濾搜索方法的優(yōu)點，提高了算法的求解效率，減少了算法的迭代次數(shù)。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了大規(guī)模非線性優(yōu)化軟件包UniOptima，建立了非線性優(yōu)化標準算例庫。 3.針對過程系統(tǒng)中自由度相對較大的優(yōu)化命題，對簡約空間SQP算法進行了擴展，提出了基于有限存儲的RSQP算法。在算法中隱式地表示算法中最大的矩陣—簡約空間Hessian陣和二次項矩陣，大大減少存儲量的消耗；同時為了避免在空間坐標構(gòu)造和基變換判斷中存儲較大矩陣，算法采用隱式

5、規(guī)則構(gòu)造零空間坐標基，并采用一種啟發(fā)式方法構(gòu)造新的基變換規(guī)則。計算結(jié)果表明擴展后的RSQP算法在求解自由度相對較大優(yōu)化命題時具有更高的求解效率。 4.通過嚴格機理開放式方程建立了精餾塔模型，針對精餾塔系統(tǒng)的特點和結(jié)構(gòu)，對單塔模擬和操作優(yōu)化進行了研究。在對模型進行標度等數(shù)值處理的基礎(chǔ)上，提出了基于預(yù)稀疏模式的混合自動微分求導(dǎo)方法，并將本文研究和改進的大規(guī)模簡約空間SQP算法應(yīng)用于精餾塔系統(tǒng)的操作優(yōu)化。優(yōu)化計算結(jié)果表明，與標準SQP

6、算法和國際上成熟的大規(guī)模優(yōu)化求解軟件SNOPT相比，本文的簡約空間SQP算法具有更高的求解效率。 5.在對精餾塔單塔進行模擬與優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對乙烯生產(chǎn)過程中脫丙烷塔和脫丁烷塔組成的聯(lián)塔系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化進行了研究。本文成功對具有4293維變量的聯(lián)塔系統(tǒng)進行了模擬與優(yōu)化，優(yōu)化過程中RSQP算法的高效性通過與SNOPT和標準SQP算法的比較再次得到驗證，計算結(jié)果為整個乙烯生產(chǎn)過程多塔系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化奠定了很好的基礎(chǔ)。 6.在穩(wěn)