大規(guī)模簡(jiǎn)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(dāng)前，以嚴(yán)格機(jī)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(jí)別的局部?jī)?yōu)化轉(zhuǎn)向更高級(jí)別的全廠、整個(gè)生產(chǎn)流程級(jí)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(jí)、更復(fù)雜的動(dòng)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(duì)象的高度復(fù)雜性、強(qiáng)非線性和不確定性等特點(diǎn)，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(shí)際應(yīng)用中都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。如何針對(duì)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(diǎn)，開發(fā)高效可靠的大規(guī)模優(yōu)化算法與技術(shù)，是當(dāng)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(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果及其技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)和把握的基礎(chǔ)上，針對(duì)過程系統(tǒng)流程的特點(diǎn)，對(duì)基于簡(jiǎn)約空間SQP算法的大規(guī)模優(yōu)化算法進(jìn)行深入的研究，并將改進(jìn)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(duì)動(dòng)態(tài)過程系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行了有益的探討。 本文的主要研究工作包括以下幾個(gè)方面：

3、1.分析了企業(yè)綜合自動(dòng)化和大規(guī)模過程系統(tǒng)優(yōu)化的背景和推動(dòng)力，對(duì)國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)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(duì)簡(jiǎn)約空間SQP算法原理、計(jì)算框架和關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種智能的基變換規(guī)則，可以減小大型矩陣運(yùn)算所需的計(jì)算量，且基變量的變換在迭代過程中實(shí)時(shí)更新，增強(qiáng)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(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)算例庫。 3.針對(duì)過程系統(tǒng)中自由度相對(duì)較大的優(yōu)化命題，對(duì)簡(jiǎn)約空間SQP算法進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了基于有限存儲(chǔ)的RSQP算法。在算法中隱式地表示算法中最大的矩陣—簡(jiǎn)約空間Hessian陣和二次項(xiàng)矩陣，大大減少存儲(chǔ)量的消耗；同時(shí)為了避免在空間坐標(biāo)構(gòu)造和基變換判斷中存儲(chǔ)較大矩陣，算法采用隱式

5、規(guī)則構(gòu)造零空間坐標(biāo)基，并采用一種啟發(fā)式方法構(gòu)造新的基變換規(guī)則。計(jì)算結(jié)果表明擴(kuò)展后的RSQP算法在求解自由度相對(duì)較大優(yōu)化命題時(shí)具有更高的求解效率。 4.通過嚴(yán)格機(jī)理開放式方程建立了精餾塔模型，針對(duì)精餾塔系統(tǒng)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，對(duì)單塔模擬和操作優(yōu)化進(jìn)行了研究。在對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)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(dòng)微分求導(dǎo)方法，并將本文研究和改進(jìn)的大規(guī)模簡(jiǎn)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(jì)算結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)約空間SQP算法具有更高的求解效率。 5.在對(duì)精餾塔單塔進(jìn)行模擬與優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)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(jìn)行了研究。本文成功對(duì)具有4293維變量的聯(lián)塔系統(tǒng)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)SQP算法的比較再次得到驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果為整個(gè)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)