化工过程分析与合成Ch4

第四章化工过程系统的优化目录•4.1概述•4.2化工过程系统优化问题基本概念•4.3化工过程系统最优化问题的类型•4.4化工过程中的线性规划问题•4.5化工过程中的非线性规划问题•4.6化工过程大系统的优化•4.7不可行路径联立模块法4.1概述•数学模型是对实际过程系统进行模拟的基础。所谓系统仿真（或系统模拟）实际上就是建立过程的数学模型•建立数学模型不仅仅是为了对过程进行模拟，其最终目的是要对过程进行优化什么是优化？•古老的问题──胡不归•排队打水•在化工装置的设计及操作中，人们一直都在自觉或不自觉地应用优化的概念过程系统中优化的分类参数优化在流程结构给定的条件下，对象：过程系统参数•在实际生产中不断调节反应器的温度、压力以保证原料的转化率最大；•在精馏塔设计中选择适当的回流比，以保证较少的热量消耗和塔板数；结构优化流程方案的优化在多种可行方案中找出费用最小的流程结构，保证该方案满足安全、环保、易操作等方面的要求•确定冷、热物流的匹配方式，以便充分利用系统内部热量，降低公用工程消耗•不论是结构优化还是参数优化，最终目的都是为了以最小的投入获得最大的收益。过程系统中优化的分类求解方法的最优化•首先要分析问题属于哪种类型：连续操作还是间歇操作，稳态过程还动态过程，是单目标优化还多目标优化，有约束问题还是无约束问题。•然后选择建立何种模型进行优化：机理模型还是统计模型或智能模型等•有了数学模型，要考虑用什么样的最优化方法进行求解。4.2化工过程系统优化问题基本概念4.2.1最优化问题的数学描述•在数学上，求解最优化问题就是要找到一组使得目标函数J达到最大或最小的决策变量•求最小值的方法完全可以用于求解最大值问题]max[minJJ4.2.1最优化问题的数学描述(4-1)•服从于不等式约束条件：(4-2)•及n个等式约束条件：(4-3)为n维优化变量向量•最优化问题的组成要素：目标函数，优化变量，约束条件与可行域。)(minminyFJ0)(yg0)(yeTnyyyy),,,(211目标函数目标函数（又称性能函数，评价函数）是最优化问题所要达到的目标。两组不同的决策，其好坏优劣要以它们使目标函数达到多少为评判标准。•系统的产量最大；•系统的经济收益最大；•系统的能量消耗最小；•系统的原料利用率最高；•系统的操作成本最低；•系统的投资成本最低；•系统的稳定操作周期最长还有多目标问题2优化变量•对于过程系统参数优化问题，优化变量向量就是过程变量向量。过程变量向量包括决策变量和状态变量•决策变量等于系统的自由度，它们是系统变量中可以独立变化以改变系统行为的变量；•状态变量是决策变量的函数，它们是不能独立变化的变量，服从于描述系统行为的模型方程•w表示决策变量，x表示状态变量，则过程系统模型方程确定了x与w的函数关系（4-4）•通常称之为状态方程，它表示的是系统状态变量与决策变量之间的关系。•状态方程数目与状态变量x的维数相同。•自由度为零的系统优化问题就是系统模拟问题0),(xwf•有时过程变量向量还包括S维单元内部变量向量z，因此，状态方程的一般形式为：（4-5）•一般，过程系统优化问题中，决策变量数仅占整个过程变量中的一小部分。这一特性在缩小优化搜索时是很有用的0),,(zxwf3约束条件和可行域•当过程变量向量y的各分量为一组确定的数值时，称为一个方案•变量y的取值范围一般都要给以一的限制，这种限制称为约束条件状态方程限制了状态变量与决策变量间的关系，因此，也可以看作是一种约束条件。对于设计参数优化问题，设计规定要求也是一种约束条件。•约束条件有等式约束和不等式约束•过程系统参数优化的不等式约束条件包括过程变量的不等式约束条件和不等式设计规定要求（4-6）•等式约束条件由等式设计规定要求和尺寸成本关系式两部分组成，分别表示为（4-7）（4-8）•状态方程式（包括各种衡算方程、联结方程等）：（4-9）0),(xwg0),(xwh0),,(zxwc0),,(zxwf•满足约束条件的方案集合，构成了最优化问题的可行域，记作R•可行域中的方案称为可行方案•每组方案y为n维向量，它确定了n维空间中的一个点•因此，过程系统最优化问题是在可靠域中寻求使目标函数取最小值的点，这样的点称为最优化问题的最优解过程系统优化问题可表示为w－决策变量向量（w1，…，wr）;x－状态变量向量（x1，…，xm）z－过程单元内部变量向量（z1，…，zs）F－目标函数f－m维流程描述方程组（状态方程）c－s维尺寸成本方程组h－l维等式设计约束方程g－不等式设计约束方程),(xwFMin0),,(zxwf0),,(zxwc0),(xwh0),(xwg讨论对于上述优化问题，变量数为m+r+s，等式约束方程数为m+l+s，问题的自由度为d=变量数－方程数＝r－l•若l=0，自由度等于决策变量数r；•若l=r，自由度等于零，此时最优化问题的解是唯一的（即等于约束方程的交点），没有选择最优点的余地；•若lr，则最优化问题无解。由此可见，lr是最优化问题有解的必要条件之一例4－1求一个受不等式约束的最优化问题•服从于约束条件：•解：可行域是由:三边所围成的区域,最优解只能是可行域内与点（3，2）距离最近的点(2,1)1)2()3(),(min222121xxxxf03221xx012x01x03221xx012x01x4.22最优化问题的建模方法•对于过程机理清楚的问题，一般采用机理模型进行优化，其优点是结果比较精确•机理模型的约束方程是通过分析过程的物理、化学本质和机理，利用化学工程学的基本理论建立的描述过程特性的数学模型及边界条件•形式往往比较复杂，具有大型稀疏性特点，需要用特殊的最优化方法进行求解，求解方法选择不当，会影响优化迭代计算速度•对于过程机理不很清楚，或机理模型复杂，难以建立数学方程组或方程组求解困难的问题，可通过建立黑箱模型进行优化。•其中常用的就是统计模型优化方法•直接以实测数据为依据，只着眼于输入－输出关系，不考虑过程本质，对数据进行数理统计分析从而得到过程各参数之间的函数关系。函数关系通常比较简单。•优点是模型关系式简单，不需要特殊的最优化求解算法。•缺点是外延性能较差•多层神经网络模型也是一种黑箱建模方法，广泛用于过程系统模拟和优化问题。在许多方面优于一般的统计回归模型。•适用于任何生产过程系统，寻优速度较快，具有自学习、自适应能力（因此也称为智能模型），尤其适用于多目标优化问题•需要大量的样本数据，而且存在局部极值问题。•除此之外，还可采用机理模型与黑箱模型相结合的混合建模方法。4.2.3化工过程系统最优化方法的分类•无约束最优化与有约束最优化•线性规划与非线性规划•单维最优化和多维最优化•解析法与数值法•可行路径法和不可行路径法1无约束最优化与有约束最优化•在寻求最优决策时，如果对于决策变量及状态变量无任何附加限制，则称为无约束最优化•问题的最优解就是目标函数的极值。这类问题比较简单，求解方法是最优化技术的基础•在建立最优化模型方程时，若直接或间接的对决策变量施以某种限制，则称为有约束最优化。又可分为等式约束最优化和不等式约束最优化。•求解方法是通过把有约束最优化问题转化成无约束最优化模型进行求解2线性规划LP(LinearProgramming)非线性规划NLP(Non-linearProgramming)•当目标函数及约束条件均为线性函数时，称为线性最优化，或线性规划。比较成熟•当目标函数或约束条件中至少有一个为非线性函数时，则称为非线性最优化，或非线性规划。过程系统参数的优化通常都属于非线性规划•由于非线性规则问题求解困难，有时将其近似地线性化，用比较成熟的线性规划技术求解3单维最优化和多维最优化•根据优化变量的数目，可将问题分为单维最优化和多维最优化。•只有一个可以调节的决策变量的单维最优化问题是最简单的典型问题。•研究单维最优化的方法具有基本的意义，复杂的多维最优化问题往往可以转化为反复应用单维最优化方法来解决4解析法与数值法•根据解算方法，则可分为解析法和数值法。•解析法又称为间接最优化方法。只适用于目标函数(或泛函)及约束条件有显函数表达的情况。•要求把一个最优化问题用数学方程式表达，然后用导数法或变分法得到最优化的必要条件，通过对必要条件方程求解得到问题的最优解。•古典的微分法、变分法、拉格朗日乘子法和庞特里亚金最大值原理等都属于解析法。•数值法又称为直接最优化方法，或优选法。•不要求目标函数为各种变量的显函数表达式，利用函数在某一局部区域的性质或一些已知点的数值，逐步搜索、逼近，最后达到最优点。5可行路径法和不可行路径法•对于有约束最优化问题，视其如何处理约束条件可分为可行路径法和不可行路径法。•可行路径法的整个搜索过程是在可行域内进行的，对变量的每次取值，约束条件均必须满足•对于每一次优化迭代计算（统计模型除外）均必须解算一次过程系统模型方法（即状态方程）f，也就是做一次全流程模拟计算。同时，要解算式（4-6）至（4-8）。•这类方法简单可靠，但计算量很大。•不可行路径法的不要求必须在可行域内进行，可以从不可行域向最优解逐步逼近，但在最优解处必须满足条件。•在这类方法中，所有的过程变量同时向使目标函数最优而又能满足所条件的方向移动。•这类方法的求解过程有可能不稳定，但计算量比可行路径法显著减少。计算量少的主要原因是比可行路径少一层迭代环节4.3化工过程系统最优化问题的类型对于不同的阶段和对象，化工过程系统最优化问题可分为•过程系统参数的优化•过程系统结构的优化•过程系统管理的优化4.3.1过程系统参数优化•包括设计参数优化和操作参数优化•设计参数优化，就是把最优化技术应用于过程系统模型，寻求一组使目标函数达到最优，同时又满足各项设计规定要求的决策变量（即设计变量）。•根据最优设计方案可计算单元设备的尺寸•实际生产操作必须根据环境和条件的变化来调节决策变量（即操作变量），从而使整个过程系统处于最佳状态，也就是目标函数达到最优。这就是操作参数优化问题•如：通过操作参数优化计算，可以找到对应于系统下的精馏塔最佳回流比、操作压力、反应器最佳反应温度和再循环流量等等。•如果操作参数与生产装置的测试系统连接在一起，随时根据检测仪表送来的信息进行优化计算，然后将计算结果信息直接送往控制系统，则称为“在线操作优化”•过程系统的设计参数优化和操作参数优化的区别在于优化对象不同，前者优化的是设计变量，后者优化的是操作变量，•但就应其数学本质而言并什么本质上的区别，优化的对象都是决策变量•当用机理模型描述过程系统的参数优化问题时，模型方程分为稳态优化模型和动态优化模型。•稳态集中参数优化模型由代数方程组成，(4-10)（流程描述方程）（尺寸，成本方程）（等式设计约束）（不等设计约束）),(xwFMin0),,(zxwf0),,(zxwc0),(xwh0),(xwg•动态优化模型中引入了时间变量，过程变量、目标函数和约束条件均可为时间变量的函数。集中参数的动态优化模型，通常由常微分－代数方程组成(4-11)微分形式状态方程不等式约束和不等式设计规定方程等式状态程及等式设计规定方程初始条件]),([]),(),([minmin0fttffttxsdtttwtxFJ),(),()(ttwtxfdttdx0),(),(ttwtxg0),(),(ttwtxc)(00xtx•动态优化模型一般适用于解决动态过程（如间歇过程、开停车过程等）的优化设计和优化操作问题(1)找到w(t）的最优变量规律，使得在规定时间内到达x(t)的指定值的系统规模最小；(2)系统规模已定，找到w(t），使一定时间内x(tf)值为最大；(3)系统规模已定，找到w(t），使得达到x(t)的指定值的时间最短。稳态模型与动态模型的比较•稳态优化模型通常适用于稳态过程系统设计参数优化和离线操作参数优化。从控制论的角度，称稳态系统优化为离散系统优化。•由于动态模型描述的是时