化工过程大系统的优化

(3) 系统模拟优化采用的最优化方法评述
直接搜索法
它应用简便，计算比较可靠，但优化计算每迭代一次 都要做一次全流程模拟计算，属于可行路径法。用这 种方法即使计算变量很少的优化问题（如5个变量）， 也需要5-~400次全流程模拟，计算效率很低。因此在 早期的的研究工作中报道较多，目前已很少被采用。
广义简约梯度法（GRG）
该法是一种很有吸引力的方法，它适应性好，收敛速 度快，特别是可以直接用于处理大规模优化问题，但 在过程优化方面应用的报道不多。
4.6.1 可行路径优化法
(1) 可行路径黑箱搜索法
将过程系统视为“黑箱”，在优化计算确定决策变量 的搜索过程中，只是根据目标函数确定搜索方向，而 不涉及任何有关过程系统结构或过程单元类型的信息
(2) 可行路径联立模拟法
可行路径优化方法与联立模拟法结合的产物 产生新的决策变量时，利用了某些过程系统模型的信
息 该法把描述流程的方程和变量分解为描述每个过程单
元的模块子集。每个单元模块的变量分为输入－输出 变量和内部变量。 在一组给定的决策变量下求解各个严格单元模块，产 生单元的简化模型。单元简化模型与系统结构模型构 成了流程系统的简化模型
不可行路径型是指优化搜索过程仅在最优解处满足 约束条件。这类方法中所有变量w、x、z同时向使 目标函数F最优而又满足约束条件的方向移动。
两种优化方法的比较
不可行方法
NLP规模
大
过程模型每一步需要求解
不
需要的初始猜测值
状态和控制变量
可行方法
小 是 控制变量
过程大系统优化问题的求解方法，可以看作是最优化方法 与稳态模拟方法的结合。பைடு நூலகம்
②可行路径联立模块法（又称可行路径组合模块法）
(Feasible-Path Block Modular Method) ③不可行路径序贯模块法
(Infeasible-Path Sequential Modular Method) ④不可行路径面向方程法
(Infeasible-Path Equation Oriented Method)； ⑤不可行路径联立模块法
(Infeasible-Path Block Modular Method)。
(2) 化工过程大系统优化方法评价标准
应用方便，如尽可能地利用现有的流程模拟系统， 把数据和函数引入最优化算法程序，且花费的人工 最少。
计算可靠，初值选择方便，计算过程需要人工干预 少，计算方法的适应性强。
解效率高
通常，可以利用稳态模拟方法求解等式约束方程，利用最 优化方法寻求满足约束的目标函数最优解。
这两方面中不同方法相结合就产生了不同类型的系统模拟
优化策略。
过程系统模拟法
最优化方法
序贯模块法 面向方程法 联立模块法
1
31
4 25
可行路径法 不可行路径法
①可行路径黑箱搜索法 (Feasible-Path Pointwise Black Box Method)；
罚函数型和拉格朗日函数型的优化方法。
曾被广泛用于处理有约束的非线性问题，但随着问题维数 的增多，其数学性质变得复杂，条件变坏，求解困难，而 且罚函数的选择和修正带有很大的任意性。因而，仅用于 解决大系统参数优化问题。
序列线性逼近法（SLP）
该法适应性强，能处理大规模的优化问题，但收敛速度慢。 序列二次规划法（SQP）属于不可行路径法，它具有很好 的性质：收敛速度快，计算效率高，是当前公认的最好的 优化方法之一。但SQP法不能直接用于维数过多的优化问 题，须辅以变量分解法以缩小变量空间。
4.6.2 不可行路径
可行路径优化方法计算效率低，其根本原因是抛弃大量超 出可靠域的试算点
优化方法在每个搜索点处不一定满足等约束方程（流程方 程），但在最优点处可以保证约束方程收敛
模拟与优化同步收敛 Wilson-Han-powell提出的序列二次规划法（SQP）
End
利用流程模拟系统作为基础
过程优化问题(OPT1)被简化成下列非线性规划问题:
Min F(w, x)
g(w, x) 0
每组决策变量w，利用流程模拟系统作为功能黑箱， 产生相应的状态变量值x。模拟方程的解x与决策变量 w一起用于评价目标函数F和不等式约束g。然后，利 用非线性规划(NLP)模块产生新的决策变量
F(w, x)
f (w, x, z) 0
c(w, x, z) 0
h(w, x) 0
g(w, x) 0
求解(OPT1)优化问题的优化方法视其处理约束条件 的方式分为两大类：可行路径型和不可行路径型
可行路径型是指优化搜索过程在可行域内进行，因 此对决策变量w迭代的每次取值，都必须求解流程 方程，尺寸及成本模型方程和等式设计约束方程。
实际的过程系统往往是针对一个较大或者是较 复杂的系统进行的，所包含的线性和非线性方 程更多、更复杂。
一般来说当方程个数大于100时，用计算机直 接求解就有困难。
化工过程大系统的优化方法
和过程系统的稳态模型一样，过程大系统的最 优化问题可有以下方程来描述：
Min
流程描述方程 尺寸，成本方程 等式设计约束 不等式设计约束
化工过程分析与合成
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
4.6 化工过程大系统的优化
前面所描述的优化问题，仅仅涉及到一个单元 设备或一个局部过程。